一种玉米免耕播种机精准定位播种系统的制作方法

1.本发明属于农业智能装备工程领域，具体涉及一种玉米免耕播种机精准定位播种系统。


背景技术：

2.精量播种技术已经成为现代农业生产的重要特征，也是农业增产丰收和降低粮食生产成本的重要技术之一。免耕播种机的播种深度控制技术是精准定位播种技术中的重要环节，保持适宜且一致的播种深度和镇压力，确保种子和土壤的良好接触，将增加土壤对种子沟的毛细作用，从而使种子易于从土壤中汲取水分，有利于种子发芽。
3.玉米精准定位播种是指按现代农艺要求，将玉米种子按精确行距、株距和播种深度，定点、定量地播入土中的智能播种技术。与精量播种相比，更加强调玉米种子在土壤中的定位。实现精准定位播种的价值不仅在于节种降本，更在于通过提高播种质量，使玉米出苗整齐，改善光能和地力的利用率，为中期管理和收获提供性状高度一致的作业对象，从而有效提高玉米的产量。
4.但是，目前玉米播种中存在漏播，重播，堵塞和播深一致性差等问题，制约精准定位播种的实现和推广。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种玉米免耕播种机精准定位播种系统，针对玉米播种过程中出现的漏播，重播，堵塞和播深一致性差等问题，对播种作业质量进行监控与调节，实现精准定位播种。
6.为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种玉米免耕播种机精准定位播种系统，包括玉米免耕播种机和监控系统，所述玉米免耕播种机包括前后对应设置的施肥模块和播种模块，所述监控系统包括上位机、控制器、车速监测装置、北斗定位模块、播种监测模块和施肥监控模块，控制器和车速监测装置、北斗定位模块、播种监测模块以及施肥监控模块信号连接；所述播种监测模块包括播量信息监测装置、播种补偿装置、镇压力监测与控制装置以及播深监测与控制装置；播量信息监测装置设置在播种模块的排种管的中间位置，对漏播和重播现象以及播量和排种轨迹进行实时监测；播种补偿装置与排种管一对一连接，以带动排种管在水平面内移动；所述排种管的管口位置设有压种条，以将种子压入种沟；所述镇压力监测与控制装置设置在播种模块的镇压轮机构上，用于实时监测镇压轮受到的地面的反作用力并将镇压轮的镇压力调整到有利于种子发芽的范围；所述播深监测与控制装置包括安装在播种模块上的激光传感器和播深调整装置，用于监测并调整播种深度；所述施肥监控模块安装在施肥模块上，用于监测施肥模块中肥料箱的肥料量和施肥管的堵塞情况；所述北斗定位模块安装在播种机总机架上，用于对玉米免耕播种机定位；
所述车速监测装置包括测速传感器，测速传感器设置在地轮轴的齿轮上方，以监测玉米免耕播种机的前进速度。
7.所述施肥监控模块包括安装在肥料箱的缺肥传感器和安装在施肥管内的施肥堵塞传感器。
8.所述播种模块包括一个或多个播种单元，播种单元包括前后依次设置在播种单元固定架上的开沟机构、播种装置和镇压轮机构，播种单元固定架连接在播种机总机架上，播种单元固定架上设置有双轴倾角传感器，以检测播种单元在x与y方向的角度变化，并将相关角度信息发送给控制器，由控制器控制播种补偿装置对排种管的位置进行调整。
9.所述播种补偿装置包括第一支架板、第二支架板、过渡连接支架、x向直线驱动机构和y向直线驱动机构，所述第一支架板通过一对x向滑动机构与第二支架板滑动连接，第一支架板上通过一对y向滑动机构与过渡连接支架滑动连接，过渡连接支架与连接杆的下端固接，连接杆的上端与播种单元固定架固接；所述排种管通过连接件与第二支架板固定连接；所述x向直线驱动机构的两端分别固定在第一支架板和第二支架板上，所述y向直线驱动机构的两端分别固定在第一支架板和过渡连接支架上。
10.所述播种补偿装置还设有x向位移传感器和y向位移传感器，分别对排种管的x向位移和y向位移进行检测。
