熊　瓊，鄧明華，葛　蓁，汪小志

(1.武漢工商學(xué)院 信息工程學(xué)院，武漢　430200；2.武漢理工大學(xué) 物流工程學(xué)院，武漢　430063；3.南昌

大學(xué)，南昌　330031 )

?

基于DSP嵌入式系統(tǒng)的機械式自清潔播種頭設(shè)計

熊瓊1，鄧明華1，葛蓁1，汪小志2,3

(1.武漢工商學(xué)院 信息工程學(xué)院，武漢430200；2.武漢理工大學(xué) 物流工程學(xué)院，武漢430063；3.南昌

大學(xué)，南昌330031 )

摘要：為解決現(xiàn)有針式穴盤播種機的吸嘴易發(fā)生堵塞影響播種質(zhì)量的問題，基于DSP嵌入式圖像識別系統(tǒng)，結(jié)合裝置氣吸-氣吹的播種原理，設(shè)計了一種新的機械式自清潔播種頭。該裝置主要由DSP嵌入式圖像識別和自動化清潔控制系統(tǒng)組成，圖像處理模塊采用TMS320DM642內(nèi)核，包括圖像預(yù)處理、特征提取、特征編碼和編碼匹配過程。機械部分包括吸嘴頭、固定部、清潔活塞、頂針和復(fù)位彈簧等，通過和阻塞種子的圖像匹配，輸出接通正氣壓動作，利用活塞和頂針對吸嘴頭進行疏通和排種作業(yè)。為了驗證裝置的有效性和可靠性，對系統(tǒng)進行了測試。結(jié)果表明：在播種速度為30排/min時，自清潔播種頭播種的單粒率為98.7%、空穴率為0.52%、重播率為1.21%，與傳統(tǒng)針式吸嘴相比，播種質(zhì)量和防堵效果大幅度提高。

關(guān)鍵詞：播種機頭；嵌入式DSP；復(fù)位彈簧；力學(xué)模型；氣壓源；空穴率

0引言

氣吸式穴盤播種機是工廠化育苗生產(chǎn)體系中的核心設(shè)備，播種頭則是氣吸式穴盤播種機的重要部件。國外氣吸式穴盤播種機的研究起步較早，已開發(fā)出針式、滾筒式、平板式等系列播種設(shè)備，技術(shù)先進、整體配套性好，適用于設(shè)施裝備配套齊全的工廠化育苗企業(yè)。針式播種機對種子的外形尺寸要求不高，適應(yīng)性好，每次可完成單排穴孔播種，生產(chǎn)效率為200～400盤/h，但存在吸嘴易堵塞影響播種質(zhì)量的問題。

為了解決上述問題，設(shè)計了一種新的播種頭自清潔系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于機械氣動力學(xué)原理，利用播種頭的氣動特性，實現(xiàn)自清潔功能。為了提高裝置的自動化程度，采用DSP嵌入式系統(tǒng)對種粒的堵塞圖像進行識別，當(dāng)控制中心得到與阻塞圖像匹配的圖像時，自動控制彈簧活塞和頂針向下移動，使種子脫離播種頭，實現(xiàn)了播種頭堵塞的自清潔功能，提高了播種機的播種作業(yè)效率和播種精度，為播種機的現(xiàn)代化設(shè)計提供了技術(shù)參考。

1機械式自清潔播種頭設(shè)計原理

為了實現(xiàn)播種機播種頭的自清潔功能，吸種過程中負的吸氣接頭和負壓氣源接通，此時腔室內(nèi)形成負壓，吸頭產(chǎn)生吸附力吸住種子；在排種時，切斷負氣壓源，但腔室內(nèi)還會殘留部分負壓。其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

1.固定座　2.負壓進氣接頭　3.吸嘴頭　4.復(fù)位彈簧

當(dāng)播種頭有種子被吸附時，需要接通正壓氣源，清潔活塞會向下移動，復(fù)位彈簧被壓縮，頂針將種子推出吸嘴頭，種子在自身重力作用下向下移動，實現(xiàn)了排種和自動清潔的功能。

圖2表示DSP嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計原理。該系統(tǒng)的功能設(shè)計主要基于圖像特征提取，當(dāng)采集的圖像和機械播種頭阻塞的圖像匹配時，系統(tǒng)自動接通正壓氣源，種子在頂針的作用下被推出播種頭，實現(xiàn)播種頭的自動清潔功能。圖像處理共分為4個步驟：圖像預(yù)處理、特征提取、特征編碼和編碼匹配。

