一种自动切膜覆土式辣椒直播机控制方法及控制系统

技术领域

本发明涉及智能农机装备的电控系统技术，具体是一种自动切膜覆土式辣椒直播机控制方法及控制系统。

背景技术

辣椒的播种分为直接播种栽培（简称直播）与育苗移栽。直播是通过直播机械装备种子播种在田地中，再填土覆盖，无需育苗、移栽，可以节省人力和提高作业效率。

目前辣椒直播机具有旋耕、播种、施肥等功能。播种作业受车速变化的影响，易导致出现漏播、重播的现象，进而影响种子发芽和出苗率。此外，在播种铺膜技术的不断发展中，虽然已经基本解决了播种铺膜问题，但在田间地头播种作业需要机具转弯掉头时，仍然需要人工将地膜滴灌带扯断然后捆绑在机具框架上，且机具新进另外一块地头时，需要人工辅助将地膜固定定位、覆土，辅助工作效率低，劳动强度大。随着技术的进步，为了满足前述农业作业需求，进一步提升农机的自动化、智能化技术也成为急需。

发明内容

针对背景技术提出的问题，本发明的目的就是提供一种自动切膜覆土式辣椒直播机控制方法及系统，其根据整机车速、播种电机转速与切膜滚筒转速等信息，匹配实现相应的播种作业风机转速、播种电机转速与切膜滚筒转速的精确控制，进而实现直播过程的精量播种、自动切膜及自动铺膜定位时的覆土功能，提高种子发芽、出苗率，并进一步提高整车的自动化和智能化水平。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种自动切膜覆土式辣椒直播机控制方法，具体如下：整车启动后，由控制系统采集整车及车载播种机具的各路模拟信号和数字信号，以判断整车和车载播种机具是否做好作业准备；如果整车和车载播种机具已准备就绪，控制系统按照以下几个方面进行控制：

（1）吸取种子的控制；控制系统通过农机具工作模式开关选择播种模式，在此模式下，整车前进前，控制系统采集播种风机出口处气压压力、播种盘信号及红外线下种口监控计算的漏播情况，采用直接输出PWM信号的前馈控制方式粗调播种风机转速；然后，控制系统基于播种风机出口处气压压力与实际设置的内存中读取的目标压力，以反馈控制的方式精确细调播种风机转速，进而保证播种机播种盘内与取种室内均有种子；

（2）播种作业控制；整车播种作业时，控制系统的控制器通过N个PWM通道输出给N路播种电机驱动器，实现各播种电机的独立控制，并且控制器通过采集整车车速、播种电机驱动轴转速、播种信号盘位置信息，采用双闭环PID控制算法控制播种电机转速，进而控制播种单体下种，实现整车的精量播种作业；播种作业控制还包括自动避障控制、地头转弯控制、地头控制和特殊农艺控制；

（3）自动切膜的控制；整车行驶至田地作业的地头，转弯时，控制系统读取自动驾驶的转弯信号或遥控器的地头模式信号，停止播种作业，然后采集切膜滚筒转速及车载播种机具位置信号，通过液压电磁阀驱动夹膜液压缸伸出，夹持地膜装置与切膜装置下降，压实地膜；接着控制系统对液压泵马达输出PWM信号及换向液压阀驱动信号，控制液压泵马达流量及方向，带动切膜装置上的切膜滚筒正转，实现切膜功能；最后驱动换向电磁阀，使得夹膜液压缸缩回，夹持地膜装置与切膜装置抬起，完成切膜；

（4）铺膜定位的覆土控制；切膜后，整机在田地地头转弯，进入新行作业时，控制系统通过读取自动驾驶的转弯信号或遥控器的地头模式信号，自动进入铺膜定位的覆土模式，此时，控制系统采集切膜滚筒转速及车载播种机具位置信号，在车载播种机具下降到工作位置后，驱动夹膜液压缸伸出，使夹持地膜装置与切膜装置下降，控制系统对液压泵马达输出PWM信号及换向液压阀驱动信号，通过控制液压泵马达流量及方向，带动切膜装置上的切膜滚筒反转，实现铺膜定位的覆土。