11.所述排种管下端向玉米免耕播种机后方弯曲，所述压种条整体具有弹性，浮动设置在排种管的管口位置，并且压种条沿排种管弯曲方向向后延伸，压种条靠近排种管管口的部分宽度大于排种管管口的口径。
12.所述播量信息监测装置为对射式种子监测传感器，设置在排种管内，种子从对射式种子监测传感器的检测区域通过。
13.所述播深监测与控制装置中的激光传感器设置在播深监测固定架上，以测量距离地面的高度，所述播深调整装置为液压调节杆，液压调节杆的两端分别连接在播深监测固定架和播种单元固定架上，用于开挖种子沟的开沟器设置在播深监测固定架上，以确保激光传感器与开沟器的末端的距离在播深调节过程中固定不变。
14.所述镇压力监测与控制装置包括镇压力传感器和伺服电动推杆，镇压力传感器下端与传感器固定架连接，上端与套设有压力弹簧的螺纹杆连接，螺纹杆可上下活动的设置在播种单元固定架上，安装镇压轮的镇压轮固定架与传感器固定架固定连接，伺服电动推杆的两端分别连接在镇压轮固定架和播种单元固定架上，以通过控制镇压轮上升或下落调整镇压力。
15.所述北斗定位模块包括gnss定位接收机、电台、前天线和后天线，前天线和后天线间隔设置在播种机总机架宽度方向的中心线上，电台天线与上位机连接，通讯协议采用nmea0183协议，整个模块采用9~18v电源供电，播种模块的多个排种管平均分布在播种机总机架宽度方向的中心线两侧。
16.本发明的有益效果是：本发明能够实现播种和施肥信息实时监测，能够随时观察镇压力大小和播种深度，并实现种子的精准定位，采集到四个排种管内有种子通过，保存此时经纬度信息，按照与中心线的距离分别标记种子位置用深绿色圆点表示。如果此时出现重播现象将深绿色圆点换为红色圆点，漏播则不标记种子位置；如果出现堵塞和缺肥现象，则堵塞与缺肥区域将绿色轨迹换为黄色轨迹，则未施肥区域显示为黄色矩形块，通过工控
机程序界面显示，能够随时观察播种状态；实现精准定位播种，能够有效控制玉米株距、行距和播种深度，提高种子发芽率和后期出苗均匀性，为中期管理和收获提供性状高度一致的作业对象，从而有效提高玉米的产量。
17.本发明设计有播种补偿装置，补偿主要是根据播种单元的位移变化，对排种位置进行动态补偿，保证排种管对应种沟播种以及确保播种均匀性。
18.本发明能够实现同步压种效果，压种条的设置可以有效地阻止种子由于跳动而落入沟外，并且在行进的过程中，压种条会准确的将种子压入开沟器开好的沟穴内部，有效的避免了种子的浪费，并且能够很好的保证种子的出芽率。
19.本发明设计有播种深度补偿机制，主要通过控制播种单元高度变化和镇压力大小来实现控制播种深度。结合镇压力传感器和激光传感器监测到的信号来确定液压调节杆和伺服电动推杆调节的长度，从而实现播种深度的调节。
附图说明
20.图1为本发明玉米免耕播种机精准定位播种系统结构示意图的俯视图；图2为本发明玉米免耕播种机精准定位播种系统结构示意图的侧视图；图3为本发明中播种单元的俯视图；图4为本发明中镇压力监测与控制装置的结构示意图；图5为本发明中播种补偿装置和播种单元的连接结构示意图；图6为本发明中播深监测的原理图；图7为本发明中对射式种子监测传感器的结构示意图；图中标记：1、plc控制器，2、缺肥传感器，3、施肥轴，4、肥料箱，5、rtk定位天线，6、播种机总机架，7、gnss定位接收机，8、齿轮箱，9、仿形装置连接架，10、地轮轴，11、支撑轮，12、种子箱，13、补种箱，14、地轮，15、车速监测装置，16、支撑轮液压提升装置，17、施肥开沟固定架，18、施肥开沟轮，19、施肥堵塞传感器，20、拨禾轮，21、划沟器，22、地轮轴齿轮箱，23、刮土板，24、圆盘开沟器，25、播种补偿装置，26、限深轮，27、激光传感器，28、镇压轮，29、伺服电动推杆，30、拨禾轮固定架，31、划沟器固定架，32、播种单元固定架，33、液压调节