光電傳感器結(jié)合旋轉(zhuǎn)編碼器檢測(cè)氣吸式排種器吸種性能

賈洪雷，路 云，齊江濤※，張 哲，劉慧力，李 楊，羅曉峰

?

光電傳感器結(jié)合旋轉(zhuǎn)編碼器檢測(cè)氣吸式排種器吸種性能

賈洪雷1,2，路 云1,2，齊江濤1,2※，張 哲1,2，劉慧力1,2，李 楊1,3，羅曉峰1,2

（1. 吉林大學(xué)工程仿生教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130025；2. 吉林大學(xué)生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130025； 3. 京都大學(xué)大學(xué)院農(nóng)學(xué)研究科，京都 606-8502）

高速精密播種作業(yè)是大豆、玉米等作物播種的主要發(fā)展方向之一。該文針對(duì)高速精密播種作業(yè)中氣吸式排種器，設(shè)計(jì)了排種器吸種狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)（seed disc suction performance detection system, SDSPS），該系統(tǒng)采用凹形光電傳感器采集排種盤吸種信息、應(yīng)用光電旋轉(zhuǎn)編碼器采集排種軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度等信息，通過(guò)對(duì)光電傳感器的輸出信號(hào)和光電編碼器脈沖信號(hào)進(jìn)行處理，得到排種盤每個(gè)吸孔的吸種情況，從而進(jìn)一步獲取整個(gè)排種器的工作狀況。與排種器試驗(yàn)臺(tái)常用的圖像處理檢測(cè)系統(tǒng)（seeding detecting system based on image processing, SDSIP）在6組作業(yè)條件下進(jìn)行了試驗(yàn)臺(tái)對(duì)比試驗(yàn)，并單獨(dú)進(jìn)行了檢測(cè)單個(gè)吸孔吸種量可行性試驗(yàn)。試驗(yàn)通過(guò)檢驗(yàn)和檢驗(yàn)（=0.05）得出2種系統(tǒng)測(cè)量值總體方差相同和均值一致。精度分析結(jié)果表明SDSPS相比于SDSIP的最大相對(duì)誤差為0.31%，系統(tǒng)穩(wěn)定性分析結(jié)果表明SDSPS與SDSIP的波動(dòng)幅值比較接近，兩者的最大相對(duì)偏差值都不超過(guò)1%，SDSPS檢測(cè)單個(gè)吸孔吸種量的最大相對(duì)誤差為16.67%。通過(guò)田間試驗(yàn)驗(yàn)證，SDSPS對(duì)于漏吸種量和多吸種量，檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)值與實(shí)際值相對(duì)誤差平均值分別為3.87%和8.42%。SDSPS能有效的進(jìn)行排種盤吸種性能檢測(cè)，對(duì)單個(gè)吸孔吸種量的檢測(cè)也具有較高的可信度，可以為氣吸式排種器性能檢測(cè)與改進(jìn)提供技術(shù)支撐。

農(nóng)業(yè)機(jī)械；傳感器；種子；氣吸式排種器；吸種性能；檢測(cè)系統(tǒng)

0 引 言

氣吸式播種機(jī)因其高速精密、傷種少等特點(diǎn)，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛[1-2]。對(duì)于氣吸式播種機(jī)而言，排種器的性能至關(guān)重要，排種器的工作效果直接決定了播種機(jī)的播種質(zhì)量[3]。由于負(fù)壓力不穩(wěn)定以及排種器本身設(shè)計(jì)缺陷等問(wèn)題，氣吸式排種器的排種盤會(huì)出現(xiàn)漏吸的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致漏播。但排種器的作業(yè)過(guò)程是封閉的，僅依靠人眼難以對(duì)排種效果進(jìn)行直接觀測(cè)。在大型播種機(jī)作業(yè)過(guò)程中，因?yàn)槠渥鳂I(yè)速度快、播幅寬，若未及時(shí)發(fā)現(xiàn)排種器出現(xiàn)的問(wèn)題，易出現(xiàn)大面積的漏播情況[4-5]。因此，有必要對(duì)于排種器吸種性能進(jìn)行檢測(cè)，為后期設(shè)計(jì)的提升提供保證。

目前，國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者針對(duì)檢測(cè)排種器工作狀況的系統(tǒng)已有一定的研究。電容傳感器在播種機(jī)械領(lǐng)域常用于進(jìn)行排種性能的檢測(cè)，通常安裝于導(dǎo)種管檢測(cè)種子流來(lái)檢測(cè)排種狀態(tài)[6]。周利明等[7]用電容傳感器作為檢測(cè)裝置，通過(guò)種子經(jīng)過(guò)時(shí)產(chǎn)生的電容量的變化判斷排種的狀態(tài)，并且利用尋峰算法對(duì)電容信號(hào)進(jìn)行處理，得到相鄰籽粒的脈沖間隔，并通過(guò)比較籽粒脈沖的積分面積判斷雙粒重播，提高了系統(tǒng)的檢測(cè)精度，但其可靠性和穩(wěn)定性易受溫度感應(yīng)以及寄生電容的影響[8]。機(jī)器視覺(jué)及圖像處理技術(shù)發(fā)展越來(lái)越成熟，利用該技術(shù)進(jìn)行機(jī)器作業(yè)狀況的檢測(cè)也得到了大量的應(yīng)用[9-12]。Karayel等[13]以及Navid等[14]利用高速攝像機(jī)及圖像處理技術(shù)獲取種子的粒距以及種子分布均勻性，通過(guò)粒距及均勻性來(lái)判斷排種器的排種狀況是否合格。黃東巖等[15]應(yīng)用PVDF壓電薄膜設(shè)計(jì)了傳感器，利用壓電薄膜的壓電效應(yīng)將排種器內(nèi)種子流動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換成脈沖電壓信號(hào)，但是壓電薄膜傳感器作為檢測(cè)元件可能因?yàn)榉N子和傳感器的擦碰，使得種子的下落軌跡發(fā)生變化，進(jìn)而影響排種器的作業(yè)效果。光電傳感器因其良好的響應(yīng)速度以及簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)被廣泛地應(yīng)用在各行業(yè)的檢測(cè)系統(tǒng)中[16-17]。Lan等[18]使用直徑3 mm的LED和光電晶體管光電傳感器來(lái)測(cè)量排種器排出種子的間距。Okopnik等[19]利用光線紅外傳感器對(duì)排種器排出的種子進(jìn)行識(shí)別和檢測(cè)，通過(guò)判斷種子的粒距來(lái)確定排種器的工作性能。張繼成等[20]以及紀(jì)超等[21]將高亮度的發(fā)光二極管和光敏電阻安裝在導(dǎo)種管中，通過(guò)種子下落遮擋光線來(lái)檢測(cè)排種狀況。

