一种播补一体化新型马铃薯播种机漏播检测与补偿控制系统的开发

Sokouri Kevin Jean Cyrille， 王关平， 刘 燕， 孙 伟， 杨 森， 冯 斌， 王成江

(甘肃农业大学机电工程学院，甘肃 兰州 730070)

目前，采用切块薯种植仍然是马铃薯种植的主流方式[1-3]。然而，一方面由于薯种的流动性较差容易导致取种勺漏取，另一方面随着播种速度的提高，取种成功率会进一步下降[4-5]。目前，主流的工程方案是对勺链式排种器进行结构优化以实现较高的取种成功率[6-8]，然而这并不能从根本上解决问题。

针对该问题，增加漏播自动补偿装置是解决问题的有效方法之一[9-10]。国内研究人员对于漏播检测及补偿已经取得了一些初步成果，例如张晓东[11]设计了由红外光电传感器及步进电机构成的马铃薯智能补偿系统方案，但检测精度易受田间尘土影响。在此基础上，孙伟[12]、王关平[13]等提出了采用红外传感器进行漏播检测，采用电磁铁或者外槽轮式排种器进行补偿的检测方案，其检测的准确度和可靠性已经能够满足要求，但击打式补偿的使用局限性依然显而易见。而龚丽农[15]等研制了基于内充种式排种器的副排种器及其控制装置，采用电磁阀进行自动补种，但是其双排种器的设计增加了系统的复杂性，也使得成本显著抬升。针对上述问题，本设计提出了一种基于追赶补偿理念的漏播补偿方案[16]。

1 播补一体化新型马铃薯播种机原理简介

播补一体化新型马铃薯播种机的系统结构如图1所示，其由3个有机联系的部分组成.单行马铃薯种植机、漏播检测系统以及基于单向离合器的漏播补偿系统。正常作业时，在拖拉机的牵引下，转动的地轮轴将动力经主动力传输链轮、地轮动力传输链条以及主动力传输单向离合器而传输给排种链轮轴，从而带动整个排种链轮、排种链条、所有的取种勺及种薯完成播种，系统控制器利用排种检测光电传感器组Ⅰ、Ⅱ(后分别简称检测组Ⅰ、Ⅱ)，种勺位置传感器Ⅰ、Ⅱ的信息进行实时漏播判断，同时进行自然播种数及其他相关数据的统计和显示。

图1 基于单向离合器的播补一体化新型马铃薯播种机系统结构1.种箱；2.机架竖梁；3.链轮轴承；4.排种槽；5.地轮；6.漏播补偿电机；7.补偿单向离合器；8.电机动力输出链轮；9.排种检测光电传感器组(Ⅱ，Ⅰ)；10.排种链轮(Ⅱ，Ⅰ)；11.取种勺；12.取种勺位置信号携载器；13.取种勺位置传感器(Ⅱ，Ⅰ)；14.排种链条；15.地轮轴；16.排种槽投种口；17.种薯；18.机架底梁；19.车载蓄电池；20.主动力传输单向离合器；21.位置可调式开沟器；22.排种链轮轴(Ⅱ，Ⅰ)；23.电机安装底板；24.驱动器；25.地轮动力传输链条；26.漏播补偿动力传输链条；27.主动力传输链轮；28.系统控制器；29.测速码盘

2 漏播监测与漏播补偿控制系统方案

本播补一体化新型马铃薯播种机是典型的机电一体化产品，其漏播监测及补偿控制系统实现的功能逻辑如图2所示，系统选择STM32F401处理器作为系统CPU。漏播监测及补偿控制系统的核心是种勺位置感应、红外对射漏播及加速补偿控制系统3部分，此外还必须有执行参数设置的键盘、参数显示、声光报警以及排种链条速度采集装置。其中，种勺位置监测采用了永磁铁及霍尔检测电路，红外传感器组主要由红外发射头及红外检测电路构成，采用单片机I/O驱动红外发射电路发出红外光，在指定时间内监测红外接收电路所接引脚是否有信号跳变中断产生，由此来完成漏播判断；漏播补偿部分，采用测速码盘检测排种链条的补偿前实时速度，经运算产生对应频率的脉冲串驱动电机完成加速补偿。

图2 漏播监测及补偿控制系统框图(元件编码与图1对应)

漏播情况下，则由漏播检测系统发出决策信号，漏播补偿电机被启动。由于经由补偿单向离合器注入的电机动力试图使排种链轮轴Ⅱ以更高的速度加速旋转，因而排种链轮轴Ⅱ的原地轮动力便顺利切换至补偿电机，待后一薯勺加速追赶至前一空缺马铃薯种块的正常预定到达位置时，电动加速转动状态终止，排种链轮轴Ⅱ重新从地轮获取动力，系统又进入正常播种状态。

