基于红外检测技术的精播机设计

师晓琳

(河南轻工职业学院,郑州 450000)

0 引言

株距对于植株健康生长至关重要。株距过大,造成土地资源浪费,单位面积产量下降,直接影响农民收入[1-2];株距过密,叶片相互遮盖,造成下层叶片无法充分进行光合作用[3-4],导致植物的茎秆和叶片快速伸长,分枝减少,提前开花,进而造成产量降低。因此,适当的作物种植间距对于提高作物品质至关重要[5-6]。目前,主流精播机可以做到定间距精准播种,但改变播种间距的过程相对复杂,需要人工干预,同时对于播种间距缺乏有效的监控,整个系统为开环控制[7-8]。本系统利用曲柄摇杆机构设计变量播种器,并实现自动控制,采用红外检测系统实时监控实际播种间距[9],并指导变量播种器调整传动比,形成闭环控制系统,实现高精度的变间距播种。

1 系统组成

为了实现可变播种间距,设计了精播机系统,结构如图1所示。其中,牵引架和拖拉机相连接,提供前进动力;地轮与土壤接触,负责提供播种驱动力。地轮的动力输入轴通过链传动和动力传动轴相连,传动比为irc;动力传动轴采用链传动和变量播种器输入轴相连,传动为icd;变量播种器输出轴和动力输出轴采用链传动相连,传动比为idc;动力输出轴和排种轴采用链传动相连,传动比为icp。变量播种器传动比id可以调节,实现动力输入轴到排种轴的总传动比irp改变,进而改变播种间距l。红外检测器位于排种器下方,当有种子下落时记录相邻两种子下落的时间间隔Δt,结合播种机前进速度计算红外检测播种间距,进而控制变量播种器改变传动比,调整播种间距。

1.牵引架 2.排种器 3.红外检测器 4.地轮 5.动力输入轴 6.动力传动轴 7.变量播种器 8.动力输出轴图1 系统组成Fig.1 Structure of system

2 变量播种系统

依据土壤等环境因素,合理调整播种间距,可以有效改善植物的生长情况。系统采用曲柄摇杆机构,设计调试机构;通过步进电机带动丝杆,调整曲柄杆长改变变量播种器传动比,进而实现播种间距的改变;采用试验法,建立传动比与播种间距的模型、丝杠角位移和播种间距的模型;最后,采用油菜作为样本,探究播种间距对于油菜品质的影响。

2.1 变量播种器设计

变株距播种系统通过地轮与土壤纯摩擦获得前进速度v,同时为播种轴提供动力;变量播种器改变地轮到播种轴之间的传动比,进而改变播种株距。变量播种器基于曲柄摇杆机构进行设计,其原理如图2所示。

图2 变量播种器设计Fig.2 Design of variable seeder

图2中,动力从曲柄端输入,输出轴为摇杆中心D,整个系统由4组均布曲柄摇杆组成。摇杆摆角β大于超越离合器动力输出角度,当动力输入轴处于匀速转动时,第1组曲柄摆杆中摇杆摆角增长到超越离合器动力输出角时,下一组曲柄摇杆开始工作,实现动力的不间断输出。变量播种器通过步进电机带动丝杆,改变B点位置,进而改变曲柄长度,实现变量播种器传动比的改变。

当输入轴转动1周时,输出轴转动1个摇杆摆角β,则整个变量播种器传动比id如式(1)所示。改变曲柄r长度,进而改变摇杆摆角β,实现变速。

(1)

整个传动系统工作过程为:动力传动轴采用链传动与动力传动轴相连,传动比为irc;动力传动轴采用链传动和变量播种器输入轴相连,传动为icd;经过变量播种器传动比为id,和动力输出轴相连,传动比为idc;动力输出轴采用链传动和排种轴连接,传动比为icp,则该系统总传动比irp如式(2)所示。其中,n0为地轮转速;np为排种轴转速。

