一种气吸式排种器吸盘吸种位置的自适应控制装置和方法与流程

本发明属于精密育秧播种技术领域，具体涉及一种气吸式排种器吸盘吸种位置的自适应控制装置和方法。

背景技术：

育苗移栽是我国主要的水稻种植方式，排种器则是实现机械化育苗播种的核心部件。气吸式盘式排种器主要由吸盘和振动种盘组成，它的作业效率高、伤种率低、每盘的播种量易于控制，是水稻毯状育秧播种的理想装置。通过给种盘施加小幅高频激振，种群在种盘内呈现离散状态，以减小摩擦阻力，是提高吸种精度的重要技术手段。排种器吸种过程中，合理控制负压吸盘与振动种盘在垂直方向的相对距离即吸盘的吸种位置是保证吸种率的重要因素。相对距离过大，种群不能有效进入吸种气流场中，漏吸率增加；相对距离过小则会造成重吸率增加，即一个吸孔吸附多个籽粒，此外，振动种盘内的种群还会与吸盘面板发生急剧碰撞，造成籽粒损伤和吸孔堵塞。

理想的吸种位置不仅取决于排种器的结构和工作参数，如吸孔直径、负压差、振动频率、振幅等，还受到振动种盘内种群的厚度和分布状态的影响。随着吸种－播种作业的进行，种盘内种群的数量连续减少，作业一段时间后，需要往种盘内添加种子，种群的数量又迅速增加，因此，种盘内的种群数量一直处于动态变化过程。给种盘施加激振虽然有利于减小摩擦阻力，但这也会增加种群的流动性，易于造成种群在种盘内分布的不均匀，某些区域种群厚度较大，某些区域种群厚度较小。目前的排种器普遍采用接近开关对吸盘的吸种位置进行定位，吸种位置固定，很难解决上述问题，连续吸种性能不稳定。因此，设计一种能够根据振动种盘内种群厚度和分布状态的变化，自适应控制吸盘的吸种位置的装置和方法，以提高播种精度，有着重要的理论研究意义和实用价值，目前未见有公开研究报道。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上述问题提供一种气吸式排种器吸盘吸种位置的自适应控制装置和方法，通过设计一种可以实现水平和垂直方向移动的吸盘运动机构，并用位移传感器对吸盘的垂直位移进行测量，采用称重传感器实时测量振动种盘不同区域的种群厚度，控制器采集吸盘垂直位移、种群厚度和排种器的结构、工作参数，然后根据建立的能够有效吸附籽粒的吸种位置控制模型，输出吸盘运动机构的控制信号，驱动吸盘运动到种盘上方适当位置进行吸种作业，从而提高排种器吸种性能。

本发明的技术方案是：一种气吸式排种器吸盘吸种位置的自适应控制装置，包括机架、限位开关、水平直线滑台模组、垂直直线滑台模组、位移传感器、直角支架、吸盘罩、吸盘面板、种盘、称重传感器、调节板、偏心曲柄滑块机构、直线滑台模组、监测板、信号处理器和控制器；

所述水平直线滑台模组和垂直直线滑台模组呈十字交叉的固定安装在机架的上部，限位开关安装在水平直线滑台模组上；所述直角支架的垂直端面固定安装在垂直直线滑台模组上，直角支架的水平端面与吸盘罩的上端面固定连接，所述气管通过法兰盘固定安装在吸盘罩中心位置的通孔中；

所述吸盘面板通过螺栓固定连接于吸盘罩的下端面；所述位移传感器的底座固定安装于垂直直线滑台模组上，位移传感器的测量杆固定连接于直角支架的水平端面，测量杆可以随直角支架作同步直线运动；所述种盘位于吸盘面板的下方，所述调节板位于种盘的下方；

