精量播种机内部信号处理与传输智能化分析

钱 彬,韩洪杰

(河北能源职业技术学院,河北 唐山 063000)

0 引言

传统播种机由于田间作业环境的局限性,如待播种田地的作物茬杂乱、待播种土壤湿度不合适及观察播种工况困难等,会对播种机的效率产生不同程度的影响。经查阅文献可知,国内相关学者主要从整机的结构布局优化、播种株距的可控性调节、漏播率等方面对精量播种机的优化展开研讨;而国外则侧重于提升播种机的精量化与智能化程度,如设计加装电磁阀控制、PID调节、播种工况显示等模块。其中,多功能性传感装置起到至关重要的作用。笔者在借鉴前人研究应用的基础上,从精量播种机的内部信号检测控制角度出发,进行智能化分析研究。

1 精量播种机作业概述

精量播种机主要由驱动电机、排种箱、排种轮、接种装置及变速箱等组成,技术参数如表1所示。工作时,以单粒播种为原则,通过播种调节执行装置确保投种位置与深度,利用信号自动处理检测理念对播种量与播种状况进行实时控制。播种作业过程中的数据信号处理与传输技术主要体现在:在进行播种的过程中,采集最初的排种速率、种子流信号速率、距离传感信号等,在信号转换器或编码器等装置的配合下,实现信号的智能准确传输。

表1 精量播种机主要技术参数设置

图1为精量播种机进行现场作业的场景。该作业模式下,前端驾驶操作与后端的作物播种必须进行实时的信号传送与协调,根据精量播种机的作业特性设计播种作业过程中信号检测流程,如图2所示。

2 精量播种控制系统分析

2.1 监测控制模型确立

针对信号传输智能精准目标建立监测控制系统模型确立,设计精量播种机监测系统功能实现框图,如图3所示。信号处理放大作为中间核心控制单元,将信号分解为漏种、堵种与多种3类型,通过CPU主从机设计相对应的操作装置、显示装置与报警系统,确保信号传输与处理功能齐全。

图1 精量播种机作业场景图

图2 精量播种机作业信号检测流程简图

图3 精量播种机监测系统设计原理与实现功能框图

根据精量播种机驱动轮转速、信号脉冲频率与播种量三者之间的关系,在其侧面关键行走装置中安装压电传感器,信号监测部位安装编码计数装置,则

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式中n—精量播种机驱动轮转速(r/min);

f0—精量播种机信号监控系统脉冲频率(Hz);

Z—精量播种机编码器输出单位脉冲个数;

M—精量播种机编码器两个脉冲间时钟脉冲个数;

q—精量播种机单个播种装置的播种数量(粒);

a—精量播种机参数换算系数;

N—精量播种机播种装置数量;

v—精量播种机作业速度(m/s);

B—精量播种机行距(mm);

结合上述关系,选取具有灵敏度高、适应性能的电容传感测量仪器,通过播种机作业过程中电容变化量建立内部信号处理监测模型,即

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(3)

式中ε0—真空介电常数;

ε1—种子的相对介电常数;

ε2—空气的相对介电常数;

εr—相对介电常数;

V1—种箱内种子所占体积(mm3);

V2—为空气所占体积(mm3);

V—电容传感器平行板间总体积(mm3);

S—电容传感器平行板间相对重叠面积(mm2);

d—电容传感器平行板间相对距离(mm);

ε—电容传感器工作时电容介电常数;

C—播种时电容传感器产生电容;

C0—无作物种子通过时电容传感器产生电容;

ΔC—播种时电容变化量。

2.2 监测控制系统设计

依据模型设计精量播种机信号监测控制系统,以满足监测需求为目标,通过检测传感器、速度传感器进行位置信号捕捉与传递;同时,通过补种机理建立补偿驱动机构,进行系统补种模块装置选型(见表2),并将播种株距、单行播种量、作业速度及报警系数等参数实时显示。

