周海波 李晨銘 張 鑌 王海欣 李 霞

(1.天津理工大學(xué)天津市先進機電系統(tǒng)設(shè)計與智能控制重點實驗室， 天津 300384；2.天津理工大學(xué)機電工程國家級實驗教學(xué)示范中心， 天津 300384)

0 引言

我國水稻種植技術(shù)以育秧移栽為主[1]。機械移栽在育秧方式上可分為毯狀苗移栽、缽體苗移栽以及缽體毯狀苗移栽等，其中缽體苗移栽具有傷根輕、返青快、分蘗早、秧齡彈性大的優(yōu)勢，彌補了傳統(tǒng)機插秧的不足，增產(chǎn)顯著，已成為主要的水稻種植模式。現(xiàn)有排種器可以達到1～3粒/穴的性能，但空穴率達5%，單粒穴比率也比較高，同時受種子發(fā)芽率和秧苗傷秧率的影響[2-3]，使水稻種植的成秧率較低，故需要補全空穴、減少單粒穴率，以保證水稻缽體育秧的播種質(zhì)量，這對雜交稻缽體育秧2～3粒/穴的理想播種目標尤為重要。目前，針對漏播補種問題的研究較少，缺少補種決策方法及技術(shù)等相關(guān)理論依據(jù)。因此，提升水稻缽體育秧播種機補種裝置的智能化和自動化水平具有重要意義[4]，對蔬菜、花卉等缽體育秧作業(yè)的低播量精密播種也具有借鑒意義。

針對育秧精密播種的監(jiān)測預(yù)警和檢測控制等國內(nèi)外學(xué)者進行了很多研究[5-10]，但對補種工序研究相對較少。由于播種質(zhì)量的實時檢測、補種機構(gòu)的效率問題很難突破，無法滿足實際生產(chǎn)需求，從而成為了秧盤育秧精密播種技術(shù)發(fā)展的瓶頸。周海波等[11-12]研制了2CYL-450型水稻秧盤育秧精密播種機，該機可滿足不同播種量的生產(chǎn)需求，達到1～3粒/穴的精量播種性能指標，但單粒穴和空穴問題仍無法避免。為了解決播種質(zhì)量實時檢測的問題，齊龍等[13]設(shè)計了檢測水稻秧盤空穴位置視覺系統(tǒng)，并建立了與穴孔相對應(yīng)的掩摸圖像，識別空穴準確率達到75%。邱兆美等[14]設(shè)計了小粒種子電動播種機作業(yè)質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，采用多傳感器檢測技術(shù)，檢測精度達96%，實現(xiàn)了實時監(jiān)控、顯示和報警。TAN等[15-16]提出一種雜交稻籽粒分割計數(shù)算法，基于分水嶺算法、改進的角點算法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類算法對雜交稻的粒數(shù)進行分類計數(shù)，平均準確率達到94.63%；同時為解決機器視覺系統(tǒng)只能捕獲部分秧盤補種圖像的問題，提出一種結(jié)合相位相關(guān)和SURF的快速秧盤圖像拼接技術(shù)PC-SURF，以獲得整個秧盤的播種性能，拼接速度也滿足實時性的要求。DONG等[17]提出一種雜交水稻播種性能實時在線監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于HSL模型的固定閾值分割技術(shù)提取網(wǎng)格圖像和種子圖像，計算空穴的數(shù)量，并利用機器學(xué)習(xí)方法監(jiān)測托盤播種的種子數(shù)，在生產(chǎn)效率低于500盤/h條件下，種子數(shù)檢測的平均準確率為95.68%。

本文采用視覺檢測、智能補種決策、伺服電機驅(qū)動和組合吸針等技術(shù)，設(shè)計一種高效智能補種決策系統(tǒng)，對缽體盤播種質(zhì)量進行檢測，優(yōu)化空穴和單粒穴補種方案，通過伺服電機驅(qū)動和氣動組合吸針相結(jié)合實現(xiàn)水稻育秧的高效補種。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 結(jié)構(gòu)與原理

