楊振宇,劉發(fā)英,朱光明,李學(xué)強(qiáng),王相友
(1.山東理工大學(xué) a.機(jī)械工程學(xué)院;b.電氣與電子工程學(xué)院;c.農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院,山東 淄博 255049;2.山東希成農(nóng)業(yè)機(jī)械科技有限公司,山東 樂陵 253699)
中國是馬鈴薯生產(chǎn)第一大國,與水稻、玉米和小麥并稱為我國四大主糧作物,在保證國家糧食安全和農(nóng)戶創(chuàng)收中起到了重要作用。隨著我國農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的不斷調(diào)整,馬鈴薯的種植面積還在不斷擴(kuò)大。在農(nóng)機(jī)購置補(bǔ)貼政策的拉動下,近年我國馬鈴薯播種機(jī)械化水平有了顯著提高[1-4],但馬鈴薯種薯機(jī)械化播種漏播率一般只可控制在小于11%(山東希成農(nóng)業(yè)機(jī)械科技有限公司2CMX-4B馬鈴薯種植機(jī)播種作業(yè)數(shù)據(jù))。因種薯漏播影響馬鈴薯產(chǎn)量,國內(nèi)外科研人員進(jìn)行了漏播預(yù)警與檢測的相關(guān)技術(shù)研究[5-12],為其他研究人員提供了啟發(fā)和技術(shù)基礎(chǔ),但在馬鈴薯播種的生產(chǎn)實際中沒有得到廣泛推廣,因此還需要在智能檢測和自動化控制技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)一步探索。馬鈴薯播種機(jī)播種作業(yè)現(xiàn)場和種薯排種器外形結(jié)構(gòu),如圖1所示。其作業(yè)環(huán)境具有以下特點:自然光照、有塵土、非結(jié)構(gòu)化。馬鈴薯播種精度主要取決于排種器的排種精度,排種器的核心部件是排種帶、托種勺和振動裝置。減少種薯漏播的常用方法是人工調(diào)整振動裝置的振幅,使種薯在托種勺上不易跌落,以此來降低種薯漏播率;但會帶來另一個問題:種薯較小時容易出現(xiàn)重播現(xiàn)象,因此不能將振動裝置的振幅調(diào)得過低。在馬鈴薯播種機(jī)播種過程中,如果能夠利用多點激光檢測判斷托種勺上的缺種情況,采用智能控制系統(tǒng)控制振動裝置振幅自動調(diào)節(jié)、控制補(bǔ)種裝置自動補(bǔ)種,就可以進(jìn)一步降低種薯的漏播率,把排種器調(diào)整到最佳工作狀態(tài)。因此,托種勺缺種判別顯得格外重要,是實現(xiàn)振動裝置振幅自動調(diào)節(jié)和補(bǔ)種器自動補(bǔ)種的前提條件。
(a) 馬鈴薯播種機(jī)作業(yè)現(xiàn)場 (b) 種薯排種器1.排種帶 2.托種勺 3.種薯 4.機(jī)架圖1 馬鈴薯播種機(jī)與排種器Fig.1 Potato planter and potato seed-metering device
在自然環(huán)境下,馬鈴薯播種機(jī)在播種時,通過兩列交錯排列的托種勺依次從種箱中進(jìn)行提升種薯,種薯通過排種帶的頂部后翻入導(dǎo)薯筒,落在托種勺的背面,種薯此時所處的狀態(tài)最有利于缺種檢測。兩列托種勺的缺種檢測可以分別進(jìn)行:一列托種勺的缺種檢測可按如圖2所示方式進(jìn)行布置,在排種帶托種勺的側(cè)面分多層安裝激光傳感器,相鄰兩層激光傳感器的檢測高度h大于托種勺厚度的1.2倍,所有激光傳感器的總檢測高度為相鄰?fù)蟹N勺間隔距離0.4倍。
(a) 位置1 (b) 位置2 (c) 位置31.排種帶 2.托種勺 3.種薯 4.激光束 5.激光傳感器圖2 種薯排種器托種勺缺種檢測原理圖Fig.2 Detection schematic diagram for seed inexistence on the seed-storage spoon of the potato seed-metering device
種薯排種器托種勺缺種的檢測方法如下:
