雷小龍 鄒洪宇 楊正穎 李芋汶 龔 靜 鄭明武 雷 怡 張 磊 呂小榮

(四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，四川 雅安 625014)

馬鈴薯播種機(jī)是提高播種機(jī)械化率的重要裝備[1]，其播種質(zhì)量與排種裝置的性能密切相關(guān)。馬鈴薯排種器主要有針刺式、勺鏈?zhǔn)?、氣力式、夾持式等類型[2]，勺鏈?zhǔn)脚欧N器具有結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)性強(qiáng)、株距可調(diào)和價(jià)格適中等特點(diǎn)，在國內(nèi)外受到廣泛應(yīng)用[3-5]。

馬鈴薯種薯形狀不規(guī)則、流動(dòng)性差，取種過程隨機(jī)性強(qiáng)，導(dǎo)致漏播率偏高進(jìn)而降低了播種質(zhì)量[6-7]。為降低馬鈴薯勺鏈?zhǔn)脚欧N器的漏播率，增加漏播檢測系統(tǒng)和自動(dòng)補(bǔ)種裝置是降低漏播率的重要途徑。丁幼春等[8-10]提出了基于時(shí)變窗口的油菜漏播檢測方法，并設(shè)計(jì)了油菜漏播螺管式變量補(bǔ)種器。在漏播檢測方面，常用光電傳感器和霍爾傳感器等檢測玉米、花生的漏播狀態(tài)，并通過單片機(jī)控制伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)補(bǔ)種裝置完成補(bǔ)種[11-12]。通過紅外光電傳感器、電容傳感器與霍爾傳感器相結(jié)合用于檢測馬鈴薯漏播信號，將漏播信號反饋給單片機(jī)，進(jìn)而控制補(bǔ)種裝置[13-18]，實(shí)現(xiàn)馬鈴薯漏播檢測與補(bǔ)種。?？档萚19]設(shè)計(jì)了電容傳感檢測與補(bǔ)種鏈實(shí)現(xiàn)了馬鈴薯漏播檢測與補(bǔ)種。

本研究擬針對現(xiàn)有馬鈴薯漏播檢測與補(bǔ)種結(jié)構(gòu)較繁瑣的問題，以不影響原有播種機(jī)結(jié)構(gòu)為設(shè)計(jì)要求，將定位模塊和激光漏播檢測相結(jié)合設(shè)計(jì)馬鈴薯漏播檢測系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)定向排序與擊打式補(bǔ)種裝置；開展漏播檢測和補(bǔ)種系統(tǒng)的性能試驗(yàn)，旨在為馬鈴薯漏播檢測與補(bǔ)種系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

1 馬鈴薯漏播檢測與補(bǔ)種系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 馬鈴薯播種機(jī)結(jié)構(gòu)

馬鈴薯播種機(jī)主要由種箱、攪種機(jī)構(gòu)、種勺、排種鏈、漏播檢測系統(tǒng)、補(bǔ)種裝置和控制器等組成(圖1)，漏播檢測系統(tǒng)和補(bǔ)種裝置安裝于2CM-2型馬鈴薯播種機(jī)上，分別對應(yīng)1行排種鏈。工作時(shí)，地輪驅(qū)動(dòng)排種鏈轉(zhuǎn)動(dòng)，在重力和攪種機(jī)構(gòu)擾動(dòng)下種勺完成充種，排種鏈向上輸種時(shí)經(jīng)過漏播檢測系統(tǒng)，漏播檢測系統(tǒng)檢測種勺的充種狀態(tài)；若種勺中出現(xiàn)漏充，補(bǔ)種裝置在控制器作用下于排種鏈頂端完成補(bǔ)種，從而保證種薯不漏播。種薯隨護(hù)種槽掉入種溝，經(jīng)過覆土后完成播種過程。

1.開溝器；2.攪種機(jī)構(gòu)；3.種薯；4.漫反射光電開關(guān)傳感器；5.漏播檢測系統(tǒng)；6.補(bǔ)種裝置；7.控制系統(tǒng)；8.補(bǔ)種箱；9.排種鏈；10.霍爾傳感器；11.種勺；12.橡膠墊圈；13.地輪；14.種箱1.Opener;2.Seed churning mechanism;3.Potato seed;4.Diffusion switch sensor;5.Miss-seeding monitoring system;6.Reseeding device;7.Control system;8.Reseeding box;9.Seeding chain;10.Hall sensor;11.Metering scoop;12.Rubber washer;13.Ground wheel;14.Seed box圖1 勺鏈?zhǔn)今R鈴薯播種機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of spoon type potato seeder

