播种下压力实时监测装置及监测方法与流程

本发明实施例涉及农业智能装备技术领域，尤其涉及一种播种下压力实时监测装置及监测方法。

背景技术：

播种作业中，单体仿形机构对地压力直接关系后期幼苗生长发育情况。研究表明，如果压力过小，会导致植株的根系过浅；如果压力过大，则会造成根系附近土壤的过度压实，限制根系生长，两者都会导致产量损失。此外，适宜的播种下压力还可以提高播种开沟质量，形成“上松下实”的土壤耕层环境，增加土壤含水率，提高种子出苗质量和后期发育。因此，对播种单体压力动态监测和控制显得尤为重要。

现有播种单体主要通过限深装置推动一个能随地面起伏仿形的平行四杆机构来控制播深，由于土壤条件、地表状况千差万别，所需的拉簧个数和预紧力也不同，使用、调整起来很不方便，而且最重要的是不能实时检测并调控仿形轮的对地压力。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种播种下压力实时监测装置及监测方法，用以解决现有技术中控制播种下压力准确度较低的问题，实现播种下压力的精确监测和控制。

本发明实施例提供一种播种下压力实时监测装置，包括：压力传感器、限深臂角度测量机构和下压力预测模块；在限深块的机架处开设有贯穿所述限深块和所述机架的通孔，所述压力传感器固定设置在所述通孔内，用于检测所述限深块对限深臂在竖直方向上的作用力；所述限深臂角度测量机构与限深臂相连，用于检测所述限深臂的旋转角度；所述下压力预测模块分别与所述压力传感器及所述限深臂角度测量机构相连，用于根据所述限深块对限深臂在竖直方向上的作用力及所述限深臂的旋转角度获取播种下压力值；所述限深块的一端与播深调节摇杆相连，所述限深块的另一端与所述限深臂的侧壁接触。

本发明实施例提供一种播种下压力实时监测方法，包括：根据实时获取的限深块对限深臂在竖直方向的作用力以及限深臂的旋转角度，利用下压力预测模型实时获取播种下压力值；所述下压力预测模型基于限深块对限深臂在竖直方向的作用力、限深臂的旋转角度及对应的实际播种下压力值获得。

本发明实施例提供的播种下压力实时监测装置及监测方法，通过压力传感器获取限深块对限深臂在竖直方向上的作用力，通过限深臂角度测量机构获取限深臂的旋转角度，以及通过下压力预测模块根据限深块对限深臂在竖直方向上的作用力和限深臂的旋转角度得到播种下压力值，提高了播种下压力的监测精度，为后期播种下压力的精准控制提供技术支撑。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的播种下压力实时监测装置的一个优选实施例的结构示意图；

图2为本发明提供的轴销传感器的一个优选实施例的结构示意图；

图3为本发明提供的轴销传感器的安装图；

图4为本发明提供的限深臂角度测量机构的结构示意图；

图5为图4所示的限深臂角度测量机构的剖视图；

图6为本发明提供的限深臂角度测量机构的安装图；

图7a为本发明提供的限深块受力分析图；

图7b为图7a中截面a-a的剖视图；

图8为本发明提供的限深臂摆动示意图；

其中，1-机架；21-销轴固定片；22-轴销压力传感器；3-播深调节摇杆；4-限深臂角度测量机构；41-第一传感器套；42-第一传感器；43-联轴器；44-联轴器套；45-连接件；47-调节孔；48-圆弧孔；5-限深轮；6-限深臂；7-限深块；8-摆臂销轴。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1：

图1为本发明提供的播种下压力实时监测装置的一个优选实施例的结构示意图，如图1所示，该播种下压力实时监测装置包括：压力传感器、限深臂角度测量机构4和下压力预测模块；限深块7的机架1处开设有贯穿限深块7和机架1的通孔，压力传感器固定设置在通孔内，用于检测限深块7对限深臂6在竖直方向上的作用力；限深臂角度测量机构4与限深臂6相连，用于检测限深臂6的旋转角度；下压力预测模块分别与压力传感器及限深臂角度测量机构4相连，用于根据限深块7对限深臂6在竖直方向上的作用力及限深臂6的旋转角度获取播种下压力值；限深块7的一端与播深调节摇杆3相连，限深块7的另一端与限深臂6的侧壁接触。

