丁友強 楊 麗 張東興 崔 濤 和賢桃 鐘翔君

(中國農(nóng)業(yè)大學工學院， 北京 100083)

0 引言

玉米播種作業(yè)質(zhì)量直接影響后期長勢，進而影響產(chǎn)量[1-2]。精量播種技術可節(jié)約良種、提高植株分布均勻度、使植株更好地利用水肥光熱條件，從而實現(xiàn)節(jié)本增收，因此近年來已成為玉米播種的主要發(fā)展方向[3-4]。

為實現(xiàn)高速精量播種，除了需性能穩(wěn)定、播種精度高、適宜高速作業(yè)的排種器外，排種器的驅(qū)動方式也至關重要。傳統(tǒng)播種機多采用地輪和鏈條驅(qū)動，在高速作業(yè)時易出現(xiàn)地輪打滑、鏈條跳動的現(xiàn)象，無法保證播種質(zhì)量[5-10]。相關學者針對以上問題進行了研究，印祥等[11]設計了一種基于光電編碼器測速的玉米精量播種機智能控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了播種粒距和播種機作業(yè)速度的動態(tài)匹配；張春嶺等[12-13]采用雷達測速儀檢測播種機實時速度，并通過編碼器采集排種器實時轉(zhuǎn)速進行反饋控制，提高了排種精度；HE等[14]提出了采用電機驅(qū)動排種器，采用編碼器測速、并加入滑移率參數(shù)進行速度修正的驅(qū)動方案，提高了播種質(zhì)量。但編碼器測速仍然受到地輪打滑的影響，且不同地塊、不同土壤條件都有不同的滑移率，不能保證修正參數(shù)的普適性，無法從根本上解決地輪打滑的問題。

針對以上問題，本文設計一種基于GPS測速的電驅(qū)式玉米精量播種機控制系統(tǒng)，采用Android手機終端設置播種作業(yè)參數(shù)，GPS接收器采集播種機的前進速度，主控制器根據(jù)采集到的速度信息實時調(diào)節(jié)排種器驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速，以期達到精量播種的目的。

1 系統(tǒng)整體設計和工作原理

基于GPS測速的電驅(qū)式玉米精量播種機控制系統(tǒng)主要由主控制器、Android手機終端、GPS接收器、直流無刷電機驅(qū)動器、直流無刷電機、減速器、排種器和信號燈組成。如圖1所示，系統(tǒng)工作時，由安裝在拖拉機駕駛室頂部的GPS接收器獲取衛(wèi)星報文，通過串口將報文信息傳輸?shù)街骺刂破鳎骺刂破鲝闹薪馑愠鐾侠瓩C的前進速度后，綜合用戶通過Android手機終端設置的播種作業(yè)參數(shù)配置定時器，輸出相應占空比的PWM控制信號。在這個過程中，信號燈將以GPS接收報文的頻率閃動，示意已成功獲取衛(wèi)星報文信息，電機驅(qū)動器根據(jù)接收到的PWM信號調(diào)整電機轉(zhuǎn)速，同時采集電機實時轉(zhuǎn)速，根據(jù)實際轉(zhuǎn)速與理論轉(zhuǎn)速的差值對電機進行閉環(huán)控制，從而實現(xiàn)對排種盤轉(zhuǎn)速的精確控制，達到精量播種的目的。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構圖 Fig.1 System structural diagram 1.Android手機終端 2.GPS接收器 3.信號燈 4.拖拉機蓄電池 5.直流無刷電機驅(qū)動器 6.直流無刷電機 7.減速器 8.排種器 9.主控制器

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 信號處理單元設計

考慮到系統(tǒng)未來功能的可拓展性，選擇意法半導體公司生產(chǎn)的基于Cortex-M3內(nèi)核的32位單片機STM32F105RCT6作為主控芯片,該單片機擁有64k SRAM,最高運行頻率72 MHz；同時有多個定時器和多種通訊模塊，性價比高，可以滿足高性能、低功耗的設計要求。

