基于红外检测技术的精播机设计.pdf
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1、基 于 红 外 检 测 技 术 的 精 播 机 设 计师晓琳(河南轻工职业学院,郑州450000)摘 要:为了实现播种间距的精确控制,基于曲柄摇杆机构和红外检测技术,设计了精播机。变量播种器基于曲柄摇杆机构设计,通过步进电机带动丝杆,改变曲柄长度实现传动比改变,进而控制播种间距。建立了变量播种器传动比和播种间距模型,进而建立变量播种器步进电机角位移和播种间距模型,实现播种间距控制。采用两组红外传感器设计播种间距检测系统,当有种子下落时,记录相邻两下落种子时间间隔 t,结合播种机前进速度,计算红外检测播种间距。对红外检测系统和播种间距控制系统进行测试,结果表明:检测率分布区间为 97%99%,播
2、种合格率分布区间为 96%91%,变异系数分布区间为 6.2%13%。关键词:播种机;红外检测;播种间距;曲柄摇杆中图分类号:S223.2+5 文献标识码:A 文章编号:1003-188X(2023)12-0120-050 引言株距对于植株健康生长至关重要。株距过大,造成土地资源浪费,单位面积产量下降,直接影响农民收入1-2;株距过密,叶片相互遮盖,造成下层叶片无法充分进行光合作用3-4,导致植物的茎秆和叶片快速伸长,分枝减少,提前开花,进而造成产量降低。因此,适当的作物种植间距对于提高作物品质至关重要5-6。目前,主流精播机可以做到定间距精准播种,但改变播种间距的过程相对复杂,需要人工干预,
3、同时对于播种间距缺乏有效的监控,整个系统为开环控制7-8。本系统利用曲柄摇杆机构设计变量播种器,并实现自动控制,采用红外检测系统实时监控实际播种间距9,并指导变量播种器调整传动比,形成闭环控制系统,实现高精度的变间距播种。1 系统组成为了实现可变播种间距,设计了精播机系统,结构如图 1 所示。其中,牵引架和拖拉机相连接,提供前进动力;地轮与土壤接触,负责提供播种驱动力。地轮的动力输入轴通过链传动和动力传动轴相连,传动比为 irc;动力传动轴采用链传动和变量播种器输入轴相连,传动为 icd;变量播种器输出轴和动力输出轴采用链传动相连,传动比为 idc;动力输出轴和排种轴收稿日期:2021-05-
4、27基金项目:国家重点研发计划项目(2019YFB1706300)作者简介:师晓琳(1985-),女,河北磁县人,讲师,硕士,(E-mail)anmpazh378284 。采用链传动相连,传动比为 icp。变量播种器传动比 id可以调节,实现动力输入轴到排种轴的总传动比 irp改变,进而改变播种间距 l。红外检测器位于排种器下方,当有种子下落时记录相邻两种子下落的时间间隔t,结合播种机前进速度计算红外检测播种间距,进而控制变量播种器改变传动比,调整播种间距。1.牵引架 2.排种器 3.红外检测器 4.地轮5.动力输入轴 6.动力传动轴 7.变量播种器 8.动力输出轴图 1 系统组成Fig.1
5、Structure of system2 变量播种系统依据土壤等环境因素,合理调整播种间距,可以有效改善植物的生长情况。系统采用曲柄摇杆机构,设计调试机构;通过步进电机带动丝杆,调整曲柄杆长改变变量播种器传动比,进而实现播种间距的改变;采用试验法,建立传动比与播种间距的模型、丝杠角位移和播种间距的模型;最后,采用油菜作为样本,探究播种间距对于油菜品质的影响。0212023 年 12 月 农 机 化 研 究第 12 期2.1 变量播种器设计变株距播种系统通过地轮与土壤纯摩擦获得前进速度 v,同时为播种轴提供动力;变量播种器改变地轮到播种轴之间的传动比,进而改变播种株距。变量播种器基于曲柄摇杆机构
6、进行设计,其原理如图 2所示。图 2 变量播种器设计Fig.2 Design of variable seeder图 2 中,动力从曲柄端输入,输出轴为摇杆中心D,整个系统由 4 组均布曲柄摇杆组成。摇杆摆角 大于超越离合器动力输出角度,当动力输入轴处于匀速转动时,第 1 组曲柄摆杆中摇杆摆角增长到超越离合器动力输出角时,下一组曲柄摇杆开始工作,实现动力的不间断输出。变量播种器通过步进电机带动丝杆,改变 B 点位置,进而改变曲柄长度,实现变量播种器传动比的改变。当输入轴转动 1 周时,输出轴转动 1 个摇杆摆角,则整个变量播种器传动比 id如式(1)所示。改变曲柄 r 长度,进而改变摇杆摆角,
