【www.guakaob.com--劳动节】
本期视频主要内容： 山东商河县是我国的大蒜种植基地，每年到了种蒜的季节，蒜农就会因为巨大的劳动强度而发愁。发明人赵纯军也曾是手工种蒜的一员，在深知百姓种蒜的辛苦后，只有维修电视机经验的他，开始着手研发机器，最后经过13年的努力，他终于圆了自己的机械梦，成功研发出了大蒜种植机。（《我爱发明》 20150527 铁手插蒜）
发明人联系方式：赵纯军 ：18853129585
《铁手插蒜》发明摘要：本发明属于农业机械领域，特别公开了一种大蒜种植机。该大蒜种植机，包括底部安装行走轮的机架，机架上安装有连接油箱的发动机和驾驶椅，其特征在于：发动机上连接有变速箱，变速箱上方设置有位于驾驶椅前面的操控箱，变速箱内伸出若干个传动轴，机架前方通过升降杆安装有播种装置，机架后方安装有压平辊；播种装置包括安装在送料斗内的拨料辊，拨料辊上设置有均布成排的三齿状拨料爪，拨料辊下方设置有对应拨料爪的输料管，输料管末端为内部中空，底部设置出口的开孔器。本发明结构设计合理，应用灵活，使用方便，有效降低种蒜时的劳动强度，单粒播种，漏播率低，株距均匀，播种深度可自由调节，适于广泛推广应用。
[我爱发明] 20160902 站立吧 大蒜
本期节目主要内容： 山东济南的发明人崇峻发明了一台大蒜播种机。这种机器有一套橡胶履带式行走系统，在田地里有着良好的通过性。通过一套自动上料系统，一瓣一瓣的大蒜被提升到较高的地方，随后分别顺着20根塑料导管掉落在对应的20个锥形碗中，锥形碗里的弧度可以让蒜瓣的尖朝上，最后这些蒜瓣再分别通过20个中空的金属管插入土里。这样就完成了种蒜的过程。（《我爱发明》 20160902 站立吧 大蒜）
发明人联系方式：崇峻
摘要：本实用新型涉及农用机械领域，特别涉及一种大蒜播种机。该大蒜播种机，其特征在于：包括机架、发动机、传动总成、气泵、气缸、履带底盘总成、土壤整平器、以及位于履带底盘总成上方的操作台、微电脑电控系统，所述操作台的前方设有给料仓，所述给料仓与提料装置连接，所述提料装置上方均匀安装有若干分料器，所述每个分料器下方连接分料管，所述分料管底部与导向料杯总成连接，导向料杯总成固定在第一定位板上，导向料杯总成的下方为调整料杯总成，调整料杯总成下方为点插播种器总成，所述点插播种器总成安装在开合处理支撑架上，所述导向料杯总成、调整料杯总成和点插播种器总成分别通过气缸控制开合，通过行走系统控制步进幅度。
编辑手记：
蒜可是好东西，不仅可以调味，还能杀菌、增强人的免疫力，而蒜的种植过程也是很辛苦的，全程又是蹲着又是弯腰，费时费力。今天这位发明人，就是因为看到自己的乡亲邻居们常年手工种大蒜，既辛苦又伤身体，于是反复研究，制作出了一台大蒜播种机来帮助大家。
发明人：崇峻
发明项目：大蒜播种机
发明原理
机器的最上方有一排小勺，将每颗蒜分别放进一个个圆形粗管里，大蒜通过每一根管子漏入小碗中，最后，一个圆锥形铁夹将这些蒜种到地里。
给记者简单地讲解了种蒜机的运行过程后，崇峻马上开启机器演示起来，一颗颗大蒜被这台机器很快地插进土里。
大蒜在种进地里的时候，必须让它尖朝上，这样才有利于大蒜的生长，如果蒜躺倒了就算大蒜的播种不合格。崇峻的机器正是在这里出了问题，机器种的蒜大部分都是躺着的，这显然是不行的。
经过反复试验，崇峻将小碗的底部从圆弧形换成了锥子形，这样就保证了每颗掉进小碗的大蒜都是尖朝上的。
为了测试机器的性能，崇峻准备去老刘的地里试一试，进行一场人工与机器的比赛，比赛当天聚集了很多观赛者。乡亲们有支持崇峻机器的，也有人支持农民师傅的，但是大家都希望这台机器可以替代手工种蒜。
五人一组的人工队在速度上丝毫不落后于机器，两组人分别从地里的两头向中间行进。农民师傅队伍庞大、经验丰富，进展得很快。
而崇峻这边的机器却遇到了问题，插入土里的种蒜夹口里很容易被湿的泥土堵住。
另外，由于崇峻的这台大型种蒜机是履带工作，压过去的地方明显有很深的凹槽，会把种蒜的地方压的很深，使得两边的地势不一样。浇灌时水都会流向地势较低的那一边，这样一来地势低的大蒜就很容易被水泡坏，而地势高的大蒜得不到很好的浇灌，解决了大蒜竖起率和被履带碾压地势不平的问题后，崇峻的第三代大蒜播种机终于亮相。
新一代大蒜播种机通过平台操作，人工将蒜倒入到平槽内，通过一个个小勺将蒜喂入管道中，再漏进20个锥形底的小碗里，通过插入地里的种蒜口将大蒜最后种进地里。播种蒜的同时用碾子稍微用力压平，这样不仅保证了种蒜的质量，而且使大蒜能得到充分的浇灌新一轮的比试中，刘师傅把他的人工队伍壮大到了25人，比上次多出了一倍多。
