高原源 翟長遠 楊 碩, 趙學(xué)觀 王 秀,3 趙春江,3

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院， 北京 100083； 2.北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心， 北京 100097；3.國家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心， 北京 100097)

0 引言

精密播種技術(shù)是將定量的良種按照農(nóng)藝要求的行距、株距和播種深度(播深)進行穴播和種肥深施的機械化播種技術(shù)[1]，因其節(jié)本增效的突出優(yōu)勢而得到了高度重視和廣泛應(yīng)用[2-3]。精密播種機是實現(xiàn)精密播種的關(guān)鍵，其播種粒距均勻性和播深穩(wěn)定性直接影響出苗質(zhì)量和最終作物產(chǎn)量[4]。隨著農(nóng)業(yè)信息技術(shù)的發(fā)展，播種作業(yè)參數(shù)的智能化監(jiān)控與評價已成為提高播種質(zhì)量的重要手段。

在播種質(zhì)量監(jiān)控評價方面，國外農(nóng)機企業(yè)研究較早，已實現(xiàn)不同作業(yè)參數(shù)的實時監(jiān)控，如John Deere公司研發(fā)的TruSet耕作技術(shù)[5]，調(diào)節(jié)時間不超過6 s，可根據(jù)駕駛室終端處方圖自動調(diào)整作業(yè)深度和下壓力，以提高耕作窗口期作業(yè)效率。Ag Leader公司研發(fā)了InCommand系統(tǒng)[6]，可對播種量、粒距等指標(biāo)進行監(jiān)測和評價，搭配SureForce技術(shù)也可實時調(diào)整單體對地下壓力。此外，Kinze公司開發(fā)了True Depth下壓力控制系統(tǒng)和Blue Vantage遠程監(jiān)控系統(tǒng)[7]，Precision Planting公司開發(fā)了SeederForce下壓力控制系統(tǒng)和20/20 SeedSense終端監(jiān)測系統(tǒng)[8]。國內(nèi)相關(guān)研究多側(cè)重于對播種粒距的監(jiān)控評價和播種深度的監(jiān)控上，已實現(xiàn)了播種機的高速精量播種[9-11]、排種質(zhì)量監(jiān)測[12-14]、播深實時測量與控制[15-17]。隨著保護性耕作技術(shù)的推廣，地表起伏和殘茬覆蓋等復(fù)雜工況對播深和下壓力控制性能提出了更高要求。研究表明，適宜的播種下壓力不僅可以提高播深穩(wěn)定性，還可避免種溝過度壓實，從而提高種子墑情和作物產(chǎn)量[18-20]。為減小土壤區(qū)間阻力變化對播深的影響，文獻[21]通過檢測開溝壓力來調(diào)節(jié)仿形機構(gòu)對地壓力，以保證穩(wěn)定一致的開溝深度；文獻[22]提出了基于壓電薄膜的限深輪測力方式，通過調(diào)節(jié)四連桿上氣囊壓力來控制播深；文獻[23-24]設(shè)計了播種單體下壓力控制系統(tǒng)，以提高復(fù)雜工況下的播深穩(wěn)定性。

分析發(fā)現(xiàn)，國外監(jiān)控系統(tǒng)涵蓋粒距、播深和下壓力等多方面質(zhì)量參數(shù)，其功能復(fù)雜，對駕駛員操作技能和拖拉機設(shè)備通信要求較高，且需搭配相應(yīng)配件方可使用，價格昂貴。國內(nèi)除播種粒距研究之外雖已開展了下壓力監(jiān)控方面的研究，但均以播種單體試驗為主，且主要用于播深控制，缺少整機系統(tǒng)研究及下壓力自身作業(yè)效果的監(jiān)測評價。文獻[25]試驗發(fā)現(xiàn)，設(shè)定播深和下壓力均影響實際播種深度。因此，單獨下壓力或播深的監(jiān)控已無法滿足精密播種需求，實現(xiàn)兩者一體化的實時監(jiān)控與現(xiàn)場評價將更有助于提高播種質(zhì)量。隨著播種機功能的擴展，現(xiàn)有系統(tǒng)多采用的點對點單一通信方式的信號利用率低，多路通信時布線繁雜，且不易擴展[26]。作為農(nóng)機裝備應(yīng)用最廣泛的通信方式之一[27]，基于ISO 11783協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的控制局域網(wǎng)(Controller area network，CAN)現(xiàn)場總線技術(shù)具有高可靠性、實時性和靈活性等優(yōu)點，開發(fā)相應(yīng)的總線控制系統(tǒng)已成為農(nóng)機裝備智能化研究的熱點[28]。

本文在前期研究基礎(chǔ)上，設(shè)計一種基于CAN總線的播種機下壓力和播深監(jiān)控平臺與質(zhì)量評價系統(tǒng)，采用基于角度和軸銷傳感器的播深和下壓力測量裝置，優(yōu)化設(shè)計氣壓驅(qū)動裝置，以減小氣量損失、提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，開發(fā)基于CoDeSys編程環(huán)境的智能終端交互界面和ECU控制程序，以期實現(xiàn)播深和下壓力的監(jiān)測控制和質(zhì)量評價，提高多行播種機系統(tǒng)控制性能和智能化水平。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)組成和工作原理

如圖1所示，下壓力和播深監(jiān)控與評價系統(tǒng)主要由下壓力測量裝置、播深測量裝置、機具ECU、GNSS傳感器、智能終端和氣壓驅(qū)動裝置組成。

