基于限深臂压力和角度调节的播深控制装置及方法

1.本发明涉及农业机械技术领域，具体涉及基于限深臂压力和角度调节的播深控制装置及方法。


背景技术：

2.播种深度是影响种子萌发、出苗和生长发育的重要因素，播深不一致会影响出苗整齐度，影响作物产量。而针对于播深控制方式和监测装置，市面上出现了以下几种：其中较早的传统播种机的播深控制方式采用被动式调节，在仿形四连杆的上、下拉杆间安装若干弹簧，作业前，根据经验调节弹簧预紧力，以达到适合的播深和对地压力；但在实际作业中，由于地表起伏、土壤性状变化、残茬等影响，被动式调节下的机架对地压力波动较大，影响开沟深度和播深稳定性。然而随着科技的发展，也出现了替代传统播种机播深控制方式的控制装置：第一种是气动调节方式，该种调节方式只能补充向下压力，对于限深轮压实土壤情况，无法调节；第二种是电动支杆调节方式，该种调节方式不能连续调节且成本较高；第三种是电液调节方式，电液调节方式采用的是沿着仿形四连杆仿形斜向下安装液压执行机构，该种调节方式会造成下压力分散，同时执行机构体积大、运行成本高。此外随着播深控制方式的发展，播深监测装置也在发展，市面上现有的播深监测装置有以下3种：1、位移传感器方式，该种监测方式在免耕地播种作业中，播深机构易受冲击载荷作用，易导致传感器受损，检测精度有限；2、在限深轮内部安装压电薄膜的方法，该种监测方式易受机械振动影响，输出噪声强，信号处理难度大，信号处理电路复杂；3、限深块轴销传感器方式，该种监测方式上的限深块一旦受到冲击和振动影响，其传感器输出信号就会不稳定。因此需要发明一种基于限深臂压力和角度调节的播深控制装置及方法来解决以上问题。


