基于电机直驱的玉米勺轮排种器排种质量监测系统.pdf
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1、第8期张炫炫 等:基于电机直驱的玉米勺轮排种器排种质量监测系统1 5 5 D O I:1 0.1 3 7 3 3/j.j c a m.i s s n.2 0 9 55 5 5 3.2 0 2 3.0 8.0 2 1张炫炫,谭彧,张丽娜,等.基于电机直驱的玉米勺轮排种器排种质量监测系统J.中国农机化学报,2 0 2 3,4 4(8):1 5 5-1 6 1,1 9 0Z h a n g X u a n x u a n,T a n Y u,Z h a n g L i n a,e t a l.M o n i t o r i n g s y s t e m f o r s c o o p-w h e
2、e l m a i z e m e t e r i n g p e r f o r m a n c e b a s e d o n m o t o r d i r e c t d r i v i n g J.J o u r n a l o f C h i n e s e A g r i c u l t u r a l M e c h a n i z a t i o n,2 0 2 3,4 4(8):1 5 5-1 6 1,1 9 0基于电机直驱的玉米勺轮排种器排种质量监测系统*张炫炫,谭彧,张丽娜,蒋易宇,张然(中国农业大学工学院,北京市,1 0 0 0 8 3)摘要:针对非直驱式玉米勺轮排种
3、器存在排种量、播种粒距监测精度低等问题,设计一种基于步进电机直驱的玉米勺轮排种器排种质量监测系统。该系统以S TM 3 2为核心,采用光电传感器对排种量进行检测,基于光电脉冲信号的相邻落种时间间隔实现对播种粒距的监测。台架试验结果表明:在3 8k m/h设定车速下,排种量监测准确率平均值为9 8.5 5%,标准差为1.4%;与分析相邻落种运动过程得到的播种粒距理论值相比,播种粒距监测误差绝对值的平均值为2.8 4c m,标准差为3.6 6 c m,播种粒距监测合格指数大于9 7.1%,满足实际排种质量监测需求,可为玉米排种质量监测技术提供参考。关键词:玉米;勺轮排种器;电机直驱;播种粒距;监测
4、系统;种植机械中图分类号:S 2 2 3.2 文献标识码:A 文章编号:2 0 9 5 5 5 5 3(2 0 2 3)0 8 0 1 5 5 0 8收稿日期:2 0 2 2年2月9日 修回日期:2 0 2 2年3月5日*基金项目:国家重点研发计划(2 0 1 6 Y F D 0 7 0 0 3 0 2)第一作者:张炫炫,男,1 9 9 6年生,江苏淮安人,硕士研究生;研究方向为智能检测与控制。E-m a i l:z h x x u a n 1 2 61 6 3.c o m通讯作者:谭彧,女,1 9 6 3年生,湖南衡阳人,博士,教授;研究方向为智能检测与控制。E-m a i l:t a n
5、y u c a u.e d u.c nM o n i t o r i n g s y s t e m f o r s c o o p-w h e e l m a i z e m e t e r i n g p e r f o r m a n c e b a s e d o n m o t o r d i r e c t d r i v i n gZ h a n g X u a n x u a n,T a n Y u,Z h a n g L i n a,J i a n g Y i y u,Z h a n g R a n(C o l l e g e o f E n g i n e e r i n
6、g,C h i n a A g r i c u l t u r a l U n i v e r s i t y,B e i j i n g,1 0 0 0 8 3,C h i n a)A b s t r a c t:I n o r d e r t o s o l v e t h e p r o b l e m o f t h e l o w a c c u r a c y o f m o n i t o r i n g m e t e r i n g q u a n t i t y a n d s e e d i n g s p a c i n g o f n o n-d i r e c t-