上述所有的檢測(cè)系統(tǒng)都是對(duì)已從排種器排出的種子進(jìn)行檢測(cè)，這種檢測(cè)系統(tǒng)可以完成對(duì)機(jī)器作業(yè)狀態(tài)的檢測(cè)，并且可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)作業(yè)過(guò)程中出現(xiàn)的漏播與重播[22]。但是機(jī)器作業(yè)出現(xiàn)漏播與重播是因?yàn)榕欧N器在吸種過(guò)程中出現(xiàn)了漏吸種和多吸種，多吸種產(chǎn)生的原因在于負(fù)壓力過(guò)大或者種子在吸附時(shí)與排種盤吸孔間存在可以提供吸附其他種子的間隙，因此在排種器的設(shè)計(jì)中針對(duì)多吸種的情況，幾乎所有的排種器都配置了清種裝置用于清理多吸附的種子。漏吸種產(chǎn)生的原因在于負(fù)壓力不足導(dǎo)致種子難以吸附，以及排種盤設(shè)計(jì)存在缺陷導(dǎo)致吸孔不能很好地吸附住種子，或者吸孔被雜質(zhì)或破碎種子堵住等[23-24]，導(dǎo)致無(wú)法正常吸附種子。上述檢測(cè)系統(tǒng)無(wú)法通過(guò)檢測(cè)種子流來(lái)獲取吸種狀態(tài)的信息。

本文設(shè)計(jì)了一種基于光電傳感器與旋轉(zhuǎn)編碼器的檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)種子的吸附狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。同時(shí)，利用編碼器定位零點(diǎn)，將排種盤各吸孔進(jìn)行編號(hào)，通過(guò)上位機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，可以獲取各個(gè)吸孔各自的吸種量，以便檢測(cè)吸孔故障，有利于設(shè)計(jì)時(shí)氣吸式排種器的改進(jìn)，提升其工作性能。

1 吸種狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)的組成與工作原理

1.1 氣吸式排種器結(jié)構(gòu)與工作原理

氣吸式排種器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。排種器為雙腔氣吸式排種器，主要由排種器蓋、刮種器、攪拌輪、吸室、吸氣管、排種軸、排種盤、傳感器和充種室等組成，排種器蓋閉合后形成充種室。

1. 排種器蓋 2. 刮種器 3. 攪拌輪 4. 吸室 5. 吸氣管 6. 排種軸 7. 排種盤 8. 傳感器 9. 充種室

作業(yè)時(shí)，風(fēng)機(jī)開始運(yùn)轉(zhuǎn)，在吸室內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓；充種室內(nèi)的種子接觸排種盤種孔時(shí)，種子被吸附在排種盤上；排種軸帶動(dòng)排種盤和被吸附的種子同步轉(zhuǎn)動(dòng)，刮種器刮掉多余種子、避免重吸；種子隨排種盤旋轉(zhuǎn)到排種管上部無(wú)吸力區(qū)，之后種子在自重作用下落入排種管內(nèi)，完成排種作業(yè)。

1.2 吸種狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)工作原理

如圖2所示，種子通過(guò)傳感器時(shí)遮擋住了發(fā)光二極管光線。種子隨著排種盤的轉(zhuǎn)動(dòng)通過(guò)光電傳感器，由于傳感器為非接觸式，種子運(yùn)動(dòng)軌跡不會(huì)被傳感器干擾，且吸種情況能被傳感器較好地記錄下來(lái)。當(dāng)種子通過(guò)傳感器時(shí)，發(fā)光二極管所發(fā)出的光線被遮擋，觸發(fā)下降沿脈沖信號(hào)，若無(wú)種子經(jīng)過(guò)傳感器時(shí)，則無(wú)脈沖信號(hào)輸出。通過(guò)實(shí)時(shí)采集信號(hào)，實(shí)現(xiàn)種子穿過(guò)傳感器過(guò)程的動(dòng)態(tài)捕獲，當(dāng)種子穿過(guò)傳感器時(shí)，發(fā)出1個(gè)方波脈沖，1個(gè)脈沖則代表通過(guò)1粒種子。通過(guò)單片機(jī)計(jì)數(shù)，則可以得到通過(guò)傳感器的種子的數(shù)量。

1.2.1 漏吸種判定方法

排種器主軸轉(zhuǎn)動(dòng)1周光電編碼器發(fā)出360個(gè)脈沖信號(hào)即排種盤每轉(zhuǎn)1度編碼器就發(fā)出一個(gè)脈沖信號(hào)。主軸旋轉(zhuǎn)1周，排種盤同步旋轉(zhuǎn)1周，且排種盤與主軸同方向轉(zhuǎn)動(dòng)。排種盤為40孔的大豆排種盤，排種器正常工作時(shí)，排種盤每轉(zhuǎn)過(guò)9°即光電編碼器每發(fā)出的9個(gè)脈沖信號(hào)的過(guò)程中會(huì)有1粒種子經(jīng)過(guò)光電傳感器。上位機(jī)將傳感器與編碼器的脈沖信號(hào)進(jìn)行同步處理，通過(guò)檢測(cè)在編碼器發(fā)出9個(gè)脈沖信號(hào)的時(shí)間內(nèi)，記錄是否有1粒種子通過(guò)，可判定該吸孔是否出現(xiàn)了漏吸。

圖2 傳感器工作原理

1.2.2 多吸種判定方法

對(duì)于同一品種的種子，種子直徑在一定的區(qū)間內(nèi)服從正態(tài)分布，在對(duì)傳感器進(jìn)行設(shè)置的時(shí)候設(shè)定為當(dāng)光源被遮擋時(shí)傳感器傳回低電平信號(hào)，由于種子的大小是一定的，所以傳感器獲取章子低電平信號(hào)的寬度也在一定范圍內(nèi)。通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得單粒種子通過(guò)傳感器時(shí)，信號(hào)的平均寬度為a。當(dāng)排種盤吸孔出現(xiàn)多吸種情況時(shí)，多粒種子通過(guò)傳感器的時(shí)間比單粒種子通過(guò)時(shí)間長(zhǎng)，由于排種盤設(shè)計(jì)的吸孔大小一定，從而限制了多吸種的信號(hào)寬度最少為平均信號(hào)寬度a的1.5倍，即檢測(cè)到種子信號(hào)脈沖寬度≥1.5a時(shí)，定義為多吸種。

1.2.3 吸孔吸種性能定位方法

圖3為吸孔標(biāo)號(hào)示意圖，利用編碼器的向定位初始位置后，將排種器從初始位置運(yùn)轉(zhuǎn)后第1個(gè)通過(guò)傳感器的吸孔定為1號(hào)吸孔，并做相應(yīng)的標(biāo)記，之后的吸孔依次標(biāo)號(hào)。機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)后編碼器發(fā)出的第1個(gè)脈沖記為1號(hào)脈沖，通過(guò)同時(shí)比較傳感器以及編碼器的脈沖信號(hào)，可以確定每一個(gè)吸孔吸種的信息，將該信息存儲(chǔ)于上位機(jī)中，可以進(jìn)行后期的故障檢查。

