自走式蔬菜精量播种施肥系统设计与试验

梅松，肖苏伟，蒋清海，吕晓兰,童一飞

(1.农业农村部南京农业机械化研究所，江苏南京，210014；
2.江苏省农业科学院农业设施与装备研究所，江苏南京，210014；
3.南京理工大学机械工程学院, 江苏南京, 210094)

蔬菜播种是种植过程关键环节，播种质量决定作物产量。近些年随着蔬菜产业朝精细化、高效化、高产等方向发展，尤其是精量播种施肥同步作业成为当前研究重点。而现有机械，多为单一作业机具，蔬菜播种施肥同步作业技术研究尚浅，如拖拉机牵引播种施肥机具，以在畦面滚动地轮为标定，地轮与播种施肥部件之间通过链式传动，按照一定传动比实现排肥和播种相对同步作业，但是上述作业方式存在如下问题：地轮打滑易造成播种肥的株距大小不一，严重影响产量；
地面高低起伏，影响播种施肥作业质量；
因外部环境所致种粒和肥料受潮，排种和排肥机构堵塞造成重播和漏播。一方面种肥施用浪费，另一方面因漏播造成减产；
排种和排肥精细化管控技术研究尚浅[1-3]。

当前市场上主要以粗放型播种施肥作业机具为主；
行走方式多为挂接拖拉机或者人工辅助，拖拉机挂接作业模式限制其应用范围，人工辅助作业效率过低、强度大，制约当前蔬菜产业化发展[4-5]。

综上所述，聚焦精量播种施肥同步作业问题，开展自走式蔬菜精量播种施肥系统关键技术研究，首先，对轮式蔬菜精量播种施肥机整机结构和关键部件进行详细设计；
其次，对各功能需求从硬件和软件两方面设计控制系统；
最后，对关键作业参数和性能进行试验。

1.1 整体结构设计

由图1可知，该机主要由轮毂驱动底盘总成、基于电动推杆的四轮高度调控系统、精量排肥系统、排种系统、播种肥系统、发电机总成、上位机控制系统及电气控制系统组成。其中，轮毂驱动底盘由四组分别独立操控的轮毂电机驱动轮组成，与PLC进行通讯，控制各轮行走；
基于电动推杆的四轮高度调控系统是通过电动推杆一端固定机架，另一端与绕轮轴转动的耳板相连，组成连杆机构，控制电推杆伸缩，使得耳板绕轮轴转动，达到底盘距地高度调节目标；
在播种肥系统上侧设计了精量排肥和排种系统，排肥系统由步进电机、肥箱、链式传动系统和螺旋排肥机组组成，排种系统与播种肥系统通过链式传动，按一定速比关系进行同步作业播种肥系统由播种肥作业驱动电机提供总动力，通过链式传动，驱动排种器和播种肥器，再与独立的排肥系统配合，实现先排肥，再排种，最后运转最低点挖穴且通过限位机构打开端口排种肥，向上运动关闭播种肥器端口，等待下一个循环；
发电机总成主要由汽油机或柴油机作为动力源，通过发电机发电，提高续航能力；
上位机控制系统包括触摸屏操作界面及辅助通讯转换元件，作业前进速度一定前提下，人工设定排肥量和播种肥间距，另外，可根据地形需要，提前调整作业台面与地隙高度。

图1 整机结构方案

电气控制系统是以PLC微处理器为核心的下位机控制系统，主要负责排肥步进电机转速、播种肥系统驱动电机转速、四轮独立驱动轮毂电机转速与智能调控以及基于四轮电动推杆的平台距地高度智能调控等主要环节执行,具体设计见下文。

1.2 关键部件设计

1.2.1 精量排肥部件结构设计

精量排肥部件结构设计如图2所示。

图2 精量排肥部件结构设计

由图2可知，该部件通过带齿皮带与步进电机齿轮、张紧齿轮和螺旋驱动齿轮组啮合，其中，每组排肥器的螺旋驱动齿轮两侧分别安装两个张紧轮，无带齿皮带一侧与张紧轮接触，完成排肥部件驱动功能，肥料随螺旋推送器从端口排出。排肥系统根据播种肥系统运动周期进行排肥与等待时间的周期占比设计。