智能補種系統(tǒng)主要由視覺采集與檢測系統(tǒng)、伺服補種機構(gòu)、氣動組合吸針組成，以及由LabVIEW軟件開發(fā)的計算機運動控制系統(tǒng)，如圖1所示。首先，水稻育秧播種機對缽體盤進行播種，播后缽體盤隨輸送系統(tǒng)經(jīng)過視覺采集傳感器，視覺采集系統(tǒng)實時采集圖像，采集到當前水稻缽體盤的圖像信息，再通過圖像檢測系統(tǒng)對缽體盤播種質(zhì)量進行檢測，同時將種群分布信息以數(shù)組的形式存儲。然后，采用卷積計算方法，智能決策空穴和單粒穴的補種方案。最后，當缽體盤運送到補種傳感器位置時，由伺服電機驅(qū)動和組合吸針相結(jié)合的補種機構(gòu)，實現(xiàn)精準、高效、連續(xù)的動態(tài)補種過程。

圖1 智能補種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Main structure of intelligent precision reseeding mechanism1.視覺采集與檢測系統(tǒng) 2.智能補種器 3.秧盤 4.組合吸針 5.機架

1.2 視覺采集與檢測系統(tǒng)

輸送機構(gòu)將水稻缽體盤輸送到視覺采集傳感器的位置時，觸發(fā)傳感器產(chǎn)生高電平信號，啟動圖像采集系統(tǒng)實時采集圖像，CCD相機通過千兆網(wǎng)(GigE)傳入計算機，進行水稻缽體盤中種子穴粒數(shù)信息提取。

在圖像采集完成后，對圖像進行預(yù)處理。本視覺檢測系統(tǒng)中采用加權(quán)平均法進行灰度化處理，將彩色圖像轉(zhuǎn)換成有256個灰度級的灰度圖像，再利用二值化方法即大津法(Otsu法)得出合適的閾值。最后對圖像進行先腐蝕后膨脹的去噪處理，使種子圖像的輪廓光滑、毛刺消失；然后采用面積剔除法，去除圖像中的細小反光點，最后建立12×6個穴位掩膜圖像與原圖像進行重疊，并進行單個掩膜種子數(shù)量的提取，得到一個包含穴位位置和粒數(shù)信息的種群分布數(shù)組存入數(shù)據(jù)庫以供調(diào)用[18]。

1.3 伺服補種機構(gòu)

伺服補種機構(gòu)(如圖2所示)由交流伺服電機驅(qū)動的X、Y、Z三軸水平式機械臂和氣動系統(tǒng)構(gòu)成，可以實現(xiàn)機構(gòu)的吸種、攜種、補種連續(xù)運動軌跡控制。

圖2 伺服補種機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Servo reseeding mechanism1.組合吸針 2.伺服機構(gòu)

由于機構(gòu)要求具有高精度、高速度，需要選用大扭矩、高精度的電動機作為執(zhí)行元件，3個軸均選用松下MINASA5系列交流伺服電機。

氣動系統(tǒng)主要由組合吸針、真空發(fā)生器、兩位五通電磁閥、氣泵、計算機、數(shù)據(jù)采集卡、電壓放大電路等組成，如圖3所示。組合吸針吸種是利用上位機使數(shù)據(jù)采集卡的輸出物理通道產(chǎn)生電平信號，再經(jīng)共射極電壓放大電路輸出24 V電壓來驅(qū)動二位五通電磁換向閥的先導(dǎo)閥改變位置。即數(shù)據(jù)采集卡的物理輸出通道為低電平時，電磁換向閥處于斷電狀態(tài)，出氣口為正壓氣，此時組合吸針為補種狀態(tài)；反之當數(shù)據(jù)采集卡的物理輸出通道為高電平時，電磁換向閥處于通電狀態(tài)，再通過與另一進氣口連接的真空發(fā)生器形成負壓力，此時組合吸針為吸種狀態(tài)。

