基于計(jì)算機(jī)輔助的玉米芽種物理機(jī)械播種研究

李麗麗

(吉林省遼源職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，吉林 遼源 136201 )

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基于計(jì)算機(jī)輔助的玉米芽種物理機(jī)械播種研究

李麗麗

(吉林省遼源職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，吉林 遼源 136201 )

玉米是我國主要農(nóng)作物之一，其生產(chǎn)效率與生產(chǎn)質(zhì)量的好壞，直接關(guān)系著我國糧食安全。傳統(tǒng)的玉米芽種機(jī)械播種方式，生產(chǎn)成本雖低，但無法實(shí)現(xiàn)高效率全自動大面積玉米播種或者套種的實(shí)際需求。為此，采取室內(nèi)試驗(yàn)的方法，選取了我國北方某農(nóng)業(yè)大省玉米作物生產(chǎn)作物為研究對象，進(jìn)行試驗(yàn)研究?，F(xiàn)階段，關(guān)于玉米精密排種器的相關(guān)研究，集中體現(xiàn)在排種器相關(guān)物理機(jī)械性能上，包括機(jī)械的設(shè)計(jì)及機(jī)械性能的檢測等。在試驗(yàn)方法的選擇上，國內(nèi)行業(yè)內(nèi)現(xiàn)有高速攝像檢測方法、虛擬儀器檢測方法及圖像處理檢測等。本文在這里重點(diǎn)運(yùn)用了高速攝像檢測技術(shù)。

計(jì)算機(jī)輔助； 玉米； 機(jī)械； 排種器；高速攝像

0 引言

玉米芽種播種機(jī)，是一種集合了高產(chǎn)配套應(yīng)用技術(shù)的玉米機(jī)械化單粒精準(zhǔn)化芽種播種機(jī)。在傳統(tǒng)的玉米種植方式下，尤其是我國中西部地區(qū)，農(nóng)民習(xí)慣性的大把撒種、大把間苗。這種播種方式，不僅浪費(fèi)了大量的玉米種子，還加大了人力的投入，且作物生產(chǎn)和生長效率都比較低下。本文提出的玉米機(jī)械化單粒播種技術(shù)，主要是指在計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)的嵌入下，開發(fā)和利用專用播種機(jī)，最大限度地實(shí)現(xiàn)一穴一粒一苗。

1 我國玉米作物種植及產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 現(xiàn)狀概括

我國是農(nóng)業(yè)大國，玉米是我國主要農(nóng)作物之一，其種植面積和產(chǎn)量一直位居秋糧作物的首位。玉米除了供人們加工食品之外，還是家畜養(yǎng)殖重要的飼料，并且還被廣泛應(yīng)用于各工業(yè)生產(chǎn)的原料。隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、科學(xué)技術(shù)水平的進(jìn)步，我國在農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)領(lǐng)域也取得了非凡的成就。近幾年，我國玉米無論是播種面積還是總產(chǎn)量，都在逐年增加，并且在所有糧食農(nóng)作物總產(chǎn)量中所占比重也在逐年增大。2010-2014年我國玉米及糧食作物面積及總面積及總產(chǎn)量，如表1所示。

表1 2010-2014年我國玉米與糧食作物播種面積及總產(chǎn)量

對于農(nóng)業(yè)機(jī)械研發(fā)來說，對其進(jìn)行物理樣機(jī)試驗(yàn)是非常重要的一個環(huán)節(jié)，同時也是必不可少的一個環(huán)節(jié)。根據(jù)以往我國在該領(lǐng)域的研究及相關(guān)技術(shù)的研發(fā)進(jìn)展來看，通常的物理樣機(jī)試驗(yàn)主要分為兩種形式：一是田間試驗(yàn)，二是室內(nèi)試驗(yàn)。與傳統(tǒng)的物理機(jī)械播種試驗(yàn)有所不同，由于充分考慮到傳統(tǒng)的田間試驗(yàn)存在自然條件難以控制等因素，包括像人工控制、勞動量、成本費(fèi)用等方面，都存在較大的不可控性，所以本文在這里主要采取室內(nèi)試驗(yàn)的方式來進(jìn)行。當(dāng)然，在試驗(yàn)的過程中，會綜合考慮到田間試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)的優(yōu)缺點(diǎn)。

1.2 實(shí)踐探索

計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)嵌入下的高產(chǎn)玉米芽種單粒機(jī)械化播種技術(shù)，是精密播種技術(shù)的一種細(xì)分。近些年來，隨著精密播種技術(shù)的迅猛發(fā)展，其應(yīng)用范圍也是越來越廣泛。在我國南方地區(qū)，特別是在江蘇、浙江、上海、福建等地，水稻等糧食作物生產(chǎn)及種子播種環(huán)節(jié)，均采用了精密播種技術(shù)。相比較于東部沿海農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展水平較高的地區(qū)，我國中部和西南、西北地區(qū)則凸顯的相對比較落后。本試驗(yàn)研究，主要采取室內(nèi)試驗(yàn)的方法，選取了我國北方某農(nóng)業(yè)大省玉米作物生產(chǎn)作物為研究對象。

