油菜精量排种器变量补种系统设计与试验

丁幼春，杨军强，张莉莉，朱 凯

（1. 华中农业大学工学院，武汉 430070； 2. 农业农村部长江中下游农业装备重点实验室，武汉 430070）

0 引 言

油菜精量排种器是油菜精量播种的核心部件，各类型油菜精量排种器在最佳工况时也存在2%～4%的漏播，而田间复杂的作业环境和故障不可避免地会进一步导致漏播，一定程度上影响了播种质量[1-4]。若采取出苗后人工补苗，不仅耗费人力物力，而且因补苗生长状况差异，最终作物产量也难以得到保证。因此，设计一套油菜精量排种器漏播补种系统对于实现油菜精量播种过程漏播实时监测、自动补种，促进油菜等小粒径种子精量播种高效智能化发展具有重要意义。

为获取播种过程的漏播状况并实现在漏播区段及时准确补种，国内外学者和机构针对精量播种漏播检测与补种系统进行了一系列相关研究[5-9]。Singh等针对秋葵设计的电控排种装置使得排种粒距最大限度接近目标粒距，提高合格指数[10]。Precision Planting公司研制的装配有WaveVision检测器的电控排种驱动系统拥有较高的控制精度和适应性，能够满足15 km/h高速精播需要[11]。因直接进口设备成本较高且中国农艺和农机作业特点与国外存在较大差异，国内学者近年来也积极开展了诸多探索。龚丽农等[12-14]在原排种器系统上增设结构类似的副排种器，当检测到主排种器发生漏播时自动启动副排种器实现补种。张晓辉等[15-16]设计了小麦精密播种机自动补播监控系统，当监测到“断条性”漏播时系统启动微型步进电机带动补播排种器继续排种完成补种。当前精量排种器漏播检测与补种系统研究主要针对大中粒径种子[17-23]，一般采用光电传感器实现对排种过程的漏播监测，加装由原有排种器改制而成的副排种器作为补种装置，一定程度上增加了结构的复杂度。课题组前期采用高精密光纤传感器感应油菜种子流，对漏播检测算法进行了深入研究，提出了基于时变窗口的漏播检测方法[24]，能够实现油菜精量排种器漏播的实时检测；并设计了一种油菜籽漏播螺管式补种器，对其结构参数进行了仿真设计与试验研究[25]，因螺管当量排种数较大（1.7～1.9）导致补种量较大，另外采用步进电机作为动力源，致使补种器结构相对分散，功耗较大，不便于田间工作。

本文针对油菜精量排种器作业过程中存在的漏播问题，在前期基于时变窗口的漏播检测方法基础上，通过优化螺管式补种装置结构，集成基于PWM驱动直流电机与无线传输方式，构建变量补种策略，研发精量排种器漏播实时检测与变量补种有机融合系统，以期解决精量排种器漏播量的检测与对应播量的补种，最终消除漏播发生。

1 变量补种系统组成及工作原理

变量补种系统由漏播检测装置、排种盘测速装置、变量补种装置和补种监测显示装置组成，采用nRF（nordic radio frequency）无线方式实现系统各装置间指令和数据的有序实时传输。变量补种系统组成如图1所示。

图1 油菜精量排种器变量补种系统组成Fig.1 Composition of variable reseeding system for rapeseed precision metering device

在精量排种器排种盘传动轴上安装一磁钢阵列圆盘（磁钢沿圆周均布），磁钢数与排种盘型孔数成一定比例，比值为α（考虑测量精度和圆盘整体尺寸，α设置为1或0.5）。排种盘测速装置利用霍尔感应原理采集单位时间（1 s）内感应的磁钢个数N，结合磁钢数与排种盘型孔数比值α，得到排种盘每秒转过的型孔数，称为理论排种频率，表示为fi=N/α。考虑40型孔精量排种器实际工作转速15～45 r/min，对应排种频率10～30 Hz，截断误差在2 Hz内，为减小检测时的采样截断误差，将当前第i秒的理论排种频率fi与前一秒的理论排种频率fi-1进行加权平滑处理，本文采用Fi=0.8fi+0.2fi-1作为当前理论排种频率。排种盘测速装置利用无线模块将理论排种频率Fi发送至漏播检测装置。

