CN104041229A - 自适应斜振动种盘机构及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明为自适应斜振动种盘的机构及其控制方法，主要用于水稻等形状不规则、中小颗粒种子的精密播种育苗。本装置主要包括至少三组丝杆直线步进电机、螺母和球头关节轴承等支撑连接调节支撑板，直线导轨垂直固定安装于调节支撑板上，并通过滑块连接种盘，种盘通过曲柄连杆机构驱动作往复振动，在种盘内多点安装称重传感器，用于监测种盘内不同区域的种子数量，控制器实时采集称重传感器输出信号，拟合建立的种子在种盘内的分布状态，提出种盘振动方向角的调节方案，并输出丝杆直线步进电机提供反馈调节信号，实现种盘往复振动方向角的自适应调节，促进种群在振动种盘内的均匀离散和有序流动，提高吸种精度。

Description

自适应斜振动种盘机构及控制方法

技术领域

本发明属于精密育秧播种技术领域，具体涉及自适应斜振动种盘机构及控制方法。

背景技术

播种是农业生产过程中的一个重要技术环节，播种机则是实现机械化精密播种的核心部件。随着超级稻种植面积不断扩大，其育秧精度由3～5 粒/穴提高至1～2 粒/穴，从而有利于移栽后的分蘖发生和单株生长，形成高产群体结构。盘吸式精密排种器主要由振动种盘和负压吸盘两部分组成，通过给种盘施加小幅高频激振，种群在种盘内呈现均匀离散状态，以减小摩擦阻力，根据播种要求在吸盘上加工吸孔，通过给吸盘施加真空负压，种子被吸附在吸孔上，改变吸孔的结构、数量和组合方式，可以控制每穴播种粒数，效率较高。振动种盘内的种子分布状态是影响排种器作业性能的重要因素，由于作业时排种器的姿态、地面起伏及机器振动等干扰因素多，目前普遍采用的单自由度垂直往复激振方式，容易引起种群在振动种盘内分布不均匀，有些区域种层较厚而不能有效离散，有些区域种层过薄，甚至没有种子，直接造成漏播和重播的增大，严重影响了排种器田间播种精度，因此，如何设计一种振动方向可调整的种盘机构，通过实时监测振动种盘内种子的分布状态，自适应反馈控制种盘的振动方向角度，始终保持种子理想的均匀分布状态，以提高播种精度，有着重要的理论研究意义和实用价值。

发明内容

本发明提出了自适应斜振动种盘机构及控制方法，通过设计一种自适应斜振动种盘机构，并提出振动种盘内种子的运动状态监测以及种盘振动方向角的自适应控制方法，促使种群在振动种盘内能够均匀离散和有序流动，保持种盘内种子处于理想的运动分布状态，提高排种器的作业质量和效率。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

自适应斜振动种盘机构，其特征在于，包括底座、调节支撑板、至少3个称重传感器、种盘、电机、信号处理电路、控制器，以及安装在所述底座上、且不位于同一直线上的至少3组调节部件，所述调节部件包括步进电机、步进电机驱动器、丝杆、螺母、弯杆球头杆端关节轴承和直杆球头关节轴承，所述步进电机固定在底座上、且与所述步进电机驱动器连接，所述步进电机的输出轴固定连接丝杆，所述丝杆上安装螺母，所述螺母与所述弯杆球头杆端关节轴承固定连接，所述弯杆球头杆端关节轴承的下端与所述直杆球头关节轴承固定连接，所述直杆球头关节轴承的下端与所述调节支撑板固定连接，所述调节支撑板上竖直设置至少3个不在同一直线上的直线导轨，直线导轨内设有滑块，所述滑块通过螺栓与所述种盘的侧壁固定连接，所述种盘上设置至少3个不在同一直线上的监测窗口，所述称重传感器固定在监测窗口下方，所述称重传感器的检测板上表面与种盘的底板处于同一平面，所述电机固定在所述底座的中轴位置，所述电机的输出轴上安装转动盘，所述转动盘的偏心位置安装球头关节轴承二，所述种盘的下方中心位置安装球头关节轴承一，所述球头关节轴承一和所述球头关节轴承二之间通过连杆连接；所述称重传感器均与所述信号处理电路连接，所述信号处理电路、所述步进电机驱动器均与所述控制器连接。