吸取种子时，控制系统精确细调播种风机转速的具体方法如下：控制系统粗调播种风机转速后，读取播种盘信号及红外线下种口监控情况，通过播种盘信号下降沿信号采集，控制系统自学习播种时的信号盘齿数，当连续两个信号齿出现漏播情况，判断存在吸取种子的动力不够现象，此时控制系统以步进的方式自动增加当前目标压力值，从而调整控制模块PO1输出的占空比值，系统闭环控制播种风机，使得播种风机出口处气压压力达到新设定的目标压力值；当连续两个信号齿出现重播情况，判断存在吸取种子的动力富余现象，此时控制系统以步进的方式自动减小当前目标压力值，从而调整控制模块PO1输出的占空比值，系统闭环控制播种风机，使得播种风机出口处气压压力达到新设定的目标压力值。

播种作业时，控制系统对每个播种电机的独立控制均采用以下方法：控制系统采集每个播种电机的驱动电流值、整车车速信号以及每个播种电机的转速信号，计算出相应车速和转速；然后根据车速及系统内存中相应的目标株距、播种盘孔数，计算出相应的目标播种电机轴转速；控制系统再根据每个播种电机轴的实际转速信号与目标转速，采用闭环PID算法计算出每个播种电机驱动目标电流值，此为双闭环PID控制算法的外闭环算法；系统再根据采集的每个播种电机的实际电流值与外闭环算法算出的每个播种电机驱动目标电流值，经过闭环PID算法计算出PWM控制信号占空比，此控制PWM信号经过系统的N个PWM输出模块输出给N路播种电机驱动器，进而精确控制N路播种电机旋转，N个播种单体下种，从而实现精量播种功能。

播种作业时，所述的地头转弯控制具体如下：控制系统接收控制器或遥控器发送的地头转弯信号后，控制系统停止所有播种电机工作，输出值为零；所述的地头控制具体如下：控制系统接收控制器或遥控器发送的执行地头模式信号后，控制系统停止所有播种电机工作，输出值为零；地头转弯控制与地头控制保证辣椒直播作业时地头没有作物的农艺实现。

播种作业时，所述的避障控制具体如下：控制系统接收控制器或遥控器发送的执行避障模式信号后，控制系统停止所有播种电机工作，输出值为零；当控制系统接收控制器或遥控器发送的避障结束信号后，控制系统重启所有播种电机，进行续播作业。

播种作业时，所述的特殊农艺控制具体如下：控制系统读取控制器内存标定后的特殊农艺作业标志变量，当特殊农艺作业标志变量为零时，控制系统按照正常的播种作业控制模式工作；当特殊农艺作业标志变量为1时，则控制系统分别读取N个播种信号盘具体位置，同一时刻，控制系统对序号为偶数的播种电机输出驱动信号，对序号为奇数的播种电机输出信号为零，令序号为偶数的播种电机旋转，相应的序号为偶数的播种单体下种；下一时刻，控制系统对序号为奇数的播种电机输出驱动信号，对序号为偶数的播种电机输出信号为零，令序号为奇数的播种电机旋转，相应的序号为奇数的播种单体下种。

自动切膜时，控制系统对切膜滚筒的转速控制具体如下：控制系统以设定的目标转速驱动切膜滚筒，若切膜滚筒的转速降低，则控制系统判断切膜阻力较大，此时控制系统自动控制夹膜液压缸缓慢缩回，直至切膜转速恢复至目标转速，然后控制系统控制夹膜液压缸停止动作。

铺膜定位的覆土时，控制系统对切膜滚筒的转速控制具体如下：控制系统以设定的目标转速驱动切膜滚筒，若切膜滚筒的转速降低，则控制系统判断覆土阻力较大，此时控制系统自动控制夹膜液压缸缓慢缩回，直至切膜滚筒转速恢复至目标转速，然后控制系统控制夹膜液压缸停止动作。