漏播检测装置安装于油菜精量排种器投种口下方，利用压电薄膜感应下落种子流序列冲击，信号调理电路将种子流序列冲击形成的尖脉冲序列转化为矩形脉冲序列，利用 MSP430单片机时间捕获中断功能捕获矩形脉冲序列上升沿，采集排种时间间隔序列和周期内排种数序列，结合文献[24]的漏播检测方法，得到检测周期内的漏播系数等漏播参数，并根据变量补种策略获得对应补种转速，利用无线模块将漏播参数及补种转速以数据包的形式同时发送至变量补种装置及补种监测显示装置。

变量补种装置通过无线模块接收漏播检测装置发送的补种转速指令，根据补种转速与PWM占空比关系，调节对应的PWM占空比驱动电机改变补种装置转速，进而改变排种速率，使得当前检测周期内补种装置补种次数与当量漏播量一致，最终实现变量补种。

补种监测显示装置通过无线模块接收漏播补种参数，并采用7英寸液晶显示屏实时滚动刷新显示最近10个检测周期的10组漏播补种参数，便于用户利用可视化监测装置对变量补种系统调试及监测系统运行状态。

考虑nRF无线模块具有功耗低、成本低、传输协议灵活等特点[26-27]，本文选用nRF24L01无线模块（工作频段为2.4 GHz，数据通道数为6）用于变量补种系统各装置间的指令和数据传输。无线方式免除了繁琐的接线环节，便于田间复杂工况下的安装和使用，同时为拓展多路漏播补种提供灵活的数据接口。

2 油菜精量排种器漏播检测装置

2.1 漏播检测装置

课题组前期设计了一种油菜精量排种器种子流传感装置，该装置利用种子流碰撞压电薄膜感应产生尖脉冲信号，并通过信号调理电路进行放大、半波整流、比较、单稳态触发转换为与排种种子流对应的矩形排种脉冲序列信号，采用51单片机对脉冲序列信号进行采集，具体参见文献[28]。

基于上述原理与研究基础，为增强电路稳定性、降低功耗与成本、增强数据处理能力，对该装置进行了改进设计。设计了单电源供电正负双向信号放大电路以精简电路结构、降低功耗；利用 MSP430单片机时间捕获中断功能实现排种种子流时间间隔和排种频率的实时采集；增设RGB（red green blue，RGB）漏播状态指示灯，根据判定的漏播状态对播种过程进行漏播指示提醒。改进的漏播检测装置结构如图2所示。

图2 漏播检测装置结构示意图Fig.2 Structure diagram of loss sowing detection device

2.2 漏播检测流程

漏播检测装置检测流程如图 3所示。装置启动后，单片机进行系统初始化，完成对定时器TA、定时器TB、无线模块等初始化工作。考虑定时时间范围，采用频率为32 768 Hz的晶振时钟经2分频作为定时计数时钟，检测周期的定时值TACCR0初值设为16 384，即1 s；漏播状态指示灯闪烁定时值 TACCR1初值设为 8 192，即0.5 s。TB和P4.1利用时间捕获中断功能捕获种子流脉冲序列上升沿，计算种子流排种时间间隔序列和周期内排种数序列并进行存储。当检测周期定时时间达到，计算该检测周期内的漏播系数等参数，根据最新的理论排种频率Fi及检测周期内标准排种数确定下一检测周期定时值。根据变量补种策略计算对应补种转速,并依据设定的漏播系数等级阈值驱动漏播状态指示灯显示不同颜色指示不同漏播状态（绿色指示正常播种，蓝色指示弱漏播，红色指示严重漏播）。设置nRF为发送模式，以数据包的形式将漏播参数及补种转速发送至变量补种装置和补种监测显示装置，切换nRF为接收模式等待接收新的理论排种频率，如此循环。

