宽幅水稻播种机精确埋深控制系统设计与试验

尹修杰 黄启辰 朱虹 李红亮

摘要：针对水田地面不平整导致的大型水稻播种机难以操控的问题，提出一种基于水田的水稻精确埋深控制系统。该系统由浮船传感器、电比例控制阀组、提升角位移传感器、控制装置组成。首先，设计一种基于浮船传感器的仿形控制系统，通过浮船传感器获取水田信息，并将其转化为PID控制参数。其次，通过PID控制电比例控制阀组，从而控制播种机的耕种深度。最后，由掩埋浮板对播种后水田的整形功能实现水稻精确埋深。试验结果表明：当播种机组行驶速度小于0.67 m/s时，宽幅播种机能够跟随浮船传感器浮动，且播种机开沟器不脱离水田表面的同时不陷入太深。当种子埋深平均值控制在20 mm±10 mm时，埋深合格率达96.7%，且降低拖拉机开芯式液压系统的液压油温度。

关键词：水田；宽幅水稻播种机；PID运算器；仿地形控制；播种机械

中图分类号：S223.2

文献标识码：A

文章编号：20955553 （2024） 02002007

收稿日期：2023年8月23日  修回日期：2023年12月17日

基金项目：山东省重点研发计划（重大科技创新工程）项目（2022CXGC020703）；山东省自然科学基金面上项目（ZR2021ME116）

第一作者：尹修杰，男，1970年生，山东济南人，博士，副教授；研究方向为智能农业装备技术。Email： ldyinxiujie@163.com

Design and experiment on precise sowing depth control system of largescale rice planter

Yin Xiujie1， Huang Qichen1， Zhu Hong1， Li Hongliang2

（1. School of Construction Machinery， Shandong Jiaotong University， Jinan， 250357， China;

2. Unit 32128， Jinan， 250300， China）

Abstract：

Aiming at the problem of difficult operation control of large rice planter due to the uneven surface of paddy fields， a precise planting depth control scheme applied in paddy field is proposed. The system of the planter is composed of a floating ship sensor， an electric proportional control valve group， a lifting angular sensor， a control device and a burying device with a floating plate. Firstly， a profiling control system based on the floating ship sensors is designed. The system acquires paddy field information through the floating ship sensors and converts it into PID arithmetic unit. Secondly， the PID arithmetic unit of the electroproportional control valve group is used to control the tilling depth of the seeder. Finally， the buried floating plate achieves the precise burying depth of rice by shaping the paddy field after sowing. The experiment result shows that when the driving speed of the seeder is less than 0.67 m/s， the wide seeder can follow the floating ship sensor to realize profiling， so as to ensure that the seeder ditcher does not separate from the paddy field surface and does not fall into the mud too deep. The test result shows that when the average seed burial depth is controlled at 20 mm±10 mm， the qualification rate of buried depth reaches 96.7%， and the hydraulic oil temperature of the tractor with open center hydraulic system is reduced.

Keywords：

paddy fields; widewidth rice planter; PID operator; terrain imitation control; seeding machinery

0 引言

仿地形技術可以有效地保证农作物耕深一致性，在农业机械上应用广泛［13］。在许多播种机上都设计了具有仿形功能的开沟器，实现了自动仿形，提高了种子埋深一致性。但这些多为机械式仿形，通常利用弹簧形变，采用单点单杆铰链式仿形机构、平行四杆仿形机构、多杆件双自由度仿形机构实现仿形功能，但在仿形过程中，随着地表的起伏，弹簧会产生压缩与伸长，对土壤的压力是实时变化的，导致仿形效果差［48］。为解决机械式仿形存在的问题，国外最早出现了基于机—电—液一体化技术的电液仿形系统，Suomi等［9］采用角度传感器和远程超声测距传感器检测地表高度，控制电液比例阀，输出相应的液压缸等执行机构，从而控制开沟深度恒定。Nielsen等［1012］开发了一种犁刀开沟器深度控制系统，控制系统播深稳定性显著高于传统播种机。

在收获机械方面，国内学者在收获机割台仿形自动控制方面做了相关研究。廖勇等［13］设计了一种割台高度仿地形自适应调节系统，通过位移传感器调整液压缸伸缩量来检测割台高度，但是缺少整机数据采集，精确度有待提高。

