基于傳感和信息采集的免耕智能播種機(jī)設(shè)計(jì)

張曉亮，時(shí)　磊，王　娜，鮑秀蘭

(1.焦作師范高等專科學(xué)校 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，河南 焦作　454000；2.河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽　473000；3.華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，武漢　430070)

?

基于傳感和信息采集的免耕智能播種機(jī)設(shè)計(jì)

張曉亮1，時(shí)磊2，王娜2，鮑秀蘭3

(1.焦作師范高等專科學(xué)校 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，河南 焦作454000；2.河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽473000；3.華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，武漢430070)

摘要：針對現(xiàn)有免耕播種機(jī)的缺陷，對現(xiàn)有的技術(shù)方案進(jìn)行了創(chuàng)新和改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一臺全新實(shí)用的免耕播種機(jī)。針對當(dāng)前免耕播種機(jī)不能調(diào)整株距的問題，設(shè)計(jì)了多級鏈輪調(diào)節(jié)系統(tǒng)，可以通過改變傳動比和調(diào)速，實(shí)現(xiàn)株距控制。針對當(dāng)前免耕播種機(jī)對種粒大小適應(yīng)性不強(qiáng)的問題，設(shè)計(jì)了多個窩眼輪串聯(lián)的排種器，從而適應(yīng)了各類種子的播種。針對入土器粘土和夾土阻塞等問題，設(shè)計(jì)了全新的凸輪開合機(jī)構(gòu)。利用傳感信息采集技術(shù)實(shí)現(xiàn)了免耕智能播種機(jī)的自動株距調(diào)整，提高了播種精度。通過對播種機(jī)的試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：播種機(jī)的播種株距均勻，其單粒率、空穴率、重播率和籽粒破碎等各方面的播種質(zhì)量都優(yōu)于傳統(tǒng)的播種機(jī)械，并且實(shí)用性更強(qiáng)，更易于推廣。

關(guān)鍵詞：免耕播種；株距控制；多級鏈輪；凸輪開合；窩眼輪；排種器

0引言

隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化技術(shù)的發(fā)展，免耕播種機(jī)在國外已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。生產(chǎn)免耕播種機(jī)的廠家比較多，如美國的USDA和JohnDeer公司、澳大利亞的KMC公司，這些廠家生產(chǎn)的免耕播種機(jī)都比較好。但是，國內(nèi)的免耕播種機(jī)相比國外來說還比較落后，國外的免耕播種機(jī)對于地塊的適應(yīng)性、耕種方式以及經(jīng)濟(jì)性都不適合在國內(nèi)大面積使用，因此需要積極開發(fā)適應(yīng)國內(nèi)耕種的免耕播種機(jī)。免耕播種機(jī)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　機(jī)械式玉米免耕施肥播種機(jī)

在我國，免耕播種機(jī)的設(shè)計(jì)和制造與國外差距還很大，但不能完全照搬國外的技術(shù)，因?yàn)槲覈氐貕K較小，需要播種機(jī)具有易操控性，這對于懸掛方式和播種機(jī)的質(zhì)量尺寸設(shè)計(jì)具有重要的影響。由于土壤表面沒有經(jīng)過修整，土壤的容重較高，就要求播種機(jī)具有較大的質(zhì)量。播種機(jī)的總體設(shè)計(jì)框架如圖2所示。

圖2　總體設(shè)計(jì)框圖

對于免耕播種機(jī)的設(shè)計(jì)：首先需要更加符合當(dāng)前國內(nèi)的需求，確定設(shè)計(jì)目標(biāo)；然后確定設(shè)計(jì)的總體方案，從而確定關(guān)鍵器件的主要尺寸和關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；最后建立實(shí)體模型，通過對實(shí)體模型的優(yōu)化，完成免耕種播種機(jī)的設(shè)計(jì)。

圖3表示免耕播種機(jī)優(yōu)化過程。由圖3可以看出：免耕播種機(jī)的優(yōu)化過程主要分為3部分，包括多級鏈輪優(yōu)化、排種器優(yōu)化和凸輪機(jī)構(gòu)的優(yōu)化，且主要是為了解決株距不可調(diào)、播種的單一性和粘土阻塞等問題。