图3 漏播检测装置检测流程图Fig.3 Flow chart of loss sowing detection device

3 变量补种装置

3.1 补种装置结构及原理

文献[25]提出了一种油菜籽漏播螺管式补种器，其工作转速 25～180 r/min，螺管数为7，螺管当量排种数（补种装置以一定转速在规定时间内转动，每个螺管的平均排种数）为1.7～1.9，补种量较大；因采用步进电机（型号56BYG25CK）驱动补种器，需配套功耗较大的步进电机驱动器，使得其结构分散，尺寸较大，只能连续工作2 h，不便于田间工作。

利用该螺管式补种器排种原理，可通过改变转速调节补种器排量实现变量补种，本文优化设计了变量补种装置。改进之处主要有：种箱内螺纹凸台高度由0.5 mm改为1 mm，螺管数由7个改为8个；采用尺寸小巧、成本低、调速方式简单的直流减速电机（型号ZGA32RI）代替步进电机为变量补种装置提供驱动力；将螺管式补种器、直流减速电机、单片机控制系统、电机驱动系统、无线模块和电源一体化布局并封装；装置底部与侧边镶嵌多个固定用磁钢，使其可以更加便捷地固定于直播机机架合适位置；采用12 V/5 A可充电锂电池作为电源为补种装置电机提供动力，充满电可持续工作 10 h。变量补种装置结构如图4所示。

在种箱内螺纹推力及种层相互携带作用下，引导种子从种箱出种孔流出，当螺管运动至最低位置时，种子依次流入螺管内，在种子流动特性和重力作用下，种子随螺管的转动被带至投种区实现投种。单片机控制系统利用nRF无线模块接收漏播检测装置发送的补种转速指令，并根据补种转速与PWM占空比关系输出补种所需的占空比，通过电机驱动系统获得补种装置所需转速，使检测周期内补种次数与当量漏播量一致，最终实现不同漏播状态下的实时变量补种。

图4 变量补种装置结构示意图Fig.4 Structure diagram of variable reseeding device

3.2 补种装置排量测定

为了确定补种装置排量与补种转速关系，开展排量测定试验，为后期变量补种控制提供定量依据。试验所用主要材料及设备为富油杂 108油菜种子（千粒质量为4.62 g）、变量补种装置、NI USB-6218数据采集卡、计算机（含NI-DAQ软件）、HZ-HG-502N电子天平、计时器、无线测频计数装置（包括万向无线测速装置和显示装置）。

为便于测定 PWM 不同占空比输入下变量补种装置排量随转速的变化关系，利用数据采集卡产生频率500 Hz、可在线调节占空比的PWM作为电机驱动系统的输入信号（该频段PWM控制能够使所选直流减速电机最大限度输出有效功率）。变量补种装置前端盖均匀分布一环形磁钢阵列（布局的磁钢数与螺管数相同，均为8），无线霍尔测速装置通过单片机定时计数采集每秒转过的磁钢数（即每秒转过的螺管数）及转过的磁钢总数（即转过的螺管总数）并通过无线模块发送至显示装置，显示装置采用“数字+曲线”形式实时更新显示测得的数据及变化趋势。

试验时，变量补种装置种箱内加入70 g油菜种子。设定数据采集卡输出 PWM 占空比为 8%～100%（低于8%电机驱动力过低，补种装置无法转动或转动不平稳），每1%为一个水平，收集1 min内排种量，称种子质量并数取排种数粒，记录每秒转过的螺管数、1 min转过的螺管总数，每个水平试验重复3次，取3次试验平均值，得到补种装置1 min内排种粒数、螺管当量排种数。试验现场如图5所示。

图5 变量补种装置排量测定试验Fig.5 Test site of seeding quantity of variable reseeding device

图6为变量补种装置在PWM占空比8%～100%范围的排量测定结果，其中螺管当量排种数为1 min内排种粒数与转过的螺管总数的比值，补种装置转速为1 min内转过的螺管总数与螺管数8的商。如图6a所示，补种装置转速随PWM占空比增加呈上升趋势，转速范围为12～228 r/min。利用曲线拟合获得补种装置转速r(r/min)与PWM 占空比w(%)的函数关系：r=f(w)=0.000 4w3−0.100 9w2+8.771 1w+5.033 6，拟合相关系数为0.99。变量补种装置1 min内排种粒数、螺管当量排种数与转速关系见图6b。1 min内排种粒数随转速升高呈上升趋势，转速在12～23 r/min范围内，由于转速偏低导致种箱内种子充种时间较长，使得1 min内排种粒数、螺管当量排种数明显偏高。补种装置转速在23～228 r/min范围内，1 min内排种粒数随转速增加呈稳定增加趋势，线性相关系数为0.99，螺管当量排种数稳定在1.2～1.4粒。

