CN108521951A - 一种播种单体减振自动控制方法 - Google Patents

一种播种单体减振自动控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种播种单体减振自动控制方法，该方法应用PVDF压电薄膜制作限深轮胎面形变传感器，实时监测播种单体的对地压力，间接计算开沟器的实际开沟深度，当与目标深度不一致时，系统将此偏差转换为控制信号来控制安装在平行四连杆仿形机构上的空气弹簧，推动播种单体对地表形成足够压力，从而减小播种单体所受振动，提高播种质量。

Description

一种播种单体减振自动控制方法
技术领域
本发明涉及自动化耕种领域，具体为一种播种单体减振自动控制方法。
背景技术
免耕播种机的播种单体通过仿形机构与机架连接，使播种单体可随地表起伏而运动，保证播深一致性。但免耕播种需要在未经翻耕的地表直接播种，土壤坚实度高，开沟器难入土。采用被动式仿形机构时，如果播种单体自重不够会导致对地压力不足，造成播种深度不够，甚至种子裸露的现象，影响作物产量。主动式仿形机构可以有效解决播种单体对地压力不足的问题，具有更好的仿形性能。但电液控制主动式仿形机构的结构复杂，成本较高，不适合小型机具，而且对于地面凸起或者硬物这类瞬时激励，液压系统的响应时间不能满足播种单体减振的要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种播种单体减振自动控制方法，以克服现有技术的不足。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种播种单体减振自动控制方法，该方法应用PVDF压电薄膜制作限深轮胎面形变传感器，实时监测播种单体的对地压力，间接计算开沟器的实际开沟深度，当与目标深度不一致时，系统将此偏差转换为控制信号来控制安装在平行四连杆仿形机构上的空气弹簧，推动播种单体对地表形成足够压力，从而减小播种单体所受振动，提高播种质量。
优选的，播种单体通过平行四连杆仿形机构连接到机架上，工作时平行四连杆仿形机构可以上下浮动来带动播种单体适应地面的起伏变化，以保证开沟深度一致性；一对呈八字形安装的拨茬轮配合波纹圆盘刀切断种床上的秸秆、根茬并清扫至播种单体的后侧方，为双圆盘开沟器提供一个良好的种床条件；限深轮与双圆盘开沟器的高度差为播种开沟深度，可在播种前调整至实际的播种深度要求；播种开沟的同时，指夹式排种器在地轮的驱动下进行播种；限深轮兼具覆土功能，最后由镇压轮对土壤进行压实。
优选的，实现对地压力监测的方法是播种机工作时限深轮与地面接触，当播种单体对地压力发生变化，限深轮的胎面会产生形变，因此可以通过测量限深轮胎面的形变量，间接计算出播种单体的对地压力。只要保证限深轮与地面接触时胎面的形变量一致就能确保播种单体的对地压力，从而保证播种深度的一致性。为了实时监测限深轮的胎面形变，采用新型的聚偏氟乙烯、压电薄膜传感器作为限深轮胎面形变检测元件。
优选的，PVDF传感器收集的压力信号处理方式是PVDF传感器所产生的信号太过微弱，不便于直接采集，需要经过电荷放大器放大处理。电荷放大器除了起到放大电荷信号的作用，同时还能将电荷信号转换成便于测量的模拟电压信号；之后，信号滤波器将对该模拟电压信号再进行滤波处理，用以滤除电压信号中的低频干扰信号；然后，模拟电压信号经峰值保持器后，其峰值电压将会被保持，而A/D转换器则将该峰值信号变为数字信号，该数字电压信号经微处理器1采集、处理后，再由无线发射模块将之发射出去；同时，微处理器一将会给峰值保持器一个复位电平，以便峰值保持器能够持续反复的工作。
本发明结构简单，制作方便，实用性强。
附图说明
图1为本发明局的播种单体结构示意图；
图2为本发明中播种单体振动自动控制系统结构原理示意图；
图3为本发明中自动控制系统的信号处理程序流程图；
图4为本发明中自动控制系统的信号产生程序流程图。
