CN110651569B - 一种精密播种机地轮驱动力监控系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种精密播种机地轮驱动力监控系统，针对目前播种机地轮传动和驱动力矩测试方法存在的不足和缺陷，能够监控地轮运行状态，当地轮驱动力不足时，及时提供驱动力，为精密播种机的播种精确性提供重要保障，为后续地轮设计提供数据支持。本发明包括速度传感器、扭矩传感器、磁粉制动器、直流电机、GPS模块、控制器、显示装置、报警装置、远程服务器，播种机工作过程中，排种器与排肥器的驱动力由地轮驱动，本发明在复杂工况下可实现自动检测，通过速度传感器与GPS等检测到地轮驱动不足时，及时启动直流电机保证播种过程中不漏播不断播，即满足精密播种要求。

Description

一种精密播种机地轮驱动力监控系统

技术领域

本发明属农业机械测试技术领域，具体涉及一种精密播种机地轮驱动力监控系统。

背景技术

播种作为农业生产的重要环节，直接影响作物产量。目前，我国的播种机主要采用地轮驱动，通过链轮带动链条将动力传给排肥轴和排种轴，进行排肥、排种作业。在田间作业时，播种机需要行走在松软地表或有秸秆和残茬覆盖的地表，地轮传动的稳定性直接影响播种机的工作性能和作业效果，尺寸和结构不合理的地轮会导致地轮滑移率大大增加，造成漏播甚至断条，尤其精密播种作业时，对地轮传动的平稳性要求更高。

随着大马力拖拉机的普及，大型机具不断增多，需要地轮提供更大的驱动力保证播种作业的顺利进行。而目前地轮的设计大多数都是根据经验大致估算，无法具体计算地轮的实际驱动力，只能依靠试验得出数据。一般测量扭矩的仪器多用于室内试验台，但播种机在田间作业时环境更为复杂多变，为了保证测试数据的可靠性，有必要设计一种播种机地轮驱动力矩监控系统。

发明内容

针对目前播种机地轮传动和驱动力矩测试方法存在的不足和缺陷，本发明提供了一种精密播种机地轮驱动力监控系统，监控地轮运行状态，当地轮驱动力不足时，及时提供驱动力，为精密播种机的播种精确性提供重要保障，为后续地轮设计提供数据支持。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种精密播种机地轮驱动力监控系统，包括速度传感器、扭矩传感器、磁粉制动器、直流电机、GPS模块、控制器、显示装置、报警装置、远程服务器；所述直流电机动力输出轴通过磁粉制动器连接播种机地轮地轮轴；速度传感器安装在地轮上，用于采集地轮瞬时速度；扭矩传感器安装在地轮轴上，用于采集传动轴扭矩；GPS模块安装在播种机机具上，用于实时监测机具移动数据；显示装置和报警装置均安装在驾驶室内；控制器分别与速度传感器、扭矩传感器、GPS模块、直流电机、显示装置、报警装置以及远程服务器通讯连接。

进一步地，所述显示装置为LCD显示器。

进一步地，所述控制器通过电机驱动器与直流电机连接。

进一步地，所述控制器通过GPRS模块与远程服务器连接。

进一步地，所述速度传感器将地轮速度信息发送给控制器，当地轮未出现打滑或驱动力不足的情况时，磁粉制动器处于断开状态，直流电机不参与地轮驱动；当地轮出现打滑或驱动力不足时，控制器将地轮速度、传动轴扭矩信息输出给显示装置进行显示；控制器发送制动措施语令与直流电机驱动语令，磁粉制动器在制动措施语令的命令下采取制动措施，使直流电机与地轮相连，直流电机在控制器的直流电机驱动语令控制下进行固定转速旋转；在播种机行走在松软地表或有秸秆和残茬覆盖的地表时，需大扭矩输出，扭矩传感器将扭矩信息传递给控制器，控制器下达电机大扭矩输出指令，直流电机按照指令进行工作，减速至最低设定速度。

