徐春保，劉靖怡，蘇清茂，靳 偉，王登輝，王萬超，丁幼春

薄面光折射式小麥種子流多通道并行檢測裝置設(shè)計與試驗(yàn)

徐春保，劉靖怡，蘇清茂，靳 偉，王登輝，王萬超，丁幼春※

（1. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，武漢 430070；2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070）

針對小麥高速播種作業(yè)過程中高頻排種種子流精準(zhǔn)檢測困難的問題，該研究設(shè)計了一套薄面光折射式小麥種子流多通道并行檢測裝置?；趯⒏咄孔?yōu)榈屯慷嗤ǖ啦⑿型綑z測的思路，設(shè)計了種子流分流結(jié)構(gòu)。根據(jù)小麥種子物理特性，在已有傳感原理的基礎(chǔ)上，提出了一種“LED燈珠+窄縫”產(chǎn)生薄面光層，結(jié)合凸透鏡折射原理擴(kuò)大有效檢測面積的方法，通過光路分析和窄縫尺寸分析確定了凸透鏡焦距、薄面LED窄縫尺寸及傳感元器件關(guān)鍵參數(shù)。利用多通道并行檢測傳感原理，設(shè)計了多路信號同步采集系統(tǒng)。為提升檢測準(zhǔn)確率，建立檢測準(zhǔn)確率-排種頻率之間的關(guān)系，通過分析檢測裝置的誤差規(guī)律，構(gòu)建了準(zhǔn)確率補(bǔ)償模型。臺架試驗(yàn)表明：排種器轉(zhuǎn)速在80～180 r/min時，田間正常排種頻率范圍為52.10～321.55 Hz，檢測準(zhǔn)確率均高于96.68%。田間播種試驗(yàn)表明：在2～9 km/h的小麥播種機(jī)作業(yè)速度下，田間排種頻率為67.65～323.95 Hz，檢測裝置檢測準(zhǔn)確率高于95.28%。檢測裝置能夠檢測排種器的排種頻率、各通道排種量、排種總量。正常田間小麥播種作業(yè)中機(jī)械振動、強(qiáng)光照和土壤粉塵對檢測裝置沒有明顯影響。該檢測裝置可為小麥高速播種作業(yè)中高頻種子流精準(zhǔn)檢測、漏播檢測以及補(bǔ)種提供有效支撐。

農(nóng)業(yè)機(jī)械；設(shè)計；試驗(yàn)；小麥種子流；多通道；并行檢測；多路信號同步采集系統(tǒng)；精準(zhǔn)計數(shù)

0 引 言

中國是小麥生產(chǎn)大國，小麥種植面積和產(chǎn)量均居世界前列[1-2]。播種是小麥生產(chǎn)的關(guān)鍵作業(yè)環(huán)節(jié)，播種質(zhì)量直接影響小麥生長和產(chǎn)量[3]。播種過程中，小麥種子處于全封閉環(huán)境，駕駛員實(shí)時了解排種器運(yùn)行狀態(tài)困難，容易因種管堵塞或排種器異常造成減產(chǎn)[4]。根據(jù)小麥播種農(nóng)藝要求，結(jié)合播種機(jī)高速作業(yè)需要，小麥排種頻率可達(dá)320 Hz[5-6]，形成高通量種子流，種子流在檢測裝置內(nèi)部發(fā)生碰撞、混疊概率提高，導(dǎo)致多粒種子同時穿越感應(yīng)區(qū)概率增大，造成檢測準(zhǔn)確率降低[7]。因此，研究一種適應(yīng)高頻排種的小麥種子流檢測裝置對于實(shí)現(xiàn)小麥播種過程播量監(jiān)測、漏播檢測，提升小麥播種智能化水平具有重要意義。

國外發(fā)達(dá)國家已實(shí)現(xiàn)多種作物的全程機(jī)械化，目前正逐步向智能化方向發(fā)展[8-9]。在播種監(jiān)測技術(shù)與裝備方面，國外研究起步較早，開發(fā)日漸完善，Taghinezhad等[10]研制了一套集成電容式甘蔗排種器播種質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對甘蔗播種過程中漏播和重播檢測；Gierz等[11]利用PVDF薄膜研制了壓電傳感檢測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了谷物計數(shù)和堵塞檢測?，F(xiàn)階段國外播種檢測產(chǎn)品更專業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化和系列化。美國John Deere公司的N540、法國KHUN公司的MAXIMA 3e、德國HORSCH公司的Maestro SW等播種機(jī)，均配備播種量檢測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)小麥、玉米、大豆等作物的排種總量、漏播率、播種面積等參數(shù)實(shí)時監(jiān)測[12]。上述播種檢測裝備促進(jìn)了農(nóng)業(yè)智能化的發(fā)展，但相關(guān)檢測裝置只能與相應(yīng)的播種機(jī)配套使用，且價格昂貴，難以在國內(nèi)大面積推廣應(yīng)用。

