一种基于可编程的免耕旋播机控制系统及其方法与流程

本发明属于农业机械控制领域，具体涉及一种免耕旋播机的播种控制系统及其控制方法。

背景技术：

免耕旋播机的播种控制对排种一致性具有重要影响，播种的株距大小决定了作物生长空间的大小，从而影响作物的产量。株距是指每行播下的种子之间的播种距离，因此要保持株距的一致性，就必须控制每行的排种器转速均匀，且当旋播机的行驶速度变化时，排种器的转速产生相应变化，以保证播种距离的一致。由于土地环境、种子种类的不同，播种株距也存在差异，为提高免耕旋播机的使用效率，必须使其播种株距灵活可调，满足不同种子的播种需求和不同土地环境的种植需求。

目前免耕播种机多采用链传动机构，实现排种速度跟随播种机行驶速度变化，具有控制简单，结构紧凑，承载能力高，并可适用于恶劣的工作环境等优点，但在工作过程中存在冲击和振动，链条磨损较快，极易出现因为播种电机的驱动力不足而造成漏播现象，或者因为播种电机驱动力过大而导致链条松动、断裂的问题，对免耕播种机的播种均匀度产生较大的影响，从而影响作物产量。由于目前的免耕旋播机的播种速度直接受到行驶速度的控制，播种速度与行驶速度具有固定的比例关系，故无法适应播种多样性的要求和不同土地环境的需求。

为了改善传统机械结构存在的问题，促进农业发展向精密化、智能化方向转移，免耕旋播机的播种控制在农机发展中受到广泛重视。

为了克服地轮打滑现象，并使排种器跟随播种机的行驶速度转动，需要检测地轮转动速度：在《基于电机驱动的玉米精量播种机智能化株距控制系统设计》一文中采用在地轮轴上均匀安装磁钢片的方法，使用开关型霍尔传感器检测地轮转速，虽然检测准确性较高，但在实际运行中，由于其无法判断地轮的转动方向，可能造成地轮倒转时排种器的误播问题。

技术实现要素：

本发明为了解决传统纯机械结构的播种机在播种过程中不能灵活改变播种株距、施肥量的问题，提出了一种免耕旋播机控制系统及其控制方法，以期能提高免耕旋播机播种株距的均匀性，并灵活改变播种株距，从而实现免耕旋播机在不同种子、不同土壤条件下的均匀播种。

本发明为达到上述发明目的，采用如下技术方案：

本发明一种免耕旋播机控制系统，是应用于由播种电机、施肥电机、排种器、排肥器、输种管和地轮所组成的旋播机上，所述播种电机与所述排种器相连，所述施肥电机与所述排肥器相连；其特点是，所述控制系统包括：驱动芯片、开关型霍尔传感器、单片机控制器、播种检测装置，旋转编码器，WiFi模块和触摸屏；

所述旋转编码器设置在所述播种电机的轴上，用于检测播种电机的转动速度；

所述播种检测装置，包括红外对管和分流装置；

所述分流装置具有一个输入口和多个分流管通道汇聚成的一个输出口，设置在所述排种器的下方，并与所述输种管相连，用于对所述排种器中排出的种子进行分流处理；

所述红外对管设置在所述分流装置的分流管内壁上，用于检测所述分流装置内种子下落的数量；

所述触摸屏，通过485通讯端口与所述单片机控制器相连，用于设定播种类型、播种株距、每亩的播种量和施肥量、旋播机的地轮直径、排种器的窝眼数量、播种速度比例系数和施肥速度比例系数；

所述WiFi模块，通过485通讯端口与所述单片机控制器相连，用于通过手机app实现远程集中控制和参数设置；

在所述旋播机的地轮上均匀设置n个磁钢片，用于将所述地轮均匀分成n段圆弧，在任意一个圆弧内再设置一个磁钢片，使得相应圆弧被划分成不相等的两段圆弧，以所述不相等的两段圆弧形成转向判断区；

在所述地轮的边缘处设置有所述开关型霍尔传感器，利用所述开关型霍尔传感器和磁钢片之间相对时所产生的脉冲信号实时获得所述地轮的转动速度，利用所述转向判断区获得所述地轮的转动方向，并一同提供给所述单片机控制器；