圖3 吸種孔標(biāo)號(hào)示意圖

檢測(cè)系統(tǒng)通過(guò)光電傳感器及編碼器的脈沖信號(hào)對(duì)比，檢測(cè)播種狀況及判斷各吸孔吸種情況的原理如圖4所示。

圖4 編碼器脈沖信號(hào)示意圖

由于種子通過(guò)傳感器時(shí)傳感器的接受信號(hào)會(huì)變?yōu)榈碗娖矫}沖，所以檢測(cè)系統(tǒng)在判斷是否吸種時(shí)，需判斷相鄰2段編碼器脈沖內(nèi)（各9個(gè)脈沖）接受的傳感器信號(hào)是否屬于同一個(gè)方波脈沖，若屬于，則只記1粒種子?？梢耘懦N子由于觸碰傳感器而使通過(guò)傳感時(shí)間變長(zhǎng)，進(jìn)而導(dǎo)致的低電平方波脈沖跨過(guò)2段編碼器脈沖而產(chǎn)生記多粒種子的情況。

1.3 傳感器設(shè)計(jì)與安裝

根據(jù)排種器吸種狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)工作原理，傳感器類型選擇光電傳感器，光電傳感器用ABS工程塑料加工成“凹”字形結(jié)構(gòu)，二極管以及光敏元件分別位于“凹”字的兩邊凸起的位置，并用環(huán)氧樹脂灌封固化。傳感器具體尺寸及其安裝位置如圖5所示。

光電傳感器安裝在氣吸式排種器的刮種器正后方的排種器蓋上，當(dāng)端蓋閉合后，光電傳感器緊貼在刮種器后方；在排種器開始工作后，種子進(jìn)入排種盤后刮種器刮掉種盤上多余的種子后，種子被吸附，順著排種盤轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)入傳感器的凹處即傳感器檢測(cè)區(qū)域，從而保證了檢測(cè)的每一個(gè)吸孔的吸種狀態(tài)是在清理過(guò)多種子之后的；當(dāng)種子從傳感器的凹處通過(guò)時(shí)，排種器上種子的吸附狀態(tài)通過(guò)光電傳感器傳輸信號(hào)到編碼器，在編碼器中記錄下來(lái)。

1.4 編碼器選擇與安裝

所選用的排種器排種盤有40個(gè)吸孔，為了精準(zhǔn)定位到每一個(gè)吸孔吸種狀態(tài)，編碼器的分辨率為吸孔數(shù)的整數(shù)倍最佳，因此選用的旋轉(zhuǎn)編碼器分辨率為40×P/R（為不小于1的整數(shù)，P/R為脈沖/轉(zhuǎn)），至少使1個(gè)脈沖可以對(duì)應(yīng)1個(gè)吸孔。

圖5 光電傳感器尺寸圖及安裝圖

為了定位初始位置，并基于初始位置對(duì)排種盤吸孔進(jìn)行標(biāo)號(hào)，同時(shí)為了減少誤差的產(chǎn)生，綜合以上各種因素，選用360P/R的絕對(duì)式光電旋轉(zhuǎn)編碼器，其型號(hào)為E6F-AB3C-C 360P。

為了實(shí)現(xiàn)脈沖信號(hào)與吸孔位置相對(duì)應(yīng)，需保證排種器運(yùn)轉(zhuǎn)1周時(shí)，編碼器也能同時(shí)轉(zhuǎn)過(guò)1周，因此將編碼器與傳動(dòng)軸通過(guò)聯(lián)軸器連接。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

圖6為吸種狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)組成圖，檢測(cè)系統(tǒng)主要由上位機(jī)、信號(hào)獲取模塊和CAN總線通信等組成。使用的單片機(jī)型號(hào)為PIC18F26K80。

上位機(jī)由人機(jī)交互系統(tǒng)、主板、微控制器以及CAN收發(fā)板組成。上位機(jī)主要用于處理信息獲取模塊得到的信息，并將信息顯示。

信號(hào)獲取模塊包括前述的凹形光電傳感器和濾波電路組成的吸種量信息獲取模塊以及利用編碼器的排種軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度信息獲取模塊。

針對(duì)檢測(cè)過(guò)程容易出現(xiàn)尖峰信號(hào)對(duì)檢測(cè)產(chǎn)生影響，設(shè)計(jì)了具有濾波功能的高精度檢測(cè)電路，如圖7所示。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)吸附種子的數(shù)量以及編碼器的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，采用單片機(jī)PIC18F26K80作為采集電路核心，控制整個(gè)電路工作。

SN7406N芯片為6路反相緩沖器/驅(qū)動(dòng)器，主要負(fù)責(zé)對(duì)二極管采集信號(hào)進(jìn)行整形和驅(qū)動(dòng)。為了使得種子脈沖信號(hào)以及光電編碼器信號(hào)的獲取更加精確，采用TLP521- 2光電耦合器，對(duì)噪聲及尖峰脈沖等干擾信號(hào)進(jìn)行過(guò)濾。

圖6 吸種狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)組成

圖7 檢測(cè)系統(tǒng)電路圖

為了使數(shù)據(jù)傳輸更加可靠，同時(shí)保證系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，上位機(jī)與信號(hào)獲取模塊采用CAN總線作為數(shù)據(jù)通信方式。CAN總線數(shù)據(jù)傳輸具有系統(tǒng)可擴(kuò)展性，并且實(shí)時(shí)性強(qiáng)、傳輸距離較遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)?？偩€模塊主要由PIC18F26K80內(nèi)部CAN控制器、TJA1040總線驅(qū)動(dòng)器組成。設(shè)置CAN總線通信速率為125 kbps，數(shù)據(jù)格式為標(biāo)準(zhǔn)幀。

沒(méi)有種子時(shí)，光電傳感器的發(fā)射管的光線照射在接收管上，接收管處于導(dǎo)通狀態(tài)，通過(guò)整形濾波電路后，產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)TTL高電平。有種子時(shí)，發(fā)射管的光線被阻擋，接收管處于截止?fàn)顟B(tài)，通過(guò)整形濾波電路后，會(huì)產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)TTL低電平。下降沿被單片機(jī)捕捉，產(chǎn)生中斷后，進(jìn)入中斷程序，計(jì)數(shù)器中數(shù)字加1（即種子數(shù)加1）。

光電編碼器信號(hào)經(jīng)過(guò)整形濾波電路后，進(jìn)入單片機(jī)計(jì)數(shù)0端口（T0CK1）進(jìn)行計(jì)數(shù)。當(dāng)光電編碼器轉(zhuǎn)到零位時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)上升沿，進(jìn)入單片機(jī)捕捉CCP2端口，完成初始位置定位。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 吸種狀態(tài)檢測(cè)軟件設(shè)計(jì)