7、实现变速。id=360(1)整个传动系统工作过程为:动力传动轴采用链传动与动力传动轴相连,传动比为 irc;动力传动轴采用链传动和变量播种器输入轴相连,传动为 icd;经过变量播种器传动比为 id,和动力输出轴相连,传动比为idc;动力输出轴采用链传动和排种轴连接,传动比为icp,则该系统总传动比 irp如式(2)所示。其中,n0为地轮转速;np为排种轴转速。irp=n0np=ircicdididcicp(2)当播种机前进速度为 v 时,地轮转速 n0与前进速度 v 之间的关系如式(3)所示。其中,速度 v 单位为km/h;n0单位为 r/min;D 为地轮直径,则排种轴转速如式(4)所示,播
8、种间距 l 如式(5)所示。其中,c 为排种器上一周分布的排种孔个数。由式(5)可知,播种间距 l 和变量播种器传动比 id呈线性关系。n0=106v60D(3)np=106v60Dircicdididcicp(4)l=vcnp=Dircicdidcicpcid(5)2.2 变量播种系统标定由式(5)可知:通过改变变量播种器的传动比 id,即可实现对于播种间距的调整。变量播种器的传动比 id调整方法如下:变量播种器控制步进电机带动丝杆转动,实现滑块位置的改变;滑块位置的改变造成曲柄长度发生变化,柄摇杆机构中曲柄长度改变会造成摇杆摆角 改变,从而实现传动比 id改变。因此,本系统通过控制步进电机
9、角位移实现对于播种间距 l 的控制。现对系统进行标定,建立播种间距 l 和传动比 id之间的模型,进而建立步进电机角位移 与播种间距 l 之间的模型。利用变量播种机进行变间距播种作业,探究播种间距 l 和变量播种器传动比 id之间的关系;变量播种器通过步进电机带动丝杠转动改变传动比 id,进而改变播种间距 l,探究步进电机角位移和播种间距之间的关系。实地测试得到播种间距 l 及其对应的传动比id数据如图 3 所示。对数据进行线性拟合,结果如式(6)所示,线性决定系数 R2达到 0.99。id=0.57l(6)步进电机角位移 和播种间距之间的关系如图 3中圆点数据所示,呈多项式分布特点。对其进行
10、二次多项式拟合,结果如式(7)所示。其拟合决定系数 R2=0.98,表明该模型具有较强的可靠性。=0.1336l2-47.08l+4521.8(7)图 3 变量播种系统标定Fig.3 The calibration for variable seeding system1212023 年 12 月 农 机 化 研 究第 12 期2.3 种植密度对于作物品质的影响植株播种间距决定种植密度。当植株密度过小时,会造成土地资源浪费;过大时,会造成通风透光不足,植株下部叶片相互遮挡,光合作用变差,且由于通风性能变差,呼吸作用变弱,导致病虫害高发。因此,适当的种植密度对于作物生长至关重要。现以榨油用油菜为
11、例,探究种植密度对于植株生长的影响。菜籽油油品评价关键指标包括含油量、芥酸含量和硫代葡萄糖苷10-11。其含油量越高,油菜品质越好;芥酸过多会引起血管壁增厚和心肌脂肪沉积,不利于人体健康;硫代葡萄糖苷具有调整内分泌和防癌症作用,现以含油量、芥酸含量和硫代葡萄糖来苷表征油菜品质12。不同种植密度的油菜品质如图 4 所示。设置种植密度区间为 10 万 45 万株/hm2。其中,含油量随着种植密度的提高呈现出先升高后下降趋势:在 10万25 万株/hm2时,随着种植密度的提高,含油量呈升高趋势;在 25 万株/hm2时,含油量达到 39.52%。芥酸含量随着种植密度增长呈现先升高后小幅下降再继续升高
12、的趋势,分布区间为 17.8%19.7%。硫代葡萄糖苷随着种植密度升高整体呈现下降趋势:在10 万25 万株/hm2时,缓慢下降;在 30 万35 万株/hm2时,出现小幅上升;在 35 万 45 万株/hm2时,含量快速下降。综合考虑 3 种物质随种植密度的变化趋势,认定 20 万25 万株/hm2为油菜最适宜种植密度,其含油量为 39.21%39.52%,芥酸含量为 18.57%18.51%,硫代葡萄糖苷含量为 18.97%18.67mol/g。图 4 种植密度对于植株生长影响Fig.4 The planting density effect on plant growth3 红外检测系统
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