图6 变量补种装置排量测定结果Fig.6 Test result of seeding quantity of variable reseeding device

整个试验过程中没有出现种箱出种孔及螺管堵塞现象且无种子破损，补种装置转速在23～228 r/min范围内，螺管当量排种数较稳定，表明补种装置转速与排量具有较好的线性关系。

3.3 变量补种策略

利用拟合得到的补种装置转速r与 PWM 占空比w的函数关系r=f(w)，求其反函数w=f--1(r)，使得利用该反函数实现针对某一所需的补种转速r确定应控制输出的PWM占空比w。依据检测周期内补种装置补种次数等于排种器当量漏播量的变量补种原则，建立当量漏播量与补种次数等式关系，如式（1）。

化简得到变量补种装置转速与漏播系数之间的变量补种策略模型，如式（2）。

式（1）、（2）中，p为检测周期标准排种数；x为漏播系数；k为变量补种装置螺管数；r为补种装置转速，r/min；Fi为理论排种频率，Hz。

结合理论排种频率Fi范围（结合农艺生产播种速率需要，Fi的范围为10～30 Hz）、漏播系数x范围（因实际播种时，精量排种器设定播种量相比农艺所需播量稍大，漏播系数低于0.3为弱漏播状态，可不进行补种操作，因此本文设定漏播系数大于0.3时进行补种，即x取值范围为0.3～1.0）以及螺管数k为8，由式（2）可得补种装置转速r范围为23～225 r/min，由图6b可知在此转速范围螺管当量排种数稳定。进一步，利用w=f--1(r)，根据所需补种转速r，单片机控制器输出相应的 PWM 占空比f-1(r)，驱动变量补种装置实现实时变量补种。

4 变量补种系统试验

4.1 台架试验

4.1.1 试验材料及设备

试验所用材料为富油杂 108油菜种子，排种盘测速装置，变量补种装置，补种监测显示装置，JPS-12排种器性能检测试验台（哈尔滨博纳科技有限公司），气力式油菜精量排种器（40型孔），正压气泵（HG-250型旋涡气泵，浙江森森实业有限公司），负压气泵（XFC-250型旋涡气泵，上海富池电子有限公司），U型压力计（河北省武强县精达仪器仪表厂）以及课题组前期研制的油菜籽漏播螺管式补种器。整体试验装置如图7所示。

4.1.2 试验方法

因油菜精量排种器田间工作时依靠地轮驱动排种轴进行排种，种子输送带速度需根据排种器转速进行设定。结合油菜种植农艺要求，试验中选择排种粒距40 mm，设定排种盘每连续转过20个型孔为一个检测周期（即检测周期内标准排种数为 20），故变量补种装置安装位置在相对于种子输送带的运动方向滞后800 mm，以补偿检测周期的滞后距离。为便于观测排种及补种效果，排种器和补种装置在种子输送带横向方向错位设置，在种子输送带上分别得到排种序列和补种序列。排种盘测速装置感应与排种盘同步转动的磁钢阵列圆盘（磁钢数为20），用于获取理论排种频率；漏播检测装置安装于排种器投种口下方，用于实时采集排种种子流序列。

图7 变量补种系统台架试验Fig.7 Bench test of variable reseeding system

试验中调节排种器正压400 Pa，负压−1 400 Pa，处于最佳排种状态[29-30]。依据文献[24]中系数定义，通过人为堵塞一定数量排种盘型孔，设定漏播系数理论值为0.30、0.50、0.72、0.90、1.00。设定排种盘转速分别为15、20、25、30、35 r/min，设定对应输送带速度为1.44、1.92、2.40、2.88、3.36 km/h。每个排种盘转速下工作 6个检测周期，保存补种监测显示装置显示的漏播补种状态参数数据，人工测量种子输送带上的排种序列、补种序列以及2个种子序列虚拟合并构成的补种后相邻2粒种子间的粒距，统计每个检测周期内排种器排种粒数和变量补种装置的补种粒数。种子输送带上单个检测周期的漏播补种效果如图8所示。