更进一步地，所述播种机开始作业时，扭矩传感器开始采集传动轴的扭矩，当扭矩小于设定的阈值时，说明地轮出现了打滑现象，控制器根据扭矩不足的大小，输出PWM控制直流电机，带动传动轴工作；速度传感器开始产生脉冲，控制器计算单位时间内的脉冲数，得出地轮的前进距离L，通过GPS模块得出机具的前进距离S，单位时间内的滑移率通过公式：

计算获得；当滑移率大于设定的阈值时，控制器发出指令控制报警装置报警；作业完毕，机具的作业数据通过GPRS模块发送至远程服务器，实现对数据的储存和分析。本发明所述一种精密播种机地轮驱动力监控系统的工作过程包括如下步骤：

一、播种前，进行前期机具检查，主要有测试系统的完整性、地轮有无卡死现象、机具清理是否干净、电池电量是否充足、排种器排种情况、排肥器肥量调节、开沟器覆土器运转情况、拖拉机运行情况等方面，此时地轮处于正常路面行走状态，检查结束后进行种肥添加，添加结束后拖拉机驾驶员进入驾驶室设定驾驶速度范围(即播种器播种速度)，此时开启监控系统，监控系统进入预备期，准备播种。

二、播种中，拖拉机开始启动，驾驶员释放拖拉机下拉杆，地轮进入田间工作状态，GPS系统开始检测拖拉机行走距离，速度传感器、扭矩传感器处于预备状态，STM32控制系统开始接受GPS信号，并进行单位时间距离测试；当速度趋于稳定时，GPS系统检测到单位时间内行驶距离不变，STM32开始下达指令，系统开始测试；当地轮5出现打滑或驱动力不足时，速度传感器将信息传递给STM32控制系统，控制系统接受信息后将信息输出给驾驶室内的报警装置，并显示其驱动力不足实时情况，以便驾驶员采取相应驾驶调整措施；同时控制系统采取制动措施语令与直流电机驱动语令，磁粉制动器Ⅰ7、磁粉制动器Ⅱ8在制动措施语令的命令下采取制动措施，将连接从而使直流电机与地轮相连，直流电机10在控制系统的直流电机驱动语令下，进行固定转速旋转，在行走在松软地表或有秸秆和残茬覆盖的地表时需大扭矩输出，扭矩传感器将扭矩信息传递给STM32控制系统，控制系统下达电机大扭矩输出指令，直流电机10进行相关指令进行工作；报警装置在大面积出现驱动力不足时，提供可靠的实时警报，说明出现了大面积的漏播现象。当地轮5未发生上述情况时，速度传感器7未测的速度强烈波动变化，驱动力满足播种机精密播种要求，直流电机停止转动，磁粉制动器Ⅰ7、磁粉制动器Ⅱ8处于断开状态，防止进一步地轮冲击力对电机10的损害，报警系统不工作。此过程中，拖拉机每进行一次转弯，测控系统将按照GPS实时监测情况进行相对信号判断与状态处理。

三、播种结束后，驾驶员抬起拖拉机上下拉杆，播种机停止工作，监测系统进入待机状态，可由驾驶员自行关闭。

附图说明：

图1为一种精密播种机地轮驱动力监控系统机械结构示意图

图2为一种精密播种机地轮驱动力监控系统免耕播种机结构正视图

图3为一种精密播种机地轮驱动力监控系统免耕播种机结构侧视图

图4为一种精密播种机地轮驱动力监控系统构成框图

图5为一种精密播种机地轮驱动力监控系统控制原理框图

图中：1、传动轴 2、播种机支撑梁 3、地轮连接座 4、传动链 5、地轮 6、固定梁 7、磁粉制动器Ⅰ 8、磁粉制动器Ⅱ 9、扭矩传感器 10、直流电机 11、肥箱 12、排肥器驱动轴13、排肥器 14、播种机单体 15、从动地轮 16、排种器单体 17、速度传感器

具体实施方式

以下结合附图详细介绍本发明的技术方案：

一种精密播种机地轮驱动力监控系统，主要由地轮、速度传感器17、扭矩传感器9、磁粉制动器Ⅰ7、磁粉制动器Ⅱ8、直流电机10、STM32控制器、LCD显示器、报警装置、远程服务器等部分组成。

