Modelling and optimisation of no-till seeder dynamics for precise seeding depth

Abstract

Achieving better seeding depth consistency in no-till seeding is a critical performance metric of the seeding machine and is of great importance due to its profound effect on reliable seed germination and seedling emergence resulting in a yield increase. Growing implementation of no-tillage in big size farms requires high-capacity seeding machines with increased operation speed and working width. Thus, the increased capacity of the seeding machine as well as harsh soil conditions like the surface undulations and the presence of previous crop residues make the desired working quality of no-till seeders challenging for both designers and manufacturers. The aim of this cumulative dissertation was to optimise a no-till seeder dynamics in terms of vertical motion stability for better seed placement under realistic high-capacity performance. To fulfil this aim, an approach to achieve the desired dynamic behaviour of the seeder was carried out based on three phases: (1) evaluation of the seeder dynamic performance by defining the relationship between the seeder dynamics and the corresponding seeding depth variation, (2) modelling and simulation of the seeding assembly motion dynamics to specify a control system (e.g. MR damper system) for dynamics improvement, (3) implementation of the defined system into the seeding assembly and testing of the new seeding assembly prototype. The present work was the first approach to optimise the dynamic motion behaviour of a no-till seeder by implementing an MR damper system into its seeding assembly for better seed placement under realistic high-capacity working conditions. The AMAZONEN no-till direct seeder was an ideal candidate for this investigation as it contains 12 identical tine type seeding assemblies where the operating depth is defined by the position of the packer wheel. Under working conditions, the maximum width is 3 m resulted from the inter-row distance of 0.25 m between the seeding assemblies. The seeding assemblies are provided with downforces using a hydraulic cylinder in order to keep the packer wheel of the assemblies on the ground and to maintain a consistent seeding depth during seeding operation. Concurrent and geo-referenced sensor data made it possible to acquire the dynamics parameters of the seeder and the corresponding soil surface profiles (the point where the packer wheel touches the ground). This together with the measured 3D geo-referenced position of the seeds gave the opportunity to define the reason of high variations in seeding depth. A sensor-frame was developed, utilising up-to-date sensor technology, to capture the seeder dynamics and to determine the corresponding soil surface profile. A combination of strains recorded at the three corresponding points of the seeding assembly using linear strain gauges was employed to calculate the vertical forces, draught forces and the profile impact forces. A new methodology was introduced to extract the absolute seeding depth from the combination of the determined surface profile and the measured 3D position of the seeds in absolute coordinates. Geo-referenced coordinates of seed positions in combination with geo-referenced surface profile and machine dynamics parameters, offered the possibility to define the reason of seeding depth variation. To do that, the relation between the forces (i.e. vertical and profile impact forces) and the variation of seeding depth was defined by correlating the spatial frequency contents of each dataset. An investigation of the seeder dynamics was carried out by modelling and simulating its performance based on measured data (e.g. determined surface profile and vertical forces) to define a system that can reduce the effect of the forces for better seed placement in no-till seeding. The seeding assembly together with and without a MR (magnetorheological) damper system, which was considered to be located in-between the coulter and the packer wheel, was introduced as a semi-active and passive system. Furthermore, three hysteresis models, such as Bingham, Dahl and Bounc-Wen model, were applied for the semi-active MR damper system behaviour. Among the models, the Bouc-Wen model demonstrated more significant improvements over the passive system model. Analysis of the performance of the semi-active MR damper implemented seeding assembly against the passive system proved the vertical motion dynamics of the assembly, in terms of vertical displacements (52.3%) and its affecting forces (54.1%) to be optimised for better seed placement. Testing the performance of the MR damper implemented seeding assembly compared with that of the original seeding assembly confirmed the potential of the MR damper implemented seeding assembly. The dynamics of the seeding assembly with the MR damper depicted a reduction of 67.69% in the amplitude of the impact forces compared to the original seeding assembly. Consequently, the improvement in the dynamics resulted in better seed placement. The variation of the damped seeding depth, as it was the performance of the seeding assembly with the MR damper, compared to the target seeding depth resulted in an absolute error of 11.9 mm for 95% of its samples, which is considerably less than the error with a value of 21.3 mm for the seeding depth variation resulted from the original seeding assembly. By designing the seeding assembly with the MR damper system, the dynamics of seeding machine can be significantly optimized for better seeding depth consistency.

