马铃薯播种机漏播检测与补种系统的设计与试验

雷小龙 邹洪宇 杨正颖 李芋汶 龚 静 郑明武 雷 怡 张 磊 吕小荣

(四川农业大学 机电学院，四川 雅安 625014)

马铃薯播种机是提高播种机械化率的重要装备[1]，其播种质量与排种装置的性能密切相关。马铃薯排种器主要有针刺式、勺链式、气力式、夹持式等类型[2]，勺链式排种器具有结构简单、适应性强、株距可调和价格适中等特点，在国内外受到广泛应用[3-5]。

马铃薯种薯形状不规则、流动性差，取种过程随机性强，导致漏播率偏高进而降低了播种质量[6-7]。为降低马铃薯勺链式排种器的漏播率，增加漏播检测系统和自动补种装置是降低漏播率的重要途径。丁幼春等[8-10]提出了基于时变窗口的油菜漏播检测方法，并设计了油菜漏播螺管式变量补种器。在漏播检测方面，常用光电传感器和霍尔传感器等检测玉米、花生的漏播状态，并通过单片机控制伺服电机驱动补种装置完成补种[11-12]。通过红外光电传感器、电容传感器与霍尔传感器相结合用于检测马铃薯漏播信号，将漏播信号反馈给单片机，进而控制补种装置[13-18]，实现马铃薯漏播检测与补种。牛康等[19]设计了电容传感检测与补种链实现了马铃薯漏播检测与补种。

本研究拟针对现有马铃薯漏播检测与补种结构较繁琐的问题，以不影响原有播种机结构为设计要求，将定位模块和激光漏播检测相结合设计马铃薯漏播检测系统，并设计定向排序与击打式补种装置；开展漏播检测和补种系统的性能试验，旨在为马铃薯漏播检测与补种系统设计提供参考。

1 马铃薯漏播检测与补种系统的结构和工作原理

1.1 马铃薯播种机结构

马铃薯播种机主要由种箱、搅种机构、种勺、排种链、漏播检测系统、补种装置和控制器等组成(图1)，漏播检测系统和补种装置安装于2CM-2型马铃薯播种机上，分别对应1行排种链。工作时，地轮驱动排种链转动，在重力和搅种机构扰动下种勺完成充种，排种链向上输种时经过漏播检测系统，漏播检测系统检测种勺的充种状态；若种勺中出现漏充，补种装置在控制器作用下于排种链顶端完成补种，从而保证种薯不漏播。种薯随护种槽掉入种沟，经过覆土后完成播种过程。

1.开沟器；2.搅种机构；3.种薯；4.漫反射光电开关传感器；5.漏播检测系统；6.补种装置；7.控制系统；8.补种箱；9.排种链；10.霍尔传感器；11.种勺；12.橡胶垫圈；13.地轮；14.种箱1.Opener;2.Seed churning mechanism;3.Potato seed;4.Diffusion switch sensor;5.Miss-seeding monitoring system;6.Reseeding device;7.Control system;8.Reseeding box;9.Seeding chain;10.Hall sensor;11.Metering scoop;12.Rubber washer;13.Ground wheel;14.Seed box图1 勺链式马铃薯播种机结构Fig.1 Structure of spoon type potato seeder

1.2 马铃薯漏播检测及补种系统工作原理

马铃薯漏播检测与补种系统由漫反射光电开关传感器、霍尔传感器、磁铁、ATmega型单片机、TFT液晶显示屏、mos管、补种箱、V型导种槽、V型补薯口、电磁铁和击打棒等组成。种勺侧方安装有磁铁，排种链转动使种勺上升时，霍尔传感器检测磁铁产生的磁场确定种勺的位置，漫反射光电开关传感器检测对应种勺内是否有种薯，将检测信息传递至单片机，若无种薯，执行待补种指令(图2(a))；当漏播种勺到达霍尔传感器检测位置时，启动补种装置(图2(b))，补种装置工作时，补种箱的种薯在V型导种槽内顺序排放；补种指令启动后mos管导通电路使电磁铁获得电流，击打棒在电磁铁作用下快速击打，将补种口的种薯击入护种槽，然后mos管阻断电路，电磁铁无电流通过后击打棒通过弹簧复位，完成对漏播种勺的补种；V型导种槽内的种薯在重力和振动作用下向下滑动填补空位，等待进入下一次补种周期。