杆，34、排种管，35、播深监测固定架，36、过渡连接支架，37，y向推杆电机，38，y向位移传感器，39、外伸横梁，40、压力弹簧，41、螺纹杆，42、拉压力传感器，43、传感器固定架，44、镇压轮固定架，45、压种条，46、排种管固定架，47、连接杆，48、x向推杆电机，49、x向位移传感器，50、第一支架板，51、x向导轨，52、x向滑块，53、第二支架板，54、y向导轨，55、y向滑块，56、套设弹簧的螺钉，57、发射端外壳，58、发射端led，59、连接杆，60、接收端二极管孔，61、接收端外壳，62、连接孔插槽。
具体实施方式
21.下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明，但并不作为对发明做任何限制的依据。
22.以下对结构的说明中，涉及到的“前”、“后”、“上”、“下”、“左”、“右”均是以播种机实际作业中前进方向为参照，“x向”、“y向”分别是指播种机的横向和纵向。下面通过具体实施方式，并结合附图，对本发明的方案进行描述。该图例只是免耕播种机部分示例，并不包
含全部示例。
23.一种玉米免耕播种机精准定位播种系统，玉米免耕播种机和监控系统，所述玉米免耕播种机包括前后对应设置的施肥模块和播种模块，所述监控系统包括上位机、控制器、车速监测装置、北斗定位模块、播种监测模块和施肥监控模块，能够实现播种信息和施肥信息监测，播种条件控制，解决了玉米播种过程中出现的漏播、重播、堵塞和播深一致性差等问题，对播种作业质量进行监控与调节，实现精准定位播种，能够有效控制玉米株距、行距和播种深度，提高种子发芽率和后期出苗均匀性，为中期管理和收获提供性状高度一致的作业对象，从而有效提高玉米的产量。
24.本实施例中，如图1所示，所述施肥模块包括四个设置在播种机总机架6前部的施肥单元，所述播种模块包括四个设置在播种机总机架6后部的播种单元，下面以一个施肥单元和一个播种单元为例对其各自的结构加以说明。
25.所述施肥单元包括肥料箱4、施肥轴3、施肥管和施肥开沟轮18，肥料箱4和施肥轴3设置在播种机总机架6上，施肥开沟轮18通过施肥开沟固定架17连接在播种机总机架6上；施肥用的伺服电机带动肥料箱4内的施肥轴3转动，施肥轴3搅动肥料，使肥料下落，肥料从肥料箱4底部的施肥管落下进入施肥开沟轮18所开的施肥沟槽中，伺服电机的转速可以控制施肥量。为了进一步的实现对施肥的实时监测，还设置了施肥监控模块，施肥监控模块包括在施肥管的中段设置的施肥堵塞传感器19以及在肥料箱4的底部设置的缺肥传感器2，施肥堵塞传感器19用于监测施肥管是否存在堵塞，缺肥传感器2用于监测肥料箱4内的肥料量，所述施肥堵塞传感器19和缺肥传感器2均为电容传感器。当肥料缺少和施肥管堵塞时，上位机显示界面施肥信息显示红色状态进行报警。
26.如图2、3所示，所述播种单元包括前后依次设置在播种单元固定架32上的开沟机构、播种装置和镇压轮机构，播种单元固定架通过仿形装置连接架9连接在播种机总机架6上。为了显示种子箱下部结构，在图3中将种子箱、补种箱和排种器等常规结构省去。
27.如图2、3所示，所述开沟机构包括前后对应设置的划沟器21和圆盘开沟器24，划沟器21包括划沟轮和划沟器固定架31，划沟器固定架31固定在播种单元固定架32的前方，划沟轮可转动的安装在划沟器固定架31上，在播种时，划沟轮随播种机的前进而转动，在施肥开沟轮18开出的施肥沟槽一侧划出浅沟。所述圆盘开沟器24设置在播种装置中排种管的前方，沿所开出的浅沟进行扩沟以开出用于播种的种子沟。进一步的，所述划沟器固定架31上还连接有拨禾轮固定架30，拨禾轮固定架30上安装拨禾轮20，以拨开播种行走过程中可能出现的杂草。