1.2 馬鈴薯漏播檢測及補(bǔ)種系統(tǒng)工作原理

馬鈴薯漏播檢測與補(bǔ)種系統(tǒng)由漫反射光電開關(guān)傳感器、霍爾傳感器、磁鐵、ATmega型單片機(jī)、TFT液晶顯示屏、mos管、補(bǔ)種箱、V型導(dǎo)種槽、V型補(bǔ)薯口、電磁鐵和擊打棒等組成。種勺側(cè)方安裝有磁鐵，排種鏈轉(zhuǎn)動(dòng)使種勺上升時(shí)，霍爾傳感器檢測磁鐵產(chǎn)生的磁場確定種勺的位置，漫反射光電開關(guān)傳感器檢測對應(yīng)種勺內(nèi)是否有種薯，將檢測信息傳遞至單片機(jī)，若無種薯，執(zhí)行待補(bǔ)種指令(圖2(a))；當(dāng)漏播種勺到達(dá)霍爾傳感器檢測位置時(shí)，啟動(dòng)補(bǔ)種裝置(圖2(b))，補(bǔ)種裝置工作時(shí)，補(bǔ)種箱的種薯在V型導(dǎo)種槽內(nèi)順序排放；補(bǔ)種指令啟動(dòng)后mos管導(dǎo)通電路使電磁鐵獲得電流，擊打棒在電磁鐵作用下快速擊打，將補(bǔ)種口的種薯擊入護(hù)種槽，然后mos管阻斷電路，電磁鐵無電流通過后擊打棒通過彈簧復(fù)位，完成對漏播種勺的補(bǔ)種；V型導(dǎo)種槽內(nèi)的種薯在重力和振動(dòng)作用下向下滑動(dòng)填補(bǔ)空位，等待進(jìn)入下一次補(bǔ)種周期。

1.種薯；2.種勺；3.霍爾傳感器；4.漫反射光電開關(guān)傳感器；5.磁鐵；6.補(bǔ)薯口；7.擊打棒；8.電磁鐵；9.V型導(dǎo)種槽1.Potato seed;2.Metering scoop;3.Hall sensor;4.Diffusion switch sensor;5.Magnet;6.Reseeding outlet;7.Striking ram;8.Electromagnets;9.V-shaped reseeding track guidance圖2 漏播檢測與補(bǔ)種系統(tǒng)工作狀態(tài)Fig.2 Working status of miss-seeding monitoring and reseeding system

2 馬鈴薯漏播檢測與補(bǔ)種系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 馬鈴薯漏播檢測方法

2.1.1漏播判斷方法

馬鈴薯漏播檢測系統(tǒng)采用“錯(cuò)位定位法”，勺鏈?zhǔn)今R鈴薯排種器相鄰種勺間距為127 mm。排種鏈從種箱內(nèi)自下而上取種，種勺到達(dá)最高點(diǎn)處將種薯運(yùn)至護(hù)種槽后，種薯跟隨種勺背面自上而下輸種。2個(gè)漫反射光電開關(guān)傳感器安裝于排種鏈外側(cè)的護(hù)板，霍爾傳感器位于漫反射光電開關(guān)傳感器2上方，每個(gè)種勺靠近霍爾傳感器的一側(cè)安裝有圓形永磁鐵(圖3(a))。當(dāng)霍爾傳感器檢測到種勺一側(cè)方的磁鐵時(shí)，產(chǎn)生1個(gè)低電平脈沖反饋給控制器，控制器對漫反射光電開關(guān)傳感器的狀態(tài)進(jìn)行查詢。若漫反射光電開關(guān)傳感器對應(yīng)的種勺內(nèi)無種薯，則不能遮擋漫反射光電開關(guān)傳感器發(fā)出的激光，產(chǎn)生高電平脈沖；若種勺內(nèi)有種薯，則產(chǎn)生低電平脈沖。當(dāng)霍爾傳感器產(chǎn)生低電平脈沖且漫反射光電開關(guān)傳感器產(chǎn)生高電平脈沖時(shí)，則系統(tǒng)判斷漏充種薯(圖3(b))；當(dāng)霍爾傳感器和漫反射光電開關(guān)傳感器均產(chǎn)生低電平時(shí)，則系統(tǒng)判斷充種正常。

