一种变量播种硬件与算法联合验证平台及方法

本发明属于精细农业，特别涉及一种变量播种硬件与算法联合验证平台及方法。

背景技术：

1、变量播种技术是上世纪末所提出的一种精细农业作业概念，具体是指在不同的地块开展具有针对性的不同的种植方案。越来越多的研究表明，变量播种技术能够最大化的利用土壤效益，实现稳定增产增收，在农业不断发展的当今，推广变量播种的种植模式意义重大。

2、在传统播种模式下，播种机往往使用地轮和地面的摩擦搭配传动机构来实现排种，这种方法虽然实现简单，但是却存在着许多较为明显的问题，如播种时若地轮打滑则会面临漏种、无法做到按照实际土壤需求播种以及在坡地播种较为困难等。为了实现农作物的变量播种，需要对播种机的工作部件进行功能性的改装与升级。为了满足高速高效播种的要求，欧美多国较早开始了高速气力式排种器的研究，这种排种器往往搭配电机和可以处理gps卫星信号并作出相应指令的驱动器进行独立驱动，国内在近些年也有着较多的相关设计出现并投入了应用。然而，目前在对变量播种相关工作部件进行设计时，往往是简单地将更换后的电驱排种器等相关设备置于传统播种试验台架上，仅实现了排种器的运转，无法模拟真实作业情况。这种方式难以对排种器本身的硬件设备性能和所使用的电驱动装置的控制算法进行较为充分全面的测试，也就导致出现了难以得出客观多维评价的问题。

技术实现思路

1、本发明公开一种变量播种硬件与算法联合验证平台，包括平台型材框架100、电源管理设备组200、正负压生成与排种落种设备组300和电子控制设备组400。

2、优选地，所述电源管理设备组200包括分电板201、空气开关202、风机变频器203、传送带供电设备204、功耗仪供电设备205、倾角生成器供电设备206和电控单元供电设备207；所述分电板201将220v交流电分成四路，完成220v市电电压向24v、5v的拓展，并分别连接风机变频器203、功耗仪供电设备205、倾角生成器供电设备206与电控单元供电设备207。

3、优选地，所述一种变量播种硬件与算法联合验证平台中，所述正负压生成与排种落种设备组300提供了让气力式排种器正常运行的前提条件，包括正负压三相交流风机301、排种倾角模拟电机组302、气力式排种器303、排种器电机304、落种传送带305和种盒306；所述正负压三相交流风机301通过风机变频器203供电，前级通过独立的空气开关202控制；所述排种倾角模拟电机组302由四个独立控制运行的推杆电机组成，直接控制所述气力式排种器303的物理位置；所述落种传送带305用于模拟种子由导种管排出后落入土壤中的场景，种子经过落种传送带305的输送后，落入种盒306中。

4、优选地，所述一种变量播种硬件与算法联合验证平台中，所述电子控制设备组400包括总控单片机401、总控单片机供电接口402、总控单片机串口接口一403、总控单片机串口接口二404、总控单片机can总线接口405、排种器单体控制器406、单体控制器单片机407、倾角感知传感器408、排种倾角控制器409、扭矩传感测试仪410、电磁制动器411和平台的人机交互界面412；所述排种器单体控制器406安装于排种器电机304的尾部，排种器单体控制器406上安装有倾角感知传感器408，扭矩传感测试仪410、电磁制动器411和排种器输出轴通过联轴器连接，总控单片机401通过总控单片机can总线接口405、总控单片机串口接口二404和风机变频器203收集、处理数据，并将处理后的数据通过总控单片机串口接口一403发送至人机交互界面412进行显示。

5、本发明公开的一种变量播种硬件与算法联合验证平台，包括功能组件排种模拟装置组，具体包括地形模拟装置组、堵转模拟装置组、风压控制装置组和排种监测装置组，其中，地形模拟装置组包括排种倾角模拟电机组302、倾角生成器供电设备206、排种倾角控制器409和倾角感知传感器408；堵转模拟装置组包括：扭矩传感测试仪410和电磁制动器411；风压控制组包括：空气开关202、风机变频器203和正负压三相交流风机301；排种监测装置组包括：气力式排种器303、周向驱动的排种器电机304、落种传送带305和种盒306

