基于位移傳感器的玉米播種機(jī)漏取種檢測(cè)方法

韓玉婷

（南陽(yáng)技師學(xué)院，473000，河南南陽(yáng)）

農(nóng)業(yè)是保證民生的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，因此自古以來(lái)人們一直致力于農(nóng)業(yè)種植方面的研究，如改良糧食品種，優(yōu)化種植工具，在提高糧食產(chǎn)量和種植效率方面付出了極大的時(shí)間、精力。隨著人們不斷地深入研究，在糧食種植方面取得了很多成果，發(fā)明了各種種植工具，使得人工種植逐漸向著半自動(dòng)、自動(dòng)化種植快速發(fā)展。玉米是糧食種植中常見(jiàn)品種，以往通過(guò)人工種植時(shí)，不僅效率較低，而且對(duì)播種粒數(shù)也很難準(zhǔn)確把握，這給后期定苗造成了很多阻礙，增加了工作量[1]。面對(duì)這種情況，當(dāng)前玉米種植時(shí)會(huì)選擇玉米播種機(jī)來(lái)代替人工，不僅效率較高，而且也能保證取種的一致性。然而，盡管如此，播種機(jī)也不是毫無(wú)缺點(diǎn)的，會(huì)出現(xiàn)漏取種的現(xiàn)象，這是每臺(tái)播種機(jī)都無(wú)法避免的，只是存在有的播種機(jī)漏取種幾率不高、有的播種機(jī)漏取種幾率較高的區(qū)別[2]。漏取種會(huì)直接影響玉米種植產(chǎn)量，因此為保證種植產(chǎn)量，方便后期進(jìn)行漏播補(bǔ)種，進(jìn)行玉米播種機(jī)漏取種檢測(cè)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)于播種機(jī)漏播檢測(cè)問(wèn)題，劉樹(shù)峰等提出了一種基于激光對(duì)射傳感器的檢測(cè)方法，通過(guò)激光對(duì)射傳感器獲取種勺高度數(shù)據(jù)，然后將該數(shù)據(jù)與安裝間距進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)前者小于后者時(shí)，就認(rèn)為排種勺中無(wú)糧種，即發(fā)生漏取種現(xiàn)象[3]；石兵等提出了一種基于光電傳感器的檢測(cè)方法，通過(guò)判斷光電信號(hào)是否被種子遮擋住來(lái)判斷是否發(fā)生漏播種問(wèn)題，光電信號(hào)被遮擋，說(shuō)明排種器中有種子，光電信號(hào)沒(méi)被遮擋，說(shuō)明排種器中沒(méi)有種子，由此完成漏播種檢測(cè)[4]。

雖然前人研究都取得了一定成果，但是多數(shù)是針對(duì)完全沒(méi)有取種的情況的，當(dāng)播種機(jī)取種了卻少于設(shè)定取種粒數(shù)時(shí)，很難分辨出來(lái)。漏取種不僅包括沒(méi)有種子，還包括少取種的情況，因此以往的漏取種檢測(cè)方法還有待進(jìn)一步改進(jìn)。為此，提出一種基于位移傳感器的玉米播種機(jī)漏取種檢測(cè)方法。

1 玉米播種機(jī)漏取種檢測(cè)研究

玉米播種機(jī)的使用雖然在很大程度上提高了生產(chǎn)效率，但是其存在的漏取種問(wèn)題同樣不可忽視[5]。為此，提出一種基于位移傳感器的玉米播種機(jī)漏取種檢測(cè)方法。該研究主要分為兩個(gè)步驟，即播種機(jī)取種裝置定位、取種數(shù)量檢測(cè)。前者目的是確定是否能夠取種，后者目的是確定取種數(shù)量是否正確。二者都達(dá)到設(shè)定條件，即認(rèn)定為沒(méi)有發(fā)生漏取種情況；否則，有一項(xiàng)沒(méi)有達(dá)到設(shè)定條件，則認(rèn)為發(fā)生漏取種情況并同時(shí)進(jìn)行漏取種預(yù)警。

1.1 基于位移傳感器的取種裝置定位

在漏取種檢測(cè)中，首要的是確定取種裝置的位置，只有取種裝置到達(dá)指定的位置，才能保證取種的成功。一旦偏離指定位置，不是發(fā)生空取問(wèn)題，就是發(fā)生少取問(wèn)題。要確定取種裝置在三維空間中的具體位置，需要用到一種位移傳感器，即激光位移傳感器[6]。通過(guò)該傳感器能夠確定到取種裝置之間的距離，原理如圖1 所示。