1.2.2 精量播种肥系统设计

由图3可知，该机构主要由播种肥作业驱动电机通过链轮传动系统将动力分配至排种系统和播种肥器总成，排种频率与播种肥通过链轮按一定传动比作业，结合1.2.1节所述，排肥时间应控制在播种肥一个周期的排种时间段。除此之外，可根据播种肥距离要求，研究机器前进速度与本系统各链轮转速之间关系。

图3 播种肥系统设计

播种肥作业模型构建。根据图3，针对播种肥作业模型构建需求，需将播种肥器运动系统简化，见图4。

图4 播种肥运动机构图

如图4所示，OA为曲柄，与滑块铰接播种肥器一侧为AC，轴滑块为B点。驱动过程：曲柄OA绕O点转动，播种肥器AC可绕B点做摇摆运动，而B点则作为滑块沿y轴作周期性往复移动。设定OA为r，AB为L1，BC为L2，以播种肥器末端C点作为研究对象，构建模型如式(1)。

(1)

式中：ω——为曲柄角速度，rad/s；

θ——为曲柄转角，(°)；

φ——与滑块铰接播种肥器一侧AC与铅垂线夹角，(°)。

根据设计要求，L1为400 mm，L2为300 mm，r为100 mm，根据关键点A，B，C在图4中坐标位置，利用Matlab软件对C点运动轨迹进行仿真，见图5。

图5 播种肥盒前端C运动轨迹

如图5所示，驱动链轮每转一圈，播种肥器的末端C点完成一次回转运动，通过限位开关触发使得播种盒器在特定位置完成播种肥动作。理论上，播种肥器末端出口运动至最低点即xC=0,yC=600 mm位置为播种肥时刻，此刻，播种肥器辅助机构接触限位开关，打开端部，种肥落入穴内。

基于播种肥数学模型，再增加沿x轴方向的移动，即机器前进，二者进行运动组合，从而实现前进方向定距作业。株距计算公式见式(2)。

S=V·T链轮=V/f链轮

(2)

式中：S——播种株距，mm；

V——播种肥机行进速度，mm/s；

T链轮——驱动链轮转动周期，s；

f链轮——驱动链轮每秒转动的圈数，即转动频率，Hz。

为研究行进速度与播种肥频率关系，根据式(2)，设播种肥盒运动一个周期对应的株距为S，确保在任何速度调节下，保持株距不变，关系如式(3)所示。

(3)

式(3)反映了在一定株距要求条件下，行进速度与驱动播种盒转动的曲柄转速关系，再根据式(1)，加入沿前进方向的速度随时间产生的位移公式，并将L1，L2，r设计尺寸代入，得

(4)

设株距S为150 mm的条件下，利用MATLAB对式(4)进行编程并仿真，获取行进播种肥曲线，具体见图6。播种肥器末端点C在保证每一个周期前进距离为150 mm条件的平面曲线变化趋势，将图5所示的封闭曲线进行移动方向拉伸，呈现近似螺旋线，根据株距设定不同，螺旋跨度即螺距略有区别，株距即螺距；
另外，根据链轮传动比，将株距S为150 mm代入式(4)，分别计算出排种盒输入驱动转速和立式减速机电机驱动转速，因此，行进状态下播种肥盒前端运动相关参数的理论分析为高精度作业提供理论依据和数据参考。