具体地，在限深块7的机架1处开设有贯穿限深块7和机架1的通孔，且将压力传感器固定设置在该通孔内，例如，该压力传感器为轴销压力传感器22，例如，该轴销压力传感器22上设有应变片，如图2所示；例如，将该轴销压力传感器22的端部通过销轴固定片21与机架1相连，如图3所示，则可限制轴销压力传感器22的转动，实现轴销压力传感器22受力方向的固定，进而可以较准确的测量限深块7对轴销压力传感器22在竖直方向的受力值。且限深块7的一端与播深调节摇杆3相连，限深块7的另一端与限深臂6的侧壁接触，则可通过旋转播深调节摇杆3，带动限深块7绕轴销压力传感器22转动，改变限深块7位置，进而改变限深臂6的上限位，实现播种深度的限定。

以及，将限深臂角度测量机构4与限深臂6相连，例如，二者的连接关系为固定连接或可拆卸连接等，则可通过该限深臂角度测量机构4检测限深臂6的旋转角度。且将下压力预测模块分别与压力传感器及限深臂角度测量机构4相连，例如，该连接关系为电连接等，则下压力预测模块可以实时获取到压力传感器和限深臂角度测量机构4的测量值，即下压力预测模块可以实时获取到压力传感器检测的限深块7对限深臂6在竖直方向上的作用力，以及下压力预测模块可以实时获取到限深臂角度测量机构4检测的限深臂6的旋转角度；使得下压力预测模块可以根据该限深块7对限深臂6在竖直方向上的作用力和限深臂6的旋转角度得到播种下压力值，实现对播种下压力值的实时监测。

在本实施例中，通过压力传感器获取限深块7对限深臂6在竖直方向上的作用力，通过限深臂角度测量机构4获取限深臂6的旋转角度，以及通过下压力预测模块根据限深块7对限深臂6在竖直方向上的作用力和限深臂6的旋转角度得到播种下压力值，提高了播种下压力的监测精度，为后期播种下压力的精准控制提供技术支撑。

进一步地，所述限深臂角度测量机构4包括：第一传感器42；限深臂6可旋转地套设在摆臂销轴8外，摆臂销轴8的一端与机架1固定连接；第一传感器42的转动轴与摆臂销轴8的另一端相连，用于检测限深臂6的旋转角度。例如，该第一传感器42为角度传感器或倾角传感器等，即只要该第一传感器42可以检测到限深臂6的旋转角度，其可以为任意结构形式的传感器。以及，限深臂6可旋转地套设在摆臂销轴8外，且摆臂销轴8的一端与机架1固定连接，则当旋转播深调节摇杆3带动限深块7绕轴销压力传感器22转动时，该限深臂6可绕摆臂销轴8发生转动。且将第一传感器42的转动轴与摆臂线轴的另一端相连，则可通过该第一传感器42检测限深臂6的旋转角度。

进一步地，如图4至图6所示，限深臂角度测量机构4还包括：联轴器43和连接件45；第一传感器42的转动轴、联轴器43及连接件45依次相连，且连接件45远离联轴器43的一端与摆臂销轴8的另一端相连。例如，该连接件45为连接螺栓等。例如，第一传感器42的转动轴、联轴器43及连接件45的连接关系为固定连接或可拆卸连接等。且连接件45远离联轴器43的一端与摆臂销轴8的另一端相连，如图6所示；例如，二者的连接关系为固定连接或可拆卸连接等，则可通过联轴器43和连接件45保证第一传感器42与摆臂销轴8的同轴度，使得第一传感器42能够较准确的检测限深臂6的旋转角度。

