王在满，黄逸春，王宝龙，张明华，马曰鑫，可欣荣，罗锡文

（华南农业大学南方农业机械与装备关键技术教育部重点实验室，广州 510642）

0 引 言

水稻是中国的主要粮食作物之一，近年来，随着水稻品种选育、配套农艺和机械化技术的不断进步，水稻机械化直播技术发展迅速。相比于传统移栽技术，机械直播节省了育秧和插秧环节，节本增效，可有效降低劳动强度，逐渐被越来越多农户所接受[1-4]。

欧美、澳大利亚等发达国家的水稻种植以机械直播为主并实现了全程机械化[5-6]。中国水稻生产机械化总体水平不高，其中水稻机械化种植是水稻生产全程机械化最薄弱环节[7]，2016年水稻机械化种植水平仅约为44.45%，严重制约了水稻生产机械化的发展。华南农业大学基于农机与农艺相结合，研制成功了同步开沟起垄水稻精量穴直播机[8-11]。

排种器是水稻直播机的核心部件，主要有气力式和机械式2种。气力式排种器具有种子适应性强、伤种小等优点，适合精少量的精密播种，但是结构复杂，技术和成本要求高；机械式排种器通过种子自重充种和排种[12-13]，结构简单、故障率低，适合中等播量或大播量的精量播种。

适宜播种量控制是水稻机械化直播技术应用的关键要点。在不同地区、茬口、品种、气候和管理习惯等水稻种植条件下，播种量差异很大[14-16]。目前常用的机械式排种器多采用型孔式或外槽轮式，通过改变型孔、槽轮尺寸或穴距进而实现对播量的控制[17]。日本水稻直播机排种器[18]一般采用外槽轮式排种器，并采用滑块横向调节槽宽尺寸控制播量，主要适用于播量较大和短粒型的稻种（如粳稻）。华南农业大学根据常规稻品种和部分杂交稻品种播种量30～75 kg/hm2的播量要求，发明了一种播量可调的组合型孔排种器[19]，采用“瓢形型孔+双充种室”充种方式[20]和弹性随动护种方式，实现了在同一台机器上有 2档播量快速调节，适用于长粒型和短粒型稻种的精量播种。

目前常用的水稻精量直播排种器存在稻种适应性和作业效率问题[21]，播量可调外槽轮式排种器[22]虽可实现播量调节，但仍需要通过停止机器作业后人工调节，播量调节难以精准控制。播量可调组合型孔式排种器播量采用人工方式预先调节型孔大小，播量调节前必须停机，采用调节扳手完成 2种型孔的相互转换后才能进行播种作业，而且无法实现连续调节[19]。

常规稻和杂交稻品种的播种量差异较大，长粒型籼稻和短粒型粳稻的种子外形尺寸差异大。根据不同水稻品种的物理特性和种植特点，现有的排种器难以同时满足不同品种的播量要求，因此，本文设计了一种基于单片机控制的播量无级调节水稻精量穴直播排种装置，即在播量可调组合型孔式排种器的基础上，设计了无级调节型孔结构，重点对型孔大小进行了理论计算和分析，拟改善排种器的播量调节精度，提高排种器的适应性和作业效率。

1 播量无级调节水稻排种装置

1.1 总体结构

播量无级调节型孔式排种器由排种器壳体、排种轮、清种机构、护种机构和电机控制系统组成，如图1a所示。排种轮通过传动轴驱动使种子进入排种轮圆周上的型孔，排种轮主要由排种轮外轮、排种轮内轮、步进电机、电池、限位开关等零部件组成，如图1b所示；清种毛刷位于排种轮的上方，与排种轮同步转动以清除型孔上方多余的种子；护种机构由护种带和支架组成，与排种轮贴合安装，使种子在排种前不会从型孔中掉出。

图1 排种器结构示意图Fig.1 Structure diagram of metering device

1.2 工作原理

播量无级调节型孔式排种装置工作时，通过电机控制排种轮转动，此时充种室的种子不断进入排种轮的型孔内，清种毛刷清除型孔上方多余的种子；弹性护种带将种子护送到排种管出口，型孔内的种子因自身重力而掉落[23]，从而实现种子的定量间歇性排种。

