王 社

(武漢城市職業(yè)學(xué)院, 武漢 430064)

0 引言

播種作為農(nóng)作物種植的基本環(huán)節(jié),直接影響著勞動生產(chǎn)率和農(nóng)作物的收成。傳統(tǒng)的機(jī)械播種機(jī)是全封閉作業(yè)的,在播種過程中無法實(shí)時(shí)監(jiān)控播種情況。播種機(jī)的工作環(huán)境通常都很惡劣,易出現(xiàn)機(jī)械故障,作業(yè)過程中還會出現(xiàn)輸種管堵塞、卡種、漏種等情況。一旦發(fā)生以上問題,則會出現(xiàn)大面積的漏播,導(dǎo)致農(nóng)作物的減產(chǎn)。因此,必須對播種機(jī)的工作過程進(jìn)行監(jiān)測,以保證播種機(jī)工作效率和效果。

目前,播種機(jī)播種過程的監(jiān)測主要有光電傳感器監(jiān)測和涂油皮帶等方法。涂油皮帶的方法能夠直觀地監(jiān)測經(jīng)過排種器中的種子是否著落,但易污染環(huán)境,且造成種子的浪費(fèi)和播種時(shí)間的浪費(fèi),一般不采用。目前,廣泛應(yīng)用的檢測方法是光電傳感器法。光電傳感器的檢測原理是種子從排種器落下時(shí)遮擋了光電元件,通過傳感器檢測到了信號,從而確定了種子是否落下,因此對漏播現(xiàn)象較為敏感,能夠識別是否有漏播的情況出現(xiàn)。但是,該方法對于播種過程中出現(xiàn)的種子破碎現(xiàn)象則無法辨別,且重播現(xiàn)象也無法辨別,從而影響了播種機(jī)的播種效果,降低了工作效率[1]。為了能夠直觀地監(jiān)測播種情況,避免出現(xiàn)漏播、卡種等情況,需要引入一種新型的監(jiān)測方式對播種機(jī)作業(yè)過程進(jìn)行監(jiān)控。

三維可視化技術(shù)是通過系統(tǒng)的處理使圖像直觀形象地讓用戶看到[2]。在播種機(jī)播種過程中,通過CCD攝像頭對播種機(jī)的播種過程進(jìn)行拍攝,再通過三維可視化技術(shù),對拍攝的圖像進(jìn)行三維重構(gòu),以實(shí)現(xiàn)對播種機(jī)播種過程的實(shí)時(shí)三維監(jiān)控,提高播種機(jī)的工作效率。本文將結(jié)合三維可視化技術(shù)和光電傳感器對播種機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行探討,以改善播種機(jī)性能。

1 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及原理

精密排種機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主要由攝影系統(tǒng)、三維可視化系統(tǒng)、測試分析系統(tǒng)、排種裝置和報(bào)警系統(tǒng)組成,工作流程如圖1所示。

圖1 播種機(jī)基本工作流程

1.1 攝影系統(tǒng)

攝影系統(tǒng)由CCD攝像機(jī)、光源及圖像采集卡組成。由于播種機(jī)需要適應(yīng)不同種類的種子,包括識別種子的大小、顏色,且能夠區(qū)別破碎的種子,因此要求是具有采集彩色圖像快速、清晰的特點(diǎn),CCD攝像機(jī)則可以滿足這一要求。每次播種機(jī)作業(yè)之前,由于種子的不同,首先需要調(diào)節(jié)攝像頭的焦距和光圈參數(shù),直到攝像頭能夠清晰地采集種子的圖像,播種機(jī)才可以開始作業(yè)。

1.2 三維可視化系統(tǒng)

攝影系統(tǒng)的CCD攝像機(jī)拍攝的影像傳送給計(jì)算機(jī)之后,由計(jì)算機(jī)對圖片進(jìn)行三維重建。系統(tǒng)以小孔成像為基本原理,利用三角測量的方法將圖片進(jìn)行綜合處理得到三維圖[3]。此方法具有運(yùn)算速度快、操作簡單及三維模型真實(shí)的特點(diǎn)。通過三維可視化,工作人員可以清晰地從各個角度觀察到播種情況和判斷工作狀態(tài),且設(shè)備發(fā)生故障時(shí)可盡快找到問題出處。

1.3 分析測試系統(tǒng)

分析測試系統(tǒng)采用光電傳感器裝置及發(fā)光二極管,電路圖如圖2所示。在輸種管下方設(shè)置了發(fā)光二極管和光敏電阻,沒有種子通過時(shí)發(fā)光二極管的光照射到光敏電阻上,其電阻值恒定,電壓恒定;當(dāng)有種子通過時(shí),就會遮擋二極管照射到光敏電阻上的光,光敏電阻的阻值增加,相應(yīng)地電壓增加。一般種子落下的周期為7～9ms,若時(shí)間周期超過9ms則出現(xiàn)了漏種現(xiàn)象,需要補(bǔ)種。

