一种气流输送式小麦播种机测控装置及其控制方法与流程

1.本发明涉及农业机械技术，特别是一种气流输送式小麦播种机测控装置及其控制方法。


背景技术：

2.小麦的种植面积和产量巨大，依靠人力进行生产面临效率低和成本高的问题，对农业机械提出了迫切需求。目前小麦已经基本实现了全程机械化生产。小麦播种是小麦栽培与生长过程中的关键环节，需要有技术先进、作业效率高的播种机械做支撑。小麦的种植环境多样，根据不同地区自然条件和种植模式因地制宜地发展相应的小麦播种机械，才能获得理想的产量和籽粒品质。现代机械化农业技术的推广节约了小麦种植的时间，降低了劳动成本，可以在翻地的时候就完成种植，能够在很短的时间完成播种，提高了小麦种植的效率。
3.小麦播种机按照排种器结构原理不同主要分为机械式和气流输送式两种类型。相比机械式小麦播种及，气流输送式小麦播种机在作业速度、作业幅宽、作业精度上等具有较为明显的优势。现有技术的气流输送式小麦播种机主要采用牵引机主动力驱动排种器工作，即牵引机动力输出轴经减速箱改变传动比后由链轮驱动集中排种器工作。利用这种驱动方式的播种机只能通过手动调节槽轮长度对播种量和排肥量进行调节，播种调节不准确，故障率高，不符合精准农业的发展要求。因此，如何实现根据牵引机的前进速度对播种机的排种量和排肥量进行动态精确调节成为制约气流输送式小麦播种机向更高水平发展的关键因素。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的上述缺陷，提供一种用于小麦精准变量播种施肥作业的气流输送式小麦播种机测控装置及其控制方法。
5.为了实现上述目的，本发明提供了一种气流输送式小麦播种机测控装置，其中，包括：
6.上位机，设置于牵引机驾驶室内，用于作业参数显示及进行操作；
7.作业信息采集机构，用于气流输送式小麦播种机作业参数采集；
8.风机控制机构，包括模拟量输出模块、电液比例控制阀和液压马达，所述液压马达通过联轴器与气流输送式小麦播种机的风机连接，所述上位机根据所述作业信息采集机构采集的风机转速反馈值与风机转速目标设定值之间的偏差进行风机稳速控制，并将产生的风机控制信号发送给所述模拟量输出模块，所述模拟量输出模块将所述风机控制信号传递给所述电液比例控制阀，通过所述电液比例控制阀控制所述液压马达转速进而控制风机转速；
9.排种控制机构，包括排种电机驱动器、排种电机和集中排种器，所述排种电机分别与所述排种电机驱动器和集中排种器连接，所述上位机将排种目标转速信号发送给所述排
种电机驱动器，所述排种电机驱动器通过控制所述排种电机实现对所述集中排种器的控制；
10.排肥控制机构，包括排肥电机驱动器、排肥电机和集中排肥器，所述排肥电机分别与所述排肥电机驱动器和集中排肥器连接，所述上位机将排肥目标转速信号发送给所述排肥电机驱动器，所述排肥电机驱动器通过控制所述排肥电机实现对所述集中排肥器的控制；以及
11.电源管理机构，包括第一升压模块、第二升压模块和车载蓄电池，所述车载蓄电池分别与所述作业信息采集机构和风机控制机构连接，所述第一升压模块与所述车载蓄电池连接，输出24v直流电为所述上位机供电，所述第二升压模块与所述车载蓄电池连接，输出48v直流电为所述排种电机驱动器和排肥电机驱动器供电。
12.上述的气流输送式小麦播种机测控装置，其中，所述第一升压模块为12v-24v升压模块，额定输出电流为10a；所述第二升压模块为12v-48v升压模块，额定输出电流为30a，所述车载蓄电池为12v蓄电池，输出12v直流电。
13.上述的气流输送式小麦播种机测控装置，其中，所述上位机基于cortex 4核处理器开发，配备7英寸四线电阻式触摸屏，配备1个rs232串行接口和两个rs485串行接口，防护等级为ip65，并通过rs485总线分别与所述作业信息采集机构、风机控制机构、排种控制机构和排肥控制机构连接。
