種子位置信息視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)開(kāi)溝延時(shí)回土裝置研究

高 振 盧彩云 李洪文 何 進(jìn) 王慶杰 王志楠

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 北京 100083；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部河北北部耕地保育科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站， 北京 100083)

0 引言

準(zhǔn)確獲取播后土壤中種子空間分布信息，建立基于種子空間分布信息的作物位置電子地圖，能夠?yàn)樽魑锷L(zhǎng)全過(guò)程精準(zhǔn)高效管理提供基礎(chǔ)位置信息，為基于種子空間分布的漏播檢測(cè)及補(bǔ)償、定位施肥、定點(diǎn)除草、對(duì)行植保和收獲等田間精準(zhǔn)作業(yè)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來(lái)源，進(jìn)而提高資源利用率，是農(nóng)業(yè)精細(xì)化生產(chǎn)的基礎(chǔ)[1-5]。

為準(zhǔn)確獲取土壤中的種子空間分布信息，研究團(tuán)隊(duì)嘗試將機(jī)器視覺(jué)技術(shù)應(yīng)用于種子在種床中的空間分布位置檢測(cè)中，種子通過(guò)開(kāi)溝器導(dǎo)種管落入種床后，使用工業(yè)相機(jī)采集種床中種子位置圖像，并利用目標(biāo)檢測(cè)算法對(duì)種子位置進(jìn)行識(shí)別。并保證檢測(cè)過(guò)程不對(duì)土壤回填產(chǎn)生影響，在種子分布信息檢測(cè)結(jié)束后，保證土壤能夠順利回填覆蓋種子，減少土壤擾動(dòng)，避免影響種子萌發(fā)。

機(jī)器視覺(jué)技術(shù)在種子檢測(cè)方面有廣泛應(yīng)用，YAZGI 等[6]采用高速攝像技術(shù)對(duì)排種過(guò)程種子的運(yùn)動(dòng)軌跡及排種均勻性進(jìn)行研究，為優(yōu)化排種器參數(shù)提供理論依據(jù)。NAVID 等[7]在播種機(jī)前方的傳送帶上安裝攝影機(jī)采集番茄種子圖像，對(duì)排種器的播種狀態(tài)進(jìn)行判斷。馬旭等[8]運(yùn)用圖像處理技術(shù)對(duì)種子動(dòng)態(tài)圖像進(jìn)行分析，提出了一種根據(jù)種子面積和種子間距特征評(píng)估排種器性能的方法。廖慶喜等[9]提出一種精密排種器性能檢測(cè)方法，將光電傳感器與高速攝影同時(shí)用于精密排種器的性能檢測(cè)。土壤回填率方面，趙淑紅等[10]針對(duì)馬鈴薯播種開(kāi)溝器高速作業(yè)條件下作業(yè)阻力大、回土深度淺等問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種仿黃鰭金槍魚(yú)下顎曲線的曲面式開(kāi)溝器，曲面式開(kāi)溝器比芯鏵式開(kāi)溝器、靴式開(kāi)溝器平均作業(yè)阻力減小18.3%、33.4%,平均回土深度增加70.4%、91.7%；史乃煜等[11]針對(duì)濕黏土壤條件下免耕播種機(jī)施肥鏟回填性能弱,導(dǎo)致的種肥同床等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種強(qiáng)制回土裝置，優(yōu)化后的最速降線式強(qiáng)制回土裝置較直板式強(qiáng)制回土裝置的土壤回填率提升16.5%。

以上研究均將機(jī)器視覺(jué)技術(shù)應(yīng)用于播種過(guò)程中的排種環(huán)節(jié)，進(jìn)行種子在排種器中的位置或運(yùn)動(dòng)信息檢測(cè)。將機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用于開(kāi)溝落種和回土覆種環(huán)節(jié)，進(jìn)行種子在種床中空間分布信息檢測(cè)的研究鮮有報(bào)道。其主要原因在于，現(xiàn)有播種開(kāi)溝裝置作業(yè)時(shí)，種子落入種床后立即被回落土壤覆蓋，在開(kāi)溝落種和回土覆種的間隙，應(yīng)用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)檢測(cè)種子在土壤中的空間分布信息，存在極大困難。為此，本文設(shè)計(jì)一種面向種子位置信息視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)溝延時(shí)回土裝置。通過(guò)開(kāi)溝裝置、導(dǎo)土裝置、壓種裝置及回土裝置的配合作業(yè)，在開(kāi)溝落種和回土覆種的間隙，實(shí)現(xiàn)種床圖像的采集，并保證土壤回填率，避免影響種子萌發(fā)。

1 結(jié)構(gòu)組成與工作原理

1.1 種子分布信息視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)

圖1 種子分布信息視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)Fig.1 Vision detection system for seed distribution information

種子分布信息視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)主要包括開(kāi)溝延時(shí)回土裝置、種床圖像采集模塊、種床圖像拼接模塊、全景圖像種子目標(biāo)檢測(cè)模塊。其中，開(kāi)溝延時(shí)回土裝置可為種床圖像采集提供避讓空間。種床圖像采集模塊主要包括工業(yè)相機(jī)、數(shù)據(jù)傳輸線路、圖像采集軟件等。種床圖像拼接模塊和全景圖像種子目標(biāo)檢測(cè)模塊的核心分別為圖像拼接算法和目標(biāo)檢測(cè)算法。系統(tǒng)組成如圖1所示。

