高速插秧机工作状态检测装置的设计与试验

陆 强，马 旭，李宏伟，陈林涛，邓向武，安 沛

(华南农业大学 工程学院，广州 510642)

0 引言

水稻是我国主要的粮食作物，也是全国60%以上人口的主食，在粮食安全中有着极其重要的地位[1-2]。目前，水稻主要有直播、育秧移栽两种种植模式，一些欧美国家(如美国、澳大利亚和埃及等)主要采用直播方式种植，而以我国为主的亚洲地区主要以育秧移栽种植为主[3-4]。在育秧移栽种植模式中，机插秧是水稻种植机械化的主要方式，而高速插秧机是应用最广泛的一种机型。为提高水稻产量，在水稻机械化插秧作业中，除了提高育秧质量外，更重要的是实现对高速插秧机栽插性能的检测，将栽插性能的检测结果及时反馈给插秧机驾驶员，以便于驾驶员对插秧机的工作参数进行调整和管控。对插秧机工作状态的判断是插秧机性能自动检测的前提，控制系统根据插秧机在不同状态下启动或停止插秧工作性能检测程序。

为了给插秧机栽插质量检测系统提供起始和结束的判断依据，设计了一种高速插秧机工作状态的检测装置，融合加速度计和陀螺仪信号实现对插秧机连杆机构倾角检测；通过霍尔式接近开关和磁钢检测田间插秧机行驶速度；控制系统综合检测到的连杆机构倾角、行驶速度信息实现对高速插秧机工作状态的判断。

1 整体结构与工作原理

1.1 整体结构

高速插秧机工作状态检测装置主要由插秧机悬挂连杆机构、语音模块、单片机、陀螺仪、加速度计、霍尔式传感器(包括霍尔式接近开关、磁钢)组成，如图1所示。其中，霍尔式接近开关安装于插秧机后轮的插植离合器箱体上,磁钢安装在插秧机后轮输出轴上，用于检测插秧机工作速度；加速度计、陀螺仪传感器安装于悬挂连杆机构，用于测量连杆机构与水平参考面间夹角。

1.语音模块 2.单片机 3.陀螺仪-加速度计 4.悬挂连杆机构 5.霍尔式接近开关 6.磁钢

1.2 检测原理

分析插秧机在田间的几种工作情况可分为：①停机装载秧苗状态；②初始状态；③插秧工作状态；④转弯或行走不插秧状态。由图1可以看出：这些工作状态下插秧机的速度和悬挂连杆机构与水平参考面间夹角不同，可以综合插秧机的速度和悬挂连杆机构与水平参考面间夹角信息对插秧机的工作状态进行描述。具体描述如下：

1)停机装载秧苗状态S。插秧机速度为0，插秧机插值部处于悬挂状态，连接插值部的悬挂连杆机构与水平参考面间夹角大于0°。

2)初始状态B。插秧机速度为0，插秧机插值部下降，连接插值部的悬挂连杆机构与水平参考面间夹角夹角小于0°。

3)插秧工作状态W。插秧机速度大于0，连接插值部的悬挂连杆机构与水平参考面间夹角小于0°。

4)转弯或行走不插秧状态T。插秧机速度大于0，连接插值部的悬挂连杆机构与水平参考面间夹角大于0°。

2 检测系统设计

2.1 控制系统

插秧机工作状态检测装置控制系统由STM32f103单片机、霍尔式传感器、加速度计、陀螺仪及语音模块组成，如图2所示。霍尔式传感器所需电压为12V，单片机、加速度计、陀螺仪及语音模块所需供电电压为5V，采用插秧机车载12V电源经过稳压后对霍尔式传感器供电，经过降压后对加速度计、陀螺仪及语音模块供电。

图2 控制系统结构示意图

2.2 角度测量模块

为了得到插秧机连杆机构的角度变化，需要设计角度检测电路。当物体处于静止状态时，没有运动产生的其他加速度影响，研究学者通过加速度计来检测重力加速度的分量来检测倾角，可以取得比较准确的结果[5-6]；但当物体处于运动状态时，会产生加速度，影响，加速度计的测量。因此，结合加速度计和陀螺仪传感器的信号实现对插秧机连杆机构的角度测量。当插秧机连接插植部的悬挂连杆机构处于水平位置时，将加速度计、陀螺仪固定连杆机构表面，传感器和连杆机构在空间中的位置关系如图3所示。当插秧机机手操作插植部离合器时，插植部放下，连杆机构水平面与水平参考面间的夹角a发生改变，如图4所示。定义水平参考面为0°，水平参考面逆时针方向为正角度，顺时针方向为负角度。

图3 陀螺仪-加速度计示意图

图4 悬挂连杆机构倾斜状态

连杆机构以一定的角速度转动时，在Y轴方向形成加速度分量，陀螺仪传感器ENC-03输出的连杆机构的运动角速度信号,经过电路进行积分后得到连杆机构与水平参考面夹角信号。由于硬件电路中角速度信号的漂移和积分电路的漂移存在[7]，影响输出的夹角信号。本文结合加速度传感器MMA7260给出的Y轴信号对陀螺仪传感器积分得到的角度信号矫正，最终将矫正后连杆机构与水平参考面间夹角信号输入到控制器引脚PC0。角度计算电路如图5所示。