本发明还提供了一种用于实现如上所述控制方法的控制系统，包括控制器、通讯模块、输出模块、用于信号采集的传感器和用于执行控制器命令的执行器，所述的传感器包括农机具工作模式开关、机具角度传感器、气压压力传感器、播种电机轴转速传感器、车速传感器和切膜滚筒轴转速传感器；所述的执行器包括电动播种风机、播种电机、农机具提升/下降电磁阀、液压泵马达电磁阀、液压泵马达换向电磁阀、夹膜液压电磁阀；所述的通讯模块为CAN通讯模块，输出模块包括PWM输出模块和数字输出模块DO。

本发明的有益效果是：本发明提出的控制系统在遥控器远程遥控操作或自动驾驶作业模式下，灵活可靠地实现了对播种农机具的控制功能；首先采用前馈控制和闭环反馈控制算法相结合的方式，实现了播种风机气压的快速、精确控制，继而得到稳定的从种箱内吸取种子的压力，可防止管路微泄漏；其次，根据事先标定得到的车速与播种电机轴转速的关系，采集实际播种电机轴转速，利用双闭环控制算法计算相应的播种电机驱动参数，通过控制播种电机实现对精量播种及施肥的控制；同时，控制器通过CAN总线读取自动驾驶系统或遥控器传过来的地头转弯或避障信号，配合控制所有播种电机工作，在整车自动避障、地头转弯等工况时，停止驱动所有播种电机，断播此时取种室内的种子，当转过弯继续作业时，驱动播种电机，续播取种室内的种子；对于特殊农艺作业工况需求，结合N个播种信号盘，实现对N个单体的各个下种口的电机旋转的精确协同控制，实现N行之间菱形播种，即隔穴不播种。

本发明提出的控制方法中，控制系统采集切膜滚筒转速及车载播种机具位置，通过控制液压泵马达进行切膜滚筒调速，通过调整夹膜液压缸的驱动输出保证整个切膜装置不卡死，可顺利实现夹膜、正转切膜、反转覆土等功能。

本发明综合实现了整机的切膜、地头铺膜定位的自动控制，替代人力的切膜、夹膜、铺膜定位的覆土的工作。本发明提高了直播、切膜、铺膜覆土自动化程度的同时，也可广泛推广应用于大豆、芸豆、花生等的播种农艺上。

附图说明

图1为本发明控制系统的工作流程图。

图2为本发明控制系统的结构示意框图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

如图1-2所示，本发明提供一种自动切膜覆土式辣椒直播机控制方法及控制系统。

以车载播种机具具有四路播种电机驱动器为例。其中控制系统的结构如图2所示，其中虚线框内的为控制系统自身的控制器，虚线框外的部分为系统设计的各传感器和执行器，其中的传感器包括：机具角度传感器、气压压力传感器、播种电机轴转速传感器、车速传感器、切膜滚筒轴转速传感器、农机具工作模式开关；所述执行器包括：夹膜液压缸电磁阀1、夹膜液压缸电磁阀2、液压泵马达方向电磁阀1、液压泵马达方向电磁阀2、液压泵马达驱动比列电磁阀、播种风机和播种电机；虚线框内左部三个长方形框分为本控制系统的数字信号采集模块DI、模拟信号采集模块AI以及频率信号采集模块PI；本控制系统的通讯模块为CAN通讯模块；本控制系统包括两类输出模块：PWM输出模块PO1~6和数字输出模块DO1~4。

本发明依托于上述控制系统，可以完成多项控制，具体的控制方法参考图1所示的工作流程图，在上述控制系统的基础上，可以完成车辆及车载播种机具作业准备情况的判断、目标吸种气压压力的实现、四个播种单体独立及协同排种功能、自动切膜、铺膜定位的覆土功能的实现等。下面仍以车载播种机具具有四路播种电机驱动器为例，首先对作业中涉及到的主要控制原理加以说明。