所述偏心曲柄滑块机构的一端穿过调节板与种盘下方的中心位置连接，另一端固定在机架的底座；所述种盘在偏心曲柄滑块机构驱动下，沿着偏心曲柄滑块机构的导向轴套的轴线方向作往复振动；所述调节板的四端分别通过球头关节轴承固定支撑于四组直线滑台模组的滑块上，四组直线滑台模组分别固定安装在机架的上，并联控制四组直线滑台模组，可以改变调节板的法向角，调节种盘的振动方向；

所述种盘的底板上加工四个均匀列阵布置的监测窗口，四个称重传感器的安装端分别固定连接于种盘的底板下方，四个称重传感器的检测端分别安装监测板，监测板安装于监测窗口中心；

四个称重传感器分别与信号处理器的一端连接，信号处理器的另一端与控制器连接，重传感器的信号通过信号处理器传送到控制器，位移传感器、限位开关、电机驱动器一和电机驱动器二分别与控制器连接电连接，电机驱动器一的另一端与水平直线滑台模组的电机连接，电机驱动器二与垂直直线滑台模组的电机连接。

上述方案中，所述水平直线滑台模组包括步进电机一、滑台底座一、丝杠一和滑块一；

所述滑台底座一固定安装在机架的上方，并使滑台底座一的中心线保持水平方向，步进电机一的输出轴通过联轴器连接丝杠一，丝杠一穿过滑块一的内螺纹，丝杠一和滑块一形成螺纹传动机构，滑块一在步进电机一的驱动下沿滑台底座一的中心线作水平直线运动。

上述方案中，所述垂直直线滑台模组包括步进电机二、滑台底座二、丝杠二和滑块二；

所述滑台底座二固定安装在滑块一的外端面上，并使滑台底座二的中心线保持垂直方向，步进电机二的输出轴通过联轴器链接丝杠二，丝杠二穿过滑块二的内螺纹，丝杠二和滑块二形成螺纹传动机构，滑块二在步进电机二的驱动下沿滑台底座二的中心线作垂直直线运动。

上述方案中，所述偏心曲柄滑块机构包括驱动轴、导向轴套、电机、偏心盘和连杆；

所述驱动轴的一端固定安装在所述种盘下方的中心位置，另一端穿过导向轴套与连杆的上端通过鱼眼轴承连接，电机固定安装于机架的底座，电机的输出轴上安装偏心盘，偏心盘与连杆的下端通过轴承连接；所述导向轴套固定安装于调节板中心位置，导向轴套的轴线与调节板平面垂直。

上述方案中，所述吸盘面板和吸盘罩的下端面之间加装密封垫。

上述方案中，所述监测板安装于种盘底板上加工的监测窗口中心，相互间隙小于0.5mm。

上述方案中，所述控制器以PLC或单片机为核心；

所述控制器内部建立吸盘面板的吸种位置控制模型，根据设定的吸孔直径d、种盘振动中心坐标z₀、种盘振动频率f、振幅A和气管负压差Δp，控制器通过多通道A/D采集信号处理器输出的模拟信号，确定吸盘面板的吸种位置，并通过与位移传感器测量得到的吸盘面板的垂直位移进行比较，输出的控制信号通过电机驱动器二驱动步进电机二运动，直至吸盘面板移动到指定的吸种位置进行吸种作业。

一种利用所述的气吸式排种器吸盘吸种位置的自适应控制装置的方法，包括以下步骤：

S1、所述控制器输出信号给步进电机控制器一，电机控制器一驱动步进电机一转动，通过滑块一带动吸盘部件向限位开关方向平移，直至限位开关有输出信号，此时吸盘面板位于种盘的正上方；

S2、通过气管施加负压，由吸盘罩和吸盘面板构成的吸盘内腔会形成负压场，空气通过吸盘面板上的吸孔吸入，从而在吸盘面板上的吸孔外侧建立负压气流场，用于吸种；

S3、所述偏心曲柄滑块机构的电机驱动种盘沿着调节板的法向作往复振动，种盘内的种群在振动作用下产生向上的抛掷运动而相互离散，种群冲击到四个监测板上，对应的四个称重传感器会监测到冲击力，四个称重传感器的输出信号传送给信号处理器，经过信号处理器后得到四个监测板各自区域内的种群厚度，并转换为模拟信号h₁、h₂、h₃、h₄输出到控制器中；