上述方案中，所述调节部件为4个，成矩形整列在所述底座上。

上述方案中，所述直线导轨为4个，成矩形整列在所述支撑板上。

上述方案中，所述监测窗口为4个，成矩形整列在所述种盘上。

上述方案中，所述监测窗口的长和宽的尺寸范围为40-60mm。

上述方案中，所述监测板处于监测窗的中心位置，且所述监测板的侧面与监测窗口内边缘之间的间隙小于0.5mm。

上述方案中，所述监测板的材料与种盘的底板材料相同。

上述自适应斜振动种盘机构的控制方法，其特征在于，包括以下步骤，

第一步，启动电机，电机驱动连杆，让种盘以不同的振动频率、振幅振动，通过称重传感器测得振动惯性力信号，并存储到控制器中，作为原始补偿信号；

第二步，向种盘内添加种子，电机继续驱动种盘，使种盘内的种子产生向上抛掷运动而相互离散，各称重传感器监测检测板区域内种子惯性力和冲击力的信号；

第三步，称重传感器将惯性力和冲击力的信号传送给信号处理器电路，信号处理电路根据原始补偿信号对种子惯性力和冲击力的信号进行差动补偿，再进行高通滤波、包络检波和中值滤波处理后得到各个监测板区域内种子数量的模拟量信号，并将各个模拟量信号输出至控制器；

第四步，控制器比较来自信号处理电路的多个模拟量信号，当各个模拟量信号不相等时，控制器通过向步进电机驱动器输出控制信号，进一步驱动步进电机通过丝杆、螺母、直杆球头关节轴承和弯杆球头杆端关节轴承的配合作用改变支撑板的法向角度；称重传感器继续监测种子对监测板的惯性力和冲击信号，当各个监测板区域内种子数量模拟量信号相同时，则控制器向步进电机驱动器输出控制信号，使步进电机停止工作。

本发明的有益效果是：通过多组步进电机的并联驱动改变调节支撑板的法向角度，使种盘在往复振动的基础上，实现斜振动方向角的调整。通过在振动种盘内多点监测种子的振动冲击力，提取种子数量特征参数，建立种子在振动种盘内的分布均匀性模型，制定种盘斜振动方向角的自适应调节策略，反馈调节种盘往复振动方向角，以促使种群在振动种盘内能够均匀离散和有序流动，保持种盘内种子处于理想的运动分布状态，可以有效提高盘吸式排种器的作业质量和效率。

附图说明

下面结合附图和实例对本发明进一步说明

图1是本发明所述的自适应斜振动种盘机构立体图；

图2是本发明所述的自适应斜振动种盘机构主视图；

图3是本发明所述的自适应斜振动种盘机构左视图；

图4是本发明所述的自适应斜振动种盘机构中螺母与调节支撑板连接关系的局部放大图；

图5是本发明所述的自适应斜振动种盘机构的控制原理图；

图6是本发明所述的自适应斜振动种盘机构的控制流程图。

图中：1底座，2步进电机，3调节支撑板，4丝杆，5螺母，6弯杆球头杆端关节轴承，7直杆球头关节轴承，8直线导轨，9滑块，10种盘，11监测板，12电机，13转动盘，14称重传感器，15球头关节轴承一，16连杆，17球头关节轴承二，18信号处理电路，19控制器，20步进电机驱动器。

 

具体实施方式：

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1、图2、图3、图4所示，本发明所述的自适应斜振动种盘机构，包括底座1、调节支撑板3、至少3个称重传感器14、种盘10、电机12、信号处理电路18、控制器19，以及安装在所述底座1上、且不位于同一直线上的至少3组调节部件。所述调节组件包括步进电机2、步进电机驱动器（20）、丝杆4、螺母5、弯杆球头杆端关节轴承6和直杆球头关节轴承7，步进电机2固定安装于底座1上、且与所述步进电机驱动器（20）连接，步进电机2的输出轴连接丝杆4，丝杆4上安装螺母5，所述螺母（5）与所述弯杆球头杆端关节轴承（6）固定连接，所述弯杆球头杆端关节轴承（6）的下端与所述直杆球头关节轴承（7）固定连接，所述直杆球头关节轴承（7）的下端与所述调节支撑板（3）固定连接，起到对调节支撑板3的支撑和调节作用。

所述调节支撑板（3）上竖直设置至少3个不在同一直线上的直线导轨（8），直线导轨内设有滑块（9），所述滑块（9）通过螺栓与所述种盘（10）的侧壁固定连接。种盘10通过滑块9可以在直线导轨8上自由上下滑动。

所述种盘上设置至少3个不在同一直线上的监测窗口，每个监测窗口的长宽尺寸在40－60mm，监测窗口正多边形列阵布置于种盘10的底板上。采用多个称重传感器14分别安装于种盘10的底板下方，称重传感器14的安装端固定连接于种盘10的底板下方，称重传感器14的检测端安装监测板11，监测板11选择与种盘10底板相同的材料，监测板11的几何形状与种盘10的底板上加工的监测窗口相同，监测板11的安装位置应保证位于监测窗口中心，监测板（11）的侧面与监测窗口内边缘之间的间隙小于0.5mm，监测板11上表面与种盘10的底板处于同一平面。所述电机（12）固定在所述底座（1）的中轴位置，所述电机（12）的输出轴上安装转动盘（13），所述转动盘（13）的偏心位置安装球头关节轴承二（17），所述种盘（10）的下方中心位置安装球头关节轴承一（15），所述球头关节轴承一（15）和所述球头关节轴承二（17）之间通过连杆（16）连接，构成偏心曲柄滑块机构，以驱动种盘10在直线导轨8上作往复振动。所述称重传感器（14）均与所述信号处理电路（18）连接，所述信号处理电路（18）、所述步进电机驱动器（20）均与所述控制器（19）连接。

