基于磁場的棉花種深探測試驗研究

康 佳，王 楠，姜海勇，徐鵬云，賈夢迪，邵利敏

（河北農(nóng)業(yè)大學 機電工程學院，河北 保定 071001）

棉花種子萌發(fā)時，種子消耗胚乳供胚發(fā)育，胚根向下生長受土壤阻力增加，使頂部子葉上升，若胚乳消耗殆盡前子葉未出土已進行光合作用供給營養(yǎng)，則種子不能成活，可成活種子的覆土越深，視為拱土力越強，因此覆土深度直接影響發(fā)芽率［1-3］。國家標準規(guī)定［2,4-5］，毛子發(fā)芽率達70%,包衣子及光子發(fā)芽率達80%為合格，否則不允許作生產(chǎn)用種銷售。而實際作業(yè)中［6-8］，播種時開溝深度、投種位置和覆土量難控制，播后種子深度隨土壤容重改變，測量覆土深度時需手工剖分種床，對種苗造成嚴重損傷［9］，可見用于小區(qū)育種時，精確無損地探測種子覆土深度具有重要意義。

現(xiàn)有研究中［10-12］，Kiani S等于2010年提出使用非接觸式超聲波傳感器對種子單元進行自動在線深度控制，可精確控制播種坑深［10］；李玉環(huán)等于2016年提出玉米播種深度智能調(diào)控系統(tǒng)，播種合格率明顯優(yōu)于機械仿形裝置，實現(xiàn)了播種深度的自動調(diào)控，保證了玉米播種深度一致性［13］。但以上方法都不能獲取種子覆土后實際深度。

本試驗通過借鑒大地地磁測深法、瞬變電磁法、激電測深法等［14-16］，分析所測磁球磁場強度分布規(guī)律，實現(xiàn)了對種子三維坐標的無接觸式自動獲取，以期為建立數(shù)字化棉花栽培管理系統(tǒng)奠定基礎［17］。

1 材料和方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 試驗環(huán)境、材料 試驗于2018年3月在室內(nèi)進行。試驗對象為磁球，直徑分別為6、10 mm。

1.1.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 計算機通過Mach3軟件系統(tǒng)向運動控制板發(fā)送掃描指令后，傳感器在磁球上方沿路徑掃描，在每個設定測點停頓時，Mach3運動控制板向單片機發(fā)送數(shù)據(jù)采集指令，使單片機將當前場強數(shù)據(jù)Z與坐標X、Y綁定并存儲，掃描完成后，單片機以無線通信的方式將數(shù)據(jù)傳輸給計算機，經(jīng)過上位機軟件處理數(shù)據(jù)得出種子三維坐標，并顯示數(shù)據(jù)分析結(jié)果（圖1）。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 System block diagram

1.1.3 機械結(jié)構(gòu) 目前常見三維XYZ運動機構(gòu)包括龍門式、懸臂式、虛擬軸式等。本試驗所需負載僅為高斯計，重量輕，運行精度要求高。并聯(lián)結(jié)構(gòu)具有比剛度高、響應速度快、運動精度高、成本低等優(yōu)點，而其他機構(gòu)在這些方面相對不足，故選用DELTA并聯(lián)機構(gòu)［18］（圖2）。

圖2 機械結(jié)構(gòu)Fig.2 Mechanical structure

1.1.4 運動控制方案 由于數(shù)控系統(tǒng)具有簡潔、成熟、易操作、自動化程度高等優(yōu)點，故采用數(shù)控系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測思想。如圖3，Arduino UNO R3單片機輸入口與Mach3數(shù)控運動控制板輸出口通信，傳感器每到達一個測點時，通過使用自定義的M代碼使Mach3板改變輸出口電平狀態(tài)，觸發(fā)單片機記錄坐標。