排种器的型孔由内轮型孔和外轮型孔组成。排种器的外轮上固定安装了步进电机，电机轴上有小齿轮；内轮内圈上设置了与小齿轮配合的内齿圈，并与外轮同轴安装；控制系统可控制步进电机的正反转，经齿轮传动调节内轮与外轮的相对角度，从而改变外轮型孔和内轮型孔之间的容积，实现播量无级调节。排种轮内轮上安装了挡块和限位开关，限位开关能够限制型孔调节范围。为了避免在工作过程中排种轮内轮与外轮发生相对转动而影响播量调节精度，采用带有自锁功能的步进电机，调节完毕时可自动锁定排种轮内轮，以固定内轮和外轮的相对角度。采用STM32F103输入定量脉冲控制步进电机转动的角度，控制电路由排种轮内部锂电池供电，结构紧凑，调节效果好。

2 排种轮机构设计

2.1 稻种物理特性分析

稻种的物理特性直接影响排种器充种性能，本文分别选用4种有代表性的水稻品种，进行特性分析和试验，为排种器播量调节机构提供设计依据，包括常规粳稻秀水 134、杂交粳稻花优 14、常规籼稻黄华占和杂交籼稻晶两优1212。测定参数和方法如下：

1）测定种子三轴尺寸：每个品种选取饱满无损的种子50粒，选用精度为0.02 mm的游标卡尺对种子的长轴、短轴和厚度方向进行测量并取平均值。

2）测定含水率：选用若干饱满种子放至 GMK-303水分测量仪的托盘，对种子的水分进行测量，重复 3次取平均值。

3）测定千粒质量：选用 BAXIT全自动数粒仪随机挑选1 000粒种子，采用精度为0.001 g的AR423CN电子天平对千粒种子进行质量称量，取平均值。

4）测定种子体积：采用去盐法，随机挑选500粒种子倒入50 mL的烧杯，加入一定量的盐使烧杯内的混合物达到一定体积，用烧杯体积减去盐的体积得到 500粒种子的体积，重复 3次取平均值，稻种物理特性如表 1所示。

2.2 型孔参数与播种量的关系

1）无级调节型孔结构设计

无级调节型孔由外轮和内轮圆周上的型孔组成，根据高速摄影分析结果可知[24]，稻种进入充种室后沿限种板下端缺口向下流入型孔，在进入型孔的过程中稻种主要存在竖立、斜立和平躺3种姿态，稻种首先是以竖立或者斜立姿态充入型孔中，其余稻种再以平躺姿态填充到型孔上部，竖立或者斜立可减少卡种现象。本文设计的排种轮采用瓢形型孔式，根据罗锡文等[25]研究可知，与圆柱形、勺形型孔相比，瓢形型孔的充种效果最好。瓢形型孔的小端半径为R1，大端半径为R2，型孔的外边缘设计了引种倒角（斜线阴影部分），有利于种子进入型孔，引种倒角均匀分布在型孔圆周边缘，有效长度c=3 mm，有效深度h=2 mm，方形阴影部分为型孔内轮表面，如图2所示。

表1 水稻的物理特性Table 1 Material characteristic of seed

图2 型孔容积调节范围Fig.2 Adjusting range of hole-type volume

因为型孔调节时型孔的大端为了使稻种能够顺利进入型孔，最小充种型孔大端半径（R2）应至少比选取试验的稻种的最大长轴 lmax大 10%[26]。由于粳稻粒短宽厚，横断面近圆形，而籼稻粒长扁平，所以粳稻在相同型孔的播量大于籼稻，对型孔小端半径（R1）设计以粳稻的长轴l作为研究依据。由表1列举南方地区常用品种的物理特性可知，粳稻种子的最大长轴尺寸为7.87 mm，籼稻种子的最大长轴尺寸为9.40 mm，型孔的大小端半径分别按式（1）～（2）计算。

式中l1为粳稻最大长轴，l2为籼稻最大长轴。

代入式（1）和式（2）可得，R1≥4.2 mm，R2≥5.2 mm此处型孔设计取R1=4.2 mm，R2=5.2 mm。建立SolidWorks模型经测量（图2），d1=9.4 mm、d3=9 mm、d2=10 mm、d4=10.4 mm。

当播量n=3±1时，稻种从充种室进入型孔出现2粒种子平躺、1粒种子竖立的概率最大[27]。因此型孔的长轴尺寸L（从L1到L3的变化过程）的调节量计算如式（3）。

式中L为型孔长轴，mm；l3为稻种最小长轴，mm；Bmax为种子最大宽度，mm。

根据式（3）和表1花优14厚度Bmax，2.14mm，长轴尺寸，7.06 mm。可知型孔最小长轴小型孔长轴L1=9.2 mm。为满足 10粒最大播量和同一平面上稻种排列的随机性，最大型孔的长轴要满足秀水134长轴尺寸的2倍，则大型孔长轴L3=15.6 mm。取中等型孔长轴尺寸L2=12.4 mm。型孔长轴与电机转动角关系见式（4）。