1.2 開(kāi)溝延時(shí)回土裝置結(jié)構(gòu)組成

開(kāi)溝延時(shí)回土裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括開(kāi)溝器主架、回土板高度調(diào)節(jié)組件、導(dǎo)土裝置、轉(zhuǎn)角調(diào)節(jié)三通接頭、開(kāi)溝器鏟尖、回土板、壓種輥、回土板轉(zhuǎn)角調(diào)節(jié)組件、回土板連接桿、工業(yè)相機(jī)安裝板、回土高度調(diào)節(jié)板、導(dǎo)種管。其中導(dǎo)土裝置共兩塊導(dǎo)土板，分別焊接在開(kāi)溝器主架后方，導(dǎo)種管兩側(cè)的位置；壓種輥通過(guò)銷(xiāo)軸安裝在兩導(dǎo)土板之間，導(dǎo)種管末端后方；工業(yè)相機(jī)安裝板為T(mén)形結(jié)構(gòu)，其中寬板焊接在導(dǎo)種管上，窄板上開(kāi)有螺紋孔，用于安裝工業(yè)相機(jī)。其中，回土板連接桿焊接在回土高度調(diào)節(jié)板上，通過(guò)螺栓與工業(yè)相機(jī)安裝板連接，形成回土板高度調(diào)節(jié)組件；回土板通過(guò)轉(zhuǎn)角調(diào)節(jié)三通接頭與回土板連接桿連接，形成回土板轉(zhuǎn)角調(diào)節(jié)組件；回土板高度調(diào)節(jié)組件、回土板轉(zhuǎn)角調(diào)節(jié)組件與回土板組成回土裝置。

圖2 開(kāi)溝延時(shí)回土裝置Fig.2 Opening soil backfilled device1.開(kāi)溝器主架 2.回土板高度調(diào)節(jié)組件 3.導(dǎo)土裝置 4.轉(zhuǎn)角調(diào)節(jié)三通接頭 5.開(kāi)溝器鏟尖 6.回土板 7.壓種輥 8.回土板轉(zhuǎn)角調(diào)節(jié)組件 9.回土板連接桿 10.工業(yè)相機(jī)安裝板 11.回土高度調(diào)節(jié)板 12.導(dǎo)種管

1.3 工作原理

作業(yè)工序?yàn)椋孩匍_(kāi)溝破土形成種床，固定種子在種床中的位置。②延長(zhǎng)土壤回落時(shí)間，形成有利于圖像采集的避讓空間，保證圖像采集期間無(wú)回落土壤干擾。③工業(yè)相機(jī)進(jìn)行圖像采集，圖像采集完成后土壤回落覆蓋種床中的種子。作業(yè)時(shí)，開(kāi)溝延時(shí)回土裝置安裝在播種機(jī)上，由拖拉機(jī)帶動(dòng)，以速度v前進(jìn)，土壤被開(kāi)溝器鏟尖破開(kāi)形成種床，種子經(jīng)導(dǎo)種管落入種床，壓種輥將種子壓入土壤中，固定種子位置并防止種子彈跳。開(kāi)溝器破開(kāi)的土壤在導(dǎo)土裝置導(dǎo)流作用下流動(dòng)至種床兩側(cè)形成泛起土壤，使土壤無(wú)法回落覆蓋種子，形成避讓空間，為原始圖像采集提供保障。工業(yè)相機(jī)在避讓空間內(nèi)完成原始圖像采集后，種床兩側(cè)的土壤在回土裝置作用下重新回填種床，實(shí)現(xiàn)均勻覆土，提高土壤回填率，回土板調(diào)節(jié)組件可依據(jù)不同播種深度及土壤條件要求，進(jìn)行回土板轉(zhuǎn)角和高度的調(diào)節(jié)。通過(guò)導(dǎo)土裝置和回土裝置的共同作用，為原始圖像采集提供足夠的反應(yīng)時(shí)間和避讓空間，達(dá)到延時(shí)回土的目的，土壤顆粒相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡如圖3所示。

圖3 土壤顆粒相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.3 Relative trajectory of soil particles1.開(kāi)溝器鏟尖 2.導(dǎo)土板 3.回土板 4.種床

2 關(guān)鍵裝置參數(shù)設(shè)計(jì)

開(kāi)溝延時(shí)回土裝置通過(guò)導(dǎo)種裝置、壓種裝置、回土裝置的配合作用，延長(zhǎng)開(kāi)溝落種環(huán)節(jié)和回土覆種環(huán)節(jié)的作業(yè)間隙，形成有利于原始圖像采集的避讓空間，并保證土壤回填率，以此為目標(biāo)對(duì)導(dǎo)土裝置、回土裝置等關(guān)鍵裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2.1 導(dǎo)土裝置

導(dǎo)土裝置主要功能包括：①擋住土壤回落趨勢(shì)，使其沿導(dǎo)土裝置邊界向外流動(dòng)，并在種床兩側(cè)形成泛起土壤，防止土壤回落覆蓋種子。②導(dǎo)土板和開(kāi)溝器主架組合形成有利于圖像采集的避讓空間，覆蓋相機(jī)視場(chǎng)。③相機(jī)鏡頭探入避讓空間中，避免導(dǎo)土裝置外的圖像進(jìn)入視場(chǎng)，使原始圖像背景簡(jiǎn)化，降低目標(biāo)檢測(cè)難度，提高檢測(cè)效率[12]。導(dǎo)土裝置主要功能部件為焊接在開(kāi)溝器主架兩側(cè)的導(dǎo)土板，如 圖4 所示，導(dǎo)土板主要結(jié)構(gòu)參數(shù)包括：高度hd、長(zhǎng)度ld、偏角θd。