圖1 系統(tǒng)組成Fig.1 System components

其中，ECU為HY-TTC32型集成控制器，搭載的多路自由配置I/O接口可滿足系統(tǒng)傳感器數(shù)據(jù)采集和執(zhí)行器控制需求；GNSS傳感器、下壓力和播深測量裝置用于實時檢測作業(yè)過程中包括播種機速度、位置、下壓力和播深等信息，并反饋給ECU來控制氣壓驅(qū)動裝置調(diào)節(jié)播種機對地下壓力，提高播深穩(wěn)定性；智能終端自帶多個RS232和USB通信接口，搭配PCAN-USB轉(zhuǎn)換器與ECU總線通信，運行基于CoDeSys Visualizations開發(fā)的人機交互界面，可實現(xiàn)播種作業(yè)參數(shù)的設(shè)置、作業(yè)信息的實時監(jiān)測和作業(yè)效果的在線評價。通過該系統(tǒng)可實時調(diào)節(jié)播種單體對地下壓力，同時監(jiān)測播深和下壓力作業(yè)效果，實現(xiàn)對作業(yè)區(qū)域播深穩(wěn)定性和下壓力一致性的控制，在提高播深穩(wěn)定性基礎(chǔ)上，避免種溝側(cè)壁壓實，促進種子生長發(fā)育。

1.2 硬件設(shè)計

1.2.1下壓力和播深測量裝置

由于單體限深輪直接接觸并壓實土壤，其對地作用力和相對開溝器位置可直接反映播種下壓力和播深。前期通過對限深輪的力學(xué)分析和數(shù)學(xué)模型研究，發(fā)現(xiàn)播深和下壓力之間存在交互作用，即地表起伏等情況會造成播深和下壓力同時變化[29]。為提高質(zhì)量評價完整性和準(zhǔn)確性，本系統(tǒng)優(yōu)先采用基于限深輪的下壓力和播深同步測量方式。

下壓力測量裝置用于測量作業(yè)地面與限深輪之間相互作用力，并反饋給ECU來控制氣壓驅(qū)動裝置，實時調(diào)整對地下壓力，包括軸銷傳感器和壓力變送器，相關(guān)參數(shù)設(shè)計可見文獻[29]，此處不再敘述。如圖2a所示，軸銷傳感器(ZHZX-N18型，蚌埠眾城傳感器有限公司)通過替換單體原有限深銷軸來實時監(jiān)測限深輪作用下的軸銷形變量，量程為6 000 N，而壓力變送器用于將軸銷傳感器信號放大，變換為0～5 V模擬信號。

圖2 下壓力與播深測量裝置Fig.2 Downforce and sowing depth measurement devices1、13.限深臂 2.播深調(diào)節(jié)機構(gòu) 3.機架 4.傳感器固定片 5.軸銷傳感器 6.限深塊 7.傳感器保護套 8.角度傳感器 9.聯(lián)軸器 10.聯(lián)軸器套 11.連接螺栓 12.擺臂銷軸

如圖2b所示，播深測量裝置通過角度傳感器所測限深臂擺動角來計算單體開溝深度，可實現(xiàn)作業(yè)過程中播深的實時監(jiān)測和評價，具體結(jié)構(gòu)設(shè)計參見文獻[30]，其中，角度傳感器(WOA-H-90-V1型，深圳市米朗科技有限公司)量程為90°，0～5 V模擬電壓輸出。此外，前期研究發(fā)現(xiàn)，不同播深設(shè)置對下壓力測量準(zhǔn)確性影響較大，因此本系統(tǒng)融合下壓力測量裝置和播深測量裝置，通過測定作業(yè)前的設(shè)定播深來校正下壓力測量模型，以提高不同設(shè)定播深時下壓力監(jiān)控準(zhǔn)確性。

1.2.2GNSS傳感器

GNSS傳感器包括接收器和解析模塊，用于獲取機具實時位置和行進速度。其中，接收器為深圳市世導(dǎo)通電子科技有限公司所產(chǎn)RS232型GNSS接收器，采樣頻率為1 Hz；解析模塊采用STM32控制板，主控芯片為ATM32F105R8T6，用于對GNSS接收器所傳數(shù)據(jù)進行解析和拆分，集成的bxCAN(Basic extended CAN)接口可實現(xiàn)與ECU總線通信，通信協(xié)議見文獻[30]。作業(yè)過程中，接收器根據(jù)NMEA-0183協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，將采樣數(shù)據(jù)通過TTL/232模塊上傳給解析模塊，解析模塊根據(jù)所需參數(shù)信息優(yōu)先選取推薦最小定位信息(Recommended minimum specific GPS/TRANSIT data，RMC)協(xié)議語句，并根據(jù)其格式定義解析獲得機具經(jīng)緯度和速度等信息。所選協(xié)議語句格式為“$GPRMC,024813.640,A,3158.4608,N,11848.3737,E,10.05,324.27,150706,,,A*50”。

每條語句中不同定義字段通過“,”進行分隔，其中，字段1為UTC時間，hhmmss.sss格式，在其上加8 h可轉(zhuǎn)換為北京時間；字段2為狀態(tài)，A為定位，V為未定位；字段3為緯度(ddmm.mmmm)，度分格式(前導(dǎo)位數(shù)不足則補0)；字段4為緯度N(北緯)或S(南緯)；字段5為經(jīng)度(dddmm.mmmm)，度分格式(前導(dǎo)位數(shù)不足則補0)；字段6為經(jīng)度E(東經(jīng))或W(西經(jīng))；字段7為速度，單位節(jié)，乘以1.852可換算為km/h；字段8為方位角，(°)；字段9為UTC日期，DDMMYY格式，如UTC時間加8后大于24，則日期應(yīng)加1；字段10為磁偏角(0°～180°)(前導(dǎo)位數(shù)不足則補0)；字段11為磁偏角方向，E為東，W為西；字段16為校驗值。

