楊 浩,王關(guān)平,孫 偉,朱 亮,楊 森,王成江,張 華,劉小龍

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

現(xiàn)階段馬鈴薯播種機(jī)排種以勺式排種為主，該排種方式具有可靠性高、造價(jià)低、株距可調(diào)、精度高等優(yōu)點(diǎn)[1-4]。但由于薯塊形狀、大小不一，且與取種勺的尺寸配合欠佳等原因，導(dǎo)致因漏取而漏播的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，進(jìn)而導(dǎo)致先天減產(chǎn)[5-7]，降低了馬鈴薯種植的經(jīng)濟(jì)效益。

解決馬鈴薯漏播問題的核心是安裝具有自動(dòng)監(jiān)測(cè)及補(bǔ)償功能的附加系統(tǒng)。歐美等發(fā)達(dá)國家于上世紀(jì)40年代開始了排種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用研究，直到后來與漏播補(bǔ)償系統(tǒng)一并在大宗主糧作物種植中獲得了廣泛應(yīng)用[8-10]。國內(nèi)關(guān)于播種監(jiān)測(cè)與漏播補(bǔ)種的相關(guān)研究起步較晚，但發(fā)展較快[11-16]。然而，馬鈴薯播種機(jī)的排種方式與小麥等小籽粒作物有很大不同，受播種速度、薯種形狀及田間工作條件等因素的制約，普遍存在較高的漏播率。為此，張曉東等[17]設(shè)計(jì)了由單片機(jī)和步進(jìn)電機(jī)等組成的自動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)，在勺鏈?zhǔn)脚欧N器的排種槽上附加外槽輪式補(bǔ)償排種器和專門的補(bǔ)償種薯運(yùn)動(dòng)通道，系統(tǒng)較為復(fù)雜。在此基礎(chǔ)上，劉全威等[18]提出了一種基于單片機(jī)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和曲柄連桿打擊補(bǔ)種方案。該系統(tǒng)監(jiān)測(cè)部分可靠性明顯提高，也能較好地實(shí)現(xiàn)薯種無誤差補(bǔ)償，但需要在排種槽外設(shè)置補(bǔ)種箱，且補(bǔ)種箱的排種口容易出現(xiàn)堵塞。孫偉等[19]提出了加強(qiáng)型漏播檢測(cè)及以擊打強(qiáng)排為手段的速動(dòng)補(bǔ)種系統(tǒng)。該系統(tǒng)檢測(cè)可靠性進(jìn)一步提高，補(bǔ)種及時(shí)，但專用的補(bǔ)種箱依然存在，發(fā)生堵塞的可能性依然較高。王關(guān)平等[20]提出了由干簧繼電器觸發(fā)紅外漏播檢測(cè)和窩眼輪式排種系統(tǒng)進(jìn)行漏播補(bǔ)償?shù)姆桨?，其漏播檢測(cè)系統(tǒng)準(zhǔn)確度高，補(bǔ)償系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有所簡(jiǎn)化、補(bǔ)種行程短、動(dòng)作迅速，但待補(bǔ)種薯被窩眼槽輪夾傷的現(xiàn)象較為普遍。?？档萚21]提出了以PLC為核心的電容傳感漏種檢測(cè)新方案。這種排種信息監(jiān)測(cè)不需要光電系統(tǒng)輔助，電容傳感器耐塵性更好，但檢測(cè)技術(shù)的成熟性和可靠性目前還沒有其它研究進(jìn)一步佐證。

綜上所述，目前對(duì)馬鈴薯播種機(jī)的播種監(jiān)測(cè)已經(jīng)較為可靠，但在漏播補(bǔ)償方面基本都需要附加外置通道，增加了整機(jī)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、降低了漏播補(bǔ)償?shù)臏?zhǔn)確性。為精簡(jiǎn)機(jī)構(gòu)、降低最終漏播率，基于單向離合器可以使更快動(dòng)力優(yōu)先接入系統(tǒng)的基本原理，本文提出了一種“基于單向離合器的播補(bǔ)一體化馬鈴薯播種機(jī)”新方案。該方案在一個(gè)改進(jìn)的單行馬鈴薯種植機(jī)基礎(chǔ)上，配套了更為精簡(jiǎn)成熟的排種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并增加了基于單向離合器的追趕式漏播補(bǔ)償系統(tǒng)。本文重在對(duì)新增的傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)控制理論進(jìn)行了深入研究，旨在介紹一種初步成熟可用的漏播補(bǔ)償新方案。

1 系統(tǒng)方案概述

1.1 一種新型播補(bǔ)一體化馬鈴薯播種機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)