圖4 導(dǎo)土裝置Fig.4 Soil vectoring device1.開(kāi)溝器主架 2.導(dǎo)種管 3.開(kāi)溝器鏟尖 4.工業(yè)相機(jī) 5.導(dǎo)土板 6.壓種輥

2.1.1導(dǎo)土板高度

圖5 導(dǎo)土板長(zhǎng)度和高度確定Fig.5 Determination of length and height of soil vectoring plate1.工業(yè)相機(jī) 2.壓種輥 3.導(dǎo)種管 4.開(kāi)溝器主體 5.導(dǎo)土板 6.工業(yè)相機(jī)視場(chǎng) 7.開(kāi)溝器鏟尖

為避免導(dǎo)土裝置外的圖像進(jìn)入視場(chǎng)，保證原始圖像背景簡(jiǎn)化，導(dǎo)土板高度hd應(yīng)大于鏡頭與物體之間的距離hD，即hd≥hD，如圖5所示。根據(jù)鏡頭透視原理，鏡頭與種床之間的距離hD的計(jì)算式為

hD=l1f/lc

(1)

式中l(wèi)c——鏡頭的靶面長(zhǎng)度，mm

f——鏡頭焦距，mm

l1——工業(yè)相機(jī)視場(chǎng)長(zhǎng)度，mm

由文獻(xiàn)[13]可知相機(jī)視場(chǎng)長(zhǎng)度l1最佳取值范圍為117～152 mm，本文選擇l1=130 mm；檢測(cè)所用鏡頭為定焦定制鏡頭，焦距f=8 mm；鏡頭傳感器規(guī)格為2/3″CCD，靶面長(zhǎng)度lc=6.6 mm，代入式(1)，計(jì)算得hD≈157 mm，即導(dǎo)土板高度hd≥157 mm，因此設(shè)計(jì)導(dǎo)土板高度hd為160 mm。

2.1.2導(dǎo)土板長(zhǎng)度

為防止土壤回落覆蓋種子影響原始圖像采集，導(dǎo)土裝置形成的避讓空間在前進(jìn)方向上的長(zhǎng)度應(yīng)覆蓋導(dǎo)種管、壓種輥、工業(yè)相機(jī)視場(chǎng)，如圖5所示，導(dǎo)土板長(zhǎng)度ld由工業(yè)相機(jī)視場(chǎng)長(zhǎng)度l1、壓種輥直徑d1、導(dǎo)種管直徑d2共同確定，導(dǎo)土板長(zhǎng)度計(jì)算式為

ld≥l1+d2+d1

(2)

其中，壓種輥直徑d1=30 mm，由前文可知l1=130 mm，所用導(dǎo)種管直徑d2=40 mm，代入式(2)，計(jì)算得ld≥210 mm，因此設(shè)計(jì)導(dǎo)土板長(zhǎng)度ld為220 mm。

2.1.3導(dǎo)土板偏角

導(dǎo)土板偏角是導(dǎo)土板平面與前進(jìn)速度垂直方向的夾角，偏角θd對(duì)開(kāi)溝作業(yè)阻力及種子位置穩(wěn)定性有較大影響。當(dāng)偏角θd>90°時(shí)，如圖6a所示，導(dǎo)土板外傾，開(kāi)溝寬度大，作業(yè)阻力大；開(kāi)溝器鏟尖破出的土壤顆粒受到導(dǎo)土板向前的推力作用，向遠(yuǎn)離種床的方向運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致泛起土壤的寬度增加，不利于后續(xù)回土作業(yè)[14]。當(dāng)偏角θd<90°時(shí),如圖6b所示，種子落入種床后，被壓種輥固定于種床，而導(dǎo)土板內(nèi)傾，兩導(dǎo)土板末端距離變小，導(dǎo)土板末端隨機(jī)具前進(jìn)易導(dǎo)致玉米種子的固定位置被破壞，影響檢測(cè)結(jié)果。所以為減小作業(yè)阻力，并保證種子位置穩(wěn)定性，取偏角θd=90°，即導(dǎo)土板與前進(jìn)方向平行，如圖6c所示。

圖6 導(dǎo)土板偏角Fig.6 Angle of soil vectoring plate1.開(kāi)溝器鏟尖 2.開(kāi)溝器主架 3.導(dǎo)土板 4.導(dǎo)種管 5.壓種輥 6.相機(jī)視場(chǎng)

2.2 回土裝置

開(kāi)溝回土是播種作業(yè)過(guò)程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，開(kāi)溝器鏟尖破開(kāi)土壤形成種床，種子落入種床后，在種子上覆蓋一定厚度的土壤，即可減少土壤擾動(dòng)，提高種子出苗率，又可保證種子播種深度、株距及側(cè)向分布的均勻性[15-16]。開(kāi)溝延時(shí)回土裝置作業(yè)時(shí)，導(dǎo)土裝置阻止土壤回落的同時(shí)，擠壓泛起土壤，產(chǎn)生一定的固化效應(yīng)，導(dǎo)致土壤自回填性能降低，土壤擾動(dòng)增大。回土裝置可以將固化的泛起土壤推回種床，提高土壤回填率，實(shí)現(xiàn)均勻覆土。