种盘10通常为矩形结构，较佳地，所述调节部件、直线导轨8均优选为四个，四组调节部件、和4个直线导轨8呈矩形或正方形阵列排列。监测窗口的数量优选为4-6个，也呈矩形或正方形阵列排列分布在种盘10上。

在电机12、转动盘13、球头关节轴承二17、球头关节轴承一15和连杆16构成偏心曲柄滑块机构驱动下，驱动种盘10在直线导轨8上作往复振动。，振动方向角度由调节支撑板3的法向角度决定。种盘10内的种子在振动作用下产生向上的抛掷运动而相互离散，种子冲击到监测板11上，对应的称重传感器14会监测到籽粒冲击力和振动惯性力信号，称重传感器14的输出信号传送给信号处理电路18，信号处理电路18依次通过差动补偿、高通滤波、包络检波和中值滤波处理后得到监测板11区域内种子数量，并通过模拟量信号输出，不同位置称重传感器14的输出信号通过信号处理电路18转换，输出不同称重传感器的监测板11上测得的种子数量的模拟量信号。

控制器19以单片机或PLC为核心，通过接受来自信号处理电路18的多个模拟量信号，比较在控制器19内建立的种盘10振动方向角自适应调节策略，输出步进电机2的控制信号，输出的控制信号通过步进电机驱动器20分别驱动至少三组步进电机2，其中优选四组，四组步进电机2通过丝杆4、螺母5、直杆球头关节轴承6和弯杆球头杆端关节轴承7改变调节支撑板3四个固定点的相对位置，通过四组步进电机2的并联调节，可以改变调节支撑板3的法向角度。由于直线导轨8垂直固定安装于调节支撑板3上，且种盘10是在直线导轨8上作往复振动，因此，改变调节支撑板3的法向角度即可改变种盘10的振动方向角，从而实现种盘10的斜振动方向角的自适应调节，促进种群在斜振动种盘内的均匀离散和有序流动。

自适应斜振动种盘的机构的控制方法如图5、图6所示，下面结合实例做进一步的阐述所述控制方法：

首先，在种盘10内不添加种子，启动电机（12），电机（12）驱动连杆（16），让种盘（10）以不同的振动频率、振幅振动，通过称重传感器（14）测得振动惯性力信号，并存储到控制器（18）中，作为原始补偿信号。

向种盘10内添加种子后，电机继续驱动种盘（10），种盘10内的种子产生向上的抛掷运动而相互离散，种子会对称重传感器14的检测板（11）产生冲击，各称重传感器（14）监测检测板（11）区域内种子惯性力和冲击力的信号。称重传感器14输出信号会随监测板11区域内种子数量发生改变。各个位置的称重传感器14将测得的冲击力和惯性力信号传送给信号处理电路18进行信号处理，并输出不同监测区域种子数量的模拟量信号至控制器（19）。具体的，由于称重传感器14输出信号主要包括监测板11的振动惯性力和种子的冲击力，因此首先将称重传感器14输出信号与原始补偿信号进行差动处理，种盘振动频率通常小于20Hz，而种子冲击信号频率通常大于80Hz，将差动处理后的信号再通过高通滤波，截止频率设定为40-60Hz，以进一步消除种盘振动干扰；种子冲击称重传感器14的时间较短，每次冲击力的波形具有相似性，但冲击力的大小总是分布在一定范围内，因此通过包络检波以获取每次冲击力的包络波形，最后通过中值滤波得到冲击力的均值，这样可以减小监测过程中的随机干扰，提高测量灵敏度和精度。

处理电路18输出的模拟量信号传送给控制器19，控制器19内部建有种子在振动种盘内的分布均匀性模型，控制器（19）根据来自信号处理电路（18）的多个模拟量信号，以及种盘10振动方向角控制方法制定自适应调节策略，输出步进电机2的控制信号，输出的控制信号通过步进电机驱动器20分别驱动四组步进电机2独立工作。具体的当各个模拟量信号不相等时，控制器（19）通过向步进电机驱动器（20）输出控制信号，进一步驱动步进电机（2）通过丝杆、螺母、直杆球头关节轴承和弯杆球头杆端关节轴承的配合作用改变支撑板的法向角度；称重传感器（14）继续监测种子对监测板（11）的惯性力和冲击信号，当各个监测板（11）区域内种子数量模拟量信号相同时，则控制器（19）向步进电机驱动器（20）输出控制信号，使步进电机（2）停止工作。由于直线导轨8垂直固定安装于调节支撑板3上，且种盘10是在直线导轨8上作往复振动，因此，改变调节支撑板3的法向角度即可改变种盘10的振动方向角，从而实现种盘10的斜振动方向角的自适应调节，促进种群在斜振动种盘内的均匀离散和有序流动。