图6 行进状态下播种肥盒前端运动轨迹

由图6可得播种盒运动曲线与株距有关，只要速度与各环节转速维持一定比例，就能实现图6运动轨迹，但是实际运行过程存在一个内部关系，即行进速度和转速同步加快，则作业时间将缩短，而在排种和排肥过程，其种粒和肥料需要呈自由落体落入播种肥盒，一个作业周期时间必须大于种肥自由下落时间，考虑极限作业时域，排种和排肥在同一时刻，则一个作业周期将由落种肥时间段、运行最低点排种盒打开到闭合时间段和空盒等待时间段。由于落种肥时间占主要时间，本文可取一个周期作业时间为种肥沿一定高度落入播种肥盒的自由落体时间1.5倍。反推前进速度的上限，而其他转速上限，可通过式(3)测算。

(5)

根据式(5)，设计h高度为0.4 m，株距S为0.15 m，自由落体加速度为9.8 m/s2，则前进速度最大为350 mm/s，为后文试验提供参考数据。

1.2.3 轮毂电机驱动部件设计

由图7可知，轮毂电机驱动轮总成主要由实心塑胶轮，轮毂电机，铰接架和电动推杆铰接口，其中，一侧电动推杆与电动推杆铰接口铰接，另一侧与底盘架铰接，主要通过推杆伸缩，控制铰接架绕胶轮轴心转动，控制距地高度；
轮毂电机内部为变频驱动器，外部增加485转模拟量模块，与PLC串口进行数模转化通讯，即将PLC计算的电压数字信号转化成模拟信号，改变驱动轮转速，而轮毂电机正反转控制是由PLC输出端口直接连接电机的两个方向弱电回路。最终，可通过触摸屏操控终端发出转向和变速命令，通过PLC微控制器处理驱动轮毂电机执行，实现四轮转向和变速功能。

图7 轮毂电机驱动轮示意图

2.1 基于PLC微处理器的下位机控制系统设计

如图8所示，PLC与E2000-0004S2型变频器通过485总线连接，变频器负责将D/A数模信号转换，然后控制CV40060S型立式减速电机转速。其转速控制决定了排种与播种肥作业周期。

图8 硬件控制系统方案图

PLC与步进电机驱动器通过高速输出口直接通讯，向BK2611M步进驱动器输出高数脉冲数量，来控制步进电机转动步数，其中，一转步进细分数可以通过上位机进行合理赋值，控制86步进电机转动圈数来控制排肥量。

PLC与电动推杆通过I/O口直接连接，通过两组继电器组成的弱电回路，通过得电使得相应回路工作，控制电动推杆伸缩，本设计中，利用各电推杆与相应连杆机构共同作用控制底盘与轮毂中心相对距离，以四轮独自调节，协同完成底盘相对畦面距离调节。

轮毂控制主要来自PLC赋值与霍尔传感计数协同完成速度调校。前者根据触摸屏控制界面设定速度将数据处理后通过485总线向轮毂驱动器发送，其间配置数/模转换模块，将数电信号转为模电信号并经过专用电压放大模块，调整供给轮毂电机驱动电压，完成速度赋值；
而后者则通过霍尔开关记录单位时间轮毂电机转动圈数，PLC对单位时间内检测开关信号进行实时速度换算，再结合速度赋值进行差速调整。另外，图8中继电器5，由两组继电器组成，分别与两个弱电回路连接，其功能与电动推杆相同，控制轮毂电机正转与反转。另外，整机转向是通过左边两组轮毂电机与右边两组轮毂电机反向转动，实现整机左转或右转。至此，轮毂电机速度、正反转和协同转向三大功能实现方式均作具体阐述，其中，四轮行驶速度智能调控是播种肥间距稳定性的决定因素。

最后，上位机选择TG765-MT触摸屏，开发精量播种肥控制系统，触摸屏与下位机通讯接口配置RS232转化模块，实现信号转化对接，该系统与下位机PLC通过底层协议直接通讯，数据稳定性强，下位机控制系统是通过笔记本的XC系列编程工具高效完成程序编辑，并通过程序下载端口烧写进入PLC芯片。