所述单片机控制器根据所述转动速度和转动方向获得所述播种电机和施肥电机的转速；由所述播种电机和施肥电机的转速，得到所述播种电机和施肥电机的pwm脉冲信号并提供给所述驱动芯片，从而控制所述排种器的播种株距与所设定的播种株距相同，并同步控制所述排肥器进行施肥；

所述单片机控制器利用所述红外对管获取所述分流装置内的检测信号并进行处理，得到种子下落的实际株距，并与所设定的播种株距进行比较，若两者不相同，则调整播种电机的pwm脉冲信号占空比改变所述播种电机的驱动电压，从而控制所述播种电机的转速以调整实际株距。

本发明一种免耕旋播机控制方法的特点是应用于由播种电机、施肥电机、排种器、排肥器、输种管和地轮所组成的旋播机上，所述播种电机与所述排种器相连，所述施肥电机与所述排肥器相连；其特征是，所述控制方法是按如下步骤进行：

步骤1、在所述排种器的下方设置有分流装置，所述分流装置与所述输种管相连，用于对所述排种器中排出的种子进行分流处理；

步骤2、在所述分流装置内壁上设置有所述红外对管，所述红外对管用于检测所述分流装置内种子下落的数量；

步骤3、在所述播种电机的轴上安装旋转编码器；

步骤4、在所述地轮的边缘处设置有所述开关型霍尔传感器；

在所述旋播机的地轮上均匀设置n个磁钢片，从而将所述地轮均匀分成n段圆弧，在任意一个圆弧内再设置一个磁钢片，使得相应圆弧被划分成不相等的两段圆弧，以所述不相等的两段圆弧形成转向判断区；

步骤5、利用所述转向判断区内所产生的脉冲时间间隔，判断所述地轮的转动方向，若时间间隔依次增大，则表示所述地轮正转，反之，表示地轮反转，并停止播种和施肥：

步骤6、当所述地轮正转时，利用式(1)获得所述地轮的转动速度v：

式(1)中，d表示所述地轮的直径；t表示所述开关型霍尔传感器在非转向判断区输出的相邻脉冲信号的时间间隔；

步骤7、利用所述红外对管获取所述分流装置内种子下落的时间间隔，并根据所述地轮的转动速度v得到种子下落的实际株距；

步骤8、将所设定的免耕旋播机的播种株距与实际株距进行比例积分计算后，再根据式(2)获得所述免耕旋播机播种速度的给定值V₁：

式(2)中，a表示经过比例积分计算后的株距，b表示排种器转动一周时所排下种子的次数；

步骤9、将所述免耕旋播机播种速度的给定值V₁与通过所述旋转编码器测得的免耕旋播机播种速度的实际值进行比例积分计算后，再根据式(3)获得所述免耕旋播机播种电机的驱动电压u₁：

式(3)中，V₀表示所述播种电机的额定转速，U₁表示所述播种电机的额定电压；

步骤10、将所述免耕旋播机播种速度的给定值V₁与所述触摸屏设定的施肥速度比例系数k₂相乘，得到所述免耕旋播机施肥速度的给定值后，再根据式(4)获得所述免耕旋播机施肥电机的驱动电压u₂：

式(4)中，V₂表示所述施肥电机的额定转速，U₂表示所述施肥电机的额定电压；

步骤11、重复进行步骤5-步骤10，从而实现所述免耕旋播机的播种、施肥作业。

本发明所述的免耕旋播机控制方法的特点也在于：

所述免耕旋播机播种速度的给定值V₁与通过所述旋转编码器测得的所述免耕旋播机播种速度的实际值进行比例积分计算过程中，是采用自适应pid控制来自动整定比例积分计算的参数。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1、本发明采用播种速度、株距双闭环控制，设定株距与实际播种株距将所设定的株距与免耕旋播机的实际播种株距的偏差值进行比例积分计算，构成外环，将播种速度的给定值与播种电机的实际转动速度的偏差值进行比例积分计算，构成内环，从而保证了播种的精确性，同时，采用双路pwm分别控制播种电机、施肥电机，实现了直流电机速度自主适应行走速度，并按比例拖动排种器、排肥器以不同速度播种和施肥，取代了链传动机构的使用，提高了免耕旋播机播种、施肥工作的灵活性和精确性。