1.2.3氣壓驅(qū)動裝置

為實現(xiàn)整機氣動式下壓力調(diào)節(jié)，本文對前期單體氣壓驅(qū)動裝置[24]進行了優(yōu)化設(shè)計，以適應(yīng)整機氣壓驅(qū)動需求，包括氣囊、電氣比例閥、氣體發(fā)生器、氣罐、油液分離器等。氣體發(fā)生器所產(chǎn)空氣經(jīng)單向閥進入氣罐，壓縮獲得所需高壓空氣。設(shè)定氣罐安全氣壓為0.7 MPa，并安裝壓力傳感器實時監(jiān)測反饋給ECU，進而控制氣體發(fā)生器啟停以保證氣罐安全。氣囊安裝在單體四連桿仿形機構(gòu)上，其內(nèi)部氣壓可通過電氣比例閥(VPPM型，F(xiàn)ESTO公司)進行調(diào)節(jié)，從而改變作用在四連桿上壓力。由于ECU只能輸出模擬電壓信號，為此采用信號隔離器(MIK-402Y-1-3-2-1-1型，杭州米科傳感器技術(shù)有限公司)將電氣比例閥控制信號從0～5 V轉(zhuǎn)變?yōu)?～20 mA，同時采集比例閥輸出口壓力，實現(xiàn)設(shè)定壓力的PID控制。考慮播種機作業(yè)區(qū)域內(nèi)土壤質(zhì)地差異性和比例閥自身特性，裝置將6行播種機等分為左右3行區(qū)域，并分別采用1個比例閥進行單獨分區(qū)控制，以期提高系統(tǒng)控制精度和響應(yīng)速度。

實際作業(yè)中，土壤阻力的變化會造成氣囊壓力的較大波動，高壓空氣的快速充放對氣體發(fā)生裝置性能提出更高要求。為此，一方面增大氣體容量，采用雙氣罐設(shè)計；另一方面增大氣體流量，優(yōu)化設(shè)計液壓驅(qū)動式氣體發(fā)生器，包括電磁換向閥、調(diào)速閥(FR10-39型，上海莘燁液壓傳動有限公司，最大流量38 L/min)、液壓馬達(BMM-32型)和雙缸氣泵(65型，氣量250 L/min，最大轉(zhuǎn)速1 100 r/min)等。作用原理如圖3所示，默認(rèn)情況下拖拉機液壓油直接回流油箱，當(dāng)ECU輸出12 V開關(guān)信號控制電磁閥換向后，液壓馬達在液壓油驅(qū)動下帶動雙缸氣泵工作，向氣罐產(chǎn)生高壓空氣?？紤]到拖拉機液壓油輸出流量隨工況而變化，增加調(diào)速閥改變馬達作業(yè)速度。

圖3 氣體發(fā)生器工作原理Fig.3 Working principle of gas generator1、5.油缸 2.調(diào)速閥 3.液壓馬達 4.氣泵 6.過濾器 7.電磁換向閥

1.3 軟件設(shè)計

1.3.1界面設(shè)計

在編程環(huán)境選擇上，采用CoDeSys(Controlled development system)作為PLC軟件編程工具，其支持IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)ST、FBD等6種PLC編程語言，自帶的CoDeSys Visualizations功能具有較多控制模塊，可實現(xiàn)顯示器界面的開發(fā)，對后期平臺移植和擴展具有重要作用。為此，開發(fā)了基于CoDeSys編程環(huán)境的上位機軟件，包括監(jiān)控界面和控制程序兩部分。

圖4為人機交互界面，包括系統(tǒng)開關(guān)、作業(yè)參數(shù)設(shè)置、GNSS信息顯示(位置和車速)、氣罐和氣囊壓力監(jiān)測、播種下壓力和播深圖形化顯示和質(zhì)量評價以及數(shù)據(jù)存儲、下壓力測量模型校正等功能。其中，系統(tǒng)開關(guān)按鈕用于啟停系統(tǒng)，設(shè)置的作業(yè)參數(shù)包括目標(biāo)下壓力、調(diào)節(jié)閾值、控制間隔和設(shè)定播深等，播種下壓力和播深監(jiān)測評價界面可實時顯示各播種行下壓力和播深，并對播種質(zhì)量進行在線評價，包括播深和下壓力行間極值和區(qū)間質(zhì)量指數(shù)。此外，“氣動控制”按鈕用于啟動氣泵和下壓力控制；“數(shù)據(jù)存儲”按鈕用于控制播種機作業(yè)信息CAN報文的發(fā)送，以實現(xiàn)上位機數(shù)據(jù)存儲；“模型校準(zhǔn)”點觸按鈕用于試驗前根據(jù)不同設(shè)定播深進行下壓力測量模型校正。為減小田間作業(yè)振動對傳感器信號測量的影響，前期對不同耕作方式和車速下播深和下壓力信號變化特性進行分析發(fā)現(xiàn)，兩者信號主頻受車速和耕作方式影響較小，且免耕地下振蕩幅值大于旋耕地[29-30]，為此界面設(shè)置“濾波系數(shù)”輸入框，采用一階低通濾波方式以保證適宜的下壓力和播深信號采集效果。

圖4 人機交互界面Fig.4 Human machine interface

1.3.2控制程序設(shè)計

系統(tǒng)程序控制流程如圖5所示，主要包括參數(shù)設(shè)置、信號采集、質(zhì)量評價、氣動控制和數(shù)據(jù)發(fā)送等部分。首先，系統(tǒng)啟動并與ECU建立通信，ECU讀取界面參數(shù)設(shè)定值，采集GNSS、下壓力和播深原始信號，根據(jù)協(xié)議和模型解析并顯示相關(guān)參數(shù)值。經(jīng)過下壓力測量模型校正、下壓力和播深設(shè)定后，系統(tǒng)啟動播種質(zhì)量評價。設(shè)定程序循環(huán)周期為50 ms，即20 Hz采樣頻率，本系統(tǒng)選擇對10 s采樣時間進行評價，對每行播種單體而言，程序統(tǒng)計每200個下壓力和播深數(shù)據(jù)的合格數(shù)，并計算其合格指數(shù)，最后取6行單體合格指數(shù)的平均值作為播種機下壓力和播深質(zhì)量指數(shù)。其中，播深合格評價標(biāo)準(zhǔn)參照農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY/T 1768—2009《免耕播種機質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范》，對小麥或玉米播種機而言，其播種深度合格率需不小于75%，且當(dāng)設(shè)定播深小于30 mm時，合格允許誤差為±5 mm，大于30 mm時，允許誤差為±10 mm。而下壓力作業(yè)質(zhì)量與田間土壤狀況有關(guān)，尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)評價，傳統(tǒng)作業(yè)中多依靠種植戶經(jīng)驗來設(shè)定，本系統(tǒng)下壓力合格評價標(biāo)準(zhǔn)為實時下壓力是否處于設(shè)定下壓力閾值范圍內(nèi)，通過對作業(yè)中試播階段的質(zhì)量評價來及時調(diào)整后續(xù)設(shè)定下壓力，方便用戶在不依靠經(jīng)驗的情況下實時調(diào)整下壓力來適應(yīng)田間土壤狀況。