2.2 下位机软件设计

下位机主程序流程如图9所示，程序启动后先进初始化，然后进入停止命令判断环节，该判断来自外部手动输入信号和上位机停止运行命令信号，随后，分别进入底盘调平子程序、轮毂控制子程序、步进电机子程序、无刷电机子程序和上位机通讯程序。而数据通讯是依托系统MODBUS-RTU底层协议确保数据准确传输。

图9 PLC下位机主程序流程图

如图10所示，本研究建立在平整且紧实畦面进行作业，最大限度确保四轮处于同一平面作业，使得细微误差不会影响播种肥深度质量。播种深度控制数据由上位机播种肥控制系统发送至PLC，其对数据进行处理，通过继电器通断时间与恒速电推杆结合，实现固定深度调节，另外，借鉴安置与底盘左右和前后水平仪，上位机对四轮距地高度手动调节功能进行辅助修正，一旦确定，就不再改变。后期将针对系统误差差异和应用环境，考虑增加左右和前后高度测距传感，进行智能定深技术的深入研究。

图10 底盘调平子程序流程图

如图11所示，进入轮毂控制子程序，首先判定有无数据命令，若无数据则直接退出，有数据进入发电机状态判定，根据当前状态与数据命令结合判定，然后进入四个轮毂电机编号匹配环节，根据编码确定向对应轮毂电机发送速度控制数据，根据数字信号转化成控制轮毂电机转速的电压信号，待完成数据转换和数据发送；
再根据霍尔开关反馈信号进行转速调整，根据单位时间接收霍尔计数，换算当前速度，与预设速度进行差值校正，再进行数/模转化，完成轮毂电机行走速度闭环精准调控目标[6]。霍尔开关信号扫描是通过PLC的I/O的输入端进入子程序，为避免调校进入死循环，内部设定调教次数m，到达调整次数上限直接退出。本设计的轮毂继电器匹配和轮毂转速控制匹配均非单一子程序，最多可同时对四组轮毂同时进行指令传递。

图11 轮毂控制子程序流程图

如图12所示，子程序进入同上，均加入有无数据判断，然后就是通过发送高数脉冲数量与步进数匹配，通过BK2611M步进电机驱动器控制步进电机步进数量，发送完毕就退出步进电机子程序，具体执行由步进驱动器管控[7]。

图12 步进电机控制子程序流程图

如图13所示，PLC与无刷电机通讯是通过485总线，有无数据进入判断同上，若有数据，通过总线将数据发送至E2000-0004S2变频器，数据发送完毕即退出子程序。具体操控交由变频器独立操控，该变频器会对接收数据进行D/A转化，然后控制无刷电机转速。

图13 无刷电机控制子程序流程图

2.3 触摸屏控制界面的上位机控制系统设计

本研究以TG765-MT触摸屏为平台，开发了精量播种肥控制系统界面，主要包括播种肥作业主界面、参数设置界面。

由图14可知，播种肥作业主界面主要由播种启停、电门锁开关和四轮升降控制按键，界面实时显示当前前进速度、当前播种肥深度和左右底盘距地高度；
另外，根据程序开始前通过文本框输入播种深度、播种间距和施肥量，而该文本框内数据是通过底层协议与PLC内部程序对应寄存器号实时更新。

图14 播种肥作业主界面

参数设置界面主要针对轮毂电机快速调节设定不同阈值，辅助程序进行电压调节，实现轮毂电机转速快速调控目标。

2.4 通讯协议设计

TG765-MT触摸屏与XC2-42T型PLC配套，通过RS232进行串口通讯，采用两者兼容的MODBUS-RTU底层通讯协议，保障操纵系统界面对应寄存器数值以及使能标志为线圈与下位机PLC内部程序编号对应，编制梯形图时，数据或功能直接映射，不做具体数据处理，而PLC与执行期之间通过485总线通讯也是采用该协议通信，直接使用数据编译转发功能即可。该协议具体运作流程较为成熟，在此不展开说明。

3.1 精量排肥试验

2020年12月15日，于常州开展样机精准施肥试验，试验仪器主要为天平，精度为0.01 g，试验对象为尿素，试验方案为人工转动螺旋推送排肥器旋转,统计周数与排肥量之间的关系，具体检测结果见表1。