在薯类作物机械化收获方面，德国生产的GT170型马铃薯联合收获机，采用仿地形自动控制限深技术，控制系统由仿形轮、位移传感器、液压系统和控制器等组成，具有精准度和自动化程度高、稳定性好等特点。目前国内薯类收获机挖掘深度控制技术以机械式为主，熊佳等采用液压限深设计了一种木薯收获机挖深液压控制系统，实时仿形性有待提高，同时由于驾驶员需要经常观察地面状况做出调整，造成操作误差和劳动强度大。南春磊等基于单片机和红外测距传感器，设计了一种挖掘深度自动控制系统，其非接触式探测机构采集信息速度快，但容易受到地面状况扰动，受温度、水分等因素影响较大。

在水稻种植方面，在很多地方采用水稻直播取代插秧移栽。对于大地块而言，为实现快速播种作业，普遍采用宽幅水稻播种机进行水稻直播。宽幅水稻播种机由拖拉机三点悬挂挂接牵引，由拖拉机提升手柄操控播种机具的高度。由于水田淤泥下硬地存在前后、左右不平，播种作业过程中，会引起作业机组前后俯仰左右摇晃；导致水稻种子埋深极不均匀，对于大型农机具，拖拉机驾驶员很难保证这种精确的操作。

本文结合掩埋浮板的机械限位方法，提出一种基于浮船传感器探测水田地形的水稻播种机精确埋深控制方案，设计水稻播种机的电液压仿形系统，并进行试验研究。通过浮船传感器采集水田信息，设计仿形控制系统。运用PID控制算法对电比例控制阀组进行调节，确定影响播种埋深精度的关键参数，以解决水稻种子精确埋深控制问题和水稻播种机组在定量液压系统中使用电比例控制阀组容易发热问题。

1 系统组成及工作原理

如图1所示，水稻播种机组由拖拉机和8m宽水稻播种机组成，播种机由拖拉机三点悬挂挂接驱动。水稻播种机精确埋深控制系统由控制装置、提升电比例阀组、仿地形浮船传感器、提升角位移传感器、浮板掩埋装置组成。

工作原理：使用电比例液压阀组代替手动式提升分配器，以控制拖拉机提升油缸的升降［14］。如图2所示，一方面，提升角位移传感器置于拖拉机提升轴侧面，检测拖拉机提升轴角度，输出农机具耕深位置信息，与控制装置面板上耕深设置旋钮设定值相减得差值，经提升控制PID运算后，输出PWM控制电比例液压阀组，参与拖拉机悬挂机组耕深位置闭环控制［15］。另一方面，将浮船传感器置于播种机前方中间位置，用来检测播种机前方堆积淤泥的多少。浮船传感器输出水田地形信息，经比例缩放后得到仿形修正量，当仿形开关闭合时，该仿形修正量能够从提升控制PID输入端修正耕深设定值，进一步参与提升控制PID运算，实现播种机仿地形浮动控制。

通过在播种机的播种机构后方设置浮板掩埋装置，在播种机组行驶过程中，浮板往前推赶泥浆，对播种后的水田具有整形作用，只要仿形控制系统确保开沟器保持水田表面以下，随着播种机的行驶，经过浮板掩埋装置对水田泥浆的整形，即可实现精确地水稻种子埋深控制。

本文通过上述电比例仿形控制结合机械浮板掩埋装置的整形、限深作用，既保证了在水田中水稻种子的精确埋深，同时又大大降低对电比例仿形控制的精度要求，进一步降低了电比例液压阀的开启频率，降低了拖拉机定量式液压系统的发热量，为拖拉机开芯式液压系统应用比例控制打下基础。

2 关键部件设计

2.1 浮船传感器设计

浮船传感器用来检测播种机前方堆积淤泥的多少，淤泥堆积越多说明播种机下陷的越深；堆积淤泥越少，说明播种机相对于水田表面越浅。通过设定仿形基准，浮船在仿形基准的上下活动，活动范围由播种机的仿形幅度决定，根据地形和播种前整地条件，参照播种机的仿形参数，上、下仿形幅度通常为80～120 mm［1617］，考虑到播种机在水田行走中所堆积的淤泥高度，在水田中水稻播种机的上、下仿形量设置为180 mm。

如图3所示，浮船传感器主要由浮船、连杆机构、角度传感器组成，通过浮船与支架相连铰接点支撑上下摆动，通过连杆机构带动角度传感器转动，角度传感器输出信息，从而测量地形的变化。

其中连杆机构包括支架、浮船、连杆、摆杆、角度传感器安装于支架上，浮船后端与支架底部铰接连接，浮船前端与连杆底部铰接连接，浮船采用目前插秧机常用的仿形浮船，其前后铰接点距离L1设置为360mm。因此，浮船在基准附近上下摆动的角度用β表示，其中β的最大值