圖3 氣動系統(tǒng)原理圖Fig.3 Pneumatic seed suction system1.組合吸針 2.真空發(fā)生器 3.氣泵 4.計算機 5.電磁閥 6.數(shù)據(jù)采集卡

1.4 組合吸針

為了使補種操作更加高效，減少每一次補種的周期時間，本文提出組合吸針的方案，即多個雙孔針頭按照行、列組合起來(如圖4a所示)。將組合吸針固定在伺服補種機構(gòu)Z軸上，代替原來單個吸針的位置。

圖4 組合吸針Fig.4 Combined sucker

本研究采用的缽體盤規(guī)格為23穴×12穴。經(jīng)播種工序后，統(tǒng)計空穴率a為0～3%；綜合考慮智能補種系統(tǒng)補種率和生產(chǎn)率，由智能控制系統(tǒng)決策出真正待補穴位占全部1粒穴比例b為0～4%。伺服補種機構(gòu)需將空穴和部分1粒穴重新補種，建立組合吸針中雙孔吸針個數(shù)與水稻缽體盤中待補穴位的數(shù)學(xué)模型為

(1)

由式(1)中J可知每水稻缽體盤中的空穴和待補1粒穴個數(shù)都在0～20個之間。所以設(shè)置組合吸盤中裝有20個雙孔吸針，以保證每一個待補穴位都有對應(yīng)的雙孔吸針進行補種，滿足所有缽體盤的補種需求。

在補種動作開始之前，保證組合吸針中的20個吸針在補種槽同時吸種，組合吸針可以吸取原來單個吸針20倍的種子。按照智能補種決策方案中的就近原則選擇下一個補種穴位，并計算出相應(yīng)吸針到達下一個預(yù)測補種位置的動態(tài)坐標，該吸針下落至相應(yīng)穴位吹氣補種，如此往復(fù)，直至補完最后一個穴位。組合吸針省去了伺服補種系統(tǒng)每一次補種回到補種槽重新吸種和趕往下一個穴位的時間，為總體補種節(jié)省了時間，提升了補種效率。組合吸針利用傳送缽體盤與缽體盤之間的間隙，恢復(fù)到系統(tǒng)原點，等待為下一缽體盤吸種。

1.5 吸種參數(shù)設(shè)計

為了進行精準補種操作，不傷害種子并保證氣吸的穩(wěn)定性，對吸針吸取單粒種子時的參數(shù)進行設(shè)計。組合吸針選用天弘點膠16G雙孔針頭，小直徑1.25 mm，大直徑1.61 mm，可以實現(xiàn)單次吸取2～4粒種子的作用。采用風(fēng)豹無油空氣壓縮機作為氣泵，額定壓力0.7 MPa，吸針吸種性能與氣體負壓有關(guān)，當種子被吸附后，雙孔吸針吸嘴處內(nèi)外壓力差使得種子被牢牢吸附，受力分析如圖5所示。

芽種千粒質(zhì)量與種子所受吸力為

Fp=bCd(G+N)

(2)

其中

Fp=ma

(3)

式中N——吸針支反力，N

Fp——種子所受吸力，N

G——雜交稻芽種種子重力，N

m2——芽種千粒質(zhì)量，kg

g——重力加速度，取9.8 m/s2

b——雙孔吸針的最大吸種個數(shù)，取2～4

Cd——阻力系數(shù)，考慮吸種過程中的空氣摩擦力，以及種子之間產(chǎn)生碰撞的等阻力，Cd取1.8～2

吸種臨界負壓計算式為

(4)

式中S——吸針的橫截面積，m2

d——雙孔針頭小直徑，m

經(jīng)理論計算后通過試驗驗證吸種最小負壓。選取雜交稻種子泰豐優(yōu)208、特優(yōu)2068、國稻1號作為研究對象，分別測量干種千粒質(zhì)量m1,芽種千粒質(zhì)量m2[19]。試驗時測量雙孔吸針的吸嘴到種槽中“沸騰”種子的距離為1～3 mm，每次至少吸2顆種子，記錄此時吸種負壓。在攜種條件下，當速度為1 400 mm/s和加速度為1 500 mm/s2時，對3種雜交稻分別重復(fù)進行10組負壓吸種試驗，并取負壓最大值，試驗結(jié)果見表1。

