支持转速现场标定的玉米精密排种器电驱控制系统研究

针对现有玉米精密电驱排种控制系统无法快速适应多类型排种器排种控制的问题,在玉米CAN总线电动排种的基础上,设计了一种对玉米排种器排种驱动进行现场标定的电驱控制系统。系统在排种驱动电动机控制信号与排种盘转速之间的对应关系中,采用分段线性插值的方法现场获取排种器驱动曲线,实现排种盘转速标定与控制。以国产气吸式玉米精密排种器和指夹式玉米精密排种器为试验对象,在模拟车速下,对系统排种盘转速现场标定的控制准确性进行试验。电驱气吸式排种器排种盘转速控制性能试验中,株距设定为25 cm,车速设定为3~12 km/h(间隔3 km/h),结果表明,系统调节时间最长为0.80 s,稳态误差最大为0.81 r/min,控制精度最低为97.42%。电驱指夹式排种器排种盘转速控制性能试验中,株距分别设定为20、25、32 cm,车速设定为4~9 km/h(间隔1 km/h),结果表明,总体排种盘转速平均调节时间为1.09 s,标准差为0.26 s;总体平均稳态误差为0.38 r/min,标准差为0.23 r/min;总体平均控制精度为98.30%,标准差为1.01%。与分段PID排种转速控制系统控制性能进行对比得出,支持转速现场标定的系统具有更好的适应性,平均调节时间减少0.51 s,平均稳态误差增大0.16 r/min,平均控制精度降低0.63个百分点。选用指夹式排种器,进行了播种均匀性田间试验,株距为20 cm,车速范围为4~7 km/h(间隔1 km/h),结果表明,播种合格指数大于等于84.26%,变异系数小于等于18.29%,说明系统能够完成对玉米精密排种器排种转速控制曲线的高控制精度现场标定,能够精准控制电驱排种转速。     

支持种肥监测的变量施肥系统设计与试验

目前国内变量施肥控制系统与排肥监测系统集成化程度低,电动机驱动变量施肥系统动态响应研究不够深入。为此设计了基于电动机驱动、支持多路播种施肥监测的变量施肥控制系统,主要包括触摸屏、中央控制器和数据采集器。控制器以MCU为核心,读取GPS测速模块获取的机具行进速度,监测排肥电动机实时转速,与数据采集器通讯获取多路排种或施肥状态,与触摸屏通讯设置作业参数和监测作业状态。搭建试验平台,测得排肥轴转速范围为12.5~125 r/min、监测灵敏度为3 s时,系统监测可靠性为100%。进行了系统排肥量变化响应时间试验,室内试验结果表明在0~11 500 g/min的排肥量变化范围内,系统响应时间最大为0.75 s。系统整机试验中,75~450 kg/hm~2的施肥量变化区间,公差以75 kg/hm~2递增,行进速度平均为3.79 km/h时,系统响应时间平均为1.08 s;在设定施肥量450、600、750 kg/hm~2下,改变不同行进速度的过程中,排肥量准确率平均值分别为95.92%、95.24%和98.26%,方差分别为3.01%、1.39%和1.36%。田间试验表明,施肥量分别为450、600、750 kg/hm~2时,系统排肥量准确率平均值为94.69%,方差为2.23%,多路排种、排肥监测故障报警准确率为100%。     

基于双测速模式的玉米追肥机控制系统设计与试验

针对玉米追肥机北斗单点测速方式存在延时,造成测速准确性低的问题,提出了北斗单点测速与地轮测速相结合的双测速模式。搭建了玉米追肥机控制系统并开发配套控制界面,完成了双测速模式规则建立及控制器程序设计。重点对加减速过程判定与地轮稳定测速的速度范围进行了研究,试验确定了双测速模式切换条件,并验证了双测速模式的可行性。试验结果表明,地轮稳定测速的最大速度为6.0km/h,地轮测速队列长度N的最佳值为5,模式切换速度变异系数临界值为4.2%;3.5、5.5、6.0、8.0km/h 4种不同目标速度测速性能对比试验结果表明,双测速模式与北斗单点测速在加速阶段相对响应时间均值为1.6s,减速阶段均值为1.8s,实际施肥延时距离平均减小0.55m。田间施肥性能试验结果表明,双测速模式加速阶段速度切换造成的排肥转速差均值为1.5r/min,减速阶段排肥转速差在8.0km/h速度条件下最大,均值为7.1r/min。减速阶段控制结果表明,系统平均响应时间为1.3s,平均稳态误差均值为0.8r/min,系统平均超调量为8.7%。双测速模式切换准确率为100%,满足精准施肥的需要。     