吸種性能檢測(cè)軟件采用模塊化程序設(shè)計(jì)方法，其主要包括系統(tǒng)初始化模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、CAN 總線數(shù)據(jù)通信模塊和數(shù)據(jù)判斷報(bào)警模塊。

程序流程圖如圖8所示。系統(tǒng)工作前，主程序執(zhí)行系統(tǒng)初始化，系統(tǒng)初始化包含了定時(shí)/計(jì)數(shù)器0的初始化、外部中斷0和外部中斷的初始化等。初始化之后，即完成了對(duì)系統(tǒng)工作模塊、相關(guān)寄存器和I/O口的初始化設(shè)置，完成I/O端口設(shè)置、CAN模塊配置。

根據(jù)編碼器定位初始位置，將吸附第1粒種子的吸孔進(jìn)行標(biāo)記，記作1號(hào)吸孔。光電傳感器采集種子經(jīng)過(guò)時(shí)產(chǎn)生的電信號(hào)，同時(shí)編碼器發(fā)出脈沖，單片機(jī)每次接收到編碼器的9個(gè)脈沖信號(hào)后，立刻檢查該9個(gè)脈沖信號(hào)期間是否采集到種子經(jīng)過(guò)光電傳感器所產(chǎn)生的電信號(hào)。如果沒(méi)有檢測(cè)到電信號(hào)，則匹配對(duì)應(yīng)吸孔的漏吸種數(shù)加1并上傳至上位機(jī)；如果檢測(cè)到電信號(hào)，則開始對(duì)種子信號(hào)的寬度進(jìn)行判斷，如果≤1.5a，則匹配對(duì)應(yīng)吸孔的正常吸種數(shù)加1并上傳到上位機(jī)，否則匹配對(duì)應(yīng)吸孔的多吸種數(shù)加1并上傳到上位機(jī)。

圖8 吸種狀態(tài)檢測(cè)流程圖

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件主要包括CAN通信參數(shù)設(shè)置，總吸種量統(tǒng)計(jì)，總吸種合格率顯示、各排種器的吸種合格率、漏吸種率、多吸種率統(tǒng)計(jì)，以及各排種器每一面的各個(gè)吸孔的吸種數(shù)量統(tǒng)計(jì)。

對(duì)于監(jiān)控程序，系統(tǒng)工作前，先進(jìn)行系統(tǒng)初始化設(shè)置，并設(shè)置要求的吸種合格率（本文中預(yù)設(shè)為95%）。系統(tǒng)執(zhí)行初始化設(shè)置后，開始接收下位機(jī)數(shù)據(jù)，將吸種量與漏吸量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并計(jì)算出各排種器的吸種合格率、漏吸種率、多吸種率，最后計(jì)算出總體的吸種合格率。當(dāng)總體或各排種器的實(shí)際吸種合格率低于要求時(shí)則發(fā)出聲光報(bào)警。同時(shí)將各吸孔對(duì)應(yīng)吸種量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并存儲(chǔ)于上位機(jī)中，以便后期針對(duì)吸孔問(wèn)題進(jìn)行故障檢測(cè)。上位機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)流程圖如圖9所示。

圖9 上位機(jī)主程序流程圖

4 臺(tái)架及田間驗(yàn)證試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

基于上述的理論分析及軟硬件設(shè)計(jì)，為了驗(yàn)證所研制的檢測(cè)系統(tǒng)是否可靠，設(shè)計(jì)了臺(tái)架試驗(yàn)并通過(guò)田間綜合試驗(yàn)測(cè)試其可靠性。測(cè)試指標(biāo)為漏吸種率、多吸種率。旨在：1）驗(yàn)證本文基于光電傳感器及光電編碼器的檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)漏吸種、多吸種以及吸種合格率的檢測(cè)的精度；2）驗(yàn)證本文檢測(cè)系統(tǒng)是否能對(duì)排種盤各吸孔的吸種效率進(jìn)行檢測(cè)并找出存在問(wèn)題的吸孔。

4.2 主要臺(tái)架試驗(yàn)方法與內(nèi)容

試驗(yàn)設(shè)備：JSP-12排種器試驗(yàn)臺(tái)、氣吸式排種器，及設(shè)計(jì)的排種器吸種狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)、高速攝像機(jī)等。如圖10所示，臺(tái)架試驗(yàn)在吉林大學(xué)農(nóng)機(jī)實(shí)驗(yàn)室的JSP-12排種器試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行。將雙腔式氣吸式排種器安裝于試驗(yàn)臺(tái)臺(tái)架，并將傳感器、編碼器、單片機(jī)進(jìn)行連接和固定。單片機(jī)與計(jì)算機(jī)相連。

圖10 臺(tái)架試驗(yàn)

本文多吸種的判定方式為自定義，因此為了驗(yàn)證利用種子信號(hào)脈沖寬度判定是否出現(xiàn)多吸種的可行性，進(jìn)行了單雙粒種子信號(hào)脈沖寬度對(duì)比的試驗(yàn)。

試驗(yàn)中采用對(duì)射式光電傳感器對(duì)排種盤上的種子進(jìn)行檢測(cè)，并利用示波器獲得種子信號(hào)。為了獲取更多的雙粒種子脈沖寬度數(shù)據(jù)，在試驗(yàn)中去除清種刷。平均一粒種子經(jīng)過(guò)傳感器的時(shí)間計(jì)算公式為：

所用排種軸轉(zhuǎn)速50.0 r/min，大豆種子平均直徑為6.52 mm，排種器上種子所在的圓周直徑為178 mm[25]。根據(jù)式（1）計(jì)算得出平均1粒種子經(jīng)過(guò)傳感器的時(shí)間為0.014 s。

為了減少對(duì)比試驗(yàn)的誤差，本文采用同一次試驗(yàn)使用2種檢測(cè)系統(tǒng)獲取排種器作業(yè)數(shù)據(jù)的測(cè)試方法。JPS-12排種器試驗(yàn)臺(tái)具有圖像采集和處理的功能，在排種器前端安裝有攝像裝置箱內(nèi)安裝有高速攝像機(jī)，高速攝像機(jī)會(huì)對(duì)排出的種子以一定的幀速率攝像。圖像傳至試驗(yàn)臺(tái)配備的計(jì)算機(jī)，用Luminar的圖像處理軟件對(duì)種子排布進(jìn)行檢測(cè)并得出種子的排布數(shù)據(jù)。

4.3 臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.3.1 單雙粒種子信號(hào)脈沖寬度試驗(yàn)