一種基于單向離合器的播補(bǔ)一體化馬鈴薯播種機(jī)的整機(jī)結(jié)構(gòu)圖見圖1所示。其由單行馬鈴薯播種機(jī)機(jī)體、漏播監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、基于單向離合器的漏播補(bǔ)償系統(tǒng)和系統(tǒng)控制器組成。關(guān)于單行馬鈴薯播種機(jī)，本文不作多余敘述。首先，排種系統(tǒng)的主動(dòng)力來源于與地輪5同步的地輪軸15經(jīng)主動(dòng)力傳輸鏈輪27、地輪動(dòng)力傳輸鏈條25以及主動(dòng)力傳輸單向離合器20而傳輸給排種鏈輪軸II22的轉(zhuǎn)矩。其次，漏播檢測(cè)系統(tǒng)包括每個(gè)取種勺在同一位置上安裝取種勺位置信號(hào)攜載器12；排種槽4從上到下兩個(gè)位置分別設(shè)置取種勺位置傳感器II13和取種勺位置傳感器I13，其具體配合關(guān)系如圖1所示，相鄰所述取種勺位置傳感器之間的距離與取種勺間距L1相等；在取種勺位置傳感器II、I13之上的種薯平均半徑r處分別設(shè)置排種檢測(cè)光電傳感器組II 9和排種檢測(cè)光電傳感器組I9，其中取種勺位置傳感器I 13距離種薯進(jìn)入自由落體運(yùn)動(dòng)的起點(diǎn)線距離也等于L1。排種檢測(cè)光電傳感器組I 9為漏播事件是否發(fā)生的檢測(cè)點(diǎn)，排種檢測(cè)光電傳感器組II 9為待補(bǔ)薯種是否具備的檢測(cè)點(diǎn)；排種檢測(cè)光電傳感器組9、取種勺位置傳感器13分別與系統(tǒng)控制器裝置28連接。再次，基于單向離合器的漏播補(bǔ)償系統(tǒng)由電機(jī)6、補(bǔ)償單向離合器7、電機(jī)動(dòng)力輸出鏈輪8、漏播補(bǔ)償動(dòng)力傳輸鏈條26、測(cè)速碼盤29組成。補(bǔ)償單向離合器7通過漏播補(bǔ)償動(dòng)力傳輸鏈條26和電機(jī)動(dòng)力輸出鏈輪8連接，電機(jī)6的動(dòng)力由安裝于其轉(zhuǎn)軸之上的電機(jī)動(dòng)力輸出鏈輪8輸出，漏播補(bǔ)償所需的動(dòng)力直接由電機(jī)6經(jīng)電機(jī)動(dòng)力輸出鏈輪8、漏播補(bǔ)償動(dòng)力傳輸鏈條26傳送至補(bǔ)償單向離合器7而進(jìn)一步傳至排種鏈輪軸II22獲得；測(cè)速碼盤29的轉(zhuǎn)動(dòng)軸與排種鏈輪軸I 22一端連接，測(cè)速碼盤29的機(jī)身固定于機(jī)架底梁18之上，測(cè)速碼盤29的信號(hào)傳遞給系統(tǒng)控制器裝置28后可以計(jì)算獲得排種鏈輪(II, I)10的角速度，也可進(jìn)一步求取排種鏈條14的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)速度。該機(jī)集排種與漏種補(bǔ)種為一體，無附加補(bǔ)種箱，尤其是待補(bǔ)薯種不需在特定型腔中就位，不存在待補(bǔ)薯種本身堵塞問題，從總體上使機(jī)體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化、播種效率提高。

注：1.種箱; 2.機(jī)架豎梁; 3.鏈輪軸承; 4.排種槽; 5.地輪;6.電機(jī); 7.補(bǔ)償單向離合器; 8.電機(jī)動(dòng)力輸出鏈輪;9.排種檢測(cè)光電傳感器組(II, I);10.排種鏈輪(II, I);11.取種勺;12.取種勺位置信號(hào)攜帶器; 13.取種勺位置傳感器(II, I);14.排種鏈條; 15.地輪軸; 16.排種槽投種口; 17.種薯;18.機(jī)架底梁; 19.車載蓄電池; 20.主動(dòng)力傳輸單向離合器;21.位置可調(diào)式開溝器; 22.排種鏈輪軸(II, I); 23.電機(jī)安裝底板;24.驅(qū)動(dòng)器; 25.地輪動(dòng)力傳輸鏈條; 26.漏種補(bǔ)償動(dòng)力傳輸鏈條;27.主動(dòng)力傳輸鏈輪; 28.系統(tǒng)控制器; 29.測(cè)速碼盤。Note: 1. Seed box； 2. Rack vertical beam； 3. Chain wheel bearing；4. Seed-metering groove； 5. Land wheel； 6. Electric motor；7. Compensatory one-way clutch；8. Electric motor power output chain wheel；9. Photoelectric sensor set for seed-metering detection(II, I);10. Seed-metering chain wheel (II, I)；11. Seed spoon;12. Seed spoon position signal carrier; 13. Seed spoon position sensor (II, I);14. Seed-metering chain; 15. Land wheels axle; 16. Seed-metering groove drop gate;17. Cutting potato; 18. Frame bottom beam; 19. Vehicle battery; 20. Main power transmission one-way clutch; 21. Position adjustable ditcher;22. Seed-metering chain wheel axle (II, I); 23. Electric motor mounting base plate;24. Electric motor driver; 25. Land wheel power transmission chain;26. Power transmission chain for miss-seeding compensation;27. Main power transmission chain wheel; 28. System controller; 929. Velocity encoder.