圖3 漏播檢測系統(tǒng)的傳感器位置與信號Fig.3 Sensor location and signal of miss-seeding monitoring system

2.1.2傳感器的選用及安裝

根據(jù)馬鈴薯勺鏈?zhǔn)脚欧N器及漏播檢測的工作原理，本系統(tǒng)采用HM18-50 NA型霍爾傳感器(常州市尼西電氣有限公司)檢測種勺位置。該傳感器的工作電壓為5～30 V，檢測距離10 mm，響應(yīng)頻率1 kHz，采用npn型常開輸出。根據(jù)傳感器的檢測狀態(tài)，信號線輸出高電平或低電平，經(jīng)降壓后接入單片機(jī)進(jìn)行檢測；降壓模塊選用LM2596S型降壓模塊，該模塊輸入電壓為2.5～35 V，輸出電壓調(diào)節(jié)范圍為1.25～35 V，開關(guān)頻率可達(dá)150 kHz。安裝時(shí)磁鐵與霍爾傳感器間距為8 mm。漏播檢測裝置選用BF-M12 JG-DS15C1型漫反射光電開關(guān)傳感器(落施達(dá)傳感器(東莞)有限公司)檢測種勺中的種薯充種情況，該傳感器的工作電壓為10～30 V，檢測距離為20～200 mm可調(diào)，響應(yīng)頻率100 Hz，輸出方式采用npn型常開輸出；根據(jù)傳感器的檢測狀態(tài)，信號線輸出低電平或高阻態(tài)，由單片機(jī)將檢測引腳設(shè)置為輸入上拉模式，利用內(nèi)部的上拉電阻進(jìn)行檢測。為滿足檢測30～50 mm的種薯且檢測區(qū)域均勻覆蓋護(hù)種槽口的要求，馬鈴薯播種機(jī)護(hù)種槽口寬度為104 mm，將落種信號采集區(qū)域設(shè)計(jì)為單層矩形激光區(qū)域，由兩組間距為91.5 mm，高度差為10 mm的漫反射光電開關(guān)傳感器構(gòu)成，霍爾傳感器安裝于漫反射光電開關(guān)傳感器上方120 mm處(圖4)。

2.1.3硬件組成

漏播檢測與補(bǔ)種控制系統(tǒng)硬件包括12 V電源及開關(guān)、漏播檢測模塊、人機(jī)交互模塊、自動(dòng)補(bǔ)種模塊和單片機(jī)等。漏播檢測模塊主要進(jìn)行漏播檢測與播種數(shù)量統(tǒng)計(jì)；人機(jī)交互模塊為TFT液晶顯示屏，用于顯示播種數(shù)、漏播數(shù)及排種參數(shù)曲線；自動(dòng)補(bǔ)種模塊在單片機(jī)的控制下使推拉式電動(dòng)電磁鐵執(zhí)行補(bǔ)種功能；控制器選用ATmega2560單片機(jī)。針對檢測過程容易出現(xiàn)尖峰信號對檢測產(chǎn)生影響，設(shè)計(jì)具有濾波功能的高精度檢測電路，控制系統(tǒng)電路見圖5。

圖4 漏播檢測裝置傳感器安裝尺寸Fig.4 Sensor installation and its dimension of miss-seeding monitoring device

圖5 漏播檢測與補(bǔ)種控制系統(tǒng)電路圖Fig.5 Circuit diagram of miss-seeding monitoring and reseeding control system

2.2 馬鈴薯補(bǔ)種裝置設(shè)計(jì)

2.2.1補(bǔ)種裝置設(shè)計(jì)

補(bǔ)種裝置由V型導(dǎo)種槽、V型補(bǔ)薯口、電磁鐵、擊打棒和補(bǔ)種箱等組成(圖6)。為滿足馬鈴薯補(bǔ)種要求，設(shè)計(jì)帶有張角的V型導(dǎo)種槽，種薯在V型導(dǎo)種槽中運(yùn)動(dòng)時(shí)受到V型導(dǎo)種槽的約束，使種薯只能沿V型導(dǎo)種槽中間運(yùn)動(dòng)，不從V型導(dǎo)種槽上滑落；通過調(diào)整V型導(dǎo)種槽傾角，使得種薯在V型導(dǎo)種槽中能夠受重力作用向前運(yùn)動(dòng)，但不發(fā)生重疊或卡住現(xiàn)象，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)排序，避免種薯在補(bǔ)薯口堵塞。