精播机种子流信号检测电路设计如图4所示。工作时,在+3V电源电压驱动下,种子流信号被二极管信道检测,此时相应的编码感应模块进行计数,并经逻辑门控制电路传输至下一控制模块,此过程必须保证步进电机与编码器同轴性,规范设置电路的PWM模块运行条件。

表2 精量播种机监测控制系统补种模块装置选型

图4 精量播种机种子流信号检测设计电路图

设计该信号处理监控系统的软件程序控制模块,配置寄存器,利用无线通信确保各数据节点引脚按照信号处理原则写入;根据图5所示的软件信号处理流程,判定种子下落信号进行定时与不同状况信号程序执行。

根据精量播种机内部信号传输特性,列出如表3所示的核心传输模块参数设置,主体表征为在一定的电压与电流控制指令下,以数字信号进行内部交互传递。

图5 精量播种机监控系统软件信号处理流程图

表3 精量播种机监测控制系统信号传输模块参数设置

续表3

2.3 信号处理传输目标实现

精量播种机控制系统信号处理与传输机构框图如图6所示。

图6 精量播种机控制系统信号处理与传输结构框图

信号采集将阶梯变压、人机交互与智能传感三大模块汇入无线传输模块,信号经单片机由控制系统处理后到达其排种装置,在信号路径与数据追踪控制环节融入SVR思维模型,实现信号精准传输。

以信号故障类型分解为条件,通过内部信号网络建立精量播种机信号处理程序执行标准流程,显示漏播与重播位置,如图7所示。配置抗干扰模块,利用程序信息冗余技术,结合集成单独供电线路,配置参数相当的光电耦合装置与极速响应系统,对出现的故障进行预防性处理,实现精量播种机的信号传输连续性与可靠性。

图7 精量播种机内部信号处理模块程序执行流程简图Fig.7 Program execution flow chart of internal signal processing module of precision seeder planter

3 系统仿真

3.1 条件设置

进行基于信号智能监测技术的精量播种机控制系统仿真试验,选择仿真主要器材为:①1台精量播种机简易单体;②1套智能信号传输控制系统及供应电源;③1台步进驱动电机与相配套的步进驱动器;④若干项播种机仿真辅助试验零部件。

设计好相匹配的仿真核心控制性能参数(如排种速率、精量控制装置安装高度、播种株距等),选择玉米作为试验用种子,同时确保各装置信号传输接线牢固,展开仿真试验。

3.2 过程分析

针对仿真试验装置设定不同的排种速率,该精量播种信号检测装置进行记录,得到该系统的设计性能仿真数据统计,如表4所示。由表4可知:以1.5r/min的排种速率递增,分别预设400、600、800粒的播种量,考虑系统试验过程中累计误差的不可避免性因素在内,得到的系统评价检测准确率达到95.3%以上,最高的检测准确率可达98.0%,验证了系统监测的合理可行性。

表4 精量播种机控制系统信号监测设计性能仿真数据统计Table 4 Performance simulation data statistics of signal monitoring design for the precision seeder planter control system

进一步试验并调整播种株距依次为150、200、300mm,同步记录数据经换算后,得到的基于信号智能监测技术的精量播种机播种主要评价参数如表5所示。由表5可知:一般化监测方式下的精量播种机株距合格率为84.91%,在信号智能监测方式下整体提升度为10.16%,为93.54%;重播率及漏播率在信号智能监测方式下整体提升度为33.47%与27.85%,信号智能监测后精量播种机作业效果改善明显。

表5 基于信号智能监测技术的精量播种机播种主要评价参数对比Table 5 Comparisons of main evaluation parameters of the precision seeder based on intelligent signal monitoring technology %

4 结论

1) 通过系统性分析精量播种机的作业机理,利用电容传感技术与信号无线传输技术,建立整机监测控制模型,并基于软件控制与硬件配置展开系统设计,实现了监测系统内部信号处理的精准智能化传输目标,为播种机的作业效率提供了控制保障。

2) 基于该信号监测控制模型,进行系统仿真试验,结果表明:内部信号经智能分析处理传送后,整机运行稳定,株距合格率、重播率与漏播率作业效果可优化10%以上,效果良好。