回土裝置共分為左、右兩套，分別安裝在開(kāi)溝器兩側(cè)，導(dǎo)土裝置后方，相互獨(dú)立可調(diào)節(jié)，主要包括回土板和回土板調(diào)節(jié)組件?；赝涟暹B接桿焊接在回土高度調(diào)節(jié)板上，通過(guò)螺栓與工業(yè)相機(jī)安裝板連接，回土高度調(diào)節(jié)板可沿溝槽滑動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)回土板高度30～50 mm范圍內(nèi)的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)；回土板通過(guò)轉(zhuǎn)角調(diào)節(jié)三通接頭與回土板連接桿連接，三通接頭與連接桿末端均開(kāi)有轉(zhuǎn)角角度調(diào)節(jié)孔，孔位呈交錯(cuò)布置，通過(guò)螺栓連接固定，可以實(shí)現(xiàn)回土板轉(zhuǎn)角30°～70°范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，其安裝位置和結(jié)構(gòu)組成如圖7所示。回土裝置主要功能部件為回土板，其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)包括：長(zhǎng)度lh、高度h1、轉(zhuǎn)角α。

圖7 回土裝置Fig.7 Soil backfilling device

2.2.1回土板長(zhǎng)度

由圖7可知，為保證回土效果，回土板長(zhǎng)度lh在垂直于前進(jìn)方向上的投影長(zhǎng)度lr大于泛起土壤寬度w，即

(3)

聯(lián)立求解得

lh>w/sinα

(4)

式中α——回土板轉(zhuǎn)角，(°)

由實(shí)測(cè)試驗(yàn)得w<60 mm，為保證土壤回填率，回土板轉(zhuǎn)角應(yīng)大于30°，即α>30°，代入式(4)計(jì)算得lh>120 mm，設(shè)計(jì)回土板長(zhǎng)度lh為120 mm。

2.2.2回土板高度

由圖8可知，為保證回土板高度h1覆蓋種床兩側(cè)的泛起土壤，需滿(mǎn)足回土板高度h1大于側(cè)泛起土壤的高度h2，即

h1>h2

(5)

圖8 回土板結(jié)構(gòu)參數(shù)確定Fig.8 Determination of structural parameters of soil backfilling plate

由實(shí)測(cè)試驗(yàn)得h2<30 mm，即h1>30 mm，而為了避免回土板與導(dǎo)土板因高度過(guò)多重疊形成狹窄通道，使回落土壤通過(guò)性變差[17-18]，確定回土板高度h1為50 mm。

2.2.3回土板轉(zhuǎn)角

圖9 土壤回填率Fig.9 Soil backfill rate

回土板轉(zhuǎn)角α為回土板平面與機(jī)具前進(jìn)方向的夾角，對(duì)土壤回填率有較大影響，取泛起土壤中的土壤顆粒進(jìn)行受力分析如圖9a所示，土壤顆粒受回土板向前的推力F、地面對(duì)移動(dòng)土壤的摩擦力fn以及回土板對(duì)移動(dòng)土壤的摩擦力ft的綜合作用，摩擦力fn和ft遠(yuǎn)小于回土板推力F，可忽略不計(jì)?；赝涟逋屏分為平行于回土板平面的分力FT和垂直于回土板平面的分力FN，計(jì)算式為

(6)

當(dāng)回土板轉(zhuǎn)角α減小時(shí)，推動(dòng)土壤回填的力FN減小，導(dǎo)致土壤回填率降低，當(dāng)α=0°時(shí)，回土板隨機(jī)具前進(jìn)呈現(xiàn)切土現(xiàn)象，無(wú)法推動(dòng)土壤回落，如圖9b所示。當(dāng)回土板轉(zhuǎn)角α增大時(shí)，推動(dòng)土壤回填的力FN增大，土壤回填率增大，但當(dāng)α過(guò)大時(shí)，回土裝置與導(dǎo)土裝置之間會(huì)出現(xiàn)土壤擁堵現(xiàn)象；當(dāng)α=90°時(shí)，回土板平面垂直于前進(jìn)方向，大量土壤擁堵導(dǎo)致土壤顆粒被推向遠(yuǎn)離種床的區(qū)域，只有少量土壤顆粒被推回種床，使土壤擾動(dòng)增大，如圖9c所示?；赝涟遛D(zhuǎn)角α的最優(yōu)值無(wú)法通過(guò)理論分析獲得，需通過(guò)試驗(yàn)確定。

2.3 壓種輥

壓種輥位于兩導(dǎo)土板之間，導(dǎo)種管末端后方的位置，表面與地面接觸，通過(guò)摩擦力驅(qū)動(dòng)壓種輥轉(zhuǎn)動(dòng)，在種子落入種床后將其壓住，防止其觸土彈跳，并固定種子位置。為避免壓種過(guò)程對(duì)種子造成損傷，影響種子萌發(fā)，選擇厚度為5 mm，硬度為60 HA的疏水性聚氨酯作為壓種輥表面覆蓋材料，直接與種子接觸。壓種輥主要結(jié)構(gòu)參數(shù)包括：長(zhǎng)度lg、直徑d1。

2.3.1壓種輥長(zhǎng)度

如圖8所示，為防止導(dǎo)土板對(duì)壓種輥產(chǎn)生擠壓，導(dǎo)致其轉(zhuǎn)動(dòng)副失效而產(chǎn)生拖動(dòng)滑移，對(duì)種子位置產(chǎn)生影響，壓種輥長(zhǎng)度lg應(yīng)略小于兩導(dǎo)土板之間的距離le，即

lg

(7)

