水稻精量旱穴直播電驅排種設計與試驗

曾 山,劉賽男,張智剛,譚奕鵬,姚臘梅,劉 竣

(華南農業大學 工程學院/南方農業機械與裝備關鍵技術教育部重點實驗室,廣州 510642)

0 引言

水稻旱直播技術因省去育秧、插秧等環節,具有節水、用工少、成本投入低和工作效率高等特點而廣泛應用[1]。精量旱穴直播技術定量播種、控制株距和播深,獲得了更高的出苗率和產量。固定株距實現了水稻的有序種植,符合農藝要求,植株易通風采光,吸收養分,抗倒伏能力增強。因此,精確控制株距是保證精量穴播作業質量的關鍵技術之一。

目前,水稻旱穴直播機和國內其他農作物精量播種機的傳動系統普遍采用地輪作為動力裝置,通過鏈條傳動驅動排種器排種。隨著智能農機裝備技術的發展,國內許多學者設計了播種自動控制系統[2-17],基本實現了株距或播量的自動調節,避免了地輪打滑造成的播種不均問題。其控制過程的操作離不開對播種機速度信號采集和解析,大部分采用編碼器,光電傳感器、霍爾元件等輪速傳感器進行測速,通過獲取地輪或者播種機的速度信號,經控制器處理驅動執行機構帶動排種器排種。速度的精確性是控制自動播種和保證株距合格的關鍵。針對不同測速傳感器在不同環境下的測速精度和優劣,白學峰[18]等對比了多普勒雷達、(非)接觸式五輪測速儀、輪速傳感器和GPS等多種測速裝置,認為傳感器安裝方便、價格低廉、測速精度低,GPS測速精度高,但適應性差。孟志軍[19]等針對農田機械測速方式對比了幾種GPS差分定位和單點定位,以及霍爾傳感器的測速性能,研究結果表明:高精度差分GPS定位精度高,反應靈敏,測速波形大,不宜作為農田測速工具。

國內大部分播種機播種自動控制研究對象以玉米、大豆、小麥等作物為主,對水稻株距控制方面的研究比較少。本文以2BDH-10型水稻精量旱穴直播機為研究對象,設計了一套由單片機作主控單元、步進電機為驅動的株距調節控制裝置,以期解決傳統地輪驅動產生滑移導致播種不均及株距合格率低等問題。由于水稻精量旱穴直播機配套型孔輪式排種器,拖拉機田間作業速度一般在3～7km/h,因此測速裝置在該速度范圍的測速精度和穩定性是設計的關鍵因素。考慮田間作業環境、傳感器測速精度、安裝和經濟等因素,擬采用GPS單點定位和霍爾元件兩種測速傳感器做對比試驗,以兩者在相同狀態下的測速情況和株距合格率為評價指標,檢驗控制系統的可靠性。

1 株距控制系統總體設計

株距控制系統由GPS和霍爾傳感器兩種測速裝置、單片機主機控制器、手持顯示端及步進電機組成,設計方案如圖1所示。

利用傳感器檢測速度信息,將信息發送給單片機主控單元,單片機根據株距參數設置精確計算電機轉速,通過步進電機驅動器實現電機精準轉動,進而驅動排種器排種。

GPS和霍爾傳感器同時進行拖拉機速度的測試,分別進行株距的調節,研究兩種傳感器的適應性和測試精度,人機交互部分進行株距的參數設置和速度顯示。另外,由于型孔輪式排種器的轉速限制,拖拉機速度過快時將無法保證排種器的正常排種,造成漏播等現象。為保證播種質量,系統根據車速大小設置了超速報警裝置,每組株距對應極限車速情況下,報警提示拖拉機操作人員控制車速。

圖1 控制系統方案設計

1.1 系統設計及測速原理

以華南農業大學研制成功的2BDH-10型水稻精量旱直穴播機[20]為基礎,研制了株距控制系統。該穴直播機目前采用地輪經三級鏈條傳遞動力驅動排種器進行排種,利用變速箱可以實現12、15、18cm的株距調節。為了解決地輪打滑和株距調節范圍有限的問題,設計了電驅系統取代地輪驅動,電機通過聯軸器直驅排種器,實現轉速精準控制;研制按鍵模式進行株距參數設置,實現株距大范圍調節,滿足水稻播種株距10～24cm范圍調節要求。系統裝置安裝如圖2所示。