1.种薯；2.种勺；3.霍尔传感器；4.漫反射光电开关传感器；5.磁铁；6.补薯口；7.击打棒；8.电磁铁；9.V型导种槽1.Potato seed;2.Metering scoop;3.Hall sensor;4.Diffusion switch sensor;5.Magnet;6.Reseeding outlet;7.Striking ram;8.Electromagnets;9.V-shaped reseeding track guidance图2 漏播检测与补种系统工作状态Fig.2 Working status of miss-seeding monitoring and reseeding system

2 马铃薯漏播检测与补种系统设计

2.1 马铃薯漏播检测方法

2.1.1漏播判断方法

马铃薯漏播检测系统采用“错位定位法”，勺链式马铃薯排种器相邻种勺间距为127 mm。排种链从种箱内自下而上取种，种勺到达最高点处将种薯运至护种槽后，种薯跟随种勺背面自上而下输种。2个漫反射光电开关传感器安装于排种链外侧的护板，霍尔传感器位于漫反射光电开关传感器2上方，每个种勺靠近霍尔传感器的一侧安装有圆形永磁铁(图3(a))。当霍尔传感器检测到种勺一侧方的磁铁时，产生1个低电平脉冲反馈给控制器，控制器对漫反射光电开关传感器的状态进行查询。若漫反射光电开关传感器对应的种勺内无种薯，则不能遮挡漫反射光电开关传感器发出的激光，产生高电平脉冲；若种勺内有种薯，则产生低电平脉冲。当霍尔传感器产生低电平脉冲且漫反射光电开关传感器产生高电平脉冲时，则系统判断漏充种薯(图3(b))；当霍尔传感器和漫反射光电开关传感器均产生低电平时，则系统判断充种正常。

图3 漏播检测系统的传感器位置与信号Fig.3 Sensor location and signal of miss-seeding monitoring system

2.1.2传感器的选用及安装

根据马铃薯勺链式排种器及漏播检测的工作原理，本系统采用HM18-50 NA型霍尔传感器(常州市尼西电气有限公司)检测种勺位置。该传感器的工作电压为5～30 V，检测距离10 mm，响应频率1 kHz，采用npn型常开输出。根据传感器的检测状态，信号线输出高电平或低电平，经降压后接入单片机进行检测；降压模块选用LM2596S型降压模块，该模块输入电压为2.5～35 V，输出电压调节范围为1.25～35 V，开关频率可达150 kHz。安装时磁铁与霍尔传感器间距为8 mm。漏播检测装置选用BF-M12 JG-DS15C1型漫反射光电开关传感器(落施达传感器(东莞)有限公司)检测种勺中的种薯充种情况，该传感器的工作电压为10～30 V，检测距离为20～200 mm可调，响应频率100 Hz，输出方式采用npn型常开输出；根据传感器的检测状态，信号线输出低电平或高阻态，由单片机将检测引脚设置为输入上拉模式，利用内部的上拉电阻进行检测。为满足检测30～50 mm的种薯且检测区域均匀覆盖护种槽口的要求，马铃薯播种机护种槽口宽度为104 mm，将落种信号采集区域设计为单层矩形激光区域，由两组间距为91.5 mm，高度差为10 mm的漫反射光电开关传感器构成，霍尔传感器安装于漫反射光电开关传感器上方120 mm处(图4)。

2.1.3硬件组成

漏播检测与补种控制系统硬件包括12 V电源及开关、漏播检测模块、人机交互模块、自动补种模块和单片机等。漏播检测模块主要进行漏播检测与播种数量统计；人机交互模块为TFT液晶显示屏，用于显示播种数、漏播数及排种参数曲线；自动补种模块在单片机的控制下使推拉式电动电磁铁执行补种功能；控制器选用ATmega2560单片机。针对检测过程容易出现尖峰信号对检测产生影响，设计具有滤波功能的高精度检测电路，控制系统电路见图5。

图4 漏播检测装置传感器安装尺寸Fig.4 Sensor installation and its dimension of miss-seeding monitoring device

图5 漏播检测与补种控制系统电路图Fig.5 Circuit diagram of miss-seeding monitoring and reseeding control system