其中；1-机架；2-四连杆机构；3-空气弹簧支架；4-空气弹簧；5-支板；6-空气弹簧托板；7-连杆；8-拨茬轮；9-波纹圆盘刀；10-限深轮；11-双圆盘开沟器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图，本发明提供一种技术方案：一种免耕播种机播种单体减振自动控制方法，并设计相应的减振自动控制系统。应用PVDF压电薄膜制作限深轮胎面形变传感器，实时监测播种单体的对地压力，间接计算开沟器的实际开沟深度，当与目标深度不一致时，系统将此偏差转换为控制信号来控制安装在平行四连杆仿形机构上的空气弹簧，推动播种单体对地表形成足够压力，从而减小播种单体所受振动，提高播种质量。
一工作原理
免耕播种机播种单体的结构和减振自动控制空气弹簧的安装位置如图1所示，播种单体主要由拨茬轮、圆盘刀、双圆盘开沟器、限深轮、指夹式排种器、种箱和镇压轮等构件，能够一次性完成清茬破茬、开沟、播种、覆土和镇压等作业。播种单体通过平行四连杆仿形机构连接到机架上，工作时平行四连杆仿形机构可以上下浮动来带动播种单体适应地面的起伏变化，以保证开沟深度一致性；一对呈八字形安装的拨茬轮配合波纹圆盘刀切断种床上的秸秆、根茬并清扫至播种单体的后侧方，为双圆盘开沟器提供一个良好的种床条件；限深轮与双圆盘开沟器的高度差为播种开沟深度，可在播种前调整至实际的播种深度要求；播种开沟的同时，指夹式排种器在地轮的驱动下进行播种；限深轮兼具覆土功能，最后由镇压轮对土壤进行压实。
播种机工作时限深轮与地面接触，当播种单体对地压力发生变化，限深轮的胎面会产生形变，因此可以通过测量限深轮胎面的形变量，间接计算出播种单体的对地压力。只要保证限深轮与地面接触时胎面的形变量一致就能确保播种单体的对地压力，从而保证播种深度的一致性。为了实时监测限深轮的胎面形变，采用新型的聚偏氟乙烯（Polyvinylidene fluoride，PVDF)压电薄膜传感器作为限深轮胎面形变检测元件。
二系统总体方案
播种单体减振自动控制系统主要包括PVDF信号处理器和振动监控器两大部分，如图2所示。
PVDF信号处理器包含PVDF压电薄膜传感器、电荷放大器、信号滤波器、峰值保持电路、A/D转换器、微处理器1和无线发送模块。PVDF传感器所产生的信号太过微弱，不便于直接采集，需要经过电荷放大器放大处理。电荷放大器除了起到放大电荷信号的作用，同时还能将电荷信号转换成便于测量的模拟电压信号。之后，信号滤波器将对该模拟电压信号再进行滤波处理，用以滤除电压信号中的低频干扰信号。然后，模拟电压信号经峰值保持器后，其峰值电压将会被保持，而A/D转换器则将该峰值信号变为数字信号，该数字电压信号经微处理器1采集、处理后，再由无线发射模块将之发射出去。同时，微处理器1将会给峰值保持器一个复位电平，以便峰值保持器能够持续反复的工作。
振动监控器由无线接收模块、微处理器2、输入键、显示模块、D/A转换电路和功率放大电路等组成。系统的工作原理是：无线接收模块接收到无线发射模块发出的数字信号后传送给微处理器2，微处理器2将接收到的信号与存储在微处理器2内的预设值进行比较（预设值为理想播种深度时，信号处理电路发出的电压信号U的峰值），当接收到的信号小于预设值时，微处理器2将预设值与接收到信号的差值形成控制信号，控制信号经D/A转换电路转换为模拟电压信号后再由功率放大电路放大，传送给电-气比例阀，进而控制气压传动机构产生相应的气压力，以达到控制振动的目的。控制信号的幅值在传感器每次经过印痕区时发生变化，传感器脱离印痕区后，控制信号维持上一次的值不变。微处理器2内的预设值可通过输入键设置和修改，并在显示模块上显示。同时，显示模块还可以实时显示当前的播种深度值，实现播种深度实时监测。
三系统程序设计
系统软件设计包括信号处理器程序设计和播深监控器程序设计。其中，信号处理器程序运行在PVDF信号处理器硬件设备的微处理器1中，可以驱动峰值保持器、A/D转换器和无线模块等器件工作，使得PVDF传感信号能够被有效地采集和传输至振动监控器；振动监控器程序则运行在振动监控器所对应的微处理器2中，可驱动无线接收模块、D/A转换器、液晶显示屏等设备工作，实现传感数据的接收处理、并决策输出控制信号。