表1 3種水稻種子吸種負壓試驗結(jié)果Tab.1 Pressure test on three rice seeds

由表1可知，雜交稻芽種的質(zhì)量越大，所需的吸種負壓越大。由于理論計算中未考慮補種系統(tǒng)的振動和組合吸針中各吸針氣體相互交換造成的干擾影響，導(dǎo)致試驗數(shù)據(jù)要比理論計算值大。為保證雙孔吸針的吸種性能，設(shè)置負壓為3.5 kPa，且種子可以隨伺服補種機構(gòu)以最大速度和最大加速度運動，一直被吸附不掉落。

為防止種子中的細小雜質(zhì)堵塞吸孔，從而影響播種的性能，在普通的雙孔吸針中加入通針和十字擋片(如圖6所示)。在正負壓氣體的作用下，可以推動通針往復(fù)運動，對雙孔吸針進行清孔，吸入的雜質(zhì)以及灰塵可以在負壓作用下經(jīng)氣管排出，十字擋片限定通針行程，從而解決了雙孔吸針易堵塞和清理問題。

圖6 雙孔吸針結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Schematic of double hole suction needle structure1.吸管 2.十字擋片 3.雙孔吸針 4.通針

1.6 運動控制系統(tǒng)

伺服驅(qū)動補種控制系統(tǒng)采用LabVIEW與C++聯(lián)合編寫。由計算機發(fā)出執(zhí)行信號，通過運動控制卡、端子板向伺服電機驅(qū)動器輸出脈沖，控制伺服電機的旋轉(zhuǎn)方向與轉(zhuǎn)速，進而控制伺服補種機構(gòu)的移動。

運動控制卡GTS-400-PG-PCI是固高科技有限公司的一款運動控制卡，端子板GT2-400-ACC2-V2.2-G是連接運動控制卡和驅(qū)動器的中間設(shè)備，并控制3個電機的運行，控制電機有2個脈沖接線和2個方向接線。而且運動控制卡和端子板靠專用中繼電纜CN-17來連接，并給端子板提供24 V的直流電源。伺服電機驅(qū)動器采用單相電供電，交流220 V，驅(qū)動器型號MADKT1505E，工作在位置控制模式下，U、V、W及地線和伺服電機相連，X6位置是與伺服電機編碼器相連的帶屏蔽線的四芯電纜線，因為電機工作在低頻脈沖下，X4位置需要引出2個脈沖和2個方向線，供給其24 V直流穩(wěn)壓電，最后引至伺服信號使能端。

單純依靠林業(yè)部門的投資發(fā)展一個產(chǎn)業(yè)，并且要形成規(guī)模是遠遠不夠的，在資金方面加大財政補貼力度，提高群眾積極性，在政策允許的情況下，多渠道籌集核桃產(chǎn)業(yè)發(fā)展資金，如新農(nóng)村建設(shè)、扶貧開發(fā)項目和水土保持工程等資金再給予傾斜。對符合國家信貸和產(chǎn)業(yè)政策的農(nóng)業(yè)、林業(yè)龍頭企業(yè)給予優(yōu)先信貸支持。

2 定位算法

2.1 補種規(guī)劃

伺服補種系統(tǒng)默認脈沖坐標是相對坐標，在補種之前需要改變每一個吸針的脈沖坐標位置。組合吸針共有20個雙孔吸針，智能決策補種系統(tǒng)標定水稻缽體盤的第1個吸針中心位置為系統(tǒng)原點。為減少組合吸針的補種移動距離，補種吸針按“S”形順序依次補種，如圖4b所示。視覺采集和圖像處理系統(tǒng)識別出水稻缽體盤中需要補種的第1個穴位用第1個吸針補種。再補下一個待補穴位時，需要改用下一個吸針補種，實現(xiàn)對應(yīng)的穴位用對應(yīng)的吸針進行補種，并由智能控制系統(tǒng)計算出動態(tài)待補種穴位坐標再加上組合吸針的各雙孔吸針的相對變換坐標，得到最終的待補種穴位脈沖輸出坐標。