式中 θ为排种内轮型孔和外轮型孔中心夹角，(°)；R0为排种轮外轮半径，mm；k1为型孔长轴与排种轮内外轮夹角转换系数。

代入数据可知k1=1.8，通过调节排种内轮型孔和外轮型孔中心夹角，改变型孔长轴尺寸，实现播量调节。

型孔最大截面和容积是排种轮充种量和排种器最终播量的主要影响因素，本文基于SolidWorks软件建立三维模型，采用分割法将合成型孔从模型中分离出来，在评估-质量属性选项生成质心，从属性参数中对型孔截面（图 3）和容积参数进行测量和计算，具体数据如表 2所示。

图3 型孔最大截面Fig.3 Maximum section of type-hole

表2 型孔截面和容积参数Table 2 Parameter of area and volume of type-hole

2）无级调节型孔深度

型孔形状选取的是瓢形型孔，稻种进入型孔时先接触瓢形孔的小端圆弧。当型孔长轴调节至最大型孔时，稻种在充种室快速进入型孔时多以竖立或斜立姿态充入型孔后，在重力作用下，滑入型孔底部，最终以平躺和斜立的姿态留在型孔内，此时与普通型孔的充种方式相同。为了满足每穴播种量在 3～10粒之间无级可调，需控制充种穴粒数，穴粒数由每层充种粒数和层数决定（式（5））。

式中m为每层充种粒数；d为型孔最大宽度d2和最小宽度d3的平均值，9.5 mm；Dmax为试验种子的最大短轴尺寸，3.17 mm。

由式（5）可得出每层充种粒数m=3。

根据实际作业需求，粳稻品种平均播量可达10粒。小型孔的深度为大型孔深度与排种轮外轮槽孔壁厚之差，排种轮外轮槽孔壁厚b=0.5 mm；由式（6）可知[24]

式中T为型孔深度，mm；M为穴粒数，10粒；m为每层充种粒数，3粒；Bmax为试验种子的最大厚度，2.3 mm。

根据式（6）可知大型孔的深度T1=7.5 mm；小型孔的深度 T2=T1–b=7 mm；有效型孔深度 t1=T1–h=5 mm，t2=T2–h=4.5 mm。

当调节至最小型孔时，此时种子的长度大于底部的长轴尺寸，种子以竖立或斜立姿态充入型孔后，由于型孔尺寸的限制，不能滑入底部。由于型孔壁的支撑，种子保持斜立的姿态容纳于型孔中，如图 4所示。此时，要求种子不能高出型孔，否则种子会受到护种带的挤压，造成伤种率提高，护种带的寿命降低。根据种子和型孔之间的位置关系，采用式（7）对式（6）得出的型孔深度T进行验证。要求式（7）得出的型孔深度应略小于式（6）得出的型孔深度，即TT′＜为合格。

式中T′为型孔深度，mm；α为种子在型孔内的倾斜角，(°)；lmax为种子的最大长轴尺寸，9.4 mm；L1为最小型孔的长轴尺寸，9.2 mm；T为式（6）得出的型孔深度，7 mm。

由式（8）得出，θ为 37.2°，代入式（7）得出型孔的深度为T′=5.7 mm＜ T=7 mm，型孔深度T设计合理。

图4 稻种充入最小型孔的姿态Fig.4 Attitude of rice seed filled into minimum type-hole

式中n′为型孔数量；vm为作业速度，m/s；p为穴距，m；ωm为排种轮角速度，rad/s。

该排种器作业动力由乘坐式插秧机提供，目前直播机田间作业最高前进速度约vm=1.2 m/s；播种穴距10～25 cm可调，根据农艺要求可知，机械穴播的常用穴距为12～18 cm[28]；型孔式排种器的最高设计转速约75 r/min，即排种轮最高角速度约 7.85 rad/s。由式（9）可得 n′=8可满足实际播种要求。