圖3　免耕播種機(jī)優(yōu)化過程示意圖

1免耕智能播種機(jī)結(jié)構(gòu)

根據(jù)現(xiàn)在已有的免耕打穴播種機(jī)，可以對當(dāng)前的免耕播種機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。根據(jù)國內(nèi)的免耕播種作業(yè)需求，優(yōu)化了一款直插式的免耕播種機(jī)，其整體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　直插式免耕穴播機(jī)

優(yōu)化后的免耕播種機(jī)行進(jìn)速度是可以調(diào)節(jié)的，播種深度和施肥深度也有調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，其株距、行距等均可調(diào)；具有智能化調(diào)節(jié)功能，可以根據(jù)傳感器采集信息對播種機(jī)行進(jìn)路徑、株距進(jìn)行智能調(diào)節(jié)。

窩眼輪排種器(如圖5所示)與外槽輪排肥器類似，在此基礎(chǔ)上做了很大的改進(jìn)，縮小了排種盒，將槽輪換成了串聯(lián)的窩眼輪，從而可以適應(yīng)不同種子的大小。其傳動機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖5　窩眼輪排種器

1.聯(lián)接板　2.變速鏈盒　3.塔輪　4.地輪傳動軸

其傳動結(jié)構(gòu)的驅(qū)動來自于地輪，利用傳動的裝配將扭矩進(jìn)行傳遞；排種器和排肥軸在接受扭矩后開始進(jìn)行排種和排肥的作業(yè)。

1)排肥傳動比計(jì)算。一般按照農(nóng)業(yè)技術(shù)的要求，排肥量按照150～750kg/hm2，排肥量的總傳動比可以表示為

(1)

其中,Q表示實(shí)際排肥量；L表示行距；δ表示滑移率，D表示支承輪直徑，q表示大外槽輪排肥器每轉(zhuǎn)一圈的最大排肥量，n表示每行排肥口數(shù)。排肥為多級傳動，如果按照2級傳動i肥=i1×i2的要求來設(shè)計(jì)的話，其傳動比可以表示為

(2)

由此可以根據(jù)多目標(biāo)優(yōu)化原理，對最大傳動比進(jìn)行確定，確定好傳動比后，可以通過調(diào)小槽輪長度來降低施肥量。

2)排種傳動比計(jì)算。以大豆的種植為例，對大豆盤的傳動比可以設(shè)計(jì)為

(3)

其中，S表示株距；n表示型孔數(shù)；δ表示滑移率；D表示地輪直徑，排種也為多級傳動，以3級傳動為例，則傳動比可以表示為

(4)

根據(jù)i2值，可以通過多目標(biāo)優(yōu)化組合，來確定多種調(diào)速鏈輪的齒數(shù)，在實(shí)際免耕作業(yè)過程中，可以根據(jù)實(shí)際的苗株株距來選擇鏈輪。根據(jù)確定的傳動比，可以計(jì)算孔數(shù)和株距，則有

(5)

在行進(jìn)過程中，需要通過傳感器來采集地塊的狀況，從而可以實(shí)現(xiàn)株距的自動化調(diào)節(jié)，其控制過程如圖7所示。

圖7　傳感器控制株距和適應(yīng)性

傳感器供電通過電源模塊來滿足，使用多路傳感器對圖像進(jìn)行采集，并利用TMS320DM642內(nèi)核對圖像進(jìn)行處理，從而發(fā)出智能控制指令；最后將信息進(jìn)行反饋，以得到最佳的株距控制。

2測試結(jié)果與分析

為了測試智能免耕播種機(jī)的播種效果，在相同地塊的田間與普通播種機(jī)的播種效果進(jìn)行了測試。在對比測試之前，首先測試了智能免耕播種機(jī)的株距控制，其測試結(jié)果如圖8所示。

由圖8可以看出：隨著時(shí)間的增加，株距變化不大，說明在免耕播種機(jī)播種過程中不會出現(xiàn)株距不均勻的情況，從而提高了作為的播種質(zhì)量。播種機(jī)阻塞率對比測試結(jié)果如表1所示。