2.2 補種決策

為保證水稻育秧播種的質(zhì)量，提高補種器的補種效率，避免盲目補種，智能決策補種系統(tǒng)需要達到消除空穴、減少1粒/穴的效果，決策出真正需要補種的1粒/穴并保證以1粒/穴周邊穴位種子數(shù)，使秧苗具有更高的播種合格率。根據(jù)視覺檢測系統(tǒng)檢測出水稻缽體盤圖像的種群分布數(shù)據(jù)庫的穴位數(shù)據(jù)信息，辨識補種穴位的決策過程如下：

(1)首先檢索出數(shù)據(jù)庫中必補的0粒穴的位置信息，將其穴位直接存入待補穴位數(shù)組中。由于雙孔針頭至少能吸取2粒種子進行補種，所以為方便決策出需要補種的1粒穴位，假設(shè)已檢測出來的0粒穴位用2粒補齊。

(2)將視覺檢測系統(tǒng)采集到的水稻缽體盤中種子信息結(jié)合卷積計算的思想[20-21]進一步?jīng)Q策出待補種1粒穴。卷積是對兩個實變函數(shù)的一種數(shù)學(xué)運算。

設(shè)立1×3卷積核，卷積核中每一個權(quán)重都設(shè)為1，步長為1，再與存有種子個數(shù)信息數(shù)組中每一個元素相乘線性加權(quán)，并將計算數(shù)值存入輸出結(jié)果，輸出數(shù)值小于6則補1粒穴位置，大于或等于6則進入下一循環(huán)的檢測，決策此穴位是否補種。其中需要補種穴位的情況有4種，如表2所示。

(3)檢測核心1粒穴(1≤x<11,1≤y<22)周邊8個穴中所含1粒種子的數(shù)量。同樣采用卷積計算的方法，設(shè)立3×3卷積核，卷積核中每一個權(quán)重都設(shè)為1，步長為1，輸出卷積計算結(jié)果。如果周邊1粒穴數(shù)量超過3個，卷積計算輸出結(jié)果小于等于14，則無法保證缽體盤在此處的成毯性，需要補種核心1粒穴，將此位置1粒穴存入待補種數(shù)組。

表2 待補1粒穴決策方案Tab.2 Decision-making for single seed per hole

(4)補種路徑規(guī)劃由智能決策補種系統(tǒng)計算所有待補穴位(所有空穴和前期決策出的1粒穴)到組合吸針原點位置(x0,y0)最近的待補穴位(x1,y1)距離l，該穴位則是第1個待補種穴位。如果出現(xiàn)2個穴位距離相同，則先補同行或行數(shù)接近的穴位。

之后確定下一個最近的待補穴位，直至完成整盤最后一行的待補穴位的路徑規(guī)劃。

通過智能決策補種方案，為盡可能地降低待補種穴位的個數(shù)，同時保證水稻播種缽體盤的成秧率和成毯性，優(yōu)化空穴和1粒穴的補種方案，使智能決策補種系統(tǒng)可以達到較高的生產(chǎn)率。

2.3 缽體盤穴位動態(tài)坐標定位

由LabVIEW控制系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)分析出待補種的所有穴位后，對信息進行處理，并加上組合吸針原點位置的相對變換，計算出動態(tài)脈沖坐標，最終由伺服電機驅(qū)動和組合吸針相結(jié)合的方式進行補種。