这场终级比拼到底能不能让这台种蒜机大放光彩呢？我们拭目以待。
欢迎收看《我爱发明》之《站立吧，大蒜》。
2009年6月 农机化研究 第6期
大蒜播种机械的研究现状
郭 毅
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,张祖立
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,于丽颖
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,张旭东
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(1.沈阳农业大学工程学院,沈阳 110161;2.辽宁农业职业技术学院,辽宁营口 115009;3.辽宁省农业
机械化研究所,沈阳 110161)
摘 要:介绍了大蒜自身价值和种植情况,由于蒜种的形状和栽种的特殊要求,国内外大蒜栽种机械的研究缓慢,而人工栽种生产率很低,所以迫切需要一种实用的大蒜播种机械。为此,分析了目前国内外大蒜播种机械的发展状况,对其按动力来源进行分类介绍,说明其实际工作状况,并对国内现有专利产品进行参数统计。关键词:大蒜;播种机械;研究现状
中图分类号:S223.99 文献标识码:A
:(2009)06-0221-03
0 引言
大蒜营养丰富,,抑菌、,、糖尿病、心脏病及胃肠等癌症有减轻症状及治疗作用。我国是大蒜的最大生产国,年产量大约占世界总产量的1/4。近年来,大蒜越来越受国内外的广泛关注,栽种面积呈逐年上升趋势。大蒜具有不规则外型,而且在栽种过程中一般要求直立栽种,导致长期以来只能依靠人工进行栽种,劳动强度大,生产率低,生产成本大大提高,因此迫切需要开发大蒜播种机械。国外已有成型的种植机械,很好地实现了单粒精密播种,但大蒜瓣尖直立得不到有效控制。国内虽然已有一些厂家和科研机构着手研发此类产品,也取得了一定的成功,但设计都存在一定问题,影响大蒜的播种质量,亟待改进和完善。
。1.我国现在大蒜还是以手工栽种,劳动强度大,生产率低。以播种蒜瓣为例,每个成年劳动力每天仅能播种133.3m。每插播666.67m的大蒜需要付费150元,成本很高,而且在农忙季节经常出现无人可以
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雇佣的现象,导致大蒜播种面积减少。因此,实现大蒜栽种机械化成为发展大蒜产业的迫切需要。目前,国内已有研究院所和企业着手开发大蒜播种机械,而且取得了一些研究成果。根据查阅有关专利文献来看,中国目前已有8种以上大蒜播种机械,但在设计上都存在一定的问题,影响大蒜的播种质量,难以大面积推广应用。
2 现有大蒜播种机械及参数统计
2.1 现有大蒜播种机械
1 大蒜播种机械国内外发展现状
1.1 国外发展现状
当前大蒜播种机械并没有统一的分类标准,而且其关键部件的设计千差万别,不利于分类。因此,本文就动力来源对其进行分类。2.1.1 人畜力提供动力
发达国家(如美国、法国等)人少地多,大蒜栽种主要采取规模化和专业化栽种,其栽种机械并不适合我国的国情。目前,国外的大蒜机械的专利技术主要集中在韩国和日本,其他国家(如美国、荷兰和法国)等也有少量专利。其中,韩国关于大蒜播种机械的专利就有16种以上,日本有8种以上。其他国家只是针
收稿日期:2008-09-8-28
基金项目:辽宁省自然科学基金项目(20052127)作者简介:郭 毅(1983-),男,辽宁大连人,硕士研究生,(E-mail)
guoyi-830512@163.com。
通讯作者:张祖立(1953-),男,辽宁大连人,教授,博士生导师,(E-mail)zhangzl@syau.edu.cn。
该种机型结构简单,价格便宜,虽然相对于人工播种效率有所提高,但并非很大,而且播种质量一般。典型机型有印度旁遮普大学研制的一种人力单行播种机(如图1所示)。该机的工作效率为3人每天可播种0.3～0.4hm,播种效果较好。
另外一种是我国新疆克孜勒苏克尔克孜自治州农机推广站研制的2DBQ—2型便携式大蒜播种播种器(如图2所示)。该机主要由排种斗、手柄、排种导管、限深挡板和鸭嘴等组成,工作效率为每人每天播种0105～0.08hm,播种过程中实现种子的调头和直立。
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2009年6月 农机化研究 第6期