1.2 排種監(jiān)測(cè)與漏播補(bǔ)償控制系統(tǒng)方案

由前述系統(tǒng)基本構(gòu)成方案和圖1所示的整機(jī)結(jié)構(gòu)圖可知，本文所述的播補(bǔ)一體化新型馬鈴薯播種機(jī)是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。因此，其總體應(yīng)該在基本單行馬鈴薯種植機(jī)上附加排種監(jiān)測(cè)與漏播補(bǔ)償控制系統(tǒng)。由于任務(wù)復(fù)雜，因此，要求構(gòu)建該排種監(jiān)測(cè)與漏播補(bǔ)償控制系統(tǒng)的CPU應(yīng)該具有至少30Mips以上的運(yùn)算速度、19個(gè)以上的普通I/O口、7個(gè)以上的外部電平變化中斷輸入口、4k以上的片內(nèi)程序存儲(chǔ)空間以及工業(yè)級(jí)的抗干擾能力。故選擇單片機(jī)STM32F103作為系統(tǒng)CPU，以其為核心的監(jiān)測(cè)與漏播補(bǔ)償控制系統(tǒng)方案如圖2所示。

由圖2結(jié)合圖1可知，排種檢測(cè)光電傳感器組9和取種勺位置傳感器13安裝在排種槽4上，其中13感受取種勺位置信號(hào)攜帶器12在其輸出端誘發(fā)的電平變化并將信號(hào)送CPU，而9的發(fā)射端則接受CPU的紅外發(fā)射控制，9的接收端則感受其發(fā)射端的紅外信號(hào)并形成電平變化后被CPU感知。電機(jī)6受驅(qū)動(dòng)器24控制均安裝在機(jī)體上，驅(qū)動(dòng)器受CPU控制。測(cè)速碼盤29安裝在排種鏈輪軸I 22一側(cè)，負(fù)責(zé)給CPU提供排種鏈輪10的角速度信號(hào)。28為系統(tǒng)控制器，其所屬元件均在一塊PCB板上安裝于種箱1外側(cè)；其鍵盤(28-3)、參數(shù)顯示(28-5)及CPU(28-1)可以聯(lián)合提供參數(shù)設(shè)置時(shí)的人機(jī)交互渠道；其復(fù)位按鍵(28-2)可提供系統(tǒng)狀態(tài)清零、緊急工況停機(jī)及系統(tǒng)死機(jī)再啟動(dòng)服務(wù)。整個(gè)監(jiān)測(cè)與漏播補(bǔ)償控制系統(tǒng)正是在綜合獲取了排種檢測(cè)光電傳感器組9、取種勺位置傳感器13、測(cè)速碼盤29信號(hào)的基礎(chǔ)上做出播種過程中是否發(fā)生漏播的判斷，必要情況下啟動(dòng)漏播聲光報(bào)警電路(28-4)給出報(bào)警信息，發(fā)出驅(qū)動(dòng)器所需的控制信號(hào)從而使電機(jī)6達(dá)到所需的補(bǔ)償運(yùn)轉(zhuǎn)速度，進(jìn)行自然播種數(shù)(N1)、自然漏播數(shù)(N2)、補(bǔ)種數(shù)(N3)、最終漏播數(shù)(N4)的統(tǒng)計(jì)并將結(jié)果在參數(shù)顯示上實(shí)時(shí)更新。

圖2 排種監(jiān)測(cè)與漏播補(bǔ)償控制系統(tǒng)組成框圖

1.3 系統(tǒng)總體工作原理綜述

在系統(tǒng)控制器28判斷漏播發(fā)生的情況下，在系統(tǒng)補(bǔ)償條件具備的前提下(即排種檢測(cè)光電傳感器組II 9處測(cè)得的待補(bǔ)薯種具備)，電機(jī)6以特定的速度(見3.2 漏播補(bǔ)償系統(tǒng)控制準(zhǔn)則所述)加速運(yùn)動(dòng)起來。此時(shí)，由于電機(jī)6通過補(bǔ)償單向離合器7帶動(dòng)排種鏈條14運(yùn)動(dòng)的速度要比通過地輪5經(jīng)主動(dòng)力傳輸單向離合器20的快得多，因此，按照單向離合器工作原理，排種鏈輪軸II22的動(dòng)力暫時(shí)被電機(jī)6接管。補(bǔ)償完成后，電機(jī)6的電源被系統(tǒng)控制器28關(guān)閉，因此，排種鏈輪軸II22的動(dòng)力自然又重新返回地輪5，系統(tǒng)再次處于正常工作狀態(tài)，一次漏播檢測(cè)和補(bǔ)償被成功執(zhí)行。

2 傳動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)確定

此新型馬鈴薯播種機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)在單行馬鈴薯播種機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)，旨在驗(yàn)證新補(bǔ)償方案的可行性。因此，關(guān)于單行馬鈴薯的的相關(guān)部分不做詳細(xì)論述。該傳動(dòng)系統(tǒng)主要由主動(dòng)力傳動(dòng)部件、補(bǔ)償動(dòng)力傳動(dòng)部件等組成。傳動(dòng)系統(tǒng)如圖3所示。