如图1、图2、图3、图4所示，一种精密播种机地轮驱动力监控系统，由机械部分和电气部分组成，机械部分主要由传动轴1、播种机支撑梁2、地轮连接座3、传动链4、主动地轮5、固定梁6、磁粉制动器Ⅰ7、磁粉制动器Ⅱ8、扭矩传感器9、直流电机10、肥箱11、排肥器驱动轴12、排肥器13、播种机单体14、从动地轮15、排种器单体16、速度传感器17等组成；电气部分主要由扭矩传感器9、编码器、GPS模块、STM32控制器、报警装置、LCD显示器、GPRS模块、远程服务器等组成。

其中，主动地轮5地轮轴与磁粉制动器Ⅰ7连接，磁粉制动器Ⅱ8与直流电机10动力输出轴连接，通过磁粉制动器Ⅰ7、磁粉制动器Ⅱ8实现直流电机10与地轮之间的连接和断开。直流电机为24V直流伺服电机，可调控转速范围10～500r/min。速度传感器17安装在地轮上，用于采集地轮的瞬时速度；扭矩传感器9安装在地轮轴上且位于磁粉制动器侧部，用于采集传动轴1扭矩；LCD显示器安装在驾驶室内；GPS模块安装在播种机机具上，用于实时监测机具移动数据，扭矩传感器9、速度传感器17、GPS模块、LCD显示器及报警装置均与STM32控制器通讯连接，STM32控制器通过电机驱动器与直流电机控制连接，STM32控制器还通过GPRS模块与远程服务器数据连接。扭矩传感器9将扭矩数据传输到STM32控制器；同时利用固定在地轮轴上的速度传感器17，可以实时监测出地轮的瞬时速度，利用安装在机具上的GPS模块可以实时监测出单位时间机具的距离(即平均速度)。

播种机播种过程中，速度传感器17在驾驶员预设车辆行驶速度变量范围情况下(即排种器的播种速度)，机具匀速向前运动，地轮5在地面摩擦力的作用下转动，通过传动链4与传动轴1带动排种器单体进行排种运动，与此同时排肥器驱动轴12在传动轴1的传动下，带动排肥器13旋转将肥料排送至排肥管，落于肥沟；磁粉制动器Ⅰ7、磁粉制动器Ⅱ8负责地轮轴与直流电机动力输出轴的连接与断开；在磁粉制动器一侧的扭矩传感器9将扭矩数据传输到主控系统；同时利用固定在地轮轴上的速度传感器17，可以实时监测出地轮的瞬时速度，利用安装在机具上的GPS模块可以实时监测出单位时间机具的距离(即平均速度)。

当地轮未出现打滑或驱动力不足的情况时，速度传感器17未测到速度强烈波动变化，驱动力满足播种机精密播种要求，直流电机10停止转动，与此同时，磁粉制动器Ⅰ7、磁粉制动器Ⅱ8处于断开状态，防止进一步地轮冲击力对电机的损害。

当地轮出现打滑或驱动力不足时，速度传感器17将信息传递给STM32控制器，STM32控制器接受信息后将信息输出给安装在驾驶室内的LCD显示器，通过LCD显示器显示速度、转矩等驱动力不足的实时情况，以便驾驶员采取相应驾驶调整措施；同时STM32控制器发送制动措施语令与直流电机驱动语令，磁粉制动器Ⅰ7、磁粉制动器Ⅱ8在制动措施语令的命令下采取制动措施，将直流电机与地轮轴连接从而使直流电机将驱动力输出给地轮，直流电机10在STM32控制器的直流电机驱动语令控制下，进行固定转速旋转。

在播种机行走在松软地表或有秸秆和残茬覆盖的地表时需大扭矩输出，扭矩传感器9将扭矩信息传递给STM32控制器，STM32控制器下达电机大扭矩输出指令，直流电机10按照指令进行工作，减速至最低设定速度，以达到增扭的目的；报警装置在大面积出现驱动力不足时，提供可靠的实时警报，说明出现了大面积的漏播现象。

