CN112740877B - 一种电驱式玉米精量播种机单体控制器及检测算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于农业机械领域的一种电驱式玉米精量播种机单体控制器及检测算法；其中电源电路的输入端与拖拉机12v蓄电池相连，播种质量监测电路的输入端与外部的播种质量监测传感器相连，播种质量监测电路输出端与STM32最小系统电路相连；STM32最小系统电路的串口端与Zigbee通讯电路相连，Zigbee通讯电路与外部安装于拖拉机上的主控制器通过无线网络相连；程序调试电路输入端与外部调试器相连，输出端与STM32最小系统电路相连。本发明取消了外接升压器和电机驱动器以及繁杂的外部物理通讯线，缓解了主控制器的信息处理压力。

Description

一种电驱式玉米精量播种机单体控制器及检测算法

技术领域

本发明属于农业机械技术领域，具体为一种电驱式玉米精量播种机单体控制器及检测算法。

背景技术

玉米精量播种是指利用精量播种机械将玉米种子按照一致的行距、均匀的株距和精确的深度播入土壤并准确定位的过程。精量播种技术具有节约良种、减少间苗作业、合理配置玉米植株生长空间等特点，在节约成本的同时，提高了作物产量，达到了节本增效的目的。

传统的玉米精量播种机以地轮为动力源，采用机械式排种器作为排种装置。此种播种机械虽然结构简单、成本较低，但是播种株距调节困难且无法实现株距的无级调节，在高速作业下，地轮打滑或齿轮跳齿易造成播种株距均匀性下降，无法满足高速下的播种作业要求。为解决以上问题，国内外开展了许多对于电机驱动式精量播种机的研究。在国外，电驱式精量播种技术已被广泛应用于播种作业中，并研制出了相应的控制系统，控制系统一般由GPS、主控制器、 CAN总线、单体控制器等组成，但大都只停留在对电机的调速方式上。

由于单体控制器是精量播种控制系统的重要组成部分，用来实现播种单体的播种状态信息上传以及排种器转速的控制，其主要功能包括电机转速控制、播种质量检测、播种下压力检测、土壤养分检测等。国外的单体控制器技术已十分成熟，单体控制器功能高度集成化，在缓解主控制器信息处理压力、提高控制系统工作稳定性的同时，有利于播种行数的拓展和降低成本。与国外相比，国内对于单体控制器的研究仍处于起步阶段，播种单体上的各功能模块分散化，电机控制采用的是市场上的电机驱动器，播种信息的检测采用的是相应的检测模块，功能集成度低，线束连接繁杂，不利于行数的拓展，同时，成本较高，不利于电驱式精量播种技术的推广与发展。

同时国内的电驱式玉米精量播种机其电机驱动器及其他监测传感器大都与主控制器直接连接，电机控制信息以及各种传感器的检测信息的数据处理全部由主控制器完成，随着播种行数的增加，主控制器信息处理压力巨大，易造成控制系统的响应速度慢，最终影响电驱式排种器的排种质量。而且这种方法也影响了播种行数的拓展灵活性。因此为减小主控制器的信息处理压力，提高播种行数的拓展灵活性，提出了一种单体控制器和基于单体控制器的玉米精量播种机控制系统。

发明内容

针对背景技术中存在的问题，本发明提供了一种电驱式玉米精量播种机单体控制器，其特征在于，所述单体控制器由电源电路、STM32最小系统电路、电机驱动电路、播种质量监测电路、Zigbee通讯电路和程序调试电路组成；其中电源电路的输入端与拖拉机12v蓄电池相连，电源电路的设有12v输出、24v输出、5v输出和3.3v输出四个输出端；其中12v输出与播种质量监测电路相连，24v输出与电机驱动电路的全桥驱动电路相连、3.3v输出与Zigbee无线网络相连、3.3v输出与STM32最小系统电路相连；播种质量监测电路的输入端与外部的播种质量监测传感器相连，播种质量监测电路输出端与STM32最小系统电路相连，对播种质量进行实时监测；STM32最小系统电路的串口端与Zigbee通讯电路相连，Zigbee通讯电路与外部安装于拖拉机上的主控制器通过无线网络相连，用于实现主控制器与单体控制器之间的通讯；程序调试电路输入端与外部调试器相连，输出端与STM32最小系统电路相连，用于实现程序的下载和调试；