1.補(bǔ)種箱；2.V型導(dǎo)種槽；3.補(bǔ)薯口；4.種薯；5.擊打棒；6.電磁鐵；7.支架1.Reseeding box;2.V-shaped seed-guiding groove;3.Reseeding outlet;4.Potato seed;5.Striking ram;6.Electromagnets;7.Bracket圖6 補(bǔ)種裝置結(jié)構(gòu)Fig.6 Structure of reseeding device

2.2.2種薯在補(bǔ)種裝置上的力學(xué)分析

V型導(dǎo)種槽的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要包括張角α和傾角β，當(dāng)種薯處于V型導(dǎo)種槽中，種薯分別與V型導(dǎo)種槽兩側(cè)面通過點(diǎn)/線接觸，種薯的5個(gè)自由度受到限制，以種薯重心為原點(diǎn)O，x，y分別沿V型導(dǎo)種槽和壁面法向，種薯運(yùn)動(dòng)的受力分析見圖7。

田間作業(yè)時(shí)馬鈴薯播種機(jī)受到的振動(dòng)頻率為3～10 Hz[20]，將產(chǎn)生振動(dòng)加速度a0，滿足：

(1)

m為馬鈴薯種薯的質(zhì)量；FN1為右側(cè)支撐板對馬鈴薯種薯的支持力；FN2為左側(cè)支撐板對馬鈴薯種薯的支持力；Fμ1為右側(cè)支撐板對馬鈴薯種薯的摩擦力；a0為振動(dòng)加速度；Fμ2為左側(cè)支撐板對馬鈴薯種薯的摩擦力；α為V型導(dǎo)種槽的張角；β為V型導(dǎo)種槽的傾角。m is the mass of the seed potato;FN1 is the support force of the right support plate on the seed potato;FN2 is the support force of the left support plate on the seed potato;Fμ1 is the friction force of the right support plate on the potato seed tuber;a0 is the vibration acceleration;Fμ2 is the friction force of the left support plate on the potato seed tuber;α is the opening angle of the V-shaped seed guide groove;β is the Inclination angle of V-shaped seed guide groove.圖7 種薯在V型導(dǎo)種槽上的受力分析Fig.7 Mechanical analysis of potato seed in V-shaped seed-guiding groove

為確定馬鈴種薯在V型導(dǎo)種槽順序排放，分析馬鈴薯在V型導(dǎo)種槽中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，得：

(2)

則

(3)

式中：D為馬鈴薯種薯最大直徑，mm；l為V型導(dǎo)種槽的側(cè)面長度，mm；v為馬鈴薯運(yùn)動(dòng)速度，m/s；μ1為馬鈴薯滾動(dòng)摩擦因數(shù)；μ2為馬鈴薯滑動(dòng)摩擦因數(shù)；η為碰撞損失能量百分比；L為V型導(dǎo)種槽長度，mm；d為馬鈴薯種薯最小直徑mm；FN為支持力，N；Fμ為摩擦力，N；f為馬鈴薯播種機(jī)在田間作業(yè)時(shí)受到的振動(dòng)頻率，Hz；A為振幅，mm。

因此，V型導(dǎo)種槽的張角α和傾角β須滿足：

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 漏播檢測及補(bǔ)種系統(tǒng)的控制方法

馬鈴薯播種機(jī)工作時(shí)，為保證補(bǔ)種系統(tǒng)出現(xiàn)連續(xù)漏播的條件下完成補(bǔ)種，連續(xù)播種間隔時(shí)間為：

(4)

式中：t為連續(xù)播種時(shí)間間隔，ms；S為相鄰種勺間的距離，mm；v2為排種鏈的線速度，m/s。

連續(xù)播種時(shí)間間隔應(yīng)大于擊打棒推出時(shí)間與種薯從V型補(bǔ)薯口到護(hù)種槽的時(shí)間之和；為實(shí)現(xiàn)連續(xù)補(bǔ)種，擊打棒完成1次擊打的時(shí)間須小于連續(xù)播種間隔時(shí)間，擊打棒完成1次擊打的時(shí)間包括擊打棒推出時(shí)間t1、停留時(shí)間t3和復(fù)位時(shí)間t4，則：