技术实现要素：

3.针对现有技术的不足，本发明提供了基于限深臂压力和角度调节的播深控制装置及方法。
4.本发明的基于限深臂压力和角度调节的播深控制装置，包括横梁、一个以上的仿形四连杆、开沟圆盘、限深轮和机架，所述的仿形四连杆的前端均与横梁连接、后端均与机架连接，在机架下方设有开沟圆盘和限深轮，机架前端上部固定有液压油缸，液压油缸的顶端通过横向的油缸固定件与横梁固定；在机架的下方通过连接件安装了开沟圆盘，在开沟圆盘的表面上贴附有限深轮，在限深轮另一侧的轴心安装有限深臂与其配合，限深臂的另一端与机架尾端通过活动销轴铰接，且在限深臂的上固定有倾角传感器；在机架上表面中部开有贯穿于机架的档位槽，在档位槽内卡接有限深调节手柄，所述限深调节手柄一端置于机架上方、另一端穿过档位槽与置于机架下方的固定块连接，在固定块的下方固定有压力传感器；压力传感器与限深臂位于同一垂线上。
5.作为本发明的进一步改进，横梁上设有控制器，所述压力传感器和倾角传感器均与控制器连接。
6.作为本发明的进一步改进，仿形四连杆 的上端通过u型卡子ⅰ固定在横梁的后侧、下端通过固定杆与机架连接。
7.作为本发明的进一步改进，压力传感器置于限深臂与机架下端面的夹角内。
8.作为本发明的进一步改进，档位槽的个数为一个以上。
9.本发明的基于限深臂压力和角度调节的播深控制方法，是通过下列步骤实现的；（1）、在控制器的存储器中存储有各种作业播深所对应的限深臂角度阀值和压力阀值，将控制器通电，进行系统初始化；（2）、机车启动，开始作业，播种作业过程中，控制器实时采集倾角传感器和压力传感器的数据，判断正压力值是否在设定压力阀值范围内；a、如果压力值大于设定压力最大值，表明开沟深度大于设定播深，调节换向阀，收缩液压油缸，提升机架，直到所测压力值达到设定阈值范围；b、如果压力值小于设定压力最小值，表明限深臂接触到压力传感器，但是未完全达到设定播种深度，此时，需通过倾角传感器读取当前限深臂所处角度，是否在设定角度阈值范围内；如果如果角度值位于设定角度阀值内，达到设定播深，继续读取倾角传感器值，进行播种工作；如果角度值小于设定角度最小值，说明当前开沟深度大于设定播深，调节换向阀，使液压油缸收缩，提升机架，直到所测压力值和角度值达到设定阈值范围内，停止液压油缸动作；如果角度值大于设定角度最大值，说明当前开沟深度未达到设定播深，调节换向阀，使液压油缸伸张，机架向下运动，直到所测压力值和角度值达到设定阈值范围内，停止液压油缸动作；当所测压力值为时，说明开沟深度远远未达到设定播深，调节换向阀，使液压油缸伸张，机架向下运动，直到所测压力值和角度值达到设定阈值范围内，停止液压油缸动作；如此循环，不断检测，不断调节；c、如果压力值处于设定压力范围内，说明达到设定播深，液压油缸保持稳定，继续作业。
10.在播种作业过程中，控制器实时采集倾角传感器和压力传感器，（1）如果倾角传感器的输出大于初始角度，认为播种作业开始，如果此时压力传感器输出接近于0，认为当前机架播深未达到设定播深，输出调节信号控制调节阀，增加油缸压力，向下按压机架，直到达到设定播深；（2）在播种作业中，如果倾角传感器输出达到设定播深对应的角度值，而压力传感器输出超过了存储的对应压力值，则认为当前开沟圆盘深度过大，致使地表土壤过度压实，此时控制器会输出调节信号控制调节阀，减小油缸压力，将机架提起到设定深度；（3）如果实测值位于存储临界值的偏差范围内，则认为达到设定播深，调节阀保持现状。
11.本发明的基于限深臂压力和角度调节的播深控制装置及方法，结构合理，采用监测限深臂处压力和角度的方法，利用压力传感器替代传统限深块的作用，既可以限定播深，又可以感受土壤对限深轮的作用力；通过倾角传感器检测限深臂角度变化，可以确定作业状态，将两个传感器的输出数据进行有效融合，可以判断当前播深是否达到设定播深、限深轮是否压实土壤等情况；采用主动调节方式代替被动调节方式，用液压执行元件代替仿形弹簧，将传感器输出数据与存储的临界值对比，获得当前播种深度，如未达到设定播深，通过液压执行机构增加下压力；如达到设定播深，则液压执行机构不动作；如达到设定播深，并且下压力过大，则调节液压执行机构向上提升机架，避免限深轮压实土壤。
附图说明
12.图1是本发明结构示意图；图2是本发明a处放大图；图3是本发明的控制流程图；图4是本发明的工作流程图。
具体实施方式
