基于信號(hào)白噪聲處理的玉米精密排種器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

王風(fēng)燕，方華麗，劉志剛

(1.河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽　473000；2.南昌工學(xué)院，南昌　330108；3.南昌大學(xué)，南昌　330031 )

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基于信號(hào)白噪聲處理的玉米精密排種器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

王風(fēng)燕1，方華麗1，劉志剛2,3

(1.河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽473000；2.南昌工學(xué)院，南昌330108；3.南昌大學(xué)，南昌330031 )

摘要：為了提高玉米播種的合格率，降低單粒率、重播率和和漏播率，對(duì)玉米播種機(jī)的排種器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并采用圖像白噪聲處理，提出了圓盤精密排種器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法。在排種器圓盤傾斜角度的設(shè)計(jì)優(yōu)化過程中，為了提高玉米種子尺寸結(jié)構(gòu)圖像信號(hào)采集的準(zhǔn)確度，引入了一種白噪聲信號(hào)處理的傾斜角度和理論計(jì)算值進(jìn)行結(jié)合，優(yōu)化了排種器的結(jié)構(gòu)。為了測(cè)試該方法的有效性和可靠性，對(duì)排種器的播種性能進(jìn)行了測(cè)試，通過測(cè)試發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)后的排種器在單粒率、重播率和漏播率性能上都優(yōu)于普通方法設(shè)計(jì)的排種器，提高了玉米播種機(jī)的播種效果。

關(guān)鍵詞：玉米播種；圓盤結(jié)構(gòu)；傾斜角；白噪聲；排種器；合格率

0引言

近年來，精密播種已經(jīng)成為現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)技術(shù)發(fā)展的重要方向之一，精密排種器則是實(shí)現(xiàn)精密播種的核心部件。排種精度及均勻性是衡量排種器工作性能的重要指標(biāo)，提高排種精度及均勻性可以抑制雜草、減少種內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)、增加產(chǎn)量。玉米種子的結(jié)構(gòu)尺寸較小，對(duì)播種機(jī)的排種器精度要求較高，其關(guān)鍵因素在于傾斜角度的設(shè)計(jì)。據(jù)此，通過力學(xué)分析和種子結(jié)構(gòu)尺寸結(jié)合，對(duì)傾斜角度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。為了準(zhǔn)確地提取玉米圖像種子的信號(hào)，利用EEMD中對(duì)信號(hào)加白噪聲和EMD中的篩選思想來進(jìn)行，降低了玉米種子圖像采集和篩選的誤差。最后，對(duì)裝置進(jìn)行了測(cè)試，得到了比較理想的播種效果。

1玉米精密排種器總體設(shè)計(jì)

當(dāng)播種機(jī)的速度和播種的粒距確定后，排種器圓盤上的孔數(shù)和轉(zhuǎn)速成一定的比例，孔數(shù)越少，要求圓盤的轉(zhuǎn)速越高，因此孔數(shù)的多少是排種器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素之一。除了孔數(shù)的設(shè)計(jì)之外，另外一個(gè)比較重要的設(shè)計(jì)關(guān)鍵是傾斜角度的設(shè)計(jì)，傾斜角度會(huì)影響清種和排種的質(zhì)量，只有優(yōu)化好傾斜角度，才能提高玉米精密排種器的播種精度。圓盤式玉米排種器的結(jié)構(gòu)如圖1所示；總體設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

圖1　圓盤式玉米排種器結(jié)構(gòu)示意圖

圖2　排種器總體設(shè)計(jì)框圖

排種器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括孔數(shù)設(shè)計(jì)和傾斜角度設(shè)計(jì)。其主要過程分為3部分：首先是排種器結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析，通過力學(xué)分析得到理論的傾斜角度；然后利用白噪聲方法對(duì)玉米種子圖像信號(hào)進(jìn)行處理，將得到的數(shù)據(jù)和理論計(jì)算數(shù)值對(duì)比，優(yōu)化圓盤傾斜角度；最后對(duì)排種器結(jié)構(gòu)性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，得到排種器優(yōu)化效果，完成排種器的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2精密玉米排種器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化

2.1排種器結(jié)構(gòu)受力分析

本文以玉米播種機(jī)圓盤式播種器為例，對(duì)播種器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。圓盤式精密排種器主要包括動(dòng)盤、定盤、推刮種器、主軸、錐齒輪、底座和輸種管等，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1.種箱　2.隔套　3.主軸　4.動(dòng)盤　5.底座