βlim=arcsinHL1=30°

（1）

式中：

βlim——

浮船在基准附近上下摆动角度的最大值；

L1——

浮船前后铰接点距离，由浮船长度决定，本文L1取值360 mm；

H——水稻播種机的上、下仿形量，mm。

图3中L2表示连杆长度，由浮船传感器在播种机上安装位置决定，L3表示摆杆长度，α表示角度传感器测量角度，本文设定L3=0.5×L1=180 mm，则α的角度范围为-60°～60°，选定角度传感器的量程为120°。

2.2 掩埋浮板限位装置设计

2.2.1 掩埋浮板限位装置方案设计

本文研究对象采用8 m宽32行水稻播种机，每一行播种机构可以实现开沟、播种、掩埋三个步骤。为保证水稻种子埋深的一致性，在整个机组仿形的基础上，设计了掩埋装置。基本原理如图4所示，播种机构由开沟器、播种管道、掩埋板组成，δ表示掩埋板下沿距离开沟器底面的距离，此距离即为水稻种子埋深，掩埋板在其沟槽内上下滑动10 mm的距离，δ±10 mm即是水稻种子埋深的控制精度，只要保证开沟器始终在水田土壤中，掩埋板具有向前赶泥浆，整形限深的作用，即可保证水稻种子的埋深始终在δ±10 mm范围内。

如果仿形控制系统控制开沟器陷入泥土太深，会导致整个水稻播种机前面堆积大量泥土，使播种机组牵引阻力增大，而使拖拉机熄火。另外，如果仿形控制系统控制开沟器离开水田表面以上，则水稻种子会直接撒到水田表面上，无法保证埋深控制。

综上所述，通过增加掩埋装置，在机械结构的精确尺寸保证下，对水稻播种机仿地形控制的要求大大降低，只要满足如下条件：（1）不脱离水田表面，（2）开沟器不能陷入泥土太深，否则会导致整个水稻播种机前面堆积大量泥土，播种机组牵引阻力增大，而使拖拉机熄火。

2.2.2 仿形控制精度分析

利用拖拉机液压悬挂升降水稻播种机，将水稻播种机置于水田表面上，则所对应的播种机相对拖拉机的提升位置为H0，要保证种子埋深20 mm，则所对应的播种机相对拖拉机的提升位置应下降到H1，使得：H0-H1≥20 mm。其中H1表示播种机实现仿地形控制的提升位置上限。下限是当播种机前面堆积大量泥土，使播种机组牵引阻力增大，导致拖拉机熄火时，所对应的相对拖拉机提升位置H2，因此，H2可以在通过不同的地块實地测试得到。根据以上分析，可以得到仿形控制系统的精度极限值

λlim=H1-H2

（2）

则仿形控制系统的精度λ取值满足式（3）。

λ≤λlim

（3）

λ取值越大，对仿地形控制系统的控制精度要求越低，因此，在达到水稻种子的精确埋深20 mm±10 mm的情况下，电比例液压阀组的使用频率越低，则拖拉机定量液压系统的发热量越低。

2.3 液压系统设计

播种机的仿形动作由播种机电控比例提升阀组控制拖拉机提升油缸实现，如图5所示，该阀组包括上升比例阀、下降比例阀、单向阀、三通压力补偿器和节流孔。当上升比例阀通电时，单作用油缸在压力油的作用下上升；调节比例电磁铁的通电电流，可以调节上升的速度；上升比例阀与三通压力补偿器配合，实现流量的分流：部分流量通往油缸，多余流量回油箱，实现油缸动作速度的比例控制。当下降比例阀通电时，单作用油缸在负载的作用下下降；调节比例电磁铁的通电电流，可以调节下降的速度。当上升比例阀和下降比例阀都不通电时，油缸在负载的作用下，下降比例阀和单向阀保持在无泄漏状态，静沉降小。

1.下降比例阀 2.单向阀 3.上升比例阀

4.分流阀 5.阻尼孔

本文试验车辆选用CF2204拖拉机，使用播种机电控比例提升阀组取代拖拉机原提升阀组，播种机电控比例提升阀组进油口P与拖拉机多路阀中间油口相连接，出油口A或A1接单作用油缸，回油口R和R1接油箱，测压口M装测压接头，以便测量压力。拖拉机提升油缸的数量为2，缸径φ为110 mm，行程为180 mm，系统压力为16 MPa，根据国家标准JB/T 5998—2007，最快提升时间不大于3 s。