當(dāng)界面控制開關(guān)打開時，程序啟動氣動控制部分，主要包括氣體發(fā)生器和氣囊氣壓控制，其中，氣體發(fā)生器的控制主要通過控制電磁換向閥的通斷來實現(xiàn)雙缸氣泵的啟停，當(dāng)氣罐壓力低于0.5 MPa時啟動氣泵，高于0.7 MPa時關(guān)閉氣泵；氣囊氣壓控制主要根據(jù)實時下壓力反饋來控制電氣比例閥，調(diào)節(jié)氣囊內(nèi)部氣壓，保證實時下壓力在設(shè)定閾值范圍內(nèi)。對分區(qū)控制方式而言，實時下壓力為行間下壓力平均值，同時根據(jù)后續(xù)試驗結(jié)果設(shè)置氣囊初始壓力為0.4 MPa以提高系統(tǒng)響應(yīng)速度。此外，數(shù)據(jù)發(fā)送部分根據(jù)界面“數(shù)據(jù)存儲”開關(guān)狀態(tài)來進行數(shù)據(jù)的實時發(fā)送，借助CAN總線分析儀以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲，有利于后續(xù)繪制相關(guān)田間作業(yè)信息圖。

圖5 程序控制流程圖Fig.5 Flow chart of control program

2 播深和下壓力測量模型建立

圖6 室內(nèi)試驗臺Fig.6 Indoor test bench1.下壓力測量裝置 2.播深調(diào)節(jié)桿 3.播深測量裝置 4.電子秤

如圖6所示，搭建試驗臺進行室內(nèi)建模試驗，包括播深和下壓力傳感器標(biāo)定和建模試驗。由于6行播種單體結(jié)構(gòu)一致，傳感器校正過程相同，本文僅對其中一個單體試驗過程進行敘述。

2.1 播種深度測量模型

調(diào)節(jié)圖6所示播深調(diào)節(jié)桿，改變不同播深，以此建立單體播深與傳感器反饋值擬合模型。對本裝置而言，實際播深可通過游標(biāo)卡尺測量限深輪與開溝器之間相對位置差獲得，播深傳感器反饋值可由USB-6002型數(shù)據(jù)采集卡(美國國家儀器有限公司)測得。每種播深設(shè)定下，重復(fù)測量3次，取其平均值為實際播深和反饋值，建立傳感器角度和深度測量模型為

θ=0.018U-36.27

(1)

H=142.35-3.806θ

(2)

式中U——角度傳感器輸出，mV

θ——限深輪擺臂與機架夾角，(°)

H——播種深度，mm

2.2 下壓力測量模型

前期研究發(fā)現(xiàn)，不同播深設(shè)定下，同樣壓力作用下得到的下壓力傳感器反饋值差異較大。在上述播深標(biāo)定基礎(chǔ)上，根據(jù)播深和下壓力調(diào)節(jié)范圍，在不同播深設(shè)定下，對單體施加不同壓力，記錄播深傳感器測量值、下壓力傳感器測量值，以及實際下壓力。其中，實際下壓力可通過單體下方電子秤測得(圖6)，傳感器反饋值同樣可由數(shù)據(jù)采集卡測得。基于多項式逼近擬合方式，最終建立實際下壓力監(jiān)測模型方程為

fA=1 715+1.17fS-7 569γ-0.961 6fSγ+7 321γ2

(3)

其中

γ=πθ/180

式中fA——實際播種下壓力，N

fS——軸銷傳感器壓力檢測值，N

γ——限深臂角度測量值，rad

同理，將式(2)代入式(3)可得融合播深的下壓力測量模型

fA=0.54fS-9.12H-0.004 4fSH+0.15H2-106.26

(4)

對不同單體，根據(jù)式(4)模型，在測得播深和檢測下壓力基礎(chǔ)上可計算得到各單體行實際播種下壓力。

3 控制系統(tǒng)響應(yīng)測試試驗

3.1 試驗方法

作為下壓力和播深控制系統(tǒng)主要執(zhí)行部件，氣囊的充放特性關(guān)系系統(tǒng)整體響應(yīng)性能。為避免下壓力調(diào)節(jié)不及時而影響播深穩(wěn)定性，有必要對氣囊階躍響應(yīng)時間進行測試，以保證設(shè)定下壓力調(diào)節(jié)周期大于氣囊響應(yīng)時間。文獻[24]已對單行氣囊響應(yīng)特性進行了研究，由于多行播種機氣囊串聯(lián)對氣量的需求更大，而分區(qū)控制方式造成的氣量分配也影響著系統(tǒng)響應(yīng)時間。為此，試驗將分別研究不同設(shè)定壓力值和分區(qū)控制氣囊個數(shù)(即播種行數(shù))對系統(tǒng)響應(yīng)性能影響。