1.3 虛擬設(shè)計(jì)過程

虛擬設(shè)計(jì)過程如圖1所示。

圖1 虛擬設(shè)計(jì)過程

2 計(jì)算機(jī)輔助下的玉米芽種物理播種裝置機(jī)理

首先，在玉米植質(zhì)缽育秧盤設(shè)計(jì)層面上，主要選用的是秸稈、土和膠等相關(guān)原料，然后再通過高溫高溫飽和蒸汽熏蒸滅菌固化技術(shù)制備而成，如圖2所示。

圖2 玉米芽種植質(zhì)缽育秧盤結(jié)構(gòu)剖面圖

其長寬高分為 276.5cm×42cm×35cm 。

玉米芽種物理(精量)播種裝置的設(shè)計(jì)及相應(yīng)工作原理，如圖3所示。其所呈現(xiàn)的玉米芽種排種器類型為機(jī)械轉(zhuǎn)板式。

玉米排種相關(guān)部件的工作原理設(shè)計(jì)與裝置，如圖4所示。其結(jié)構(gòu)主要由種箱、刷種輪、型孔板、轉(zhuǎn)板等零部件共同組裝而成。

3 玉米芽種物理機(jī)械播種試驗(yàn)

以組合內(nèi)窩孔玉米精密排種器作為試驗(yàn)對象，并選取了平安18、吉峰218、長單228不同的玉米芽種來作為此次室內(nèi)試驗(yàn)研究觀察的主要材料樣本。本次試驗(yàn)所使用到的玉米芽種排種機(jī)器，為PSJ排種器性能試驗(yàn)臺，并利用高速攝像技術(shù)，采用高速CCD攝像機(jī)，來對玉米芽種的運(yùn)動狀態(tài)進(jìn)行實(shí)施攝像與監(jiān)測，主要拍攝與監(jiān)測范圍為玉米芽種在排種器內(nèi)的運(yùn)動過程。最后，再根據(jù)高速攝像所獲取到的圖片信息來進(jìn)一步檢測與分析出排種器的性能指標(biāo)。

1.臺面 2.推盤調(diào)節(jié)控制設(shè)備 3.推盤器 4.底土箱 5.壓實(shí)輪 6.種箱 7.表土箱 8.刮土器 9.輥輪 10.機(jī)架 11.連桿機(jī)構(gòu) 12.型孔板 13.電機(jī) 14.開關(guān)控制 15.變頻控制柜 16.高速攝像機(jī) 17.導(dǎo)向桿

圖3 玉米芽種植質(zhì)缽育秧盤排種裝置基本結(jié)構(gòu)示意圖

1.刷種輪 2.型孔板 3.轉(zhuǎn)板 4.植質(zhì)缽育秧盤 5.輥輪 6.連接板 7.拉桿 8.玉米種 9.種箱裝置

3.1 試驗(yàn)設(shè)備、儀器

本次試驗(yàn)使用到的機(jī)械設(shè)備與儀器，除了機(jī)械設(shè)計(jì)所使用到的精密排種器之外，還包括有高速攝像系統(tǒng)及PSJ排種器性能試驗(yàn)臺(見圖5)等。除此之外，還包括一些輔助性質(zhì)的工具，如黃油材料及光源設(shè)備等。

由于受到一定條件的限制，此次試驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)際機(jī)械設(shè)計(jì)效果存在一定的出入，但是總體上不影響對試驗(yàn)結(jié)果的判斷。

圖5 室內(nèi)試驗(yàn)使用到的PSJ排種器性能試驗(yàn)臺

圖5為玉米芽種物理機(jī)械播種室內(nèi)試驗(yàn)PSJ排種器性能試驗(yàn)臺，為當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)部門實(shí)驗(yàn)室所有，是近兩年最新的專門用于機(jī)械性能檢測與研究的最新技術(shù)設(shè)備，其性能良好。本次試驗(yàn)使用的PSJ排種器性能試驗(yàn)臺，包括5部分，分別是電子控制柜、氣力系統(tǒng)、土槽、玉米種子傳送帶和試驗(yàn)臺車。

由于計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)的嵌入，有效解決了以往存在的諸多技術(shù)難點(diǎn)問題，包括像玉米芽種的圖像空間的位置及其標(biāo)定、攝像頭選位及系統(tǒng)噪聲等。本次室內(nèi)試驗(yàn)研究所使用到的高速攝像系統(tǒng)，主要由3部分組成，在系統(tǒng)內(nèi)部，CCD攝像機(jī)是整個系統(tǒng)的核心部件，除了CCD攝像機(jī)之外，另外兩部分分別為軟硬件系統(tǒng)及數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。