该机主要是通过人手工完成调头后将种子放入导种管中;种子由导种管滑入已经由人力压入土壤中的鸭嘴中;然后,将机器上提,鸭嘴打开,蒜瓣滑下,同时周围的土壤随着鸭嘴的上提滑入种穴中,完成覆土,从而完成蒜瓣播种。该播种器播种效果较好,而且还可以播种棉花,通用性较好
。
方向控制器和播种器等构成。设计功率参数为一次完成5行播种,行距为17.5cm。该机大蒜直立率高,能满足大蒜播种要求;生产率高,日栽种大蒜为0.33～0.40hm,是人工栽种效率的25倍。该机通过取种勺旋转从种箱取种,利用刮种板刮去多余蒜瓣,实现单粒取种;然后,种子进入瓣尖控制装置;蒜瓣在瓣尖方向控制器内运动时(如蒜瓣瓣尖落入时)已经向上,蒜瓣在自重的作用下顺利通过;如蒜瓣落入时,瓣尖横着或向下,则蒜瓣经过调头器作用使蒜瓣尖向上;蒜瓣尖已向上的蒜种由导蒜管进入瓣尖直立控制管内腔经落蒜口掉进已开出的种沟中,在回土的作用下固定蒜种,瓣尖直立控制管则保证蒜种无阻碍地通过,后面的覆土器覆土,。,只能保证下落过程中,,而且直立,经蒜农使用后,反映其
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图1
入沟后直立率不高,因此该机型未能大面积推广
。
图3 荷兰DutchvallyPLMMechanicalOnion/Ggarlic
Planter
1.排种斗 2.手柄 3.排种导管 4.鸭嘴开关控制板
5.踏板 6.鸭嘴组合
图2 2DBQ-2型便携式大蒜播种播种器
2.1.2 机械提供动力
该机型通过机械对播种机具的悬挂或者半悬挂进行播种,一次播种数行,生产率高,并且可同时进行其他作业。在农艺学上可以有效保证大蒜栽种的要求,栽种效果较好。
典型的机型有荷兰Dutchvally公司的12行大蒜
播种机(如图3所示),结构非常精巧,采用半悬挂系统,地轮提供动力,工作性能良好,但价格昂贵,不能在我国大面积推广。
还有一种是由中国农业机械化科学研究院及有关单位联合研制开发的2ZDS-5型自走式大蒜栽植机(如图4所示)。该机型在设计时旨在攻克大蒜机栽时蒜种自动喂料、蒜种落下时瓣尖向上控制、栽种入土时瓣尖直立控制以及落种过程中防堵与防损伤等技术难点。它主要由机架、动力源(柴油机或汽油机)、行走轮系、传动机构、离合器、排种器、大蒜瓣尖
图4 2ZDS-5型自走式大蒜栽植机
2.2 大蒜播种机械的参数统计
为了设计出适合大蒜栽种农艺要求的大蒜播种机械,有必要对国内现有专利产品的技术做全面的了解。目前,国内主要的几种大蒜播种机械的参数统计如表1所示。
表1数据说明,现有的播种机械在播种均匀性上较差,播深不稳定,不易控制,蒜瓣方向控制技术没有得到解决,其播种不能适应不同地区或不同种类蒜种
2009年6月 农机化研究 第6期
的播种要求,且实际应用中工作状况不能达到要求,
专利名称
发明人
播种行数/行配套动力
531662
不能大面积推广。
蒜瓣方向控制栽种方式播深均匀性覆土器
有无无手动控制无无
锄产式开沟锄产式开沟锄产式开沟插穴锄产式开沟锄产式开沟
一般一般不稳定一般一般一般
有有有无无无
地轮橡胶轮胎橡胶轮胎钢轮带凸边钢轮凹形铁轮凹形铁轮
导向轮限深轮兼导向轮有无无无无
表1 国内大蒜机械参数表排种器转勺式排种器带有种穴的传送带水平圆盘式排种器转桶式分种器窝眼轮式带有种穴的传送带
2ZDS-5大蒜中国农业机械柴油或者汽油机人畜力人力机动车辆机动车辆机动车辆
播种机科学研究院
大蒜播种机杨国立杨吉宽大蒜播种机大蒜播种机大蒜播种机大蒜栽种机
韩效孟王连增楮洪柱孙怀宝
2.3 大蒜排种器
由于大蒜不规则的外形,而且在播种过程中要求单粒精密播种,所以排种器的设计成为难点。查阅现有成型的国外大蒜播种器发现,其排种机械主要有3种:一是勺链式排种器;二是转勺式排种器;式排种器,如图5所示,型的取种器,动,使蒜瓣一粒粒通过排种管,完成单粒排种。该种设备已经在韩国一项专利中得到应用,改成机械式凸轮机构振动排种
。
3 结语
,说明了发展。通过动力来源进行分类介、实际工作状况和技术参数,发现现有机械在瓣尖控制技术、播深稳定性和播种均匀性等方面都存在问题,为后续研制大蒜播种装置指明了研究方向。参考文献:
[1] 白玉成,刘赞东,狄明利.大蒜栽植机械的现状及发展趋
势探讨[J].农机化研究,2007(11):247-248.
[2] 金磊.大蒜种植机械设计[D].北京:中国农业大学,2007.[3] 海力力,沙比提,刘占京.2DBQ-2型便携式人工大蒜播
种器[J].新疆农机化,2004(1):24.