首先，控制系统通过各个信号采集模块端口读取各个传感器采集到的信号，通过数字信号采集模块DI读取农机具工作模式开关的状态；频率信号采集模块PI采集车速传感器、播种电机驱动轴转速传感器、切膜滚筒转速传感器的信号，经过整车控制器的平均算法，计算出整机的车速、播种电机驱动轴转速和切膜滚筒转速；模拟信号采集模块AI采集播种风机出口处气压压力传感器及车载播种机具角度传感器信号，经过低通滤波算法处理，得到吸种气压压力和车载播种机具位置值；

其次，控制系统分析数字采集模块DI采集的农机具工作模式开关信号值，判断整车是否可以进入播种模式；控制系统通过CAN总线模块，采集来自播种机各红外线下种口监控的信息，辅助配合播种风机出口处气压信息，判断吸种气路是否存在漏气，而导致播种机没有下种，也可配合播种单体的播种盘信号判断漏播状态；控制系统通过CAN总线模块，采集无人驾驶控制器发出的地头作业状态信息或遥控器（非无人驾驶模式时使用）发出的地头作业状态信息，以辅助实现播种单体的播种电机转速判断及控制算法的输出。车载播种机具装配时，每个播种信号盘均具有七个信号齿，其中的六个信号齿一一对应于播种单体中吸存种子的六个取种室，即一个信号齿对应于一个取种室，第七个信号齿为多齿，为控制系统循环计数的每一圈的起始齿信号，控制系统通过频率模块PI采集播种信号盘信号，判断播种单体的播种盘位置。

如果整车和车载播种机具已准备就绪，控制系统按照以下几个方面进行控制：

（1）吸取种子的控制：此为播种作业的前期工作，即播种风机从种箱中，吸取种子到播种盘的取种室上。控制系统主要负责吸种子的气体负压吸力的控制。具体的，当用户按下播种模式开关后，控制系统根据模拟信号模块AI采集的播种风机出口处气压压力计算值，采用前馈控制计算向PWM输出模块PO1输出的PWM占空比值，并向播种风机电机驱动器输出PWM信号，粗调调整播种风机转速使得播种风机出口处的气体气压压力迅速达到25 bar左右。并基于播种风机出口处的气压压力与系统内存中设置的目标压力30 bar，控制系统以反馈控制的方式精确控制播种风机转速，即前馈控制+反馈闭环PID控制算法，控制播种风机转速，微调气压压力值稳定在30 bar，从而得到稳定的吸取种子的气压压力，进而保证播种机排种盘内取种室均有种子。同时，控制系统通过频率采集模块PI读取播种盘信号及CAN总线模块读取的红外线下种口监控情况。通过播种盘信号下降沿信号采集，控制系统自学习播种时的信号盘齿数，当连续两个信号齿（即当四个播种单体中的三个播种单体的下种口连续两个取种室）出现漏播情况，判断存在吸取种子的动力不够现象，此时控制系统以步进的方式自动增加当前目标压力值，在本发明的一个实施例中，增加当前目标压力值的步进值为5 bar，即控制系统自动增加当前目标压力值5 bar至35 bar，从而调整控制模块PO1输出的占空比值，系统闭环控制播种风机，使得气压压力达到35 bar；反之，当连续两个信号齿（四个播种单体中的三个播种单体的下种口连续三个取种室）出现重播情况，判断存在吸取种子的动力富余现象，此时控制系统以步进的方式自动减小当前目标压力值，在本发明的一个实施例中，减小当前目标压力值的步进值为3 bar，即控制系统自动减小当前目标压力值3 bar至27 bar，从而调整控制模块PO1输出的占空比值，系统闭环控制播种风机，使得气压压力达到27 bar。