(5)

式中：t1為擊打棒推出時(shí)間，ms；t2為種薯從V型補(bǔ)薯口到護(hù)種槽的時(shí)間，ms；t3為停留時(shí)間，ms；t4為復(fù)位時(shí)間，ms。

V型補(bǔ)薯口與護(hù)種槽的高度差為：

(6)

式中：h為V型補(bǔ)薯口與護(hù)種槽的高度差，m；g為重力加速度，m/s2。

忽略信號在導(dǎo)線中的傳輸時(shí)間，則擊打棒通電時(shí)間等于mos管接通時(shí)間，有：

t0=t1+t3

(7)

式中：t0為mos管接通時(shí)間，ms。則：

(8)

當(dāng)排種鏈線速度v2為0.20～0.42 m/s，擊打棒不受外力作用時(shí)，推出時(shí)間與復(fù)位時(shí)間≤80 ms；因擊打棒推出時(shí)受到來自馬鈴薯的阻力，擊打棒推出時(shí)間大于80 ms，即t1>80 ms，由式(8)可知t0<0.302-t4；為避免因擊打棒通電時(shí)間過短擊打力度不足，或通電時(shí)間過長，造成補(bǔ)種時(shí)擊打棒的卡頓，確定150 ms≤t0≤300 ms。由式(8)可知，h<5(0.302-t1)2，則h<246.42 mm，V型導(dǎo)種槽出口與導(dǎo)種槽實(shí)際高度差設(shè)置為200 mm，滿足導(dǎo)種槽的高度要求。

3.2 漏播檢測及補(bǔ)種系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

馬鈴薯漏播檢測及補(bǔ)種控制系統(tǒng)流程見圖8。系統(tǒng)啟動(dòng)后，首先單片機(jī)執(zhí)行初始化程序，將種勺補(bǔ)種標(biāo)志位置0，設(shè)置mos管通斷時(shí)間與電機(jī)轉(zhuǎn)速，通過電機(jī)控制種勺速度；檢查漫反射光電開關(guān)傳感器和霍爾傳感器是否處于正常工作狀態(tài)。

初始化完成后，系統(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài)。i種勺經(jīng)過時(shí)霍爾傳感器產(chǎn)生1個(gè)脈沖，如果此時(shí)漫反射光電開關(guān)傳感器對應(yīng)的i+1種勺內(nèi)有種薯，那么漫反射光電開關(guān)傳感器發(fā)出的激光就會被種薯遮擋，傳感器輸出低電平信號，單片機(jī)內(nèi)部變量i+1種勺正常播種計(jì)數(shù)加1，i+1種勺補(bǔ)種標(biāo)志位置0；如果此時(shí)漫反射光電開關(guān)傳感器對應(yīng)的i+1種勺內(nèi)沒有種薯，那么激光就不會被遮擋，傳感器輸出高電平，發(fā)生漏播，單片機(jī)內(nèi)部變量i+1種勺漏播計(jì)數(shù)加1，i+1種勺補(bǔ)種標(biāo)志位置1。根據(jù)i種勺補(bǔ)種標(biāo)志位判斷是否進(jìn)行補(bǔ)種，若補(bǔ)種標(biāo)志位為0，表明當(dāng)前種勺有種薯，不需要補(bǔ)種；若i種勺補(bǔ)種標(biāo)志位為1，表明當(dāng)前種勺沒有種薯，需要補(bǔ)種，進(jìn)行補(bǔ)種操作。上述操作完成后，刷新TFT液晶顯示屏，判斷是否存在終止信號，若存在，則結(jié)束，若不存在，重新賦初值，將i+1種勺補(bǔ)種標(biāo)志位的數(shù)值賦給i種勺補(bǔ)種的標(biāo)志位，進(jìn)行新一輪的漏播檢測與補(bǔ)種。