[4] 翟力欣,何瑞银,价海明.我国大蒜机械化播种的现状及
前景分析[J].陕西农业科学,2007(2):124-125.
1.勺链式排种器 2.转勺式排种器 3.振动式排种器
[5] 许磊.大蒜的营养价值和食疗保健[J].上海蔬菜,2005
(5):94-95.
图5 3种排种器
ThePresentSituationoftheGarlicPlantingMachine
GuoYi,ZhangZuli,YuLiying,ZhangXudong
1
1
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(1.CollegeofEngineering,ShenyangAgriculturalUniversity,Shengyang110161,China;2.LiaoningAgriculturalCollege,Yingkou115009,China;3.LiaoningprovinceInstituteofAgriculturalMechanization,Shengyang110161,China)
Abstract:Thispaperintroducesthevalueandplantingsituationofthegarlic.
Forthegarlic’sshapeandspecial
plantingway,thestudyonthegarlicplantingmachineprogressesslowlyinandoutofcountry.Fortheproductivityofmanualplantforgarlicisverylow,sothefarmersurgentlyneedanappliedgarlicplantingmachine.Itanalysesthede2velopmentsituationofgarlicplantingmachinesinandoutofcountry,classifiesthembythepower’sorigin,explainthepracticalworkingsituation;doestheparameterStat.orthepatentinexistenceinthecountry;introducesthestudysitua2tiononseedmeter.
Keywords:garlic;plantingmachine;studysituation
1 大蒜播种过程特点及机械化播种迫切性
1.1 播种过程特点
1.1.1农艺影响
大蒜鳞牙朝向，脊背朝向是大蒜播种时的两项重要农艺要求。这两项农艺条件对大蒜生产的产量，质量和收益产生比较大影响。甚至影响到种植是否成立的程度，如果大蒜播种时，鳞牙朝下比例比较大的话，这季大蒜种植基本上亏损。
大蒜播种时的其他农艺要求，如行距，株距，播种深度，播种时间等条件虽然对大蒜的产出效益影响也比较大，但这些条件很方便采用机械化方式去实现和控制。因而在机械化大蒜播种中，这不是主要影响因素。
鳞牙的朝向对大蒜的影响，主要是对蒜头重量和横径产生影响。依据普遍农户大蒜生产得到的经验及南京农业机械化研究所的研究表明(参考文章：金诚谦等 大蒜播种时鳞芽朝向对大蒜生长发育影响的试验研究，农业工程学报，2008-04)：播种时鳞芽朝下时，收获蒜头重量轻，横径小。单体与鳞牙朝上比，重量只到60%，横径只到80%（横径与大蒜价格关系是非线性关系，基本上倒立栽培产出蒜果均处于严重低价区域），倒立播种在相同条件下的产出价值仅为朝上播种产出价值的49%(相关分析见附录)。
大蒜种植时脊背朝向主要影响大蒜生长时的叶片朝向，进而影响叶片光合作用和产量。其影响的显著度不及鳞径朝向的影响，目前有这方面研究、试验及论文，但暂时没有找到。
1.1.2 劳动强度大
为保证大蒜播种时的鳞牙朝上和行株距的一致性，国内主要采用人工播种。播种时为保证鳞牙朝上，播种人员一般从蹲到跪，或者半蹲半跪的方式播种，其劳动强度可想而言。即使和其他人工作业的农作物播种比起来，其劳动强度也基本上是最大的。
1.1.3 用工集中
依据联合国统计，世界大蒜播种面积在1000万亩左右，其中中国是大蒜的主要产地，播种面积为600万亩左右。中国主要产区在山东金乡为中心，500公里范围内；大蒜播种时间主要集中在9月下旬到10月上旬；播种时由于劳动强度比较大，播种效率比较低，熟练大蒜播种人员一天仅能完成0.02hm2（0.3亩）的播种面积，一个大蒜播种季度需要几千万人天的工时。由于播种地域，时间，效率的限制，大蒜播种用工非常集中，大蒜主产区要获得播种劳力困难。
1.2 机械化播种需求迫切
中国成为大蒜的主产区，除中国部分地区大蒜个头大，质量好外，劳动力充足及成本低是一个主要因素。大蒜从播种，薄膜开口到收蒜薹、蒜苗、蒜果，每一株大蒜需要手工完成工序数5到7次，其中每一道工序，都是非常繁重的体力劳动。过去，由于中国劳动力充足，劳动力成本低，所以大蒜种植面积很大，出口量也很大。每年出口量达到200万吨以上,是中国主要的经济作物出口品种。