28.所述播种装置包括种子箱12、补种箱13、排种器和排种管34。所述补种箱13用于向种子箱12补充玉米种子，排种器将种子箱12的种子排入排种管34，再进入开好的种子沟中，所述排种管34为向后弯曲的弯管，种子从排种管34出来时会产生跳跃，为了阻止种子跳动到种子沟外，在排种管34的管口位置设置了压种条45，如图5所示。在行进的过程中，压种条45会准确的将种子压入圆盘开沟器24开好的沟穴内部，有效的避免了种子的浪费，并且能够很好的保证种子的出芽率。
29.如图5所示，所述压种条45整体具有弹性，通过套设弹簧的螺钉56浮动设置在排种管34的管口位置，并且压种条45沿排种管34弯曲方向向后延伸，压种条45靠近排种管34管口的部分宽度大于排种管34管口的口径。压种条45自身的弹性以及浮动式的安装可以提高
通过性，并避免压种条折弯。
30.为了实现播种信息监测，如漏播、重播、播量监测，在排种管34内设置播量信息监测装置为对射式种子监测传感器，可以采用对射式光电传感器。对射式光电传感器的结构如图7所示，由连接杆59两端分别和发射端外壳57的连接孔插槽62以及接收端外壳61的连接孔插槽62连接，两连接杆59之间为感应区域，发射端外壳57和接收端外壳61分别固定在排种管的两侧管壁上，种子下落时，逐粒的从两个连接杆59之间通过的信号，被传感器所采集，并上传到控制器。
31.种子落种位置预测在播种试验台完成，完成预测后统计出的偏移量分布规律应用到播种机上。种子从排种器出来后沿排种管下落，排种器的旋转运动和种子在排种管内的碰撞运动，使得种子落地位置相较于排种管口的中心出现一定的偏移，计算该偏移量即可进一步得出种子的落地位置，实现播种的精准定位。因此，本发明在利用分析软件进行目标轨迹追踪和速度分析，直观显示无法用肉眼观测的细微变化，对图像进行差异性分析，有助于对目标的运动规律进行准确研究，对机构进行优化改进。结合流体力学和空气动力学对目标物体的速度、加速度进行解析，寻找影响目标物体速度和加速度的因素，找出速度、加速度的变化规律，预测目标物体的运动轨迹。得到了排种管出口处种子的落种轨迹和偏移量分布规律，建立了落种偏移量方程：横向偏移： 纵向偏移：其中，x—式1中表示横向倾角，式2中表示纵向倾角，单位为：
°
；y—平面水平位移，单位为：mm。
32.所述的横向倾角和纵向倾角均由设置在播种机上的双轴倾角传感器实时监测获得；横向是指与播种机宽度方向，纵向是指播种机的长度方向。
33.对于播种机的车速，可以通过车速监测装置15获得。车速监测装置15采用齿轮测速方式，测速传感器采用接近开关，通过铁架固定在地轮轴10的齿轮上方，实际工作中，当地轮14开始滚动带动地轮轴10开始转动，地轮轴10上齿轮也开始运动，接近开关记录两个齿相隔时间t，则播种机的车速v为：，式中，t为两个齿相隔时间，单位s；b为地轮半径，单位m；r为地轮与地轮轴的传动比；v为车速。
34.播种机的经纬度信息需要通过所设置的北斗定位模块获得。北斗定位模块包括gnss定位接收机7、电台、前天线和后天线，前天线和后天线为rtk定位天线5，前天线和后天线相距1m设置在播种机总机架6宽度方向的中心线上，电台天线放置在驾驶室上，通过串口与上位机连接，通讯协议采用nmea0183协议，整个模块采用9~18v电源供电。
35.所述北斗定位模块工作原理为：当播种机开始工作时，北斗定位模块开始获取位置信息，定位位置为后天线的天线中心位置，车辆前进方向是通过后天线和前天线连线与正北方向的夹角来判断。当播种开始时，播种与施肥轨迹沿宽度为2.8米的播种机的中心线左右两侧展开1.4m绿色长条，在本实施例中，设置四个播种单元，因此种子在中心线左右两侧各分布两粒，而四个排种管距离中心线的距离是已知的，因此可以进一步计算四个种子各自的准确位置。
36.由于田地的不平整，甚至还会存在一定的坡度，因此播种机在行进时，会出现机身的前后、左右的倾斜，影响播种的均匀性，甚至排种管不能正对开好的种子沟。对此，本发明还在播种装置上设置了播种补偿装置25，播种补偿装置25主要是用于排种管34的位置补偿，控制排种管34前后、左右的移动，以确保稳定的柱距和行距。