3.1 信号处理器程序
信号处理器的程序设计流程如图3所示。信号处理器工作前需要对相关设备进行初始化包括时器初始化、A/D初始化、NRF24L01初始化等。初始化的目的是使设备开启系统需要的工作模式，如对NRF24L01初始化则是将NRF24L01设置成发射模式，并配置其通信地址、通信频率、数据包格式等。
初始化完成后，系统启动定时器，并用定时器记录A/D采集传感信号的时刻，并采用类似爬山算法的方法比较相连两个时刻的A/D值大小，留下较大的A/D值，舍弃较小值，并逐渐比较，直至找到最大值；此时，使峰值保持器复位一段时间，同时控制NRF24L01无线发送最大的A/D采集值。复位峰值保持器的目的是为下次重复峰值采集做准备。
3.2 振动监控器程序
振动监控器的程序设计流程，如图4 所示。程序开始运行时，同样需要先进行初始化设置，在振动监控器程序中初始化包括无线接收模块NRF24L01的初始化、D/A转换器的初始化、液晶显示LCD12864的初始化以及一些相应的I/O的初始化等。
初始化后，进行播深调控阈值的设置。然后，振动监控器开始进入主要的工作模式，其开始等待接收信号处理器所发送而来的传感值，并将接收到的传感值与设置的阈值比较。如果传感值大于阈值说明限深轮形变足够，播种单体对地压力足够，不需要再额外产生附加压力，此时输出的播深控制信号为零；当传感信号值小于设定阈值时，说明限深轮与地面接触的形变量不足，播种单体对地压力不足，此时振动监控器将产生一个差控调节信号，该差控调节信号由设定阈值与传感值作差所得，用于控制电-气比例阀使其调节气压传动机构的输出气压力，进而使空气弹簧产生对应的下压力。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种播种单体减振自动控制方法，其特征在于：该方法应用PVDF压电薄膜制作限深轮胎面形变传感器，实时监测播种单体的对地压力，间接计算开沟器的实际开沟深度，当与目标深度不一致时，系统将此偏差转换为控制信号来控制安装在平行四连杆仿形机构上的空气弹簧，推动播种单体对地表形成足够压力，从而减小播种单体所受振动，提高播种质量。
2.根据权利要求1所述一种播种单体减振自动控制方法，其特征在于：播种单体通过平行四连杆仿形机构连接到机架上，工作时平行四连杆仿形机构可以上下浮动来带动播种单体适应地面的起伏变化，以保证开沟深度一致性；一对呈八字形安装的拨茬轮配合波纹圆盘刀切断种床上的秸秆、根茬并清扫至播种单体的后侧方，为双圆盘开沟器提供一个良好的种床条件；限深轮与双圆盘开沟器的高度差为播种开沟深度，可在播种前调整至实际的播种深度要求；播种开沟的同时，指夹式排种器在地轮的驱动下进行播种；限深轮兼具覆土功能，最后由镇压轮对土壤进行压实。
3.根据权利要求1所述一种播种单体减振自动控制方法，其特征在于：实现对地压力监测的方法是播种机工作时限深轮与地面接触，当播种单体对地压力发生变化，限深轮的胎面会产生形变，因此可以通过测量限深轮胎面的形变量，间接计算出播种单体的对地压力。只要保证限深轮与地面接触时胎面的形变量一致就能确保播种单体的对地压力，从而保证播种深度的一致性。为了实时监测限深轮的胎面形变，采用新型的聚偏氟乙烯、压电薄膜传感器作为限深轮胎面形变检测元件。
4.根据权利要求1所述一种播种单体减振自动控制方法，其特征在于：PVDF传感器收集的压力信号处理方式是PVDF传感器所产生的信号太过微弱，不便于直接采集，需要经过电荷放大器放大处理。电荷放大器除了起到放大电荷信号的作用，同时还能将电荷信号转换成便于测量的模拟电压信号；之后，信号滤波器将对该模拟电压信号再进行滤波处理，用以滤除电压信号中的低频干扰信号；然后，模拟电压信号经峰值保持器后，其峰值电压将会被保持，而A/D转换器则将该峰值信号变为数字信号，该数字电压信号经微处理器1采集、处理后，再由无线发射模块将之发射出去；同时，微处理器一将会给峰值保持器一个复位电平，以便峰值保持器能够持续反复的工作。
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