进一步地，所述限深臂角度测量机构4还包括：联轴器套44和第一传感器套41；联轴器套44套设在联轴器43外，第一传感器套41套设在第一传感器42外；联轴器套44的一端与限深臂6相连，另一端与第一传感器42及第一传感器套41相连。即，联轴器套44将限深臂6与第一传感器42固定，例如，联轴器套44通过螺钉等与第一传感器42上的安装孔相连，则该联轴器套44在保护联轴器43的同时，还可防止播种机作业过程中尘土进入第一传感器42，影响第一传感器42的转动轴转动。且将第一传感器套41套设在第一传感器42外，起到保护第一传感器42的作用，避免第一传感器42与其他部件磕碰；以及将该第一传感器套41的连接端与联轴器套44的另一端相连，例如，二者的连接关系为固定连接或可拆卸连接等。则通过该限深臂角度测量机构4将限深臂6的转动转化为第一传感器42的转动，可以直接获取到转动角度，提高了测量精度和便捷性。

进一步地，如图4所示，联轴器套44的侧壁上开设有多个调节孔47；和/或，联轴器套44靠近摆臂销轴8的端部开设有圆弧孔48。通过在联轴器套44的侧壁上开设多个调节孔47，即在联轴器套44上与联轴器43相对的位置开设多个调节孔47，可在安装过程中利用该调节孔47对联轴器43进行调节和紧固，使得联轴器43的安装过程较方便。在连接轴套靠近摆臂销轴8的端部开设圆弧孔48，以便在一定范围内调节第一传感器42的信号输出范围，即可以在圆弧孔48的弧长范围内调节第一传感器42的信号输出范围。

另外，该下压力预测模块可以设在上位机或播种机内，即只要该下压力预测模块可以根据限深块对限深臂在竖直方向上的作用力及限深臂的旋转角度获取播种下压力值，其可以设置在任意位置。另外，若下压力预测模块设置在上位机内，可以通过信号采集控制卡将上位机分别与压力传感器和限深臂角度测量机构4电连接，即，信号采集控制卡的采集端分别与压力传感器和限深臂角度测量机构4电连接，信号采集控制卡的输出端与上位机相连。则，信号采集控制卡的采集端用于采集压力传感器和第一传感器42的信号，即采集限位块对轴销压力传感器22在竖直方向的作用力和限深臂6的旋转角度；信号采集卡的输出端与上位机可以通过串口/can/无线通讯连接，将采集到的限位块对轴销压力传感器22在竖直方向的作用力和限深臂6的旋转角度输送至上位机内的下压力预测模块，以使下压力预测模块根据限位块对轴销压力传感器22在竖直方向的作用力和限深臂6的旋转角度获取播种下压力值。另外，还可在上位机内设置显示模块，该显示模块用于实时显示获取的播种下压力值。

在播种机的实际工作中需要监测播种下压力时，上位机发送指令给信号采集控制卡，使得信号采集控制卡采集轴销压力传感器22的检测值和第一传感器42的检测值，即信号采集控制卡采集到限位块对轴销压力传感器22在竖直方向上的作用力和限深臂6的旋转角度；之后采集卡将数据返回给上位机，上位机解析数据信号后，利用所建的下压力预测模型进行计算，得到播种单体实时的播种下压力值，并显示在上位机界面上，实现不同播种深度设定下，播种下压力的精确测量，为后续播种下压力的精准控制提供技术支撑。

实施例2：

本发明还提供一种播种下压力实时监测方法，包括：根据实时获取的限深块7对限深臂6在竖直方向上的作用力以及限深臂6的旋转角度，利用下压力预测模型实时获取播种下压力值；下压力预测模型基于限深块7对限深臂6在竖直方向上的作用力、限深臂6的旋转角度及对应的实际播种下压力值获得。

具体地，播种单体中的限深块7的一端与播深调节摇杆3相连，限深块7的另一端与限深臂6的侧壁接触，则通过摇动播深调节摇杆3带动限深块7摆动，进而改变限深臂6的上限位，达到调节播种深度目的。在对播种下压力进行实时监测之前，首先获取限深块7对限深臂6在竖直方向上的作用力和限深臂6的旋转角度，以及获取与该作用力和旋转角度对应的实际播种下压力值，例如，通过角度传感器或倾角传感器测量限深臂6的旋转角度；之后，利用限深块7对限深臂6在竖直方向上的作用力、限深臂6的旋转角度和实际播种下压力值进行建模得到下压力预测模型。则在对播种下压力进行实时监测时，只要采集到限深块7对限深臂6在竖直方向的作用力以及限深臂6的旋转角度，并将采集的限深块7对限深臂6在竖直方向的作用力和限深臂6的旋转角度输入下压力预测模型内，即可得到播种下压力值；如此即可实现对播种下压力的实时监测，即，实现不同播种深度下，播种下压力的精确测量。