注：5.地輪; 7.補(bǔ)償單向離合器; 8.電機(jī)動(dòng)力輸出鏈輪; 10.排種鏈輪(II, I); 15.地輪軸; 20.主動(dòng)力傳輸單向離合器; 22.排種鏈輪軸(II, I); 27.主動(dòng)力傳輸鏈輪Note: 5.Ground wheel; 7.Compensation one-way clutch; 8.Electric motor power output chain wheel; 10.Seed-metering chain wheel (II, I); 15.Land wheels axle; 20.Main power transmission one-way clutch; 22. Seed-metering chain wheel axle (II, I); 27. Main power transmission chain wheel

正常播種時(shí)，主動(dòng)力傳輸鏈輪27隨地輪轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)單向離合器20轉(zhuǎn)動(dòng)，與單向離合器同軸的主動(dòng)排種鏈輪軸22II也隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，其帶有種勺和種薯的鏈條轉(zhuǎn)動(dòng)至排種槽，馬鈴薯種子經(jīng)排種槽到達(dá)排種溝。該播種機(jī)選用的地輪直徑D為400 mm，由于主動(dòng)力傳輸鏈輪與地輪同軸安裝，它們具有相同的轉(zhuǎn)速，計(jì)算可得，地輪向前行駛一圈的路程S1為1 256 mm。由于地輪與地面之間存在滑移問題，取滑移率為20%(滑移率一般出現(xiàn)取15%～20%，滑移率再增加會(huì)導(dǎo)致制動(dòng)力系數(shù)有所下降[22])，調(diào)整后地輪向前行駛一圈的路程S′1為1 507 mm。根據(jù)馬鈴薯種植的農(nóng)藝要求，其馬鈴薯株距L在250～350 mm之間。本研究為了方便期間，并未設(shè)置株距可調(diào)，而是直接將馬鈴薯株距固定為280 mm，由S′1和L可計(jì)算出本設(shè)計(jì)地輪轉(zhuǎn)一圈在排種溝種下的馬鈴薯株數(shù)X為：

X=S1′/L=1507/280=5.38(株)

(1)

由于采用勺鏈?zhǔn)饺》N裝置，每個(gè)種勺之間相差鏈節(jié)個(gè)數(shù)H為6，所以當(dāng)種5.38株馬鈴薯時(shí)排種鏈輪10Ⅱ轉(zhuǎn)過的齒數(shù)Z為：

Z=XH=5.38×6=32.28(齒)

(2)

四舍五入，這里調(diào)整排種鏈輪轉(zhuǎn)過的齒數(shù)Z為32齒。初步選擇排種鏈輪10Ⅱ?yàn)?2A鏈輪，其齒數(shù)Z1=20齒。為了使排種過程中鏈條運(yùn)行平穩(wěn)，排種鏈輪Ⅰ與排種鏈輪Ⅱ選用型號(hào)一致的鏈輪，故其齒數(shù)Z2=20齒。因此，當(dāng)種5.38株馬鈴薯時(shí)，排種鏈輪10Ⅱ轉(zhuǎn)過的圈數(shù)Q為：

Q=Z/Z1=32/20=1.6(圈)

(3)

而當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到漏播事件發(fā)生時(shí)，通過CPU驅(qū)動(dòng)補(bǔ)償電機(jī)加速轉(zhuǎn)動(dòng)，與補(bǔ)償電機(jī)同軸安裝的電機(jī)動(dòng)力輸出鏈輪8帶動(dòng)補(bǔ)償單向離合器7加速運(yùn)轉(zhuǎn)補(bǔ)償。由于補(bǔ)償電機(jī)選用步進(jìn)電機(jī)，其可通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)的速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的，故初選電機(jī)動(dòng)力輸出鏈輪8的齒數(shù)Z3為14。而排種鏈輪Ⅱ的分度圓直徑D2計(jì)算如下：

D2=P/sin(180°/Z1)

(4)

式中,P為排種鏈輪Ⅱ的節(jié)距。

因選用排種鏈條型號(hào)為12A，查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)可知，其對(duì)應(yīng)的P值為19.05，計(jì)算可得D2≈0.12178 m。故排種鏈輪Ⅱ轉(zhuǎn)過1圈的距離S2為：

S2=πD2=3.14×0.12178=0.38258(m)

(5)

本研究選用排種鏈輪10Ⅱ速度v1的區(qū)間為0.2～0.8 m·s-1，這里采用排種鏈輪速度上限v1=0.8 m·s-1=48 m·min-1，在此基礎(chǔ)上計(jì)算可得排種鏈輪10Ⅱ的轉(zhuǎn)速n1：

n1=v1/S2=125.46 (r·min-1)

(6)

因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)的合理轉(zhuǎn)速區(qū)間為0～300 r·min，這里選用補(bǔ)償步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速n2為250 r·min，計(jì)算可得電機(jī)動(dòng)力輸出鏈輪與補(bǔ)償單向離合器7的傳動(dòng)比i為：

i=n2/n1=250/125.46=1.99

(7)