圖8　株距測試結(jié)果

%

由表1可以看出：相對于傳統(tǒng)的播種器，智能免耕播種器的阻塞率更低。這是由于使用多個窩眼輪串聯(lián)的排種器，增加了不同大小種粒的適應(yīng)性。

圖9為播種的時(shí)間隨實(shí)驗(yàn)次數(shù)的變化曲線。由圖9可以看出：隨著試驗(yàn)次數(shù)的增加，播種時(shí)間的變化比較穩(wěn)定；但是從播種總時(shí)間來看，智能免耕播種機(jī)的工作效率要明顯優(yōu)于普通播種機(jī)。

圖9　播種時(shí)間隨實(shí)驗(yàn)次數(shù)變化曲線

表2為播種有效性的測試數(shù)據(jù)。由表2可以看出：在播種質(zhì)量檢測的4項(xiàng)評價(jià)數(shù)據(jù)中，智能免耕播種機(jī)4項(xiàng)評價(jià)都具有明顯的優(yōu)勢，充分說明了設(shè)計(jì)的智能免耕播種器的有效性和可靠性。由于智能耕種播種機(jī)使用多級鏈控制速度，并采用全新的凸輪開合機(jī)構(gòu)，有效地保持了株距；使用多個窩眼輪串聯(lián)的排種器，對種子粒度大小的適應(yīng)性較強(qiáng)，因此可以在多種播種裝置中推廣。

表2　播種測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

3結(jié)論

1)為了解決免耕播種機(jī)株距不可調(diào)、播種的單一性和粘土阻塞等問題，對智能免耕播種機(jī)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。在智能耕種播種機(jī)設(shè)計(jì)過程中：多級鏈控制速度和凸輪開合機(jī)構(gòu)的使用，有效地保持了株距；多個窩眼輪串聯(lián)的排種器的使用，對各種種子粒度大小的適應(yīng)性較強(qiáng)，因此可以在多種種粒種類的播種裝置中推廣。

2)為了驗(yàn)證裝置的有效性和可靠性，對其進(jìn)行了田間試驗(yàn)。通過測試發(fā)現(xiàn)：相對于傳統(tǒng)的播種器，智能免耕播種器的阻塞率更低，可適應(yīng)不同種粒播種的需要，大大降低了播種作業(yè)時(shí)間，滿足了快速作業(yè)的需求，播種質(zhì)量有了明顯的提升。

參考文獻(xiàn)：

[1]秦國成,秦貴,張艷紅.設(shè)施農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].農(nóng)機(jī)化研究,2012,34(3):81-82.

[2]張寧,廖慶喜. 我國小粒徑種子播種技術(shù)與裝備的應(yīng)用與研究進(jìn)展[J].中國農(nóng)機(jī)化,2012(1):93-96, 103.

[3]郝金魁,張西群,齊新,等.工廠化育苗技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展對策[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué),2012,40(1):349- 351.

[4]秦國成,秦貴,張艷紅.設(shè)施農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].農(nóng)機(jī)化研究,2012,34(3):81-82.

[5]張寧,廖慶喜.我國小粒徑種子播種技術(shù)與裝備的應(yīng)用與研究進(jìn)展[J].中國農(nóng)機(jī)化,2012(1):93-96, 103.

[6]郝金魁,張西群,齊新,等.工廠化育苗技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展對策[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué),2012,40(1):349-351.

[7]羅昕,胡斌,黃力爍.氣吸式穴盤育苗精量播種機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)機(jī)化研究,2010,32(11):130-132,140.

[8]夏紅梅,李志偉,甄文斌.氣力板式蔬菜排種器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2010,41(6):56-60.

[9]胡斌,董春旺.氣吸式穴盤精量播種機(jī)吸嘴吸附性能的試驗(yàn)研究[J].石河子大學(xué)學(xué)報(bào),2009,27(1): 100-103.

[10]何菊,吳建民.畦作溝灌小麥起壟播種機(jī)的研究與設(shè)計(jì)[D].蘭州:甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué),2007:17-19.

[11]董麗梅.山地播種機(jī)的研究與設(shè)計(jì)[D]. 蘭州:甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué),2009:19-21.