37.如图5所示，为了实现排种管24位置补偿，所述播种补偿装置25包括第一支架板50、第二支架板53、过渡连接支架36、x向直线驱动机构、x向位移传感器49、y向直线驱动机构和y向位移传感器38。所述第一支架板50通过一对x向滑动机构与第二支架板53滑动连接，第一支架板50上通过一对y向滑动机构与过渡连接支架36滑动连接，过渡连接支架36与连接杆47的下端固接，连接杆47的上端与播种单元固定架32固接；所述排种管24通过排种管固定架46与第二支架板53固定连接；所述x向直线驱动机构的两端分别固定在第一支架板50和第二支架板53上，所述y向直线驱动机构的两端分别固定在第一支架板50和过渡连接支架36上。第一支架板50和第二支架板53之间还连接有x向位移传感器49，对x向直线驱动机构的位移量进行检测，第一支架板50和过渡连接支架36之间还连接有y向位移传感器38，对y向直线驱动机构的位移量进行检测。
38.继续参考图5所示，所述的x向滑动机构包括固定在第一支架板50上的x向导轨51和滑动设置在x向导轨51上的x向滑块52，x向滑块52与第二支架板53固定连接；所述y向滑动机构包括固定在第一支架板50上的y向导轨54和滑动设置在y向导轨54上的y向滑块55，y向滑块55与所述过渡连接支架36固定连接。
39.所述的x向直线驱动机构为x向推杆电机48，所述的y向直线驱动机构为y向推杆电机37。
40.播种补偿装置工作原理为需要获取排种管34的倾斜变化情况。为此，在播种单元固定架32上设置双轴倾角传感器，以检测播种单元在x与y方向的角度变化。由上位机根据播种单元的角度变化情况确定排种管34的位置补偿范围，再以此为依据控制相应的推杆电机带动排种管34沿x向或y向移动一定的距离，达到播种位置补偿的目的。所设置的x向位移传感器49和y向位移传感器38可以对排种管34的x向位移和y向位移进行检测，由驾驶室内上位机根据检测结果判断排种管34的位置是否补偿到位。
41.在播种的过程中还需要对播深进行监测和控制，以提高出芽率。为此设置了播深监测与控制装置，用于监测并调整播种深度。
42.如图2、3所示，播深监测与控制装置包括激光传感器27和液压调节杆33，均安装在播深监测固定架35上，液压调节杆33的两端分别和播深监测固定架35和播种单元固定架32连接，以控制播深监测固定架35竖直升降，所述激光传感器27设置在播深监测固定架35上，以测量距离地面的高度，所述圆盘开沟器24设有两个开沟圆盘，排种管34位于两个开沟圆盘之间，两个开沟圆盘安装在轴上，轴转动支撑在轴承座中，轴承座则固定在播深监测固定架35，这样激光传感器27与圆盘开沟器24的末端的距离就固定不变。激光传感器27监测到播种深度信号经过plc控制器上传到工控机程序中，工控机控制液压调节杆33的伸缩来调节播深监测固定架35的高度，控制圆盘开沟器24的开沟深度，进而调节播种深度。
43.所述激光传感器27的播深监测原理如图6所示，已知激光传感器27到地面的固定距离为d2，激光传感器27实际检测到地面的距离为d1，因为激光传感器27到地面的固定距离实际为激光传感器27到圆盘开沟器24最低点处的垂直距离，因此种子沟深度d3= d2‑ꢀ
d1，即
播种深度为d3。在播种机工作时，激光传感器27开始持续测量距离地面高度d1，并将测量数据通过模拟量输入口传输到plc控制器中，进而获得播种深度。
44.继续参考图2，为了避免激光传感器27测距的干扰，在圆盘开沟器24的后方还设有安装在播深监测固定架35上的限深轮26，限深轮26为对称设置的两个里小外大的斜面轮，集限制播种深度、碎土和收土于一体，激光传感器27的照射位置正好处于限深轮26碾压过的区域，保证了土地平整性，减少杂物对激光的影响。此外，限深轮26的设置还可以提高了播种机械的平衡度和稳定性。限深轮26的前方还设置有刮土板23，刮土板23的边沿与限深轮26的轮面接触，以将附着的泥土等杂物刮除。