2.2 马铃薯补种装置设计

2.2.1补种装置设计

补种装置由V型导种槽、V型补薯口、电磁铁、击打棒和补种箱等组成(图6)。为满足马铃薯补种要求，设计带有张角的V型导种槽，种薯在V型导种槽中运动时受到V型导种槽的约束，使种薯只能沿V型导种槽中间运动，不从V型导种槽上滑落；通过调整V型导种槽倾角，使得种薯在V型导种槽中能够受重力作用向前运动，但不发生重叠或卡住现象，从而实现自动排序，避免种薯在补薯口堵塞。

1.补种箱；2.V型导种槽；3.补薯口；4.种薯；5.击打棒；6.电磁铁；7.支架1.Reseeding box;2.V-shaped seed-guiding groove;3.Reseeding outlet;4.Potato seed;5.Striking ram;6.Electromagnets;7.Bracket图6 补种装置结构Fig.6 Structure of reseeding device

2.2.2种薯在补种装置上的力学分析

V型导种槽的结构参数主要包括张角α和倾角β，当种薯处于V型导种槽中，种薯分别与V型导种槽两侧面通过点/线接触，种薯的5个自由度受到限制，以种薯重心为原点O，x，y分别沿V型导种槽和壁面法向，种薯运动的受力分析见图7。

田间作业时马铃薯播种机受到的振动频率为3～10 Hz[20]，将产生振动加速度a0，满足：

(1)

m为马铃薯种薯的质量；FN1为右侧支撑板对马铃薯种薯的支持力；FN2为左侧支撑板对马铃薯种薯的支持力；Fμ1为右侧支撑板对马铃薯种薯的摩擦力；a0为振动加速度；Fμ2为左侧支撑板对马铃薯种薯的摩擦力；α为V型导种槽的张角；β为V型导种槽的倾角。m is the mass of the seed potato;FN1 is the support force of the right support plate on the seed potato;FN2 is the support force of the left support plate on the seed potato;Fμ1 is the friction force of the right support plate on the potato seed tuber;a0 is the vibration acceleration;Fμ2 is the friction force of the left support plate on the potato seed tuber;α is the opening angle of the V-shaped seed guide groove;β is the Inclination angle of V-shaped seed guide groove.图7 种薯在V型导种槽上的受力分析Fig.7 Mechanical analysis of potato seed in V-shaped seed-guiding groove

为确定马铃种薯在V型导种槽顺序排放，分析马铃薯在V型导种槽中的运动状态，得：

(2)

则

(3)

式中：D为马铃薯种薯最大直径，mm；l为V型导种槽的侧面长度，mm；v为马铃薯运动速度，m/s；μ1为马铃薯滚动摩擦因数；μ2为马铃薯滑动摩擦因数；η为碰撞损失能量百分比；L为V型导种槽长度，mm；d为马铃薯种薯最小直径mm；FN为支持力，N；Fμ为摩擦力，N；f为马铃薯播种机在田间作业时受到的振动频率，Hz；A为振幅，mm。

因此，V型导种槽的张角α和倾角β须满足：

3 软件设计

3.1 漏播检测及补种系统的控制方法

马铃薯播种机工作时，为保证补种系统出现连续漏播的条件下完成补种，连续播种间隔时间为：

(4)

式中：t为连续播种时间间隔，ms；S为相邻种勺间的距离，mm；v2为排种链的线速度，m/s。

连续播种时间间隔应大于击打棒推出时间与种薯从V型补薯口到护种槽的时间之和；为实现连续补种，击打棒完成1次击打的时间须小于连续播种间隔时间，击打棒完成1次击打的时间包括击打棒推出时间t1、停留时间t3和复位时间t4，则：

(5)

式中：t1为击打棒推出时间，ms；t2为种薯从V型补薯口到护种槽的时间，ms；t3为停留时间，ms；t4为复位时间，ms。

V型补薯口与护种槽的高度差为：

(6)

式中：h为V型补薯口与护种槽的高度差，m；g为重力加速度，m/s2。

忽略信号在导线中的传输时间，则击打棒通电时间等于mos管接通时间，有：

t0=t1+t3

(7)

式中：t0为mos管接通时间，ms。则：

(8)