假設(shè)缽體盤(0,0)穴位坐標為(x0,y0)，則任意已完成穴位坐標為(x1,y1)，當下一待補穴位坐標為(x2,y2)，則它的動態(tài)待補穴位坐標為(x3,y3)。n為組合吸針中每一個吸針的編號，補種穴位數(shù)對應(yīng)相同編號的雙孔吸針。K為Y軸方向上相鄰雙孔吸針的間距，M為X軸方向上相鄰雙孔吸針的間距。(x4,y4)表示將組合吸針原點吸針位置變換之后的動態(tài)待補穴位坐標。X、Y軸滑塊最大速度vmax，X、Y軸滑塊最大加速度為amax，輸送機構(gòu)輸送缽體盤的速度為v0；取種與補種時間均為T0，延遲時間為Ty(初值為0)，補種穴位(x2,y2)之前所用的累計時間為Tn，則完成單次補種總時間T。計算公式如下：

(1)伺服補種機構(gòu)待補種第1個穴位時，組合吸針需要先到達(0，y1)進行吸種，并攜種到達待補種的第1個動態(tài)穴位坐標進行補種。設(shè)組合吸針從脈沖原點到補完第1個待補種穴的時間為t1，則有

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

當伺服補種機構(gòu)補完下一待補種穴位時，缽體盤經(jīng)過輸送機構(gòu)以由原來靜態(tài)穴位坐標x2變成新的動態(tài)穴位坐標

(10)

(3)如果待補種穴位的動態(tài)坐標x1≥0，伺服補種機構(gòu)無法立刻補種，待補穴位未到達伺服補種機構(gòu)合理補種范圍內(nèi)，需要加上延時時間，設(shè)延時時間為t3，則有

(11)

則此時動態(tài)待補種穴位位置為

(12)

(4)將組合吸針原點吸針位置變換與動態(tài)補種穴位位置整合之后，得到最終每個補種穴位所對應(yīng)的原點雙孔吸針運動的動態(tài)補種穴位坐標

(13)

式中f——組合吸針已補種列數(shù)

3 試驗

3.1 試驗材料與設(shè)備

試驗使用缽體盤穴位規(guī)格為23穴×12穴(297 mm×583 mm)，缽體育秧土壤選擇過篩育秧土，使用雜交水稻種子國稻1號作為試驗用種。試驗使用 2SJB-500型水稻育秧盤育秧精密播種流水線輸送預(yù)先完成播種的缽體盤，松下A5系列伺服電機的伺服運動機構(gòu)實現(xiàn)補種動作，安裝有LabVIEW的計算機作為上位機，選用容積流量135 L/min的無油氣泵和德國AVT Manta G-201B/C型重工業(yè)相機，整體試驗系統(tǒng)如圖7所示。

圖7 智能補種器整體試驗系統(tǒng)Fig.7 Test device for intelligent reseeding1.計算機 2.三軸伺服補種系統(tǒng) 3.驅(qū)動器 4.端子板 5.數(shù)據(jù)采集卡 6.電源 7.補種槽 8.光電傳感器 9.試驗平臺 10.育秧盤 11.氣泵

3.2 試驗內(nèi)容與方法

為了實現(xiàn)智能補種系統(tǒng)自動實時檢測播種質(zhì)量，并對所需補種穴位進行自動補種操作，驗證智能補種系統(tǒng)對待補穴位的補種精準性和高效性，對水稻缽體盤智能補種系統(tǒng)進行試驗調(diào)試。將水稻缽體盤補種系統(tǒng)安放在2SJB-500型水稻缽體盤育秧精密播種機播種流水線的播種工序與覆土工序之間，進行補種操作，可以有效彌補水稻缽體盤中存在0粒穴和1粒穴過多的問題，提高播種質(zhì)量和效率。

試驗2中每個水稻缽體盤的待補種率(水稻缽體盤中所有0粒穴數(shù)和決策出待補1粒穴數(shù)之和)不同，選取補種率為1%、2%、4%、7%的水稻缽體盤進行試驗。并分別重復(fù)10組試驗取平均值，并在補種后觀察并統(tǒng)計平均每盤補種時間、每盤補種時間相對誤差最大值、生產(chǎn)率，試驗結(jié)果見表3。