首先，在0.1～0.6 MPa氣壓范圍內(nèi)選取6個壓力設(shè)定值，對分區(qū)控制下的6行氣囊進行充氣測試，并通過ECU實時采集氣囊內(nèi)部氣壓，其中比例閥1控制左區(qū)(1～3行)，比例閥2控制右區(qū)(4～6行)，區(qū)間內(nèi)氣囊相互串聯(lián)。然后，在上述分區(qū)控制基礎(chǔ)上，分別對兩氣囊(左1右1)、三氣囊(左2右1)、四氣囊(左2右2)和五氣囊(左3右2)進行0.6 MPa充氣階躍響應(yīng)測試。根據(jù)氣囊壓力傳感器特性，設(shè)置采樣頻率為20 Hz，采用USBCAN分析儀(USBCAN-E-U型，廣州致遠電子有限公司)和自帶軟件進行ECU報文數(shù)據(jù)的傳輸和存儲。其中，采樣時間為10s，采樣數(shù)據(jù)200個，利用Excel和Matlab軟件對數(shù)據(jù)進行處理，獲得系統(tǒng)主要響應(yīng)特性參數(shù)，包括響應(yīng)超調(diào)量(σp)和調(diào)節(jié)時間(Ts)。其中，調(diào)節(jié)時間為達到穩(wěn)態(tài)值5%誤差范圍內(nèi)所需時間。超調(diào)量計算式為

(5)

式中tp——峰值時間，s

y(tp)——峰值，MPa

y(∞)——穩(wěn)態(tài)值，MPa

3.2 結(jié)果分析

不同設(shè)定氣壓下分區(qū)控制系統(tǒng)響應(yīng)試驗結(jié)果如圖7所示?？梢钥闯觯笥覅^(qū)控制響應(yīng)特性曲線基本吻合，說明在控制行數(shù)相同情況下，左右區(qū)控制響應(yīng)性能一致，相比整體控制，分區(qū)控制方法可顯著縮短整機響應(yīng)時間，提高控制性能。

圖7 不同階躍壓力下分區(qū)控制系統(tǒng)響應(yīng)曲線Fig.7 Response curves of section control system under different step pressures

比較左右區(qū)響應(yīng)曲線發(fā)現(xiàn)，除0.5 MPa設(shè)定氣壓外，左區(qū)控制穩(wěn)態(tài)誤差在0.001～0.004 MPa，右區(qū)控制穩(wěn)態(tài)誤差在0.001～0.002 MPa，在分區(qū)控制PID參數(shù)相同情況下，其穩(wěn)定性的差異可能來源于2個比例閥對同一控制參數(shù)存在的響應(yīng)差異，由于2種控制方式穩(wěn)態(tài)誤差差值較小，可以認(rèn)為其穩(wěn)定性基本相同。而在0.1 MPa設(shè)定壓力下左區(qū)控制出現(xiàn)較為頻繁的振蕩，原因在于播種機擺放位置的不平，造成左右區(qū)氣囊初始氣壓不同，在低氣壓設(shè)定下，氣路原有氣壓差異影響了閥的響應(yīng)性能。同時，當(dāng)設(shè)定壓力為0.1～0.4 MPa時，系統(tǒng)整體響應(yīng)速度較快，當(dāng)壓力超過0.4 MPa后，系統(tǒng)響應(yīng)速度顯著變慢，反映在圖7e和圖7f上即可看出曲線斜率逐漸變小，原因在于隨著氣囊內(nèi)部壓力的增大，高壓空氣進入的速度變慢，影響了裝置性能。為提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，建議后續(xù)控制以0.4 MPa為初始設(shè)定壓力，對前期耕作處理的地塊，當(dāng)0.4 MPa以下氣囊壓力滿足其作業(yè)需求時，系統(tǒng)控制響應(yīng)時間也可進一步減小。

對數(shù)據(jù)進行處理分析，結(jié)果如表1所示。可以看出，在調(diào)節(jié)范圍0.2～0.6 MPa內(nèi)，左右區(qū)控制超調(diào)量均低于5.97%，且右區(qū)控制超調(diào)量不超過4.81%。對調(diào)節(jié)時間而言，其與設(shè)定氣壓大小正相關(guān)，在設(shè)定氣壓0.1～0.4 MPa下，左區(qū)控制最長為0.30 s，右區(qū)控制最長為0.35 s，當(dāng)氣壓超過0.4 MPa，左區(qū)控制為1.25～2.30 s，右區(qū)控制為1.25～2.25 s，由于傳感器采樣最小時間間隔為0.05 s，默認(rèn)左右區(qū)控制調(diào)節(jié)時間一致，即分區(qū)控制下系統(tǒng)整體響應(yīng)時間不超過2.30 s，據(jù)此設(shè)定程序控制間隔為3 s。

表1 不同階躍壓力下分區(qū)控制系統(tǒng)響應(yīng)試驗結(jié)果Tab.1 Response results of section control system under different step pressures

不同分區(qū)控制行數(shù)下系統(tǒng)響應(yīng)測試結(jié)果如圖8所示。在0.6 MPa階躍氣壓調(diào)節(jié)下，對左右區(qū)控制而言，隨著控制行數(shù)的增加，其調(diào)節(jié)時間均變大。當(dāng)左右區(qū)控制行數(shù)不等時，控制行數(shù)越多，其響應(yīng)調(diào)節(jié)時間越長，且在0.4 MPa壓力之前兩者區(qū)別不大(圖8b、8d)；當(dāng)左右區(qū)控制行數(shù)相同時，左右區(qū)控制調(diào)節(jié)時間基本相等(圖8a、8c、7f)。