因此，可求得補(bǔ)償單向離合器7的齒數(shù)Z4：

Z4=Z3×i=14×1.99=27.86(齒)

(8)

取整可得Z3為28齒。為了使排種鏈輪軸上受力平衡，單向離合器20的齒數(shù)Z5也選用28齒，在此基礎(chǔ)上計(jì)算主動(dòng)力傳輸鏈輪27的齒數(shù)Z6：

Z6=Z5×Q=28×1.6=44.8(齒)

(9)

取整Z6為45齒。

3 系統(tǒng)工作原理

3.1 馬鈴薯排種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作原理

由于本機(jī)創(chuàng)新采用了雙監(jiān)測(cè)點(diǎn)方案，因此，總共在排種檢測(cè)光電傳感器組(II, I) 9處各有一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。由前述內(nèi)容可知，其中I處負(fù)責(zé)漏播檢測(cè)，Ⅱ處用于待補(bǔ)薯種就位檢測(cè)，但兩處布局方案和工作原理完全一樣，因此不分開贅述，其紅外監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平面圖如圖4所示。若通過I號(hào)點(diǎn)的薯勺出現(xiàn)漏取情況，II號(hào)點(diǎn)有薯種，系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)追趕式補(bǔ)償，若II號(hào)點(diǎn)出現(xiàn)沒有薯種的情況系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警1，后續(xù)第3個(gè)薯勺仍然沒有薯種系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警2，這時(shí)報(bào)警1自動(dòng)解除；報(bào)警1是低頻聲光報(bào)警，報(bào)警2是高頻聲光報(bào)警。報(bào)警2一經(jīng)產(chǎn)生，必須手動(dòng)解除，作業(yè)人員需停機(jī)檢查排除故障后重新啟動(dòng)系統(tǒng)再次工作。

4.排種；9.排種檢測(cè)光電傳感器組；17.種薯；28.系統(tǒng)控制器4.seed-metering groove; 9. photoelectric sensor set for seed-metering detection (II, I);17.potatoe seed; 28. system controller.

由于本播種機(jī)工作過程中塵土多、機(jī)身振動(dòng)大，因此采用1發(fā)4收的紅外空間布局。當(dāng)系統(tǒng)控制器28感受到取種勺到達(dá)取種勺位置傳感器13所在處，則相關(guān)觸發(fā)被激活。系統(tǒng)控制器使紅外發(fā)射器發(fā)出紅外光脈沖，當(dāng)4個(gè)接收器中的1個(gè)或以上在既定時(shí)間段內(nèi)沒有發(fā)生期待的電平跳變，則說明當(dāng)前種勺背后有薯種存在；相反，如果4個(gè)接收器全部在既定時(shí)間段內(nèi)發(fā)生了對(duì)應(yīng)的電平跳變，證明前取種勺背后沒有薯種，也即發(fā)現(xiàn)了一個(gè)漏播事件。因而系統(tǒng)漏播判斷準(zhǔn)確率較高，發(fā)生誤判的概率較低。

為了確保漏播檢測(cè)的準(zhǔn)確性和可靠性，本文漏播檢測(cè)系統(tǒng)采用不易受外界自然光干擾的光電式傳感器，且漏播檢測(cè)并非每時(shí)每刻都在進(jìn)行，只在特定的時(shí)間段進(jìn)行，這既減輕了系統(tǒng)工作的強(qiáng)度，也使得系統(tǒng)遭受外界干擾而發(fā)生誤判的概率顯著降低。

3.2 漏播補(bǔ)償系統(tǒng)控制準(zhǔn)則

如圖1所示，由系統(tǒng)工作過程可知，發(fā)生漏播事件的情況下，排種鏈條必須加速旋轉(zhuǎn)，以使后續(xù)取種勺上的種薯經(jīng)過2L1位移后能夠到達(dá)在其依然采用原速度v1而到達(dá)的相同位置，從而也完成種薯位置無偏差補(bǔ)償。因此，根據(jù)“系統(tǒng)主要工作原理描述”可知，有(12)式所示關(guān)系的存在：

(12)

式中,v1為排種鏈條正常運(yùn)動(dòng)速度(m·s-1)；v1′為排種鏈條的補(bǔ)償速度(m·s-1)；v2為拖拉機(jī)行駛速度(m·s-1)；L1為取種勺間距(m)；L為馬鈴薯播種株距(m)。

此外，根據(jù)圖1所述整機(jī)結(jié)構(gòu)，v1也可表達(dá)為：

v1=ω1R

(13)

式中，ω1為排種鏈輪(II, I)正常運(yùn)轉(zhuǎn)角速度(rad·s-1)；R為排種鏈輪(II, I)半徑(m)；漏播發(fā)生時(shí)，排種檢測(cè)光電傳感器組9II處的待補(bǔ)薯種需要在以原來排種鏈條速度v1跨越取種勺間距L1的時(shí)間段內(nèi)跨越2L1的位移，因此，其所需排種鏈輪補(bǔ)償運(yùn)轉(zhuǎn)角速度ω1′為：

(14)