电机驱动电路包括全桥驱动电路、相电流检测电路、过流保护电路和霍尔信号检测电路，其中全桥驱动电路的输入端与STM32最小系统电路相连，全桥驱动电路输出端分别与无刷直流电机的三相电源线U、V、W相连，用于驱动外部的无刷直流电机；霍尔信号检测电路的输入端分别与电机底部的霍尔传感器三相信号线A、B、C相连，霍尔信号检测电路的输出端与 STM32最小系统电路相连，用于实时检测电机转子位置及速度信息，实现对电机的精确控制；过流保护电路的输入端与全桥驱动电路相连，过流保护电路的输出端与STM32最小系统电路相连，起到保护电路的作用；相电流检测电路的输入端与全桥驱动电路相连，相电流检测电路的输出端与STM32最小系统电路相连，用于检测三相电流，为无刷直流电机的控制提供参数。

所述播种质量监测传感器为光电式传感器。

所述单体控制器中电源电路的入口与拖拉机12v电源相连。

所述主控制器分别与安装于拖拉机驾驶室的车载平板电脑和GPS接收器相连；单体控制器中的全桥驱动电路输出端与无刷直流电机相连，无刷直流电机的输出轴与排种器相连。

所述主控制器根据GPS接收器和车载平板电脑传输的信息，通过排种盘转速公式计算得到当前作业速度V下的以理论株距S进行播种时排种器应当达到的转速n，主控制器通过 Zigbee无线网络发送转速信息给单体控制器的Zigbee通讯电路，Zigbee通讯电路将转速信息传输给STM32最小系统电路，按照STM32最小系统电路中的程序，输出六路互补PWM至三相全桥驱动电路，控制无刷直流电机以目标转速n转动，进而控制排种器以目标转速转动，实现均匀排种。

所述排种盘转速公式为：

式中：

n：排种盘的转速，r/min；

V：播种机作业速度，km/h；

S：理论株距，cm；

N：排种盘型孔数。

还提供了一种电驱式玉米精量播种机单体控制器的检测算法，其特征在于，包括：

步骤1：通过试验法确定算法程序中所需的种子遮光时间阈值T_H与T_L两个参数，根据T_H与T_L得到种子状态判定模型；

步骤2：当种子通过传感器时，产生上升沿信号，STM32最小系统中的定时器会捕获上升沿信号，然后当种子通过传感器时，电平信号变为下降沿，通过定时器计算电平信号由上升沿变为下降沿的时间，即为种子遮光时间T；根据种子状态判定模型判断此时通过播种质量监测传感器的种子是三种情况中的哪一种；若种子为碎种子，漏播数加1；若种子为双粒重叠种子，重播数加1；若种子为单粒种子，进行步骤3；

步骤3：根据两单粒种子通过传感器的时间差值Δt，将时间差值Δt乘以当前的作业速度V 就可以得到实际播种株距Sp；

步骤4：将实际播种株距Sp与理论株距S进行比较，得到整体的合格率、重播率和漏播率；

所述时间差值Δt为上一粒种子通过传感器时电平信号的下降沿t₁到下一粒种子通过传感器时的电平信号的下降沿t₂之间的时间差。

当种子通过播种质量检测传感器时，电平信号会由低电平变为高电平，电平信号保持高电平的时间即为种子遮挡传感器光束的时间，定义为种子遮光时间T，记录每个规格下种子的遮光时间，对不同规格种子遮光时间的数据进行处理后，得到区别碎种子与正常单粒种子的遮光时间界限T_L以及双粒重叠种子与正常单粒种子的遮光时间界限T_H，基于种子遮光时间得到种子状态判定模型；