根據(jù)前文計(jì)算得出平均1粒種子經(jīng)過(guò)傳感器的時(shí)間0.014 s對(duì)應(yīng)的脈沖寬度為單粒種子信號(hào)的平均寬度a，在每次試驗(yàn)中獲取單粒種子及雙粒種子脈沖寬度的平均值，共計(jì)10次試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 單雙粒種子傳感器信號(hào)脈沖寬度

從表1可看出，排種盤吸附單、雙粒種子時(shí)，其脈沖寬度在各試驗(yàn)中均變化不大，因存在重疊面積，雙粒種子的脈沖寬度約是單粒種子脈沖寬度的1.68倍。由此可見，可以利用傳感器采集到的種子低電平信號(hào)的脈沖寬度判斷是否出現(xiàn)多吸種（即引起重播的情況）。

4.3.2 吸種狀態(tài)檢測(cè)試驗(yàn)

試驗(yàn)臺(tái)的圖像處理檢測(cè)系統(tǒng)（seeding detecting system based on image processing，以下簡(jiǎn)稱SDSIP）對(duì)種子監(jiān)測(cè)的合格率具有較高的可信度[26]。將SDSIP獲得的漏播和重播數(shù)據(jù)等效看作排種盤吸孔的漏吸種和多吸種數(shù)據(jù)。

試驗(yàn)選擇影響吸種狀態(tài)的2個(gè)主要因素：負(fù)壓力，排種軸轉(zhuǎn)速。負(fù)壓力選取2、2.5、3 kPa 3個(gè)水平，排種軸轉(zhuǎn)速選取50、66.7 r/min 2個(gè)水平。表2為吸種性能檢測(cè)對(duì)比試驗(yàn)因素水平表。

表2 檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)比試驗(yàn)因素水平

試驗(yàn)時(shí)，分別在3種不同負(fù)壓力和2種不同排種軸轉(zhuǎn)速中進(jìn)行兩兩配對(duì)組成6組試驗(yàn)；在相同的條件下，在JSP-12試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)排種器的排種狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。

每組試驗(yàn)重復(fù)5次。為確保試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，在每次試驗(yàn)之后對(duì)排種器進(jìn)行重新填種，保證充種室內(nèi)有足夠的種子。結(jié)果如圖11所示。

注：SDSPS為本文排種盤吸種狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)；SDSIP為排種器試驗(yàn)臺(tái)常用的圖像處理檢測(cè)系統(tǒng)；P1=2 kPa, P2=2.5 kPa, P3=3 kPa; ω1=50 r×min–1, ω2= 66.7 r×min–1。下同。

本文通過(guò)相對(duì)誤差的計(jì)算對(duì)SDSPS檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量精度進(jìn)行分析。其相對(duì)誤差公式為

表3為6組不同作業(yè)條件下排種器工作狀態(tài)相對(duì)誤差統(tǒng)計(jì)表。從表中可以看出，在6組不同作業(yè)條件下，SDSPS檢測(cè)系統(tǒng)與SDSIP檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果之間相對(duì)誤差的最大值為0.31%，最小值為0.10%，說(shuō)明SDSPS檢測(cè)系統(tǒng)與SDSIP檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)精度相近，具有較高可信度。

1）SDSPS檢測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析

通過(guò)相對(duì)偏差來(lái)考察各次試驗(yàn)對(duì)吸種合格率的測(cè)量值對(duì)該樣本平均值的偏離程度，本文對(duì)SDSPS檢測(cè)系統(tǒng)和SDSIP檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量穩(wěn)定性進(jìn)行對(duì)比分析。相對(duì)偏差公式為：

表3 SDSPS檢測(cè)系統(tǒng)相對(duì)誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖12為2種檢測(cè)系統(tǒng)在6組不同作業(yè)條件下的相對(duì)偏差結(jié)果。可以明顯看出2種測(cè)試裝置在6組作業(yè)條件下的相對(duì)偏差最大不超過(guò)1%，多數(shù)測(cè)量點(diǎn)低于0.7%，說(shuō)明兩者的吸種合格率測(cè)量值分別相對(duì)其平均值的偏離程度較??；且同一作業(yè)條件下相對(duì)偏差值范圍基本相近，說(shuō)明2種檢測(cè)系統(tǒng)的波動(dòng)幅值接近，具有較高的一致性。

圖12 不同作業(yè)條件下2種測(cè)試裝置的相對(duì)偏差

2）SDSPS吸種狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析

本文通過(guò)應(yīng)用檢驗(yàn)對(duì)2種檢測(cè)系統(tǒng)的試驗(yàn)結(jié)果樣本的方差齊性進(jìn)行分析，表4為本試驗(yàn)結(jié)果的檢驗(yàn)分析結(jié)果。從表4中可以得出6組作業(yè)條件下的吸種合格率檢測(cè)數(shù)據(jù)<0.05(9, 9)，0.05> 0.05，說(shuō)明2種檢測(cè)系統(tǒng)在各組作業(yè)條件下的吸種合格率測(cè)量值樣本方差沒(méi)有顯著性差異。

將2種檢測(cè)系統(tǒng)在同一作業(yè)條件下的對(duì)比數(shù)據(jù)進(jìn)行二樣本檢驗(yàn)，考察2種系統(tǒng)所測(cè)樣本的均值是否具有一致性。從上文的檢驗(yàn)得知2種檢測(cè)方法所測(cè)數(shù)據(jù)的樣本方差沒(méi)有顯著性差異即等方差，因此，本文應(yīng)用雙樣本等方差檢驗(yàn)。表5為試驗(yàn)結(jié)果的檢驗(yàn)分析結(jié)果。由檢驗(yàn)結(jié)果得出各組樣本對(duì)比數(shù)據(jù)的0.05均大于顯著性水平= 0.05，說(shuō)明2種方法在同一作業(yè)條件下所測(cè)的吸種合格率沒(méi)有顯著性差異，由此進(jìn)一步說(shuō)明了2種檢測(cè)方式的檢測(cè)結(jié)果一致性。

4.3.3 SDSPS檢測(cè)單個(gè)吸孔吸種量可行性試驗(yàn)

為了驗(yàn)證SDSPS檢測(cè)系統(tǒng)能否完成對(duì)排種盤單個(gè)吸孔吸種量的檢測(cè)，采用高速攝像機(jī)獲取排種盤工作時(shí)的吸種狀況，將通過(guò)高速攝像機(jī)獲得的數(shù)據(jù)與SDSPS檢測(cè)系統(tǒng)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。

選取雙腔氣吸式排種器的一腔，并且為了防止另一腔因沒(méi)有種子而降低吸室負(fù)壓力，將其封閉。確定排種器的初始位置，根據(jù)上文的吸孔標(biāo)號(hào)方法，將排種盤的吸孔標(biāo)號(hào)，將負(fù)壓力設(shè)定為3 kPa。然后進(jìn)行系統(tǒng)的可行性試驗(yàn)。令排種器運(yùn)轉(zhuǎn)10圈以后，將SDSPS以及高速攝像所得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，2種系統(tǒng)獲取的各吸孔吸種量如圖13所示。