13.本发明的基于限深臂压力和角度调节的播深控制装置，包括横梁1、四个仿形四连杆2、开沟圆盘3、限深轮11和机架4，所述的仿形四连杆2的前端均通过u型卡子ⅰ16与横梁1连接、后端均通过固定杆17与机架4连接，在机架4下方设有开沟圆盘3和限深轮11，机架4前端上部固定有液压油缸5，液压油缸5的顶端通过横向的油缸固定件6与横梁1固定；在机架4的下方通过连接件安装了开沟圆盘3，在开沟圆盘3的表面上贴附有限深轮11，在限深轮11另一侧的轴心安装有限深臂12与其配合，限深臂12的另一端与机架4尾端通过活动销轴13铰接，且在限深臂12上固定有倾角传感器14；在机架4上表面中部开有四个贯穿于机架4的档位槽7，在档位槽7内卡接有限深调节手柄8，所述限深调节手柄8一端置于机架4上方、另一端穿过档位槽7与置于机架4下方的固定块9连接，在固定块9的下方固定有压力传感器10；所述压力传感器10置于限深臂12与机架4下端面的夹角内，且压力传感器10与限深臂12位于同一直线上，此外压力传感器10在机架4下的位置可通过移动限深调节手柄8在不同档位槽7内的位置进行调节。
14.在播种作业前，手动调节限深调节手柄8，设置设定播深，压力传感器10和固定件随手柄一起移动，限制限深臂12的摆动幅度，从而达到限深目的。在播种作业中，圆盘开沟器犁开地表一定深度，排种器将种子排在种沟中。由于种子落地后存在弹跳等运动，导致个别种子可能不在种沟底部，因此，通常用开沟器所犁沟深作为播深。限深轮11贴附在开沟圆盘3表面，始终位于地表上，用于限制开沟圆盘3入土过深。限深轮11通过限深臂12与机架4铰接端可自由旋转，限深轮11随着地表起伏上下运动，限深臂12随限深轮11绕铰接点转动。当达到设定播深时，限深臂12会挤压压力传感器10，如未达到设定播深，压力传感器10无输出。
15.本装置的横梁1上设有控制器15，所述压力传感器10和倾角传感器14均与控制器15连接，在控制器15的存储器中存储有各种作业播深所对应的限深臂12角度阀值和压力传感器10的压力阀值，这些存储值是由前期静态实验和田间试验测定的临界值，控制器15以这些存储值为边界，结合实测值，在一定偏差范围内，判定当前播种机播深情况，在播种作业过程中，控制器11实时采集倾角传感器14和压力传感器10。
16.本装置的播深控制方法，是通过下列步骤实现的：先将控制器11通电，进行系统初始化，在播种作业之前，检查压力传感器10和倾角传感器14是否完好，如果压力传感器10和倾角传感器14出现故障，装置发出传感器故障报警信息，包括声音报警和故障号显示，当压力传感器10和倾角传感器14处于正常情况下时，机车启动，播种作业开始，此时液压油缸5伸张，机架4向下运动，限深轮11运动带动限深臂12挤压压力传感器10，控制器15开始读取压力传感器10和倾角传感器14的测量值，将压力测量值与设定最大压力值进行比较，判断正压力值是否在设定压力阀值范围内，如图3所示，当压力值大于设定压力最大值，调节液
压执行元件，提升机架，减小下压力；压力值小于设定压力最小值，达到设定播深，继续读取传感器值，否则判断角度值是否小于设定最小角度值，若是，则调节液压执行元件，提升机架，若否，则判断角度值是否大于设定最大角度值，若是，调节液压执行元件，下压机架，若否，则保持液压机构不动作，继续读取压力传感器和角度传感器值，具体说明如下；a、如果压力值大于设定压力最大值，表明开沟深度大于设定播深，调节换向阀，收缩液压油缸5，提升机架4，直到所测压力值达到设定阈值范围，保持液压油缸5稳定，装置继续作业；b、如果压力值小于设定压力最小值，表明限深臂12接触到压力传感器10，但是未完全达到设定播种深度，此时，需通过倾角传感器14读取当前限深臂所处角度，是否在设定角度阈值范围内；如果如果角度值位于设定角度阀值内，达到设定播深，继续读取倾角传感器14值，进行播种工作；如果角度值小于设定角度最小值，说明当前开沟深度大于设定播深，调节换向阀，使液压油缸5收缩，提升机架4，直到所测压力值和角度值达到设定阈值范围内，停止液压油缸5动作；如果角度值大于设定角度最大值，说明当前开沟深度未达到设定播深，调节换向阀，使液压油缸5伸张，机架4向下运动，直到所测压力值和角度值达到设定阈值范围内，停止液压油缸5动作；当所测压力值为0时，说明开沟深度远远未达到设定播深，调节换向阀，使液压油缸5伸张，机架4向下运动，直到所测压力值和角度值达到设定阈值范围内，停止液压油缸5动作；如此循环，不断检测，不断调节，上述角度是指限深臂12与机架4和横梁1之间的角度，其角度越小，限深轮11位置越靠上；c、如果压力值处于设定压力范围内，说明达到设定播深，液压油缸5保持稳定，继续作业。
17.由于耕地表面不平整引起的限深轮11振动、装置自身的抖动，会对压力传感器10和倾角传感器14产生干扰噪声，如果不加以处理，可能会造成噪声淹没有用信号，而无法测量，因此，在电路设计上，对压力传感器10和倾角传感器14输出信号做一阶低通滤波，同时在程序中，采用滑动平均滤波方法，对输入的压力和角度数据做处理，提高压力和角度值的测量精度。