其中，兩導(dǎo)土板之間的距離le=60 mm，設(shè)計(jì)壓種輥長(zhǎng)度lg為55 mm。

2.3.2壓種輥直徑

壓種輥直徑對(duì)于種子位置的影響較大，相同開(kāi)溝速度下，當(dāng)壓種輥直徑d1過(guò)大時(shí)，其轉(zhuǎn)速相應(yīng)減小，導(dǎo)致表面更易粘附濕土，進(jìn)而粘附種子，改變種子位置；當(dāng)壓種輥直徑d1過(guò)小時(shí)，與地面接觸面積減小，驅(qū)動(dòng)其轉(zhuǎn)動(dòng)的摩擦力相應(yīng)減小，導(dǎo)致轉(zhuǎn)動(dòng)副失效，壓種輥隨機(jī)器拖動(dòng)滑移，改變種子位置[19-21]，基于以上分析，綜合考慮安裝空間，最終確定壓種輥直徑d1為30 mm。

3 離散元仿真

受限于作業(yè)環(huán)境和觀測(cè)條件，田間試驗(yàn)時(shí)難以完成對(duì)開(kāi)溝回土的過(guò)程觀測(cè)，本文使用離散元仿真方法對(duì)開(kāi)溝延時(shí)回土裝置開(kāi)溝回土過(guò)程進(jìn)行模擬，分析開(kāi)溝延時(shí)回土裝置開(kāi)溝、延時(shí)和回土過(guò)程中土壤顆粒數(shù)量變化，并以此為依據(jù)表征開(kāi)溝延時(shí)回土裝置延時(shí)回土性能，確定開(kāi)溝速度v、回土板轉(zhuǎn)角α等因素對(duì)土壤回填率Y的影響，確定最優(yōu)參數(shù)組合。

3.1 離散元仿真模型構(gòu)建

試驗(yàn)地為沙壤土，依據(jù)文獻(xiàn)對(duì)沙壤土參數(shù)的標(biāo)定和田間實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)，綜合分析相關(guān)資料，同時(shí)考慮計(jì)算精度和計(jì)算速度的要求，確定采用半徑4 mm球形顆粒，使用Hertz-Mindlin(no slip)接觸模型建立土壤離散元模型[22-23]。根據(jù)試驗(yàn)所需最大開(kāi)溝深度和計(jì)算精度、計(jì)算速度等要求，設(shè)置土槽的長(zhǎng)×寬×高為1 500 mm×400 mm×200 mm。使用SolidWorks 2018完成開(kāi)溝延時(shí)回土裝置三維建模，導(dǎo)入EDEM離散元仿真軟件，建立機(jī)具-土壤互作離散元模型，離散元仿真參數(shù)如表1所示。

圖10 開(kāi)溝回土過(guò)程分析Fig.10 Analysis of trenching and soil backfilling process

3.2 開(kāi)溝回土作業(yè)過(guò)程分析

為量化開(kāi)溝回土過(guò)程，在開(kāi)溝器前方選取土塊A，其長(zhǎng)度lA取160 mm，寬度wA為種床寬度，高度hA為開(kāi)溝深度。如圖10所示，開(kāi)溝回土過(guò)程主要分為5個(gè)階段：準(zhǔn)備開(kāi)溝階段，如圖10a所示，此時(shí)開(kāi)溝器鏟尖尚未進(jìn)入土塊A，此時(shí)土塊A中土壤顆粒數(shù)量為W1。開(kāi)溝前期階段，如圖10b所示，t0時(shí)刻，開(kāi)溝器鏟尖進(jìn)入土塊A，土塊A后方的土壤顆粒在開(kāi)溝器鏟尖推動(dòng)下進(jìn)入土塊A導(dǎo)致顆粒數(shù)量增加。開(kāi)溝完成階段，如圖10c所示，開(kāi)溝器鏟尖離開(kāi)土塊A，并帶動(dòng)少量土壤顆粒向前運(yùn)動(dòng)離開(kāi)土塊A，土塊A中土壤顆粒數(shù)量減少；同時(shí)導(dǎo)土裝置進(jìn)入土塊A中，防止土壤顆?；芈溥M(jìn)入種床，大量土壤顆粒被推向種溝兩側(cè)，土塊A中土壤顆粒數(shù)量大幅減少，形成種床。回土前期階段，如圖10d所示，t1時(shí)刻，回土板開(kāi)始進(jìn)入土塊A，推動(dòng)土塊A兩側(cè)的土壤顆粒進(jìn)入土塊A，覆蓋種子，土壤顆粒數(shù)量增加?；赝镣瓿呻A段，如圖10e所示，隨機(jī)器前進(jìn)，回土板開(kāi)始離開(kāi)土塊A，此時(shí)會(huì)將部分土壤顆粒推出土塊A，導(dǎo)致土塊A中土壤顆粒減少，隨后趨于穩(wěn)定，回土完成，此時(shí)土塊A中顆粒數(shù)量為W2。

表1 材料參數(shù)和接觸參數(shù)Tab.1 Material parameters and contact parameters

以土塊A為研究對(duì)象，通過(guò)EDEM分析開(kāi)溝器鏟尖進(jìn)入土塊A，到回土裝置離開(kāi)土塊A這一完整開(kāi)溝回土過(guò)程中土塊A內(nèi)顆粒數(shù)量變化情況，提取土塊A中土壤顆粒數(shù)量變化數(shù)據(jù)，對(duì)開(kāi)溝回土過(guò)程進(jìn)行分析，土塊A中土壤顆粒數(shù)量變化曲線如圖11所示。

圖11 土壤顆粒數(shù)量變化曲線Fig.11 Change of soil particle quantity

根據(jù)對(duì)土塊A中土壤顆粒數(shù)量變化情況的分析，土壤回填率為回土完成后土塊A中顆粒數(shù)量W2與開(kāi)溝器鏟尖尚未進(jìn)入土塊A時(shí)的顆粒數(shù)量W1的比值，即仿真土壤回填率Y0計(jì)算式為