2.3 无级调节排种轮结构设计

播量无级调节排种轮的结构（图5）主要包括型孔轮内轮和外轮、两个步进电机、锂电池、限位开关、挡块、电路板和蓝牙模块组成。

图 5为排种轮外轮，作为排种轮的壳体，与排种轮内轮嵌套配合，排种轮外轮结构设计包括外形尺寸及厚度、型孔槽孔、电机支架等。

图5 排种内外轮结构Fig.5 Main structure of seed metering wheel

排种轮安装在排种器壳体内，保证加工精度优先选用采用基孔制。排种轮外轮的内径Φ106 mm，考虑到排种轮内轮的外径应小于排种轮外轮的内径，采用基孔制公差配合，公差带基本偏差采用H9/d9（优先配合，d级，适用于松的转动配合），查表优先配合种轴的极限偏差可知基本尺寸在100～120 mm的范围内d级的公差范围是–120～–207 μm，选择公差 200 μm[29]。设计排种轮内轮外径105.8 mm，内径92 mm，保证排种轮能够顺利完成型孔的调节。

排种轮内轮内径边缘装有内齿轮，齿数为105，模数0.7。在排种轮外轮内部两侧安装步进电机，通过电机转动改变排种轮外轮和排种轮内轮的相对位置，从而改变型孔容积的大小。选用型号为GM12-15BY电机，输出扭矩0.12 N·m，步距角度为0.03°，性能稳定，可实现正反转。电机齿轮模数0.7，齿数为15，转速10 r/min，与内齿轮传动比为1∶7，最大相对角度为7°。

3 无级调节控制系统

播种量主要由排种轮型孔大小所决定，无级调节控制系统的控制原理如图6所示：在手机端根据不同品种、地区和播种要求设置初始播量，通信设备通过蓝牙控制电机实现转动，因为步进电机空转驱动频率为1 000 Hz，即每秒输出1 000个脉冲，即转动的角度为30°，电机齿轮最大转动角度为 70°，步距角为 0.03°，需要输出脉冲数量为2 300个，则最小型孔转化最大型孔所需理论时间为2.3 s，实际测试的时间为2.85 s。所以输入定量脉冲可调整电机转动角度，从而调整型孔大小。当作业的播量需要再次调整时，控制系统则会根据反馈信息再次调节型孔的大小，实现播量可调的无级可调，满足作业需求。

无级调节控制系统电路结构选用 STM32F103C8T6作为主控制器，锂电池供电，通过蓝牙通信控制步进电机精准转动，改变排种轮外轮和排种轮内轮的相对位置，从而调节型孔容积大小。在排种轮外轮内装限位开关，保证排种轮内轮不会偏转出型孔需求范围。选用Hc05蓝牙模块，克服有线传输的不足。选用电源的供电电压11.1 V，容量550 mA·h，能够满足电机正常工作需求。

图6 排种器控制系统流程图Fig.6 Control process diagram of rice metering device

4 性能试验与结果分析

为检验播量无级调节排种装置的工作性能，在华南农业大学南方农业机械与装备关键技术教育部重点实验室的计算机视觉排种器试验台进行台架性能试验[28]。本文研究的排种器可在最大播量和最小播量之间实现无级调节，重点试验分析水稻品种类型、型孔大小和排种轮转速 3个因素下排种装置的平均穴粒数的变化趋势以及对变异系数的影响。

4.1 试验材料与仪器设备

1）试验仪器：霍尔转速记录仪（量程范围：5～200 r/min，分度值：0.1 r/min）；电子天平（型号：AR423CN，量程：420 g，精度：0.001 g）；游标卡尺（精度：0.02 mm）。

2）试验设备：计算机视觉排种器试验台，型号：JPS-12（如图7所示），排种轴转速为15～120 r/min；输送带速度为1.5～12 km/h。

图7 计算机视觉排种器试验台Fig.7 Test-bed of metering device based on computer vision

3）试验品种：试验选取的稻种为秀水 134（常规粳稻）、花优 14（杂交粳稻）、黄华占（常规籼稻）和晶两优1212（杂交籼稻）。

4.2 试验方法

由于目前水稻精量穴直播技术尚未有试验标准，根据水稻机械化直播实际生产的播种量技术要求，一般情况下，粳稻品种平均每穴粒数为 5～10粒，籼稻品种平均每穴粒数为3～8粒。

平均穴粒数、合格率和变异系数是评价排种器性能的重要指标，若试验结果由于穴粒数整体偏大或者偏小而引起的合格率降低时，本文研究的播量无级调节型孔式排种器可以通过调节型孔大小来提高合格率，此时合格率并不能反映该排种器的排种性能；若由于播量不均匀（播量既有偏大又有偏小）而引起合格率降低，则直接影响标准差和变异系数，此时变异系数即可评价其播种性能。因此，本文主要以平均穴粒数和变异系数为试验指标，对该排种器的播种性能进行评价。