圖2　DSP系統(tǒng)設(shè)計原理

2DSP嵌入式控制模型和系統(tǒng)設(shè)計

2.1控制模型

在排種過程中，播種頭接通正壓氣源，活塞和頂針會向下移動，種子受到3種力的共同作用，包括自身重力G、吸附力Fx和清潔活塞和頂針的驅(qū)動力Fq，清潔活塞的推力為排種壓力與復(fù)位彈簧阻力之差。臨界狀態(tài)的平衡方程為

(1)

其中，F(xiàn)p表示排種力，F(xiàn)l表示彈簧的復(fù)位力。

(2)

其中，d表示活塞直徑；Pc表示臨界排種壓力；K表示彈簧彈力系數(shù)；Δx表示彈簧位移。將式(2)帶入式(1)可得

(3)

其中，ρz、ρk分別表示種子和空氣的密度；Vz表示種子的體積；vl表示臨界懸浮速度；Sz表示種子迎風(fēng)面積；Cd表示懸浮系數(shù)。臨界排種氣壓Pc為

(4)

因此，只要排種氣壓大于臨界排種氣壓，種子將擺脫負壓吸附力，受重力而自由落體完成排種。

2.2系統(tǒng)硬件設(shè)計

機械播種頭自清潔DSP嵌入式系統(tǒng)硬件平臺分為6個功能模塊，包括電源管理模塊、圖像采集模塊、圖像處理模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、人機交互模塊和網(wǎng)絡(luò)通訊模塊。硬件平臺的整體框圖如圖3所示。

圖3　系統(tǒng)硬件設(shè)計框圖

其中，電源模塊的主要作用是保證系統(tǒng)內(nèi)核和外圍正常供電，維持系統(tǒng)的穩(wěn)定運行；圖像采集模型主要負責(zé)將采集的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并將信號傳輸?shù)絋MS320DM642內(nèi)核，負責(zé)全部的圖像處理運算；數(shù)據(jù)存儲模塊負責(zé)程序和編碼數(shù)據(jù)庫的保存；人機交互模塊可以認為輸入DSP運行程序。系統(tǒng)中，由TMS320DM642的視頻端口和視頻解碼芯片來實現(xiàn)種子圖像的采集。其中，視頻解碼芯片型號為TVP5150PBS，具有功耗小及性能好的特點。

2.3系統(tǒng)軟件設(shè)計

DSP/BIOS是TI公司提供的實時嵌入式操作系統(tǒng)，是一款免費的嵌入式操作系統(tǒng)，由TI公司提供強大的技術(shù)支持，可以降低開發(fā)難度?；贒SP/BIOS開發(fā)的應(yīng)用程序可以利用CCS中提供的各種代碼執(zhí)行效率的評估工具，查看各部分代碼的執(zhí)行效率。針對嚴重影響系統(tǒng)效率的代碼進行優(yōu)化，有利于編寫出執(zhí)行效率更高的代碼。本研究使用的主要進程名稱和功能如表1所示。

本設(shè)計嵌入式DSP播種機種子圖像識別軟件系統(tǒng)共使用2個硬件中斷和4個任務(wù)，各進程的名稱和功能說明如表1所示。PC平臺與TMS320DM642平臺中的基本數(shù)據(jù)如表2所示。

表1　嵌入式圖像識別系統(tǒng)進程名稱與功能說明表

表2　基本數(shù)據(jù)類型

由表2中可以看出：兩種平臺大部分的數(shù)據(jù)類型都是相同的，但是也存在細微差別，因此需要對數(shù)據(jù)類型進行修改。在嵌入式識別算法中，需要將bool數(shù)據(jù)類型改為char。其中，long數(shù)據(jù)類型在PC和TMS320DM64上有區(qū)別，故全部改為int類型來定義。

TMS320DM642是一款32位的定點DSP芯片，運算主頻很高，但其浮點的數(shù)據(jù)處理能力較差，而播種機種子圖像的識別過程中有很多浮點運算，因此需要將種子圖像識別算法進行優(yōu)化。其中，使用的主要程序如下:

浮點數(shù)加減法

int x, y, z;

int temp;

temp=y<<(Px-Py);

temp=x±temp;

z=(int)(temp>>(Px-Pz);

z=(int)(temp<<(Pz-Px);

浮點數(shù)乘法

int x, y, z ;

int temp;

temp=(int)x;

z=(temp*y)>>(Px+Py-Pz);

浮點除法

int x, y, z ;

int temp;

temp=(int)x;

z=(temp<<(Px+Py-Pz))/y;

......