4 臺架試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)材料及裝置

馬鈴薯種薯供試材料為‘費(fèi)烏瑞它’，直徑為30～50 mm，在自制馬鈴薯漏播檢測與補(bǔ)種試驗(yàn)臺(圖9)上開展試驗(yàn)。馬鈴薯排種鏈轉(zhuǎn)動(dòng)采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過電機(jī)控制器控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，mos管的通斷時(shí)間由ATmega2560單片機(jī)控制。排種鏈速度由前進(jìn)速度和株距L確定，根據(jù)馬鈴薯的種植農(nóng)藝要求，種植密度一般為65 000株/hm2，一壟雙行種植，壟距為0.9 m，則株距Q為0.34 m，播種機(jī)的相鄰種勺間距S為127 mm。中小型馬鈴薯播種機(jī)作業(yè)速度一般為2～4 km/h，則排種鏈線速度為0.20～0.42 m/s。

i為種勺位置編號，i=1，2，…i is the order number of seed spoon position,i=1,2,…圖8 漏播檢測與補(bǔ)種控制系統(tǒng)流程Fig.8 Flow chart of miss-seeding monitoring and reseeding control system

1.補(bǔ)種箱；2.V型導(dǎo)種槽；3.漫反射光電開關(guān)傳感器；4.V型補(bǔ)薯口；5.控制系統(tǒng)；6.電磁鐵；7.霍爾傳感器；8.種薯；9.勺鏈?zhǔn)今R鈴薯播種機(jī)1.Reseeding box;2.V-shaped seed guide slot;3.Diffusion switch sensor;4.V-shaped compensating potato outlet;5.Miss-seeding monitoring system;6.Electromagnets;7.Hall sensor;8.Potato seed;9.Spoon chain potato seeder圖9 馬鈴薯漏播檢測與補(bǔ)種臺架試驗(yàn)裝置Fig.9 Bench test equipment of miss-seeding monitoring and reseeding system

4.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

4.2.1漏播檢測系統(tǒng)精度試驗(yàn)

以實(shí)際漏播率、系統(tǒng)檢測漏播率和檢測精度為評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行漏播檢測系統(tǒng)精度試驗(yàn)。設(shè)定馬鈴薯的播種數(shù)量為250～450，測試播種數(shù)N、實(shí)際播種數(shù)n、系統(tǒng)檢測漏播數(shù)N1、實(shí)際漏播數(shù)n1，則實(shí)際漏播率、系統(tǒng)檢測漏播率和檢測精度計(jì)算公式分別為：

(9)

式中：ψ1為實(shí)際漏播率；ψ2為系統(tǒng)檢測漏播率；φ為檢測精度。

4.2.2補(bǔ)種適應(yīng)性試驗(yàn)

為研究排種鏈運(yùn)動(dòng)速度和mos管通斷電時(shí)間對補(bǔ)種裝置的適應(yīng)性，采用兩因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)，試驗(yàn)因素包括鏈條運(yùn)動(dòng)速度和mos管通斷電時(shí)間。排種鏈線速度設(shè)0.20、0.25、0.30、0.35、0.40 m/s共5個(gè)水平；mos管通斷時(shí)間設(shè)150、200、250、300 ms共4個(gè)水平。實(shí)際補(bǔ)種率計(jì)算公式為：

(10)

式中：k為補(bǔ)種數(shù)；M為測定漏播數(shù)，c為實(shí)際補(bǔ)種率。

4.2.3補(bǔ)種裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化試驗(yàn)

為優(yōu)化補(bǔ)種裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)，分析擊打棒長度、擊打棒形狀、擊打棒直徑對補(bǔ)種性能的影響，開展正交試驗(yàn)，試驗(yàn)因素和水平見表1?？傃a(bǔ)種次數(shù)為100，統(tǒng)計(jì)成功補(bǔ)種次數(shù)Nm，每組試驗(yàn)重復(fù)3次。補(bǔ)種合格率ζ為：

(11)

式中：Nm為補(bǔ)種成功次數(shù)；NT為補(bǔ)種次數(shù)。

表1 補(bǔ)種裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)因素與水平Table 1 Experimental factors and levels of structural parameters optimization of reseeding device

為分析種薯在補(bǔ)種裝置內(nèi)的堵塞率，獲得較優(yōu)的張角和傾角參數(shù)，開展張角與傾角對補(bǔ)種性能影響的兩因素試驗(yàn)。張角設(shè)60°、75°、90°、105°、120°共5個(gè)水平，傾角設(shè)20°、30°、40°共3個(gè)水平。試驗(yàn)中控制電磁鐵開關(guān)閉合100次為一組，每組組重復(fù)3次，記錄補(bǔ)種成功數(shù)量、堵塞次數(shù)和漏補(bǔ)次數(shù)。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.3.1漏播檢測系統(tǒng)精度試驗(yàn)