近年來，國內(nèi)相關(guān)播種機(jī)械的研制開發(fā)推動了播種檢測技術(shù)與裝備的快速發(fā)展[13]。周利明等[14]設(shè)計了基于電容信號的排種性能檢測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)小麥排種器轉(zhuǎn)速50～70 r/min時的在線檢測；陳建國等[15-16]設(shè)計了小麥播量檢測系統(tǒng)，建立了小麥種數(shù)與電容積分的關(guān)系模型，實(shí)現(xiàn)播種量105～225 kg/hm2，播種機(jī)速度為1.4～4.1 km/h的小麥播種檢測；姜萌等[17]研制了基于紅外檢測原理的內(nèi)插式播種量檢測傳感器，滿足播種量120～180 kg/hm2、作業(yè)速度2.5～4.6 km/h條件下的精少量小麥播量檢測要求；丁永前等[18]研發(fā)稱量式播量檢測裝置，在作業(yè)面積大于0.033 hm2時，檢測裝置的最大絕對相對偏差為9.61%；盧彩云等[19]利用高速攝影系統(tǒng)采集精密排種器的排出種子的運(yùn)動軌跡，通過圖像分析實(shí)現(xiàn)了排種性能的檢測；王金武等[20]研制了基于壓電薄膜的水稻播種的監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)時精準(zhǔn)檢測水稻直播機(jī)播種狀態(tài)；在高通量顆粒流精準(zhǔn)檢測方面，丁幼春等[21]設(shè)計了基于分流機(jī)制與薄面激光-硅光電池結(jié)合的高通量小粒徑種子流檢測裝置，實(shí)現(xiàn)了油菜等小粒徑種子高通量檢測。

綜上，現(xiàn)有研究主要利用電容檢測法[22]、機(jī)器視覺檢測法[23]、壓電檢測法[24]和光電檢測法[25]實(shí)現(xiàn)播種量不超過225 kg/hm2，播種機(jī)速度不超過7 km/h時的油菜、玉米、小麥、馬鈴薯、棉花等種子播種過程的實(shí)時檢測。其中電容檢測靈敏度高、抗污染能力強(qiáng)，但易受溫度和濕度的影響，田間穩(wěn)定性有待提高；視覺檢測技術(shù)可真實(shí)反應(yīng)整個排種過程，主要適應(yīng)于精量排種，成本較高、易受外界光線干擾。壓電檢測法具有成本低和低頻準(zhǔn)確率高的特點(diǎn)，感應(yīng)元件易受振動影響，對高頻排種檢測精度不高；光電檢測法利用種子對光線遮擋時產(chǎn)生的電壓信號轉(zhuǎn)換為脈沖信號，信號處理識別系統(tǒng)讀取脈沖信號，實(shí)現(xiàn)播種檢測，其主要應(yīng)用于玉米、大豆等作物精少量播種播量檢測，但不能直接用于小麥等高速播種高頻種子流播種檢測（播種量為225 kg/hm2，速度為9 km/h），主要原因是高頻種子流多粒種子容易相互重疊，影響檢測精度。針對小麥高頻排種種子流精準(zhǔn)計數(shù)困難的問題，本文提出將高通量變?yōu)榈屯慷嗤ǖ啦⑿型綑z測方法，運(yùn)用凸透鏡折射和非接觸式光電感應(yīng)原理，設(shè)計了薄面光折射式小麥種子流多通道并行檢測裝置，對其進(jìn)行試驗(yàn)。以期為實(shí)現(xiàn)小麥高頻排種種子流精準(zhǔn)計數(shù)提供參考。

1 多通道并行檢測裝置結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 檢測裝置結(jié)構(gòu)