1.GPS 2.驅動器 3.電源 4.步進電機 5.排種器 6.排種箱 7.霍爾傳感器

霍爾測速系統由霍爾元件和用于產生磁場的磁鋼組成,通過感應磁場將磁敏信號轉換為脈沖信號進行計算。開關型霍爾傳感器因其高可靠性、抗污染能力強等外在優點,具備抗電磁波干擾能力強、相應頻率高等優勢[21],能適應復雜多變的田間環境,安裝結構也較為簡單,農田測速中多為常見。將8個磁鐵均勻地安裝在拖拉機后輪輪轂內側,霍爾元件固定于離磁鋼2～10mm固定支架上。常用于脈沖計數實現轉速測量的方式為M法(測頻率法),該方式適合于高速測量,低速(≤20km/h)情況下會產生較大誤差。因此,試驗設計的測速方式是T法(測周期法),每經過1個磁鐵計算1次速度,利用相鄰兩個脈沖信號的時間進行測速,適合低速測量[22-23]。經臺架試驗測試發現,霍爾測速誤差為±0.108km/h。

電驅部分選用由電脈沖信號轉變為角位移步進電機。在非超載的情況下,電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數,而不受負載變化的影響。當步進驅動器接收到1個脈沖信號(即驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度)時,可保證控制轉速精確,失步的可能性小,選用步進電機驅動十分可靠[24]。排種器在充種狀態下的扭矩為1～1.5N?m, 驅動部分選用了57BYG250混合式兩相步進電機,可提供1.8 N?m的扭矩,步矩角為1.8°;配合32細分TB6600升級版驅動器,輸入電壓是DC9～42V,可用拖拉機12V蓄電池供電。考慮拖拉機發電機功率小,難以為播種機電驅系統持續供電,本試驗直接選購2 000mA·h鋰電池,可提供至少10h供電電量,方便可靠。

水稻精量旱穴直播機與拖拉機三點懸掛裝置掛接,播種作業時先設置好播種株距,選好測速模式。主機端人機交互模式安裝在拖拉機操作室,便于操作手更改數據參數和及時查看車速;利用無線模塊設計了手持端單片機系統從機交互模式,可以修改株距和切換速度模式,記錄數據,查看機器運行狀態;同時,在試驗中能在同一作業速度情況下切換不同株距進行播種試驗,播種單體完成開溝、播種作業。

1.2 硬件配置

系統硬件部分主要由GPS、霍爾傳感器、單片機主從機系統、顯示屏、蜂鳴器報警模塊、按鍵切換裝置及降壓穩壓模塊組成,具體規格型號如表1所示。

表1 控制系統硬件配置表

1.3 株距建模

設排種輪型孔數為m,播種穴距為l,可建立排種輪轉速n與機器前進速度v的關系式,即

(1)

式中n—排種器轉速(r/min);

v—拖拉機行走速度(m/s);

m—型孔個數;

l—株距(m)。

2BDH-10型水稻精量旱穴直播機配套使用的排種器是由華南農業大學張明華[25]研制成功的組合型孔式排種器,轉速為30～60r/min,型孔數m=8,l為10～24cm,株距以2cm為梯度可計算出相應拖拉機的作業速度。各株距對應的拖拉機作業速度如表2所示。

以60r/min作為排種器的最高轉速、株距為10～24cm時,計算出對應的拖拉機正常作業的速度范圍為3～7km/h。田間試驗中,分別以1km/h的梯度試驗兩種傳感器測速性能。同時,由表2可以看出:在某一株距設置的情況下,排種器的轉速決定了拖拉機的作業速度范圍,系統根據傳感器測得的拖拉機速度實時調節電機轉速,準確驅動排種器轉動,保證排種的穩定性和株距合格,達到實時調節的效果。

表2 不同株距情況排種器轉速對應的拖拉機速度

2 田間試驗

2.1 試驗材料及準備

試驗選擇常發金冠554拖拉機,提前用秒表記錄不同檔位、中檔油門時拖拉機勻速行駛100 m 距離所用時間,計算出平均速度值作為每擋速度參考,最后選定拖拉機低速區的3、4擋,中速區的1、2擋,各擋位速度分別為3.06、4.86、4.01、5.90km/h。與表2 計算速度對照,選取以上4個擋位可滿足要求。