此外，STM32控制器将接受和处理的数据通过GPRS模块传输至远程服务器，实现对数据的综合分析、利用。

如图5所示，一种精密播种机地轮驱动力监控系统控制过程如下：系统上电，系统初始化、GPS模块、LCD显示器等初始化，拖拉机驾驶员设定驾驶速度范围(即播种器播种速度)，此时开启监控测试系统，监控测试系统进入预备期，当机具开始作业时，地轮轴之间装配的扭矩传感器9开始采集传动轴1的扭矩，当扭矩小于设定的阈值时，说明地轮出现了打滑现象，控制器STM32根据扭矩不足的大小，输出PWM控制直流电机驱动器，从而控制直流电机10带动传动轴工作；同时，安装在地轮上的速度传感器17开始产生脉冲，控制器STM32通过计算单位时间内的脉冲数，得出地轮的前进距离L，通过安装在机具上的GPS模块可以得出机具的前进距离S，那么单位时间内的滑移率就能通过公式：

得到，当滑移率大于设定的阈值时，驾驶舱内就会通过报警装置发出声光报警，提示驾驶员出现了大面积的漏播现象。若扭矩和滑移率都在设定的阈值内，驾驶舱内的LCD显示器会实时显示机具的前进速度、作业面积、滑移率和地轮打滑次数等信息，最后作业完毕，机具的作业数据通过GPRS模块发送至远程服务器，实现对数据的储存和分析。

Claims (3)

1.一种精密播种机地轮驱动力监控系统，其特征在于，包括速度传感器、扭矩传感器、磁粉制动器、直流电机、GPS模块、控制器、显示装置、报警装置、远程服务器；所述磁粉制动器包括磁粉制动器Ⅰ、磁粉制动器Ⅱ，播种机地轮的地轮轴与磁粉制动器Ⅰ连接，磁粉制动器Ⅱ与直流电机动力输出轴连接，通过磁粉制动器Ⅰ、磁粉制动器Ⅱ实现直流电机与地轮之间的连接和断开；速度传感器安装在地轮上，用于采集地轮瞬时速度；扭矩传感器安装在地轮轴上，用于采集传动轴扭矩；GPS模块安装在播种机机具上，用于实时监测机具移动数据；显示装置和报警装置均安装在驾驶室内；扭矩传感器、速度传感器、GPS模块、显示装置及报警装置均与控制器通讯连接，控制器通过电机驱动器与直流电机控制连接，控制器还通过GPRS模块与远程服务器数据连接；扭矩传感器将扭矩数据传输到控制器，同时利用固定在地轮轴上的速度传感器实时监测地轮的瞬时速度，利用安装在播种机机具上的GPS模块实时监测出单位时间机具的距离；

所述速度传感器将地轮速度信息发送给控制器，当地轮未出现打滑或驱动力不足的情况时，磁粉制动器处于断开状态，直流电机不参与地轮驱动；当地轮出现打滑或驱动力不足时，控制器将地轮速度、传动轴扭矩信息输出给显示装置进行显示；控制器发送制动措施语令与直流电机驱动语令，磁粉制动器在制动措施语令的命令下采取制动措施，使直流电机与地轮相连，直流电机在控制器的直流电机驱动语令控制下进行固定转速旋转；

在播种机行走在松软地表或有秸秆和残茬覆盖的地表时，需大扭矩输出，扭矩传感器将扭矩信息传递给控制器，控制器下达电机大扭矩输出指令，直流电机按照指令进行工作，减速至最低设定速度。

2.如权利要求1所述的一种精密播种机地轮驱动力监控系统，其特征在于，所述显示装置为LCD显示器。

3.如权利要求1所述的一种精密播种机地轮驱动力监控系统，其特征在于，所述播种机开始作业时，扭矩传感器开始采集传动轴的扭矩，当扭矩小于设定的阈值时，说明地轮出现了打滑现象，控制器根据扭矩不足的大小，输出PWM控制直流电机，带动传动轴工作；速度传感器开始产生脉冲，控制器计算单位时间内的脉冲数，得出地轮的前进距离L，通过GPS模块得出机具的前进距离S，单位时间内的滑移率通过公式：

计算获得；当滑移率大于设定的阈值时，控制器发出指令控制报警装置报警；作业完毕，机具的作业数据通过GPRS模块发送至远程服务器，实现对数据的储存和分析。

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