S4、所述控制器内部建立吸盘面板吸种位置的控制模型；

S5、所述控制器通过多通道A/D采集信号处理器输出的模拟信号h₁、h₂、h₃、h₄，根据排种器结构和作业参数，控制器输入吸孔直径d、种盘振动中心坐标z₀、种盘振动频率f、振幅A和气管负压差Δp，控制器根据建立的吸盘面板吸种位置的控制模型，确定吸盘面板的吸种位置，并通过与位移传感器测量得到的吸盘面板的垂直位移进行比较，输出的控制信号通过电机驱动器二驱动步进电机二运动，直至吸盘面板移动到指定的吸种位置进行吸种作业；

S6、随着吸种－播种作业的持续进行，种盘内种群的数量连续减少，测量获得的种群厚度模拟信号h₁、h₂、h₃、h₄总体呈现逐步减小趋势，吸盘面板的吸种位置也会随之相应地逐渐降低；

S7、所述控制器对获取的h₁、h₂、h₃、h₄信号进行求和Σh_i计算，当Σh_i小于设定阈值时，控制器发出添种提示信息；

S8、经过一段时间的吸种－播种作业，往种盘内添加种子后，种群的数量迅速增加，测量获得的种群厚度模拟信号h₁、h₂、h₃、h₄总体呈现迅速增大趋势，吸盘面板的吸种位置也会随之相应地升高。

上述方案中，所述步骤S3中种盘中心位置的垂直坐标z可以用方程z＝z₀+Asin(2πft)表示，其中振动频率f由电机的转速决定，振幅A由偏心盘的偏心距决定，振动中心坐标z₀由排种器结构决定。

上述方案中，所述步骤S4中控制器内部建立吸盘面板吸种位置的控制模型具体为：

采用气固耦合计算和台架试验相结合的方法，以吸盘面板上每个吸孔吸附1-2粒种子为目标，获取吸孔直径d＝1.5～2.5mm、种盘振动频率f＝10～12Hz、振幅A＝3～5mm、气管负压差Δp＝3～10kPa、种盘内种群的厚度10～30mm范围内，吸盘面板与种盘在垂直方向的相对距离、即吸种位置，分析种盘内种群的厚度变化对吸盘面板吸种位置的影响，分析种盘内不同区域种群厚度的差异性对吸盘面板吸种位置的影响，制定吸盘面板吸种位置调整策略，建立吸种作业时吸盘面板吸种位置的控制模型。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明在排种器机架上安装“十”字交叉的水平直线滑台模组和垂直直线滑台模组，吸盘固定安装与垂直直线滑台模组的滑块上，通过控制两个直线滑台模组的驱动电机，实现了吸盘在水平和垂直方向的移动，并采用传感器测量吸盘的垂直位移，在振动种盘底面安装多个称重传感器，测量种盘不同区域的种群厚度；通过综合分析籽粒的物理特性、排种器结构和工作参数、种群厚度等因素对吸种性能的影响，建立吸盘吸种位置的控制模型，可以根据实时测量获得的振动种盘内种群厚度和不同区域分布差异性的变化情况，输出吸盘运动控制信号，自适应调整吸盘的吸种位置，有效解决了由于连续吸种－播种、添种和种盘激振等因素造成的种盘内种群动态变化对吸种性能的影响，提高了吸种稳定性。