14.上述的气流输送式小麦播种机测控装置，其中，所述作业信息采集机构包括开关量采集模块、测速雷达、料位传感器、堵漏检测传感器和风机转速传感器，所述开关量采集模块分别与所述测速雷达、料位传感器、堵漏检测传感器和风机转速传感器连接。
15.上述的气流输送式小麦播种机测控装置，其中，所述测速雷达用于实时采集播种机前进速度，所述开关量采集模块将所述测速雷达输出的频率值上传所述上位机，并在所述上位机中转换为前进速度v；所述前进速度v为：
[0016][0017]
其中，v为播种机的前进速度，f0为收发器频率值，c为光速，φ为测速雷达的安装角；fd为多普勒频移。
[0018]
上述的气流输送式小麦播种机测控装置，其中，所述风机转速传感器正对于风机转轴齿轮的齿顶圆安装，所述风机转速传感器将风机转速信号转化为频率信号并通过所述开关量采集模块传输给所述上位机，用于风机转速的稳速控制，风机转速nf为：
[0019][0020]
其中，f1为风机转速传感器输出的频率值，n为风机转轴齿轮的齿数，风机转速nf的单位为转/分(rpm)。
[0021]
上述的气流输送式小麦播种机测控装置，其中，所述集中排种器的目标转速ns为：
[0022][0023]
其中，yz为种子亩播量，单位为kg/亩，a为播种机作业幅宽，v为播种机前进速度，单位为km/h，ws为所述集中排种器的每转播种量，单位为kg/转。
[0024]
上述的气流输送式小麦播种机测控装置，其中，所述集中排肥器的目标转速n
l
为：
[0025][0026]
其中，y
l
为肥料亩播量，单位为kg/亩，a为播种机作业幅宽，v为播种机前进速度，单位为km/h，w
l
为所述集中排肥器的每转排肥量，单位为kg/转。
[0027]
上述的气流输送式小麦播种机测控装置，其中，所述排种电机驱动器和排肥电机驱动器分别采用直流无刷电机驱动器，基于arm cortex-m3@72mhz处理器开发，支持9v-60vdc宽范围电压供电，额定输出电流为15a，最大输出电流为30a，支持占空比调速/调压、转矩控制、速度闭环控制、位置闭环控制和距离控制调速方式，支持电位器、模拟信号、逻辑电平、开关量、pwm、频率、脉冲和rs485输入信号；所述排种电机和排肥电机分别采用直流无刷电机，额定功率为250w，额定电流为7.5a，分别配备减速比为32:1的二级精密减速机与相应的集中排种器和集中排肥器的转轴连接。
[0028]
为了更好地实现上述目的，本发明还提供了一种气流输送式小麦播种机测控装置的控制方法，其中，包括如下步骤：
[0029]
s100、在播种作业前向气流输送式小麦播种机测控装置内输入播前配方参数，所述播前配方参数包括种子名称、作业幅宽、种子亩播量、肥料亩播量、种子每转播量和肥料每转播量；
[0030]
s200、启动风机控制机构和作业信息采集机构，上位机依据从作业信息采集机构采集的风机转速反馈值与风机转速目标设定值之间的偏差对风机转速进行稳速控制，直至风机转速稳定于目标转速；
[0031]
s300、启动排种控制机构和排肥控制机构，播种机开始前进作业，当测速雷达实时采集播种机前进速度v＞0，上位机根据前进速度计算出排种目标转速和排肥目标转速，并将集中排种器和集中排肥器的目标转速信号分别传输给相应的排种电机驱动器和排肥电机驱动器，驱动集中排种器和集中排肥器转动，被排出的种子和肥料在气流的输送作用下被排出导种管和排肥管，完成播种施肥作业；
[0032]
s400、当种箱或肥箱的料位低于报警限值时产生料位报警信号，并在上位机屏幕显示，提示进行补种补肥作业；当种管或肥管产生堵漏现象时产生堵漏报警信号，并在上位机屏幕显示，提示停止当前作业，并检查堵漏故障原因。
[0033]
本发明的技术效果在于：
[0034]
本发明通过基于rs485总线构建的气流输送式播种机测控装置，能够实现基于对地测速的变量播种施肥作业、种肥堵塞故障检测报警、风机转速控制、风机转速检测及种肥箱料位检测等功能，具有自动化程度高、作业参数监测灵敏的特点；避免了因车轮滑移造成的测速误差，实现了小麦播种量和施肥量根据播种机前进速度的自适应精确调节，提高了气流输送式播种机的作业精度和工作可靠性。