2.2 信號采集單元設計

2.2.1GPS信號采集

GPS接收器是采集播種機速度信息的核心部件，本系統(tǒng)選用上海吉度信息科技有限公司生產(chǎn)的UB-355型GPS接收器，該GPS接收器速度精度為0.1 m/s,最大信號更新頻率10 Hz，工作溫度-40～80℃，冷啟動時間在26 s之內(nèi)，熱啟動時間僅需1 s，以上關鍵參數(shù)均可滿足系統(tǒng)需要。

由于UB-355采用RS232串口通訊，而主控制器芯片選用STM32F105RCT6，其片上串口電平類型為TTL電平，設計了圖2中的電平轉(zhuǎn)換電路，以實現(xiàn)二者之間的通訊。

2.2.2作業(yè)參數(shù)采集

系統(tǒng)采用Android智能手機作為人機交互設備，用以設定株距、排種盤型孔數(shù)和傳動比3個作業(yè)參數(shù)。

圖2 控制系統(tǒng)原理圖 Fig.2 Schematic diagram of control system

考慮到田間復雜的作業(yè)環(huán)境，采用有線通訊方式進行作業(yè)參數(shù)傳輸，以保證信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性，普通Android手機具有耳機、USB兩種有線通訊接口，選用耳機接口進行通訊需進行A/D轉(zhuǎn)換，STM32方面可借助現(xiàn)有的編解碼芯片進行開發(fā)，而Android方面解調(diào)編程復雜，開發(fā)難度大，故選擇USB口進行通訊[15-16]。設計如圖2所示的USB通訊電路，其核心為CH9343芯片，該芯片針對USB Android手機終端提供了GPIO、PWM、UART、SPI Master、SPI Slave及I2C主機共6種模式，可以通過配置CFG2、CFG3、CFG4 3個引腳的電平選擇CH9343的工作模式[17-18]，這里將3個引腳都配置為高電平，使其工作在UART模式。

2.3 排種器驅(qū)動單元設計

排種器驅(qū)動單元主要由直流無刷電機驅(qū)動器、直流無刷電機、減速器以及排種器組成。本試驗中選用中國農(nóng)業(yè)大學研制的氣壓組合孔式玉米精量排種器(圖3)，該排種器在作業(yè)速度達到10.9 km/h時，仍能保證95%以上的合格率[19-20]；根據(jù)最大作業(yè)速度和株距，選擇減速器傳動比為10；直流無刷電機驅(qū)動扭矩為

(1)

式中M1——電機驅(qū)動扭矩，N·m

K——安全系數(shù)

M2——作業(yè)時排種器最大負荷，N·m

μ1——周向傳動傳動比

μ2——減速器傳動比

本系統(tǒng)所用氣壓組合孔式玉米精量排種器作業(yè)時最大排種負荷M2=3.72 N·m[14]；周向傳動傳動比μ1=5；減速器傳動比μ2=10；安全系數(shù)K取2。由式(1)計算得電機驅(qū)動扭矩為0.148 8 N·m，選用時代超群BL55S06-230TF9型直流無刷電機，其額定轉(zhuǎn)矩為0.18 N·m，可滿足作業(yè)要求；選用BLD5010A型智能直流無刷驅(qū)動器，該驅(qū)動器通過采集電機的霍爾信號判斷出當前電機的實際轉(zhuǎn)速，并結(jié)合目標轉(zhuǎn)速進行實時調(diào)整，可實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制，驅(qū)動器和控制系統(tǒng)的連接方式如圖2中的電機驅(qū)動電路部分。

圖3 氣壓組合孔式玉米精量排種器 Fig.3 Pneumatic maize precision seed metering device with combined holes

3 系統(tǒng)軟件設計

本控制系統(tǒng)的軟件包括兩部分：主控端硬件驅(qū)動程序和Android手機終端人機交互程序。主控端硬件驅(qū)動程序基于keil Vision 5進行開發(fā)，采用C語言編程；Android端人機交互程序基于Android Studio進行開發(fā)，采用Java語言編程。