玉米精密播种粒距在线监测与漏播预警系统研究

针对玉米精密播种粒距偏差导致播量分布不均匀的问题,设计了玉米精密播种粒距在线监测与漏播预警系统。该系统主要由车载计算机、排种监测ECU及相关传感器组成,设计了上位机监测软件和基于移动平均粒距在线监测的下位机程序,通过监测玉米精密播种作业过程中的粒距及其误差,完成漏播预警。首先,设计并进行了排种计数监测精度试验,结果表明,在模拟车速3～12 km/h范围内,以1 km/h递增变化的10个车速下,系统对指夹式排种器和气吸式排种器的排种计数监测平均准确率分别为99.12%、99.71%,标准差分别为0.52%、0.44%,总体排种计数监测误差平均值小于1%。其次,基于高速摄像的播种粒距测量试验台进行了实验室环境下的粒距监测精度试验,采用指夹式排种器进行排种,目标粒距为25 cm,在车速3～12 km/h范围内,以1 km/h为间隔的10个车速下,系统对粒距监测误差绝对值的平均值为2.34 cm,标准差为2.56 cm。针对试验结果存在较多的随机异常点问题,采用移动平均滤波对监测粒距进行分析,得出粒距监测误差绝对值的平均值为0.79 cm,标准差为0.62 cm,单车速下对应的粒距监测误差绝对值的平均值最大为1.69 cm,标准差为0.23 cm,经移动平均滤波处理后,粒距误差异常点明显减少,系统粒距监测误差小于2.00 cm。最后,基于气吸式玉米精密播种机设计了试验样机,设置播种车速为5.49、8.49 km/h,目标粒距为25 cm,进行了田间播种粒距监测精度试验,分别采集350个连续的出苗粒距进行对比分析,结果表明,与出苗粒距移动平均值相比,系统粒距监测误差的平均值分别为1.84、2.22 cm,标准差分别为1.61、2.13 cm,粒距监测值曲线与出苗粒距移动平均值曲线的变化趋势基本相同。     

基于卡尔曼滤波PID控制的精量排种器优化设计与试验

针对设施蔬菜种植过程存在漏播、重播问题,设计基于卡尔曼滤波PID控制技术的精量排种器。分别对排种器关键组件和监测装置进行结构设计,建立传感器实时监测车速信号的控制系统,同时以不同作物株距值共同作为控制依据,补偿融合卡尔曼滤波的PID控制方法,通过调控电机保持转速的稳定性,从而实现精量播种。仿真结果表明：卡尔曼滤波的引入,对噪声干扰起到良好抑制作用,可提高系统稳定性。以排种盘转速和行走速度为变量,以株距合格率、重播率、漏播率和株距变异系数为指标,进行两因素五水平的二次回归正交旋转组合试验。台架试验表明：在不同车速下,株距变异系数均在规定的≤35%指标范围内,排种盘转速为10 r/min,行走速度为1.6 km/h时,株距合格率为95.9%,重播率为2.9%,漏播率为1.9%,株距变异系数为12.1%,满足设施蔬菜的精量播种要求。     

锥面导流水平盘式小麦精量排种器设计与试验

为实现小麦低播量精密播种,提高小麦精密排种器播种精度,提出了一种锥面导流水平盘式小麦排种器,对关键参数进行了设计和理论分析,通过EDEM离散元软件完成了导条型式、型孔个数、锥盘转速、锥盘锥角对充种性能影响的单因素试验。在此基础上以锥盘转速、种层厚度和型孔长度为试验因素进行了多元二次回归旋转正交组合试验并应用Design-Expert 8.0.6软件对试验数据进行分析,得到回归模型和因素对指标影响关系,确定了对单粒率影响由大到小依次为锥盘转速、型孔长度和种层厚度;对合格率影响由大到小依次为锥盘转速、种层厚度和型孔长度,转速和种层厚度、种层厚度和型孔长度间存在交互作用。基于回归模型进行多目标参数优化并对最优组合参数进行排种性能的台架试验验证,结果表明,在转速19r/min、型孔长度8mm、种层厚度为8mm时排种合格率为90.13%、漏充率为9.87%、单粒率为49.50%,与仿真优化结果相吻合,验证了仿真优化结果的可靠性。与原锥盘排种器的性能对比试验表明,设计的锥面导流水平盘式排种器在速度为3、4、5km/h时,合格率分别提高了3.4、2.1、1.9个百分点,3km/h时破碎率降低了0.2个百分点,无论排种性能还是破碎率指标均优于原锥盘排种器。     