薄面光折射式小麥種子流多通道并行檢測裝置如圖 1所示，其主要由種子分流結(jié)構(gòu)、薄面LED光發(fā)射模組、光源接收模組、多路信號同步采集系統(tǒng)、播種狀態(tài)顯示屏、電源指示燈、電源開關(guān)、電源等組成。種子分流結(jié)構(gòu)由入種管14、錐形分流盤13、四通道分流管11等組成；薄面LED光發(fā)射模組由LED陣列光源6、薄面LED窄縫5、LED光源支架4等組成；光源接收模組由凸透鏡10、硅光電池9、光源接收模組支架8組成。

1.電源指示燈 2.電源開關(guān) 3.電源 4.LED光源支架 5.薄面LED窄縫 6.LED陣列光源 7.OLED顯示屏 8.光源接收模組支架 9.硅光電池 10.凸透鏡 11. 四通道分流管 12.多路信號同步采集系統(tǒng) 13.錐形分流盤 14.入種管

1.2 工作原理

工作時，小麥排種器排出高頻的小麥種子流經(jīng)導(dǎo)種管進(jìn)入檢測裝置入種管，隨后下落至錐形分流盤，在分流盤作用下均勻分流成4路低頻小麥種子流；分流后的種子流相互獨(dú)立，當(dāng)種子流穿過LED光層時對光層產(chǎn)生局部遮擋，從而減小硅光電池上的光強(qiáng)，引起硅光電池電壓變化；同時，多路信號同步采集系統(tǒng)對微小電壓變化信號進(jìn)行濾波、二次放大、二極管整流、電壓比較、光耦隔離等處理，最終轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定脈沖信號供單片機(jī)識別，信號經(jīng)單片機(jī)處理后在OLED屏幕顯示；穿過光層后的小麥種子重新匯聚，經(jīng)檢測裝置出種管排出，完成小麥種子播種檢測。

2 檢測裝置主要結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

薄面光折射式小麥種子流多通道并行檢測裝置的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)包括分流結(jié)構(gòu)和感應(yīng)結(jié)構(gòu)，其中感應(yīng)結(jié)構(gòu)由薄面LED光發(fā)射模組和光源接收模組組成。檢測裝置主要參數(shù)有分流管直徑、支架窄縫寬度、凸透鏡焦距。為確定各元件位置、獲得較好光層尺寸，進(jìn)行光路分析與窄縫尺寸分析。

2.1 分流結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)長江中下游稻麥輪作區(qū)小麥播種的農(nóng)藝要求，結(jié)合播種機(jī)高速作業(yè)需要，小麥播種量一般少于225 kg/hm2，以拖拉機(jī)前進(jìn)速度9 km/h，幅寬2.0 m，播種行數(shù)8為計算依據(jù)[26]，小麥品種選用魯豐22號，其千粒質(zhì)量為44.67 g。此時，小麥排種頻率可達(dá)320 Hz，形成高通量種子流，當(dāng)多粒種子相互重疊時僅能檢測出1粒，從而影響檢測精度。為提高檢測準(zhǔn)確率，需減少檢測通道內(nèi)小麥種子流數(shù)量，因此提出一種變高通量為低通量多通道并行同步檢測的方法。根據(jù)課題組前期試驗(yàn)數(shù)據(jù)，光電檢測法在排種頻率超過80 Hz后，裝置檢測準(zhǔn)確率顯著下降，因此單路有效檢測頻率取80 Hz[27]。由此計算出分流路數(shù)為4路，考慮高速直播作業(yè)對小麥排種影響，即可確定該分流結(jié)構(gòu)采用“一分四”形式。

基于變高通量為低通量多通道并行同步檢測的思路，為實(shí)現(xiàn)單路高頻小麥種子均勻分流為4路低頻小麥種子流，設(shè)計分流結(jié)構(gòu)。如圖2所示，分流結(jié)構(gòu)主要分為入種管、錐形分流盤、入種腔、分流管4部分。

為保證小麥通過分流結(jié)構(gòu)的流暢性，分流結(jié)構(gòu)內(nèi)部曲面應(yīng)盡可能光滑，同時分流結(jié)構(gòu)各管道管徑大小應(yīng)滿足高頻排種流通量要求。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，最大內(nèi)切圓直徑（分流管內(nèi)徑）與小麥種子尺寸關(guān)系應(yīng)滿足[27]

