玉米籽粒破碎率在線采樣裝置設(shè)計(jì)

楊 亮，王 卓，白曉平，高 雷 ，扈偉斌

(1.中國(guó)科學(xué)院 沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所，沈陽(yáng) 110016；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.中聯(lián)重機(jī)股份有限公司，安徽 蕪湖 241080)

0 引言

我國(guó)是玉米種植大國(guó)，玉米種植范圍廣泛,種植面積大，且年總產(chǎn)量約占全球玉米總產(chǎn)量的25%左右。從2008年到2015年，我國(guó)的玉米種植面積及年總產(chǎn)量逐年增加，雖然2016、2017年出現(xiàn)輕微降幅，但總體上我國(guó)的玉米種植面積及年總產(chǎn)量仍處于較高水平[1-2]。

玉米不僅是重要的糧食作物，還是重要的工業(yè)原材料，伴隨著我國(guó)對(duì)生態(tài)環(huán)境的高度重視，玉米作為清潔能源主要原材料之一，其需求也在不斷地增長(zhǎng)。但是由于我國(guó)自主研制的聯(lián)合收割機(jī)在實(shí)際收獲作業(yè)時(shí)容易造成玉米籽粒破碎，導(dǎo)致玉米在后期倉(cāng)儲(chǔ)及綜合使用時(shí)利用率下降，不能全部滿足我國(guó)對(duì)于玉米產(chǎn)量及質(zhì)量的總體需求。

玉米籽粒破碎是籽粒破碎、破皮及裂紋的統(tǒng)稱。針對(duì)玉米籽粒破碎檢測(cè)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了許多相關(guān)研究。李心平[3-5]就玉米籽粒脫粒時(shí)受到的外界沖擊對(duì)玉米籽粒內(nèi)部應(yīng)力裂紋的影響進(jìn)行研究，通過(guò)玉米籽粒沖擊實(shí)驗(yàn)，并結(jié)合Ansys有限元分析，得出玉米籽粒的破碎率與含水率、籽粒喂入形式和脫粒滾筒轉(zhuǎn)速有著密切聯(lián)系。李曉峰[6]對(duì)玉米籽粒內(nèi)部應(yīng)力裂紋研究發(fā)現(xiàn)，玉米籽粒冠部為玉米籽粒主要受力部位，裂紋以玉米冠部被打擊區(qū)域?yàn)橹行模蜃蚜?nèi)部四處潰散，若籽粒裂紋長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，易造成玉米胚乳的損傷，影響籽粒育種的成活率。張新偉[7]利用Sobel邊緣檢測(cè)方法和改進(jìn)形態(tài)學(xué)處理方法，通過(guò)建立兩者的融合規(guī)則，對(duì)玉米籽粒檢測(cè)圖像進(jìn)行小波分析，從而獲得玉米籽粒內(nèi)部機(jī)械應(yīng)力裂紋的邊緣輪廓信息。張杰[8]將圖像分析和聲學(xué)檢測(cè)相結(jié)合，用于對(duì)玉米應(yīng)力機(jī)械裂紋進(jìn)行快速檢測(cè)，通過(guò)對(duì)不同材質(zhì)的創(chuàng)擊實(shí)驗(yàn)信號(hào)進(jìn)行分析處理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：玻璃材質(zhì)的沖擊板可以對(duì)存在應(yīng)力裂紋的玉米籽粒進(jìn)行有效檢測(cè)。

J.M.Valiente-González[9]基于主成分分析與異常值檢測(cè)方法，利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)，用以區(qū)分完整玉米籽粒與表面帶有凹痕的破碎玉米籽粒。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在HSV顏色空間下，該方法檢測(cè)準(zhǔn)確率可達(dá)92%。S．Gunasekaran[10]基于計(jì)算機(jī)技術(shù)，對(duì)玉米籽粒內(nèi)部機(jī)械應(yīng)力裂紋進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)白色光源發(fā)出的光線通過(guò)帶有小孔的黑色背景模板時(shí)，可以有效地對(duì)玉米籽粒內(nèi)部機(jī)械應(yīng)力裂紋進(jìn)行識(shí)別。I.Zayas[11]等從12個(gè)形態(tài)參數(shù)中采用多元判別分析方法，挑出7個(gè)影響較大參數(shù)，建立馬氏距離判別函數(shù)，對(duì)完整的玉米籽粒和破碎的玉米籽粒進(jìn)行識(shí)別，該方法的識(shí)別準(zhǔn)確率較高。

目前，關(guān)于玉米籽粒裂紋及破碎情況的研究，國(guó)內(nèi)外學(xué)者基本上處于離線狀態(tài)下對(duì)玉米籽粒進(jìn)行檢測(cè)，而不是在聯(lián)合收割機(jī)收獲作業(yè)時(shí)的在線檢測(cè)。相比于離線檢測(cè)，在線檢測(cè)玉米籽粒破碎率較為困難。因?yàn)樵陔x線檢測(cè)時(shí)玉米籽粒對(duì)檢測(cè)采樣裝置的沖擊較小，且人工易于操作；而在線檢測(cè)時(shí)玉米籽粒對(duì)采樣裝置有較大的沖擊，且需滿足玉米籽粒動(dòng)態(tài)不間斷地進(jìn)入采樣裝置及進(jìn)入采樣裝置的玉米籽粒擁有良好的單層化效果，以防止玉米籽粒堆疊，造成采樣效果不佳。