[12]徐云峰.小型免耕播種機(jī)的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究[D].北京:中國農(nóng)業(yè)大學(xué),2005:22-24.

[13]高煥文,李問盈,李洪文.中國特色保護(hù)性耕作技術(shù)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2003,19(3):1-4.

[14]王晉生,王桂英.小麥機(jī)械化播種實(shí)踐[J].農(nóng)業(yè)技術(shù)與裝備,2009(9):21-22.

[15]劉蘊(yùn)賢,倪道明,李從華,等.不同施肥方法對水稻生長及稻田周圍水體污染的影響[J].天津農(nóng)業(yè)科學(xué),2007,13(1):31-34.

[16]吳子岳,高煥文,張晉國.玉米秸稈切斷速度和切斷功耗的試驗(yàn)研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2002,32(2): 38-41.

[17]何偉, 陳彬, 張玲.DSP/BIOS 在基于DM642 的視頻圖像處理中的應(yīng)用[J].信息與電子工程,2006, 4(1):60-62.

[18]龔菲,王永驥.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID參數(shù)自整定與實(shí)時(shí)控制.華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版, 2002,30(10):298-305.

[19]趙望達(dá),魯五一,徐志勝,等.PID控制器及其智能化方法探討[J].化工自動化及儀表，1999,26(6): 45-48.

[20]谷傳綱,閻防,王彤.采用改進(jìn)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測離心通風(fēng)機(jī)性能的研究[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào),1999,33(3):43-47.

[21]郭艷兵,齊古慶,王雪光.一種改進(jìn)的BP網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)算法[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用,2002,26(2):13-14.

[22]趙星星,羅克露.嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)移植技術(shù)的研究與應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)工程,2007,33(17):90-92.

[23]馬德新,徐鵬民.實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II調(diào)度算法的研究[J].微計(jì)算機(jī)信息,2007,23(6):73-74.

[24]楊超,張冬泉,趙慶志.基于 S 曲線的步進(jìn)電機(jī)加減速的控制[J].機(jī)電工程,2011,28(7):813-817.

[25]浦艷敏.關(guān)于數(shù)控系統(tǒng)加減速控制的研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2009,22(9):6782-6785.

[26]張航偉,陳嬋娟.開放式數(shù)控系統(tǒng)中數(shù)控代碼的解釋與編譯[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2011(2):147-148.

Design of No-till Intelligent Planter Based on Sensing and Information Collection

Zhang Xiaoliang1,Shi Lei2,Wang Na2,Bao Xiulan3

(1.School of Computer and Information Engineering,Jiaozuo Teachers College,Jiaozuo 454000, China; 2.Henan Polytechnic Institute, Nanyang 473000, China; 3.Huazhong Agricultural University,Wuhan 430070, China)

Abstract：In view of the defects existing no-till planter, the innovation and improvement scheme of existing technology, designed a new practical no-till planter. In view of the current no-till planter can't adjust the planting distance problem, design a multistage sprocket regulation system,can by changing the gear ratio and speed, planting distance control. In view of the current no-till planter for kinds of grain size adaptability is not strong,designed the multiple socket eye round series metering device,so as to adapt to all kinds of seed sowing.For the grave problem such as clay and soil block, a new CAM open-close mechanism is designed.Using no-till of sensing information acquisition technology to achieve the intelligent machine automatic planting distance adjustment, increase the seeding precision. Through the experiment of machine, the study found the planter seeding planting distance even,its single grain ratio, hole ratio,replay rate and grain crushing and so on various aspects of seeding quality is superior to the traditional mechanical seeding, and more practical, more easy to promote it.

Key words：no-till seeding; planting distance control； multistage sprocket; opening and closing CAM; nest eyes round; metering device

文章編號：1003-188X(2016)05-0160-05

中圖分類號：S223.25

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

作者簡介：張曉亮(1981-),女，河南焦作人，講師，碩士。通訊作者：王娜(1980-),女，河南焦作人，講師，碩士，(E-mail)wangna0377@163.com。

基金項(xiàng)目：湖北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2014CFB322)

收稿日期：2015-04-15