基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的氣吸滾筒式精密排種器控制系統(tǒng)

王平崗，楊德義，吳東林

(1.漯河職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 漯河 462300；2.漯河食品職業(yè)學(xué)院，河南 漯河 462300)

0 引言

世界上先進(jìn)的播種技術(shù)均以精量播種為核心，精量播種技術(shù)的實(shí)施，可節(jié)省大量?jī)?yōu)良種子，節(jié)省田間間苗、定苗等工作用工。種子合理的分布可減少肥料的使用，既減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，又增加農(nóng)戶(hù)的經(jīng)濟(jì)效益。隨著精細(xì)農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展和農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，精量播種機(jī)械受到了國(guó)內(nèi)外的普遍重視，精量播種技術(shù)有了更廣闊的發(fā)展前景。排種器是精密播種機(jī)的核心部件，其作業(yè)性能的好壞和播種質(zhì)量息息相關(guān)，如果能對(duì)其排種質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并利用監(jiān)測(cè)信息來(lái)反饋調(diào)節(jié)排種狀態(tài)，可以有效提高排種器的排種質(zhì)量，進(jìn)而提升播種質(zhì)量。本研究擬將計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)引入到排種器的排種質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，通過(guò)對(duì)排種器的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和排種控制系統(tǒng)的反饋調(diào)節(jié)，提高排種器的整體性能。

1 氣吸式精密排種器的設(shè)計(jì)原理

目前，國(guó)內(nèi)使用的氣吸式精密排種器主要包括氣壓式、氣吹式及氣吸式。3種排種器的結(jié)構(gòu)和作業(yè)原理不同，因此在設(shè)計(jì)時(shí)需要根據(jù)3種排種器的不同工作原理對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。氣壓式排種器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 氣壓式精密排種器Fig.1 The vapour-pressure-type precision seed metering device

氣壓式精密排種器的氣流由風(fēng)機(jī)產(chǎn)生，氣流通過(guò)進(jìn)風(fēng)管進(jìn)入到排種器中。由于筒內(nèi)是密閉的，會(huì)在兩側(cè)形成壓差，種子在壓差的作用下吸附在窩眼內(nèi)，隨著滾筒一起轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)種子到達(dá)指定的播種位置時(shí)，通過(guò)彈性卸種輪使大氣和窩眼相通，壓差消失。此時(shí)，種子在重力作用下掉入接種的漏斗內(nèi)，并被氣流輸送到指定的播種位置處。

圖2為氣吹式排種器的結(jié)構(gòu)示意圖。該裝置以輪式排種器為基礎(chǔ)，通過(guò)改進(jìn)清種裝置而成，利用取種盤(pán)兩側(cè)的壓差和重力的作用，使取種盤(pán)順利吸附種子。工作時(shí)，隨排種盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)到清種區(qū)域后，在高壓氣流的作用下將其余的種子清除掉，種子到達(dá)卸種區(qū)域后，在推種片和自身重力的作用下進(jìn)入到指定的播種區(qū)域。

圖2 氣吹式精密排種器Fig.2 The air-sweeping-type precision seed metering device

氣吸式精密排種器(如圖3所示)由兩個(gè)室組成：一個(gè)是負(fù)壓室，一個(gè)是充種室，兩個(gè)室由取種盤(pán)隔開(kāi)。當(dāng)取種盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，種盤(pán)上留的型孔將種子吸附在型孔上，隨著排種器轉(zhuǎn)動(dòng)，在清種區(qū)域?qū)⒍嘤嗟姆N子清除掉；當(dāng)種子達(dá)到指定的播種位置時(shí)，取種盤(pán)上帶有種子的型孔越過(guò)了負(fù)壓區(qū)，負(fù)壓消失，進(jìn)而吸力也消失，種子在重力作用下落入到指定的播種區(qū)域。

圖3 氣吸式精密排種器Fig.3 The aspirated-air-type precision seed metering device

2 氣吸式排種器監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

排種器的排種質(zhì)量直接關(guān)系到播種機(jī)的播種效果，因此對(duì)其控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)非常重要。為了實(shí)現(xiàn)排種器較為精確的控制，首先需要對(duì)排種質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格的監(jiān)控，然后通過(guò)反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)對(duì)排種器進(jìn)行控制，以達(dá)到精確播種的效果。排種器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括傳感器、識(shí)別電路、顯示器、報(bào)警器和電源等，其框架結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 排種器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理Fig.4 The principle of the monitoring system of the seed metering device

基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的排種器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以利用其圖像處理功能對(duì)播種質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并通過(guò)顯示電路顯示播種質(zhì)量，當(dāng)播種質(zhì)量出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，還可以對(duì)播種機(jī)發(fā)出報(bào)警，其實(shí)物圖如圖5所示。

圖5 排種器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.5 The physical diagram of the monitoring system of the seed metering device

利用傳感器可對(duì)播種機(jī)實(shí)況進(jìn)行信息采集，然后將采集信息傳送到微處理器或者PC計(jì)算機(jī)上，通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行處理，并發(fā)出控制指令到微處理器，微處理器控制電機(jī)進(jìn)行動(dòng)作。系統(tǒng)的硬件框架結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 播種監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)硬件框架Fig.6 The hardware framework of sowing monitoring and control system

