小麥機械化勻播控制系統設計與試驗

孫小雯 奚小波 陳猛 黃盛杰 金亦富 張瑞宏

摘要：針對播種作業均勻性差的問題，設計基于STM32單片機的小麥機械化勻播控制系統，通過輪式機器人變速作業，并依據輪式行駛機器人實時行駛速度，控制排種電機轉速，實現變速勻播。采用多級控制直流電機轉速，一級控制參數為輪式行駛機器人實時行駛速度信號，采用PID控制；二級控制參數為排種器電機實時電流和轉速，采用模糊PID控制。控制算法仿真結果表明，該控制算法響應時間短，超調量小，控制效果良好。播種試驗結果表明，輪式行駛機器人恒速狀態下的播量控制精度達96.8%，變速狀態下的播量控制精度達95.1%。

關鍵詞：播種機；均勻播種；播量控制；多級控制；電機控制

中圖分類號：S223.2

文獻標識碼：A

文章編號：20955553 （2024） 02002706

收稿日期：2023年8月31日 ?修回日期：2023年11月22日

基金項目：江蘇省科技項目（BE2022338）；江蘇省現代農機裝備與技術示范推廣項目（NJ2021—16）；江蘇省農業自主創新資金項目（CX（22）1001）；揚州大學“高端人才支持計劃”

第一作者：孫小雯，女，1998年生，甘肅慶陽人，碩士研究生；研究方向為農業工程與信息技術。Email： sxw1202@foxmail.com

通訊作者：奚小波，男，1989年生，江蘇鹽城人，博士，副教授；研究方向為農業工程與裝備。Email： xxbctg@126.com

Design and experiment of control system of wheat mechanized uniform sowing

Sun Xiaowen1， Xi Xiaobo1， Chen Meng2， Huang Shengjie3， Jin Yifu1， Zhang Ruihong1， 4

（1. School of Mechanical Engineering/Jiangsu Engineering Center for Modern Agricultural Machinery and Agronomy

Technology， Yangzhou University， Yangzhou， 225127， China; 2. Ningbo Fotile Kitchen Ware Company， Ningbo，

315336， China; 3. Jiangsu Agricultural Machinery Testing and Appraisal Station， Nanjing， 210017， China;

4. Nanjing Woyang Machinery Technology Co.， Ltd.， Nanjing， 211200， China）

Abstract：

In order to solve the problem of poor uniformity of sowing operation， a wheat mechanized sowing control system based on STM32 single chip microcomputer is designed. The wheeled driving robot could travel with variable speed. According to the realtime driving speed of the wheeled driving robot， the speed of the seeding motor is controlled to realize the variable speed and uniform seeding. The system used multistage control of DC motor speed. The realtime speed signal of the wheeled driving robot is used for The firststage control parameter， which is controlled by PID. The realtime current and speed of the seeder motor are used for secondary control parameters， which is controlled by fuzzy PID. Simulation results show that the control algorithm has short response time， small overshoot and good control effect. The results of sowing experiment have shown that the control accuracy of seeding amount under constant speed condition is 96.8% and that under variable speed condition is 95.1%.

Keywords：

seeder; evenly sowing; seeding rate control; multistage control; motor control

0 引言

小麥是中國最重要的口糧之一，小麥產業發展直接關系到國家糧食安全和社會穩定，播種作為小麥生產的最初環節，其作業質量好壞直接影響著小麥的生長發育和最終產量［1］。適宜的播種密度是保證小麥高產的重要因素之一，調整播種密度可有效協調小麥單位面積穗數與穗粒數的關系，進而提高產量［23］。小麥機械化播種可以提高小麥生產作業質量，然而傳統小麥播種機械主要以地輪式驅動為主，其大多存在播種不勻的問題，且農機作業工況復雜，拖拉機往往不能恒速行駛，會導致播種均勻性變差。近年來隨著智能農機的快速發展，對小麥播種質量的要求更高，排種器均勻播種控制成為關鍵［4］。

國外發達國家在排種器控制方面展開研究較早。Inoti等［5］設計了一種針對氣力精量播種的控制系統，它包含了數據采集、數據處理、播種控制等功能；法國某公司研制了NG Plus系列氣吸式精播機，該精播機通過在尾部的傳動裝置進行播種行距、播量調節［6］；Leemans等［7］設計了一種通過機器視覺監測播種過程并引導播種機進行精密播種作業的控制系統。在國內，婁秀華［8］研究設計步進電機帶排種軸旋轉的一種播種控制系統；唐堯華［9］采取霍爾測速元件作為排種軸轉速控制信號測取源，通過控制步進電機轉動來驅動排種軸；馮玉崗等［10］研制出基于衛星測速小麥精量電驅式播種控制系統。上述研究主要集中在播量調節、播種檢測、精量控制方面，未涉及排種器均勻播種控制方面研究［1112］。