[0035]
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
附图说明
[0036]
图1为本发明一实施例的气流输送式小麦播种机测控装置结构框图；
[0037]
图2为本发明一实施例的风机控制机构工作原理图；
[0038]
图3为本发明一实施例的排种控制机构工作原理图；
[0039]
图4为本发明一实施例的排肥控制机构工作原理图；
[0040]
图5为本发明一实施例的控制方法原理图。
[0041]
其中，附图标记
[0042]1ꢀꢀ
上位机
[0043]2ꢀꢀ
作业信息采集机构
[0044]3ꢀꢀ
风机控制机构
[0045]4ꢀꢀ
排种控制机构
[0046]5ꢀꢀ
排肥控制机构
[0047]6ꢀꢀ
电源管理机构
具体实施方式
[0048]
下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作具体的描述：
[0049]
在本发明的描述中需要理解的是，术语“上”“下”“左”“右”指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位和位置关系，仅仅是为了方便描述本发明的结构和操作方式，而不是指示或者暗示所指的部分必须具有特定的方位、以特定的方位操作，因而不能理解为对本发明的限制。
[0050]
参见图1，图1为本发明一实施例的气流输送式小麦播种机测控装置结构框图。本发明的气流输送式小麦播种机测控装置，设置于气流输送式小麦播种播种机上，包括：上位机1，设置于牵引机驾驶室内，用于作业参数显示及供工作人员进行操作；作业信息采集机构2，用于气流输送式小麦播种机作业参数采集；风机控制机构3，包括模拟量输出模块、电液比例控制阀和液压马达，所述液压马达通过联轴器与气流输送式小麦播种机的风机连接，所述上位机1根据所述作业信息采集机构2采集的风机转速反馈值与风机转速目标设定值之间的偏差进行风机稳速控制，并将产生的风机控制信号通过rs485总线发送给所述模拟量输出模块，所述模拟量输出模块将所述风机控制信号传递给所述电液比例控制阀，通过所述电液比例控制阀控制所述液压马达转速进而控制风机转速，本实施例的模拟量输出模块将上位机1输出的稳速控制数字量信号转换为0-5v模拟量信号，并将该模拟量信号传递给电液比例控制阀，所述电液比例控制阀依据上位机1产生的控制信号通过改变液压油流量的方式控制液压马达转速，液压马达通过联轴器与风机转轴相连，因此可以通过控制液压马达转速达到控制风机转速的目的；排种控制机构4，包括排种电机驱动器、排种电机和集中排种器，所述排种电机分别与所述排种电机驱动器和集中排种器连接，所述上位机1将排种目标转速信号发送给所述排种电机驱动器，所述排种电机驱动器通过控制所述排种电机实现对所述集中排种器的控制；排肥控制机构5，包括排肥电机驱动器、排肥电机和集中排肥器，所述排肥电机分别与所述排肥电机驱动器和集中排肥器连接，所述上位机1将排肥目标转速信号发送给所述排肥电机驱动器，所述排肥电机驱动器通过控制所述排肥电机实现对所述集中排肥器的控制；以及电源管理机构6，包括第一升压模块、第二升压模块和车载蓄电池，所述车载蓄电池分别与所述作业信息采集机构2和风机控制机构3连接，所述第一升压模块与所述车载蓄电池连接，输出24v直流电为所述上位机1供电，所述第二升压模块与所述车载蓄电池连接，输出48v直流电为所述排种电机驱动器和排肥电机驱动器供
电。
[0051]
其中，所述第一升压模块优选为12v-24v升压模块，额定输出电流为10a；所述第二升压模块优选为12v-48v升压模块，额定输出电流为30a；所述车载蓄电池优选为12v蓄电池，输出12v直流电，为开关量采集模块、模拟量输出模块、测速雷达、料位传感器、堵漏检测传感器、风机转速传感器供电。所述上位机1优选基于cortex 4核处理器开发，配备7英寸四线电阻式触摸屏，配备1个rs232串行接口和两个rs485串行接口，防护等级为ip65，并通过rs485总线分别与所述作业信息采集机构2、风机控制机构3、排种控制机构4和排肥控制机构5连接。