故播种机电控比例提升阀组的最大设计流量

Q≥πD2Ln4T

（4）

式中：

n——提升油缸数量，取2；

D——提升油缸直径，取110 mm；

L——提升油缸行程，mm；

T——提升时间，s。

由式（4）计算可得播种机电控比例提升阀组的最大设计流量Q≥68.4 L/min，根据计算电控比例提升阀组各阀件选择设计压力：25 MPa。

2.4 播种机仿地形控制

如图6所示，播种机仿地形控制系统由控制装置、提升传感器、浮船传感器、电比例阀组组成。其中控制装置由控制面板和控制板组成，控制板负责采集传感器数据、面板数据、算法运算、输出控制等；在控制装置面板上设置提升挡位、停止挡位、下降挡位、浮动挡位，当操控手柄置于浮动挡位时，仿形比例控制器输出的控制量参与到提升闭环控制；当操控手柄置于非浮动挡位时，仿形比例控制器输出仿形修正量不参与提升闭环控制，浮船传感器不起作用。控制装置设置CAN总线、串口RS232总线，通过总线可以将所采集传感器信息及控制装置输出信息上传至上位机进行存储。

2.4.1 提升PID控制器设计

PID控制器是一种线性控制器，通过对偏差e（t）进行比例、积分和微分变换的控制，控制规律如式（5）所示。

u（t）=KPe（t）+1TI∫t0e（t）dt+TDde（t）dt

（5）

式中：

u（t）——PID控制器输出；

e（t）——

浮船传感器当前值与仿形基准的差值，取512；

KP——比例系数；

TI——积分时间常数；

TD——微分时间常数。

本文控制器在工作时，数据是系统采集的离散数据，故需将上述连续算法进行离散化，可求得离散PID控制增量表达式［18］，如式（6）所示。

Δu（k）=

KP［e（k）-e（k-1）］+KIe（k）+

KD［e（k）-2e（k-1）+e（k-2）］

（6）

式中：

KI——积分系数；

KD——微分系数。

根据本文控制板PWM的实际赋值范围为0～65535，传感器的输出信号为0～5 V，控制器A/D转换器采集范围为0～1024，因此提升传感器输出信号经数字化后均为0～1024。

本文PID控制器参数由PWM赋值范围和AD转换器范围初步确定：KP=65535/1024=64。根据经验取KD=KP/10=6.4，KI=KD/4=1.6。

2.4.2 仿形比例控制器设计

仿形比例控制是将浮船传感器输出信息反馈至提升PID输入端，本文采用比例控制，表达式如式（7）所示。

u（t）=KFe（t）

（7）

式中：

KF——仿形控制比例系数。

浮船传感器的输出信号为0～5 V，控制器模/数转换后，范围为0～1024。提升轴与播种机之间通过拖拉机三点悬挂相连接，由于三点悬挂传动比i的存在，则

KF=1i

（8）

本文取i=6［19］，代入式（8）得KF=1/6。

3 试验与分析

3.1 PID控制试验

3.1.1 PID控制试验内容

将浮船传感器安装于8 m宽水稻播种机中间位置，如图6（a）所示。将电比例控制阀组、提升传感器、控制装置安装在拖拉机上，8 m宽水稻播种机通过三点悬挂挂接到常发CF2204拖拉机上，本文所示控制装置通过串口RS232/USB数据线与电脑相连，控制装置实时地将所采集的传感器信息上传至电脑进行存储。

在平整地面上，拖拉机在水平面上垂直于道路放置，将播种机悬置于道路旁边沟渠上方，控制装置上电，操控控制面板手柄，將水稻播种机提至与道路齐平；通过笔记本电脑设置PID参数，分别对KP=70，KD=10，KI=1；KP=200、KD=10，KI=1；KP=200，KD=40，KI=1这3组参数进行测试；将控制装置面板手柄置于浮动位置，浮船后端铰接点快速上下摆动，同时电脑采集数据。在播种机控制器程序中，将浮船传感器输出数据乘以比例系数KF后和提升传感器数据均处理成0～1 000的范围内，便于比较。在Excel中将所测数据画成曲线如图7所示，研究当播种机仿地形控制系统出现最大偏差时，控制系统的修正性能。

3.1.2 PID控制试验结果

如图7（a）所示，当KP=70，KD=7，KI=1时，通过手动操控浮船传感器在仿形基准上下摆动，并且使用提升传感器来记录水稻播种机的仿形过程，从图7（a）可以看出，从仿形最高位置至最低位置，经过1.14 s完成，播种机从仿形最低位置至最高位置平均约2.1 s，系统无超调。其原因主要是受提升油缸活塞杆的影响，导致提升油缸下腔面积大于上腔面积，其下腔进油时响应速度小于上腔进油时相应速度。