7、d r i v e m a i z e s c o o p-w h e e l m e t e r i n g d e v i c e,a m o n i t o r i n g s y s t e m o f m a i z e s c o o p-w h e e l m e t e r i n g d e v i c e b a s e d o n s t e p p i n g m o t o r d i r e c t d r i v i n g w a s d e s i g n e d.T h e s y s t e m t o o k S TM 3 2 a s t h e c o
8、 r e,u s e d a p h o t o e l e c t r i c s e n s o r t o d e t e c t m e t e r i n g q u a n t i t y a n d r e a l i z e d t h e m o n i t o r i n g o f t h e s e e d i n g s p a c i n g b a s e d o n t h e a d j a c e n t t i m e i n t e r v a l o f p h o t o e l e c t r i c p u l s e s i g n a l s
9、.T h e b e n c h t e s t s h o w e d t h a t t h e a v e r a g e a c c u r a c y o f m o n i t o r i n g m e t e r i n g q u a n t i t y w a s 9 8.5 5%w i t h a s t a n d a r d d e v i a t i o n o f 1.4%a t t h e s e t v e h i c l e s p e e d o f 3-8k m/h.C o m p a r e d w i t h t h e t h e o r e t
10、i c a l v a l u e o f s e e d i n g s p a c i n g o b t a i n e d b y a n a l y z i n g t h e m o v e m e n t p r o c e s s o f a d j a c e n t s e e d s,t h e a v e r a g e a b s o l u t e v a l u e o f t h e e r r o r o f m o n i t o r i n g s e e d i n g s p a c i n g w a s 2.8 4 c m w i t h a s
11、t a n d a r d d e v i a t i o n o f 3.6 6 c m,a n d t h e q u a l i f i e d i n d e x o f s e e d i n g s p a c i n g w a s g r e a t e r t h a n 9 7.1%,w h i c h m e t t h e a c t u a l r e q u i r e m e n t s o f m o n i t o r i n g m e t e r i n g q u a l i t y.T h e r e s u l t s o f t h e s t u
12、 d y c a n p r o v i d e a r e f e r e n c e f o r t h e m o n i t o r i n g t e c h n o l o g y o f m a i z e m e t e r i n g q u a l i t y.K e y w o r d s:m a i z e;s c o o p-w h e e l m e t e r i n g;m o t o r d i r e c t d r i v i n g;s e e d i n g s p a c i n g;m o n i t o r i n g s y s t e m;p