式中,ω1′為排種鏈輪(II, I)補(bǔ)償運(yùn)轉(zhuǎn)角速度(rad·s-1)；而漏播補(bǔ)償條件下排種鏈輪(II, I)的動(dòng)力僅僅來自于電機(jī)和傳動(dòng)比為A1/A2的傳動(dòng)系統(tǒng)，因此，有：

(15)

式中，ω為電機(jī)補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)角速度(rad·s-1)；A1為電機(jī)動(dòng)力輸出鏈輪齒數(shù)；A2為補(bǔ)償單向離合器外齒數(shù)。故，進(jìn)一步有：

(16)

依據(jù)公式(16)，理論上漏播情況下CPU給驅(qū)動(dòng)器發(fā)出控制信號(hào)，使電機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到ω，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間t1之后，CPU重新給驅(qū)動(dòng)器發(fā)出控制信號(hào)，使電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，系統(tǒng)動(dòng)力再次轉(zhuǎn)到由地輪軸提供，從而退出補(bǔ)種狀態(tài)。因此，補(bǔ)償用時(shí)t1是在已知排種鏈條實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)速度v1的基礎(chǔ)上，估算排種鏈條的運(yùn)動(dòng)跨越一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)取種勺間距L1所需的時(shí)間：

(17)

然而，由于一些附加的時(shí)間成本，如果按照公式(9)所述結(jié)果執(zhí)行，則實(shí)際上使得所需時(shí)間會(huì)比按照公式(16)計(jì)算的更長(zhǎng)，這必然會(huì)使得補(bǔ)償?shù)奈恢贸霈F(xiàn)偏差。因此，本系統(tǒng)對(duì)電機(jī)理論運(yùn)行角速度進(jìn)行微調(diào)：

(18)

其中，K1為運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償系數(shù)，有K1>1，是考慮到軟件運(yùn)行時(shí)間消耗、電機(jī)從零起步加速拖長(zhǎng)等效應(yīng)后的粗略補(bǔ)償，被稱為“運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償系數(shù)”。

4 田間試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)條件

符合本文所述結(jié)構(gòu)和工作原理的樣機(jī)在甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)機(jī)械實(shí)訓(xùn)中心于2019年5月初完成制造，隨后在機(jī)電工程學(xué)院所屬的小達(dá)坪馬鈴薯試驗(yàn)基地進(jìn)行了田間試驗(yàn)。該試驗(yàn)田為西北地區(qū)黃土高原典型田地，土壤類型為黃綿土，共0.6 hm2左右；土壤平均含水率為12%，容重為1. 04～1. 15 g·cm-3，堅(jiān)實(shí)度小于2.6×105Pa；切塊薯平均尺寸為55.4 mm×43.3 mm×32.8 mm，每個(gè)種薯的平均質(zhì)量為37.8 g。田間作業(yè)情況如圖5所示。

注：圖(b)中，用藍(lán)色標(biāo)記的薯種為漏播情況發(fā)生時(shí)系統(tǒng)執(zhí)行了補(bǔ)償?shù)氖矸N；未標(biāo)記的薯種為系統(tǒng)正常播的薯種。Note:In figure (b), the blue labeled potato seeds were the ones that the system implements compensation in case of miss-seeding; the unmarked potato seeds were the ones that normally sowed.

4.2 試驗(yàn)方案與方法

試驗(yàn)的核心任務(wù)主要是獲取不同速度下該馬鈴薯樣機(jī)的播種參數(shù)N1、N2、N3及N4，在此基礎(chǔ)上計(jì)算自然漏播率a1、漏播補(bǔ)償成功率ɑ2、原始播種率a3、總播種成功率ɑ4、平均最終漏播率ɑ5、測(cè)量獲取補(bǔ)種落點(diǎn)平均誤差e并計(jì)算補(bǔ)種落點(diǎn)平均誤差率β。這些參數(shù)的計(jì)算將用來定量檢測(cè)該新型播種機(jī)漏播監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性以及補(bǔ)償控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。首先，由于需要標(biāo)定補(bǔ)償種薯，因此，試驗(yàn)過程需要采用高速錄像；其次，由于每一個(gè)小試驗(yàn)過程需要采集的參數(shù)眾多、試驗(yàn)配合人員操作動(dòng)作較多，還需要把握拖拉機(jī)行進(jìn)速度符合測(cè)試條件，因此，每個(gè)小試驗(yàn)只檢測(cè)30 s內(nèi)采集到的數(shù)據(jù)，且只進(jìn)行排種鏈條速度v1為0.2、0.3、…、0.8 m·s-1下的測(cè)量，每個(gè)速度點(diǎn)重復(fù)3次，v1誤差必須控制在±5%范圍內(nèi)；再次，一些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的基本含義非常重要，例如，所謂自然播種數(shù)N1具體指每來一個(gè)小磁鐵(圖1中取種勺位置信號(hào)攜帶器12)，取種勺位置傳感器13就會(huì)被觸發(fā)計(jì)數(shù)1次，是經(jīng)過排種檢測(cè)光電傳感器組(I) 9的排種勺的總數(shù)量；自然漏播數(shù)N2則指被判定發(fā)生過漏播事件的次數(shù)累計(jì)；補(bǔ)種數(shù)N3則指判定發(fā)生漏播且補(bǔ)償條件具備而真正執(zhí)行了補(bǔ)償行動(dòng)的次數(shù)累計(jì)；而最終漏播數(shù)N4卻指判定發(fā)生漏播，但因?yàn)槠渌a(bǔ)償條件不具備而未能真正執(zhí)行補(bǔ)償行為的次數(shù)累計(jì)。因此，從數(shù)值上講，必然存在N3≤N2和N4≤N2的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上所需計(jì)算的相關(guān)指標(biāo)定義如下：