Claims (8)

1.自适应斜振动种盘机构，其特征在于，包括底座（1）、调节支撑板（3）、至少3个称重传感器（14）、种盘（10）、电机（12）、信号处理电路（18）、控制器（19），以及安装在所述底座（1）上、且不位于同一直线上的至少3组调节部件，所述调节部件包括步进电机（2）、步进电机驱动器（20）、丝杆（4）、螺母（5）、弯杆球头杆端关节轴承（6）和直杆球头关节轴承（7），所述步进电机（2）固定在底座（1）上、且与所述步进电机驱动器（20）连接，所述步进电机（2）的输出轴固定连接丝杆（4），所述丝杆（4）上安装螺母（5），所述螺母（5）与所述弯杆球头杆端关节轴承（6）固定连接，所述弯杆球头杆端关节轴承（6）的下端与所述直杆球头关节轴承（7）固定连接，所述直杆球头关节轴承（7）的下端与所述调节支撑板（3）固定连接，所述调节支撑板（3）上竖直设置至少3个不在同一直线上的直线导轨（8），直线导轨内设有滑块（9），所述滑块（9）通过螺栓与所述种盘（10）的侧壁固定连接，所述种盘上设置至少3个不在同一直线上的监测窗口，所述称重传感器（14）固定在监测窗口下方，所述称重传感器（14）的检测板（11）上表面与种盘（10）的底板处于同一平面，所述电机（12）固定在所述底座（1）的中轴位置，所述电机（12）的输出轴上安装转动盘（13），所述转动盘（13）的偏心位置安装球头关节轴承二（17），所述种盘（10）的下方中心位置安装球头关节轴承一（15），所述球头关节轴承一（15）和所述球头关节轴承二（17）之间通过连杆（16）连接；所述称重传感器（14）均与所述信号处理电路（18）连接，所述信号处理电路（18）、所述步进电机驱动器（20）均与所述控制器（19）连接。

2.根据权利要求1所述的自适应斜振动种盘机构，其特征在于，所述调节部件为4个，成矩形整列在所述底座（1）上。

3.根据权利要求1所述的自适应斜振动种盘机构，其特征在于，所述直线导轨（8）为4个，成矩形整列在所述支撑板（3）上。

4.根据权利要求1所述的自适应斜振动种盘机构，其特征在于，所述监测窗口为4个，成矩形整列在所述种盘（10）上。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的自适应斜振动种盘机构，其特征在于，所述监测窗口的长和宽的尺寸范围为40-60mm。

6.根据权利要求1所述的自适应斜振动种盘机构，其特征在于，所述监测板（11）处于监测窗的中心位置，且所述监测板（11）的侧面与监测窗口内边缘之间的间隙小于0.5mm。

7.根据权利要求1所述的自适应斜振动种盘机构，其特征在于，所述监测板（11）的材料与种盘（10）的底板材料相同。

8.权利要求1所述的自适应斜振动种盘机构的控制方法，其特征在于，包括以下步骤，

第一步，启动电机（12），电机（12）驱动连杆（16），让种盘（10）以不同的振动频率、振幅振动，通过称重传感器（14）测得振动惯性力信号，并存储到控制器（18）中，作为原始补偿信号；

第二步，向种盘（10）内添加种子，电机继续驱动种盘（10），使种盘（10）内的种子产生向上抛掷运动而相互离散，各称重传感器（14）监测检测板（11）区域内种子惯性力和冲击力的信号；

第三步，称重传感器（14）将惯性力和冲击力的信号传送给信号处理器电路（18），信号处理电路（18）根据原始补偿信号对种子惯性力和冲击力的信号进行差动补偿，再进行高通滤波、包络检波和中值滤波处理后得到各个监测板（11）区域内种子数量的模拟量信号，并将各个模拟量信号输出至控制器（19）；

第四步，控制器（19）比较来自信号处理电路（18）的多个模拟量信号，当各个模拟量信号不相等时，控制器（19）通过向步进电机驱动器（20）输出控制信号，进一步驱动步进电机（2）通过丝杆、螺母、直杆球头关节轴承和弯杆球头杆端关节轴承的配合作用改变支撑板的法向角度；称重传感器（14）继续监测种子对监测板（11）的惯性力和冲击信号，当各个监测板（11）区域内种子数量模拟量信号相同时，则控制器（19）向步进电机驱动器（20）输出控制信号，使步进电机（2）停止工作。