新型荞麦排种器排种性能

研制一种荞麦播种专用排种器，通过单因素台架试验，探究排种轴转速、阻种套单排孔数量及种床带速度对平均排量、各行排量一致性变异系数、总排量一致性变异系数、种子破碎率和播量均匀性变异系数的影响规律。当排种轴的转速为150～190 r/min时，各行排量一致性变异系数、总排量一致性变异系数、破碎率分别为0.22%～2.67%、0.69%～1.31%、0.27%～0.35%；阻种套单排孔数量为3、6和12时，总排量一致性变异系数分别为1.45%、1.00%、0.95%；种床带速度为4～9 km/h时，播量均匀性变异系数为28.87%～42.26%。当排种轴转速为150～190 r/min时，各行排量一致性变异系数、总排量一致性变异系数、种子破碎率符合性能指标要求；当阻种套单排孔数量为3、6和12时，总排量一致性变异系数符合性能指标要求；当种床带速度为4～9 km/h时，播量均匀性变异系数符合性能指标要求。排种轴转速、阻种套单排孔数量、种床带速度对排量有极显著的影响。      

玉米勺式排种器变速补种系统设计与试验

针对玉米勺式排种器出现的漏播问题,设计了一种变速补种系统,该系统采用光电传感器在偏离出种口20°位置进行提前检测,漏播发生时由步进电动机改变排种器转速越过空种槽达到实时补种的目的。为了使变速补种系统具有通用性,选取具有一定代表性的玉米籽粒外形形状品种:久龙5号(球形)、九单57(锥形)和郑单958(矩形),以不同转速作为试验因素,运用EDEM软件和排种器性能试验台进行排种性能研究。仿真结果表明:当转速不超过23.1 r/min时,排种性能受变速影响不超过2%,在转速达到27.7 r/min时,变速种子抖落现象明显;在转速达到32.3 r/min时,变速时种子会出现严重的抖落现象;试验结果表明:具有变速补种系统的勺式排种器转速处于13.9~23.1 r/min时,漏播率不超过1.4%,平均补种率达到89.95%,播种率达到98.7%。在转速为27.7 r/min时,比不具有变速补种系统的勺式排种器漏播指数降低10.4%,补种效果最为显著,在转速达到32.3 r/min时,补种效果不显著;3种玉米品种的排种性能优劣次序为:球形、矩形、锥形。     

双圆盘式固体肥料抛撒机抛撒性能试验

为增加有机质、氮、磷、钾等土壤养分,提升耕地质量总体水平,加大粪肥、有机肥施用量,提高抛撒效率及抛撒均匀性,研究了双圆盘式抛撒机作业速度、抛撒盘转速、排肥口开度3个因素对抛撒效率、抛撒均匀性的影响。试验结果表明:影响抛撒效率的因素主次顺序为作业速度＞排肥口开度＞抛撒盘转速,最优组合为作业速度6 km/h、排肥口开度70%、抛撒盘转速90 r/min;影响抛撒均匀性的因素主次顺序为作业速度＞抛撒盘转速＞排肥口开度,最优组合为作业速度6 km/h、抛撒盘转速120 r/min、排肥口开度70%。综合分析得知,抛撒作业速度是抛撒效率和抛撒均匀性的最大影响因素。      

负压驱动水稻精量直播排种器设计与试验研究

为满足目前农户和育种专家对水稻精量穴直播的农艺种植要求,减少育秧插秧环节的人工劳动强度,采用储种仓预充种、负压多孔吸种、高压气力排种与清堵等多种方式和技术,设计开发了一种气力圆盘式水稻穴精量直播排种器,并采用有限元分析软件Fluent15. 0分析了吸种孔的孔径、吸种盘厚度的对气室内部压强、气流速度的作用,进而研究对排种性能的影响。将开发的排种器在自行改造的试验台架上进行了正交试验,研究了吸种孔的尺寸、圆盘转速、负压真空度对排种器排种性能的影响。结果表明:影响排种器排种性能的主次因素依次为:吸种孔直径尺寸、吸种盘的转速和气室的真空度,确定了排种器较为合理的参数:对于圆柱型吸种孔,孔的直径为1.4 mm、转速为30～35 r/min、气室负压值为1. 2～1. 4 k Pa时达到育种要求。同时,对优化后的排种器(吸种盘转速35 r/min、吸种孔直径1. 4 mm和气室负压值1. 4 k Pa)进行台架试验,结果表明:播种合格率为84. 22%,重播率为8.81%,漏播率为5. 97%,满足JB/T 10293-2013《单粒(精密)播种机技术条件》中的参数指标。     