随着国内经济的发展，中国的劳动力正在变得不再充足，劳动力成本也正在变得越来越高，相关资料表明，从2008年到2015年，中国农业单体从业人员成本提高了3倍，新的农村体力劳动力基本上没有得到补充。这一现象逐渐使中国大蒜的生产成本快速增长。增长到一定程度，当劳动力成本到达某个临界值时，在未来十年内，大蒜将很难再在国内进行规模化生产。受到可耕种面积制约，国外不考虑农艺要求的机械化播种方式也难适应国内环境。国内一些过去的大蒜主产区，如陕西的兴平和武功，最近一些年大蒜播种面积已经大大减少，未来几年规模种植将可能会完全从该地区消失。
依据笔者山东，河南，湖北，陕西，四川等各地的调研结果，大蒜从种植到收获，单亩人工成本已经达到1200-2500元左右，而且这一成本在未来还将不断攀升；更可怕的是，在大蒜生产季节，有时候有些地区几乎找不到用工。
实现大蒜播种、收割、提薹机械化是解决这一问题关键，也是中国经济发展的必然。今天，中国粮食作物生产基本上已经完全实现了机械化，下一步在经济作物上实现机械化，是一种大势所趋。
2 国内外大蒜播种机械化情况
国外发达国家，如美国，法国，日本，西班牙等国家，在大蒜生产上基本上都实现了播种机械化。但这种机械化是受到限制的机械化，没有考虑农艺要求，无法保证鳞牙朝上。在这些国家不保证鳞牙朝上的种植是行得通的，这些国家要么可耕地面积相对宽裕，要么蒜农可以通过大蒜分级，用比较高的价格在其国内来销售这些产品，其经济效益基本上不太受到影响。
包括中国农科院在内的多家研究所，企业，农户，都在大蒜播种机械上有过尝试，开发十几种大蒜播种机产品，但受到各种技术和适应性限制，没有一种产品得到市场认可，也没有一种形成商品化广泛推广。
国外的大蒜播种机也在国内进行过市场行为，如西班牙的宝奇和法国的艾门及韩国的大蒜播种机企业等，都在国内进行试验销售，但基本上都是无果而终。新疆昭苏引进过艾门的大蒜播种机、山东莱芜引进过韩国的大蒜播种机，都没有获得农户的认可。
综合这些情况，国内基本上还没有成功的可商业化的大蒜播种机。目前以各种方式出现的大蒜播种机大致都存在着下列问题：
1 无法满足农艺要求，特别是无法满足中国特点的农艺要求。主要就是无法保证大蒜鳞
牙朝上并且直立。
2 效率限制。大蒜播种机除满足农艺要求外，还要求具有一定的效率。大蒜播种机机具复杂，成本比较高，农户采购播种自己的种植过程因为价格高而不合算；农机手购买后为大量农户服务又因为种植效率底下而不具有经济性。
3 播种机适应性差。大蒜播种机有很多适应条件，这些条件包括地域条件(影响行株距，间作等)，土壤条件（土壤湿度，颗粒大小，土壤土质是粘土还是沙土），种子(种植尺度大且分布宽，选种)，种植目的（苗蒜、果蒜、薹蒜或者混合目标），田亩条件(面积和形状)等。
3 商业化大蒜播种机实现技术
3.1 大蒜播种机技术要求
多项研究表明，适应国内大蒜种植方式，同时能进行商业推广的大蒜播种机，主要要解决下列技术问题：
1 为保证大蒜种植后鳞牙朝上，需要大蒜播种机解决以下三个关键技术问题
1 精密排种技术 2 大蒜鳞牙识别技术 3 直立播种技术 必须在每个技术环节，解决其效率问题，使大蒜播种机在其运行的各个阶段均具有2 生产效率问题 一致或者设计的效率。
3 适应性问题
必须在功能，性能上充分考虑中国大蒜播种的适应性，这些适应性包括地域条件，土壤条件，种植目标，种子状态，田亩条件等的限制。
3.2 现存大蒜播种机技术思路问题
国内外现存的大蒜播种机都存在技术思路问题，期望采用传统的农机技术，解决大蒜播种问题。在技术实现上几乎是不成立的。这些播种机也许能解决其中的一部分问题，但是实现商业化的大蒜播种机的技术问题是相互联系，因而只要有一个问题没有解决，这样的大蒜播种机就不具备市场价值。
所谓传统农机技术，就是通过一个连续的，系列化的方式和过程，对处理的目标无差异的处理。表现在大蒜播种机上，就是对每一瓣蒜瓣都通过相无差异的排种、鳞牙识别、倒向及植入。这一方法对于其他种子尺度小，分布有限，种植要求简单的播种，在实践上证明是行得通的，但对于大蒜播种这一直立度要求严格，种子形状复杂且尺寸大且差异大，分布广的种植，要想采用传统大蒜播种技术来实现，是很困难的，这点已经得到了客观的验证。采
用这种思想开发的大蒜播种机，要么无法保证播种质量（漏播和倒立数量大），效率低下，不具有实用价值；要么机构复杂、成本大、不稳定，也不具备市场推广的价值。
3.3 新型大蒜播种机的基本技术思路
现代技术的发展，为实现大蒜播种机商业化产品的提供了技术支撑。特别在播种机中运用视觉技术，工业自动控制思想，使开发具有市场价值的大蒜播种机成为可能。
1 智能思想
智能思想就是采用智能的方式，实现对大蒜的蒜种的鳞牙的方向的识别和大蒜蒜种尺度，缺陷的确定，以便后续依据这些识别的结果，决定对单粒蒜种采取的处理方式
这一思想是主要是通过视觉技术和软件技术来实现的
这一思想，可以准确确定大蒜的尺度和质量，对不符合尺度和表面质量的大蒜进行剔除，并依据大蒜鳞牙方向决定后续处理方式。
2 自动控制思想
传统的农机，在处理对象过程中是连续的，无差异化的。采用这一思想处理复杂的过程，设备必然非常复杂。自动控制思想，是将连续的过程分解成一个个独立过程，通过控制系统来保证这些过程的时序一致性。