Das Erreichen einer gleichmäßigen Saattiefe ist bei der Direktsaat eine kritische Leistungsmetrik der Sämaschine und ist von großer Bedeutung für eine zuverlässige Keimung und ein gleichmäßiges Auflaufen des Saatgutes und der daraus resultierenden Ertragssteigerung. Die wachsende Implementierung von Nicht-Bodenbearbeitung in großen Betrieben erfordert Hochleistungs-Sämaschinen mit erhöhter Arbeitsgeschwindigkeit und großer Arbeitsbreite. So sorgen die erhöhte Kapazität der Sämaschine sowie harte Bodenbedingungen wie Oberflächenunebenheiten und das Vorhandensein von Ernterückständen dafür, dass die gewünschte Arbeitsqualität der Direktsaatmaschinen sowohl für die Konstrukteure als auch für die Hersteller eine Herausforderung darstellt. Das Ziel dieser kumulativen Dissertation war die Optimierung einer Direktsaat-Dynamik in Bezug auf die vertikale Bewegungsstabilität für eine verbesserte Saatgutplatzierung unter realistischen Bedingungen mit hoher Flächenleistung. Um dieses Ziel zu erreichen, wurde das gewünschte dynamischen Verhaltens der Sämaschine anhand von drei Phasen evaluiert: (1) Bewertung der dynamischen Leistung der Sämaschine durch definieren der Beziehung zwischen der Sämaschinendynamik und der entsprechenden Variation der Saattiefe, (2) Modellierung und Simulation der Bewegungsdynamik der Säaggregate zur Spezifizierung eines Steuersystems (z.B. MR-Dämpfersystem) zur Dynamikverbesserung, (3) Implementierung des definierten Systems in die Säaggregate und den Test des neuen Prototyps. Die vorliegende Arbeit war der erste Ansatz zur Optimierung des dynamischen Bewegungsverhaltens einer Direktsaatmaschine durch die Implementierung eines MR-Dämpfungssystems in ein Säaggregat für eine bessere Saatgutablage unter realistischen Arbeitsbedingungen mit hoher Kapazität. Die Direktsaatmaschine AMAZONE war ein idealer Kandidat für diese Untersuchung, da sie 12 identische Zinkenanbaugruppen enthält, bei denen die Arbeitstiefe durch die Position des Packerrades definiert wird. Unter Arbeitsbedingungen ist die maximale Breite 3 m, die sich aus dem Reihenabstand von 0,25 m zwischen den Säaggregaten ergibt. Die Säaggregate werden mit Hilfe eines Hydraulikzylinders mit Abtriebskräften versehen, um das Packerrad der Aggregate auf dem Boden zu halten und eine gleichbleibende Saattiefe während des Säbetriebs zu erhalten. Gleichzeitig erfasste und georeferenzierte Sensordaten ermöglichten die Erfassung der Dynamikparameter der Sämaschine und der entsprechenden Bodenoberflächenprofile (der Punkt, an dem das Packerrad den Boden berührt). Zusammen mit der gemessenen georeferenzierten 3D-Position der Samen ergab sich die Möglichkeit, die Ursachen für eine hohe Variation in der Saattiefe zu ermitteln. Es wurde ein mit modernster Sensortechnologie ausgestatteter Sensorrahmen entwickelt, um die Dynamik der Sämaschine zu erfassen und das entsprechende Bodenoberflächenprofil zu bestimmen. An drei bestimmten Punkten der Säaggregate wurde unter Verwendung von linearen Dehnungsmessstreifen Dehnungen aufgezeichnet, um die vertikalen Kräfte, Zugkräfte und die Profilaufprallkräfte zu berechnen. Eine neue Methodik wurde entwickelt, um die absolute Saattiefe aus der Kombination des ermittelten Oberflächenprofils und der gemessenen 3D-Position der Samen in absoluten Koordinaten zu extrahieren. Die georeferenzierten Koordinaten der Saatgutpositionen in Kombination mit georeferenzierten Oberflächenprofil- und Maschinendynamikparametern boten die Möglichkeit, die Ursache für die Variation der Saattiefe zu bestimmen. Um dies zu tun, wurde die Beziehung zwischen den Kräften (d.h. die vertikalen und Profilaufprallkräften) und der Variation der Saattiefe durch Korrelieren der räumlichen Frequenzinhalte eines jedes Datensatzes bestimmt. Eine Untersuchung der Sämaschinendynamik wurde durchgeführt, indem ihre Leistung basierend auf gemessenen Daten (z. B. bestimmtem Oberflächenprofil und vertikalen Kräften) modelliert und simuliert wurde, um ein System zu entwickeln, das den Einfluss der Kräfte auf die Samenplatzierung beim pfluglosen Säen verbessern kann. Das Säaggregat mit und ohne MR (magnetorheologisches) Dämpfersystem zwischen dem Säschar und dem Packerrad liegend, wurde als semiaktives und passives System eingeführt. Darüber hinaus wurden drei Hysteresemodelle wie das Bingham-, Dahl- und Bounc-Wen-Modell für das semiaktive MR-Dämpfersystemverhalten verwendet. Unter den Modellen zeigte das Bouc-Wen-Modell signifikantere Verbesserungen gegenüber dem passiven Systemmodell. Die Analyse der Leistungen der semiaktiven MR-Dämpfer-implementierten Impfanordnung gegenüber dem passiven System bewies, dass die vertikale Bewegungsdynamik in Bezug auf vertikale Fehlplatzierung des Samens (52,3%) und ihre beeinflussenden Kräfte (54,1%), um für besseres Saatgut optimiert zu werden Platzierung. Das Testen der Leistung der mit dem MR-Dämpfer implementierten Säanordnung im Vergleich zu der der ursprünglichen Säanordnung bestätigte das Potenzial der MR-Dämpfer-implementierten Säanordnung. Die Messung des Säaggregates mit dem MR-Dämpfer zeigte eine Reduzierung der Amplitude der Aufprallkräfte um 67,69% im Vergleich zur ursprünglichen Säeinheit. Folglich führte die Verbesserung der Dynamik zu einer besseren Saatgutplatzierung. Die Saattiefe, wie sie bei der Sämaschine mit dem MR-Dämpfer vorlag, wies im Vergleich zur Soll-Saattiefe bei 95% der Stichproben einen absoluten Fehler von 11,9 mm auf, der erheblich geringer ist als der absolute Fehler von 21,3 mm Saattiefe beim Vergleichsaggregat. Durch die Ausstattung der Sämaschine mit dem MR-Dämpfersystem kann die Ablagegenauigkeit in der Saattiefe signifikant optimiert werden.