表3 試驗結(jié)果統(tǒng)計Tab.3 Statistics of test result

試驗3目的是證明使用伺服電機和組合吸針的智能補種系統(tǒng)比采用步進電機和活塞桿氣缸的補種效率高。步進電機使用日本信濃SST58D4830型兩相混合步進電機，氣缸采用日本SMC公司的13-MXQ8-75A型雙活塞桿氣缸，試驗中選取補種率為1%、2%、4%、7%的水稻缽體盤分別進行試驗，并記錄步進電機和伺服電機完成整盤補種的時間，試驗結(jié)果見圖8。

圖8 伺服電機與步進電機平均單次補種時間的變化曲線Fig.8 Average single reseeding time of servo motor and stepping motor

3.3 試驗結(jié)果與分析

表3為不同補種率水稻缽體盤的單盤平均補種統(tǒng)計，由表3可知，當每個缽體盤的補種率為2%時，智能補種系統(tǒng)生產(chǎn)率可以達到420盤/h，平均每盤補種時間7.56 s，平均每穴補種時間可達到1.51 s。平均每穴補種時間隨補種率的上升而下降。當補種率為7%時，每個水稻缽體盤中所需待補種穴數(shù)為20個，達到組合吸針補種數(shù)的上限，平均每穴補種時間達到1.44 s，達到最小每穴補種時間。補種效果又稱補種率，受平均每穴補種時間的限制，補種率與生產(chǎn)率有關(guān)，即生產(chǎn)率越高，補種率越小，補種效果下降。

同一補種率的水稻缽體盤中待補種穴位位置隨機分布，且有很大的差距，智能補種系統(tǒng)的補種行程不盡相同，造成每個水稻缽體盤的補種時間也不相同。補種率為7%，相對補種率1%的補種個數(shù)增加，各待補穴位之間距離小，平均每穴的補種時間較少。各待補種穴位的相對位置距離越大，每盤補種時間相對誤差最大值越大。

試驗3在補種率為1%、2%、4%、7%的4種情況下分別進行試驗，由圖8可知，使用伺服電機和組合吸針組成的智能補種系統(tǒng)比由步進電機和活塞桿氣缸組成的補種系統(tǒng)在整盤補種時間上至少縮短了53.48%。裝有步進電機的補種機構(gòu)，氣缸動作時間所占單次補種時間比例過大，導(dǎo)致高于伺服電機單次補種時間。

組合吸針的20個雙孔吸針同時吸種，相較于單個吸針補種，節(jié)省了每次補種完成后需回到補種槽補種和前往下一待補穴位的時間，可以將整盤補種的時間大大縮減，提高了智能補種系統(tǒng)的工作效率。

4 結(jié)論

(1)以2SJB-500型水稻育秧盤育秧精密播種流水線為試驗平臺，設(shè)計了智能補種決策系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠滿足從實時檢測播種質(zhì)量到自動補種一體化的要求。當水稻缽體盤觸發(fā)視覺采集傳感器時，進行圖像采集，并對缽體盤播種質(zhì)量進行實時檢測，并記錄種群分布信息。基于卷積計算和路徑規(guī)劃設(shè)計了LabVIEW決策補種檢測系統(tǒng)，得到空穴和真正待補種1粒穴位，計算出組合吸針原點相對變化的動態(tài)脈沖位置，最終由伺服補種機構(gòu)對待補穴位進行補種。

(2)設(shè)計了組合吸針機構(gòu)，大大縮短了補種時間。對吸種設(shè)計參數(shù)進行理論計算和試驗，證明吸種負壓至少為3.5 kPa才能保證吸種性能。在雙孔吸針中加入十字擋片和通針結(jié)構(gòu)，解決了吸針易堵和難清理的問題。

(3)當補種率為2%時，平均每盤補種時間7.56 s，平均每穴補種時間可達到1.51 s，智能補種系統(tǒng)生產(chǎn)率可以達到420盤/h。該智能補種機構(gòu)滿足對空穴和1粒穴進行補種、最終達到2～3粒/穴的農(nóng)藝要求，提高了補種合格率，保證了水稻缽體盤中秧苗的成毯性和成秧率。