13、 l a n t m a c h i n e r y0 引言播种粒距一致性是评价播种作业质量的重要指标,播种粒距控制技术作为影响玉米播种立体定位、播种均匀性的重要指标12,对玉米产量具有非常大的影响3。实际作业时,播种粒距根据当地农艺、播量4、车速56进行调整。影响玉米播种粒距一致性的因素主要包括排种器的精准度7、种子运移着床的平稳性8和排种转速控制精确度91 0。目前,电驱排种是玉米精量播种的主要发展方向。第4 4卷 第8期2 0 2 3年8月中国农机化学报J o u r n a l o f C h i n e s e A g r i c u l t u r a l M e c h a n
14、i z a t i o nV o l.4 4 N o.8A u g.2 0 2 31 5 6 中国农机化学报2 0 2 3年国内外学者通过对排种驱动方式1 1、排种转速的控制策略1 21 3和排种性能监测评价系统1 4等方面进行研究。其中,玉米落种状态监测传感系统主要包括激光传感器1 5、光电感应式1 61 7和高速摄像机1 81 9,能够针对排种量进行计数检测,快速发现播种异常问题。纪超等1 4设计了光电感应式传感器对排种量进行监测并配备了防尘装置,提高了传感器对环境的适应性。此外,陈黎卿2 0采用无刷直流减速电机驱动勺轮排种器,弥补了传统被动式地轮驱动易断播的不足,主动排种控制提高了播种均
15、匀性。黄与霞等2 1采用步进电机和链传动方式驱动勺轮排种器,但振动极限位置链条无法工作。综上所述,电驱式玉米勺轮排种器常采用链传动或减速器增扭而不是电机直驱排种器,易产生链节跳动、传动误差等问题,影响对排种量和播种粒距的监测效果。因此,对基于电机直驱的玉米勺轮排种器排种质量进行监测具有重要意义。针对非直驱式玉米勺轮排种器的排种质量监测精度低的问题,结合嵌入式技术、电机驱动技术和传感检测技术,设计了一种基于电机直驱的玉米勺轮排种器排种质量监测系统。该系统以单片机为核心,利用步进电机直驱玉米勺轮排种器、光电传感器对排种量和播种粒距进行检测,并通过台架试验验证了系统对排种质量的监测效果,为玉米精密播
16、种机智能装备的研发提供技术支撑。1 系统总体设计1.1 系统组成基于电机直驱的玉米勺轮排种器排种质量监测系统主 要 由 人 机 交 互 设 备HM I(H u m a n M a c h i n e I n t e r f a c e)、控制器、驱动电机、电机驱动器、勺轮排种器、落种监测单元和编码器组成,如图1所示。图1 系统总体组成F i g.1 G e n e r a l c o m p o n e n t s o f s y s t e m其中,驱动电机和勺轮排种器之间通过排种轴直接连接。系统通过编码器对排种转速进行检测、落种监测单元对落种信息进行采集、人机交互设备实现播种参数设定、控制
17、器实现排种转速指令控制和传感器信号处理。1.2 硬件设计控 制 器 选 用 基 于A RM C o r t e x-M 4内 核 的S TM 3 2 F 4 0 7 Z G T 6单片机,完成对电机控制、排种量和排种转速监测。HM I选择中达电通股份有限公司的D O P-B 0 7 S 5 1 5串口屏,采用R S 2 3 2通讯。检测模块落种监测单元选用MT-C D D-1 1 P型光电检测传感器。选用步进电机作为排种器动力源,电机和驱动器选用T C 8 6-1 2 0步进电机和S M 8 0 8 H伺服驱动器。步进电机配备分辨率F为1 0 0 0p/r的增量式光电编码器,系统主体电路如图2
18、所示。使用单片机定时器I O口采集编码器A B相脉冲信号,得到编码器测量的排种转速n1(即实际排种转速)。n1=6 010 0 0pFT=3 0pT(1)式中:n1 编码器测量的排种转速,r/m i n;p 编码器单位采样周期内捕获的脉冲数;编码器信号倍频系数;F 编码器分辨率,p/r;T 编码器采样时间,m s。使用单片机定时器I O口输出转速脉冲指令给电机驱动器,脉冲频率f与步进电机理论转速n2(即理论排种转速)之间的关系为n2=6 0fN(2)式中:n2 步进电机理论转速,r/m i n;f 步进电机驱动脉冲频率,H z;N 步进电机每转所需脉冲,p/r。当N为4 0 0p/r,得到步进
19、电机理论转速n2=0.1 5f。故驱动脉冲频率越快,排种转速越快。1.3 播种粒距测量原理播种粒距监测精度是评价玉米排种器排种质量的重要参数。为监测播种粒距,通过基于光电脉冲信号获得相邻落种时间间隔,结合车速信息对播种粒距进行检测。如图3(a)所示,相邻玉米种1和种2经过充种、舀种,随着排种盘逆时针转动相继抵达递种口,相邻落种排种时刻不同,存在时间差,当落种1从递种口进入导种盒内而落种2尚未到达递种口时分析相邻落种运动过程,得到基于实时排种转速和转过角度的相邻落种理论时间间隔tk。第8期张炫炫 等:基于电机直驱的玉米勺轮排种器排种质量监测系统1 5 7 tk=2 H6 02 n1k=6 0n1