在本发明实施例中，通过下压力预测模型根据限深块7对限深臂6在竖直方向上的作用力和限深臂6的旋转角度实时获取播种状态下的播种下压力值，达到提高播种下压力的检测精度，进而提高种子出苗质量和后期生长质量。

进一步地，限深块7对限深臂6的作用力的获取步骤包括：在限深块7处的机架1处开设贯穿机架1和限深块7的通孔，将压力传感器固定设置在通孔内；采集限深块7对压力传感器在竖直方向的作用力，以获得限深块7对限深臂6在竖直方向的作用力。

具体地，在限深块7处的机架1处开设贯穿机架1和限深块7的通孔，将压力传感器固定在该通孔内，例如，该压力传感器为轴销压力传感器22，例如，该轴销压力传感器22上设有应变片，如图2所示；例如，将该轴销压力传感器22的端部通过销轴固定片21与机架1相连，即，该轴销压力传感器22的端部通过螺栓与销轴固定片21相连，销轴固定片21与机架1固定连接，如图3所示，则可限制轴销压力传感器22的转动，实现轴销压力传感器22受力方向的固定，进而可以较准确的测量限深块7对轴销压力传感器22在竖直方向的受力值。通过实时采集压力传感器的检测值，即压力传感器的检测值为限深块7对压力传感器的作用力，即可以实时采集到限深块7对压力传感器在竖直方向的作用力，从而可得到限深块7对限深臂6在竖直方向的作用力，即限深块7对压力传感器在竖直方向的作用力等于限深块7对限深臂6在竖直方向的作用力，如图7a和7b所示，进而可以得到限深轮5对地面的播种下压力。

限深块7的受力情况如图7a所示，即限深块7受到限深臂6对其的反作用力f1'，播深调节摇杆3对其的作用力f2，以及轴销压力传感器22对其的作用力f3。其中，作用力f1'方向垂直于限深臂6，与f1大小相等，方向相反，f1为限深块7对限深臂6的作用力。此外，由于播深调节摇杆3与限深块7之间为螺旋运动，通过旋转播深调节摇杆3，使得限深块7绕轴销压力传感器22转动，改变限深块7位置实现播深限定，作用力f2方向水平向左。根据受力矢量图可知，轴销压力传感器22对限深块7的作用力可分为水平和竖直分量，其大小分别为

其中：f1'表示限深臂6对限深块7的作用力，其与f1大小相等，方向相反，n；f2表示播深调节摇杆3对限深块7的作用力，n；f3表示轴销压力传感器22对限深块7的作用力，n；f3x、f3y分别表示f3在水平方向和竖直方向的分量，n；f3y'为限深块7对轴销压力传感器22在竖直方向的反作用力，其与f3y大小相等，方向相反，n。

由上可知，检测轴销压力传感器22在竖直方向的作用力可间接获得限深块7对限深臂6的作用力；则由轴销压力传感器22在竖直方向的受力形变量来监测限深块7对限深臂6的作用力，进而可获得限深轮5对地面播种下压力。由图7b可知，轴销压力传感器22受到限深块7以及机架1对其竖直方向的作用力f3y'和f4，通过轴销固定片将轴销压力传感器22与机架1固定连接，以限制轴销压力传感器22的转动，保证了轴销压力传感器22竖直方向作用力检测的准确性，使得形变方向与受力方向一致。