附图说明

图1是本发明一实施方式的气吸式排种器的结构示意图；

图2是本发明一实施方式的种盘及监测板的结构示意图；

图3是本发明一实施方式的气吸式排种器电气线路原理图；

图4是本发明一实施方式的吸盘吸种位置的自适应控制原理图。

图中：1、机架，2步进电机一，3限位开关，4滑台底座一，5丝杠一，6滑块一，7位移传感器，8步进电机二，9滑台底座二，10丝杠二，11滑块二，12直角支架，13气管，14法兰盘，15吸盘罩，16吸盘面板，17种盘，18称重传感器，19调节板，20球头关节轴承，21驱动轴，22导向轴套，23电机，24偏心盘，25连杆，26直线滑台模组，27监测板，28信号处理器，29控制器，30电机驱动器一，31电机驱动器二。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于此。

图1所示为本发明所述气吸式排种器吸盘吸种位置的自适应控制装置的一种实施方式，所述气吸式排种器吸盘吸种位置的自适应控制装置，包括机架1、限位开关3、水平直线滑台模组、垂直直线滑台模组、位移传感器7、直角支架12、吸盘罩15、吸盘面板16、种盘17、称重传感器18、调节板19、偏心曲柄滑块机构、直线滑台模组26、监测板27、信号处理器28和控制器29。

所述水平直线滑台模组和垂直直线滑台模组呈十字交叉的固定安装在机架1的上部；

所述水平直线滑台模组包括步进电机一2、滑台底座一4、丝杠一5和滑块一6；

所述滑台底座一4固定安装在机架1的上方，并使滑台底座一4的中心线保持水平方向，步进电机一2的输出轴通过联轴器连接丝杠一5，丝杠一5穿过滑块一6的内螺纹，丝杠一5和滑块一6形成螺纹传动机构，滑块一6在步进电机一2的驱动下沿滑台底座一4的中心线作水平直线运动。

所述垂直直线滑台模组包括步进电机二8、滑台底座二9、丝杠二10和滑块二11；所述滑台底座二9固定安装在滑块一6的外端面上，并使滑台底座二9的中心线保持垂直方向，步进电机二8的输出轴通过联轴器链接丝杠二10，丝杠二10穿过滑块二11的内螺纹，丝杠二10和滑块二11形成螺纹传动机构，滑块二11在步进电机二8的驱动下沿滑台底座二9的中心线作垂直直线运动。

所述直角支架12的垂直端面固定安装在滑块二11的外端面上，直角支架12的水平端面与吸盘罩15的上端面固定连接，吸盘罩15的中心位置加工圆形通孔，吸盘罩15的通孔位置固定安装法兰盘14，气管13固定连接于法兰盘14的圆管接头。

所述吸盘面板16上加工排列布置的吸孔，吸盘面板16通过螺栓固定连接于吸盘罩15的下端面，吸盘面板16和吸盘罩15的下端面之间加装密封垫，以保证吸盘的气密性，安装完成后应保证吸盘面板16处于水平状态。

所述位移传感器7的底座固定安装于滑台底座二9，位移传感器7的测量方向与滑台底座二9的中心线保持平行，位移传感器7的测量杆固定连接于直角支架12的水平端面，测量杆可以随直角支架12作同步直线运动，根据位移传感器7的输出结果即可得到吸盘面板16的垂直位移。

所述滑台底座一4上安装限位开关3，应保证限位开关3有输出信号时，吸盘面板16位于种盘17的正上方。

所述偏心曲柄滑块机构包括驱动轴21、导向轴套22、电机23、偏心盘24和连杆25；所述驱动轴21的一端固定安装在所述种盘17下方的中心位置，另一端穿过导向轴套22与连杆25的上端通过鱼眼轴承连接，电机23固定安装于机架1的底座，电机23的输出轴上安装偏心盘24，偏心盘24与连杆25的下端通过轴承连接；所述导向轴套22固定安装于调节板19中心位置，导向轴套22的轴线与调节板19平面垂直。种盘17可以在电机23的驱动下，沿着导向轴套22的轴线方向作往复振动。