圖 3 數(shù)控指令流程圖Fig.3 CNC instruction flow chart

1.1.5 數(shù)據(jù)采集方案 如圖4，本試驗選用Hall效應霍爾傳感器，由Si密封的GaAs半導體霍爾器件，經(jīng)1.5 V電壓激勵輸出差分信號，其輸出電壓具有靈敏度的溫度系數(shù)小、輸出電壓對應于磁場強度線性度好，高頻特性優(yōu)良等特點。傳感器霍爾電壓原理公式：

圖4 傳感器原理圖Fig.4 Sensor schematic diagram

UH=K·IIN·B

UH：霍爾電壓，V；

K：磁敏感度；

IIN：輸入電流，A；

B：磁場強度，Gs。

如圖5，使用信號模式轉(zhuǎn)換電路將差分信號轉(zhuǎn)換為單端信號，加入硬件濾波以減弱環(huán)境中干擾磁場的影響。傳感器的探測范圍是（8±2）cm,系統(tǒng)穩(wěn)定裕量是（8±0.75）cm。

圖5 傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)Fig.5 Sensor data acquisition system

1.1.6 交互界面設計 使用MATLAB App Designer開發(fā)了面向?qū)ο蟮慕换ボ浖?，顯示數(shù)據(jù)分析結(jié)果。交互界面如圖6所示。

圖6 交互界面Fig.6 User-interface

1.2 方法

1.2.1 數(shù)據(jù)采集 為避免電機中的線圈影響測量結(jié)果，分別測量隨距離變化的N極、S極和無磁體場強3種情況的數(shù)據(jù)，求出無磁體時場強平均值以及N、S極場強隨距離變化的實際擬合曲線。

如圖7，使用Curve Fitting Tool中的Polynomial：robust-LAR擬合無磁體時場強值，得標準平均值342 H。

如圖8，傳感器從磁球S極表面開始，向遠離表面的方向移動，每隔0.5 mm記錄1次場強數(shù)據(jù)。觀察N極朝上時場強-距離測點擬合曲線知，此曲線為分段函數(shù)，提取10～40 mm范圍內(nèi)曲線，使用smoothdata函數(shù)中的rlowess方法平滑去噪后，選用插值函數(shù)polyfit 求擬合參數(shù)，再由polyval函數(shù)得出S極朝上時場強-距離測點擬合曲線多項式：

如圖9，傳感器從磁球N極表面開始，向遠離表面的方向移動，每隔0.5 mm記錄1次數(shù)據(jù)。使用相同方法得出N極朝上時場強-距離測點擬合曲線多項式：

1.2.2 觀察數(shù)據(jù)規(guī)律 將磁球擺放于已知參考坐標(5.5,6,12)，分別將磁球按照N極朝上、S極朝上、磁軸任意角傾斜3種姿態(tài)擺放，運行掃描程序，記錄磁體上方平面10×10×10點陣數(shù)據(jù)。通過觀察場強分布曲面圖規(guī)律以及參考坐標位置，發(fā)現(xiàn)S極朝上時（如圖10）或N極朝上時（如圖11），數(shù)據(jù)曲面呈現(xiàn)單峰值特征；而當磁軸任意角傾斜時（如圖12），數(shù)據(jù)曲面呈現(xiàn)為雙峰特征。

1.2.3 設計磁體位置探測算法 此算法通過MATLAB編寫運算程序?qū)崿F(xiàn)。本研究對3種姿態(tài)的磁球在不同深度下做數(shù)據(jù)采集和處理，提出1種磁體定位算法，如圖13。

(1)區(qū)分磁體姿態(tài)

1)去噪：輸入采集點數(shù)組，使用smoothdata函數(shù)的lowess方法平滑去噪后，使用reshape函數(shù)轉(zhuǎn)換為矩陣。

2) 平滑擬合曲面：使用griddedInterpolant函數(shù)的cubic方法對離散點做插值擬合，之后用ndgrid函數(shù)對擬合曲面重新精細劃分為間距0.05的200×200矩陣以供采樣。使用max和min函數(shù)分別求最大值點和最小值點，將最值點與平均值average=342做差，得變量a和b。