所述三种情况为：正常大小的单粒种子、双粒重叠种子和体积不大于正常玉米种子体积 1/4的碎种子。

所述种子状态判定模型为：

其中Y代表种子状态判定结果，当Y＝1时，代表碎种子或者灰尘；当Y＝2时，代表正常单粒种子；当Y＝3时，代表双粒重叠种子。

本发明的有益效果在于：

1.本单体控制器将12v-24v升压、电机驱动、播种质量监测、无线通讯等功能集成于一体，取消了外接升压器和电机驱动器以及繁杂的外部物理通讯线，减少了外部的线束，缓解了主控制器的信息处理压力。

2.方便播种机行数的拓展，在节约成本的同时，提高了电驱式精量播种控制系统的稳定性。

3.基于种子遮光时间的播种质量检测算法，弥补了现有检测算法无法检测碎种子和双粒重叠种子的问题，进一步提高了播种质量检测的精度。

附图说明

图1为本发明一种电驱式玉米精量播种机单体控制器实施例的结构示意图；

图2为本发明实施例中播种控制系统的结构原理图；

图3为本发明实施例中的基于种子遮光时间的玉米播种质量检测算法的流程图。

其中：1-电源电路，2-播种质量监测电路，3-STM32最小系统电路，4-Zigbee通讯电路， 5-程序调试电路，6-电机驱动电路，7-主控制器，8-GPS接收器，9-车载平板电脑，10-Zigbee 无线网络，11-播种质量检测传感器，12-无刷直流电机，13-排种器，61-全桥驱动电路，62-过流保护电路，63-相电流检测电路，64-霍尔信号检测电路。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示的本发明实施例，单体控制器由电源电路1、STM32最小系统电路3、电机驱动电路6、播种质量监测电路2、Zigbee通讯电路4和程序调试电路5组成；其中电源电路1的输入端与拖拉机12v蓄电池相连，电源电路1的设有12v输出、24v输出、5v输出和3.3v 输出四个输出端，为各电路供电；其中12v输出与播种质量监测电路2相连，24v输出与电机驱动电路6的全桥驱动电路61相连、3.3v输出与Zigbee通讯电路4相连、3.3v输出与STM32 最小系统电路3相连。

播种质量监测电路2的输入端与外部的播种质量监测传感器11相连，播种质量监测电路 2输出端与STM32最小系统电路3相连，对播种质量进行实时监测。

STM32最小系统电路3的串口端与Zigbee通讯电路4相连，Zigbee通讯电路4与外部安装于拖拉机上的主控制器7通过无线网络相连，用于实现主控制器与单体控制器之间的通讯。

程序调试电路5输入端与外部调试器相连，输出端与STM32最小系统电路3相连，用于实现程序的下载和调试。

电机驱动电路6包括全桥驱动电路61、相电流检测电路63、过流保护电路62和霍尔信号检测电路64，其中全桥驱动电路61的输入端与STM32最小系统电路3相连，全桥驱动电路 61输出端分别与24v的无刷直流电机12的三相电源线U、V、W相连，用于驱动外部的无刷直流电机；霍尔信号检测电路64的输入端分别与电机底部的霍尔传感器三相信号线A、B、C相连，霍尔信号检测电路64的输出端与STM32最小系统电路3相连，用于实时检测电机转子位置及速度信息，实现对电机的精确控制；过流保护电路62的输入端与全桥驱动电路61相连，过流保护电路62的输出端与STM32最小系统电路3相连，起到保护电路的作用；相电流检测电路63的输入端与全桥驱动电路61相连，相电流检测电路63的输出端与STM32最小系统电路3相连，用于检测三相电流，为无刷直流电机的控制提供参数。