这一思想将大大降低大蒜播种机的复杂程度，提高大蒜播种机的效率，功能完整性和机械的适应性。为商业化大蒜播种机设计提供理论支持。
实际上，实现这些思想的技术中的一部分，国内相关的高校，研究所（如青岛农业大学，南京农业机械化研究所，西北农林科技大学，山东五征集团，中国矿业大学，南京农业大学等等），基本上都进行过一些研究。进行了一些方向性的尝试。但这些单位无法在一台设备中全面解决这些技术问题。更重要的是，这些单位的尝试，在技术可实现方面欠缺比较大。所以这些单位尚未设计一个完整的，具有商业价值的大蒜播种机。至于那些注册专利和在大蒜播种机上有过实践的农户，其目标只是希望通过一些技术灵感来降低劳动强度而已，离可推广的，具有商业价值的产品，还离得太远，毕竟他们受到得限制也太大了。
3.4 新型大蒜播种机采用的技术
1 视觉技术：采用视觉技术，可以实现鳞牙朝向的识别和解决选种问题
2 机器人智能技术：采用机器人技术，可以实现排种的精确化和播种的准确化
3 材料技术：在局部上，为保证设备性能，我们采用了一些自行研制的特殊材料。 4 自动控制技术：通过自动控制技术，保证了整个大蒜播种机的协调工作。
5 软件技术：软件技术是实现自动控制的一个重要部分
6 机械技术：所有的技术，最后都通过机械技术来实现。
7 气动技术：在某些局部行为上，采用气动技术，实现排种精确化。
这些技术应用在大蒜播种机上，不仅会使我们的大蒜播种机完全实现商业价值，同时在大蒜播种机上采用这些技术，不仅在国内是领先的，在从查询相关技术专利和发表文章来看，
在国际上也是领先的。
在我们的产品中，有8项实现的技术可以申请国内外专利，其中的2项，技术难度很高，属于完全创新技术。
4 开发产品主要技术指标和适应技术限制
4.1适应的技术限制范围
1 大蒜尺寸：适应所有的大蒜尺寸，能通过选种将不符合农艺要求和设备要求的尺寸的大蒜过滤
2 行距适应性：100-200mm,适应除苗蒜播种以外的所有大蒜播种
3 株距适应性：80-200mm,适应所有目标大蒜生产的大蒜播种
4 适应间作播种
5 土壤干燥，松软，颗粒度小且大颗粒泥土分布均匀
6 适应粘土和沙土
7 适应薹蒜和果蒜及薹果兼收型种植的播种
8 播种地块必须已完成耕地
9 播种地块限制，对那种利用小块地面自产自消耗的种植方式的地块，无法适应。 10 不伤害播种的大蒜蒜瓣(大蒜蒜瓣很容易受到伤害)，采用自动化技术进行高速蒜瓣传递，很容易伤害大蒜，影响大蒜的后期出牙和生长。
4.2 主要技术指标
1 速度指标：86000瓣/小时，按亩20000颗计算，达到4.3亩/小时，在实际播种时可以超出这一速度
2 朝向及直立度，大蒜直立且直立锥角小于10度
3 单次播种行数包括4，8，12行
4 完成包括土地整理，开沟，播种，覆土，压实等播种过程
5 能完成自动选种过程，可由农户设置选择大蒜尺寸范围
6 种箱容积可一次完成播种3-5亩
7 动力：需要45马力以上动力
8 一人操作，不需要辅助人员
2015年5月农机化研究第5期
大蒜种植机械蒜瓣方向识别算法与控制系统设计
1
席东河，陆
12，32，34剑，刘志刚，汪小志，林卫国
（1．河南工业职业技术学院电子工程系，河南南阳环境与化学工程学院，南昌摘
473000；2．南昌工学院，南昌
430070）
330108；3．南昌大学
330031；4．华中农业大学工学院，武汉
要：依据小波算法理论和PLC控制技术，设计了大蒜蒜瓣方向的自动图像采集算法，并在PLC控制过程中
设置了PID控制器，开发出了一种新的大蒜种植机械蒜瓣方向识别的PLC控制系统。该系统的硬件系统采用西门子S7－300系列产品，并利用Step7进行软件编程控制。为了验证该系统的有效性和可靠性，选择了158瓣形状规则和不规则的蒜瓣进行方向调整测试。通过测试发现，该系统对形状不规则和蒜尾被遮住的蒜瓣图像也能进行自动化调整，且蒜瓣方向调整准确率都在90%以上，可以满足大蒜自动化种植的需要，为大蒜种植技术的研究提供了一种新的自动化控制方法。
关键词：PLC控制；大蒜种植；PID控制器；Step7软件；蒜瓣方向中图分类号：S237；TP399
DOI:10.13427/j.cnki.njyi.2015.05.018
文献标识码：A
文章编号：1003－188X（2015）05－0082－04
0引言【大蒜种植机械】
我国是大蒜产量大国，其种植面积和出口量都居
图像识别系统来调整蒜瓣方向，具体过程如图2所示。
世界前列。大蒜的机械化、自动化种植是大蒜生产过程中长期以来面临的难题，如果靠手工种植，劳动强度非常大，且种植质量不高，因此急需一种高效的自动化控制方案实现大蒜自动化种植。在栽植的过程中，为了提高大蒜的产量，应尽量保证大蒜的方向，使蒜种的蒜尖朝上。为此，结合小波算法实现了大蒜蒜瓣方向的自动化识别，使用PLC控制技术对自动化过程进行控制，为了提高控制的准确性，在PLC控制中使用了PID调节器，提高了蒜瓣自动化种植的水平。
Fig．1【大蒜种植机械】
图1
大蒜种植机械示意图
Schematicdiagramofgarlicplanting
machine
1PLC控制概述