所述导向轴套22固定安装于调节板19中心位置，并保证导向轴套22的轴线与调节板19平面垂直，调节板19的四端分别通过球头关节轴承20固定支撑于四组直线滑台模组26的滑块上，四组直线滑台模组26分别固定安装在机架1的上，通过并联控制四组直线滑台模组26，可以改变调节板19的法向角，即改变导向轴套22的轴线方向，从而实现种盘17振动方向的调节。同时导向轴套22的设置可以增加种盘17的稳定性，减少中盘17左右的晃动。

如图2所示，所述种盘17的底板上加工四个监测窗口，监测窗口均匀列阵布置于种盘17的底板上，四个称重传感器18的安装端分别固定连接于种盘17的底板下方，四个称重传感器18的检测端分别安装监测板27，监测板27安装于种盘17底板上加工的监测窗口中心，相互间隙小于0.5mm，防止籽粒卡在缝隙里。

图3所示为气吸式排种器电气线路图，所述四个称重传感器18分别与信号处理器28的一端连接，信号处理器28的另一端与控制器29连接，重传感器18的信号通过信号处理器28传送到控制器29，位移传感器7、限位开关3、电机驱动器一30和电机驱动器二31分别与控制器29连接电连接，电机驱动器一30的另一端与步进电机一2电连接，电机驱动器二31与步进电机二8电连接。

四个称重传感器18的输出信号首先输入信号处理器28，经过信号处理器28转换后的h₁、h₂、h₃、h₄信号输入控制器29。位移传感器7和限位开关3的输出信号直接输入控制器29。控制器29有二组输出信号，一组用于控制电机驱动器一30，以驱动步进电机一2运转，另一组控制电机驱动器二31，以驱动步进电机二8运转。

所述控制器29以PLC或单片机为核心；所述控制器29内部建立吸盘面板16的吸种位置控制模型，根据设定的吸孔直径d、种盘17振动中心坐标z₀、种盘17振动频率f、振幅A和气管13负压差Δp，控制器29通过多通道A/D采集信号处理器28输出的模拟信号，确定吸盘面板16的吸种位置，并通过与位移传感器7测量得到的吸盘面板16的垂直位移进行比较，输出的控制信号通过电机驱动器二31驱动步进电机二8运动，直至吸盘面板16移动到指定的吸种位置进行吸种作业。

吸种位置的控制模型建立方法：

种子是否能够被吸盘面板16上的吸孔有效吸附，主要取决于籽粒的物理特性、吸孔的结构形状、排种器的工作参数、种盘17内种群的厚度和分布状态、以及吸盘面板16与振动种盘的相对位置。

采用气固耦合计算和台架试验相结合方法，以吸盘面板16上每个吸孔吸附1-2粒种子为目标，获取吸孔直径d＝1.5～2.5mm、种盘17振动频率f＝10～12Hz、振幅A＝3～5mm、气管13负压差Δp＝3～10kPa、种盘17内种群的厚度10～30mm范围内，吸盘面板16与种盘17在垂直方向的相对距离、即吸种位置，分析种盘17内种群的厚度变化对吸盘面板16吸种位置的影响，分析种盘17内不同区域种群厚度的差异性对吸盘面板16吸种位置的影响，制定上述条件下吸盘面板16吸种位置调整策略，建立吸种作业时吸盘面板16吸种位置的控制模型。

如图4所示，本发明还提供一种利用权利要求1所述的气吸式排种器吸盘吸种位置的自适应控制装置的方法，主要用于气吸式排种器在负压吸种时，吸盘17与振动种盘在垂直方向的相对距离、即吸种位置的自适应控制，吸种过程中，控制器29将实时采集的振动种盘内种群厚度的变化特征和排种器的结构、工作参数进行信息融合，依据吸种位置控制策略输出直线滑台模组的驱动电机控制信号，使得吸盘的吸种位置能够随振动种盘内种群厚度和分布状态的变化进行自适应调整，从而提高排种器吸种性能。该方法包括以下步骤：