針對(duì)玉米籽粒破碎率在線檢測(cè)這一研究問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種玉米籽粒破碎率在線采樣裝置，以便于聯(lián)合收割機(jī)收獲作業(yè)時(shí)對(duì)玉米籽粒破碎率進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

1 玉米籽粒破碎率在線采樣裝置

玉米籽粒在線采樣裝置主要包括分流單元、篩板層、上/下層轉(zhuǎn)板、光源及CCD工業(yè)相機(jī)，如圖1所示。

圖1 玉米籽粒破碎率在線采樣裝置Fig.1 Maize kernel broken rate on-line sampling device

玉米籽粒破碎率在線采樣裝置的工作原理：將玉米籽粒破碎率在線采樣裝置安裝在聯(lián)合收割機(jī)糧箱處，分流單元主要包括上層引流料斗和下層分流料斗。聯(lián)合收割機(jī)均糧攪龍?zhí)庉敵龅挠衩鬃蚜Ｒ跃Z攪龍為基礎(chǔ)呈線性分散進(jìn)入聯(lián)合收割機(jī)糧箱中，為了使采樣范圍增大，利用上層引流料斗將玉米籽粒引入在線采樣裝置的內(nèi)部。下層分流料斗上部開(kāi)有方口，其大小小于上層引流料斗的開(kāi)口，目的是防止過(guò)多的玉米籽粒進(jìn)入采樣裝置內(nèi)部。如果籽粒過(guò)多的進(jìn)入裝置內(nèi)部，不利于后續(xù)的玉米籽粒單層化，且過(guò)多的玉米籽粒對(duì)采集設(shè)備的沖擊也較大，不利于采集設(shè)備的穩(wěn)定采集。

采樣裝置內(nèi)部第1層為篩板層，篩板層上開(kāi)有大小一致且均勻排列的圓孔。開(kāi)孔大小應(yīng)保證進(jìn)入采樣裝置內(nèi)部的玉米籽粒均可以通過(guò)，設(shè)計(jì)目的是為了減小玉米籽粒對(duì)內(nèi)部構(gòu)件的沖擊，且使進(jìn)入采樣裝置內(nèi)部的玉米籽粒更加分散，從而有利于玉米籽粒單層化的實(shí)現(xiàn)。

篩板層下部為上/下層轉(zhuǎn)板、光源及CCD相機(jī)，初始時(shí)下層轉(zhuǎn)板處于水平狀態(tài)，上層轉(zhuǎn)板處于豎直狀態(tài)。當(dāng)達(dá)到設(shè)定采樣時(shí)間后，通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)，使上層轉(zhuǎn)板從豎直狀態(tài)變?yōu)樗綘顟B(tài)，這樣上/下層轉(zhuǎn)板之間形成一個(gè)相對(duì)封閉的空間，防止后續(xù)玉米籽粒在次進(jìn)入下層轉(zhuǎn)板，而對(duì)圖像的采集質(zhì)量造成影響。CCD相機(jī)采集一定時(shí)間后，上層轉(zhuǎn)板與下層轉(zhuǎn)板，在各自步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)下，均從水平狀態(tài)變?yōu)樨Q直狀態(tài)，下層轉(zhuǎn)板釋放掉已采樣的玉米籽粒，并再次從豎直狀態(tài)變?yōu)樗綘顟B(tài)，完成1次采樣周期。下層轉(zhuǎn)板上均勻排列著凹孔，目的是防止玉米籽粒的堆疊，便于實(shí)現(xiàn)玉米籽粒的單層化。

通過(guò)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制完成對(duì)上/下層轉(zhuǎn)板的運(yùn)動(dòng)控制，步進(jìn)電機(jī)為Model J-5718HB3401，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器為DM542，控制電路板為STM32，如圖2所示。

圖2 步進(jìn)電機(jī)及控制電路Fig.2 Stepping motor and control circuit

CCD相機(jī)為Basler公司生產(chǎn)的aviator系列千兆以太網(wǎng)口面陣相機(jī)，相機(jī)型號(hào)為avA1000-100gc。通過(guò)工業(yè)CCD相機(jī)完成對(duì)采樣裝置內(nèi)部的玉米籽粒樣品采集，并將采集圖片動(dòng)態(tài)傳輸?shù)紻SP處理卡中，用以對(duì)采集圖像進(jìn)行分析，并將分析結(jié)果在車載終端上顯示。采樣裝置的圖像采集和處理分析的原理，如圖3所示。光源主要是給采樣裝置內(nèi)部提供光照，以保證圖像的采集質(zhì)量。