圖1 激光位移傳感器測(cè)距原理示意圖

激光位移傳感器測(cè)量到取種裝置之間的距離具體過(guò)程如下。

（1）激光器向取種裝置發(fā)射激光光束。

（2）當(dāng)激光光束接觸到取種裝置時(shí)，激光被反射。

（3）反射激光通過(guò)接收透鏡。

（4）通過(guò)接收透鏡聚集進(jìn)入到CCD 線陣相機(jī)中。

（5）借助三角法測(cè)量理論，計(jì)算得出激光位移傳感器到取種裝置之間的距離。計(jì)算公式如下：

式中：A 是激光位移傳感器到取種裝置之間的距離；a是光斑在傳感器中的位移量；b 是物距；? 是激光束入射光軸與成像透鏡光軸之間的夾角；c 是像距；δ 是入射角。

（6）在測(cè)距中，受到各種因素的限制，測(cè)量的距離會(huì)存在一定的誤差。針對(duì)這一點(diǎn)，利用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行誤差校正和補(bǔ)償，提高測(cè)距準(zhǔn)確度，具體過(guò)程為：①確定導(dǎo)致測(cè)距存在誤差的主要指標(biāo)，以此作為訓(xùn)練樣本的輸入數(shù)據(jù)；②確定訓(xùn)練樣本中的誤差預(yù)期輸出數(shù)據(jù)；③將誤差主要影響指標(biāo)輸入到BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法當(dāng)中，進(jìn)行三層運(yùn)算，輸出結(jié)果；④將輸出結(jié)果與誤差預(yù)期輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)二者之間的差值大于設(shè)定的閾值，需要調(diào)整算法的權(quán)值和閾值，否則，輸出訓(xùn)練成熟的誤差校正模型；⑤輸入待校正激光位移傳感器誤差影響指標(biāo)數(shù)據(jù)，得出校正誤差值；⑥將校正誤差值與原始激光位移傳感器測(cè)距結(jié)果相加，得到更為準(zhǔn)確的激光位移傳感器到取種裝置之間的距離值。

應(yīng)用取大運(yùn)算和取小運(yùn)算分別計(jì)算相對(duì)最大（最優(yōu)年）優(yōu)屬度g=（g1，g2，…gm）T和相對(duì)最?。ㄗ盍幽辏﹥?yōu)屬度 b=（b1，b2，…bm）T。

在得到激光位移傳感器到取種裝置之間的精確距離之后，以激光位移傳感器為零點(diǎn)，建立坐標(biāo)系。結(jié)合激光束入射光軸與成像透鏡光軸之間的夾角和入射角，得出玉米取種裝置的三維空間坐標(biāo)[7]。

式中：X、Y、Z 是玉米取種裝置的三維坐標(biāo)。

到這一步，將玉米取種裝置的三維坐標(biāo)（X，Y，Z）與指定的取種位置空間坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，可以判斷玉米取種裝置是否到達(dá)指定位置。

為進(jìn)一步確定取種裝置能否接觸到玉米種，可以計(jì)算二者之間的距離。計(jì)算公式如下：

經(jīng)過(guò)上述研究，可以完成一種漏取種類(lèi)型的判定，即是否存在空取種。

1.2 取種數(shù)量檢測(cè)

式中：G 是薄膜壓力傳感器檢測(cè)出來(lái)的壓力值；T1，T2是取值閾值的極小值和極大值。

當(dāng)存在少取種時(shí)，報(bào)警器會(huì)進(jìn)行藍(lán)光預(yù)警；當(dāng)存在多取種時(shí)，報(bào)警器會(huì)進(jìn)行紅光預(yù)警。至此，完成了取種數(shù)量檢測(cè)，為少取種現(xiàn)象的判斷提供了依據(jù)[9]。

1.3 基于漫反射激光傳感器的漏播種檢驗(yàn)

玉米種子在從取種完成到播種過(guò)程中，全程處于動(dòng)態(tài)環(huán)境中，因此種子會(huì)存在滑落或者卡到下播口的問(wèn)題，這種現(xiàn)象同樣會(huì)導(dǎo)致漏播種現(xiàn)象[10]。針對(duì)這一現(xiàn)象，利用漫反射激光傳感器進(jìn)行最后一步的漏取種檢驗(yàn)，將該傳感器置于取種裝置旁，使激光射線對(duì)準(zhǔn)取種勺正中位置，取種勺中沒(méi)有玉米種子時(shí)，報(bào)警器會(huì)進(jìn)行藍(lán)光預(yù)警，以此檢驗(yàn)是否存在漏播種現(xiàn)象。

（1）對(duì)播種機(jī)進(jìn)行測(cè)速，得到車(chē)輪運(yùn)行速度。計(jì)算公式如下：

式中：v 是玉米播種機(jī)的運(yùn)行速度；Q 是車(chē)輪直徑；I是玉米播種機(jī)帶動(dòng)車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)作業(yè)的距離；U 是車(chē)速編碼器脈沖累計(jì)數(shù)；U1是車(chē)速編碼器輸出脈沖數(shù)；R 是車(chē)速編碼器分辨率；h 是校核系數(shù)；t 是車(chē)速更新周期。