(8)

3.3 土壤回填率仿真試驗(yàn)

開(kāi)溝延時(shí)回土裝置作業(yè)時(shí)，導(dǎo)土裝置擋住回落土壤，為種子位置圖像采集提供保障，但擋住土壤的同時(shí)，導(dǎo)土板擠壓泛起土壤，產(chǎn)生一定的固化效應(yīng)，導(dǎo)致土壤回填性能降低，土壤擾動(dòng)增大。回土裝置可以將固化的泛起土壤推回種床，提高土壤回填率，實(shí)現(xiàn)均勻覆土。因此，回土裝置作用下的土壤回填率Y是本文需要重點(diǎn)關(guān)注的指標(biāo)。

3.3.1試驗(yàn)方案與結(jié)果

結(jié)合前期理論分析和仿真預(yù)試驗(yàn)，確定各因素水平。綜合考慮開(kāi)溝速度對(duì)排種器性能和圖像采集效果的影響，結(jié)合現(xiàn)有文獻(xiàn)[24]及播種機(jī)作業(yè)速度需求，選取開(kāi)溝速度1.6～2.2 m/s；根據(jù)玉米播種農(nóng)藝種植要求，開(kāi)溝深度取30～50 mm；根據(jù)仿真預(yù)試驗(yàn)結(jié)果，回土板轉(zhuǎn)角取30°～50°，采用Design-Expert 10.0.7軟件中的Box-Behnken方法，確定試驗(yàn)因素及編碼如表2所示，試驗(yàn)方案如表3所示，X1、X2、X3為編碼值。

表2 試驗(yàn)因素與編碼Tab.2 Test factors codes

3.3.2試驗(yàn)結(jié)果方差分析

方差分析結(jié)果如表4所示，根據(jù)表中試驗(yàn)數(shù)據(jù)，使用Design-Expert軟件對(duì)土壤回填率進(jìn)行二次回歸分析，建立土壤回填率對(duì)開(kāi)溝速度、開(kāi)溝深度、回土板轉(zhuǎn)角的二次響應(yīng)面回歸模型為

(9)

表3 試驗(yàn)方案及結(jié)果Tab.3 Test scheme and results

表4 土壤回填率方差分析Tab.4 Variance analysis of soil backfill rate

0.05)；其余項(xiàng)均不顯著。3個(gè)影響因素對(duì)土壤回填率影響由大到小為X2、X1、X3，即開(kāi)溝深度、開(kāi)溝速度和回土板轉(zhuǎn)角；失擬性檢驗(yàn)P>0.1，回歸模型極顯著且失擬項(xiàng)不顯著，回歸模型有效。

3.3.3響應(yīng)曲面分析

由圖12a可知，固定回土板轉(zhuǎn)角為40°，當(dāng)開(kāi)溝速度一定時(shí)，土壤回填率隨開(kāi)溝深度的增大而減小，兩者呈負(fù)相關(guān)。開(kāi)溝深度增大導(dǎo)致開(kāi)溝延時(shí)回土裝置破出的土壤增加，種床兩側(cè)泛起的土壤寬度增加，導(dǎo)致超出回土裝置作業(yè)范圍的土壤無(wú)法被推回種床，導(dǎo)致土壤回填率隨開(kāi)溝深度增大而減少。

由圖12b可知，固定開(kāi)溝深度為40 mm，當(dāng)回土板轉(zhuǎn)角一定時(shí)，土壤回填率隨開(kāi)溝速度增大而減小，兩者呈負(fù)相關(guān)。開(kāi)溝速度增大使開(kāi)溝延時(shí)回土裝置破出的土壤獲得了更多的動(dòng)能，向前向兩側(cè)運(yùn)動(dòng)的速度增大，種床兩側(cè)泛起的土壤寬度增加，導(dǎo)致超出回土裝置作業(yè)范圍的土壤無(wú)法被推回種床，導(dǎo)致土壤回填率隨開(kāi)溝速度增大而減少。

圖12 土壤回填率響應(yīng)曲面分析Fig.12 Response surface analysis of soil backfill rate

由圖12c可知，固定開(kāi)溝速度為1.9 m/s水平，當(dāng)開(kāi)溝深度一定時(shí)，土壤回填率隨回土板轉(zhuǎn)角增大而增大，兩者呈正相關(guān)。回土板轉(zhuǎn)角增大使其有效作業(yè)范圍增大，可以將兩側(cè)泛起的土壤更多的推回種床，使土壤回填率隨回土板轉(zhuǎn)角增大而增大。

3.3.4參數(shù)優(yōu)化

為得到延時(shí)回土開(kāi)溝裝置的最優(yōu)參數(shù)組合，通過(guò)分析開(kāi)溝速度、開(kāi)溝深度和回土板轉(zhuǎn)角的交互作用，利用Design-Expert軟件中的Optimization模塊對(duì)上述回歸模型進(jìn)行優(yōu)化求解。其目標(biāo)函數(shù)和優(yōu)化約束條件為

(10)

對(duì)式(10)進(jìn)行求解可得到多種優(yōu)化組合，基于實(shí)際作業(yè)條件選取開(kāi)溝速度1.6 m/s、開(kāi)溝深度30 mm、回土板轉(zhuǎn)角40°時(shí)，最大土壤回填率為97%。利用優(yōu)化得到的最佳參數(shù)進(jìn)行離散元仿真試驗(yàn)，所得土壤回填率為97.9%，與優(yōu)化結(jié)果基本一致。