20、kH(3)式中:相 邻 勺 轮 孔 与 排 种 盘 圆 心 形 成 的 角度,r a d;排种盘角速度,r a d/s;H 排种盘型孔数;n1k 编码器第k次测量的电机排种转速,r/m i n。所选的排种盘型孔数为1 8勺,则基于实时排种转速和 转 过 角 度 计 算 的 相 邻 落 种 理 论 时 间 间 隔tk=3.3 3/n1k。(a)步进电机驱动电路(b)人机交互设备R S 2 3 2通信电路(c)编码器监测电路 (d)光电传感器监测电路(e)S TM 3 2单片机 (f)晶振时钟和复位电路图2 系统主体电路图F i g.2 M a i n c i r c u i t d i a g
21、r a m o f s y s t e m(a)相邻玉米种子运动过程(b)光电脉冲信号图3 相邻落种时间间隔检测示意图F i g.3 S c h e m a t i c d i a g r a m o f t h e d e t e c t i o n o f a d j a c e n t s e e d s i n t e r v a l如图3(b)所示,当落种1由递种口成功进入导种盒时,安装在导种盒上的落种监测传感器将会产生一个上升沿信号,待落种2经过传感器产生第二个上升沿信号,相邻脉冲时间间隔即为相邻落种实际时间间隔tm。排种作业时,正常落种脉冲时间间隔为tm 1,若出现漏播时,则种2
22、的脉冲信号滞后于正常的脉冲信号,脉冲时间间隔为tm 2;若出现重播时,则种2的脉冲信号超前于正常的脉冲信号,脉冲时间间隔为tm 3。相邻落种理论时间间隔tk和相邻落种实际时间间隔tm,结合机具车速v可以得到播种粒距理论值Zk和监测值Zm。实际排种作业时,随着机具车速变快,排种转速也相应变快,落种在导种盒中发生碰撞的可能性变大导致落种轨迹改变,因此落种监测传感器检测的实际落种时间间隔会在理论落种时间间隔上下波动,造成播种粒距监测误差Z。Zk=2 7.7 8vtkZm=2 7.7 8vtmZ=Zk-Zm(4)1 5 8 中国农机化学报2 0 2 3年1.4 H M I软件界面设计为实现排种质量全过
23、程监测,设计人机交互终端界面,界面采用D O P S o f t 2.0 0.0 7软件编写。在播种作业前,农户通过操作HM I,在用户登录界面输入用户名和密码登入播种参数设置界面。根据当地农艺要求,在播种参数设置界面输入设定的播种粒距、行距、排种盘型孔数、驱动电机与排种盘之间传动比、机具车速、播种单体数量、作业幅宽等播种参数信息。确定完播种参数信息后,HM I会将播种参数信息传输给单片机。单片机将编码器测得的排种盘实时转速信息、落种监测传感器采集的排种量、相邻落种时间间隔信息回传给HM I,在数据显示界面上绘图显示,并将数据以C S V文件存储到HM I的S D卡内方便查询。1.5 排种质量
24、监测程序设计排种质量监测程序主要由HM I、S TM 3 2单片机完成。如图4所示,单片机根据HM I发送的播种参数信息计算得到目标排种转速n3,然后通过单片机定时器I O口输出目标频率的转速脉冲指令给步进电机驱动器,进 而 带 动 排 种 器 排 种,单 片 机 程 序 采 用K e i l V i s i o n 5软件编程。n3=v1 0 06 03.6HL(5)式中:n3 目标排种转速,r/m i n;L 设定播种粒距,c m。(a)HM I (b)S TM 3 2单片机图4 排种质量监测系统软件流程F i g.4 F l o w c h a r t o f m e t e r i n
25、 g q u a l i t y m o n i t o r i n g s y s t e m2 试验与结果2.1 试验平台搭建为了测试系统的监测精度,搭建室内试验平台进行排种量监测性能试验、排种转速采集试验、播种粒距监测性能试验。落种监测传感器安装在导种盒上,距排种器投种口下方的垂直高度为5 0mm,用于检测排种量和相邻落种时间间隔。步进电机安装在排种器背部的电机支座上,排种轴通过联轴器与驱动电机轴连接在一起。2.2 排种量监测性能试验排种量监测精度是保证播种粒距精准监测的前提,试验选用郑单9 5 8玉米杂交种子,设定目标粒距为3 0 c m、机具车速为31 2k m/h,增量为1k m/
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