6、本发明还公开一种变量播种硬件与算法联合验证方法，采用所述一种变量播种硬件与算法联合验证平台实现，包括以下步骤：

7、步骤1：电路上电后，平台所有电路设备完成初始化工作，用户输入配置参数；

8、步骤2：排种模拟装置组开始运行，同时总控单片机向总线传输控制信号，控制排种器电机开始转动；

9、步骤3：上述模拟装置组在运行过程中不断接收总线信号，并做出反应；

10、步骤4：更换不同的排种器、电机、电机控制器及其内部控制代码，验证变量播种技术的实现程度及其控制平台的稳定性，并不断优化设计。

11、特别地，所述步骤3中，当总线信号为倾角数据时，执行地形模拟装置控制器控制算法，若为水平倾角数据，步骤如下：

12、步骤a1：平台判定播种机进行转弯工作，电机开启转弯补偿功能；

13、步骤a2:电机根据总线最初设置的播种机参数自身can节点数计算出所处位置，并计算转弯补偿系数t_c，所述can节点数对应了该节点在播种机的行数；

14、步骤a3:电机将计算好的t_c数据发送给监测单元，并改变自身转速为v*t_c；

15、步骤a4：监测单元根据监测数据判断转弯补偿的合格效果；

16、若为垂直倾角数据，步骤如下：

17、步骤b1：平台判定播种机运行在起伏较大地面，电机开启地形补偿功能；

18、步骤b2：排种器控制器读取当前倾角和位置信息，并反推正确位置信息，之后查询处方信息，包括位置和播量信息；

19、步骤b3：电机将补偿后的播量信息发送给监测单元；

20、步骤b4：监测单元数据根据补偿后的监测数据判断地形补偿的合格效果。

21、特别地，所述步骤3中，当总线信号为堵转数据时，执行堵转模拟装置控制器控制算法，步骤如下：

22、步骤c1:平台根据传感器数据判断电机当前已发生堵转，电机进入堵转恢复任务；

23、步骤c2：电机驱动器向监测单元发送堵转信号，暂停其记录，同时减小电机电流至零，停止电机；

24、步骤c3：以正弦波为基础波形生成时序电流数据驱动电机正反转，公式为：

25、i＝tc(-1)tsin(t)

26、其中，i为输出电流数据，单位为安培，t为时序数据，单位为ms,c为补偿量，无量纲；

27、步骤c4：若电机成功启动，向监测单元发送恢复监测信号，表明堵转恢复算法成测试功，若超过设置时间后未启动，则上报节点错误信息，电机停转。

28、特别地，所述步骤3中，当总线信号为风压预警数据时，执行风压模拟装置控制器控制算法，步骤如下：

29、d1：总控单片机控制变频器调节风压至非正常范围，例如，高于正常数据时，此时风压过高，双粒种子出现概率增加；

30、d2：监测系统根据标定过后的种子通过时间来判断是否出现连续的重叠种子；

31、d3：当连续出现的重叠种子数目超过设定数据时，向总控制器发出风压过高报警；

32、d4：当风压调节低于正常数据时，此时风压过低，排种器充种效果明显下降，漏种概率增加；

33、d5：监测系统首先查询电机是否堵转，若未堵转，且漏播率异常，则向总控制器发出风压过低报警。

34、本发明的有益效果在于：

35、传统播种试验台架无法较好地模拟播种机具在真实工作条件下的状态，导致在测试变量播种技术时，研究人员无法清楚认识到平台中可能存在的设计缺陷与问题。本发明通过添加地形模拟装置组、堵转模拟装置组、风压控制装置组和排种监测装置组，并将上述装置组与总控电路连接，实现了对变量播种设备的硬件与控制算法的多方面性能测试。本发明实施方式合理可靠，能够为变量播种技术的研究应用提供实际帮助。