2、本发明采用开关型霍尔传感器测量旋播机的行驶速度，取代传统免耕旋播机上的链条传动机构，降低了免耕旋播机的机械故障率，且耗电量低，易于安装；

3、本发明采用触摸屏设置单台免耕旋播机的株距、播种系数、施肥系数等运行参数，实现了播种速度比例、施肥速度比例的灵活调节，从而满足免耕旋播机在不同种子、不同土壤条件下的均匀播种，提高了免耕旋播机的使用效率。

4、本发明设有WiFi模块，与手机app通过无线网络相连，用于集中控制多台免耕旋播机运行，利于远程设备管理和质量控制，适合大田的耕种管理；

5、本发明使用了自适应pid算法，使得比例积分的参数随着免耕旋播机工作条件的不同而自动改变，保证了免耕旋播机播种速度的一致性，从而保证了播种株距的一致性，提高了系统的鲁棒性。

6、本发明通过在均匀分布的磁钢片之间设置一个磁钢片形成转向判断区，判断地轮的转动方向，弥补了传统测量方式无法测量地轮转速的不足，避免了地轮倒转时误播情况的产生，同时经济性较高。

7、本发明通过设置分流装置对排种器中排出的种子进行分流处理，使每个分流管内的种子数量大大降低，减少了种子的粘黏度，从而提高了播种检测的准确度，为株距的精确控制提供保障。

附图说明

图1是本发明免耕播种机控制系统结构图；

图2是本发明磁钢片在地轮上的位置分布图；

图中标号：1磁钢片，2地轮。

具体实施方式

本实施例中，一种免耕旋播机控制系统，是应用于由播种电机、施肥电机、排种器、排肥器、输种管和地轮所组成的旋播机上，播种电机与排种器相连，施肥电机与排肥器相连；如图1所示，控制系统包括：驱动芯片、开关型霍尔传感器、单片机控制器、播种检测装置，旋转编码器，WiFi模块和触摸屏；

旋转编码器设置在播种电机的轴上，用于检测播种电机的转动速度；

播种检测装置，包括红外对管和分流装置；

分流装置设置在排种器的下方，具有一个输入口及多个分流管通道汇聚成的一个输出口，并与输种管相连，用于对排种器中排出的种子进行分流处理；

红外对管设置在分流装置的分流管内壁上，用于检测分流装置内种子下落的数量；

分流装置通过分流管将排种器排出的种子分为多路，在具体实施中，将落下的种子分为4路，当种子通过分流管内壁的红外对管时，红外对管输出脉冲信号，检测脉冲信号的个数即可得到播种量；

触摸屏，通过485通讯端口与单片机控制器相连，用于设定播种类型，播种株距，每亩的播种量，免耕旋播机的地轮直径，排种器的窝眼数量，播种速度比例系数和施肥速度比例系数；其中，免耕旋播机的地轮直径、排种器的窝眼数量为免耕旋播机的结构参数，厂家制造的地轮大小、排种器规格存在差异时，可直接设置参数大小而不需要更改程序；

WiFi模块，通过485通讯端口与单片机控制器相连，用于通过手机app实现远程集中控制和参数设置。

在旋播机的地轮上均匀设置n个磁钢片，用于将地轮均匀分成n段圆弧，在任意一个圆弧内再设置一个磁钢片，使得相应圆弧被划分成不相等的两段圆弧，以不相等的两段圆弧形成转向判断区；

在地轮的边缘处设置有开关型霍尔传感器，利用开关型霍尔传感器和磁钢片之间相对时所产生的脉冲信号实时获得地轮的转动速度，利用转向判断区获得地轮的转动方向，并一同提供给单片机控制器；

单片机控制器根据转动速度和转动方向获得播种电机和施肥电机的转速；由播种电机和施肥电机的转速，得到播种电机和施肥电机的pwm脉冲信号并提供给驱动芯片，从而控制排种器的播种株距与所设定的播种株距相同，并同步控制排肥器进行施肥；