玉米大豆兼用腔盘组合孔式排种盘设计与充种性能试验

针对玉米大豆带状复合种植条件下传统机械式排种器不易实现二者兼用精量排种要求、现有气力式排种器排种速度提高因型孔漏充存在漏播断条等问题,设计了一种具有腔盘组合孔结构的排种盘,分析确定了排种盘关键结构参数,构建了吸附过程和吸运过程力学模型。应用EDEM离散元仿真与台架试验相结合的方法进行了排种盘型式优选试验,结果得出：腔盘组合孔式排种盘具有提高充种室种群定向运移平均速度和增大拖拽充种角的作用,有效抑制了型孔漏充率。以安装优选种盘的玉豆兼用排种器为对象,以机组前进速度和工作负压为试验因素,以漏充率和充种合格率为试验指标,采用二因素全因子试验设计开展了充种性能试验,结果表明：当机组前进速度为4.0～7.0 km/h、工作负压在3.0～4.0 kPa时,玉米和大豆种子漏充率均小于3.6%、充种合格率均不小于96%。田间验证试验表明,在机组前进速度为4.0～7.0 km/h、工作负压为3.0～4.0 kPa条件下,腔盘组合孔式排种盘的排种器播种玉米和大豆漏充率分别不大于3.8%、4.2%;当工作负压为3.0 kPa、机组前进速度为7.0 km/h时,自扰动腔盘组合孔式排种盘相比无扰动平面排种盘,播...     

小麦小区播种机排种控制系统设计与试验

为了提高小区播种机自动化水平,解决传统小区播种机械作业参数不易调节等问题,设计了一种基于STM32的小麦小区播种机排种控制系统。该系统主要由Android终端、STM32主控制系统、存种筒提升控制系统、锥体格盘控制系统以及分种器控制系统等组成,确定存种筒延迟落下时间,分别建立步进电机和直流电机调速模型,设计人机交互界面进行作业参数设置,实现了小区排种作业参数与实际作业需求的快速匹配。搭建室内试验台,以锥体格盘转速、分种器转速为试验因素,以行间均匀性变异系数为评价指标进行试验。试验结果表明,锥体格盘转速、分种器转速以及两者之间的交互作用对行间均匀性均有非常显著的影响;当锥体格盘转速为4 r/min、分种器转速为1 250 r/min时,行间均匀性变异系数均值为4. 53%,行间均匀性较好,且籽粒破碎率较低。该系统实现了小区排种作业精确控制,为小区播种的智能化控制提供了技术支撑。     

气力针式行星轮系窄行密植精密排种器设计与试验

针对菠菜等小粒径蔬菜种子采用窄行密植、播种均匀性要求高,缺乏适用播种技术装备的问题,设计了一种适用于菠菜等小粒径蔬菜种子密植精密播种的气力针式行星轮系多行并联低位投种精密排种器。阐述了排种器工作原理,构建吸种和投种环节种子力学模型,确定排种器主要结构参数;利用ADAMS软件仿真分析行星轮系排种机构吸种针的静轨迹和动轨迹,明确低位零速投种条件;开展排种器性能试验。排种试验结果表明,影响合格指数的主次顺序为排种转速、吸种负压和卸种正压,最佳参数组合为排种转速19.56r/min、吸种负压2.05kPa、卸种正压1.00kPa。经台架试验验证,其性能指标为合格指数均值91.48%、漏播指数均值4.28%、重播指数均值4.24%。投种试验结果表明,当投种正压为0.8~1.0kPa、工作转速为18~20r/min、投种高度小于200mm时,粒距变异系数不大于13.2%,工作性能较优。     