[0052]
本实施例中，所述作业信息采集机构2包括开关量采集模块、测速雷达、料位传感器、堵漏检测传感器和风机转速传感器，所述开关量采集模块分别与所述测速雷达、料位传感器、堵漏检测传感器和风机转速传感器连接。
[0053]
其中，所述测速雷达用于实时采集播种机前进速度，所述开关量采集模块将所述测速雷达输出的频率值上传所述上位机1，并在所述上位机1中转换为前进速度v；所述前进速度v为：
[0054][0055]
其中，v为播种机的前进速度，f0为收发器频率值，c为光速，φ为测速雷达的安装角；fd为多普勒频移。
[0056]
具体进一步，所述作业信息采集机构2中的测速雷达用于实时采集播种机前进速度，所述测速雷达与开关量采集模块相连，将采集的测速雷达输出的频率值上传给所述上位机1，并在所述上位机1中转换为前进速度v。所述测速雷达通过向地面发射电磁波，由于播种机前进时与地面产生相对运动而产生多普勒频移现象，利用雷达反射波与发射波叠加后形成的拍频，可以测得播种机的前进速度。在安装角为35
°
时，多普勒频移fd的计算公式为：
[0057][0058]
其中，v为前进速度，f0为收发器频率值，c为光速，φ为测速雷达的安装角。
[0059]
由上式可得，前进速度v的计算公式为：
[0060][0061]
具体进一步，所述作业信息采集机构2中的料位传感器选用直径为12mm的三线制电容式接近开关传感器，所述料位传感器输出信号形式为npn常开，工作电压为12-30vdc，响应时间＜1.5ms，所述料位传感器共检测种箱料位和肥箱料位两种信号，分别布置在种箱和肥箱的底部。所述料位传感器与开关量采集模块相连，将采集的料位信号上传给所述上位机1，当种箱或肥箱的料位低于报警限值时产生料位报警信号，并在上位机1屏幕显示。
[0062]
具体进一步，所述作业信息采集机构2中的堵漏检测传感器分别安装于种管和肥管与分配器的连接位置，分别检测种子和肥料的堵漏情况。所述堵漏检测与开关量采集模块相连，将采集的种肥堵漏信号上传给所述上位机1，当种管或肥管产生堵漏现象时产生堵漏报警信号，并在上位机1屏幕显示。
[0063]
参见图2，图2为本发明一实施例的风机控制机构3工作原理图。所述风机控制机构3的控制原理为：风机转速控制器根据作业信息采集机构2采集的风机转速反馈值与风机转速目标设定值之间的偏差进行运算，输出电液比例阀门的目标流量，电液比例控制阀依据机转速控制器产生的控制信号通过改变液压油流量的方式控制液压马达转速，液压马达通过联轴器与风机转轴相连，因此可以通过控制液压马达转速达到控制风机转速的目的。本实施例的所述风机转速传感器正对于风机转轴齿轮的齿顶圆安装，所述风机转速传感器将风机转速信号转化为频率信号并通过所述开关量采集模块传输给所述上位机1，用于风机转速的稳速控制，风机转速nf为：
[0064][0065]
其中，f1为风机转速传感器输出的频率值，n为风机转轴齿轮的齿数，风机转速nf的单位为转/分(rpm)。
[0066]
所述作业信息采集机构2中的风机转速传感器正对于风机转轴齿轮的齿顶圆安装，所述风机转速传感器采用电磁感应原理达到检测风机转速的原理，有效检测距离为2mm，输出信号形式为pnp常开，所述风机转速传感器将风机转速信号转化为频率信号输出给开关量采集模块，再由开关量采集模块将采集的风机转速信号传输给所述上位机1，并用于风机转稳速控制。风机转速nf的计算公式为：
[0067][0068]
其中，f1为风机转速传感器输出的频率值，n为风机转轴齿轮的齿数，风机转速nf的单位为转/分(rpm)。
[0069]