圖2 分析測試系統(tǒng)電路圖

結(jié)合三維可視化裝置對播種器性能指標(biāo)進(jìn)行分析測試,包括對重播率、漏播率、種子破碎率進(jìn)行計(jì)算,并將漏播及需要重播區(qū)域的結(jié)果傳遞給排種裝置,由排種裝置執(zhí)行處理結(jié)果。

1.4 排種裝置

排種裝置主要由排種器、補(bǔ)種器、輸種管和步進(jìn)電動機(jī)構(gòu)成。種子箱內(nèi)的種子按照播種要求通過排種器進(jìn)入輸種管,從而達(dá)到精密排種。為了達(dá)到排種均勻、種子破壞最小的目的,播種具有可調(diào)節(jié)性,且能夠適應(yīng)不同類別的種子及不同的工作環(huán)境[4]。本文選用窩眼輪式排種器,結(jié)構(gòu)如圖3所示。排種器開始工作后,種子箱內(nèi)的種子首先進(jìn)入窩眼,在窩眼內(nèi)的種子隨著驅(qū)動器轉(zhuǎn)至刮種板處,由刮種板把窩眼中多余的種子刮出;然后,種子在窩眼中隨驅(qū)動器的轉(zhuǎn)動進(jìn)入輸種管內(nèi),播種到土地上。

為了減少漏播和種子破碎造成播種效率的降低,設(shè)置了補(bǔ)種器,采用兩相混合步進(jìn)電動機(jī)進(jìn)行補(bǔ)種。當(dāng)分析測試系統(tǒng)檢測到漏播或者種子碎裂時(shí),將結(jié)果傳送至計(jì)算機(jī),計(jì)算機(jī)發(fā)布指令給補(bǔ)種器,自動補(bǔ)種。

圖3 渦眼輪式排種器結(jié)構(gòu)

1.5 報(bào)警系統(tǒng)

報(bào)警系統(tǒng)采用聲光報(bào)警裝置。計(jì)算機(jī)接收播種機(jī)工作狀態(tài):播種機(jī)正常工作時(shí),報(bào)警系統(tǒng)不工作;當(dāng)出現(xiàn)卡種或者連續(xù)重播5次時(shí),報(bào)警系統(tǒng)燈光閃爍,并發(fā)出報(bào)警聲音,播種機(jī)停止工作,檢查播種機(jī)故障原因。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 圖像三維處理

首先確定CCD攝像機(jī)的內(nèi)部參數(shù)矩陣,即

其中,(m0,n0)為攝像機(jī)在圖像內(nèi)的坐標(biāo);(αmαn)為攝像機(jī)的平行尺度和垂直尺度;s為傾斜尺度。

其中,R為世界坐標(biāo)到攝像機(jī)坐標(biāo)的旋轉(zhuǎn)矩陣。

通過對上面的公式求解,可得

三維重建與投影過程可以看做是互逆的兩個過程,可通過投影點(diǎn)的坐標(biāo)確定空間點(diǎn)的坐標(biāo)。投影點(diǎn)和攝像機(jī)的交點(diǎn)連線上的點(diǎn)都滿足投影方程,即

因此,需要攝像機(jī)拍攝到兩幅圖片才可得到空間點(diǎn)坐標(biāo),同時(shí)還需要立體匹配點(diǎn)[5],可以通過二維圖像得到三維圖像,這個過程可以叫做三角測量。三角測量的代數(shù)形式為

當(dāng)C取得最小值時(shí),即可得到該圖像對應(yīng)的三維坐標(biāo),進(jìn)而得到三維處理圖像。

2.2 播種機(jī)的補(bǔ)種原理

判斷播種機(jī)性能的指標(biāo)主要包括種子的漏播率、重播率、破碎率和合格數(shù)[6]。

播種機(jī)通過光電傳感器裝置對漏種進(jìn)行檢測,若出現(xiàn)漏種情況,則需要補(bǔ)種。

種子從窩眼進(jìn)入刮種器、再進(jìn)入輸種管的這一過程中,會受到多重?cái)D壓而發(fā)生破碎現(xiàn)象,破碎方式一般是種子碎化、斷裂,因此在播種時(shí)要特別注意種子的破碎,及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)種,避免播種率的降低。但如果同一個位置種子重復(fù)播種則會造成種子的浪費(fèi),因此需要對種子的破碎和重播進(jìn)行檢測。根據(jù)不同類別的種子,確定種子的體積范圍為Vmin～Vmax,種子經(jīng)過攝像機(jī)時(shí)通過三維處理并由計(jì)算機(jī)計(jì)算可得出種子的體積V。當(dāng)V>Vmax時(shí),可認(rèn)為該位置發(fā)生了種子重播,這時(shí)計(jì)算機(jī)自動啟動計(jì)數(shù)功能。當(dāng)連續(xù)發(fā)生5次重播時(shí),則報(bào)警系統(tǒng)啟動,播種機(jī)停止工作,檢查故障原因。當(dāng)V