經(jīng)過浮點數(shù)定點化之后，種子圖像識別算法的效率將大大提升。

3測試結(jié)果與分析

運行速度是嵌入式圖像識別系統(tǒng)的重要性能評價指標，圖像識別的時間越短，系統(tǒng)的性能越好，越有利于系統(tǒng)的實時性控制。在播種速度為30排/min時，對系統(tǒng)的圖像識別時間進行測試，得到了如表3所示的結(jié)果。

表3　圖像識別運算時間

由表3可以看出:特征提取的時間最大為1.23s，匹配提取的時間最大為0.23s，時間總和最大也僅為1.43s。由此可知：嵌入式系統(tǒng)的圖像識別速度較快，可以滿足播種機播種頭實時清潔的需要。

為了測試本文設(shè)計的嵌入式播種自清潔清潔效果，將有效的清潔次數(shù)進行統(tǒng)計，得到了播種頭有效清潔的實時變化曲線。由圖4可以看出：嵌入式播種頭自清潔裝置對阻塞的自動清潔達到了90%以上，可以滿足播種優(yōu)化系統(tǒng)的需求。

表4表示播種有效性的測試數(shù)據(jù)。為了測試本文設(shè)計的嵌入式播種自清潔系統(tǒng)的的有效性和可靠性，將其播種性能和傳統(tǒng)的播種機播種頭性能進行對比。由表4可以看出：和傳統(tǒng)的播種頭相比，其播種單粒率更高，空穴率更低，重播率也較低，播種性能大大提高。由于系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)使用活塞和頂針裝置，其適應(yīng)性較強，可以在多種播種裝置中推廣。

圖4　播種頭有效清潔次數(shù)實時曲線

測試裝置單粒率空穴率重播率傳統(tǒng)播種頭85.28.225.69自清潔播種頭98.70.521.21

4結(jié)論

設(shè)計了一種新的解決播種頭堵塞問題的機械裝置。該裝置依據(jù)氣動力學(xué)原理，采用氣動活塞和頂針實現(xiàn)播種頭的清潔功能。同時，利用DSP嵌入式圖像識別技術(shù)，實現(xiàn)了裝置的自動化控制過程。系統(tǒng)硬件部分采用TMS320DM642內(nèi)核進行圖像處理，使用視頻解碼芯片TVP5150PBS和SAA7121H視頻編碼器進行圖像采集，降低了系統(tǒng)的功耗，提高了圖像處理的性能。通過對系統(tǒng)的測試發(fā)現(xiàn)：該機械裝置和自動控制的系統(tǒng)性能較好，播種的單粒率較高、空穴率較低、重播率很低，大幅度地提高了播種的效率和播種質(zhì)量，可以在播種機的播種頭設(shè)計中進行推廣，具有較好的應(yīng)用前景。

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Abstract ID:1003-188X(2016)02-0209-EA

Mechanical Self-cleaning Seeding Head Design Based on DSP Embedded System

Xiong Qiong1, Deng Minghua1, Ge Zhen1, Wang Xiaozhi2,3

(1.School of Information Engineering,Wuhan Technology and Business University,Wuhan 430200, China; 2.School of Logistics Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China; 3.Nanchang University,Nanchang 330031, China)

Abstract：In order to solve the existing suction nozzle needle type tray seeder easy blocking effects of sowing quality problems, DSP embedded image recognition system based on combining device, gas desorption gas blowing seeding principle, design a new mechanical self-cleaning seeding head. The device is mainly composed of a DSP embedded image recognition and automatic cleaning of the composition of the control system, the image processing module based on TMS320DM642 kernel, the function includes image preprocessing, feature extraction, feature coding and code matching process,the mechanical part comprises a nozzle,a fixed part,the cleaning piston,thimble and a reset spring,and image blocking by seed matching, output is connected with a positive air pressure action, dredge and seeding operations on the suction nozzle head using piston and the thimble. In order to verify the validity and reliability of the device, the system is tested, the results showed that, in the seeding speed for the 30 row /min, self cleaning head single grain sowing sowing rate was 98.7%, the hole rate is 0.52%, the playback rate is 1.21%, the indexes and the traditional needle type nozzle compared to sowing quality and greatly improve the anti blocking effect.

Key words：seeding machine head; embedded DSP; reset spring; mechanical model; pressure source; hole rate

文章編號：1003-188X(2016)02-0209-04

中圖分類號：S223.2；S126

文獻標識碼：A

作者簡介：熊瓊(1981-)，女，湖北鄂州人，講師，碩士。通訊作者：汪小志(1981-)，女，武漢人，講師，博士研究生，(E-mail)wangxiaozhi@ncu.edu.cn。

基金項目：現(xiàn)代物流與商務(wù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新項目(2011A201313)

收稿日期：2015-01-27