当排种链线速度v2为0.20～0.42 m/s，击打棒不受外力作用时，推出时间与复位时间≤80 ms；因击打棒推出时受到来自马铃薯的阻力，击打棒推出时间大于80 ms，即t1>80 ms，由式(8)可知t0<0.302-t4；为避免因击打棒通电时间过短击打力度不足，或通电时间过长，造成补种时击打棒的卡顿，确定150 ms≤t0≤300 ms。由式(8)可知，h<5(0.302-t1)2，则h<246.42 mm，V型导种槽出口与导种槽实际高度差设置为200 mm，满足导种槽的高度要求。

3.2 漏播检测及补种系统软件设计

马铃薯漏播检测及补种控制系统流程见图8。系统启动后，首先单片机执行初始化程序，将种勺补种标志位置0，设置mos管通断时间与电机转速，通过电机控制种勺速度；检查漫反射光电开关传感器和霍尔传感器是否处于正常工作状态。

初始化完成后，系统进入工作状态。i种勺经过时霍尔传感器产生1个脉冲，如果此时漫反射光电开关传感器对应的i+1种勺内有种薯，那么漫反射光电开关传感器发出的激光就会被种薯遮挡，传感器输出低电平信号，单片机内部变量i+1种勺正常播种计数加1，i+1种勺补种标志位置0；如果此时漫反射光电开关传感器对应的i+1种勺内没有种薯，那么激光就不会被遮挡，传感器输出高电平，发生漏播，单片机内部变量i+1种勺漏播计数加1，i+1种勺补种标志位置1。根据i种勺补种标志位判断是否进行补种，若补种标志位为0，表明当前种勺有种薯，不需要补种；若i种勺补种标志位为1，表明当前种勺没有种薯，需要补种，进行补种操作。上述操作完成后，刷新TFT液晶显示屏，判断是否存在终止信号，若存在，则结束，若不存在，重新赋初值，将i+1种勺补种标志位的数值赋给i种勺补种的标志位，进行新一轮的漏播检测与补种。

4 台架试验

4.1 试验材料及装置

马铃薯种薯供试材料为‘费乌瑞它’，直径为30～50 mm，在自制马铃薯漏播检测与补种试验台(图9)上开展试验。马铃薯排种链转动采用电机驱动，通过电机控制器控制电机转速，mos管的通断时间由ATmega2560单片机控制。排种链速度由前进速度和株距L确定，根据马铃薯的种植农艺要求，种植密度一般为65 000株/hm2，一垄双行种植，垄距为0.9 m，则株距Q为0.34 m，播种机的相邻种勺间距S为127 mm。中小型马铃薯播种机作业速度一般为2～4 km/h，则排种链线速度为0.20～0.42 m/s。

i为种勺位置编号，i=1，2，…i is the order number of seed spoon position,i=1,2,…图8 漏播检测与补种控制系统流程Fig.8 Flow chart of miss-seeding monitoring and reseeding control system

1.补种箱；2.V型导种槽；3.漫反射光电开关传感器；4.V型补薯口；5.控制系统；6.电磁铁；7.霍尔传感器；8.种薯；9.勺链式马铃薯播种机1.Reseeding box;2.V-shaped seed guide slot;3.Diffusion switch sensor;4.V-shaped compensating potato outlet;5.Miss-seeding monitoring system;6.Electromagnets;7.Hall sensor;8.Potato seed;9.Spoon chain potato seeder图9 马铃薯漏播检测与补种台架试验装置Fig.9 Bench test equipment of miss-seeding monitoring and reseeding system

4.2 试验设计

4.2.1漏播检测系统精度试验

以实际漏播率、系统检测漏播率和检测精度为评价指标进行漏播检测系统精度试验。设定马铃薯的播种数量为250～450，测试播种数N、实际播种数n、系统检测漏播数N1、实际漏播数n1，则实际漏播率、系统检测漏播率和检测精度计算公式分别为：

(9)

式中：ψ1为实际漏播率；ψ2为系统检测漏播率；φ为检测精度。

4.2.2补种适应性试验

为研究排种链运动速度和mos管通断电时间对补种装置的适应性，采用两因素试验设计，试验因素包括链条运动速度和mos管通断电时间。排种链线速度设0.20、0.25、0.30、0.35、0.40 m/s共5个水平；mos管通断时间设150、200、250、300 ms共4个水平。实际补种率计算公式为：