(2)

当播种机前进速度为v时,地轮转速n0与前进速度v之间的关系如式(3)所示。其中,速度v单位为km/h;n0单位为r/min;D为地轮直径,则排种轴转速如式(4)所示,播种间距l如式(5)所示。其中,c为排种器上一周分布的排种孔个数。由式(5)可知,播种间距l和变量播种器传动比id呈线性关系。

(3)

(4)

(5)

2.2 变量播种系统标定

由式(5)可知:通过改变变量播种器的传动比id,即可实现对于播种间距的调整。变量播种器的传动比id调整方法如下:①变量播种器控制步进电机带动丝杆转动,实现滑块位置的改变;②滑块位置的改变造成曲柄长度发生变化,柄摇杆机构中曲柄长度改变会造成摇杆摆角β改变,从而实现传动比id改变。因此,本系统通过控制步进电机角位移实现对于播种间距l的控制。现对系统进行标定,建立播种间距l和传动比id之间的模型,进而建立步进电机角位移φ与播种间距l之间的模型。

利用变量播种机进行变间距播种作业,探究播种间距l和变量播种器传动比id之间的关系;变量播种器通过步进电机带动丝杠转动改变传动比id,进而改变播种间距l,探究步进电机角位移和播种间距之间的关系。实地测试得到播种间距l及其对应的传动比id数据如图3所示。对数据进行线性拟合,结果如式(6)所示,线性决定系数R2达到0.99。

图3 变量播种系统标定Fig.3 The calibration for variable seeding system

id=0.57l

(6)

步进电机角位移φ和播种间距之间的关系如图3中圆点数据所示,呈多项式分布特点。对其进行二次多项式拟合,结果如式(7)所示。其拟合决定系数R2=0.98,表明该模型具有较强的可靠性。

φ=0.1336l2-47.08l+4521.8

(7)

2.3 种植密度对于作物品质的影响

植株播种间距决定种植密度。当植株密度过小时,会造成土地资源浪费;过大时,会造成通风透光不足,植株下部叶片相互遮挡,光合作用变差,且由于通风性能变差,呼吸作用变弱,导致病虫害高发。因此,适当的种植密度对于作物生长至关重要。现以榨油用油菜为例,探究种植密度对于植株生长的影响。菜籽油油品评价关键指标包括含油量、芥酸含量和硫代葡萄糖苷[10- 11]。其含油量越高,油菜品质越好;芥酸过多会引起血管壁增厚和心肌脂肪沉积,不利于人体健康;硫代葡萄糖苷具有调整内分泌和防癌症作用,现以含油量、芥酸含量和硫代葡萄糖来苷表征油菜品质[12]。

不同种植密度的油菜品质如图4所示。设置种植密度区间为10万～45万株/hm2。其中,含油量随着种植密度的提高呈现出先升高后下降趋势:在10万～25万株/hm2时,随着种植密度的提高,含油量呈升高趋势;在25万株/hm2时,含油量达到39.52%。芥酸含量随着种植密度增长呈现先升高后小幅下降再继续升高的趋势,分布区间为17.8%～19.7%。硫代葡萄糖苷随着种植密度升高整体呈现下降趋势:在10万～25万株/hm2时,缓慢下降;在30万～35万株/hm2时,出现小幅上升;在35万～45万株/hm2时,含量快速下降。综合考虑3种物质随种植密度的变化趋势,认定20万～25万株/hm2为油菜最适宜种植密度,其含油量为39.21%～39.52%,芥酸含量为18.57%～18.51%,硫代葡萄糖苷含量为18.97%～18.67μmol/g。

图4 种植密度对于植株生长影响Fig.4 The planting density effect on plant growth

3 红外检测系统

变量播种器通过改变传动比id,进而改变地轮到排种轴的总传动比irp,实现播种间距的调整。为了实现对播种间距的有效监控,设计了红外检测系统,检测种子下落时间间隔Δt,以实现对播种间距的监控。