最常用的是如图1大蒜种植机械的种类有很多，
所示的大蒜种植机械。该机械特定机构扶正蒜瓣，振动抖槽定向器来解决蒜瓣在输送过程中的定向问题，但是没有完全从根本上解决瓣尖朝向问题。
图1是典型的2ZDS－5型自走式大蒜栽植机，但是该机械的蒜瓣方向识别依靠单纯的机械控制，不能解决蒜瓣朝向问题。本文利用PLC控制的方式，根据
收稿日期：2014－05－18
基金项目：国家自然科学基金青年基金项目（51305152）；河南省矿山
信息化开放实验室项目（KY2012－01）
（E－mail）作者简介：席东河（1980－），男，河南南阳人，讲师，硕士，
xd212@163．com。
（E－通讯作者：刘志刚（1980－），男，湖北天门人，副教授，博士，
mail）fiberhome@126．com。
Fig．2
图2
蒜瓣方向调整PLC控制过程图
PLCcontrolchartofgarlicdirectionadjustment
利用PID控制器可以实现蒜瓣方向如图2所示，
的自动化反馈调节，系统运行的稳定性更好，控制更加精准。同时，通过比对监测值和设定值SP，使自动化控制的误差达到最小。
2蒜瓣图像自动识别PLC控制算法设计
蒜瓣方向识别的准确率是影在蒜瓣种植机械中，
响种植质量的关键因素，本文在PLC控制算法中引入PID控制器，通过不断地自动调整蒜瓣方向的准确性，
2015年5月农机化研究
pid_calcute（folatfeedback_value）｛
myPID．en=feedback_value－set_value；if（myPID．en＜=M）……
第5期
提高种植质量，一般的PID控制系统控制方程为
1
S（t）=Kp［e（t）+
Ti
∫e（t）dt+T
1
d
de（t）
］（1）dt
S（t）是系统的输出数值，e（t）是系统输出其中，
Kp是比例调节系数，Ti是时间积值和设定值的偏差，
Td是时间微分系数。为了实现对蒜瓣方向的分系数，
PID调节控制，首先需要对蒜瓣的图像尺寸进行识别，本文利用小波算法理论首先求取图像信号的特征值，有
α=
1
Yj
n∑j=1
n
3蒜瓣方向识别PLC控制系统设计
本文利用Step7编程的方在小波算法的基础上，
Step7的开启界面如图3式对S7－300进行编程控制，
（2）
左图所示，利用Step7本文设计了PID控制器的基本框架图
。
求解该图像矩阵的求解需要借助于协方差矩阵，协方差矩阵为
1
M=
n
n
∑（Yj－α）（Yj－α）
j=1
T
（3）
有利用式（4）对蒜瓣尺寸的特征值进行求解，
Mrj=λrj
a
a
（4）
根据蒜瓣头部尺寸值来检验求解的特征尺寸，有
λj/n∑λj≥P∑j=1j=1
（5）
根据蒜瓣图像尺寸特征值可以有效识别蒜瓣的方向，蒜瓣头部的特征尺寸要明显高于尾部。因此，可以利用最大特征值对蒜瓣方向进行识别，并利用PID控制器不断调整识别结果。【大蒜种植机械】
表1
Table1
PID功能编号
12345
PID主要控制函数ThemaincontrolfunctionofPIDPID控制功能比例项选择积分项选择比例增益积分初始化积分保持
控制函数P_SELI_SELGAINI_ITL_ONINT_HOLD
Fig．3
图3
PLC编程控制框架图
ThecontrolframeworkofPLCprogramming
PLC的控制过程采用ADC0832串口转换器，在ADC0832停止工作时，CS输入高电平，这时控制芯片是被禁用的。利用DI输入数据信号，利用DO输出数据信号，实现图像模拟信号和数字控制信号的转变。
根据实际大蒜种植的需要，在市场上随机选取了15个蒜头，蒜瓣总数为158个作为实验对象，对其尺寸进行测量得到了如表2所示的大蒜测量结果。根据测量结果，本选择拍摄图像的面积为6cm×6cm，像素为280×280。
表2Table2
参数长/mm宽/mm高/mm质量/g
个数158158158158
大蒜选取参数测量Garlicparametersmeasurement
平均值32．3218．9823．217．52
最大值38．6224．1226．179．28
最小值28．5315．2318．355．18
表1表示本文在PID调节器中使用的主要功能函数，其比例项和积分项分别通过P_SEL和I_SEL来实现。本文使用私服电机PWM对蒜瓣识别控制系统进行设计，实现装置的自动控制功能，其中使用的主要控制程序如下：
#definePWM_FＲEQ1#definePWM_STOP0#defineESC_KEY0X1FstructPID｛floatKp；……｝
2015年5月农机化研究第5期
根据拍摄的图像，利用MatLab软件对图像进行处理，利用小波算法实现了蒜瓣特征尺寸的识别和过滤，并在XY平面内绘制的大蒜的边界轮廓。由图4可以看出，蒜瓣的蒜头弦长值明显小于蒜尾，因此可以利用弦长的数值来自动识别蒜瓣的方向
。
识别率高，识别率都在90%以上。由测试的综合结果可以看出，蒜瓣方向的调整准确率在90%以上，可以满足大蒜种植的需要，为大蒜种植自动化研究提供了技术支持
。
图5
Fig．5Table3
表3