进一步地，下压力预测模型为基于限深块7对限深臂6在竖直方向的作用力和限深臂6的旋转角度获取播种下压力值的二元二次方程。如图8所示，由于限深轮5力矩平衡，则f1l1-fwlscosθ＝0；由此可得到轴销压力传感器22在竖直方向的受力，f3y＝f1cosθ＝fwlscos²θ/l1；由于在调节播种深度的过程中，限深臂6与限深块7的接触点会相应发生改变，其相互作用力臂l1长度也会随之改变。且由f3y＝f1cosθ＝fwlscos²θ/l1可知，l1的改变会影响轴销压力传感器22竖直方向的检测值，为此需对限深臂6与限深块7的作用力臂进行求解。根据图8所示，利用三角函数计算得到力臂由此可得到轴销压力传感器22在竖直方向的受力大小：其中：r表示限深块7的摆动半径，m；r表示限深臂6与限深块7接触点距限深臂6轴线的距离，m；l1表示限深块7与限深臂6作用力臂的长度，m；ls表示限深臂6的长度，m；l表示轴销压力传感器22处与限深臂6铰接处的连线长度，m；α表示l与水平方向的夹角，°；θ表示限深臂6与机架1的夹角，°；fw表示地面对限深轮5的反作用力，即播种下压力，n。还可以根据需要的播种下压力，选定轴销压力传感器22的量程。

进一步地，限深臂6的旋转角度的获取方式包括：在限深臂6上设置限深臂角度测量机构4，以使限深臂角度测量机构4获取限深臂6的旋转角度；在限深块7上设置限深块角度测量机构，基于限深块角度测量机构检测的限深块7摆动角度获取限深臂6的旋转角度；或者，在限深块7上设置位移传感器，基于位移传感器检测的限深块7水平位移获得限深臂6的旋转角度。

具体地，根据图7a和图8所述，由于限深块7与限深臂6接触，根据几何关系可知，限深臂6的旋转角度等于限深块7的摆动角度，如图7a所示。或者，根据播深调节摇杆3的调节原理，即通过旋转播深调节摇杆3带动限深块7摆动，在该摆动过程中限深块7在水平方向上会发生位移，则可通过位移传感器检测限深块7的水平移动距离，例如，该位移传感器为线性位移传感器，进而通过限深块水平位移得到限深块的摆动角度，从而得到限深臂6的旋转角度。由此可知，限深臂6的旋转角度获取方式可以有多种：即，通过设置在限深臂6上的限深臂角度测量机构直接检测到限深臂6的旋转角度；通过设置在限深块7上的限深块角度测量机构检测到限深块7的摆动角度，进而间接得到限深臂的旋转角度；或者，通过设置在限深块上的位移传感器检测到限深块的水平位移，通过限深块的水平位移获取到限深块的摆动角度，从而得到限深臂的转动角度。然后，将该限深臂6的转动角度和限深块对限深臂在竖直方向上的作用力输入下压力预测模型，从而获取到播种下压力值。

例如，下压力预测模型为：fw＝a0+a1x+a2y+a3xy+a4x²+a5y²，其中，fw为播种下压力值；x为限深块7对限深臂6在竖直方向的作用力；y为限深臂6的旋转角度；a0，a1，a2，a3，a4，a5为常数，且常数a0，a1，a2，a3，a4，a5根据播种机的结构尺寸来确定。由公式可知，常数a0，a1，a2，a3，a4，a5根据播种机上轴销压力传感器与限深臂铰接处连接线的长度、限深臂的长度、限深块的摆动半径、限深臂与限深块接触点距离限深臂轴线的距离来确定。例如，可以将该下压力预测模型设置在与上位机内，并将上位机分别与角度传感器和轴销压力传感器22相连。

现以2bfq-6气力精密播种机为例进行举例说明，但并不用于限制本发明的保护范围。经过手动测绘得2bfq-6气力播种机单体的结构尺寸：l＝0.095m，r＝0.075m，r＝0.02m，α＝35°。而限深臂6由于限位片作用，其摆动角度θ工作范围为15～35°，限深臂6的长度ls＝0.25m。得到常数a0在170至180之间、a1在1至2之间、a2在-800至-700之间、a3在-2至-0.1之间、a4在0-2之间、a5在700至800之间；例如，建模得到该播种机的下压力预测模型为fw＝171.5+1.17x-756.9y-0.9616xy+732.1y²。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。