圖3 圖像采集及處理分析Fig.3 Image acquisition and processing analysis

2 模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以聯(lián)合收割機(jī)升運(yùn)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，模擬聯(lián)合收割機(jī)的玉米籽粒進(jìn)入糧箱的過(guò)程。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以較為真實(shí)地反映玉米籽粒從輸糧攪龍到均糧攪龍的全過(guò)程，使實(shí)驗(yàn)環(huán)境更加真實(shí)。模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要包括提升機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、支撐機(jī)構(gòu)及進(jìn)給機(jī)構(gòu)。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要給提升機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力，使玉米籽粒通過(guò)提升機(jī)構(gòu)從輸糧攪龍運(yùn)送到均糧攪龍。支撐機(jī)構(gòu)主要是支撐提升機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和進(jìn)給機(jī)構(gòu)的平臺(tái)。進(jìn)給機(jī)構(gòu)主要為進(jìn)給滑道，使玉米籽粒從存儲(chǔ)箱中滑落到輸糧攪龍?zhí)?，模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

1.升運(yùn)器 2.實(shí)驗(yàn)箱 3.存儲(chǔ)箱 4.支撐架 5.異步電機(jī) 6.調(diào)節(jié)擋板 7.皮帶 8.皮帶傳動(dòng)系統(tǒng) 9.萬(wàn)向輪 10.承重臺(tái) 11.輸糧攪龍 12.進(jìn)給滑道 13.閥板 14擋板 15.均糧攪龍

模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的工作原理：將玉米籽粒破碎率在線采樣裝置放在模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)箱中，將玉米籽粒存放在模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的存儲(chǔ)箱中，開(kāi)啟模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的異步電機(jī)，使異步電機(jī)帶動(dòng)皮帶傳動(dòng)系統(tǒng)。打開(kāi)存儲(chǔ)箱底部閥板，使玉米籽粒沿著進(jìn)給滑道，滑送到輸糧攪龍?zhí)?，升運(yùn)器將輸糧攪龍的玉米籽粒升運(yùn)到均糧攪龍?zhí)?，均糧攪龍?jiān)趯⒂衩鬃蚜仦⒌綄?shí)驗(yàn)箱中，使玉米籽粒進(jìn)入采樣裝置內(nèi)部，從而完成對(duì)玉米籽粒樣品的采集。樣品采集完成后，采樣裝置釋放掉的玉米籽粒通過(guò)實(shí)驗(yàn)箱中底端打開(kāi)的擋板在此回流到存儲(chǔ)箱中，從而動(dòng)態(tài)實(shí)現(xiàn)對(duì)玉米籽粒的循環(huán)采樣，使實(shí)驗(yàn)環(huán)境更加接近真實(shí)的聯(lián)合收割機(jī)田間作業(yè)情況。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)原理如圖5所示。

圖5 模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)工作原理圖Fig.5 Functional diagram of simulation experiment platform

3 實(shí)驗(yàn)采集結(jié)果

本實(shí)驗(yàn)選用的玉米品種為遼沈地區(qū)廣泛種植的鄭單958，玉米籽粒經(jīng)模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)入玉米籽粒破碎率在線采樣裝置。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Experimental result

由圖6可以看出：采樣裝置內(nèi)部的玉米籽粒沒(méi)有出現(xiàn)堆疊情況，實(shí)現(xiàn)了玉米籽粒的單層化要求，且采集的圖像較為清晰，便于后續(xù)對(duì)采集圖像進(jìn)行分析處理，有利于對(duì)破碎玉米籽粒與完整玉米籽粒進(jìn)行區(qū)分。模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)真實(shí)地體現(xiàn)出聯(lián)合收割機(jī)收獲時(shí)玉米籽粒進(jìn)入糧箱的過(guò)程，增加了實(shí)驗(yàn)的真實(shí)性，并給采樣裝置設(shè)計(jì)的進(jìn)一步優(yōu)化提供參考依據(jù)。

4 結(jié)論與展望

通過(guò)實(shí)驗(yàn)可知：本文的玉米籽粒破碎率在線采樣裝置，能夠較好地實(shí)現(xiàn)玉米籽粒的單層化，且采集圖像較為清晰，可以初步滿足聯(lián)合收割機(jī)田間實(shí)驗(yàn)需求。采樣裝置機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)思路簡(jiǎn)便，裝置易于安裝在聯(lián)合收割機(jī)的糧箱中。

下一步主要是針對(duì)玉米籽粒破碎率在線檢測(cè)的圖像處理與破碎玉米籽粒的特征提取方法進(jìn)行研究，使在車載終端可以較好地將破碎玉米籽粒從完整的玉米籽粒中進(jìn)行區(qū)分。采樣裝置加裝圖像采集設(shè)備，以用于多角度、全方位的采集玉米籽粒樣品，這樣不僅可以更加直觀地反應(yīng)玉米籽粒在采樣裝置的形態(tài)特征，還有利于對(duì)完整玉米籽粒與破碎玉米籽粒的不同特征進(jìn)行分析提取，從而提升對(duì)破碎玉米籽粒識(shí)別的準(zhǔn)確性，提高在線采樣裝置的檢測(cè)精度及效率。同時(shí)，采樣裝置的結(jié)果可以進(jìn)一步優(yōu)化，使其更加精巧，從而能夠在更多類型的聯(lián)合收割機(jī)中安裝使用。