1)如圖2(a)所示,當(dāng)托種勺上存在種薯時,托種勺在排種帶的帶動下,從上往下運(yùn)動,依次使得上層、中層和下層激光傳感器響應(yīng);在托種勺使得下層激光傳感器響應(yīng)的同時,種薯使得上層或中層激光傳感器響應(yīng),此時判斷托種勺上有種薯,判別結(jié)果為該托種勺上不缺種。
2)如圖2(b)所示,不管托種勺上是否存在種薯,當(dāng)上層、中層和下層激光傳感器依次響應(yīng)一次后,1個托種勺位檢測結(jié)束。
3)如圖2(c)所示,當(dāng)托種勺上不存在種薯時,托種勺在排種帶的帶動下,從上往下運(yùn)動,同樣依次使得上層、中層和下層激光傳感器響應(yīng);但在托種勺使得下層激光傳感器響應(yīng)的同時,上層或中層激光傳感器沒有響應(yīng),這時判斷托種勺上沒有種薯,判別結(jié)果為該托種勺上缺種。
為了試驗以上檢測原理,搭建種薯排種器托種勺缺種檢測試驗裝置,如圖3所示。該試驗裝置由液壓站、控制系統(tǒng)、激光傳感器和排種器裝置組成。排種器裝置采用液壓驅(qū)動的方式運(yùn)行,液壓站為其提供動力,在種薯排種器裝置的導(dǎo)薯筒側(cè)開有檢測窗口;多層激光傳感器安裝在排種器裝置的一側(cè),對準(zhǔn)檢測窗口中的托種勺;控制系統(tǒng)用來采集激光傳感器的信號,對信號進(jìn)行分析,對托種勺缺種進(jìn)行判別,最后將判別結(jié)果輸出。
1.液壓站 2.控制系統(tǒng) 3.激光傳感器 4.排種器裝置 5.導(dǎo)薯筒 6.托種勺圖3 種薯排種器托種勺缺種檢測系統(tǒng)圖Fig.3 Detection system diagram for seed inexistence on the seed-storage spoon of the potato seed-metering device
種薯托種勺缺種判別控制系統(tǒng)主要由控制模塊、上層傳感器判別單元、中層傳感器判別單元、下層傳感器判別單元、傳感器測速單元、數(shù)據(jù)通訊模塊、聲光報警單元、補(bǔ)種單元和電源與復(fù)位單元組成,如圖4所示。該控制系統(tǒng)主要用于托種勺的缺種判別、排種裝置運(yùn)行方向和速度的檢測和實現(xiàn)故障的聲光報警??刂颇K選用Mitsubishi FX3U-16MT/ES-A型PLC進(jìn)行邏輯處理;上、中、下層判別單元選用激光傳感器進(jìn)行托種勺缺種檢測;測速單元選用霍爾傳感器進(jìn)行排種裝置運(yùn)行方向和速度信號的采集;補(bǔ)種裝置單元接收到控制模塊的補(bǔ)種信號實現(xiàn)補(bǔ)種;振幅調(diào)整單元接收到控制模塊的振幅調(diào)整信號實現(xiàn)排種帶振幅的自動控制;通訊模塊實現(xiàn)控制模塊、補(bǔ)種裝置單元和振幅調(diào)整單元之間的信號通訊;聲光報警模塊通過蜂鳴器和LED燈的閃爍來提示故障。
圖4 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)組成框圖Fig.4 Hardware structure block diagram for control system
種薯排種器托種勺缺種檢測控制流程,如圖5所示。首先,打開檢測系統(tǒng)的電源開關(guān),按下啟動按鈕,液壓站液壓系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn),排種器裝置運(yùn)轉(zhuǎn),控制系統(tǒng)自檢后運(yùn)轉(zhuǎn);霍爾傳感器檢測排種器裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)方向和速度;當(dāng)下層激光傳感器響應(yīng)時,上、中層激光傳感器也有部分響應(yīng)判斷托種勺不缺種,控制系統(tǒng)發(fā)出有種信號;當(dāng)下層激光傳感器響應(yīng)時,上、中層激光傳感器沒有任何響應(yīng),則判斷托種勺缺種,控制系統(tǒng)發(fā)出缺種信號,向補(bǔ)種器發(fā)出補(bǔ)種信號;下層激光傳感器響應(yīng)信號消失,一個托種勺的缺種判別結(jié)束,依次循環(huán)完成所有經(jīng)過檢測窗口的托種勺缺種情況;排種器裝置托種勺缺種的判別過程中出現(xiàn)故障調(diào)用報警子程序,提醒使用者排除故障。