在本实施例中，所使用的光电式播种质量监测传感器11是一种将光信号转变为电信号的传感器(光电式传感器)，它由光源和接收器组成；每当一粒种子通过两者之间时，遮挡了发射端发出的光线，从而使电平信号由低电平变为高电平。

如图2所示，主控制器7分别与安装于拖拉机驾驶室的车载平板电脑9和GPS接收器8 相连；单体控制器中电源电路1的入口与拖拉机12v电源相连，单体控制器中的全桥驱动电路61输出端与无刷直流电机12相连，无刷直流电机6的输出轴与排种器13相连。

在本实施例中，所使用无刷直流电机12的电压为24v。

工作前，将软件程序通过调试器经程序调试电路5下载至STM32最小系统电路3(单片机)内。

工作时电源电路1给各模块供电，STM32最小系统电路3指示灯亮起，未接到主控制器7 发送的信息时，单体控制器处于等待状态；通过GPS接收器8实时测量播种机的作业速度V 和作业位置P(x，y)，并将作业速度V和作业位置P通过RS232传输给主控制器7；通过车载平板电脑9的人机交互界面设置理论株距S并通过USB数据线传输给主控制器7；主控制器7根据GPS接收器8和车载平板电脑9传输的信息，通过排种盘转速公式(公式(1))计算得到当前作业速度V下的以理论株距S进行播种时排种器13应当达到的转速n，主控制器 7通过Zigbee无线网络10发送转速信息给单体控制器的Zigbee通讯电路4，Zigbee通讯电路 4将转速信息传输给STM32最小系统电路3，按照STM32最小系统电路3中的程序，输出六路互补PWM至三相全桥驱动电路61，控制无刷直流电机12以目标转速n转动，进而控制排种器13以目标转速转动，实现均匀排种。

霍尔信号检测电路64实时检测电机转子的位置以及转速信息，并将信息输出给单片机，为无刷直流电机的控制提供参数。

相电流检测电路实时检测三相相电流，并将其输出给单片机，为无刷直流电机的控制提供参数。

过流保护电路62实时检测母线电流，将母线电流输出给单片机，当母线电流超过软件设定值时，切断驱动电路，防止过高的电流烧毁电路。

同时，播种质量监测传感器11将检测信号通过播种质量监测电路2输出给STM32最小系统电路3(单片机)，STM32最小系统电路3根据程序对输入信号进行处理生成播种质量信息；单片机按照程序以约定的时间间隔将播种质量信息和电机转速信息通过Zigbee无线网络10传输给主控制器7，主控制器7将信息通过USB连接线传输给车载平板电脑9，方便作业人员及时查看作业状态；

排种盘转速公式为：

式中：

n：排种盘的转速，r/min；

V：播种机作业速度，km/h；

S：理论株距，cm；

N：排种盘型孔数。

由于本实施例所使用的播种质量监测传感器11为光电式传感器，当所使用的种子为郑单 958玉米种子时，本实施例中使用了一种基于种子遮光时间的玉米的播种质量信息检测算法如图3所示，用于检测整体的合格率、重播率和漏播率，具体包括：

步骤1：通过试验法确定算法程序中所需的种子遮光时间阈值T_H与T_L两个参数。首先，准备三种情况的玉米种子各100粒，三种情况为：1)正常大小的单粒种子，2)将两粒玉米种子按照长度方向重叠粘在一起，组成双粒重叠种子，3)将玉米种子按照不大于正常玉米种子体积的1/4切成小块种子，用来表示碎种子。将三种情况的玉米种子使用排种器13进行排种，将播种质量检测传感器11放至在排种器13的下方，当种子通过播种质量检测传感器11时，电平信号会由低电平变为高电平，电平信号保持高电平的时间即为种子遮挡传感器光束的时间，定义为种子遮光时间T，记录每个规格下种子的遮光时间，对不同规格种子遮光时间的数据进行处理后，得到区别碎种子与正常单粒种子的遮光时间界限T_L以及双粒重叠种子与正常单粒种子的遮光时间界限T_H，基于种子遮光时间得到如下种子状态判定模型：