单片机控制器利用红外对管获取分流装置内的检测信号并进行处理，得到种子下落的实际株距，并与所设定的播种株距进行比较，若两者不相同，则调整播种电机的pwm脉冲信号占空比改变播种电机的驱动电压，从而控制播种电机的转速以调整实际株距。

如图1所示，将所设定的株距与免耕旋播机的实际播种株距的偏差值进行比例积分计算，并将计算后的值转化为速度值V₁作为播种速度的给定值构成外环，对V₁进行输出限幅，限幅值决定了播种电机的最大转速；

将播种速度的给定值V₁与播种电机的实际转动速度的偏差值进行比例积分计算，并将计算后的值转化为播种电机的驱动电压u1进而控制播种电机实现实际转速与给定值的一致，构成内环，对播种电机的实际转速进行限幅，则限幅值决定了排种器的最大排种株距；

将播种速度的给定值V₁乘以比例系数作为施肥速度的给定值，并将计算后的值转化为施肥电机的驱动电压u₂控制施肥电机的转动速度；

本实施例中，一种免耕旋播机控制方法，是应用于由播种电机、施肥电机、排种器、排肥器、输种管和地轮所组成的旋播机上，播种电机与排种器相连，施肥电机与排肥器相连；下面进行详细说明：

步骤1、在排种器的下方设置有分流装置，分流装置与输种管相连，用于对排种器中排出的种子进行分流处理；

步骤2、在分流装置内壁上设置有红外对管，红外对管用于检测分流装置内种子下落的数量；

步骤3、在播种电机的轴上安装旋转编码器；

步骤4、在地轮的边缘处设置有开关型霍尔传感器；

在旋播机的地轮上均匀设置n个磁钢片，从而将地轮均匀分成n段圆弧，在任意一个圆弧内再设置一个磁钢片，使得相应圆弧被划分成不相等的两段圆弧，以不相等的两段圆弧形成转向判断区；

步骤5、利用转向判断区内所产生的脉冲时间间隔，判断地轮的转动方向，若时间间隔依次增大，则表示地轮正转，反之，表示地轮反转，并停止播种和施肥；

步骤6、当地轮正转时，利用式(1)获得地轮的转动速度v：

式(1)中，d表示地轮的直径；t表示开关型霍尔传感器在非转向判断区输出的相邻脉冲信号的时间间隔；在具体实例中，地轮直径为35cm,在地轮的边缘处均匀安装8个磁钢片，在任意两个磁钢片之间的圆弧内再安装一个磁钢片，使得该圆弧被划分成30°和15°的两段圆弧，形成转向判断区，从而判断地轮转动方向，如图2所示；

步骤7、利用红外对管获取分流装置内种子下落的时间间隔，并根据地轮的转动速度v得到种子下落的实际株距；

步骤8、将所设定的免耕旋播机的播种株距与实际株距进行比例积分计算，根据式(2)获得免耕旋播机播种速度的给定值V₁：

式(2)中，a表示经过比例积分计算后的株距，b表示排种器转动一周时所排下种子的次数；

步骤9、将免耕旋播机播种速度的给定值V₁与通过旋转编码器测得的免耕旋播机播种速度的实际值进行比例积分计算，根据式(3)获得免耕旋播机播种电机的驱动电压u1:

式(3)中，V₀表示播种电机的额定转速，U₁表示播种电机的额定电压；

步骤10、将免耕旋播机播种速度的给定值V₁与触摸屏设定的施肥速度比例系数k₂相乘，得到免耕旋播机施肥速度的给定值，根据式(4)获得免耕旋播机施肥电机的驱动电压u2:

式(4)中，V₂表示施肥电机的额定转速，U₂表示施肥电机的额定电压；在具体实例中，播种电机和施肥电机均采用12V，200r/min的直流电机，故在免耕旋播机上设有12V的蓄电池为整个系统供电。

步骤11、重复进行步骤5-步骤10，从而实现免耕旋播机的播种、施肥工作。

具体实施中，免耕旋播机播种速度的给定值V₁与通过旋转编码器测得的免耕旋播机播种速度的实际值进行比例积分计算，采用自适应pid控制，自动整定比例积分计算的参数。