表1 人工螺旋送肥试验统计表

由表1可知，尿素平均排肥量为2.48 g/r，下位机编程将以一周排肥量数据作为标定数值。参数设置界面设定步进数，即对步进电机作具体步进角度控制，按照200步进数，获取一个步进角为1.8°，则理论排肥精度控制量即每转动一步的排肥量为2.48/(360/1.8)=0.012 4 g；
本试验将开展4组对比试验，通过理论与实际偏差验证其排肥量精准性能。试制样机见图15，试验数据见表2。

图15 试验样机与定距播种肥图

由表2可知，实际排肥量相较于理论设定数值偏小，一方面采取了步数取整；
另一方面，肥料之间存在间隙或受温湿度影响，造成精度误差。试验证明，排肥精度至少能精确至0.1 g，实现本研究播种施肥过程肥料排量的精准控制。

表2 样机排肥情况校验表

3.2 定距播种肥试验

根据菜籽品种选定播种株距为150 mm，且播种深度30 mm，根据式(5)分析最大前进速度为350 mm/s，选取试验行进速度分别为200 mm/s、250 mm/s和300 mm/s，在完成播种肥任务后对各行播种株距进行测量，获各行进速度条件下的株距和深度测量结果分别如表3、表4所示。

表3 预设株距150 mm条件下不同行进速度的播种株距测量结果

表4 预设播种肥深度30 mm条件下不同行进速度的播种深度测量结果

由表3可知，在播种肥系统主界面设定种距150 mm，开展播种试验，数据显示，均值与预设值之间误差在2.7%到6.5%，且误差随着前进速度提高而降低，其原因为随着速度提升，播种肥与前进速比一致，则播种肥周期变短，三角播种盒入土和出土时间缩短，这样就会减小播种肥滞后的间距，误差相应减小。

由表4可知，在系统设定上位机界面上的播种肥深度为30 mm，与图14检测间距数据同步，检验相应播种肥孔深度，检测均值与预设值误差在12.7%～16%，数据偏大，且随着速度提高，深度误差逐渐减小。深度偏大在于土壤内力挤压作用，使得翻出土壤较多。而前进速度提升，三角播种盒入土和出土时间缩短，端部刀片翻土时间减少，土壤内力作用时间缩短。除此之外，在深度检测同时，随着速度增加，前后孔直径逐渐减小，缘于打孔播肥时间缩短，因此，在保证种肥落入孔内前提下尽量提高前进速度。后期需要根据各不同品种不同施肥量需求，开展最佳前进速度选取试验，并形成相应技术规范。

应用机电一体化技术，研制了一款轮式自走式田间行走平台，根据播种肥作业需求，设计一种排肥机构及精量排肥控制系统和排种和播种肥联动机构；
根据行走平台调高需求，设计了专用电动推杆连杆机构，辅助底盘高度调整；
最后，集成开发精量播种肥上位机控制界面与下位机执行控制系统。通过步进电机精准控制步数，结合螺旋推送施肥机理特征，经试验，实现精量排肥功能，其排肥精度达到0.1 g，实现如小青菜的精量播种施肥种植，节本增效。

设定种距150 mm，试验结果显示检测种距均值与预设值之间误差为2.7%～6.5%，且误差随着前进速度提高而降低；
设定播种肥深度为30 mm，试验结果显示检测深度均值与预设值误差为12.7%～16.0%，数据偏大，且随着速度提高，深度误差逐渐减小，因此，尽量提高前进速度，提高作业质量。

本文研制的自走式蔬菜精量播种施肥机，实现播种施肥高效精准作业，尤其是四轮轮毂电机实现闭环速度精准控制，确保了种粒、株距稳定性，但是轮毂电机与大田适应性研究尚浅，作业过程底盘高度难以实时调控，势必影响播种肥深度性能，下一步，将深入研究底盘定深智能调控技术。

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