基于电容传感漏播检测及记忆追赶式补偿的马铃薯精密排种系统设计与试验.pdf
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1、第 卷 第 期 年 月林 业 机 械 与 木 工 设 备 .研究与设计基于电容传感漏播检测及记忆追赶式补偿的马铃薯精密排种系统设计与试验王成江 王关平 杨 森 孙 伟 王 琦 吴晨光 张文瀚 赵宁宁(甘肃农业大学机电工程学院甘肃 兰州)摘 要:长期以来由于勺链式马铃薯播种机光电式漏播检测系统抗干扰性差、自动补偿系统结构复杂严重影响了马铃薯精密播种技术的推广应用 基于电容极板间因介质不同导致测量结果不同的物理机理提出基于空间电容传感器的漏播检测方法选用 高精度电容芯片高速采集电容值利用以穿越电容极板过程中载种与空勺测量电容最大值之差(即电容净变化量)判断是否漏播 样机土槽试验表明漏播检测系统识别
2、准确率高达 以上具有良好的抗尘、抗振性当播种速度为./、./、./时补偿系统补种成功率分别是.、.、.具有较强的可靠性 为非光电马铃薯排种高可靠性监测及低复杂度漏播补偿的实现提供了参考案例关键词:马铃薯播种机电容传感器漏播检测记忆追赶式补偿中图分类号:.文献标识码:文章编号:()():.(.)./././.收稿日期:基金项目:国家自然科学基金项目()甘肃省教育厅产业支撑计划项目()第一作者简介:王成江硕士研究生研究方向为农业电气化与自动化:.通讯作者:王关平教授博士研究方向为农业电气化与自动化:.:林业机械与木工设备第 卷勺链式马铃薯播种机在我国中西部马铃薯种植中应用广泛具有结构简单、适应性强
3、等特点 但由于其本身机械特性及播种过程中采用切块薯种的不规则性薯勺舀取薯种时易发生漏播这一现象使得马铃薯收获存在先天性减产造成的经济损失不容忽视现实生产中采用人工补种的方法降低漏播率但其劳动强度大、作业效率低且存在安全隐患已经严重制约马铃薯种植机械化的进一步发展为降低漏播带来的损失相关研究主要从漏播检测及自动补偿入手目前对于小麦、玉米等小粒种子在此方面已取得了较多成果 针对马铃薯等大粒种子的相关研究也陆续开展并取得了一定成果 张晓东设计了由红外光电传感器、单片机、步进电机组成马铃薯播种器自动补偿系统但检测精度随着长时间田间作业而受到尘土影响较大 在此基础上孙伟等提出了以 单片机为核心设计了由小
4、磁钢和霍尔传感器构成的定位模块和红外测薯模块组成的漏播检测系统以及由固态继电器和电磁铁组成的速动补薯装置 王关平等以 单片机为核心提出了一种由漏播检测启动信号生成电路、红外漏播检测电路和窝眼轮式排种系统构成的漏播检测补偿方案其检测的准确度和可靠性已经能够满足要求但额外的补种结构仍增加了系统的复杂性针对光电式漏播检测抗尘性差且目前研究中补种方式多需要额外补种通道或结构结构复杂为此本研究采用电容检测及追赶式补偿方法设计系统整体结构对各系统原理进行分析设计搭建试验机器进行土槽试验通过试验结果验证系统性能 系统结构及工作原理.播种机结构及工作原理简述试验机器的主要组成部分有播种机主体、电容传感器、步进
5、电机和驱动器及总控制器 单行马铃薯播种机结构如图 所示 其工作原理是:播种链轮通过上轴两端的两个单向离合器分别与地轮和补偿电机连接 正常播种时地轮通过主动力离合器向播种提供动力 当电容传感器检测到漏播且具备补偿条件时系统控制电机加速以比当前播种速度更快的速度运行根据单向离合器可以使更快动力优先接入系统的基本原理此时补偿离合器替代主动力为播种链轮提供播种动力从而使得漏播薯勺后一位置的薯勺在以原播种速度跨越 个勺距的时间内通过 个勺距从而完成追赶式补偿 补偿完成后电机停止运行播种链轮动力重新切换为地轮继续正常播种一次漏播补偿完毕图 单行马铃薯播种机结构.系统总体设计本系统主要分为漏播检测系统、补偿
6、控制系统及人机交互系统 漏播检测系统由平行电容极板和数字电容芯片组成 补偿控制系统主要由步进电机及其驱动器以及单向离合器动力传输系统组成 人机交互系统主要由 显示屏和按键组成主要用于播种信息的显示系统设置以及报警信号消除系统总体框图如图 所示因系统实时性要求高处理的数据多 因此本方案采用双 模式 主要用于电容传感器值的读取、绝对值编码器值的读取、实时链速 的解算、薯勺定位 则用来处理一些实时性要求不高的功能主要用于 的信息接收、信息显示、人机交互接口、漏播补偿控制、声光报警第 期王成江等:基于电容传感漏播检测及记忆追赶式补偿的马铃薯精密排种系统设计与试验图 系统总体框图 漏播检测与补偿方案.漏
7、播检测方案.漏播检测原理检测所用的对置式电容传感器由两个彼此平行放置的金属极板构成 对于对置式平行电容极板当忽略边缘电场和极板厚度影响时其空间内的电容值 为:()式中:为极板间介质的等效介电常数/为极板的有效正对面积 为两极板间的距离其中极板间等效介电常数与通过极板对置空间的物体有关其表达式为:.()式中:为空气介电常数为极板空间内空气体积、为其他不同物体的介电常数、为其对应的空间占用体积、为对置极板有效空间体积假设马铃薯薯种的介电常数为 薯勺的介电常数为 播种链条的介电常数为 则当空薯勺、带种薯勺以及只有播种链通过电容极板空间时等效介电常数不同根据公式()可知电容值与介电常数成正比因此根据电
8、容传感器电容值的变化就可以判断播种情况 根据实验室试验测得马铃薯和薯勺通过极板时电容变化量在 级别选用 数字电容芯片用于电容值的获取 是一个专门针对微小电容测量设计的数字转换芯片其转换频率可调 有效分辨率、.线性度、测量精度其精度能够满足漏播识别.播种信息判断原理薯勺通过电容极板空间时引起电容值的变化通过设定电容值变化量的阈值就可判断薯勺的播种情况 如图 所示将每次测得的电容值 与基准电容 相减并取绝对值得到 通过试验得到初始 空薯勺处于电容极板中间时的电容值以及播种链条通过电容极板时电容值的波动量 根据这些参数设定两个阈值 其中:()()图 电容时间变化图 将 与 做比较若 则判定为薯勺开始
9、进入电容极板开始记录每一次 值 设每次记录的值为 引入参数:()若 大于 则记录 为下一次比较做准备若 小于 则比较中止记录此时 此时 就近似为通过极板薯勺电容值的峰值 再加入判林业机械与木工设备第 卷断将此时 与 比较若 则判定为正常播种 漏播判断软件框图如图 所示图 漏播判断软件框图.补偿方案.补偿原理概述系统的补偿原理是:在前一薯勺漏播的情况下通过加速步进电机使后一薯勺加速追赶至特定位置 设勺距为 原本薯勺通过一个 的时间为 则加速补偿需要薯勺在 时间内恰好位移 来完成补偿 补偿方案的关键技术有漏播判断信息薯勺的定位排种链轮速度的测定以及电机加减速精确控制 在电容传感器检测到漏播事件发生
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