穴播排種器排種質(zhì)量的檢測

徐彥蘭

（山西省農(nóng)業(yè)機(jī)械化學(xué)校，山西 平遙 031101）

穴播排種器排種質(zhì)量的檢測

徐彥蘭

（山西省農(nóng)業(yè)機(jī)械化學(xué)校，山西 平遙 031101）

為開發(fā)自動化的排種器試驗(yàn)檢測系統(tǒng)，研究了基于種子坐標(biāo)檢測和平穩(wěn)隨機(jī)過程的穴播排種器排種質(zhì)量的檢測法。而平穩(wěn)隨機(jī)過程支撐的機(jī)器視覺檢測法具有較強(qiáng)的科學(xué)性和可行性，有一定理論價值和明顯的工程應(yīng)用價值，將對播種機(jī)的研發(fā)、制造、檢驗(yàn)和使用產(chǎn)生有利影響。

排種器；穴播；排種質(zhì)量

能有效準(zhǔn)確地對穴播排種器的排種質(zhì)量進(jìn)行評價是研究機(jī)器視覺檢測法的最終目的，考慮到穴播排種器型孔是按一定概率排出一定數(shù)目的種子、各個型孔等間隔排種、排種間隔只有微小隨機(jī)波動等排種機(jī)理，在種子空間運(yùn)行以及在承種帶上形成種子流過程中還存在隨機(jī)移動，建立以統(tǒng)計學(xué)為支撐的種子縱坐標(biāo)統(tǒng)計模型能夠更科學(xué)地表達(dá)種子縱坐標(biāo)形成機(jī)理，并從中可靠提取穴播排種器的排種質(zhì)量信息。

1 種子縱坐標(biāo)統(tǒng)計模型

假定固定在土槽試驗(yàn)車上的穴播排種器以速度Vm平穩(wěn)運(yùn)行，其排種盤以轉(zhuǎn)速np平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)，排種盤的型孔數(shù)為Zp，按排種順序?yàn)閰⑴c排種的每一型孔編號，稱其為型孔編號并記作k。為同一型孔排出的種子分別編號，記作i，用（i，k）標(biāo)記第k型孔第i粒種子。排種落點(diǎn)縱坐標(biāo)與期望落點(diǎn)縱坐標(biāo)（簡稱期望穴心）存在隨機(jī)偏差，且偏差愈大概率愈小，其遵循正態(tài)分布。因此，落點(diǎn)縱坐標(biāo)yik可表為下面的種子縱坐標(biāo)統(tǒng)計模型：

式中：yik為種子縱坐標(biāo)，第k型孔第i粒種子在世界坐標(biāo)系oy軸上的落點(diǎn)坐標(biāo)，cm；Xr為期望穴距，世界坐標(biāo)系oy軸上穴距的統(tǒng)計均值，cm；εik為種子縱坐標(biāo)樣本中第k型孔第i粒種子與期望穴心之間的偏差，cm；rk為型孔種子數(shù)，即第k型孔所排出的種子個數(shù)。

2 期望穴心的縱坐標(biāo)

在型孔編號已知條件下對式（1）中的種子縱坐標(biāo)yik求條件數(shù)學(xué)期望，得期望穴心縱坐標(biāo)yk如下：

由此可見，期望穴心縱坐標(biāo)是期望穴距的k整數(shù)倍。但這個縱坐標(biāo)yk還需世界坐標(biāo)系oy軸上原點(diǎn)o的定位，即oy軸上原點(diǎn)o的定位應(yīng)與穴播種子流事實(shí)上的期望穴心起點(diǎn)吻合，這樣yk對應(yīng)的落點(diǎn)才是真實(shí)的期望穴心。因此，世界坐標(biāo)系oy軸上原點(diǎn)o的定位是一個更重要的問題。

3 期望穴距的標(biāo)定

期望穴距Xr是計算期望穴心縱坐標(biāo)yk的參數(shù)，可用公式（3）標(biāo)定期望穴距Xr。

4 世界坐標(biāo)系oy軸上原點(diǎn)o的確定

按照式（1）和式（2）的定義，種子流的第1個期望穴心（k=1時的期望落點(diǎn)）與世界坐標(biāo)系oy軸上原點(diǎn)o相距一個期望穴距Xr，而對于檢測所得的種子縱坐標(biāo)樣本，坐標(biāo)起點(diǎn)是第1幀圖像底邊線所對應(yīng)的目標(biāo)區(qū)底邊線，它一般與期望穴心不吻合。

由式（1）求得種子縱坐標(biāo)樣本的一階原點(diǎn)矩如下：

式中：m1為種子縱坐標(biāo)樣本一階原點(diǎn)矩，cm；m1（r）為種子縱坐標(biāo)樣本型孔種子數(shù)一階原點(diǎn)矩。

從統(tǒng)計學(xué)的角度看式（4），當(dāng)種子縱坐標(biāo)樣本的期望穴心得到正確估計時，樣本正態(tài)隨機(jī)偏差εik的總和應(yīng)近似等于0，即下式近似成立：

由式（4）和式（5）可見，當(dāng)種子縱坐標(biāo)樣本期望穴心的估計有偏差時，由于所有期望穴心的偏差相同，所以式（5）的樣本計算結(jié)果要么大于0要么小于0。因此，考察種子縱坐標(biāo)樣本的最小值ymin，第1型孔第1粒種子的縱坐標(biāo)y11在ymin± Xr/2范圍內(nèi)變動，式（5）樣本計算結(jié)果零點(diǎn)解所對應(yīng)的y11起點(diǎn)就是世界坐標(biāo)系oy軸上原點(diǎn)o的一個合理估計。