监控系统采用红外检测技术,红外二极管和接收器相对布置,种子下落过程挡住红外光,此时接收器产生低电平[13-14]。检测相邻两个低电平之间的时间间隔Δt,结合播种机前进速度v,即可计算出播种间距l,即

l=Δt·v

(8)

采用1组红外检测器时,当两个种子水平下落时,红外检测只输出1个低电平,会造成下落种子漏检。因此,分别采用1～3组红外检测器,对500粒种子进行4组重复测试,计算1～3组红外传感器对应的准确率,进而确定选用红外检测器组数,结果如图5所示。当采用1组红外检测器时,4组重复测试实验识别准确率分布区间为90%～91%;采用两组组红外检测器时,4组重复测试实验识别准确率分布区间为97%～99%;采用3组组组红外检测器时,4组重复测试实验识别准确率分布区间为98%～99%。由图5可知:采用两组红外检测器和采用3组红外检测识别准确率差异不大。因此,选用两组红外检测器,作为本系统的播种间距检测装置。

图5 红外传感器数量对于识别准确性影响Fig.5 The influence of the infrared sensors number for recognition accuracy

4 系统工作流程

为了实现精确控制播种间距,基于曲柄摇杆机构和红外监控设计了本系统。首先,基于曲柄摇杆机构设计变量播种器,通过步进电机带动丝杠,调整曲柄长度,实现变速;其次,设计红外检测系统,监控相邻两粒种子下落时间间隔,结合播种机前进速度,计算监控播种间隔,进而对整个系统进行调整。

整个系统工作过程如图6所示。首先,设置精播机播种间距l,根据播种间距l,利用式(7)计算步进电机角位移φ,检测角位移φ是否满足要求。若不满足,继续调整步进电机;当满足要求时,地轮带动变量播种器,变量播种器带动排种轴转动,此时排种器开始工作,种子开始下落。利用红外检测系统检测相邻种子下落时间间隔Δt,检测播种机前进速度,进而计算红外检测播种间距lh;若不满足要求,返回调整部件电机角位移;若满足要求,则继续进行播种作业。

图6 系统工作流程Fig.6 The working flow for system

5 系统测试

为了实现播种的精确控制,采用曲柄摇杆机构设计变量播种器,采用红外检测装置检测播种间距。系统两大核心系统为红外检测系统和变量播种器,红外检测系统负责检测实际播种间距是否满足设置要求,变量播种器负责改变播种间距。

红外检测系统测试结果如图7(a)所示。测试时,进行10次重复试验,每组样本量为200,检测率结果分布区间为97%～99%。这表明,红外检测系统自身检测性能良好。

图7 系统检测Fig.7 The test for system

(9)

(10)

6 结论

为了实现播种间距的精确控制,改善植株生存环境,基于曲柄摇杆机构和红外检测技术,设计了精播机系统。采用步进电机带动丝杠,改变曲柄长度,实现传动比id的改变,进而改变地轮到播种轴的总传动比irp。对变量播种器进行标定,首先建立变速机构传动比id和播种间距l之间的模型,结果表明二者呈线性关系,拟合决定系数R2达到0.99;其次,建立步进电机角位移和播种间距模型,二者成二次多项式关系,拟合决定系数R2达到0.98。实地测试播种间距对于油菜生长的影响。设计红外播种间距检测系统,讨论红外传感器组数对于检测精度的影响。试验结果表明:采用两组组红外检测器时,4组重复测试实验识别准确率分布区间为97%～99%,满足设计要求。利用红外检测系统,记录相邻两种子下落时间间隔Δt,结合播种机前进速度,计算红外检测播种间距。对红外检测和播种间距控制准确性进行测试,结果表明:红外检测系统的检测率分布区间为97%～99%,播种合格率分布区间为96%～91%,变异系数分布区间为6.2%～13%,系统具有较高的可靠性。