（2）播种作业控制：控制系统使用模拟信号采集模块AI分别读取四个播种单体的播种电机的驱动电流值，使用频率信号采集模块PI采集整车车速信号以及四个播种单体的每个播种电机轴的转速信号计算出相应车速和转速。根据车速及系统内存中相应的目标株距17.8 cm、排种盘孔数 6个，计算出相应的目标播种电机轴转速。控制系统根据每个播种电机轴的实际转速信号与目标转速，采用闭环PID算法计算出每个播种电机驱动目标电流值，此为双闭环PID控制算法的外闭环控制。控制系统再根据前述采集的每个播种电机的实际电流值与外闭环算法算出的目标电流值，经过闭环PID算法计算出PWM控制信号占空比，此控制PWM信号经过系统的四个PWM输出模块PO2~PO5，输出给四路播种电机驱动器，进而精确控制四路播种电机旋转，四个播种单体下种，从而实现精量播种功能。当通过CAN通讯模块接收无人驾驶控制器或遥控器的地头转弯作业或地头模式时，控制系统停止四个播种电机工作，输出值为零，保证辣椒直播作业时地头没有作物的农艺实现。同时，当通过CAN通讯模块接收无人驾驶控制器或遥控器的避障模式时，控制系统停止四个播种电机工作，输出值为零，即断播作业；当整机接收到无人驾驶控制器或遥控器的避障结束信号时，控制系统重启四个播种电机驱动工作，即续播作业。 保证辣椒直播作业时地头没有作物的农艺实现。

对于特殊农艺作业的工况需求，即通俗叫法为“拐子苗”的播种方式，仍以四个播种单体为例，具体如下：四个播种单体中，同一时刻，偶数行的播种单体播种取种室内的种子，播种电机旋转下种，奇数行的播种单体播种电机停转，不下种。下一时刻反之，即，前一时刻下种的播种电机停转不下种，另外一行前一时刻不下种的播种电机旋转下种，这样形成间隔穴内播种，实现“拐子苗”播种。本发明提供了以下控制方案：控制系统读取整车控制器内存标定后的特殊农艺作业标志变量。特殊农艺作业标志变量为零时，控制系统按照前述的正常播种作业模式工作。如特殊农艺作业标志变量为1时，则控制系统通过频率信号PI模块分别读取四个播种信号盘具体位置，同一时刻，控制系统输出对PWM输出模块PO2及PO4的驱动信号，继而对应的播种电机旋转，相应的播种单体下种，PWM输出模块PO3及PO5的驱动信号为零。下一时刻，控制系统输出对PWM输出模块PO3及PO5的驱动信号，继而对应的播种电机旋转，相应的播种单体下种，PWM输出模块PO2及PO4的驱动信号为零。

有上述播种作业控制可知：控制系统采用双闭环PID控制播种电机转速的方式，进而排种单体下种，从而实现整车正常的精量播种作业、自动避障等作业工况时，排种、断播、续播等作业需求。系统采用自学习播种盘信号位置与双闭环PID控制播种电机转速接合的方式，实现了“拐子苗”等特殊的播种农艺作业方式。