3)判斷曲面特點：設置閥值j=50用以判斷曲面特點，若|a|＞j且|b|＞j，則呈雙峰狀，N/S極傾斜擺放，如圖13，若|a|＞j或|b|＞j，則呈單峰狀，N/S極豎直擺放。

(2) N/S極豎直擺放時

1)判定NS極：將單峰極值a、b與無磁場時平均值average對比，大于平均值為N極朝上、小于平均值為S極朝上。

2)求X、Y：使用find函數(shù)查找最值點在矩陣中的行、列值作為X、Y坐標。

3)求Z：將極值點坐標帶入場強-距離擬合曲線F(x)求得磁體深度坐標Z。

圖7 無磁體時場強-距離測點擬合曲線Fig.7 Field strength-distance measurement point fitting curve without magnet

圖8 S極朝上時場強-距離測點擬合曲線Fig.8 Field strength-distance fitting curve fitting when S pole is up

圖9 N極朝上時場強-距離測點擬合曲線Fig.9 Field strength-distance fitting curve fitting when N pole is up

圖10 S極朝上時探測結(jié)果（X，Y：位置點）Fig.10 Detection result when S pole is up（X, Y: Position）

圖11 N極朝上時探測結(jié)果（X，Y：位置點）Fig.11 Detection result when N pole is up（X, Y: Position）

圖12 磁軸傾斜時探測結(jié)果（X，Y：位置點）Fig.12 Magnetic axis tilt detection result（X, Y: Position）

圖13 磁體定位算法Fig.13 Magnet positioning algorithm

(3) N/S極傾斜擺放時

如圖14，A為場強最大值點，B為場強最小值點，O為直線AB與均值水平面Z=average的交點，C1為點A在均值水平面的投影點，C2為點B在均值水平面的投影點，ΔAC1O、ΔBC2O為相似直角三角形。

圖14 雙峰算法原理圖Fig.14 Twin peaks algorithm schematic

1)求最值點與磁體距離：將兩最值點A、B的場強值a、b帶入場強-距離擬合曲線F(x)求得線段OA、OB長度。

2)求X、Y：由相似三角形定理聯(lián)立方程，解得X、Y。

3）求Z：直角三角形ΔAC1O中，由勾股定理求解公式，AC12+OC12=AO2得Z坐標。

1.2.4 重復試驗 點擊交互界面“運行”按鈕，得出點陣數(shù)據(jù)、場強分布圖以及X、Y、Z坐標的計算結(jié)果，重復運行32次，觀察并記錄實驗結(jié)果。

2 結(jié)果與分析

如表1，重復試驗32次，X坐標最大誤差為2.286 mm，Y坐標最大誤差為2.307 mm，Z坐標最大誤差為2.471 mm。

表1 數(shù)據(jù)誤差表Table 1 Deviation table mm

3 討論與結(jié)論

對于探測種子深度，本文提出了1種磁體定位方式，編寫MATLAB程序完成單個磁體的測量探深算法，該算法用于收集和處理3種不同深度的磁球的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了棉花種子三維坐標的無接觸式自動測量，使國內(nèi)棉花種子質(zhì)量評定中拱土力指標有據(jù)可依。

本試驗選用磁場來探測種子深度的方式，磁體易于購買，屬于非消耗品，可多次重復使用，并且傳感器成本相對較低可實現(xiàn)簡潔高效的算法，精度相對較高。相較于其他探測方式，紅外光電探測法傳感器成本高，數(shù)據(jù)處理復雜；超聲波傳感器受土壤介質(zhì)影響大，難以識別小體積目標，探測數(shù)據(jù)精度低。但本試驗仍有一些不足需要改進，主要有以下幾個方面：

(1)由多次試驗所得數(shù)據(jù)可知，本探測系統(tǒng)誤差在2.5 mm以內(nèi)，仍有較大的精度提高空間；

(2)受探測方案限制，每點探測用時約為1 s,每粒種子常規(guī)探測總時間約為100 s，從作業(yè)速度方面考慮仍有優(yōu)化需求。