图8 单个检测周期的漏播补种效果Fig.8 Reseeding result of loss sowing in one detection cycle

为对比本文研制的漏播变量补种系统相对于课题组前期设计的油菜籽漏播螺管式补种器的补种效果，利用油菜籽漏播螺管式补种器采用上述同样的试验方法进行对照试验。同时对两者的螺管当量排种数、补种转速范围、充满电持续工作时长等特征进行对比考察。

4.1.3 结果与分析

表1为油菜精量排种器变量补种系统台架试验结果。当量漏播量为在一个检测周期内，漏播系数（范围为0～1.0，用于刻画该检测周期内排种器漏播程度，0表示无漏播，1.0表示无排种，定义详见文献[24]）检测值与标准排种数20的乘积，并进行四舍五入取整处理。表2为本文研制的变量补种装置与课题组前设计的螺管式补种器主要特征对比。

表1 油菜精量排种器变量补种系统台架试验结果Table 1 Bench test result of variable reseeding system for rapeseed precision metering device

表2 变量补种装置与螺管式补种器主要特征对比Table 2 Comparison of main features between variable reseeding device and spiral-tube reseeding device

由表1可以看出，变量补种系统能够根据漏播检测装置测得的排种器漏播状态驱动变量补种装置以对应的转速进行实时变量补种。在相同的漏播系数下，随排种器转速增加，检测周期变短，补种装置转速增加。在相同的排种器转速下，补种装置转速随漏播系数的增大而增大。排种器不同漏播系数在不同转速下，在检测周期内，变量补种装置补种粒数大于排种器当量漏播量，是由于机械式补种装置单个螺管平均排种数稍大于1引起，但两者比值相对稳定，与变量补种策略相符，也验证了变量补种策略的准确性和适应性。补种后最大粒距均小于 1.5倍理论排种粒距（1.5×40 mm）范围内，即补种后不存在漏播现象。在相同漏播状态下，对比检测周期内漏播变量补种装置补种量和螺管式补种器补种量，可以发现，漏播变量补种系统实现补种后不漏播的情况下，相比于螺管式补种器补种量降低了25%左右。

由表 2中各项特征对比可以发现：变量补种装置螺管当量排种数为 1.2～1.4 粒，螺管式补种器螺管当量排种数为 1.7～1.9粒，即本文改进研制的漏播变量补种装置螺管当量排种数（1.2～1.4粒）更接近于1，更接近于单个螺管单粒精量排种；漏播变量补种装置相比于螺管式补种器，补种转速范围和补种频率范围更大，适应性更好；漏播变量补种装置外形尺寸更小巧，便于安装，充满电可持续工作时间大大提高。

4.2 田间试验

为进一步检验变量补种系统田间工作效果，2017年10月15日在孝南区西河镇油菜机械化生产试验示范基地开展了田间试验。选用雷沃M704-BA拖拉机为2BYQ-6/8型精量联合直播机提供动力，配套排种器为气力式油菜精量排种器（40型孔，排种合格指数不低于96%）。漏播检测装置安装于排种器下方。排种盘测速装置感应排种盘传动链轮上的磁钢阵列（磁钢数为 20），用于获取理论排种频率及转过型孔数。变量补种装置安装于排种器后方的延伸支架上，距离排种器800 mm。试验现场如图9所示。

图9 变量补种系统田间试验Fig.9 Field test site of variable reseeding system

试验中选用同步转动且共用一个正负气压室的 2个排种器分别作为试验组和对照组。因田间工作时油菜精量排种器漏播发生存在随机性，为能够实现对变量补种系统田间补种效果进行量化评估，对试验组排种器A的排种盘进行处理，间隔2个型孔堵塞2个型孔（简称为间2堵2），人为制造漏播，预先设定可控的漏播状态，此时排种器A漏播系数理论值为0.90；对照组排种器B不进行处理。试验中直播机前进速度设定3个水平，慢I档、慢II档、慢III档，通过排种盘测速装置获得实际排种盘转速分别为15.2、17.9、24.1 r/min，在稳态运行下每个速度档位试验时间为1 min。用接种袋分别收集排种器A、排种器B的排种量以及变量补种装置补种量。排种器理论排种量为排种盘测速装置检测的排种器转过的型孔总数，排种器A当量漏播量为排种器理论排种量与漏播系数检测值的乘积。表3为排种器型孔间2堵2，不同转速下变量补种系统监测数据（10个检测周期）。表4为在不同排种器转速下，变量补种系统试验排种量与补种量结果。