玉米排種器在排種的過程中型孔會(huì)發(fā)生堵塞，為了防止這種情況的發(fā)生，在投種器上需要增設(shè)護(hù)種器。在投種的過程中，為了使種子能夠順利的脫離投種器，降低種子的損失，將投種器的形狀優(yōu)化成半圓形，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

1.護(hù)種盒　2.彈簧　3.彈簧鋼片　4.投種器

為了使排種器便于清種，在設(shè)計(jì)的過程中，將排種器和水平面呈現(xiàn)一定的角度。但是，傾斜角度不能過大，過大會(huì)造成種子的堆積和傷種；傾角過小會(huì)造成清種效果不好。因此，首先要對(duì)種子的受力進(jìn)行分析，種子在投種器中的受力如圖5所示。

圖5　種子受力分析圖

考慮到種子充入型孔的極限情況，根據(jù)力學(xué)平衡原理，可以得到

(1)

其中，N表示種子獲得的支持力；ω表示排種器的角速度；R表示排種器圓盤的直徑；α表示排種器的傾斜角度；f表示種子與排種器壁的摩擦因數(shù)。根據(jù)這些參數(shù)可以對(duì)清種過程的受力進(jìn)行剖析，如圖6所示。

圖6　清種過程受力分析示意圖

為了優(yōu)化結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，在孔的兩側(cè)增設(shè)了導(dǎo)種槽，提高了充種和清種的效果，降低了清種器對(duì)種子的沖擊。對(duì)其進(jìn)行力學(xué)分析，可以得到

(2)

其中，N1為種子1對(duì)種子2的力；N2為導(dǎo)種槽斜面對(duì)種子2的力；f1為種子之間的摩擦因數(shù)；f2為種子與動(dòng)盤間的摩擦因數(shù)；β導(dǎo)種槽斜面與動(dòng)盤底面的夾角；F為清種力；r為種子半徑；h為清種力F與種子圓心垂直距離。

考慮到種子被清出的極限情況以及尺寸關(guān)系，有

N2=0

(3)

h=2rsinβ-r

(4)

由式( 3) 、式( 4) 、式( 5) 聯(lián)立，得

(5)

其中，f1可以通過實(shí)驗(yàn)測(cè)得，通過計(jì)算可以得到傾角β的理論值；但是，還需要和實(shí)際種子的結(jié)構(gòu)和尺寸相結(jié)合，才能設(shè)計(jì)出排種器圓盤最佳的清晰角度。

2.2基于玉米種子圖像的傾角優(yōu)化設(shè)計(jì)

為了優(yōu)化排種器圓盤的傾斜角度，需要根據(jù)玉米種子的實(shí)際結(jié)構(gòu)和尺寸，對(duì)排種器的傾角進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。但是，由于種子數(shù)量比較大，在對(duì)種子圖像采集的過程中，會(huì)存在較大的誤差，本文采用將圖像信號(hào)加入白噪聲的方法，對(duì)信號(hào)進(jìn)行增強(qiáng)提取。當(dāng)在信號(hào)中加入白噪聲后，將使信號(hào)在不同尺度上具有聯(lián)系性，以減小EMD分解過程中遇到的模態(tài)混疊。

為了準(zhǔn)確地提取玉米圖像種子的信號(hào)，利用EEMD中對(duì)信號(hào)加白噪聲和EMD中的篩選思想來進(jìn)行，步驟如下：

1)確定信號(hào)xi(t)所有的局部極值點(diǎn)；

2)在所有的局部極值點(diǎn)中選擇滿足頻率確知信號(hào)極值點(diǎn)間隔且幅度較大的極值點(diǎn)；

3)用插值的方法構(gòu)造xi(t)的上下包絡(luò)，并利用上下包絡(luò)求出平均包絡(luò)mi(t)；

4)加入具有均值為0，方差為常數(shù)的白噪聲ni(t)，重復(fù)步驟1)、2)、3)，將每次得到的mi(t)加起來，平均后得到頻率確知信號(hào)。同樣，把上述方法用于提取x(t)，結(jié)果如圖7所示。

由圖7可以看出：利用噪聲下頻率確知信號(hào)提取方法提取出來的信號(hào)更接近頻率確知玉米種子圖像信號(hào)，其最終結(jié)構(gòu)形式如圖8所示。

在提取玉米種子圖像信號(hào)對(duì)引入輔助白噪聲能較好地定位圖像信號(hào)的極值點(diǎn)，通過對(duì)圖像的處理可以對(duì)排種器的傾角進(jìn)行優(yōu)化，如圖9所示。