（3）自动切膜的控制：控制系统通过CAN通讯模块接收无人驾驶控制器或遥控器的地头转弯作业或地头模式时，控制系统停止四个播种电机工作，输出值为零。而后，控制系统通过对数字输出模块DO3 和DO4分别输出1和0，驱动夹膜电磁阀1和夹膜电磁阀2动作，使得夹膜液压缸伸出，促使夹膜装置紧紧夹压实地膜不动，5秒后对数字输出模块DO3 和DO4均输出0，此时夹膜液压缸保持位置不动。而后，控制系统通过对数字输出模块DO1 和DO2分别输出1和0，驱动泵马达方向电磁阀，配合液压系统，使得液压泵马达顺时针正转。同时，控制系统通过频率信号采集模块PI采集切膜滚筒轴转速，与控制系统内存内标定的切膜目标转速230 r/min比较，作为反馈闭环PID控制算法输入，计算得出PWM输出模块PO6驱动液压比例阀的PWM占空比值，并结合液压系统马达带动切膜滚筒轴正转且转速达到230 r/min，此时控制系统控制切膜装置实现自动切膜、切滴灌带20秒的功能，此后控制系统立即对数字输出模块DO1、DO2和PWM输出模块PO6分别输出0，整个装置保持不动，系统完成切膜、切滴灌带作业工作。在20秒的切膜期间，如控制系统监控切膜滚筒转速变化，如转速掉至110 r/min以下时，系统会判定切膜遇到较大阻力如土地中有硬的石块等因素，控制系统自动对数字输出模块DO3 和DO4分别输出0和1，驱动夹膜电磁阀1和夹膜电磁阀2动作，使得夹膜液压缸缩回，直至切膜转速恢复至200 r/min以上时，控制系统对数字输出模块DO3 和DO4输出0，夹膜液压缸停止动作。在完成20秒切膜作业后，控制系统对数字输出模块DO3 和DO4分别输出0和1，驱动夹膜电磁阀1和夹膜电磁阀2动作，使得夹膜液压缸缩回10秒至液压缸原点，此时夹膜装置紧紧夹持住地膜。此后，控制系统自动提升农机具并鸣喇叭提示，无人驾驶控制器或遥控器开始操作整机进行地头转弯。

（4）铺膜定位的覆土的控制：整机完成切膜，无人驾驶控制器或遥控器开始操作整机进行地头转弯后，整机进入新行作业时，控制系统通过CAN通讯模块读取自动驾驶的转弯信号或遥控器的地头模式信号，并通过频率信号采集模块PI采集切膜滚筒转速值及模拟信号采集模块AI采集播种机机具角度传感器值，在作业机具下降到机具角度值为160，即为机具工作位置后。控制系统对数字输出模块DO3 和DO4分别输出1和0，驱动夹膜电磁阀1和夹膜电磁阀2动作，使得夹膜液压缸伸出，促使夹膜装置紧紧夹压实地膜不动。5秒后对数字输出模块DO3 和DO4均输出0，此时夹膜液压缸保持位置不动。而后，控制系统通过对数字输出模块DO1 和DO2分别输出0和1，驱动泵马达方向电磁阀，配合液压系统，使得液压泵马达逆时针反转。同时，控制系统通过频率信号采集模块PI采集切膜滚筒轴转速，与控制系统内存内标定的切膜目标转速300 r/min比较，作为反馈闭环PID控制算法输入，计算得出PWM输出模块PO6驱动液压比例阀的PWM占空比值，并结合液压系统马达带动切膜滚筒轴正转且转速达到300 r/min，此时控制系统控制切膜装置实现自动覆土20秒的功能，此后控制系统立即对数字输出模块DO1、DO2和PWM输出模块PO6分别输出0，整个装置保持不动，系统完成铺膜定位的覆土作业工作。与0019段描述类似，在20秒的覆土期间，如控制系统监控切膜滚筒转速变化，如转速掉至150 r/min以下时，系统会判定覆土遇到较大阻力如土地中有硬的石块等因素，控制系统自动对数字输出模块DO3 和DO4分别输出0和1，驱动夹膜电磁阀1和夹膜电磁阀2动作，使得夹膜液压缸缩回，直至切膜转速恢复至250 r/min以上时，控制系统对数字输出模块DO3 和DO4输出0，夹膜液压缸停止动作。在完成20秒覆土作业后，控制系统鸣喇叭提示，并通过CAN总线模块向无人驾驶控制器发送切膜、覆土作业完成信息。此后无人驾驶控制器或用户操作遥控器进行新的地块行的播种作业。

上述实施方式中所述的直播机为辣椒直播机，对于其他如水稻直播机、玉米直播机等，本发明所述的控制方法与控制系统也可以适用。

本发明未详述部分为现有技术。