分析表2數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在左右區(qū)分別控制單個播種行的情況下，其調(diào)節(jié)時間最小為0.75 s，而隨控制行數(shù)的增加，調(diào)節(jié)時間最長為2.35 s，因此，當(dāng)播種機單體行較多時，為提高響應(yīng)速度，可在現(xiàn)有系統(tǒng)基礎(chǔ)上通過增加電氣比例閥以實現(xiàn)各播種行的單獨控制。對6行播種機而言，綜合考慮硬件成本和地塊土壤區(qū)間差異下的控制精度需求，本系統(tǒng)選擇3行為一區(qū)域的分區(qū)控制方式，當(dāng)播種機行數(shù)大于6時，可根據(jù)實際單體行數(shù)來配套增加電氣比例閥個數(shù)。同時，在區(qū)域控制行數(shù)不變的情況下，相鄰區(qū)域控制行數(shù)的增加也會造成調(diào)節(jié)時間變大，如同樣2行控制下的左區(qū)，隨著右區(qū)控制行數(shù)從1行變?yōu)?行，其調(diào)節(jié)時間也從1.40 s變?yōu)?.75 s，原因在于管路氣量的區(qū)域分配延緩了系統(tǒng)響應(yīng)速度。

圖8 不同分區(qū)控制方式下系統(tǒng)響應(yīng)曲線Fig.8 System response curves in different section control modes

表2 不同分區(qū)控制方式下系統(tǒng)響應(yīng)試驗結(jié)果Tab.2 System response results in different section control modes

4 田間性能試驗

4.1 試驗裝置和試驗方法

如圖9所示，為檢驗系統(tǒng)實際工作性能，于2019年12月在河北省石家莊市欒城區(qū)北留營村進行田間試驗。試驗地塊長為220 m、寬為12 m，試驗裝置為搭載本文設(shè)計系統(tǒng)的2BFQ-6型氣力精密播種機(河北中友機電設(shè)備有限公司)，根據(jù)其作業(yè)幅寬將試驗地塊分成3個小區(qū)，單個小區(qū)長為220 m、寬為4 m，并預(yù)留每個小區(qū)地頭地尾各10 m，方便拖拉機轉(zhuǎn)向和試驗前裝置測試校正?？紤]到土壤凍結(jié)對試驗結(jié)果的影響，試驗前對地塊進行淺旋作業(yè)以創(chuàng)造適宜種床環(huán)境，同時，取下播種機單體覆土輪以減小覆土作業(yè)對限深輪壓實地表和開溝深度的影響，保證后續(xù)播種下壓力和深度測量的準(zhǔn)確性。

圖9 系統(tǒng)田間試驗Fig.9 Field test of control system

為比較不同調(diào)節(jié)方式的下壓力和播深調(diào)節(jié)效果，對播種機單體行設(shè)置不同控制方式，其中，第1、3、4、6行為主動氣囊式，第2行為被動彈簧式，第5行為自重調(diào)節(jié)，即除單體自重外無外部下壓力作用。同時，為比較不同設(shè)定下壓力對播種質(zhì)量影響，串聯(lián)第1、3行氣囊為左區(qū)控制，第4、6行為右區(qū)控制，并設(shè)置左區(qū)目標(biāo)下壓力為600 N，右區(qū)目標(biāo)下壓力為300 N，調(diào)節(jié)閾值為100 N。此外，作業(yè)前對3個小區(qū)分別調(diào)節(jié)播種深度為25、50、75 mm左右，在保證6行單體全部達到初始設(shè)定深度情況下，通過軟件界面校正下壓力測量模型。試驗過程中，保持機具速度8 km/h左右，下壓力控制間隔時間為3 s。

4.1.1土壤壓實效果

圖10 田間土壤緊實度測量Fig.10 Field measurement of soil compaction1.原始地表 2.限深輪胎面壓實處

由于實際作業(yè)過程中地表所受壓力不易測量，試驗采用FieldScout SC900型土壤緊實度儀測量壓實土壤緊實度來表征下壓力，其可自動獲取測量點地表深度和緊實度，對應(yīng)分辨率分別為2.5 cm和35 kPa。首先在3個不同播深小區(qū)選取50 m穩(wěn)定作業(yè)長度，間隔10 m測量各單體行限深輪胎面壓實處和相鄰地表土壤緊實度，其中，緊實度測量深度范圍為0～10 cm，并根據(jù)儀器分辨率間隔2.5 cm記錄堅實度(圖10)。然后，以原始地表和限深輪胎面壓實處對應(yīng)深度緊實度差值作為測量點下壓力實際作用緊實度。考慮到土壤區(qū)間差異性，以各單體行6處測量點均值作為單體行緊實度。最后，根據(jù)各單體行緊實度和不同下壓力作用方式對應(yīng)播種行范圍來計算相應(yīng)方式下土壤緊實度，即左區(qū)控制緊實度為第1、3行平均值，右區(qū)控制緊實度為第4、6行平均值，機械調(diào)節(jié)和自重調(diào)節(jié)分別為第2行和第5行緊實度。

4.1.2下壓力控制效果

由于土壤緊實度的測量受土壤物化特性影響較大，為更好評價系統(tǒng)下壓力控制效果，通過軟件控制程序按照20 Hz采樣頻率存儲播種機各單體行實時下壓力，并選取中間段90 s數(shù)據(jù)進行處理。同上，對于左右區(qū)控制方式，取區(qū)內(nèi)各播種行平均值作為實時下壓力，并計算不同播深和控制方式作用時下壓力控制效果，其計算公式為

(6)

(7)

(8)

(9)

式中η1——播種下壓力合格率，%

n1——閾值范圍內(nèi)播種下壓力個數(shù)

N1——播種下壓力測量點總數(shù)

Fi——播種下壓力測量值，N

SF——播種下壓力標(biāo)準(zhǔn)差，N

VF——播種下壓力變異系數(shù)，%

4.1.3播深控制效果

為評價不同下壓力作用方式下播深控制效果，試驗通過播深測量裝置實時測量3種設(shè)定播深下各單體行實時播種深度，同樣選取90 s測量數(shù)據(jù)，并參照農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY/T 1768—2009《免耕播種機質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范》對播深相關(guān)參數(shù)進行評價，各參數(shù)計算公式為