本文設計小麥機械化勻播控制系統，選用STM32系列單片機，優化控制算法，將整個控制系統搭載在輪式行駛機器人上，依據輪式行駛機器人實時傳輸的速度信號，控制排種電機達到最佳目標轉速，從而實現均勻播種，并通過場地試驗驗證小麥機械化勻播控制系統設計的可行性。

1 整體結構與工作原理

小麥機械化勻播控制系統整體結構如圖1所示，其主要由輪式行駛機器人、控制硬件部分、播種裝置等組成。輪式行駛機器人搭載衛星導航模塊、獨立電源、工控系統、定位終端；控制硬件部分由STM32F103單片機、電阻顯示屏、DAP仿真器等組成；播種裝置由直流電機、外槽輪排種器、繞線彈性聯軸器、種箱、導鐘管、臺架等組成。其中單片機可同時控制多路排種器電機，整個控制系統成本低，實用性強。

選用STM32F103單片機為控制系統處理器，搭配獨立顯示屏，使用C語言編程設計算法，程序通過DAP仿真器下載至單片機內部，編譯環境為Keil μVision5集成開發環境。播種裝置通過臺架搭載在輪式行駛機器人上，采用直流電機驅動排種器，并通過繞線彈性聯軸器與排種器轉軸相連，改變電機轉速可控制播種量。輪式行駛機器人配置的衛星導航模塊，通過差分算法精確計算其實時行駛速度，并通過外設串口將處理過的速度信號傳輸至STM32F103單片機控制器中，將設計算法通過控制程序實現，由此控制排種器電機的轉速變化來調節播量，實現均勻播種。

2 控制系統設計

2.1 硬件模塊選型與設計

輪式行駛機器人為四輪獨立驅動，通過無線遙控和指令控制其實現變速行駛，外設24 V電源，用于系統動力驅動與排種器電機工作，輪式行駛機器人尾部拓展平臺可負載70 kg，實現自定義功能拓展，用于搭載播種裝置。

選用STM32F103單片機為系統處理器，基于ARM內核，自帶各種常用通信接口，可同時控制多個設備，其具有通信速度快，ADC轉換速度快，工作電壓低，IO復用功能等優點。外接3.2寸電阻顯示屏，用于人機互動界面開發，通過DAP仿真器為開發板下載程序和在線調試代碼。

排種器電機選型需要考慮到電機功率、排種器轉速、排種器扭矩等參數，電機功率應滿足排種器動力性能要求。功率計算公式如式（1）所示。

P=TDnD9 550

（1）

式中：

P——電動機功率，kW；

TD——負載加到電動機的轉矩，N·m；

nD——電動機轉速，r/min。

一般排種器所需驅動扭矩相對較小，約3～6 N·m，轉速在10～50 r/min，根據式（1）計算所需最大電機功率為15 W即可滿足要求，因此選用XD-WS37GB555型直流電機，電壓為24 V，空載狀態下，轉速為50 r/min，電流為0.15 A，功率為15 W。

設計后置臺架及播種裝置如圖2所示，通過后置臺架將排種器外接在輪式行駛機器人上，該臺架可上下調整高度，實現排種口離地高度可調，前后位置可調。排種器為外槽輪式，種箱選用透明亞克力板，按照設計尺寸制作，重量輕且透明，可觀測箱內種子情況。

2.2 輪式變速機器人定位模塊

輪式行駛機器人裝載衛星導航模塊，實時檢測行駛速度，其導航模塊速度精度RMS為0.03 m/s，對排種器播量控制誤差最大影響為0.077 g/m2，因此可忽略因導航模塊誤差造成的播量誤差。用RS232串口線把定位終端和用于配置的PC連接起來，通過5G網絡與數據網絡平臺建立通道，把位置信息發給差分服務器，同時接收差分信息，并通過RS232向PC端輸出精準位置信息。其中串口波特率為115200，選用NTRIP協議設置，通信接口的通信默認波特率為115200，數據格式為8N1。定位數據通訊流程如圖3所示。

2.3 控制算法設計

本文設計多級控制模型，通過調節直流電機的勵磁電流實現電機轉速的調整［13］，一級控制參數為輪式行駛機器人實時行駛速度信號，二級控制為速度電流雙閉環控制，控制參數為排種器電機實時轉速和電流。一級控制選用PID控制，二級控制選用模糊PID控制，其控制流程如圖4所示。

基于Matlab中Simulink環境，利用其庫內豐富的模塊，建立電機多級控制模型［1415］，驗證本文設計的多級混合算法控制的可行性，其仿真模型如圖5所示。設定起始目標轉速為10 r/min，經過3 s后轉速提高至20 r/min，仿真時間設置5 s，結果如圖6所示。從仿真結果可以看出，設定起始目標轉速10 r/min，約0.075 s達至穩定狀態，響應時間短，超調量為0.74，較小；3 s時轉速提高至20 r/min，約0.081 s達到穩定狀態，響應時間短，超調量為0.74，說明該多級控制算法可行且效果較好。