漫反射光電開關(guān)傳感器的漏播檢測精度見表2。當(dāng)勺鏈線速度為0.25 m/s時(shí)，馬鈴薯漏播檢測系統(tǒng)平均檢測精度為96.54%。播種數(shù)量檢測相對誤差為0.78%，漏播率的檢測相對誤差為3.46%，表明漏播檢測精度比較穩(wěn)定，在不同的排種數(shù)量條件下漏播檢測精度均較高，能夠準(zhǔn)確檢測馬鈴薯的漏播狀態(tài)。

表2 漫反射光電開關(guān)傳感器漏播檢測精度Table 2 Detection accuracy of the miss-seeding monitoring of the counter beam laser sensor

4.3.2補(bǔ)種適應(yīng)性試驗(yàn)

不同mos管通斷時(shí)間的補(bǔ)種合格率見表3。當(dāng)通斷時(shí)間較短時(shí)，擊打棒未完全擊打到馬鈴薯便已復(fù)位，造成擊打力度不夠，不能將馬鈴薯從V型補(bǔ)薯口擊打至種勺上，降低了補(bǔ)種合格率；當(dāng)通斷時(shí)間較長時(shí)，在排種鏈運(yùn)動(dòng)速度較快的情況下不能及時(shí)將種薯擊打至種勺處，也造成補(bǔ)種率較小。當(dāng)mos管通斷時(shí)間為250 ms，排種鏈線速度為0.25 m/s時(shí)，補(bǔ)種合格率達(dá)到98.67%；在排種鏈線速度為0.20～0.40 m/s時(shí)，mos管通斷時(shí)間為250 ms的補(bǔ)種合格率高于89.0%，補(bǔ)種效果較好。

表3 不同mos管通斷時(shí)間的補(bǔ)種合格率Table 3 Reseeding qualified rate under various electrification time %

4.3.3補(bǔ)種裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化試驗(yàn)

補(bǔ)種裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果表明，擊打棒形狀、直徑和長度對擊打合格率有顯著影響，圓柱形的擊打成功率均高于圓錐形和圓形(表4)。當(dāng)擊打棒形狀為圓柱形、直徑為30 mm、長度為50 mm時(shí)，擊打成功率為97.4%，滿足補(bǔ)種擊打的要求。當(dāng)mos管通斷時(shí)間為250 ms，排種鏈線速度為0.25 m/s時(shí)，V型導(dǎo)種槽的張角α和傾角β對補(bǔ)種性能有顯著影響(圖10)；當(dāng)傾角β為20°和30°時(shí)，補(bǔ)種合格率隨張角增加先增加后降低。當(dāng)張角α和傾角β分別為90°和30°時(shí)，補(bǔ)種合格率為95.33%，漏補(bǔ)率和堵塞率分別為1.0%和0.67%，補(bǔ)種性能較優(yōu)。

表4 補(bǔ)種裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Experimental results on structure optimization of reseeding device

圖10 V型導(dǎo)種槽張角(α)和傾角(β)對補(bǔ)種性能的影響Fig.10 Effects of field angle (α) and inclination angle (β) on reseeding performance

5 結(jié) 論

本研究針對勺鏈?zhǔn)今R鈴薯播種機(jī)漏播率較高的問題，提出一種以“錯(cuò)位定位法”為核心的馬鈴薯漏播檢測方法，設(shè)計(jì)永磁鐵陣列、霍爾傳感器和漫反射光電開關(guān)傳感器組成的馬鈴薯漏播檢測系統(tǒng)，檢測精度達(dá)96.54%；設(shè)計(jì)了V型補(bǔ)種軌道導(dǎo)向與電磁鐵擊打結(jié)合的補(bǔ)種裝置，擊打棒形狀為圓柱形、直徑30 mm、長度50 mm時(shí)，擊打成功率為97.4%；V型導(dǎo)種槽張角和傾角分別為90°和30°時(shí)，補(bǔ)種合格率為95.33%，漏補(bǔ)率和堵塞率分別為1.0%和0.67%。排種鏈運(yùn)動(dòng)速度為0.20～0.40 m/s時(shí)，mos管通斷時(shí)間為250 ms時(shí)的補(bǔ)種合格率高于89.0%，漏播檢測與補(bǔ)種性能穩(wěn)定，有效降低了馬鈴薯漏播率。