(10)

(11)

(12)

(13)

式中η2——播深合格率，%

n2——播深合格數(shù)

N2——播深測量點總數(shù)

hi——播深測量值，mm

Sh——播深標(biāo)準(zhǔn)差，mm

Vh——播深變異系數(shù)，%

4.2 結(jié)果分析

4.2.1土壤實際壓實效果

對田間緊實度測量數(shù)據(jù)進行處理，得到如圖11所示不同控制方式在不同設(shè)定播深下土壤緊實度結(jié)果?？梢钥闯觯煌刂品绞骄岣吡送寥谰o實度，實現(xiàn)了種溝壓實的目標(biāo)。除自重調(diào)節(jié)方式外，在其他3種方式作用下，相同地表深度的土壤緊實度隨著設(shè)定播深的增加呈一定減小趨勢，這是由于單體對地作用力主要用于開溝和限深鎮(zhèn)壓，隨著播深的增加，開溝器開溝阻力增大，進而造成單體對地作用力的再分配，在單體對地作用力無法獲得及時補償?shù)那闆r下，開溝壓力的增大勢必帶來限深輪對地下壓力的減小。相比之下，自重調(diào)節(jié)方式的土壤緊實度改變波動較大，說明外力作用可以提高單體對地壓實穩(wěn)定性。此外，在相同地表深度土壤緊實度改變量上，不同設(shè)定播深下的分區(qū)控制方式曲線數(shù)值較為集中(圖11a、11b)，說明主動調(diào)節(jié)方式可以實現(xiàn)更為穩(wěn)定的限深輪對地下壓力，特別是右區(qū)控制。而在10 cm地表深度下，左區(qū)控制和機械調(diào)節(jié)方式作用的土壤緊實度在設(shè)定播深25 mm下改變較大，此時下壓力對緊實度的改變影響較小，其變化更多來源于土壤耕層物化特性的改變。

圖11 不同控制方式下土壤緊實度變化曲線Fig.11 Changes of soil compaction in different control modes

4.2.2播種下壓力控制效果

圖12 不同播深和控制方式下播種下壓力控制效果Fig.12 Effects of downforce control under different sowing depths and control modes

播種下壓力控制試驗結(jié)果如圖12所示。整體來看，分區(qū)控制時，不同設(shè)定播深下，右區(qū)控制下壓力基本處于200～400 N，滿足基本下壓力設(shè)定，而左區(qū)控制下壓力則隨播深變化而略有不同，如播深25 mm下變化范圍基本在500～700 N之間，播深50 mm下則處于400～600 N之間，播深75 mm下多處于300～500 N之間。從圖中看出，隨著播種深度的增加，左區(qū)控制下壓力變化范圍逐漸減小。同樣的變化也發(fā)生在機械調(diào)節(jié)和自重調(diào)節(jié)控制方式下，如機械調(diào)節(jié)下壓力變化范圍從播深25 mm的300～600 N變化為播深75 mm的0～200 N；自重調(diào)節(jié)下壓力變化范圍從播深25 mm的0～300 N變化為播深75 mm的0～100 N，即播種深度的增加造成限深輪處下壓力的減小，這也與圖11緊實度的變化趨勢相符。由此看出，在當(dāng)前作業(yè)地塊，裝置左區(qū)控制、機械和自重調(diào)節(jié)方式均已達到最大調(diào)節(jié)能力，在土壤阻力增大情況下無法提供更大的向下作用力來保證穩(wěn)定的限深輪對地下壓力，而右區(qū)控制設(shè)定下壓力則較為適合作業(yè)地塊土壤環(huán)境，即在播深變化下依然保持穩(wěn)定的播種下壓力。對設(shè)定播深50 mm和75 mm，單體自重調(diào)節(jié)方式下的播種下壓力出現(xiàn)間斷性為零現(xiàn)象，即限深輪擺臂脫離限深塊，播種深度低于設(shè)定值，說明此時單純依靠單體自重調(diào)節(jié)無法保證較好的播深控制效果。

圖13 不同設(shè)定播深下單體行實際播深箱線圖Fig.13 Actual sowing depth boxplots of row units under different setting depths

數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果如表3所示。從播種下壓力平均值看出，不同設(shè)定播深下，右區(qū)控制方式的播種下壓力能夠始終保持在300 N左右，設(shè)定閾值范圍內(nèi)合格率不小于95.78%，下壓力變異系數(shù)變化較小，處于14.11%～17.32%，而左區(qū)控制下壓力變異系數(shù)雖不超過14.13%，但其合格率隨播深增加而顯著減小，最小僅為0.39%，無法滿足穩(wěn)定下壓力的播種要求。

對無下壓力設(shè)定值的機械調(diào)節(jié)和自重調(diào)節(jié)方式而言，其下壓力變異系數(shù)隨播深改變而變化較大，特別是自重調(diào)節(jié)方式下從播深25 mm的42.91%增加到播深75 mm的385.11%，而機械調(diào)節(jié)方式從12.11%增大至83.72%。再次說明僅依靠單體自重?zé)o法實現(xiàn)穩(wěn)定的播種下壓力；機械調(diào)節(jié)方式在低播深下可保持穩(wěn)定播種下壓力，而高播深下采用主動下壓力調(diào)節(jié)方式可提高播種下壓力穩(wěn)定性，且適宜的下壓力設(shè)置能保證不同播深下穩(wěn)定的播種下壓力控制效果。