2.4 電機調速控制流程

小麥機械化勻播控制系統流程如圖7所示。

輪式行駛機器人通過編寫指令調用四輪驅動電機底層控制程序，打開定時器，設定目標速度函數，改變機器人行駛速度，并實時向STM32F103單片機控制器傳輸當前速度。設定目標播種量E（t），查看單片機控制總中斷是否開啟，接收輪式行駛機器人實時行駛速度，依據E（t）、排種器排種量P（t）與機具行駛速度v（t）的關系計算排種器電機理論轉速n，控制直流電機按照理論轉速進行排種。獲取直流電機霍爾傳感器信息，檢測排種器轉速是否達到理想轉速，若否，觸發二級雙閉環控制程序，再次進行模糊PID控制調整，做到勻播作業。在人機互動屏幕界面設置停止按鈕，可遠程控制停止播種作業。

3 試驗驗證

3.1 試驗參數

單位時間內單位面積上的目標播種量E（t）可表示為［1517］

E（t）=P（t）0.06Hv（t）

（2）

式中：

P（t）——單個排種器排種量，g/min；

H——播種行間距，m；

v（t）——機具行駛速度，km/h。

P（t）和排種器電機轉速n的標定公式如式（3）所示。

P（t）=kn+c

（3）

式中：

k、c——標定試驗測定系數。

聯立式（2）和式（3），則排種器電機轉速、目標播種量以及機具行駛速度之間關系可表示為

n=0.06E（t）Hv（t）k－ck

（4）

根據式（4）可知，當機具行駛速度發生變化時，控制器可以實時接收機具行駛速度信號，并且同步調整排種器軸的轉速，確保排種器排種量與目標播種量一致［18］。

3.2 試驗設計

試驗于2022年8月1日在揚州大學揚子津校區進行，試驗裝備如圖8所示。試驗前先標定式（3）中k、c兩個參數值，設置排種器電機轉速從2 r/min遞增至34 r/min，定時收集排出種子稱量并記錄數據，進行數據分析，擬合排種器排量和排種器電機轉速關系曲線，得k、c值。

1） 輪式行駛機器人恒速狀態下的播量穩定性試驗。在系統控制器內輸入測定的k、c值，設定輪式行駛機器人三擋速度為1.5 km/h、3 km/h、5 km/h，每檔速度分別設置7.5 g/m2、15 g/m2、22.5 g/m2三種目標播量，以檢驗恒速狀態下的系統播量穩定性。設置輪式行駛機器人每組速度行駛10 m，重復試驗5次，收集排出種子稱量并記錄數據。

2） 輪式行駛機器人變速狀態下的播量穩定性試驗。劃定50 m作業區段，放置50 m標尺，設置輪式行駛機器人每檔速度行駛10 m后改變行駛速度，使得機具作業速度不斷變化。設置速度由低速變至高速，然后由高速變至低速，設置速度變化曲線如圖9所示。試驗分別設置7.5 g/m2、15 g/m2、22.5 g/m2三種目標播量，在距離5 m、10 m、15 m、20 m、25 m、30 m、35 m、40 m、45 m采集1 m長播種帶試驗樣本，稱量并記錄各樣本種子質量。

3.3 試驗結果

圖10為排種器播種量和排種器電機轉速曲線，可以發現，在一定轉速范圍內，排種器播種量與排種器電機轉速呈線性關系，說明該排種器性能良好，測得k值為14.17，c值為1.43。

表1為輪式行駛機器人恒速狀態下的播量穩定性試驗結果。從表1可以發現，在輪式行駛機器人以不同速度行駛過程中，實際播量與目標播量都十分接近，其標準差都在0.5 g/m2以內，排種穩定性好，且播量控制精度都在96.8%以上，說明在機具以不同速度行駛情況下，該勻播控制系統對排種器電機轉速控制符合設定目標。

圖11為輪式行駛機器人變速狀態下的播量穩定性試驗結果。可以發現，在輪式行駛機器人變速行駛過程中，其實際播量與目標播量差值小，變化平穩，播量控制精度在95.1%以上，精度高。驗證智能排種控制程序可行，可實現變速勻播。

4 結論

1） 本文設計了小麥機械化勻播控制系統，采用STM32F103單片機控制排種器直流電機轉速，搭載在可以實現自動變速行駛的輪式機器人上，依據輪式行駛機器人實時行駛速度，控制排種電機轉速，實現均勻播種。

2） 采用多級控制直流電機轉速，一級控制參數為輪式行駛機器人實時行駛速度信號，選用傳統PID控制；二級控制為速度電流雙閉環控制，控制參數為排種器電機實時電流和轉速，選用模糊PID控制。仿真結果表明，控制響應時間短，超調量小，控制效果良好。

3） 播種試驗結果表明，輪式行駛機器人恒速狀態下的播量穩定，其標準差都在0.5 g/m2以內，排種穩定性好，播量控制精度都在96.8%以上；輪式行駛機器人變速狀態下的播量穩定，其實際播量與目標播量差值小，變化平穩，播量控制精度在95.1%以上，精度高。

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