试验因素主要包括水稻品种、型孔长轴（用于表示型孔容积大小）和排种轮转速，型孔长轴分别为9.2、12.4、15.6 mm；排种轮转速分别是30、40、50和60 r/min；品种分别是秀水134、花优14、黄华占和晶两优1212。试验调查每穴排种粒数，每次试验统计250穴，重复3次，以平均穴粒数和变异系数作为试验分析考核指标。

4.3 播量无级调节排种器性能试验结果

表 3为播量无级调节排种器性能试验结果可知，调至最小型孔时，粳稻每穴播量为 4.99～7.02粒，籼稻每穴播量为 3.36～5.58粒；调至中间型孔时，粳稻每穴播量为6.45～8.02粒，籼稻每穴播量为3.49～6.70粒；调至最大型孔时，粳稻每穴播量为 8.20～9.70粒，籼稻每穴播量为 4.77～8.36粒。可见，型孔容积调节变化时，每穴排种粒数变化趋势明显，从而能达到播量无级调节的效果。

通过Matlab得到转速、型孔长轴对不同品种平均穴粒数影响的曲面图[30]（图8），秀水134和花优14为粳稻品种，两者每穴播量分布相近，黄华占和晶两优1212优为籼稻品种，两者每穴播量相近；粳稻的播量范围大于籼稻范围，粳稻变异系数低于籼稻，成穴的均匀性更佳。

在其他条件不变时，每穴播量会随排种轮转速的升高而减小，当型孔长轴变大即型孔容积增大时，播量增加。小型孔的播种量变异系数明显略高于中型孔和大型孔，对粳稻品种而言，每穴播量为 5～10粒的变异系数在15%～20%之间，具有较好的适应性；对于籼稻品种而言，每穴播量为3～8粒时，小型孔的变异系数较高，平均达到30%以上，而中型孔和大型孔的变异系数在 25%左右。当籼稻在小型孔和转速高于40 r/min时，平均播量3～4粒，能够满足穴播量为3粒的设计要求的最小值。当粳稻在大型孔低转速时，每穴平均播量可达9.7粒。在同等型孔容积大小条件下，籼稻品种的每穴播量比粳稻品种减少2～3粒。可见，该排种装置可满足不同品种每穴播种量3～10粒的设计目标。

对表3穴粒数的试验结果的极差分析[31]显示（表4），由表 4可知，对平均穴粒数的影响主次关系分别为型孔长轴＞水稻品种＞排种轮转速。

表3 穴粒数性能试验结果Table 3 Experiment results of seeds number per hole

图8 转速和型孔长轴对穴粒数曲面图Fig.8 Surface diagram of seeding amount depend on long axis of type-hole and rotating rate

表4 平均穴粒数的极差分析Table 4 Range analysis of average seeds number per hole

5 结 论

为了改善水稻精量穴直播排种器的适应性和成穴性，本文设计了一种基于单片机控制步进电机的播量无级调节水稻精量穴直播排种装置，在播量可调组合型孔式排种器的基础上，设计了无级调节型孔结构，型孔的容积调节范围271.91～485.79 mm3，以瓢形形状可变容积型孔设计的排种轮为主体，在排种轮内部安装步进电机和控制电路，实现每穴播量在3～10粒范围内无级调节，调节范围较大，可满足不同水稻品种的不同播种量要求。

1）采用播量无级调节排种装置，粳稻每穴播种量为5～10粒，变异系数在15%～20%；籼稻每穴播种量为3～8粒，籼稻小型孔变异系数大于30%，而在调大型孔后的播种量变异系数约 25%。型孔容积调节变化时，每穴排种粒数变化趋势明显，从而能达到播量无级调节的效果。

2）不同水稻品种、排种轮转速和型孔容积对播量影响主次为型孔容积、水稻品种和排种轮转速。播量会随排种轮转速的升高而减小，当型孔容积增大时，播量成线性增加。粳稻的播量范围大于籼稻范围，粳稻变异系数低于籼稻，成穴的均匀性更佳。

3）水稻精量穴直播技术是水稻种植机械化的重要发展方向，由于不同品种和不同种植条件下要求不同的播种量，因此，精准控制播种量是水稻机械化直播技术应用的关键要点。本文对播量无级调节水稻精量排种装置进行了结构设计和性能试验研究，初步研究出一种适用水稻精量直播的无级调节排种器结构，下一步还需进一步对整机结构进行优化设计，并进行样机性能考核及田间试验，最终研发一种播量无级调节水稻精量穴直播机具，为实现水稻直播机智能作业打下基础。

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