(19)

(20)

(21)

(22)

(23)

(24)

其中，i為不同測(cè)試速度v1下的試驗(yàn)批次號(hào)，Lrel、Lideal則分別為某一次試驗(yàn)下的補(bǔ)償馬鈴薯種子實(shí)際落點(diǎn)位置和理論落點(diǎn)位置。

(25)

4.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

在田間試驗(yàn)過程中，對(duì)比視頻中的N1、N2、N3及N4的值與安裝在本機(jī)取種箱側(cè)面系統(tǒng)電子顯示屏上的數(shù)值，大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明播種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確率不低于99.99%。鑒于國內(nèi)外馬鈴薯漏播補(bǔ)償研究方面的匱乏和可參考案例有限，本領(lǐng)域并無現(xiàn)成可用標(biāo)準(zhǔn)，本文暫時(shí)采用補(bǔ)種落點(diǎn)平均誤差率≤50%時(shí)視為漏播補(bǔ)償成功的標(biāo)準(zhǔn)。一種播補(bǔ)一體化新型馬鈴薯播種機(jī)的田間試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1所示數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，隨著播種速度的加快(表現(xiàn)在排種鏈速度v1的增大)，N1穩(wěn)步增加，N2、N3加速增加，但N4只是略微增加，已經(jīng)能夠初步覺察漏播補(bǔ)償系統(tǒng)的顯著功能?？傮w來說，雖然自然漏播率α1的平均值隨著v1的增加而增長(zhǎng)，但一方面這種增加的態(tài)勢(shì)非常緩慢，另一方面其絕對(duì)值多為3.8%左右(樣機(jī)狀態(tài))，是一個(gè)較低的值(這與本機(jī)建立在改進(jìn)型單行馬鈴薯種植機(jī)基礎(chǔ)上直接相關(guān)，基本設(shè)計(jì)吸收了多年科研成果、采用了多項(xiàng)優(yōu)化，目前市場(chǎng)主流產(chǎn)品該指標(biāo)約為5%)。這說明播種速度的增加對(duì)馬鈴薯自然漏播率α1的升高并無顯著貢獻(xiàn)，同時(shí)也從另外一個(gè)側(cè)面印證了追趕式補(bǔ)償方案采用的合理性。ɑ2反映漏播補(bǔ)償成功率，由本研究所述漏播補(bǔ)償成功的標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)多次調(diào)試改進(jìn)，已經(jīng)能夠達(dá)到只要補(bǔ)償條件具備，補(bǔ)償即成功的標(biāo)準(zhǔn)。所列數(shù)據(jù)表明，ɑ2隨v1的增加呈明顯下降的態(tài)勢(shì)，但是，在v1≥0.6 m·s-1之前，該指標(biāo)平均值不低于80%；此后，隨著v1進(jìn)一步上升直至0.8 m·s-1，ɑ2平均值從80.10%降至74.23%。雖然v1從0.6～0.8 m·s-1期間ɑ2平均值的降幅并不算顯著，但該階段已屬于鏈勺式排種器的高速運(yùn)行階段，其補(bǔ)種落點(diǎn)平均誤差e的絕對(duì)值已穩(wěn)定超過了10 cm。雖然按照本研究所設(shè)定的指標(biāo)，認(rèn)為補(bǔ)償都是合格的，但顯然無論是從絕對(duì)值還是從補(bǔ)種落點(diǎn)平均誤差率β來看，這個(gè)指標(biāo)都不是非常理想。這個(gè)指標(biāo)可以通過進(jìn)一步優(yōu)化監(jiān)測(cè)執(zhí)行手段、漏播判斷邏輯、補(bǔ)償控制策略等手段逐步縮小，這也是本項(xiàng)目下一階段要著力解決的主要問題。最后來看系統(tǒng)運(yùn)行的結(jié)果：隨著v1的增大，由于ɑ2的顯著降低，總體來說，補(bǔ)償?shù)淖饔檬侵鸩较陆档?；但?duì)比所獲原始播種率α3和總播種成功率ɑ4數(shù)據(jù)的平均值可以發(fā)現(xiàn)，總播種成功率ɑ4較原始播種率α3最少提高了2.78%，最多則達(dá)到3.27%；再結(jié)合漏播補(bǔ)償成功率 ɑ2，則至少約3/4的漏播得以有效補(bǔ)償，系統(tǒng)平均最終漏播率α5的最大值僅為1.04%，因此，漏播現(xiàn)象得到有效抑制。