試驗(yàn)中，選用黃油的目的，主要是因?yàn)辄S油具有吸附玉米芽種的功能。試驗(yàn)操作的過程中，并不只是單純的使用高速攝像機(jī)來記錄玉米芽種播種機(jī)器內(nèi)種植的運(yùn)動情況，還需要將玉米種子“播種”到傳送帶上，并使用事先準(zhǔn)備好的單粒率等相應(yīng)的試驗(yàn)性能指標(biāo)來實(shí)時檢測分析。在這種情況下，將黃油涂抹在專門播種玉米芽種的傳送帶上，可以確保玉米種子被牢牢吸附在傳送帶上方，避免了其發(fā)生彈跳。光源設(shè)備是用來輔助高速攝像機(jī)的，這一點(diǎn)與實(shí)際田地播種關(guān)聯(lián)性不大，主要是因?yàn)槭覂?nèi)試驗(yàn)光線不足。

3.2 試驗(yàn)方案、步驟

傳統(tǒng)的機(jī)械式玉米芽種排種器存在兩大比較明顯的技術(shù)缺陷：一是機(jī)械作業(yè)效率較低，包括作業(yè)水準(zhǔn)與播種速度等；二是無法滿足對玉米種子尺寸的要求。在試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)上，本文在這里主要選取了3種玉米芽種，包括平安18、吉峰218、長單228 。每一種玉米芽種均進(jìn)行3次試驗(yàn)，即3次不同速度控制下的試驗(yàn)檢測，分別為26.82、39.33、51.96r/min 。

在試驗(yàn)準(zhǔn)備與操作上，需要著重注意以下事項(xiàng)：首先對排種器的外殼進(jìn)行刻度標(biāo)注，具體來說，是要在排種器上每隔一個角度，在其表面所對應(yīng)的位置處使用膠片打印出與之相吻合的刻度線。這樣做的目的是為了通過將其粘貼在排種器的外殼上，使得在試驗(yàn)玉米種子播種過程中，更加方便清楚。其次，就是使用事先準(zhǔn)備好的角鋼來將試驗(yàn)機(jī)械固定在試驗(yàn)臺車上。最后，切實(shí)做好高速攝像系統(tǒng)的連接與粗調(diào)。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

表2數(shù)據(jù)指標(biāo)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表明：① 首先，3種玉米種子，空穴率全部為零。這表明該排種器充種效果極佳，操作性能優(yōu)良。②玉米芽種播種的單粒率比較高(雙粒率為100.00%-單粒率)。除此之外，長單228玉米種子單粒例最高，在 26.82r/min 與39.33r/min 轉(zhuǎn)動速率的情況下，達(dá)到了100.00% ，形成這一情況的原因與3種子的尺寸有關(guān)系，因?yàn)殚L單228玉米種子的三維尺寸最大。③ 隨著轉(zhuǎn)機(jī)轉(zhuǎn)速的增大，單粒播種率越來越小。

4 結(jié)論

基于計(jì)算機(jī)輔助的玉米芽種物理機(jī)械播種，提出了一種玉米機(jī)械化單粒播種種植方式。通常情況下，在傳統(tǒng)玉米芽種種子過程中，由于玉米芽種發(fā)芽率在85%左右，所以為了確保每穴都能夠出苗，一般都會在每一個穴內(nèi)播種 2～4 粒不等的種子。進(jìn)行統(tǒng)計(jì)之后發(fā)現(xiàn)，每公頃田地需要玉米種子大約 45～60kg。本文重點(diǎn)研究的單粒播種技術(shù)方式，發(fā)芽率基本控制在 97% 左右，并且每畝田地玉米種子播種量僅為 8.75～22.5kg，種子量節(jié)省一大半。

表2 不同轉(zhuǎn)速下組合內(nèi)窩孔玉米排種器的排種性能指標(biāo)檢驗(yàn)結(jié)果

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Physical and Mechanical Sowing of Maize Seeds under the Application of Computer Aided Technology

Li Lili

(Jilin Province Liaoyuan Vocational Technical College，Liaoyuan 136201，China)

Corn is one of the main crops in our country, the production efficiency and the production quality is good or bad is directly related to the food security in China.Traditional maize bud mechanical seeding method, production cost is relatively low, unable to realize high efficiency automatic large area of maize seeding and interplanting of actual demand.This study,mainly to take indoor test method, selected in the north of our country agricultural big province corn crop production crop research object.At this stage,on corn precision metering device related research,embody a concentrated reflection of in a row which is related to the physical and mechanical properties, including design and testing.Relating to the performance test.The method mainly comprises a high-speed camera detection method,detection method of virtual instrument, photoelectric effect detection method, image processing method to detect and stroboscopic photography detection method or is directly observed detection.

computer aided; maize; machine; seed metering device; high speed camera

2016-04-19

吉林省教育廳項(xiàng)目(2014ZCY162)

李麗麗(1980-) 女，吉林公主嶺人，講師，工學(xué)碩士，(E-mail)lilili@qq.com。

S223.2+3

A

1003-188X(2017)05-0202-04