45.上述的播种补偿装置可以对株距和行距进行补偿，而播深监测与控制装置可以控制播种深度，从而提高播深一致性和均匀性。
46.本发明的播种机总机架6上还设有支撑轮11和支撑轮液压提升装置16，支撑轮液压提升装置16控制支撑轮11的抬起或下落，当支撑轮11被抬起一定高度时，播种机整体下放进行播种作业。
47.如图4所示，所述的镇压轮机构包括镇压轮固定架44和两个镇压轮，两个镇压轮呈v形可转动的安装在v形的镇压轮固定架44上，镇压轮固定架44和播种单元固定架32之间还设有镇压力监测与控制装置，实时监测镇压轮受到的地面的反作用力并将镇压轮的镇压力调整到有利于种子发芽的范围。
48.继续参考图4，镇压力监测与控制装置包括镇压力传感器和伺服电动推杆29，镇压力传感器采用拉压力传感器42，其下端与传感器固定架43连接，上端与套设有压力弹簧40的螺纹杆41连接，螺纹杆41可上下活动的设置在播种单元固定架32外伸的外伸横梁39上，安装镇压轮的镇压轮固定架44与传感器固定架43固定连接，伺服电动推杆29的两端分别连接在镇压轮固定架44和播种单元固定架32上，以通过控制镇压轮上升或下落调整镇压力。
49.拉压力传感器42可直接测出竖直方向拉压力的大小，已知v型镇压轮倾斜角度，由公式可计算出v型镇压轮对土壤的横向挤压力。
50.在实际作业过程中，播种机械整体放下，平面状态下调节伺服电机推杆使镇压装置给与合适的镇压力，该镇压力处于适宜种子生长的范围，当镇压力由于复杂地形发生剧烈变化而不在良好的镇压范围时，镇压力传感器将压力信号转换为电信号传输到plc控制器，处理后传输到上位机，上位机中镇压力控制程序控制伺服电动推杆的长度变化，从而控制镇压轮上升或下落，使得镇压力调整到有利于种子发芽的范围。
51.本发明的控制器通过信捷plc编程软件编程，能实时通过此软件进行调试与数据监测。根据各个传感器数据传输类型，将plc接口进行分配，开发 plc程序，实现下位机实际功能需求。
52.所述上位机采用工控机，安装在播种机驾驶室内，工控机通过串口线与plc控制器1相连。上位机采用visual studio作为上位机监控程序开发软件，采用c#作为玉米免耕播种作业质量监控系统编程语言，上位机与plc控制器1通过rs232串口通讯，并通过modbus通讯协议实现了工控机与plc控制器之间的信息交流，最终完成玉米免耕播种作业质量监控系统软件设计。
53.本发明能够实现播种和施肥信息实时监测，工控机程序设计一个显示界面，界面实时显示播种状态，能够随时观察镇压力大小和播种深度，并实现种子的精准定位，采集到
四个排种管内有种子通过，保存此时经纬度信息，o（x，y），则此时在o（x，y）点后沿中心线长度为l的距离左右两侧，按照垂直中心线距离d1、d2、d3和 d4分别标记种子位置用深绿色圆点表示。如果此时出现重播现象将深绿色圆点换为红色圆点，漏播则不标记种子位置；如果出现堵塞和缺肥现象，则堵塞与缺肥区域将绿色轨迹换为黄色轨迹，则未施肥区域显示为黄色矩形块，通过工控机程序界面显示，能够随时观察播种状态；实现精准定位播种，能够有效控制玉米株距、行距和播种深度，提高种子发芽率和后期出苗均匀性，为中期管理和收获提供性状高度一致的作业对象，从而有效提高玉米的产量。
54.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，所属领域的普通技术人员应当理解，参照上述实施例可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换均在申请待批的权利要求保护范围之内。