S1、所述控制器29输出信号给步进电机控制器一31，电机控制器一31驱动步进电机一2转动，通过滑块一6带动吸盘部件向限位开关3方向平移，直至限位开关3有输出信号，此时吸盘面板16位于种盘17的正上方；

S2、通过气管13施加负压，由吸盘罩15和吸盘面板16构成的吸盘内腔会形成负压场，空气通过吸盘面板16上的吸孔吸入，从而在吸盘面板16上的吸孔外侧建立负压气流场，用于吸种；

S3、所述偏心曲柄滑块机构的电机23驱动种盘17沿着调节板19的法向作往复振动，种盘17中心位置的垂直坐标z可以用方程z＝z₀+Asin(2πft)表示，其中振动频率f由电机23的转速决定，振幅A由偏心盘24的偏心距决定，振动中心坐标z₀由排种器结构决定；种盘17内的种群在振动作用下产生向上的抛掷运动而相互离散，种群冲击到四个监测板27上，对应的四个称重传感器18会监测到冲击力，四个称重传感器18的输出信号传送给信号处理器28，经过信号处理器28后得到四个监测板27各自区域内的种群厚度，并转换为模拟信号h₁、h₂、h₃、h₄输出到控制器29中；

S4、所述控制器29以PLC或单片机为核心，所述控制器29内部建立吸盘面板16吸种位置的控制模型：

采用气固耦合计算和台架试验相结合的方法，以吸盘面板16上每个吸孔吸附1-2粒种子为目标，获取吸孔直径d＝1.5～2.5mm、种盘17振动频率f＝10～12Hz、振幅A＝3～5mm、气管13负压差Δp＝3～10kPa、种盘17内种群的厚度10～30mm范围内，吸盘面板16与种盘17在垂直方向的相对距离、即吸种位置，分析种盘17内种群的厚度变化对吸盘面板16吸种位置的影响，分析种盘17内不同区域种群厚度的差异性对吸盘面板16吸种位置的影响，制定吸盘面板16吸种位置调整策略，建立吸种作业时吸盘面板16吸种位置的控制模型；

S5、吸种过程中，所述控制器29通过多通道A/D采集信号处理器28输出的模拟信号h₁、h₂、h₃、h₄，根据排种器结构和作业参数，控制器29输入吸孔直径d、种盘振动中心坐标z₀、种盘17振动频率f、振幅A和气管13负压差Δp等参数，控制器29根据建立的吸盘面板16吸种位置的控制模型，确定吸盘面板16的吸种位置，并通过与位移传感器7测量得到的吸盘面板16的垂直位移进行比较，输出的控制信号通过电机驱动器二31驱动步进电机二8运动，直至吸盘面板16移动到指定的吸种位置进行吸种作业；

S6、随着吸种－播种作业的持续进行，种盘17内种群的数量连续减少，测量获得的种群厚度模拟信号h₁、h₂、h₃、h₄总体呈现逐步减小趋势，吸盘面板16的吸种位置也会随之相应地逐渐降低；

S7、所述控制器29对获取的h₁、h₂、h₃、h₄信号进行求和Σh_i计算，当Σh_i小于设定阈值时，控制器29发出添种提示信息；

S8、经过一段时间的吸种－播种作业，往种盘17内添加种子后，种群的数量迅速增加，测量获得的种群厚度模拟信号h₁、h₂、h₃、h₄总体呈现迅速增大趋势，吸盘面板16的吸种位置也会随之相应地升高。

受到种盘17的激振、排种器安装精度、干扰等因素的影响，容易造成种群在种盘17内分布的不均匀，测量获得的种群厚度模拟信号h₁、h₂、h₃、h₄也会存在差异，控制器29可以实时计算种群厚度差异的大小，并吸种位置的控制模型对吸盘面板16的吸种位置进行调整，以保证种子能够被吸盘面板16上的吸孔有效吸附。

应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。