(10)

式中：k为补种数；M为测定漏播数，c为实际补种率。

4.2.3补种装置结构优化试验

为优化补种装置的结构参数，分析击打棒长度、击打棒形状、击打棒直径对补种性能的影响，开展正交试验，试验因素和水平见表1。总补种次数为100，统计成功补种次数Nm，每组试验重复3次。补种合格率ζ为：

(11)

式中：Nm为补种成功次数；NT为补种次数。

表1 补种装置结构参数优化试验因素与水平Table 1 Experimental factors and levels of structural parameters optimization of reseeding device

为分析种薯在补种装置内的堵塞率，获得较优的张角和倾角参数，开展张角与倾角对补种性能影响的两因素试验。张角设60°、75°、90°、105°、120°共5个水平，倾角设20°、30°、40°共3个水平。试验中控制电磁铁开关闭合100次为一组，每组组重复3次，记录补种成功数量、堵塞次数和漏补次数。

4.3 试验结果及分析

4.3.1漏播检测系统精度试验

漫反射光电开关传感器的漏播检测精度见表2。当勺链线速度为0.25 m/s时，马铃薯漏播检测系统平均检测精度为96.54%。播种数量检测相对误差为0.78%，漏播率的检测相对误差为3.46%，表明漏播检测精度比较稳定，在不同的排种数量条件下漏播检测精度均较高，能够准确检测马铃薯的漏播状态。

表2 漫反射光电开关传感器漏播检测精度Table 2 Detection accuracy of the miss-seeding monitoring of the counter beam laser sensor

4.3.2补种适应性试验

不同mos管通断时间的补种合格率见表3。当通断时间较短时，击打棒未完全击打到马铃薯便已复位，造成击打力度不够，不能将马铃薯从V型补薯口击打至种勺上，降低了补种合格率；当通断时间较长时，在排种链运动速度较快的情况下不能及时将种薯击打至种勺处，也造成补种率较小。当mos管通断时间为250 ms，排种链线速度为0.25 m/s时，补种合格率达到98.67%；在排种链线速度为0.20～0.40 m/s时，mos管通断时间为250 ms的补种合格率高于89.0%，补种效果较好。

表3 不同mos管通断时间的补种合格率Table 3 Reseeding qualified rate under various electrification time %

4.3.3补种装置结构优化试验

补种装置结构优化试验结果表明，击打棒形状、直径和长度对击打合格率有显著影响，圆柱形的击打成功率均高于圆锥形和圆形(表4)。当击打棒形状为圆柱形、直径为30 mm、长度为50 mm时，击打成功率为97.4%，满足补种击打的要求。当mos管通断时间为250 ms，排种链线速度为0.25 m/s时，V型导种槽的张角α和倾角β对补种性能有显著影响(图10)；当倾角β为20°和30°时，补种合格率随张角增加先增加后降低。当张角α和倾角β分别为90°和30°时，补种合格率为95.33%，漏补率和堵塞率分别为1.0%和0.67%，补种性能较优。

表4 补种装置结构优化试验结果Table 4 Experimental results on structure optimization of reseeding device

图10 V型导种槽张角(α)和倾角(β)对补种性能的影响Fig.10 Effects of field angle (α) and inclination angle (β) on reseeding performance

5 结 论

本研究针对勺链式马铃薯播种机漏播率较高的问题，提出一种以“错位定位法”为核心的马铃薯漏播检测方法，设计永磁铁阵列、霍尔传感器和漫反射光电开关传感器组成的马铃薯漏播检测系统，检测精度达96.54%；设计了V型补种轨道导向与电磁铁击打结合的补种装置，击打棒形状为圆柱形、直径30 mm、长度50 mm时，击打成功率为97.4%；V型导种槽张角和倾角分别为90°和30°时，补种合格率为95.33%，漏补率和堵塞率分别为1.0%和0.67%。排种链运动速度为0.20～0.40 m/s时，mos管通断时间为250 ms时的补种合格率高于89.0%，漏播检测与补种性能稳定，有效降低了马铃薯漏播率。