2.3 速度测量模块

本研究为田间工作环境中，需要测速传感器具有抗干扰性能好、工作稳定性可靠、耐腐蚀及防水等优点[8-9]，因此选用了SN12-8N20H霍尔式接近开关，如图6所示。霍尔式接近开关通过螺栓与插秧机的行驶后轮插植离合器箱水平固定安装，多个磁钢安装在插秧机后轮输出轴上。根据霍尔式传感器工作原理，磁钢N极正对接近开关安装，且磁钢的N极面到接近开关的距离小于10mm。当插秧机行驶时，后轮转动带动安装在输出轴上的磁钢转动，磁钢的N极面正对接近开关时(见图7)，接近开关触发并通过信号线向单片机PA0输入信号，触发外部中断；当磁钢连续转动时，单片机便会记录接近开关传感器触发的次数。单片机设定定时器中断，每隔t时间触发1次，单片机的定时器中断执行函数为读取接近开关触发的次数。此时刻测试速度计算公式为

(1)

式中R—后轮半径(mm)；

K—输出轴一周上的磁钢数目；

t—定时器时间(ms)；

n—t时间内接近开关触发的次数。

图5 角度测量电路

1.安装支架 2.霍尔式接近开关 3.磁钢

图7 速度测量电路

2.4 语音模块

语音播报电路如图8所示。语音模块P01、P02引脚分别与控制器中的PA1、PA2引脚相连，控制器根据计算的角度和速度值判断插秧机相应的工作状态。当插秧机速度为0，夹角大于0°，PA1、PA2引脚均输出低电平，则PWM1、PWM2输出停机装载秧苗状态音频文件；当插秧机速度为0，夹角小于0°， PA1、PA2引脚均输出低电平，PWM1、PWM2输出初始状态音频文件；当插秧机速度大于0，夹角小于0°，PA1引脚输出高电平，PA2引脚均输出低电平，PWM1、PWM2输出插秧工作状态音频文件；当插秧机速度大于0，夹角大于0°，PA1引脚输出低电平，PA2引脚均输出高电平，PWM1、PWM2输出为行走不插秧或转弯状态音频文件。语音播报信号对应的逻辑真值如表1所示。

图8 语音播报电路

PA1PA2PWM1、PWM2LL停机装载秧苗状态SHH初始状态BHL插秧工作状态WLH行走不插秧或转弯状态T

2.5 软件设计

C语言具有简洁高效的优点，广泛应用于单片机编程，因此采用C语言实现检测功能的开发。本系统完成了对霍尔式传感器、陀螺仪及加速度计输出信号的采集处理，并通过语音模块实现对插秧机工作状态的播报，程序流程图如9所示。

3 试验与结果分析

3.1 试验条件

为分析高速插秧机工作状态检测装置对工作状态判断的准确性，需要对速度和角度检测精度进行试验分析。2018年4月，在广东省肇庆市农业科学研究所试验基地进行田间试验，样机如图10所示。

图9 程序流程图

图10 高速插秧机工作状态检测装置试验现场

3.2 试验安排

1)速度测量试验。目前没有关于插秧机速度的测试标准，所以参考GB/T20792-2006轮式拖拉机速度的确定方法对水田拖拉机实际速度进行测试。根据测试试验田块的长度，标定测试区间长度S为25m，统计插秧机在测试区间内行驶时间为T。根据文献插秧机滑转率与种植密度的田间测试研究表明: 插秧机滑转率与泥脚深度成正比，泥脚越深，滑转率越高[10]； 根据本研究中试验田块的泥脚深度选取插秧机满载荷滑转率σ。分别对插秧机不同挡位进行测试，实际速度计算公式为

(2)

式中VR—实际速度(m/s)；

S—测试区间长度，取S=25m；

T—测试区间内所用时间(s)。

为了分析检测系统得到插秧机测试速度与实际速度的误差，需将测试速度转换为测试区间内的平均速度，即

(3)

式中VT—测试区间内的平均速度(m/s)；

Vi—i时刻传感器检测到的速度(m/s)；

σ—插秧机满载荷滑转率(本试验中取平均值σ=22.3%)。

为了对比分析不同速度下的测量误差差异，现定义高速的范围为实际速度VR∈(1.2,1.8)，中速范围为实测速度VR∈(0.6,1.2)，低速范围为实测速度VR∈(0,0.6)。定义测量误差为一个测试区间内测试速度平均值与实际速度的差值，试验分别对高速、中速、低速进行10次，统计试验结果如表2所示。

2)角度测量试验。进行角度测量精度试验时，操作悬挂连杆机构使其角度变化，通过角度测量模块输出角度测量值，然后用Exploit数显角度测量仪(测量精度为0.15°)测量连杆机构实际倾角，定义测量模块输出角度值与实际测量值的差值为测量误差。试验共测量30次，统计试验结果如表3所示。

3.3 试验结果与分析

由表2可以看出： 当插秧机以高速、中速挡行驶时测量的平均误差较小，以低速挡行驶时测量的平均误差略大；对变异系数进行分析，低速挡行驶时测量的变异系数大于以高速、中速挡行驶时测量的变异系数，总体看测试速度值比较稳定。

由表3可以看出：角度测量试验中，角度测量模块的最大误差为1.23，最小误差达到0.74°，平均误差为0.95°，变异系数为3.85%,系统测量稳定。

综合对速度测量和角度测量结果分析，本系统测量精度满足对插秧机工作状态的判断。

表2 速度测量误差结果

表3 倾角测量结果

4 结论

1)研制了一种适用于高速插秧机工作状态检测的装置，满足在田间环境下对高速插秧机不同工作状态的检测，为插秧机栽插质量的自动检测提供了判断依据，也为类似的农机装备田间检测启动、结束等工作状态精准预报提供了研究基础。

2)分别对检测系统所检测的角度、速度进行了田间试验，结果表明：插秧机以高速、中速挡行驶时测量的最大平均误差为0.063 6m/s，变异系数为6.34%，测量误差较小且稳定；角度的测量平均误差为0.95°，变异系数为3.85%，测量精度满足高速插秧机工作状态检测的要求。