播種機(jī)的漏播和種子的碎裂均需要進(jìn)行補(bǔ)種。補(bǔ)種器與排種器均采用窩眼式排種器,并由步進(jìn)電動機(jī)進(jìn)行驅(qū)動。為了保證電動機(jī)的快速啟動,能夠及時(shí)地對每個需要補(bǔ)種的位置進(jìn)行補(bǔ)種,對步進(jìn)電動機(jī)的控制性能進(jìn)行了數(shù)學(xué)分析。

由于自電感和互電感對兩相混合式步進(jìn)電動機(jī)影響較小,因此可忽略不計(jì)。以M相為參考相,則補(bǔ)種設(shè)備電動機(jī)的電壓平衡方程[7]為

其中,Um、Un、Im、In分別為電動機(jī)M、N相電壓和相電流;Rm、Rn分別為電動機(jī)M、N相電阻和繞組自感;Kω為力矩常數(shù);θ為角位移;Zr為轉(zhuǎn)子齒數(shù)。

補(bǔ)種器的電動機(jī)轉(zhuǎn)子力矩為

由傳感器對漏播到補(bǔ)種時(shí)轉(zhuǎn)子所轉(zhuǎn)角度進(jìn)行測量后傳遞給計(jì)算機(jī),計(jì)算機(jī)將信號傳遞給電動機(jī)進(jìn)行補(bǔ)償轉(zhuǎn)角,實(shí)現(xiàn)補(bǔ)種,從而達(dá)到精確補(bǔ)償?shù)哪康摹?/p>

3 性能測試和試驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證播種機(jī)系統(tǒng)的可靠性,對播種機(jī)的報(bào)警系統(tǒng)和播種系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證,主要包括以下兩方面:①播種機(jī)正常工作時(shí),通過人為制造設(shè)備故障,確認(rèn)報(bào)警系統(tǒng)是否正常工作;②人工確定種子數(shù)量,將玉米和小麥種子在選定的試驗(yàn)田里進(jìn)行播種試驗(yàn),確定漏播、碎裂、重播和合格數(shù),評估播種機(jī)的可靠性。

3.1 報(bào)警系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果

對播種機(jī)的報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn),分別對卡種和連續(xù)重播5次進(jìn)行了50次試驗(yàn),結(jié)果如表1所示。

表1 報(bào)警系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果

由表1可以看出:報(bào)警系統(tǒng)對卡種的報(bào)警率達(dá)到了100%,對漏播的報(bào)警率達(dá)到了98%,均達(dá)到了預(yù)期的使用效果。

3.2 播種試驗(yàn)結(jié)果

分別選取200粒玉米和小麥種子進(jìn)行5次試驗(yàn),測定漏播數(shù)、破碎數(shù)、重播數(shù)、合格數(shù)和播種機(jī)的監(jiān)測精度。試驗(yàn)結(jié)果如表2和表3所示。

表2 玉米種子試驗(yàn)結(jié)果

表3 小麥種子試驗(yàn)結(jié)果

由表2、表3可以看出:播種機(jī)能夠適應(yīng)不同類別的種子,播種合格率均在98%以上,精度滿足播種機(jī)的工作要求;播種機(jī)不僅能夠有效、直觀地監(jiān)控播種工作狀態(tài),還能夠識別種子破碎和漏種,并進(jìn)行補(bǔ)種,有效提高了播種機(jī)的準(zhǔn)確率和播種效率。

4 結(jié)論

1)對播種機(jī)圖像進(jìn)行了三維可視化處理,采用三角測量的方法對采集的圖像進(jìn)行三維重建,能夠從各個角度清晰地觀察播種機(jī)的播種狀態(tài)。

2)采用光電傳感器和三維可視化結(jié)合的方法對播種機(jī)的漏播、破碎和合格數(shù)進(jìn)行識別,以快速、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)對破碎和漏播區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)種。

3 測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:該播種機(jī)滿足使用要求,能夠使用不同類別的種子,播種準(zhǔn)確率和精度較高。