其中Y代表种子状态判定结果，当Y＝1时，代表碎种子或者灰尘；当Y＝2时，代表正常单粒种子；当Y＝3时，代表双粒重叠种子。

步骤2：初始化STM32最小系统3中的定时器；当种子通过传感器时，产生上升沿信号， STM32最小系统中的定时器会捕获上升沿信号，然后当种子通过传感器时，电平信号变为下降沿，通过定时器计算电平信号由上升沿变为下降沿的时间，即为种子遮光时间T；同时根据种子状态判定模型(公式(2))判断此时通过播种质量监测传感器的种子是三种情况中的哪一种。如果是碎种子或者灰尘，则舍弃此时的时间信息，漏播数加1，从下一粒种子开始重新记录下降沿到达的时间；如果是正常单粒种子，则正常记录时间信息且进入步骤3；如果是双粒重叠种子，重播数加1，从下一粒种子开始重新记录下降沿到达的时间。

步骤3：根据两单粒种子通过传感器的时间差值Δt，即上一粒种子通过传感器时电平信号的下降沿t₁到下一粒种子通过传感器时的电平信号的下降沿t₂这段时间。将时间差值Δt乘以当前的作业速度V就可以得到实际播种株距Sp。

步骤4：参照国标GB/T6973-2005《单粒(精密)播种机试验方法》，后续将Sp与理论株距S进行比较，得到整体的合格率、重播率和漏播率。

本实施例通过单体控制器来实现对电机的精确控制以及播种质量检测传感器数据的预处理，基于单体控制器提出的无线传输式玉米精量播种机控制系统，采用Zigbee无线网络实现数据的无线传输，在缓解主控制器运算压力的同时进一步减少了繁杂的线束；同时，提出的基于种子遮光时间的播种质量检测算法，可弥补现有检测算法无法检测碎种子和双粒重叠种子的问题，进一步提高了播种质量检测的精度。

Claims (8)

1.一种电驱式玉米精量播种机单体控制器的检测算法，所述单体控制器由电源电路、STM32最小系统电路、电机驱动电路、播种质量监测电路、Zigbee通讯电路和程序调试电路组成；其中电源电路的输入端与拖拉机12v蓄电池相连，电源电路的设有12v输出、24v输出、5v输出和3.3v输出四个输出端；其中12v输出与播种质量监测电路相连，24v输出与电机驱动电路的全桥驱动电路相连、3.3v输出与Zigbee无线网络相连、3.3v输出与STM32最小系统电路相连；播种质量监测电路的输入端与外部的播种质量监测传感器相连，播种质量监测电路输出端与STM32最小系统电路相连，对播种质量进行实时监测；STM32最小系统电路的串口端与Zigbee通讯电路相连，Zigbee通讯电路与外部安装于拖拉机上的主控制器通过无线网络相连；程序调试电路输入端与外部调试器相连，输出端与STM32最小系统电路相连；

电机驱动电路包括全桥驱动电路、相电流检测电路、过流保护电路和霍尔信号检测电路，其中全桥驱动电路的输入端与STM32最小系统电路相连，全桥驱动电路输出端分别与无刷直流电机的三相电源线U、V、W相连；霍尔信号检测电路的输入端分别与电机底部的霍尔传感器三相信号线A、B、C相连，霍尔信号检测电路的输出端与STM32最小系统电路相连，用于实时检测电机转子位置及速度信息，实现对电机的精确控制；过流保护电路的输入端与全桥驱动电路相连，过流保护电路的输出端与STM32最小系统电路相连，起到保护电路的作用；相电流检测电路的输入端与全桥驱动电路相连，相电流检测电路的输出端与STM32最小系统电路相连，用于检测三相电流，为无刷直流电机的控制提供参数；其特征在于，所述检测算法包括：