参见图3，图3为本发明一实施例的排种控制机构4工作原理图，所述排种控制机构4的控制原理为：排种量控制器根据播种机前进速度计算集中排种器目标转速，从而实现排种转速根据播种机前进速度进行播量自适应调节，本实施例的所述集中排种器的目标转速ns为：
[0070][0071]
其中，yz为种子亩播量，单位为kg/亩，a为播种机作业幅宽，v为播种机前进速度，单位为km/h，ws为所述集中排种器的每转播种量，单位为kg/转。
[0072]
所述排种量控制器根据增量式旋转编码器反馈的集中排种器转速反馈值与集中排种器转速预设值之间的偏差进行运算，通过rs485总线将集中排种器目标转速信号传输给排种电机驱动器，排种电机驱动器驱动排种电机转动，从而控制集中排种器转速稳定于目标转速。
[0073]
参见图4，图4为本发明一实施例的排肥控制机构5工作原理图。所述排肥控制机构5的控制原理为：排肥量控制器根据播种机前进速度计算集中排肥器目标转速，从而实现排肥转速根据播种机前进速度进行播量自适应调节，本实施例的所述集中排肥器的目标转速n
l
为：
[0074]
[0075]
其中，y
l
为肥料亩播量，单位为kg/亩，a为播种机作业幅宽，v为播种机前进速度，单位为km/h，w
l
为所述集中排肥器的每转排肥量，单位为kg/转。
[0076]
所述排肥量控制器根据增量式旋转编码器反馈的集中排肥器转速反馈值与集中排肥器转速预设值之间的偏差进行运算，通过rs485总线将集中排肥器目标转速信号传输给排肥电机驱动器，排肥电机驱动器驱动排肥电机转动，从而控制集中排肥器转速稳定于目标转速。
[0077]
本实施例中，所述排种电机驱动器和排肥电机驱动器分别采用直流无刷电机驱动器，基于arm cortex-m3@72mhz处理器开发，支持9v-60vdc宽范围电压供电，额定输出电流为15a，最大输出电流为30a，支持占空比调速(调压)、转矩控制(稳流)、速度闭环控制(稳速)、位置闭环控制(角度、距离控制)多种控制调速方式，支持电位器、模拟信号、逻辑电平、开关量、pwm、频率、脉冲和rs485多种输入信号；所述排种电机和排肥电机分别采用直流无刷电机，额定功率为250w，额定电流为7.5a，分别配备减速比为32:1的二级精密减速机与相应的集中排种器和集中排肥器的转轴连接。
[0078]
参见图5，图5为本发明一实施例的控制方法原理图。本发明的气流输送式小麦播种机测控装置的控制方法，包括如下步骤：
[0079]
步骤s100、在播种作业前向气流输送式小麦播种机测控装置内输入播前配方参数，所述播前配方参数包括种子名称、作业幅宽、种子亩播量、肥料亩播量、种子每转播量和肥料每转播量；
[0080]
步骤s200、启动风机控制机构3和作业信息采集机构2，上位机1依据从作业信息采集机构2采集的风机转速反馈值与风机转速目标设定值之间的偏差对风机转速进行稳速控制，直至风机转速稳定于目标转速；
[0081]
步骤s300、启动排种控制机构4和排肥控制机构5，播种机开始前进作业，当测速雷达实时采集播种机前进速度v＞0，上位机1根据前进速度计算出排种目标转速和排肥目标转速，并通过rs485总线将集中排种器和集中排肥器的目标转速信号分别传输给相应的排种电机驱动器和排肥电机驱动器，驱动集中排种器和集中排肥器转动，被排出的种子和肥料在气流的输送作用下被排出导种管和排肥管，完成播种施肥作业；以及
[0082]
步骤s400、当种箱或肥箱的料位低于报警限值时产生料位报警信号，并在上位机1屏幕显示，提示进行补种补肥作业；当种管或肥管产生堵漏现象时产生堵漏报警信号，并在上位机1屏幕显示，提示停止当前作业，并检查堵漏故障原因。
[0083]
本发明能够实现基于对地测速的变量播种施肥作业、种肥堵塞故障检测报警、风机转速控制、风机转速检测、种肥箱料位检测等功能，具有自动化程度高、作业参数监测灵敏，种肥播量可实现精确调节的特点。
[0084]
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。