表4 吸種合格率的F檢驗(yàn)

表5 吸種合格率的T檢驗(yàn)

圖13 兩種方式獲取的排種盤各吸孔吸種量

本文通過(guò)計(jì)算2種數(shù)據(jù)獲取方式中排種盤每個(gè)吸孔的相對(duì)誤差來(lái)考察SDSPS檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)單個(gè)吸孔吸種量的檢測(cè)精度。表6為2種方式獲取的單個(gè)吸孔吸種量的相對(duì)誤差統(tǒng)計(jì)表，從表6中可以看出，SDSPS檢測(cè)單個(gè)吸孔吸種量的最大相對(duì)誤差為16.67%，最小相對(duì)誤差為0。由于試驗(yàn)過(guò)程中單個(gè)吸孔的吸種總量較整個(gè)排種盤的總吸種量較小，相對(duì)誤差最大的5號(hào)吸孔其吸種量的絕對(duì)誤差在試驗(yàn)中也只是2粒種子。因此，SDSPS的檢測(cè)值相對(duì)于真實(shí)值具有較高的可信度。

分析表6中出現(xiàn)的檢測(cè)值與真實(shí)值的差異，其原因主要在于：

1）存在多吸種現(xiàn)象未檢測(cè)出來(lái)，分析其原因在于兩粒種子經(jīng)過(guò)傳感器時(shí)，重疊部分面積過(guò)大，使種子的信號(hào)的寬度不能大于1.5倍的平均寬度；

2）多吸種量的檢測(cè)值小于實(shí)際值，分析其原因在于存在小概率單個(gè)吸孔吸上了多于2粒種子的情況，SDSPS檢測(cè)系統(tǒng)只算作多吸了1粒；

3）存在漏吸種量的檢測(cè)值小于實(shí)際值，或漏吸種未檢測(cè)出，分析其原因在于傳感器的安裝位置在種子落入導(dǎo)種管之前，存在種子經(jīng)過(guò)傳感器后從吸孔掉落的現(xiàn)象。

由于對(duì)于單個(gè)吸孔吸種量的檢測(cè)已經(jīng)對(duì)排種器進(jìn)行初始定位標(biāo)記，并且給吸孔進(jìn)行標(biāo)號(hào)。在田間作業(yè)時(shí)過(guò)程較為繁瑣，因此可用于排種器的試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試，用于準(zhǔn)確找出存在吸種問(wèn)題的吸孔，為后續(xù)排種盤加工工藝的提升提供依據(jù)和參考。

4.4 田間試驗(yàn)

田間試驗(yàn)于2016年10月14日在吉林省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院試驗(yàn)田（地理坐標(biāo)43.83°N、125.32°E，海拔：228 m）進(jìn)行田間試驗(yàn)（圖14）。0~100 mm和100 mm深度的土壤容積密度為1.29 g/cm3，0~100 mm深度的土壤含水量為10.5%。

在試驗(yàn)地的兩端均劃定出20 m作為設(shè)備調(diào)試及拖拉機(jī)的速度調(diào)節(jié)區(qū)，中間50 m作為拖拉機(jī)平穩(wěn)行駛時(shí)的數(shù)據(jù)采集區(qū)，每隔10 m設(shè)立標(biāo)桿，將多次試驗(yàn)限制在同一地塊，減小誤差，同時(shí)能夠方便試驗(yàn)后的數(shù)據(jù)測(cè)量。

表6 SDSPS檢測(cè)單個(gè)吸孔的吸種量相對(duì)誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖14 田間試驗(yàn)場(chǎng)

試驗(yàn)設(shè)備和材料有：2BDB-6大豆變量施肥播種機(jī)、凱斯Puma 2104拖拉機(jī)，中黃37大豆種子、土壤堅(jiān)實(shí)度測(cè)試儀（SC900 Soil compaction meter）、土壤水分測(cè)試儀（TDR300 Soil moisture meter）及設(shè)計(jì)的吸種性能檢測(cè)系統(tǒng)、標(biāo)桿、卷尺等。田間試驗(yàn)時(shí)，播種機(jī)作業(yè)速度為8 km/h。

將氣吸式排種器吸種性能檢測(cè)系統(tǒng)安裝在2BDB-6大豆變量播種機(jī)的一個(gè)排種器上，使機(jī)器在田間作業(yè)。同時(shí)安排人員對(duì)排出的種子進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

4.5 田間試驗(yàn)結(jié)果與分析

將實(shí)際粒距與理論粒距（0.05 m）相比較，根據(jù)《:GB/T6973-2005單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法》[27]判斷漏播與重播方法，將漏播和重播與排種盤出現(xiàn)的漏吸種和多吸種進(jìn)行對(duì)應(yīng)。判斷條件為：檢測(cè)指標(biāo)中，依據(jù)“重播”條件判斷是否存在“多吸種”的情況；依據(jù)“漏播”條件判斷“漏吸種”的情況；計(jì)量“多吸種”和“漏吸種”的數(shù)量，得出多吸種量和漏吸種量。

由于傳感器安裝位置靠前，在試驗(yàn)停止時(shí)，有10個(gè)吸孔經(jīng)過(guò)了傳感器檢測(cè)但是種子還沒(méi)來(lái)得及排出，這幾個(gè)吸孔的測(cè)量數(shù)據(jù)應(yīng)去除。試驗(yàn)結(jié)果如表7~表8所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明，檢測(cè)值與人工實(shí)測(cè)值相比，對(duì)于漏吸種量和多吸種量，其相對(duì)誤差平均值分別為3.87%和8.42%，其相對(duì)誤差最大值分別為10.34%和20.00%。排種器吸種狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)過(guò)程存在一定的誤差，針對(duì)漏吸種檢測(cè)存在誤差，分析其主要原因在于田間環(huán)境的復(fù)雜性以及傳感器安裝位置有些靠前，存在種子經(jīng)過(guò)傳感器后因振動(dòng)等因素導(dǎo)致種子在排出前落回排種器；針對(duì)多吸種檢測(cè)存在誤差，分析其主要原因在于吸孔多吸種時(shí)2粒種子體積較小并且重疊面積較多，系統(tǒng)誤判定為單粒種子。

表7 漏吸種量檢測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表8 多吸種量檢測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

如表9所示，用SAS軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過(guò)方差分析的結(jié)果可以看出，檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)排種器漏吸種量失擬項(xiàng)值為0.33；多吸種量的失擬項(xiàng)值為0.06，顯然>0.05，表明無(wú)失擬因素存在，因此，檢測(cè)值與實(shí)測(cè)值對(duì)比沒(méi)有顯著性差異。