3 漏播及补偿条件检测系统空间布局与补偿执行

3.1 漏播检测系统

漏播及补偿条件检测系统空间布局示意如图3所示。漏播判断由每个取种勺侧面负载的取种勺位置信号携载器和排种检测光电传感器联合得出。其中，检测组Ⅰ检测漏播事件是否发生，检测组Ⅱ检测待补薯种是否具备。每当取种勺侧面附带的种勺位置信号携载器到达取种勺位置传感器所在的位置时，由CPU给检测组Ⅰ的发射端提供信号，检测排种检测光电传感器在预定时间段内发生的信号变化，如果排种检测光电传感器Ⅰ至少其中一个接收端的状态传感器发生了变化，则说明有薯种存在，没有漏播事件发生；相反，如果检测组Ⅰ没有任何一个接收端的状态在预定时间内发生变化，则说明所经过的取种勺背面发生了漏播事件。检测组Ⅱ处执行的待补薯种是否具备的检测过程与检测组Ⅰ所在处执行的漏播事件是否发生的检测过程类似、CPU的判断准则完全相同。

图3 漏播及补偿条件检测系统空间布局(元件编码与图1对应)

3.2 追赶式补偿原理

如果CPU判断检测组Ⅰ处发生了漏播事件，还需要依据检测组Ⅱ处待补薯种是否具备的检测结果，最终由CPU给驱动器发出相应的控制信号。如果检测组Ⅱ处待补薯种具备，则CPU根据取种勺的实时运动速度v1给驱动器发出的控制信号使电机带动排种链条达到相应的速度，从而使得检测组Ⅱ处的取种勺在经过加速的位移2L1后，能够达到前一取种勺采用原速度v1达到的相同位置，从而完成位置无偏差补偿，随后CPU使电机立即停转，从而退出补种状态。如果检测组Ⅱ处无待补薯种，则CPU以低频方式启动声光报警系统，电机继续工作使得排种链条速度保持在原补偿速度不变，而后等待检测下一检测组Ⅱ处的取种勺背后是否有待补薯种，如果有，则按照现补偿速度继续执行完补偿；而如果下一检测组Ⅱ处的取种勺背后依然缺种，则系统启动高频声光报警，漏播与补偿控制系统停机，操作人员进行人工检查，查明原因并采取相应措施。

3.3 主要检测电路

本装置的核心硬件是漏播检测系统电路，具体包括取种勺位置检测电路、红外发射电路以及红外接收电路3部分，这些具体电路均以高速光耦(EL357)为媒介传递信号，其基本设计如图4所示。其中，图4(a)中的端口HUOER_IN连接霍尔传感器，当取种勺携带的钕铁硼磁铁经过霍尔传感器时，该端口2号引脚由高电平跳变为低电平，对应输出端MCU_HUOER_IN也发生由高到低的跳变，CPU捕捉到该跳变信息，诱发红外漏播检测中断的启动；图4(b)中的MCU_IR_OUT与CPU的某一I/O引脚相连，该引脚置低电平将使得三极管Q1导通，端口IR_OUT上插接的红外发射二级管将发射特定波长的红外光脉冲信号；如果图4(c)中IR_IN引脚低于4V时，滞回比较器LM393的引脚1会输出高电平信号，经由限流电阻R4流过隔离光耦U1，触发其导通使得光耦输出端连接CPU的MCU_IR_IN引脚发生由高到低的电平跳变，如果这种跳变在一段指定的时间段内被检测到，则系统可判定漏播事件产生，否则，系统认为排种正常。

图4 漏播检测系统电路设计

4 系统软件

系统主程序将完成变量初值设定、动力系统的完好性检测、排种器光电传感器组功能测试、定时器及中断功能配置、统计数据显示等。每当一个取种勺侧面附带的取种勺位置信号携载器到达取种勺位置传感器(Ⅰ、Ⅱ)所在位置时，都会诱发相关的中断工作，规定各中断之间的优先顺序，中断优先级从高至低依次为排种光电检测组Ⅱ、排种光电检测组Ⅰ所触发的中断，其相应的中断工作子程序检测结果标志位分别为FLAGII、FLAGI。

在本设计中，最重要的漏播检测及补偿控制部分，其相应的红外漏播检测中断子程序如图5所示。在其中断被触发之后，首先会执行光电传感器组Ⅰ的交替检测功能，获取薯种状态并对FLAGI进行赋值，之后从编码器子函数中获取到当前链条实时速度v1，通过采集到的速度利用超越式加速补偿算法预估补偿时间t1，之后对待补薯种标志位FLAGII进行检测，如果待补薯种存在则按照时间t1计算运动速度驱动电机加速补偿，等待补偿完成退出中断子程序，否则驱动电机进行快速补位将下一个薯勺运转到薯勺检测位置Ⅱ处，再次驱动漏播光电检测传感器Ⅱ对其有无薯种进行判断，如果此次薯勺携带有薯种则重新计算t1计算补偿速度v，驱动电机以速度v进行补偿，否则系统进行停机操作，报警并关闭补种功能。