式中d為小麥種子三軸尺寸最大值，mm。根據(jù)小麥種子三軸尺寸測定數(shù)據(jù)，3.45≤≤6.82 mm，帶入式（1）得≥13.64 mm。

分流結(jié)構(gòu)主要參數(shù)有分流管高度L，分流管內(nèi)徑，錐形分流盤高度等。入種管與小麥播種機(jī)導(dǎo)種管相連，故取分流結(jié)構(gòu)入種管內(nèi)徑為40 mm；為保證小麥種子能快速進(jìn)入分流管，設(shè)計1為10 mm，為25 mm。

1.入種管 2.錐形分流盤 3.入種腔 4.分流管

1. Seeding tube 2.Conical splitter plate 3.Seeding cavity 4.Shunt pipe

注：為錐形分流盤錐體弧面半徑，mm；1為錐形分流盤錐體底面半徑，mm；為錐形分流盤高度，mm；L為分流管高度，mm；為分流管內(nèi)徑，mm。

Note:is the arc radius of the cone of the conical distributor，mm;1is the radius of the cone bottom of the conical splitter disc, mm;is the height of the conical distributor, mm;Lis the height of shunt pipe, mm;is the inner diameter of the shunt pipe, mm.

圖2 分流結(jié)構(gòu)三維示意圖

Fig.2 Three-dimensional diagram of the shunt structure

為防止小麥種子堵塞分流管，設(shè)計分流管高度L為40 mm，根據(jù)農(nóng)藝要求，小麥種子的排種頻率和分流管內(nèi)徑的關(guān)系需滿足以下關(guān)系式[28]。

式中為重力加速度，m/s2；為小麥通過分流管時間，s；為小麥排種頻率，Hz；1為單通道小麥排種頻率，Hz；11為小麥種子三軸尺寸中較大的兩個值，mm。

根據(jù)式（2）可知，在分流管高度一定的情況下，影響小麥通過性的因素主要有分流管內(nèi)徑、小麥種子的三軸尺寸。其中經(jīng)過測量11取6.82和3.60 mm，1為80 Hz，計算得到此時的分流管內(nèi)徑為15.03 mm，綜合考慮裝置裝配關(guān)系、體積等因素，最后取分流管內(nèi)徑為18 mm可行。

2.2 小麥種子感應(yīng)結(jié)構(gòu)設(shè)計與光路分析

課題組前期基于薄面激光-硅光電池傳感原理設(shè)計了一種小粒徑種子流監(jiān)測裝置[25]，實(shí)現(xiàn)了小粒徑種子流的檢測。但所用的薄面激光發(fā)射模組成本較高，占用空間體積較大。本文提出LED燈珠作為光源，利用窄縫產(chǎn)生薄面光層，并利用凸透鏡折射原理擴(kuò)大有效檢測面積，提升種子流通過性。如圖3所示，小麥種子感應(yīng)結(jié)構(gòu)主要包括LED陣列光源、光源支架、凸透鏡、硅光電池、硅光電池支架，LED陣列光源用于產(chǎn)生高亮度光，硅光電池接收強(qiáng)光光線。本設(shè)計選用小體積高亮度貼片LED作為光源，其光照強(qiáng)度滿足需求。感應(yīng)元件選取尺寸較大的2DU10硅光電池。單通道光源由兩個貼片LED燈珠組成，對稱布置于凸透鏡軸線兩側(cè)，檢測裝置共4個通道，總計有8個貼片LED燈珠。LED燈珠工作時光呈160°向外擴(kuò)散，安裝貼片LED燈珠時，為保證最佳光層效果，燈珠中心平面應(yīng)與窄縫中心平面重合。實(shí)際光傳播過程中，薄面光分為三段，即窄縫段、檢測段、匯聚段。工作時，LED燈珠發(fā)出的發(fā)散光經(jīng)窄縫變?yōu)楸∶婀?，最后?jīng)凸透鏡匯聚在硅光電池上。硅光電池位于凸透鏡焦點(diǎn)，窄縫的中心軸、凸透鏡的光軸、硅光電池的中心軸三軸共線。

1.LED陣列光源 2.LED發(fā)散光 3.光源支架 4.LED平面光 5.小麥種子 6.分流管 7.硅光電池支架 8.凸透鏡 9.硅光電池 I.窄縫段 II.檢測段 III.匯聚段

