电动准直蔬菜播种机结构设计与关键技术研究

许敏

摘要：针对种植蔬菜农艺中画线、撒播、间苗、收割以人力为主，不仅浪费时间而且浪费种子，且叶类蔬菜播种不直给后期收割带来不便等现状，开发了一种电动准直蔬菜播种机。该播种机精准播种、行距可调、转向灵活，准直行走精度满足设施农业对蔬菜准直播种的农艺要求。基于此，本文将着重分析探讨电动准直蔬菜播种机结构设计与关键技术，以期能为以后的实际工作起到一定的借鉴作用。

关键词：电动准直；蔬菜播种机；设计；技术

1、电动准直蔬菜播种机结构设计要求

根据设施农业与精准农业对蔬菜种植的农艺要求，电动准直蔬菜播种机应该满足以下要求：1）工作效率及工作幅宽：所设计的播种机应该具有节能、高效等特点，每小时播种面积1600～2600m2；通过调研发现现有温室的门宽一般在1m左右，畦播蔬菜每畦宽度在900mm左右，因此播种机工作幅宽为900mm。2）准直行走精度：蔬菜播种机准直行走既能节约种子又能减少起垄划线的工作量，而且便于管理以及后期机械自动化收割，准直精度应该控制在±10mm/50m。3）转向要求：温室内部工作空间狭小，蔬菜播种机转弯应该灵活且转弯半径小，能够实现原地滑移转向。4）行走速度控制：要求蔬菜播种机具有自走及巡航功能，事先设定不同行走速度，采用无线遥控。

2、电动准直蔬菜播种机结构设计

转向系统主要由速度可独立调节的电驱动轮组成，通过两侧驱动轮差速实现转向，行走系统由两滚筒式独立驱动轮和串排式随动镇压轮组成，通过控制器实现驱动轮转动。激光引导系统主要有激光发射器和激光接收器，接收器安装在自动找正装置上，12V直流电机带动丝杠转动，激光接收器通过两个螺母与丝杠相连，螺母可以在激光接收器下方的螺母导向槽里左右滑动，播种前激光束照到激光接收器上，控制器判断激光束所处的位置，控制直流电机旋转，直到激光束对准激光接收器的中间位置，控制器才切断直流电机控制信号，实现激光接收器自动对中。激光接收器对中后，将激光接收信号与PLC控制器相连，此时激光接收器接收的激光信号作为准直行走引导信号，引导播种机沿着激光束平面直线行走。

2.1转向方式的选择

转向系统的好坏直接影响了准直精度，不同方式的转向系统所需的控制方式也不同。对于精准设施农业来说，所选的转向系统应该具有结构简单、便于控制、反应速度快、性能稳定及转弯半径小等特点。现对备选的四轮独立转向、阿克曼转向、差速转向及合成轴转向等4种转向方式进行比较，其结果如表1所示。由于播种机的工作空间主要是狭小的温室大棚，要求转弯半径小或者可以原地转向，转向必须灵活可控，而且能够准直行走；另一方面由于整机以车载蓄电池为动力源，宜采用两个电驱动轮结构，因而采用差速转向系统能够满足播种机设计需要。

2.2電驱动轮结构设计

该播种机采用直流电机作为动力源，直流电机置于驱动轮内部，电机转子与驱动轮的一侧端面通过螺栓紧固在一起，电机定子轴处在驱动轮端面中心位置，与车架连接，其结构如图2所示。该驱动轮结构紧凑，便于安装，两驱动轮对称安装在播种机前方左右两侧，输出轴与车架相连，电机转动时驱动轮相对于机架产生相对转动，驱动播种机运动。当两个驱动轮速度相同时，播种机沿直线运动，通过控制两轮转速差，实现转向功能。

驅动轮的外形结构决定了驱动轮与地面的附着系数：表面太光滑时，容易造成打滑现象；太粗糙时地面经驱动轮碾压后会出现高低不平的情况，导致播种深度不一致，影响出苗率。为此，采用在驱动轮表面粘有高强度EVA胶的结构设计，不仅增加了驱动轮与地面的摩擦力，而且地面壤土经驱动轮碾压后会形成比较平整的表面，保证了种子播种深度的一致性，提高了出苗率。

2.3准直行走系统控制方案确定

在设施农业与精准农业快速发展过程中，对农业机械以及精准农业机械提出了更高的要求，要求农机沿着智能化与自动化方向发展，同时对蔬菜精播提出了高要求，特别是准直行走技术。以往人工种植蔬菜大多通过人工划线、撒播、间苗等过程，不仅浪费时间而且浪费种子，对于叶类蔬菜来说播种不直给后期收割带来不便，特别是机械收割。准直行走技术能够有效的解决走直问题，目前大田农机常用GPS导航技术，但成本相对较高，不适用于设施农业。本课题采用激光引导技术，利用激光照射距离远，发散角小等特点，为电动蔬菜播种机准直行走提供引导信号，设计一款能够感应激光的接收器，将激光信号传递给控制器，控制器通过计算与逻辑判断，控制转向执行机构实现准直行走功能。准直行走系统的逻辑控制对于系统的灵敏度非常重要，稳定可靠的控制方案成为了整个系统的核心，通过设计特定的激光接收器，采用分段模糊控制，能有效提高系统准直行走精度。

总而言之，目前设施蔬菜播种农艺多以人工为主，而设施农业与精准农业要求农业机械沿着智能化与自动化方向发展。为此，设计了一款适用于温室的电动准直蔬菜播种机，具备激光导航走直、转弯灵活及节能环保等优点。同时，搭建了播种机的整体结构模型，确定了差速转向为其转向方式；经过对其播种开沟功率消耗和行走功率消耗理论推导与计算，确定了无刷直流电机的功率，并且计算了蓄电池的容量。该研究为电动准直蔬菜播种机的样机试制与设计奠定了理论基础。

参考文献：

[1]冯曦雨，李志伟，王广源，郑丁科.气力滚筒式蔬菜播种机控制系统的软件设计[J].华南农业大学学报，2013，01：106-110.

[2]袁永伟.准直行走系统研究与电动蔬菜播种机应用[D].河北农业大学，2015.