图5 红外漏播检测中断子程序流程图

5 田间试验

5.1 试验条件

本文所使用的原理样机采用由杨浩在甘肃农业大学农业机械实训中心制造的原型样机改进而来，于甘肃农业大学机电工程学院下属小达坪马铃薯试验基地进行田间试验，该试验基地土壤类型为黄绵土，属于西北黄土高原典型土壤类型，试验田地约0.6平方公顷，垄长约为150 m，平均土壤含水率为14.53%，薯种平均尺寸约为55 mm×40 mm×33 mm，含水率为66.4%，薯种质量约为38 g/个。

5.2 试验方法及内容

本次试验设计依照马铃薯田间种植要求，株距设置固定为280 mm，采用12 A链条，采用切块薯种，勺链线速度取0.2 m/s、0.5 m/s、0.8 m/s，每个速度等级测试5次，薯种箱内放置300粒薯种。由控制器统计理论播种数n1、自然漏播数n2、成功补种数n3，衡量本次实验的排种器补种性能指标如下。

自然漏播率ε1为：

(1)

补种成功率ε2为：

(2)

最终漏播率ε3为：

(3)

排种器补种时受到传感器响应时间、系统补种运算时间以及电动机旋转加速时间的影响，而补种株距受到时间的影响，即采用下落误差距离进行补种位置性能判定，正常落点株距L1、实际落点株距L2、补种株距落点L3，其中实际落点株距L2采用10粒正常播种间距求其平均值得到，补种株距落点L3采用所有补种株距相加求平均值得到。株距误差率性能指标如下。

正常株距误差率ε4为：

(4)

补种株距误差率ε5为：

(5)

5.3 试验结果及分析

经过高速摄像机回放及比对排种器的各种监测数值，本次设计排种器监测系统性能高于99%，其排种性能见表1。

表1 排种器性能试验结果

经测算5次实验平均值，0.2 m/s时自然漏播率ε1为3.54%，0.5 m/s时为5.8%，0.8 m/s时为11.8%，排种器勺链线速度自0.2 m/s变化至0.8 m/s时，自然漏播率ε1从3.54%上升至11.8%，性能劣化点约出现在0.6 m/s，与前人研究结果相一致。排种器自然漏播率ε1随排种器线速度的增大而增大，漏播率上升主要是由于排种器勺链运行速度过快难以及时从种箱内取到薯种，导致播种成功率的下降。

与此同时，随着排种速度的增加排种器补种成功率ε2从94.78%降低至75.18%，0.8 m/s出现的劣化现象主要是由于排种器运行速度过快，留给控制器的补偿时间过少导致补种失败。最终漏播率ε3从0.22%上升至2.94%，在0.5 m/s的勺链线速度时仍能维持0.57%以下的漏播率。

从正常株距误差率ε4和补种株距误差率ε5的5次实验数据可以看出，补偿系统与实际系统之间始终有一定的误差，这主要是控制器驱动补偿系统带来的固有系统误差，排种器自然播种误差率自勺链线速度0.2 m/s变化至0.8 m/s时，排种株距误差率ε4自3.57%上升至15.58%，误差主要是由于排种器勺链和田间地面之间距离的下落时产生的位移造成的，排种器补种误差率ε5自6.44%增长至23.2%，其误差率在勺链线速度为0.5 m/s时仍维持12.03%，造成这种误差的原因为排种器固有的运行时间造成误差，当排种器勺链线增大至0.8 m/s后，补种误差率增长至23.2%，这主要是由于排种速度快，补偿计算时间和机械运动时间相对于排种时间过长，其结果符合所测得漏播补偿率下降的趋势。但是在本次试验的全速度域范围内，排种器性能达到设计要求，其补种精度符合马铃薯种植工艺参数要求。

6 结论

本文针对勺链式马铃薯播种机在田间工作时普遍存在的漏播问题，提出了以高性能单精度浮点处理器STM32F401为核心，由霍尔定位以及激光检测模块为核心的漏播监测系统，同时采用了步进伺服电机、双超越离合器以超越式加速补偿的原理组成了漏播补偿装置。田间试验表明，本次设计的勺链式排种器线速度在0.6 m/s时，自然漏播率的增长开始加快，在勺链线速度0.2 m/s～0.5 m/s时漏播补偿装置能实现90%以上的补种成功率，并且最终漏播率小于1%，整套系统工作稳定，可以实现极低现有设备改动的情况下，大幅提高播种成功率。