3.1 主控端硬件驅(qū)動程序

主控端硬件驅(qū)動程序的主要功能是對來自各個單元的信息進行綜合分析計算，再通過配置片上定時器輸出控制信號。其整體流程如圖4所示，系統(tǒng)一方面在循環(huán)中不斷查詢播種作業(yè)參數(shù)是否更新，另一方面根據(jù)當前播種作業(yè)參數(shù)和GPS接收器獲取的拖拉機速度實時調(diào)整排種器驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速。

圖4 主控端整體流程圖 Fig.4 Program flow chart of overall control system

3.1.1速度信息的獲取

UB-355輸出的定位數(shù)據(jù)采用NMEA-0183協(xié)議，利用ASCII碼傳遞信息，主要包括GNGGA(GPS定位信息)幀、GNGSA(當前衛(wèi)星信息)幀、GPGSV(可見 GPS 衛(wèi)星信息)幀、GNRMC (推薦定位信息)幀、GNVTG(地面速度信息)幀、GNGLL(大地坐標信息)幀。其中速度信息包含在GNVTG(地面速度信息)幀中，基本格式如下：

$GNVTG,(1),T,(2),M,(3),N,(4),K,(5)*hh(CR)(LF)

$GNVTG：$為幀命令起始位，GN為識別符，VTG為語句名；

(1)：以真北為參考基準的地面航向；

(2)：以磁北為參考基準的地面航向；

(3):地面速率(單位：節(jié)/h)；

(4):地面速率(單位：km/h)；

(5)：模式指示(A為自主定位，D為差分，E為估算，N為數(shù)據(jù)無效)。

可以看出，通過處理GNVTG幀中(4)處的數(shù)據(jù)可得到當前拖拉機的前進速度，具體流程如圖5所示，其中GPS報文緩存器數(shù)組GPS_BUFF、接收狀態(tài)變量RX_STA，GPS_BUFF用來存儲來自GPS接收器的報文信息，RX_STA用以統(tǒng)計報文長度并作為報文是否接收完畢的標志，其次對串口3、定時器4、信號燈控制IO口等相關外設進行初始化，初始化完成后開啟串口3的數(shù)據(jù)接收中斷和定時器4的溢出中斷，當接收到的數(shù)據(jù)超出最大長度或在接收到一節(jié)數(shù)據(jù)后連續(xù)20 ms未接收到下一節(jié)數(shù)據(jù)，即標記接收完成，而后查詢數(shù)組GPS_BUFF中是否含有“$GNVTG”字段，沒有則清空GPS_BUFF數(shù)組繼續(xù)等待數(shù)據(jù)，有則改變信號燈開關狀態(tài)并返回該字段地址p1，計算出自p1地址處出現(xiàn)第7個“,”字符的地址偏移a，提取p1+a地址至下一個“,”字符地址間的所有字符，最后將得到的字符轉(zhuǎn)換為數(shù)值即為拖拉機的前進速度，單位為km/h。

圖5 速度解析程序流程圖 Fig.5 Program flow chart of velocity computing

為了提高程序的執(zhí)行效率，通過UB-355自帶的配置軟件設定接收器只接收GNVTG幀。

3.1.2電機調(diào)速的數(shù)學模型

系統(tǒng)在工作過程中，應盡量保證作業(yè)株距和預設株距的一致性，這就要求電機轉(zhuǎn)速與拖拉機前進速度動態(tài)匹配。作業(yè)距離和作業(yè)時間、拖拉機前進速度的關系式為

(2)

式中 Δt——任意時間間隔，s

ΔS——Δt內(nèi)作業(yè)距離，m

v——拖拉機前進速度，km/h

作業(yè)距離和作業(yè)時間、直流無刷電機轉(zhuǎn)速、排種盤型孔數(shù)、預設株距的關系式為

(3)