如图7（b）所示，当KP=200，KD=10，KI=1时，播种机从仿形最低位置至最高位置平均约1.7 s；从仿形最高位置至最低位值，经过1 s左右时间完成，系统无超调。分析其原因，主要是PID参数比例作用放大以后，控制系统的响应提高，但是提升油缸活塞杆的影响仍然存在。

如图7（c）所示，当KP=200，KD=40，KI=1时，播种机从仿形最低位置至最高位置平均约1.5 s；从仿形最高位置至最低位置，经过1 s左右时间完成，系统无超调。分析其原因，主要是PID参数微分作用放大以后，偏差变化率作用增加，浮船传感器和提升传感器的差值对控制系统的响应提高。

另外，当KP=200，KD=40，KI=1时，手油门处于最大位置，播种机从仿形最低位置至最高位置最长耗时约1.5 s，该数据表明播种机组行驶速度小于1/1.5=0.67 m/s的情况下，播种机能够跟随浮船传感器仿地形浮动。缩小仿形修正量的范围可提高控制系统响应速度。

3.2 水稻播种机精确埋深控制试验

3.2.1 精确埋深控制试验内容

按照标准DB2111/T 0006—2021《水稻种植技术规范》，选择5月份水稻播种季节，在盐城大丰上海海丰农场进行测试，将水稻种子炒熟，使其不能发芽。对仿形控制系统控制精度λ分别取不同数值（表1），进行播种。播种过后，对应每一个λ值，分别连同泥土取播种样本，每组样本尺寸（长×宽×高）为300 mm×100 mm×50 mm。测量样本水稻种子的埋深，每个样本选择10个取样点进行取样，将埋深数据记录，计算种子埋深平均值、最大值、最小值及均方差，如表1所示；本文中定义控制系统仿形控制精度λ取值如下，例如：λ=10 mm±10 mm，即意味着种子埋深在10 mm上下波动10 mm以内，种子埋深取值在0～20 mm之间，即可满足λ=10 mm±10 mm的精度要求。在试验过程中，对应控制精度λ的不同数值，同时测试播种机组达到热平衡后的液压油温度，如表2所示，分析对液压系统发热的影响程度。

3.2.2 精确埋深控制试验结果

如表1所示，对应仿形控制系统的控制精度λ的不同数值，λ取值间隔5 mm。试验结果显示，种子埋深平均值控制在20 mm±20 mm以内时的合格率为96.7%，由此可以看出，8 m宽水稻播种机采用精确埋深控制技术后，可以根据水田下面硬地面的不平度改变自身姿态，可提高其作业性能指标，减少播种过程中的不合格率，从而增加经济效益。

如表2所示，在仿地形控制精度设置为10 mm±10 mm时，在机组热平衡后，温度达到91.8 ℃，主要原因在于拖拉机液压系统为定量系统，提升阀组改为电比例阀组后（图5），提升比例阀经常开启，总有一部分液压油会产生高压溢流，发热严重。通过不断地放大仿地形控制精度，当50 mm±50 mm，提升比例电磁阀开启频率大大减少，播种机组温度可以维持在75 ℃。但是因为三通压力补偿器的存在（图5），在卸载时，仍然存在一定的压差损失。因此相比于拖拉机原液压系统，发热量仍然偏高10 ℃左右。

4 结论

1）  本文针对水稻播种机在水田中，种子埋深难以保证均匀一致的问题，设计播种机仿地形精确埋深控制系统，通过试验验证该系统的有效性，在完全自动控制条件下，实现种子埋深20 mm±10 mm的设计目标。仿形控制系统的控制精度在10 mm±10 mm～50 mm±50 mm变化时，在掩埋浮板的作用下，种子埋深控制精度，几乎无明显变化。

2）  浮板掩埋装置，在完全保证设计目标的情况下，能够降低液压比例阀的开启频率，减少液压定量系统的发热量，确保液压油温在长时间工作条件下小于80 ℃。

3）  进行了模拟试验和田间试验，试验结果表明：在油门处于最大位置、仿形修正量约占拖拉机提升总量程的1/4左右的情況下，播种机从仿形最低位置至最高位值最长耗时约1.5 s。播种机组车辆行驶速度应该控制在小于0.67 m/s以下。缩小仿形修正量的范围可提高控制系统响应速度，下一步工作将进一步探究仿形修正量与机组行驶速度的匹配研究。

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