圖7　提取出來的信號(hào)與頻率確知信號(hào)

圖8　種子掃描處理圖

圖9　圓盤傾斜角優(yōu)化

3精密玉米排種器性能測(cè)試

目前，播種機(jī)的性能測(cè)試主要使用田間測(cè)量的方法，但對(duì)于小顆粒種子不適用。這是因?yàn)樾☆w粒落到田地間不容易被發(fā)現(xiàn)和定位，嚴(yán)重地影響測(cè)試的精度；同時(shí)還受到各種因素的影響，測(cè)試的精確度不高。本文將排種器的性能測(cè)試放在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要使用光電檢測(cè)方法和人工檢測(cè)方法，通過兩種方法的綜合使用，提高測(cè)試的精確度。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖10所示。

1.油泵　2.粘帶　3.噴油嘴　4.精密排種器

試驗(yàn)臺(tái)主要由粘帶、供油系統(tǒng)、精密排種器及高速攝像系統(tǒng)等組成。試驗(yàn)所用玉米種子為農(nóng)大 108、登海 1568、莘州158，所用填充劑為膨潤土，首先對(duì)傳統(tǒng)的裝置進(jìn)行測(cè)試，得到了如圖11所示的測(cè)試結(jié)果。

圖11　播種期性能指標(biāo)圖

由圖11可知：在排種盤轉(zhuǎn)速為8 r/min 時(shí)，排種器的合格率最高 87.5%，重播率7.5%，漏播率 5%。改進(jìn)前的裝置存在較大的播種誤差，通過信號(hào)白噪聲方法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化后，通過測(cè)試得到了表1所示的測(cè)試結(jié)果。

表1　排種器播種性能指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

由測(cè)試結(jié)果可以看出：與傳統(tǒng)的玉米排種器相比，該排種器從單粒指數(shù)、漏播指數(shù)、重播指數(shù)3重指標(biāo)都有不同程度的降低，從而驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的精密排種器的可靠性。

4結(jié)論

對(duì)玉米播種機(jī)的圓盤式玉米排種器進(jìn)行了結(jié)構(gòu)和力學(xué)分析，通過分析發(fā)現(xiàn)：影響排種精度的主要因素是圓盤傾斜角度，并通過理論計(jì)算，得到了傾斜角度的初始值。為了進(jìn)一步優(yōu)化排種器尺寸和結(jié)構(gòu)，將力學(xué)分析和種子結(jié)構(gòu)尺寸相結(jié)合，對(duì)傾斜角度進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。為了準(zhǔn)確地提取玉米圖像種子的信號(hào)，利用EEMD中對(duì)信號(hào)加白噪聲和EMD中的篩選思想來進(jìn)行，降低了玉米種子圖像采集和篩選的誤差。對(duì)裝置進(jìn)行了測(cè)試表明：改進(jìn)后的排種器在單粒率、重播率和和漏播率性能上都比普通方法設(shè)計(jì)的排種器精度高，得到了理想的播種效果。

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Structure Optimization Design of Corn Precision Metering Device Based on White Noise Signal Processing

Wang Fengyan1, Fang Huali1, Liu Zhigang2,3

(1.Henan Polytechnic Institute, Nanyang 473000,China; 2.Nanchang Institute of Science & Technology, Nanchang 330108,China; 3.Nanchang University,Nanchang 330031,China)

Abstract：In order to improve the qualified rate of corn seed, decrease the rate of single grain rate, replay and and sowing rate, leakage of corn seeder metering device structure has been optimized design, white noise and using image processing methods, the proposed plate precision metering device structure optimization method.In the design of the metering device disk tilt angle optimization process, in order to enhance the accuracy of maize seed size structure image signal acquisition, the introduction of a white noise signal processing angle is combined with the theoretical calculation value, optimization of the structure. In order to test the validity and reliability of this method on the planting of performance were tested, by testing found that the improved seed metering device in a single grain rate, and leakage and sowing HFM can replay rate than the general design method of high precision metering device, improve the effect of planting corn seeder.

Key words：corn planting; disc structure; slope angle; white noise; metering device; the qualified rate

文章編號(hào)：1003-188X(2016)07-0030-05

中圖分類號(hào)：S223.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：王風(fēng)燕(1981-)，女，河南南陽人，講師，碩士。通訊作者：劉志剛(1980-)，男，湖北天門人，副教授，博士， (E-mail)fiberhome@126.com。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目(51305152)

收稿日期：2015-05-04