1)播種機:2BDH-10水稻精量旱穴直播機,播種10行、穴距10～24cm可調,播種量每穴3～8 粒。

2)試驗地點:華南農業大學增城教學科研基地,前茬為水稻。

3)試驗方式:量取100m田塊距離進行拖拉機速度數據采集,去除起步和停車各20m距離,取中間60m進行株距的測量。

4)數據處理:用Excel 軟件進行試驗數據處理和圖表分析。

2.2 速度試驗

將測速裝置安裝在拖拉機上以后,在未掛接旱直播機的情況下分別測取了拖拉機在3～4km/h、4～5km/h、5～6km/h和6～7 km/h等4種作業速度下勻速行駛100m的速度值;同時,用秒表記錄對應拖拉機行駛的時間,重復3次,計算速度平均值作為傳感器測速真值參考。圖3為用秒表測得平均速度為3.394km/h時兩傳感器在拖拉機穩定勻速行駛后每秒取值的速度對比。由圖3可以看出:GPS的波形抖動較大,在平均值上下浮動;霍爾的速度在相同時刻相比GPS幅度較小,比較集中,整體相比平均值要偏低。

表3為兩種傳感器在不同速度下的標準差。隨著拖拉機速度的增加,霍爾傳感器測速標準差逐漸增大,GPS在3～6km/h測速時穩定性較霍爾傳感器差,但在6～7 km/h時的標準差明顯降低;霍爾傳感器在低速情況下測速較GPS精度更高,而在6km/h以上的速度時精度降低。與霍爾傳感器相比,GPS安裝方便,更適合對農田測速精度要求不高的場合。

圖3 兩測速裝置速度對比

表3 不同速度情況下兩傳感器的測速標準差

2.3 株距試驗

株距參數設置為20cm,拖拉機分別以3～4km/h、4～5km/h和5～6km/h速度勻速行駛,以及由3hm/h加速到5km/h行駛,記錄兩種傳感器的播種情況,以驗證電驅控制系統的可靠性并對比兩種傳感器測速條件下的播種株距控制效果。

3 試驗結果與分析

3.1 拖拉機勻速作業試驗

行駛株距為20cm時,每組試驗測取300穴株距進行分析計算,試驗結果如表4所示。根據國家農業行業標準NY/T987-2006《鋪膜穴播機作業質量》要求,水稻旱穴直播機的穴距是以理論穴距±15mm為合格,穴距合格率≥80%,即符合作業質量要求。由表4可知:當拖拉機行走速度在6km/h左右時,播種合格率明顯降低,與前文根據排種器最大轉速決定的拖拉機最高限定速度相符合,拖拉機速度過高造成播種效果差;3～5km/h時,霍爾傳感器測速情況下的株距變異系數比GPS測速情況的小,兩種傳感器在速度范圍內達到的合格率都在80%以上,符合播種機作業標準要求。

表4 兩傳感器在不同車速下的播種情況

3.2 速度從3km/h加速到5km/h試驗

為了驗證系統的可靠性,實現實時調節和控制,設計了加速試驗。經勻速試驗發現,拖拉機作業速度超過最大速度范圍會導致播種效果變差。同時,測試了由霍爾元件測速、株距參數設置為20cm時,拖拉機速度由3km/h緩慢增加到5km/h的播種情況。試驗重復3次,記錄每穴穴距,并保證20±15mm的株距要求,合格率達到86.23%。

4 討論

2)試驗過程中,鑒于風速、機架振動、下種高度等因素對種子成穴性的影響,隨著速度的增加,以上因素尤為明顯。種子田間成穴性明顯比臺架試驗差,試驗重點考慮了速度為主要因素的影響,其他對株距影響因素有待進一步研究。

5 結論

1)根據水稻精量旱穴播的農藝要求,設計了基于單片機的控制系統,實現了株距的無級調節及實時控制,保證了播種株距在合格范圍。試驗結果證明:以株距合格率為評價指標,霍爾爾傳感器測速方式得到的株距合格率更高。在低中速勻速測速中,低成本GPS單點定位模塊也能成為農機測速系統的有效手段。

2)電驅系統以單片機為核心,采用了LCD液晶顯示屏觀測速度信息,以按鍵對株距進行設置。通過keil5軟件進行編程,實現了10～24cm的參數設置。在某一株距對應的拖拉機行走速度范圍內,系統可以實現速度的實時測量和電機的控制調節,保證株距的合格及播種的穩定性,解決了水稻精量旱穴播機調節困難和范圍有限的問題,減少了地輪的使用,避免了滑移情況,為水稻直播機下一步的智能控制提供了參考。