表3 播種下壓力控制田間試驗結(jié)果Tab.3 Field experiment results of seeding downforce control

4.2.3播種深度控制效果

不同設(shè)定播深下，各單體行實際播深分布特征如圖13所示。在設(shè)定播深25 mm下，第1行和第6行數(shù)據(jù)較為集中，說明這兩行播深穩(wěn)定性較好。同樣情況也出現(xiàn)在設(shè)定播深50 mm下的第3行和第4行，以及設(shè)定播深75 mm下的第3行，說明分區(qū)控制方式可以獲得更好的播深穩(wěn)定性。整體看來，25 mm設(shè)定播深時，不同下壓力調(diào)節(jié)方式下實際播深波動范圍差別較小，此時單體對地壓力均滿足基本開溝鎮(zhèn)壓需求；從圖中箱體大小變化可以看出，隨著播深增加，機械和分區(qū)控制方式下的實際播深比自重調(diào)節(jié)方式更為集中，且自重調(diào)節(jié)方式下存在較多播深異常情況，這也與上文播種下壓力間斷性為零現(xiàn)象相符，說明此時限深輪處于浮動狀態(tài)，實際播深低于設(shè)定值。

進一步計算不同行播深質(zhì)量參數(shù)，對左右區(qū)取其行間參數(shù)平均值來評價，計算得到結(jié)果如表4所示。從表中看出，不同控制方式下實際播種深度平均值與初始設(shè)定值略有差異，考慮到播深調(diào)節(jié)機構(gòu)因自身機械結(jié)構(gòu)特征無法達到較高的設(shè)定精度，本試驗播深結(jié)果均達到初始作業(yè)目標(biāo)。在播深合格率評價選擇上，針對淺旋地試驗條件，為更好表征不同控制方式下差異特征，選擇±5 mm為合格播深允許誤差。

表4 播種深度控制田間試驗結(jié)果Tab.4 Field experiment results of sowing depth control

從表4看出，隨著設(shè)定播深的增加，不同控制方式的播深合格率顯著降低，播深標(biāo)準(zhǔn)差逐漸增大，如自重調(diào)節(jié)方式播深合格率從25 mm播深的83.33%降到50 mm播深的58.72%，降低了24.61個百分點，播深標(biāo)準(zhǔn)差從最小2.53 mm增加到最大7.70 mm。相比之下，當(dāng)設(shè)定播深從25 mm變?yōu)?5 mm時，左區(qū)控制、右區(qū)控制和機械調(diào)節(jié)方式播深合格率分別降低了8.08、7.47、29.56個百分點，達到最小91.92%、92.53%和70.44%，播深標(biāo)準(zhǔn)差分別從0.92、1.01、1.01 mm增加到最大2.22、3.11、3.69 mm。說明外力作用下的分區(qū)控制和機械調(diào)節(jié)方式提高了播深合格率，降低了播深標(biāo)準(zhǔn)差，且分區(qū)控制方式比機械調(diào)節(jié)方式更有助于提高單體播深穩(wěn)定性。同樣結(jié)論也可從播深變異系數(shù)變化規(guī)律分析上獲得，如不同設(shè)定播深下，左右區(qū)控制方式、機械調(diào)節(jié)方式變異系數(shù)分別處于2.85%～3.52%、3.80%～4.40%和4.03%～4.96%之間，而自重調(diào)節(jié)方式變異系數(shù)則處于8.47%～14.01%之間。對比左右區(qū)控制方式結(jié)果發(fā)現(xiàn)，較大下壓力可降低播深變異系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)差。

5 結(jié)論

(1) 設(shè)計了一種多行播種機下壓力和播深CAN總線監(jiān)控與評價系統(tǒng)，采用基于角度和軸銷傳感器的播深和下壓力測量裝置，利用GNSS傳感器采集播種機實時位置和速度信息，以ECU作為系統(tǒng)控制單元，對作業(yè)參數(shù)進行監(jiān)測控制和質(zhì)量評價，采用液壓驅(qū)動和分區(qū)控制方式優(yōu)化設(shè)計了氣壓驅(qū)動裝置，開發(fā)了基于CoDeSys編程環(huán)境的軟件界面和控制程序，實現(xiàn)了ECU與智能終端的CAN總線通信。

(2) 通過搭建的室內(nèi)試驗臺完成了播深傳感器標(biāo)定和建模，建立了匹配不同設(shè)定播深的下壓力測量校正模型。對多行播種機分區(qū)控制響應(yīng)測試表明，在氣囊調(diào)節(jié)范圍(0.2～0.6 MPa)內(nèi)，分區(qū)控制方式超調(diào)量低于5.97%；系統(tǒng)響應(yīng)調(diào)節(jié)時間隨控制行數(shù)和設(shè)定氣壓增大而增大，當(dāng)6行播種機設(shè)定氣壓不大于0.4 MPa時，其調(diào)節(jié)時間最長不超過0.35 s，當(dāng)設(shè)定氣壓為0.4～0.6 MPa，響應(yīng)時間顯著增大，最長達2.35 s。

(3) 在不同下壓力控制方式和設(shè)定播深下進行了田間性能試驗。土壤壓實和下壓力控制效果試驗表明，相比自重調(diào)節(jié)和機械調(diào)節(jié)，主動分區(qū)控制方式可實現(xiàn)更為穩(wěn)定的土壤緊實度，且在淺旋地塊環(huán)境下，右區(qū)控制方式對不同設(shè)定播深的下壓力控制效果最佳，其合格率不小于95.78%。播深控制效果試驗表明，隨著設(shè)定播深的增大，播深控制合格率顯著降低，標(biāo)準(zhǔn)差逐漸增大。在設(shè)定播深25～75 mm范圍內(nèi)，左區(qū)控制、右區(qū)控制、機械調(diào)節(jié)和自重調(diào)節(jié)對應(yīng)的最小播深合格率分別為91.92%、92.53%、70.44%和58.72%，對應(yīng)的最大標(biāo)準(zhǔn)差分別為2.22、3.11、3.69、7.70 mm，對應(yīng)的最大變異系數(shù)分別為3.52%、4.40%、4.96%和14.01%，即相比機械調(diào)節(jié)和自重調(diào)節(jié)，分區(qū)控制方式更有助于提高單體播深穩(wěn)定性。