表9 試驗(yàn)數(shù)據(jù)方差分析

試驗(yàn)結(jié)果顯示漏吸種量檢測(cè)值均值為26.45粒，實(shí)測(cè)值均值為27.5粒；多吸種量檢測(cè)值均值為10.25粒，實(shí)測(cè)值均值為11.25粒。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)來(lái)看，漏吸種量和多吸種量的均值和方差均比較接近，由此可知采用排種器吸種狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)獲得排種盤的吸種狀態(tài)與人工實(shí)地測(cè)量結(jié)果具有較高的相關(guān)性，說(shuō)明該測(cè)試方法在田間實(shí)際應(yīng)用中具有較好的適用性。

分析田間試驗(yàn)時(shí)所產(chǎn)生的誤差，對(duì)于解決由于田間復(fù)雜的工作環(huán)境而產(chǎn)生的誤差，還需要進(jìn)一步的研究。

5 結(jié) 論

1）本文設(shè)計(jì)了氣吸式排種器的排種器吸種狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)，利用將光電傳感器與編碼器脈沖信號(hào)相結(jié)合的方法，獲取排種盤吸種孔工作狀況。

2）基于編碼器對(duì)排種盤各吸孔進(jìn)行標(biāo)號(hào)，從而得出故障吸孔的編號(hào)。分別給編碼器與傳感器的脈沖信號(hào)序列進(jìn)行編號(hào)，檢測(cè)排種盤各吸孔吸種性能，找出故障吸孔并記錄其編號(hào)。

3）對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明SDSPS相比于SDSIP的最大相對(duì)誤差為0.31%；在同一作業(yè)條件下，誤差的波動(dòng)幅值相近；通過(guò)檢驗(yàn)和檢驗(yàn)（=0.05）得出2種系統(tǒng)測(cè)量值總體方差相同、均值一致；田間試驗(yàn)中，SDSPS對(duì)于漏吸種量和多吸種量，檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)值與實(shí)際值相對(duì)誤差平均值分別為3.87%和8.42%。

[1] 劉月琴，趙滿全，劉飛，等. 基于離散元的氣吸式排種器工作參數(shù)仿真優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2016，47(7)：65－73. Liu Yueqin, Zhao Manquan, Liu Fei, et al. Simulation and optimization of working parameters of air suction metering device based on discrete element[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 47(7): 65－73. (in Chinese with English abstract)

[2] 趙佳樂(lè)，賈洪雷，姜鑫銘，等. 大豆播種機(jī)偏置雙圓盤氣吸式排種器[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2013，44(8)：78－83. Zhao Jiale, Jia Honglei, Jiang Xinming, et al. Suction type offset double disc seed metering device of soybean seeder[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2013, 44(8): 78－83. (in Chinese with English abstract)

[3] 史智興，高煥文. 排種監(jiān)測(cè)傳感器的試驗(yàn)研究[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2002，33( 2)：41－43. Shi Zhixing, Gao Huanwen. RLD optoelectronic sensor for seeding monitoring[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2002, 33(2): 41－43. (in Chinese with English abstract)

[4] 陳進(jìn)，李耀明，王希強(qiáng)，等. 氣吸式排種器吸孔氣流場(chǎng)的有限元分析[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2007，38(9)：59－62. Chen Jin, Li Yaoming, Wang Xiqiang, et al. Finite element analysis for the sucking nozzle air field of air-suction seeder[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2007, 38(9): 59－62. (in Chinese with English abstract)

[5] 何堤, 陳立東, 謝宇峰. 氣吸式排種器排種質(zhì)量影響因素的試驗(yàn)研究[J]. 農(nóng)機(jī)化研究, 2006(1):175－176. He Di, Chen Lidong, Xie Yufeng. Effects of sewage rrigation on growth of paddy[J] Journal of Agricultural Mechanization Research, 2006(1):175－176. (in Chinese with English abstract)

[6] Qi Jiangtao, Jia Honglei, Li Yang, et al. Design and test of fault monitoring system for corn precision planter[J]. International Journal of Agricultural & Biological Engineering, 2015, 8(6): 13－19.

[7] 周利明，王書茂，張小超，等. 基于電容信號(hào)的玉米播 種機(jī)排種性能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28(3)： 16－21. Zhou Liming, Wang Shumao, Zhang Xiaochao, et al. Seed monitoring system for corn planter based on capacitance signal [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(3): 16－21. (in Chinese with English abstract)

[8] 王愛(ài)玲，房亞民. 電容傳感器寄生電容干擾的產(chǎn)生原因及消除方法[J]. 華北科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2005(1)：93－95. Wang Ailing, Fang Yamin. Autoeciousness capacitance of capacitance sensor technology[J]. Journal of North China Institute of Science and Technology, 2005(1): 93－95. (in Chinese with English abstract)

[9] Alchanatis V, Kashti Y, Brikman R. A machine visionfor evaluation of planter seed spatial distribution[J]. Agricultural Engineering International Cigr E Journal, 2002, 4: 11－20.

[10] Jia J, Krutz G W. Location of maize plant with machine vision[J]. Agric Eng Research, 1992, 52(3): 169－181. .

[11] Nakarmi D, Tang L. Automatic inter-plant spacing sensing at early growth stages using a 3D vision sensor[J]. Computer and Electronic in Agriculture, 2012, 82(3): 23－31.

[12] 陳進(jìn)，邊疆，李耀明，等. 基于高速攝像系統(tǒng)的精密排種器性能檢測(cè)試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2009，25(9)：90－95. Chen Jin, Bian Jiang, Li Yaoming, et al. Performance detection experiment of precision seed metering device based on high-speed camera system[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2009, 25(9): 90－95. (in Chinese with English abstract)

[13] Karayel D, Wieseoff M, Ozmerzia A, et al. Laboratory measurement of seed drill seed spacing and velocity of fall of seeds using high-speed camera system [J]. Computers and Electronics in Agriculture, 2006, 50(2): 89－96

[14] Navid H, Ebrahimian S, Gassemzadeh H R, et al. Laboratory evaluation of seed metering device using image processing method[J]. Australian Journal of Agricultural Engineering, 2011, 2(1): 1－4.

[15] 黃東巖, 賈洪雷, 祁悅, 等. 基于聚偏二氟乙烯壓電薄膜的播種機(jī)排種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2013, 29(23): 15－22. Huang Dongyan, Jia Honglei, Qi Yue, et al. Seeding monitor system for planter based on polyvinylidence fluoride piezoelectric film[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(23): 15－22. (in Chinese with English abstract)

[16] Li H, Pan D. Multi-photoelectric detection sensor target information recognition method based on D-S data fusion[J]. Sensors and Actuators A: Physical, 2017, 264: 117－122

[17] F Naaim-Bouvet, H Bellot, K Nishimura, et al. Detection of snowfall occurrence during blowing snow events using photoelectric sensors[J]. Cold Regions Science & Technology, 2014, 106－107 (10): 11－21

[18] Lan Y, Kocher M F, Smith J A. Opto-electronic sensor system for laboratory measurement of planter seed spacing with small seeds[J]. Journal of Agricultural Engineering Research, 1999, 72(2): 119－127.