齿勺气送式芝麻精量集排器设计与试验

针对芝麻种子球形度低、流动性差导致排种过程充种稳定性差,难以实现精量播种的实际问题,基于芝麻的机械物理特性和播种农艺要求,设计了一种采用倾斜齿勺式型孔充种、气送辅助导种的芝麻精量集排器,确定了其主要结构参数,构建了充种、携种和投种环节中芝麻种子颗粒群的力学模型。应用EDEM开展了排种器排种性能仿真试验,采用三因素三水平正交试验与Box-Behnken响应面分析了型孔高度、型孔右壁倾角和齿勺倾角对排种性能的影响,结果表明,型孔高度为1.92 mm、型孔右壁倾角为8.4°、齿勺倾角为28.6°时,各行排量一致性变异系数和平均排种量分别为1.69%、3.7 g/min。以排种轴转速、种层充填高度为试验因素,以各行排量一致性变异系数、总排量稳定性变异系数为试验指标,进行排种性能二因素三水平试验,试验结果表明：排种轴转速15 r/min、种层充填高度10 mm时,各行排量一致性变异系数、总排量稳定性变异系数分别为1.62%、0.40%,排种性能较优。田间试验表明,机组作业速度为2.9 km/h时,芝麻平均种植密度为36株/m²,播种均匀性变异系数低于4%,满足芝麻田间播种要...     

油菜精量联合直播机随速播种控制系统设计与试验

针对传统油菜精量直播机多采用被动式地轮驱动排种器,高速时地轮易打滑,导致漏播、断条等现象,影响高速作业精量播种效果,且手动变速箱调整播量难以实现播种粒距、播量的精准调节等问题,设计了一种以STM32为主控器,通过蓝牙模块与手机端微信小程序进行实时数据交互的油菜随速播种控制系统。该系统采用地轮编码器和北斗接收器两种模式分别获取拖拉机低速和中高速作业时的前进速度,主控器分析各传感器数据并生成电机控制指令驱动闭环步进电机带动排种轴转动,实现排种轴转速与拖拉机前进速度匹配及无级播量调节;同时利用微信小程序设置目标粒距、传动比、地轮直径等参数以适用于不同类型播种机,并显示总播量、播种面积等关键参数;分析得出吸附种子临界负压为1477Pa,切换测速方式临界速度为3.7km/h,测速范围为1.44~12.77km/h,电机调速频率为5Hz。台架试验结果表明：随速播种控制系统播种性能优于恒定转速播种,播种速度2.6~7.8km/h时粒距合格指数大于87%。田间试验结果表明：本系统搭载一器双行正负气压组合式油菜精量排种器在作业速度为1.44~7.99km/h时播量误差小于3.9%、粒距合格率不低于84%,满足随速播种要求。     

PJZ-1型酿酒葡萄剪枝机设计与试验

我国酿酒葡萄栽培面积逐年增加,因气候条件酿酒葡萄进入冬季前需要进行剪枝作业,目前冬季剪枝作业主要以人工修剪为主,存在劳动强度大、效率低和成本高等问题。设计了一种适于酿酒葡萄冬季埋藤前的机械化修剪机具,该机主要由机架、自动避障装置和液压驱动的旋转式剪枝装置等组成。试验选取3年株龄的赤霞珠品种作为试验对象,以割刀转速和作业速度为试验因素进行酿酒葡萄田间剪枝试验。试验结果表明:当机具作业速度3.0 km/h,割刀转速2 000 r/min时,剪断率为98.3%;当机具作业速度3.0 km/h,割刀转速＞2 500 r/min时,剪断率为100%;当机具作业速度1.0~2.0 km/h,割刀转速2 000 r/min时,剪断率为100%;当作业速度4.0 km/h时,机具对酿酒葡萄剪枝作业的时间利用率86.4%时,机具的平均作业效率为0.05 hm2/h。该机具的各项性能指标均达到了设计要求,可有效地调节酿酒葡萄修剪的高度和宽度,并且具有自动避障功能,割刀转速2 000~3 000 r/min,作业速度1.0~5.0 km/h时,可以获得较高的枝条剪断率。      

新型荞麦排种器排种性能优化

确定了荞麦排种器的排种轴转速、单排阻种套孔数量及种床带速度对播量均匀性变异系数及区间种子平均粒数影响的先后顺序和最优因素组合。通过设计正交试验并利用极差法对正交试验结果进行分析,确定各因素对播量均匀性变异系数及区间种子平均粒数的影响程度及最优组合。使用极差法对变异系数的正交试验结果进行分析得RA=51.74、RB=2.95、RC=12.03;对平均粒数的正交试验结果进行分析可得RA=5.71、RB=1.25、RC=3.14。影响播量均匀性变异系数的先后顺序依次为阻种套单排孔数量、种床带速度及排种轴转速。影响平均粒数的先后顺序依次为阻种套单排孔数量、种床带速度及排种轴转速。在阻种套单排孔数量12、种床带速度5 km/h及转速160 r/min的条件下,荞麦排种器的播量均匀性变异系数达20.89%,为最佳指标。