从表3可以看出，排种器A排种盘型孔间2堵2设置，在3个速度档位下，漏播系数检测值为0.86～0.91，即排种器A当量漏播量为17～18（四舍五入取整处理）。对应补种装置转速分别为65～68 r/min、77～82 r/min、103～109 r/min，结合补种装置螺管数8以及对应检测周期（分别为 2.00、1.67、1.25 s），可得检测周期补种装置补种次数（即转过的螺管数）为 17～18（四舍五入取整处理），即补种装置补种次数与排种器当量漏播量一致。

从表4可以看出，在不同速度档位下，变量补种装置补种量与排种器A的当量漏播量比值在1.2～1.4范围内，人为设定漏播状态的排种器 A排种粒数与对应补种装置补种粒数之和，稍大于正常排种状态的排种器B排种量，补种后产生了一定程度重播，但能够消除漏播发生。

表3 排种器型孔间2堵2变量补种系统监测数据Table 3 Monitoring data of variable reseeding system for metering device blocked 2 holes interval 2

表4 排种器型孔间2堵2变量补种系统试验结果Table 4 Test result of variable reseeding system for metering device blocked 2 holes interval 2

补种后产生一定程度重播的主要因素：其一，为降低结构复杂度、成本，变量补种装置采用机械式排种方式，难以实现“1螺管排1粒种子”精密排种，螺管当量排种数为 1.2～1.4粒，而补种依据是按照补种次数与当量漏播量一致；其二，所用漏播检测方法是依据在划分的时间窗口内检测当量漏播量，并按照所需的补种转速进行匀速补种，尤其是排种器产生断条性漏播时，补种装置补种序列与排种器排种序列匹配上也会存在一定的重叠。不过结合农艺专家与实践经验表明，因单粒油菜种子只能出单苗株以及出苗率很难达到100%，一定程度重播不会影响农作物最终产量，且有助于弥补出苗率对最终成苗株数的限制。

5 结 论

本文设计了一套油菜精量排种器变量补种系统用于解决油菜精量排种器的漏播补种问题，并对其开展了试验研究。

1）设计了油菜精量排种器漏播检测装置。利用MSP430单片机时间捕获中断功能实时采集排种种子流时间间隔序列和周期内排种数序列，结合漏播检测方法实时判定漏播状态，并根据变量补种策略计算得出对应补种转速。

2）优化螺管式补种装置结构，设计了一种集成型PWM直流电机驱动的油菜精量排种器变量补种装置。相较于课题组前期研究的螺管式补种器，变量补种装置结构小巧，功耗降低，补种转速范围更大（23～228 r/min），螺管当量排种数从1.7～1.9 粒减少至1.2～1.4 粒。

3）设计了由漏播检测装置、排种盘测速装置、变量补种装置及补种监测显示装置组成的漏播实时检测与变量补种有机融合系统，能够实现漏播检测与实时变量补种功能。系统各装置间采用无线方式通信，便于田间复杂工况下的安装使用，为多路变量补种系统拓展提供了灵活的数据接口。

4）油菜精量排种器变量补种系统台架及田间试验表明：在正常播种速率范围内，变量补种系统能够实时检测漏播状态并驱动补种装置变量补种，补种次数与排种器当量漏播量一致，补种后无漏播存在。相比于课题组前期研制的油菜籽漏播螺管式补种器补种量，漏播变量补种系统实现补种后不漏播的情况下，补种量降低了25%左右。

该变量补种系统可为油菜等小粒径种子精量排种器漏播补种集成技术与装置提供有效支撑。

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