4 田間試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

圖13 播種單體Fig.13 Planter unit1.種箱 2.排種器 3.開(kāi)溝延時(shí)回土裝置 4.地輪 5.播種單體 6.USB 3.0數(shù)據(jù)線 7.控制計(jì)算機(jī) 8.工業(yè)相機(jī)

試驗(yàn)于2021年10月28日在山東省菏澤市鄆城縣(東經(jīng)116°06′34″，北緯35°56′28″，海拔41 m)進(jìn)行，試驗(yàn)地為耕整地，土壤平均含水率為15.12%，0～2.5 cm耕層土壤緊實(shí)度為57 kPa，2.5～5 cm耕層土壤緊實(shí)度為156 kPa，5～7.5 cm耕層土壤緊實(shí)度為298 kPa，7.5～10 cm耕層土壤緊實(shí)度為413 kPa，試驗(yàn)所用儀器包括土壤緊實(shí)度儀、取形器等。試驗(yàn)所用播種設(shè)備為具有種床內(nèi)種子圖像采集功能的玉米播種單體，如圖13所示，播種單體由三點(diǎn)懸掛機(jī)架、行走地輪、排種器、種箱、開(kāi)溝延時(shí)回土裝置以及圖像采集系統(tǒng)組成，圖像采集系統(tǒng)包括工業(yè)相機(jī)、數(shù)據(jù)傳輸線路、圖像采集軟件等，主要技術(shù)參數(shù)如表5所示。

4.2 土壤回填率田間試驗(yàn)

以土壤回填率為試驗(yàn)指標(biāo)，根據(jù)離散元仿真試驗(yàn)優(yōu)化后的作業(yè)參數(shù)進(jìn)行田間試驗(yàn)，作業(yè)時(shí)，使用U形螺栓將開(kāi)溝延時(shí)回土裝置安裝在播種單體機(jī)架上，播種單體通過(guò)三點(diǎn)懸掛機(jī)架掛接在拖拉機(jī)后懸掛處。設(shè)定開(kāi)溝速度為1.6 m/s、開(kāi)溝深度為30 mm，回土板轉(zhuǎn)角為40°，試驗(yàn)結(jié)束后，使用取形器測(cè)量溝形，如圖14所示。溝形示意圖如圖15所示，通過(guò)開(kāi)溝延時(shí)回土裝置作業(yè)后的溝形計(jì)算實(shí)際土壤回填率Y1，計(jì)算式為

表5 主要技術(shù)參數(shù)Tab.5 Main technical parameters

圖14 溝形測(cè)繪Fig.14 Mapping of groove shape

圖15 土壤回填率模型Fig.15 Soil backfill rate model

(11)

式中S1——開(kāi)溝后未回填區(qū)域面積，mm2

S2——開(kāi)溝后回填區(qū)域面積，mm2

田間試驗(yàn)結(jié)果表明，土壤回填率為96.5%，變異系數(shù)為1.43%。對(duì)開(kāi)溝延時(shí)回土裝置和未安裝回土裝置的開(kāi)溝器進(jìn)行開(kāi)溝回土性能對(duì)比試驗(yàn)，設(shè)定開(kāi)溝速度為1.6 m/s、開(kāi)溝深度為30 mm。對(duì)比試驗(yàn)效果如圖16所示，試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

圖16 不同開(kāi)溝器作業(yè)效果對(duì)比Fig.16 Comparison of effects of different openers

由圖16可知，兩開(kāi)溝器均能為工業(yè)相機(jī)采集種床中的種子圖像提供避讓空間和理想檢測(cè)區(qū)域，但未安裝回土裝置的開(kāi)溝器作業(yè)時(shí)土壤擾動(dòng)量較大，土壤回填率較低，部分種床出現(xiàn)裸露的玉米種子，不利于種子萌發(fā)；開(kāi)溝延時(shí)回土裝置作業(yè)時(shí)土壤被回土裝置推回種床覆蓋種子，既為原始圖像獲取提供了硬件基礎(chǔ)，又保證了開(kāi)溝器的土壤回填性能。由表6可知，延時(shí)回土開(kāi)溝器較未安裝回土裝置的開(kāi)溝器土壤回填率提升39.6個(gè)百分點(diǎn)。

表6 開(kāi)溝器類(lèi)型及對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果Tab.6 Opener types and comparison test results

4.3 圖像采集及目標(biāo)檢測(cè)試驗(yàn)

4.3.1圖像采集試驗(yàn)

圖17 種床中的種子圖像Fig.17 Seed image in seed bed

為驗(yàn)證上述關(guān)鍵裝置設(shè)計(jì)確定的結(jié)構(gòu)參數(shù)可以滿(mǎn)足延長(zhǎng)回土?xí)r間要求，為工業(yè)相機(jī)檢測(cè)提供相對(duì)理想的工作環(huán)境，本文進(jìn)行種子在種床中的原始圖像獲取實(shí)測(cè)試驗(yàn)。使用具有種床內(nèi)種子圖像采集功能的玉米播種單體進(jìn)行田間播種試驗(yàn)，作業(yè)速度為1.6 m/s，圖像采集幀率為60 f/s。采集圖像如圖17所示，觀察圖像可知，圖像采集過(guò)程無(wú)回落土壤進(jìn)入種床覆蓋種子，導(dǎo)土裝置長(zhǎng)度范圍覆蓋相機(jī)視場(chǎng)，可以采集到種床中的種子圖像，圖像背景相對(duì)簡(jiǎn)化。試驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)可以有效延長(zhǎng)土壤回落時(shí)間，避免回落土壤對(duì)檢測(cè)效果的影響，實(shí)現(xiàn)原始圖像的采集。