如圖7所示：以株距的控制為例，當(dāng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將采集的株距傳送給PC機(jī)之后，PC機(jī)需要對(duì)株距進(jìn)行調(diào)整，并發(fā)出指令，當(dāng)接收到指令后排種器做出相應(yīng)的調(diào)整，以提高播種質(zhì)量，調(diào)整過(guò)程可以采用反饋調(diào)節(jié)的方式，反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)如圖8所示。

圖7 播種監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)軟件框架Fig.7 The software framework of sowing monitoring and control system

圖8 排種器反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)Fig.8 The feedback regulation system of seed metering device

為了提高播種機(jī)的播種精度，可以采用反饋調(diào)節(jié)的方式，根據(jù)播深、株距等采集的反饋信息，PC機(jī)對(duì)信息進(jìn)行綜合處理后，根據(jù)控制規(guī)則向微處理器發(fā)出控制指令，調(diào)整排種器的排種姿態(tài)，調(diào)整株距，改善漏播或者重播情況。

3 氣吸滾筒式排種器參數(shù)設(shè)計(jì)及性能測(cè)試

氣吸滾筒式排種器的參數(shù)設(shè)計(jì)主要包括吸孔、排種盤(pán)直徑及吸孔的直徑等，首先根據(jù)排種盤(pán)的規(guī)格本次選定排種盤(pán)的直徑為350mm，厚度為2.8mm，根據(jù)吸孔直徑的設(shè)計(jì)理論公式可以確定吸孔直徑，即

d=(0.64-0.66)b

(1)

其中，b為種子的平均寬度。根據(jù)在實(shí)驗(yàn)時(shí)種子的尺寸，選擇合適的吸孔直徑和吸孔數(shù)目。

影響氣吸滾筒式排種器性能的另一個(gè)重要指標(biāo)是氣室的真空度，真空度的大小會(huì)影響種子播種的精確程度，氣室的真空度越多，種子的吸附能力越強(qiáng)，空穴現(xiàn)象較少，但是真空度過(guò)大也會(huì)造成漏播現(xiàn)象，因此在設(shè)計(jì)時(shí)可以參考一定的經(jīng)驗(yàn)和公式，即

(2)

其中，K1為吸附的可靠性系數(shù)；K2為播種機(jī)的可靠性系數(shù)；d為吸孔的直徑；C為排種盤(pán)和種子重心的間距；G為種子重量；V為吸孔中心線(xiàn)處的速度；r為轉(zhuǎn)動(dòng)半徑，λ為摩擦因數(shù)。

氣吸滾筒式排種器設(shè)計(jì)完成后對(duì)其性能進(jìn)行了測(cè)試，如圖9所示。測(cè)試采用大豆種子，將基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的排種器性能檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)安裝在氣吸滾筒式播種機(jī)上，通過(guò)性能測(cè)試得到了如表1所示測(cè)試結(jié)果。

圖9 播種機(jī)排種器性能測(cè)試Fig.9 The performance test of seeding apparatu表1 排種器性能測(cè)試結(jié)果Table 1 The performance test results of seeding apparatu

測(cè)試編號(hào)作業(yè)速度/km·h-1重播指數(shù)漏播指數(shù)171.221.01281.231.05391.251.21

續(xù)表1

測(cè)試結(jié)果表明：采用基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的播種質(zhì)量監(jiān)測(cè)平臺(tái)可以成功地監(jiān)測(cè)到排種器的性能，且可以得到不同作業(yè)速度下的重播指數(shù)和漏播指數(shù)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)方案的調(diào)整，對(duì)不同氣吸滾筒負(fù)壓差下的播種質(zhì)量進(jìn)行了檢測(cè)，并將計(jì)算機(jī)視覺(jué)監(jiān)測(cè)和人工監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，得到了如表2所示的測(cè)試結(jié)果。

表2 不同滾筒負(fù)壓差下監(jiān)測(cè)合格率Table 2 The monitoring rate of different roller negative pressure difference

在不同滾筒負(fù)壓差下對(duì)播種的合格率進(jìn)行了檢測(cè)，并將計(jì)算機(jī)視覺(jué)監(jiān)測(cè)得到的結(jié)果和人工監(jiān)測(cè)得到的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。對(duì)比結(jié)果表明：采用計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)監(jiān)測(cè)得到的結(jié)果和人工監(jiān)測(cè)得到的結(jié)果基本吻合，且播種的合格率較高，從而驗(yàn)證了基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的氣吸滾筒式精密排種器的監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)的可靠性。

4 結(jié)論

為了提高排種器的排種質(zhì)量，將計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)引入到了氣吸滾筒式精密排種器的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了排種器的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并利用監(jiān)測(cè)信息實(shí)現(xiàn)了排種器控制系統(tǒng)的閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)。為了驗(yàn)證裝置的可靠性，將監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)安裝在了播種機(jī)上，對(duì)監(jiān)測(cè)性能進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明：采用計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以有效地采集重播和漏播信息，將其監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性和人工監(jiān)測(cè)進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，其監(jiān)測(cè)結(jié)果和人工監(jiān)測(cè)基本吻合。由播種合格率表明，控制系統(tǒng)的控制精度也較高，從而可以滿(mǎn)足精密播種機(jī)的播種需求。