表1 不同排種鏈條速度下的田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)

當(dāng)然，有一個(gè)非常重要的問題不能回避：當(dāng)補(bǔ)種過程中，取種鏈條線速度加快，是否會(huì)對(duì)取種效果產(chǎn)生顯著影響呢？這將直接決定項(xiàng)目的成敗。事實(shí)上，本團(tuán)隊(duì)已在項(xiàng)目預(yù)研階段就這一議題開展了先期研究。基于新型優(yōu)化種箱、改進(jìn)型取種勺等技術(shù)加持，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著正常作業(yè)鏈速的增加，在正常鏈速值2～3倍的速度突變下，這種補(bǔ)償鏈速的急劇變化確實(shí)會(huì)使系統(tǒng)的自然漏取率有所增加，但這種增加總體上是柔和的，且?guī)缀蹩梢院雎裕瑥亩鵀樽汾s式補(bǔ)償策略的應(yīng)用提供了先決條件。

5 結(jié) 論

鑒于現(xiàn)有馬鈴薯漏播補(bǔ)償方案中普遍需要附加專用馬鈴薯補(bǔ)償種箱以及補(bǔ)償種薯運(yùn)動(dòng)通道，從而使得播種機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、補(bǔ)償薯種落點(diǎn)難于精確控制。因此，本研究以一個(gè)改進(jìn)單行馬鈴薯播種機(jī)機(jī)體為基礎(chǔ)，基于單向離合器可以使更快動(dòng)力優(yōu)先接入系統(tǒng)的基本原理，提出了一種基于單向離合器的播補(bǔ)一體化馬鈴薯播種機(jī)新方案。該方案集馬鈴薯種植機(jī)機(jī)體、排種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和基于兩個(gè)緊密配合的單向離合器為核心的漏播補(bǔ)償系統(tǒng)為一體，在系統(tǒng)控制的協(xié)調(diào)配合下工作。正常狀態(tài)下，系統(tǒng)動(dòng)力由地輪經(jīng)主動(dòng)力傳輸單向離合器提供；如果系統(tǒng)判定有漏播事件發(fā)生，則系統(tǒng)控制器使得補(bǔ)償專用電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后以特定速度運(yùn)轉(zhuǎn)，其動(dòng)力通過補(bǔ)償單向離合器接入排種鏈輪軸，原系統(tǒng)主動(dòng)力與排種鏈輪軸自然分離；補(bǔ)償完成后，補(bǔ)償專用電動(dòng)機(jī)被關(guān)斷，來自地輪的系統(tǒng)原主動(dòng)力再次通過主動(dòng)力傳輸單向離合器接入排種鏈輪軸，從而成功完成一次補(bǔ)償。因此，本方案并不需要專用的補(bǔ)償種箱以及補(bǔ)償種薯運(yùn)動(dòng)通道，只需要采用后一取種勺上的種薯在一定時(shí)間內(nèi)直接追趕前一缺種位置即可。這樣，不僅正常種薯和補(bǔ)償種薯在同一個(gè)通道中運(yùn)動(dòng)，而且，整個(gè)控制策略也相對(duì)簡(jiǎn)單，其工程可實(shí)現(xiàn)性極大地增強(qiáng)。在此方案及基本工作過程概述的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提出了以單片機(jī)STM32F103為核心的排種監(jiān)測(cè)與漏播補(bǔ)償控制系統(tǒng)方案。

在系統(tǒng)整機(jī)方案和監(jiān)控方案的基礎(chǔ)上，基于一種改進(jìn)型單行馬鈴薯播種機(jī)機(jī)體和選定的補(bǔ)償專用電動(dòng)機(jī)，本文首先確定了新增傳動(dòng)系統(tǒng)的主要參數(shù)，然后介紹了基于紅外輻射排種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的空間布局和詳細(xì)實(shí)施方法，進(jìn)而詳細(xì)分析并推導(dǎo)了追趕式漏播補(bǔ)償系統(tǒng)的控制準(zhǔn)則。

基于本文所述方案及理論的新型播種補(bǔ)種一體化馬鈴薯播種機(jī)樣機(jī)的田間試驗(yàn)表明，其排種監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性不低于99.99%，能夠?qū)崟r(shí)獲取并顯示播種過程中的自然播種數(shù)、自然漏播數(shù)、補(bǔ)種數(shù)、最終漏播數(shù)4個(gè)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)信息化程度顯著提高。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，系統(tǒng)平均自然漏播率隨著排種鏈速度的增加而緩慢增長(zhǎng)，這說明該參數(shù)對(duì)排種速度并不敏感，這為追趕式補(bǔ)償方案穩(wěn)定發(fā)揮作用提供了巨大機(jī)遇；漏播補(bǔ)償成功率隨著排種鏈速度的增加而呈顯著下降的趨勢(shì)，但即使是達(dá)到0.8 m·s-1高速播種狀態(tài)，仍有平均74%以上的漏播能被成功補(bǔ)償，系統(tǒng)的平均總播種成功率至少提升了2.78%，平均最終漏播率最大值在1.00%左右，漏播可以被有效補(bǔ)償。