式中n1——直流無刷電機轉(zhuǎn)速，r/min

n2——排種盤型孔數(shù)

l——預設株距，cm

直流無刷電機轉(zhuǎn)速、定時器捕獲/比較寄存器值、自動重裝載寄存器值、PWM占空比為100%時的電機轉(zhuǎn)速之間的關系為

(4)

式中VCCR——定時器捕獲/比較寄存器值

VARR——定時器自動重裝載寄存器值

nmax——PWM占空比為100%時電機轉(zhuǎn)速，r/min

綜合式(2)～(4)，可得定時器VCCR值和拖拉機前進速度v的關系為

(5)

3.1.3作業(yè)參數(shù)的采集和控制信號的輸出

為方便解析數(shù)據(jù)，自定義STM32和Android手機終端作業(yè)參數(shù)傳輸協(xié)議如下：

$WKPARM,(1),(2),(3),

$為幀命令起始位，WKPARM為語句名；

(1)：播種株距；

(2)：排種盤型孔數(shù)；

(3):傳動比(周向傳動傳動比μ1和減速器傳動比μ2之積)。

如圖6所示，主控制器上電復位后，對相關外設進行初始化，主要包括DMA、串口1和定時器1；初始化完成后，程序讀取來自Android手機終端設置的作業(yè)參數(shù)信息，通過DMA將參數(shù)信息直接存儲到緩存器Rx_Buffer數(shù)組中，然后查詢Rx_Buffer數(shù)組中是否存在“$WKPARM”字段，沒有則清空Rx_Buffer數(shù)組并繼續(xù)接收信息，有則返回其地址p2；計算出自p2地址處出現(xiàn)的第一個“,”字符的地址偏移b1，提取p2+b1地址至下一個“,”字符地址間的所有字符，將得到的字符轉(zhuǎn)化為數(shù)值，即得到播種株距參數(shù)；同樣方式重復兩次，得到排種盤型孔數(shù)、傳動比參數(shù)，將3個作業(yè)參數(shù)回傳到Android手機終端后，再結(jié)合3.1.1節(jié)中獲取的拖拉機前進速度v，3.2.2節(jié)中定時器的VCCR值即可實時調(diào)節(jié)PWM占空比，實現(xiàn)排種器轉(zhuǎn)速和拖拉機前進速度的動態(tài)匹配。

圖6 作業(yè)參數(shù)采集和控制信號輸出流程圖 Fig.6 Program flow chart of capturing work parameter and outputting control signal

3.2 Android手機終端人機交互程序

人機交互程序的主要功能是根據(jù)實際作業(yè)情況設置株距、排種盤型孔數(shù)、傳動比3個參數(shù)。

3.2.1功能設計

基于CH9343開發(fā)的Android人機交互程序包括接口層(CH9343 Interface Layout)和用戶層(User Layout)2個部分，接口層中定義了WCHUARTInterface類，該類中實現(xiàn)了SetConfig、WriteData、ReadData方法，其中SetConfig方法用來設置CH9343波特率(9 600)、數(shù)據(jù)位(8)、停止位(1)、奇偶校驗位(無)，考慮到系統(tǒng)工作時并不需要改變以上參數(shù)，故設置為定值；從輸入界面獲取到設置的作業(yè)參數(shù)之后，按照3.1.3節(jié)中STM32和Android手機終端作業(yè)參數(shù)傳輸協(xié)議，調(diào)用WriteData方法將作業(yè)參數(shù)傳輸?shù)絊TM32；為了明確是否設置成功，通過調(diào)用ReadData方法將作業(yè)參數(shù)再回傳至Android手機終端，用戶通過比較回傳過來的參數(shù)和目的參數(shù)是否一致決定是否需要再次設置。

3.2.2界面設計

Android端人機交互界面設計的原則是簡潔易懂，方便操作。Genymotion模擬軟件界面如圖7所示，左邊一欄3個文本框分別用于輸入傳動比、排種盤型孔數(shù)、播種株距，輸入完成后，點擊設置按鈕，參數(shù)信息傳輸至主控制器，設置成功后，右邊一欄會接收到主控制器回傳過來的當前傳動比、排種盤型孔數(shù)、播種株距信息。