步骤1：通过试验法确定算法程序中所需的种子遮光时间阈值T_H与T_L两个参数，根据T_H与T_L得到种子状态判定模型；

步骤2：当种子通过传感器时，产生上升沿信号，STM32最小系统中的定时器会捕获上升沿信号，然后当种子通过传感器时，电平信号变为下降沿，通过定时器计算电平信号由上升沿变为下降沿的时间，即为种子遮光时间T；根据种子状态判定模型判断此时通过播种质量监测传感器的种子是三种情况中的哪一种；若种子为碎种子，漏播数加1；若种子为双粒重叠种子，重播数加1；若种子为单粒种子，进行步骤3；

步骤3：根据两单粒种子通过传感器的时间差值Δt，将时间差值Δt乘以当前的作业速度V就可以得到实际播种株距Sp；

步骤4：将实际播种株距Sp与理论株距S进行比较，得到整体的合格率、重播率和漏播率；

所述时间差值Δt为上一粒种子通过传感器时电平信号的下降沿t₁到下一粒种子通过传感器时的电平信号的下降沿t₂之间的时间差。

2.根据权利要求1所述的一种电驱式玉米精量播种机单体控制器的检测算法，其特征在于，所述播种质量监测传感器为光电式传感器。

3.根据权利要求1所述的一种电驱式玉米精量播种机单体控制器的检测算法，其特征在于，所述单体控制器中电源电路的入口与拖拉机12v电源相连。

4.根据权利要求1所述的一种电驱式玉米精量播种机单体控制器的检测算法，其特征在于，所述主控制器分别与安装于拖拉机驾驶室的车载平板电脑和GPS接收器相连；单体控制器中的全桥驱动电路输出端与无刷直流电机相连，无刷直流电机的输出轴与排种器相连。

5.根据权利要求1所述的一种电驱式玉米精量播种机单体控制器的检测算法，其特征在于，所述主控制器根据GPS接收器和车载平板电脑传输的信息，通过排种盘转速公式计算得到当前作业速度V下的以理论株距S进行播种时排种器应当达到的转速n，主控制器通过Zigbee无线网络发送转速信息给单体控制器的Zigbee通讯电路，Zigbee通讯电路将转速信息传输给STM32最小系统电路，按照STM32最小系统电路中的程序，输出六路互补PWM至三相全桥驱动电路，控制无刷直流电机以目标转速n转动，进而控制排种器以目标转速转动，实现均匀排种。

6.根据权利要求5所述的一种电驱式玉米精量播种机单体控制器的检测算法，其特征在于，所述排种盘转速公式为：

式中：

n：排种盘的转速，r/min；

V：播种机作业速度，km/h；

S：理论株距，cm；

N：排种盘型孔数。

7.根据权利要求1所述的一种电驱式玉米精量播种机单体控制器的检测算法，其特征在于，当种子通过播种质量检测传感器时，电平信号会由低电平变为高电平，电平信号保持高电平的时间即为种子遮挡传感器光束的时间，定义为种子遮光时间T，记录每个规格下种子的遮光时间，对不同规格种子遮光时间的数据进行处理后，得到区别碎种子与正常单粒种子的遮光时间界限T_L以及双粒重叠种子与正常单粒种子的遮光时间界限T_H，基于种子遮光时间得到种子状态判定模型；

所述三种情况为：正常大小的单粒种子、双粒重叠种子和体积不大于正常玉米种子体积1/4的碎种子。

8.根据权利要求7所述的一种电驱式玉米精量播种机单体控制器的检测算法，其特征在于，所述种子状态判定模型为：

其中Y代表种子状态判定结果，当Y＝1时，代表碎种子或者灰尘；当Y＝2时，代表正常单粒种子；当Y＝3时，代表双粒重叠种子。

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