[19] Okopnik D L, Falate R. Usage of the DFRobot RB-DFR-49 Infrared Sensor to detect maize seed passage on a conveyor belt[J]. Computers and Electronics in Agriculture, 2014, 102(1): 106－111.

[20] 張繼成，陳海濤，歐陽(yáng)斌林，等. 基于光敏傳感器的精密播種機(jī)監(jiān)測(cè)裝置[J]. 清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2013 (2)：265－268. Zhang Jicheng, Chen Haitao, Ouyang Binlin, et al. Monitoring system for precision seeders based on a photosensitive sensor[J]. Journal of Tsinghua University (Science and Technology), 2013(2): 265－268. (in Chinese with English abstract)

[21] 紀(jì)超，陳學(xué)庚，陳金成，等. 玉米免耕精量播種機(jī)排種質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2016, 47(8)：1－6. Ji Chao, Chen Xuegeng, Chen Jincheng, et al. Monitoring system for working performance of no-tillage corn precision seeder[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 47(8): 1－6. (in Chinese with English abstract)

[22] Li S, Gong H, Gu H. Notice of retraction research on loss seeding monitoring and precise reseeding seeder system[J]// International Conference on Computer Application and System Modeling. IEEE, 2010-10-24.

[23] 高富強(qiáng)，齊鵬，邱立春. 氣吸式排種器排種性能影響因素的分析與試驗(yàn)研究[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2016，38(9)：191－196. Gao Fuqiang, Qi Peng, Qiu Lichun. The analysis and experimental study on the parameters of seeding qualified effects of air-suction seed metering device[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2016, 38(9): 191－196. (in Chinese with English abstract)

[24] 溫浩軍，陳學(xué)庚，顏利民，等. 精量播種電子監(jiān)控裝置的研究[J]. 新疆農(nóng)墾科技，2008(6)：39－40.

[25] 陳海濤，李桐輝，王洪飛，等. 氣吸滾筒式壟上三行大豆密植排種器設(shè)計(jì)與參數(shù)優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2018，34(17): 16－24

[26] 那曉雁，趙春雁，孫士明，等. 氣吸式排種器性能試驗(yàn)及預(yù)測(cè)分析[J]. 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2015，41(4)：440－442.

[27] 中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì).單粒（精密）播種機(jī)：GB/T 6973-2005[S]. 北京: 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2005.

Detecting seed suction performance of air suction feeder by photoelectric sensor combined with rotary encoder

Jia Honglei1,2, Lu Yun1,2, Qi Jiangtao1,2※, Zhang Zhe1,2, Liu Huili1,2, Li Yang1,3, Luo Xiaofeng1,2

(1.130025,; 2.130025,; 3.606-8502,)

The air suction type soybean seed-metering device is the core component of the air suction soybean planter. Therefore, the stability and reliability of the machine in working determines the seeding quality of the whole machine. Therefore, high-speed and precision sowing is one of the main development directions of soybeans, corns and other sowing crops. The working state of the seeding machine in the working process is difficult to be directly observed with the naked eye. Once the fault of the metering device occurs, it is very difficult to find and deal with it in time. In this paper, the application of air suction type seed-metering device in high-speed and precision seed metering was discussed, and the seed disc suction performance detection system (SDSPS) was designed. The system used a concave photoelectric sensor to collect the information of seed suction of the platters and used the photoelectric rotary encoder to collect information of the rotation angle of the seed-bearing shaft. By processing the output signal of the photoelectric sensor and the pulse signal of the photoelectric encoder, the seed disc suction performance detection system (SDSPS) can detect every suction holes’ sucking condition, so that the working condition of the whole metering device can be detected. It is of great significance to improve the working performance of air-sucking soybean seed metering device. Bench tests were carried out under six working conditions, and the experimental data were collected. At the same time, the feasibility tests were carried out to detect the absorption of single hole to the seeds. All the test data were collected and compared with the test data of the commonly used system which called Seeding Detecting System based on Image Processing (SDSIP)). Through F-test and t-test (=0.05), it was found that the total variances of the two systems were the same and the mean values were the same. The results of accuracy analysis showed that the maximum relative error of SDSPS was 0.31% compared with that of SDSIP. The results of system stability analysis showed that the fluctuation amplitude of SDSPS was similar to that of SDSIP, and the maximum relative deviation between SDSPS and SDSIP was less than 1%. The maximum relative error of the SDSPS in the detection of the suction amount of single suction hole was 16.67%. Through the field test，for the effects of SDSPS on the amount of seed lost and the amount of multiple species absorbed, the average relative error of detection value and real value of detection system was 3.87% and 8.42% respectively, and the maximum relative error values were 10.34% and 20.00% respectively. The reason for the error is the complex conditions of the fields, such as the uneven surface environment and so on. The vibration of the machines and tools caused by the rough ground makes the data measured by this method deviate, resulting in abrupt errors. SDSPS can effectively measure the seed absorption performance of seeding suction. There is also a high reliability in the detection of the amount of seed absorbed by a single suction hole. It can provide technical support for the performance detection and improvement of the air suction type seed-metering device. The test system designed in this paper can effectively detect the working performance of sucking holes in the metering disk. It can also find out the problem of seed suction hole, and provide reference for subsequent improvement and performance improvement of seed tray so as to speed up the research and development of the metering device.

agricultural machinery;sensors; seeds; air suction feeder; seed suction performance; detecting system

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.19.004

S223.2; S24

A

1002-6819(2018)-19-0028-12

2018-05-22

2018-08-21

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2016YFD0700302）；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（31401284）

賈洪雷，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事保護(hù)性耕作及其智能裝備研究。Email：jiahl@vip.163.com

齊江濤，副教授，博士，主要從事精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)與智能農(nóng)業(yè)裝備研究。Email：qijiangtao@ jlu.edu.cn

中國(guó)農(nóng)業(yè)工程學(xué)會(huì)會(huì)員：齊江濤（E040600007M）

賈洪雷，路 云，齊江濤，張 哲，劉慧力，李 楊，羅曉峰.光電傳感器結(jié)合旋轉(zhuǎn)編碼器檢測(cè)氣吸式排種器吸種性能[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2018，34(19)：28－39. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.19.004 http://www.tcsae.org

Jia Honglei, Lu Yun, Qi Jiangtao, Zhang Zhe, Liu Huili, Li Yang, Luo Xiaofeng. Detecting seed suction performance of air suction feederby photoelectric sensor combined with rotary encoder[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(19): 28－39. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.19.004 http://www.tcsae.org