圖7 播種參數(shù)配置APP Fig.7 Config APP of seeding parameters

4 試驗和數(shù)據(jù)分析

4.1 田間試驗

圖9 不同作業(yè)株距和作業(yè)速度下的合格指數(shù)和變異系數(shù) Fig.9 Sowing qualified index and distance variation coefficient under different seed spacings and working speeds

為了測試系統(tǒng)的作業(yè)效果，對編碼器測速和GPS測速兩種作業(yè)方式進行對比試驗。在同一臺播種機的兩個播種單體上裝載兩種系統(tǒng)，二者除控制方式不同外，其余均保持相同。將播種株距、播種速度作為試驗因素，播種株距設18、22、25 cm 3個水平，播種速度設4、6、8、10、12 km/h 5個水平進行全因素試驗。播種作業(yè)完成后，用人工扒種的方式將播下的種子全部扒出，隨機取3段分別采集數(shù)據(jù)，每段連續(xù)測量250個株距。試驗于2017年11月17日在河北省固安縣西市村進行(圖8)。

圖8 田間試驗 Fig.8 Field experiment

4.2 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)處理和評價依據(jù)中華人民共和國國家標準《單粒(精密)播種機試驗方法》(GB/T 6973—2005)，將合格指數(shù)、變異系數(shù)作為評價控制系統(tǒng)性能的指標。

兩種控制方式的合格指數(shù)、變異系數(shù)隨作業(yè)速度和作業(yè)株距變化的趨勢如圖9所示。可以看出：

(1)相同作業(yè)速度下，兩種作業(yè)方式均表現(xiàn)出播種株距越大，合格指數(shù)越大，變異系數(shù)越小的趨勢，在作業(yè)速度為4 km/h時， GPS測速方式平均合格指數(shù)小于編碼器測速方式，而其余作業(yè)速度下均大于編碼器測速方式。

(2)相同作業(yè)株距下，隨著作業(yè)速度的提高，編碼器測速方式合格指數(shù)下降，變異系數(shù)升高；GPS測速方式合格指數(shù)先上升后下降，變異系數(shù)先下降后上升；且GPS測速方式的合格指數(shù)和變異系數(shù)受作業(yè)速度的影響更小。

(3)在相同試驗條件下，GPS測速方式變異系數(shù)均小于編碼器測速方式；在低速4 km/h時，GPS測速方式的平均合格指數(shù)比編碼器測速方式低5.39個百分點；作業(yè)速度6～10 km/h時，GPS測速方式的平均合格指數(shù)比編碼器測速方式高7.96個百分點；在高速12 km/h時，GPS測速方式的平均合格指數(shù)比編碼器測速方式高14.32個百分點；表明GPS測速方式更適宜高速作業(yè)。

5 結(jié)論

(1)設計了基于GPS測速的電驅(qū)式玉米精量播種機控制系統(tǒng)，系統(tǒng)以STM32單片機作為主控制器，以Android手機終端作為人機交互設備，用GPS接收器采集拖拉機前進速度，建立了排種器驅(qū)動電機的調(diào)速模型，避免了地輪打滑對播種作業(yè)造成的影響，進一步發(fā)揮出排種器高速作業(yè)的潛力，改善了播種作業(yè)質(zhì)量。

(2)以作業(yè)速度和播種株距為試驗因素，以播種合格指數(shù)、變異系數(shù)為評價指標進行全因素試驗，結(jié)果表明，在相同試驗條件下，GPS測速方式的變異系數(shù)均小于編碼器測速方式；在低速4 km/h時，GPS測速方式的平均合格指數(shù)比編碼器測速方式低5.39個百分點；作業(yè)速度6～10 km/h時，GPS測速方式的平均合格指數(shù)比編碼器測速方式高7.96個百分點；在高速12 km/h時，GPS測速方式的平均合格指數(shù)比編碼器測速方式高14.32個百分點；表明GPS測速方式更適宜于高速作業(yè)工況。