（2）計(jì)算玉米下播粒距，計(jì)算公式如下：

式中：L 是玉米下播粒距；vi是第i 個(gè)脈沖間隔內(nèi)玉米播種機(jī)車(chē)速；Δt 是相鄰脈沖時(shí)間間隔；n 是脈沖間隔數(shù)量。

（3）取種檢驗(yàn)，檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)如下：

式中：ΔL 代表玉米下播粒距閾值。當(dāng)漏播種發(fā)生時(shí)，漫反射激光傳感器的報(bào)警器同樣會(huì)進(jìn)行藍(lán)光預(yù)警，能夠極大保證漏播種問(wèn)題被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，為后續(xù)漏播種補(bǔ)植提供了可靠的參考，保證了玉米種植的質(zhì)量。

2 檢測(cè)方法應(yīng)用測(cè)試與分析

為測(cè)試所研究的基于位移傳感器的檢測(cè)方法在玉米播種機(jī)漏取種檢測(cè)中的應(yīng)用效果，與基于激光對(duì)射傳感器的檢測(cè)方法、基于光電傳感器的檢測(cè)方法一起進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

2.1 研究對(duì)象概況

在漏取種檢測(cè)實(shí)驗(yàn)中，主要需要用到玉米種子、播種機(jī)兩個(gè)對(duì)象。這兩個(gè)對(duì)象的基礎(chǔ)參數(shù)如下表1 所示。

表1 研究對(duì)象基礎(chǔ)參數(shù)表

2.2 取種裝置定位結(jié)果

為保證測(cè)試結(jié)果的有效性，給定14 個(gè)取種位置，然后基于章節(jié)1.1 研究，利用位移傳感器定位取種裝置位置并計(jì)算與給定取種位置的誤差，最后計(jì)算取種裝置與玉米種之間的距離，判斷是否發(fā)生空取問(wèn)題。結(jié)果如表2 所示。

表2 取種裝置定位測(cè)試結(jié)果表

從表2 可以看出，在14 次測(cè)試結(jié)果中，其中12 次位移傳感器定位出的取種裝置所在位置與給定取種位置之間的三維坐標(biāo)誤差較小，且計(jì)算出來(lái)的取種裝置與玉米種之間的距離均小于1，由此說(shuō)明這12 次取種均取到了玉米種子，沒(méi)有發(fā)生空取現(xiàn)象；其余2 次的誤差較大，取種裝置與玉米種之間的距離大于1，說(shuō)明這2 次沒(méi)有取到種子，發(fā)生了空取問(wèn)題。

2.3 漏取種檢測(cè)方法性能對(duì)比分析

以往方法大部分能發(fā)現(xiàn)空取種的問(wèn)題，但是針對(duì)少取種、漏播種現(xiàn)象則發(fā)現(xiàn)率較低。針對(duì)這一點(diǎn)，選取一段長(zhǎng)為1 000 m 的種植帶進(jìn)行玉米播種過(guò)程模擬測(cè)試?？紤]到玉米種子品種不同可能對(duì)漏取種檢測(cè)存在一定的影響，在這里除了鄭單958 外，另外選取其他兩種品種的玉米種子一起作為測(cè)試對(duì)象。利用所研究方法及基于激光對(duì)射傳感器的檢測(cè)方法、基于光電傳感器的檢測(cè)方法對(duì)過(guò)程中漏取種進(jìn)行檢測(cè)。然后計(jì)算檢測(cè)結(jié)果與實(shí)際結(jié)果之間的Dice 系數(shù)。該系數(shù)越大，檢測(cè)準(zhǔn)確性越高。結(jié)果如下圖2 所示。

圖2 Dice 系數(shù)對(duì)比圖

從圖2 可以看出，與基于激光對(duì)射傳感器的檢測(cè)方法、基于光電傳感器的檢測(cè)方法相比，基于位移傳感器的檢測(cè)方法的Dice 系數(shù)更大，由此說(shuō)明所研究方法的漏取種檢測(cè)準(zhǔn)確性更高。

3 結(jié)語(yǔ)

玉米容易種植，成活率高，適應(yīng)性強(qiáng)，因此在很多地區(qū)都可以種植，因此成為常見(jiàn)的農(nóng)作物之一。隨著機(jī)械化設(shè)備的不斷研發(fā)，玉米種植逐漸從單純的人工種植逐漸向著自動(dòng)化、半自動(dòng)化方向發(fā)展。然而，機(jī)械化種植也存在一個(gè)較大的問(wèn)題，就是容易發(fā)生漏取種問(wèn)題。在此背景下，研究一種基于位移傳感器的玉米播種機(jī)漏取種檢測(cè)方法。該方法通過(guò)三個(gè)環(huán)節(jié)的不斷深入檢測(cè)，防止了玉米種植過(guò)程中可能發(fā)生的漏取種問(wèn)題，為后期漏取補(bǔ)償提供了參考依據(jù)。