播種作業(yè)過(guò)程中，開(kāi)溝延時(shí)回土裝置破土?xí)a(chǎn)生灰塵和飛濺的泥土，對(duì)工業(yè)相機(jī)采集種床圖像造成影響，但觀察采集圖像發(fā)現(xiàn)，灰塵和泥土對(duì)圖像采集效果影響較小，其原因?yàn)椋孩俦疚脑O(shè)計(jì)的導(dǎo)土板和開(kāi)溝器主架，以及導(dǎo)土板上方的頂板形成了半包圍結(jié)構(gòu)，將工業(yè)相機(jī)包裹，保護(hù)工業(yè)相機(jī)免受飛濺泥土的干擾。②揚(yáng)塵主要影響進(jìn)光量，導(dǎo)致圖像出現(xiàn)噪聲，但當(dāng)相機(jī)與目標(biāo)距離較近，且進(jìn)光量充足時(shí)，揚(yáng)塵對(duì)圖像采集的影響較小。本文圖像采集過(guò)程中，相機(jī)與目標(biāo)種子之間距離hD僅為157 mm，進(jìn)光量充足。因此，田間作業(yè)揚(yáng)塵對(duì)種床中種子圖像采集影響較小。

4.3.2作業(yè)速度對(duì)圖像采集效果的影響

為進(jìn)一步驗(yàn)證所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的作業(yè)性能及作業(yè)速度對(duì)圖像采集效果的影響，以開(kāi)溝速度v為試驗(yàn)因素，在播種作業(yè)過(guò)程中進(jìn)行圖像實(shí)時(shí)采集試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)置采集幀率f1=60 f/s，每次作業(yè)采集圖像數(shù)量n1為1 000幀，作業(yè)速度分別為1.6、1.9、2.2 m/s。

圖像采集結(jié)果表明，當(dāng)作業(yè)速度達(dá)到2.2 m/s時(shí)，本文設(shè)計(jì)的延時(shí)回土裝置仍能保證圖像采集時(shí)免受回落土壤的干擾，可以滿(mǎn)足常規(guī)速度作業(yè)時(shí)的圖像采集需求。

觀察采集圖像發(fā)現(xiàn)，隨作業(yè)速度增加，種子圖像出現(xiàn)畸變現(xiàn)象，即相較于原始形狀，圖像中的種子被拉長(zhǎng)，如圖18所示，且作業(yè)速度越快，畸變現(xiàn)象越嚴(yán)重。

圖18 不同開(kāi)溝速度種子圖像畸變情況Fig.18 Seed image distortion at different operation speeds

4.3.3YOLOX目標(biāo)檢測(cè)效果

試驗(yàn)共采集圖像3 000幀，其中有玉米種子圖像共1 736幀。將所得包含玉米種子種床圖像，按照8∶1∶1的比例劃分為訓(xùn)練集、驗(yàn)證集和測(cè)試集。使用COCO和VOC數(shù)據(jù)集上的初始化YOLOX的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，訓(xùn)練YOLOX目標(biāo)檢測(cè)模型，得到最優(yōu)權(quán)重文件。使用基于最優(yōu)權(quán)重文件的YOLOX目標(biāo)檢測(cè)模型，進(jìn)行種床圖像中的種子目標(biāo)檢測(cè)檢測(cè)，測(cè)試檢測(cè)精度并計(jì)算滿(mǎn)足YOLOX目標(biāo)檢測(cè)模型的最大作業(yè)速度vmax，計(jì)算式為

(12)

其中

式中vmax——最大作業(yè)速度，km/h

tY——單幀圖像檢測(cè)時(shí)間，ms

結(jié)果表明，YOLOX目標(biāo)檢測(cè)模型可檢測(cè)出種子目標(biāo)，平均檢測(cè)精度為95.2%，滿(mǎn)足檢測(cè)要求。單幀圖像檢測(cè)時(shí)間tY≈30 ms，以此時(shí)間計(jì)算，vmax=14.2 km/h，滿(mǎn)足當(dāng)前絕大多數(shù)玉米播種機(jī)的作業(yè)速度要求。

5 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了延時(shí)回土開(kāi)溝裝置，通過(guò)導(dǎo)土裝置和回土裝置的配合作用，在保證土壤回填率的基礎(chǔ)上，有效延長(zhǎng)了回土?xí)r間，解決了土壤回落覆蓋種子，影響種床中種子的圖像采集的問(wèn)題。

(2)通過(guò)離散元仿真試驗(yàn)，獲得開(kāi)溝延時(shí)回土裝置作業(yè)參數(shù)最優(yōu)組合為開(kāi)溝速度1.6 m/s、開(kāi)溝深度30 mm、回土板轉(zhuǎn)角40°，影響土壤回填率的因素顯著性順序依次為：開(kāi)溝深度、開(kāi)溝速度和回土板轉(zhuǎn)角。

(3)設(shè)計(jì)具有種床內(nèi)種子圖像采集功能的玉米播種單體，進(jìn)行土壤回填率田間試驗(yàn)及種子圖像采集試驗(yàn)，結(jié)果表明，最優(yōu)參數(shù)組合下，土壤回填率為96.5%，開(kāi)溝延時(shí)回土裝置較未安裝回土裝置的開(kāi)溝器土壤回填率提升39.6個(gè)百分點(diǎn)；圖像采集試驗(yàn)表明結(jié)果，所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)可以有效避免回落土壤對(duì)圖像采集的影響，滿(mǎn)足常規(guī)速度作業(yè)時(shí)的作業(yè)需求，實(shí)現(xiàn)原始圖像的采集。