圖5 種薯排種器托種勺缺種控制流程圖Fig.5 Control flow chart for seed inexistence on the seed-storage spoon of the potato seed-metering device
排種器托種勺缺種的多點激光檢測試驗于2017年12月在山東理工大學(xué)研究生工作站(山東希成農(nóng)業(yè)機(jī)械科技有限公司)進(jìn)行,檢測的馬鈴薯品種為脫毒“夏波蒂”種薯,切塊后平均質(zhì)量在25~55g,排種帶的排種速度0.6~1.2m/s,通過調(diào)整裝置調(diào)整排種帶的振動強(qiáng)度。
試驗分析的指標(biāo)為種薯排種器托種勺缺種判別成功率(%)。影響因素分別為:因素X為種薯排種器排種速度v,按經(jīng)驗值確定其水平分別為0.7、0.9、1.1m/s;因素Y為單體種薯的質(zhì)量m,按馬鈴薯種薯制備的國家標(biāo)準(zhǔn)確定其水平分別為(30±5)g、(40±5)g、(50±5)g;因素Z為排種帶振動強(qiáng)度k, 其水平分別為輕微振動、中等振動和較強(qiáng)振動。選用3因素3水平按照正交表L9(33)進(jìn)行正交試驗,共設(shè)計9個試驗方案,種薯排種器托種勺缺種的正交試驗結(jié)果和極差分析結(jié)果如表1所示。各因素極差大小順序為:RX>RZ>RY。因此,影響收獲成功率的主要因素是排種帶的排種速度,其次是排種帶的振動強(qiáng)度,最后是種薯的質(zhì)量。
表1 正交試驗結(jié)果和極差分析表Table 1 Orthogonal experimental results and simple range
表2 正交試驗方差分析表Table 2 Variance of orthogonal experiments
如果種薯單體過小、排種帶振動強(qiáng)度過低,容易引起種薯重種。依據(jù)排種器托種勺缺種判別的正交試驗結(jié)果,選定質(zhì)量(40±5)g的種薯與排種帶振動強(qiáng)度為中等振動強(qiáng)度,對排種速度v在0.7~1.3m/s內(nèi)調(diào)整做單因素回歸試驗。試驗結(jié)果、回歸曲線(實線曲線)和多項式趨勢曲線(虛線曲線)如圖6所示。
圖6 排種速度對缺種判別成功率影響的分析Fig.6 Analysis of the effect of seeding speed on the success rate of missing seeds
回歸曲線方程為y=-67.381x2+125.9x+39.414,多項式趨勢曲線方程為y=909.09x4-3625.3x3+5266.8x2-3303.9x+852.09?;貧w曲線和多項式趨勢曲線反映了托種勺缺種判別成功率隨排種帶排種速度的變化關(guān)系,當(dāng)排種速度0.95m/s時,缺種判別成功率98.9%是函數(shù)指標(biāo)的極大值。
根據(jù)正交試驗和回歸試驗的結(jié)果和分析情況,選擇排種速度0.95m/s、種薯質(zhì)量(40±5)g,排種帶中等振動強(qiáng)度進(jìn)行試驗,種薯排種器托種勺的缺種判別的平均成功率可達(dá)98.75%,且相對穩(wěn)定。該組優(yōu)化參數(shù)組合可作為勺鏈?zhǔn)今R鈴薯播種機(jī)缺種檢測裝置設(shè)計相關(guān)參數(shù)的參考。
針對機(jī)械化馬鈴薯播種存在漏播的問題,提出了一種通過多點激光檢測托種勺缺種的判別方法。根據(jù)排種帶上托種勺的幾何形狀和排列間距,在托種勺的側(cè)面布置多層激光傳感器。當(dāng)托種勺通過檢測區(qū)域時,根據(jù)傳感器的響應(yīng)情況判斷托種勺上是否缺種。為了驗證缺種判別方法,搭建缺種檢測試驗臺,通過3因素3水平的回歸正交試驗后,結(jié)果表明:排種帶托種勺缺種的判別原理正確,性能穩(wěn)定可靠;當(dāng)排種速度為0.95m/s、單體種薯質(zhì)量為40±5g和排種帶中等振動強(qiáng)度時,托種勺缺種判別成功率可達(dá)98.75%。多點激光檢測托種勺缺種的判別方法可為后期設(shè)計種薯補(bǔ)種裝置實現(xiàn)缺種補(bǔ)種提供前期的技術(shù)支持。