大蒜蒜瓣方向调整结果图
Ｒesultsfigureofdirectionadjustmentofgarliccloves
大蒜机械方向识别系统测试结果
Testresultsofdirectionrecognitionsystemofgarlicmachine
图像总数1586890
正确调整个数
1476582
调整准确率
/%93．0495．5991．11
测试项目综合值规则形状不规则形状
4结论
建立了蒜瓣方向识别的小波图像处理算法，并利
用PLC控制技术设计了蒜瓣方向调整的自动化控制
图4
Fig．4
原始图像边界对应的弯曲度值
系统，在控制系统中加入了PID调节器，提高了系统自动化控制的准确性。
利用西门子S7－300设计了系统的硬件部分，软件部分采用Step7进行编程控制。为了验证系统的有效性和可靠性，在市场上随机选取了158瓣蒜瓣进行方向识别测试。
通过对系统的测试发现，该系统对蒜瓣方向识别的适应性较好，可以识别不规则或者部分形状被遮住的蒜瓣，方向调整的准确度都在90%以上。该研究为蒜瓣种植自动化精准程度控制的研究提供了理论参考。
Thebendingdegreethatoriginalimageboundarycorrespondsto
图5表示利用PLC蒜瓣方向控制系统对蒜瓣方向的调整结果。为了验证系统的可靠性，本文对形状不规则的蒜瓣以及蒜尾被遮住的蒜瓣图像进行自动化调整试验，发现当瓣尖被极度弯曲时，该系统依然能够正确地调整蒜瓣的种植方向，并且当蒜尾部分被部分遮住时，也能够正确调整。
表3表示大蒜机械方向识别的测试结果，其测试的主要蒜瓣类型为规则形状和不规则形状两种。通过测试发现，蒜瓣规则形状要比不规则形状方向的准确
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农机化研究第5期
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AlgorithmandControlSystemDesignonGarlicDirectionIdentificationof
GarlicPlantingMachine
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XiDonghe1，LuJian1，LiuZhigang2，，WangXiaozhi2，，LinWeiguo4
（1．DepartmentofElectronicEngineering，HenanPolytechnicInstitute，Nanyang473000，China；2．SchoolofEnviron-ment＆ChemicalEngineering，NanchangUniversity，Nanchang330108，China；3．NanchangInstituteofScience＆Technology，Nanchang330031，China；4．CollegeofEngineeringTechnology，HuazhongAgriculturalUniversity，Wuhan430070，China）
Abstract：BasedonwavelettheoryandPLCcontroltechnology，thispaperdesignedautomaticimageacquisitionalgo-rithm，andsetPIDcontrollersettingsinPLCcontrolprocess，developedanewPLCcontrolsystemofgarlicdirectioniden-tificationofgarlicplantingmachine．UsingSiemensS7－300seriesproductsashardwaresystem，itusedStep7topro-gramandcontrolthesystem．Inordertoverifythevalidityandreliabilityofthesystem，itchose158petalregularandir-regularshapegarlictoresearchondirectionadjustmentandtest．Thetestshowedthatthesystemcanalsoautomaticallyadjustirregularshapeandgarlicclovetailwithobscuredimage，andthegarlicdirectionadjustmentaccuracyisabove90%bythetestresults．Itcanmeettheneedofgarlicplantingautomation，andprovidesanewautomaticcontrolmethodforthestudyofgarlicplantingtechnology．
Keywords：PLCcontrol；garlicplanting；PIDcontroller；S7－300；Step7；garlicdirection