5 未校正的型孔種子數(shù)時序樣本

世界坐標(biāo)系oy軸上原點(diǎn)o確定后，根據(jù)式（2）確定序列期望穴心縱坐標(biāo)yk，以期望穴心為中心、yk±Xr/2為區(qū)間將oy軸上穴播種子流分割成互斥無縫的N個種子流區(qū)間，稱作穴區(qū)間，變動k值并依次考察種子縱坐標(biāo)樣本的各個樣本值yik，采用下式判別一個種子是否屬于第k型孔（第k穴）：

滿足式（6）則第k型孔計數(shù)1次，第k型孔計數(shù)的種子總數(shù)為r?k。當(dāng)種子縱坐標(biāo)樣本全部判別完畢后，獲得未校正的型孔種子數(shù)時序樣本S?，可表為下面的離散序列：

上述穴播種子流分割和型孔種子數(shù)統(tǒng)計的合理性，建立在種子縱坐標(biāo)統(tǒng)計模型的統(tǒng)計學(xué)機(jī)理上，其檢測精度的不利影響達(dá)最小。

6 校正的型孔種子數(shù)時序樣本

上述型孔種子數(shù)時序樣本的樣本值還不是真實(shí)的型孔種子數(shù)，由于采用使種子重復(fù)成像的序列圖像采樣方式，每粒種子被重復(fù)成像K次（稱K為重復(fù)倍率），型孔種子數(shù)rk被放大了K倍，即存在常數(shù)序列{r?k/rk=K∣k=1，2，…，N}。考慮視覺傳感器平穩(wěn)移動和平穩(wěn)間隔采集種子流圖像，每粒種子重復(fù)成像的概率相同，故型孔種子數(shù)被放大的倍率相同，則重復(fù)倍率K的值可用下式計算：

式中：ν為目標(biāo)矩形框覆蓋種子狀態(tài)的最大縱向運(yùn)動距離，cm；tν為目標(biāo)矩形框覆蓋種子狀態(tài)的最大縱向運(yùn)動時間，s；h為目標(biāo)矩形框的高度，cm；H為圖像高度，pixel；L為種子縱向投影長度的樣本均值，cm。

用重復(fù)倍率K校正樣本S?，校正的型孔種子數(shù)時序樣本S可表為下面的離散序列：

從式（8）和式（9）可看出，型孔種子數(shù)時序樣本從未校正的樣本S?轉(zhuǎn)換到校正的樣本S，重復(fù)倍率K的計算結(jié)果會直接影響檢測誤差的大小，而圖像分辨率IR、幀率FR、排種器移動速度Vm、種子縱向投影長度的樣本均值L等4個參數(shù)決定重復(fù)倍率K值的大小，這些參數(shù)的標(biāo)定誤差會傳遞到重復(fù)倍率K。

7 型孔種子數(shù)的頻率分布統(tǒng)計

校正的型孔種子數(shù)時序樣本是對實(shí)際穴播種子流的逼近描述，是按型孔編號排列的離散序列。用r表型孔種子數(shù)，統(tǒng)計樣本中數(shù)值r的個數(shù)，稱其為r的頻數(shù)n（r），亦即相同種子數(shù)的穴數(shù)。離散序列 ｛n（r）∣r=1，2，…，rmax｝稱作型孔種子數(shù)r的頻數(shù)分布，比值n（r）/N稱作型孔種子數(shù)r的頻率，則型孔種子數(shù)的頻率分布可表為下面的離散序列：

8 穴播排種器的排種質(zhì)量估計

由式（10）獲得型孔種子數(shù)頻率分布F（N，r），它能夠精細(xì)描述排種器的排種質(zhì)量。應(yīng)用中，通常采用型孔種子數(shù)頻率乘以100的數(shù)值表達(dá)，稱作指數(shù)。對于穴播排種器，如果規(guī)定型孔種子數(shù)達(dá)2±1為合格，則定義下列描述排種質(zhì)量的指標(biāo)，其余情況可依此類推：

由式（11）、式（12）和式（13）計算表征穴播排種器排種質(zhì)量的漏播指數(shù)M、合格指數(shù)A和超播指數(shù)D三項(xiàng)指標(biāo)。

9 結(jié)語

根據(jù)穴播種子流的平穩(wěn)隨機(jī)過程特征，提出種子縱坐標(biāo)統(tǒng)計模型。依據(jù)穴播排種器的平穩(wěn)移動和平穩(wěn)間隔排種機(jī)理，提出期望穴距的實(shí)用標(biāo)定方法。最后由型孔種子數(shù)頻率分布計算穴播排種器的漏播指數(shù)、合格指數(shù)和超播指數(shù)三項(xiàng)指標(biāo)，進(jìn)而對穴播排種器的排種質(zhì)量做出評價。

［1］王玉順，司惠萍，鄭德聰，等.精密播種粒距的概率分布［J］．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2001，32（3）：40-43.

［2］盛驟，謝式千，潘承毅．概率論與數(shù)理統(tǒng)計（第三版）［M］．北京：高等教育出版社，2001.

Research on Seeding Quality of Hole Sow ing Seeding Device

XU Yan-lan
（Shanxi Agricultural Mechanization School，Pingyao，Shanxi 031101，China）

In order to develop automatic detecting system of seeding device test，the paper develops the detectingmethod of seeding quality ofhole sowing seeding device based on seed coordinate detection and stationary stochastic process.The abovemachine vision detectingmethod supported by stationary stochastic process is scientific and feasible，which has certain theoretical value and engineering application value，and will influence on development，manufacture，detection and improvement for seeding device.

seedingmachine；hole sowing；seeding quality

S223.2

A

2095-980X（2016）11-0012-02

2016-10-04

徐彥蘭（1980-），女，山西五臺人，碩士研究生，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計與試驗(yàn)的研究工作。