為合理設(shè)計凸透鏡焦距，進(jìn)行了無盲區(qū)理想點(diǎn)光源光路分析。LED貼片于凸透鏡光軸兩側(cè)呈對稱式布置，將LED簡化成理想點(diǎn)光源，即重點(diǎn)分析考慮窄縫的過濾作用下，穿過窄縫的光層，簡化被遮擋光束和通過窄縫之后衰減光束的影響，構(gòu)建雙理想點(diǎn)光源光路分析圖（圖 3的軸負(fù)方向）。如圖4，由S1和S2位置LED發(fā)射的光經(jīng)凸透鏡折射，匯聚到硅光電池上。圖中白色區(qū)域2為檢測盲區(qū)，遮擋該區(qū)域的LED光對硅光電池兩端電壓變化無影響，若種子從該區(qū)域通過，檢測裝置無法檢測；淺灰色區(qū)域?yàn)閱吸c(diǎn)光源檢測區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)只有單塊LED光照射，種子從該區(qū)域掉落后，硅光電池能夠捕捉到光強(qiáng)的變化；深灰色區(qū)域?yàn)殡p點(diǎn)光源檢測區(qū)域，該區(qū)域被LED光照射兩次，光線更加充足，種子從該區(qū)域落下后，光強(qiáng)變化大，硅光電池兩端電壓變化明顯，容易實(shí)現(xiàn)計數(shù)。

在理想點(diǎn)光源條件下，對單個點(diǎn)光源光路進(jìn)行分析，構(gòu)建單理想點(diǎn)光源的極限位置光路分析如圖5所示。

根據(jù)分流管內(nèi)徑最大尺寸，得到為無盲區(qū)長度。根據(jù)幾何關(guān)系可得

式中為凸透鏡焦距，mm。

1.理想點(diǎn)光源 2.檢測盲區(qū) 3.單點(diǎn)光源檢測區(qū)域 4.雙點(diǎn)光源檢測區(qū)域 5.凸透鏡 6.硅光電池

1.Ideal point light source 2.Detection blind area 3.Single point light source detection area 4.Double point light source detection area 5.Convex lens 6.Silicon photocell

注：S1、S2為理想點(diǎn)光源點(diǎn)；S1'、S2'分別為S1、S2在透鏡中的投影。

Note: S1and S2are the ideal point light source point;S1and S2are the projections of S1and S2in the lens respectively.

圖4 雙理想點(diǎn)光源極限位置光路分析圖

Fig.4 Optical path analysis diagram of limit position of double ideal point light source

注：B為光線與凸透鏡的軸線交點(diǎn)；C為硅光電池感光區(qū)域邊界；A為光線與凸透鏡的交點(diǎn)；S′為S點(diǎn)在透鏡中的投影；u為點(diǎn)光源離凸透鏡的距離，mm；v為物像離凸透鏡的距離，mm；h為點(diǎn)光源離凸透鏡軸線的距離，mm；h'為物像離凸透鏡軸線的距離，mm；L為無盲區(qū)最大長度，mm；z為凸透鏡焦點(diǎn)和光路與凸透鏡的交點(diǎn)之間的長度，mm；a為硅光電池的有效長度，mm；O為凸透鏡端面中心點(diǎn)。

根據(jù)式（3）得：

根據(jù)裝置設(shè)計整體尺寸，結(jié)合元件外形尺寸，取=48 mm、=7 mm、=10 mm代入式（4）可得，≤21.4 mm?？紤]到裝置的體積因素，選擇焦距為20 mm的凸透鏡。

2.3 窄縫尺寸設(shè)計與性能分析

為獲得較好效果的薄面光，進(jìn)行薄面LED窄縫尺寸設(shè)計。其中，“薄面光”為LED燈珠產(chǎn)生發(fā)散光經(jīng)過窄縫，依次通過分流管出口和凸透鏡，最終匯聚到硅光電池上的光層。薄面LED光發(fā)射模組的窄縫寬度影響光層厚度與發(fā)散度。若窄縫寬度過窄，則會減小種子穿越光層時硅光電池的光強(qiáng)變化，降低檢測精度，增加加工難度；反之，會增加種子穿越光層的時間，降低檢測性能。在實(shí)際檢測過程中，以有效感應(yīng)區(qū)域的光層厚度（凸透鏡上光的厚度）不大于1.5 mm且不小于1.0 mm為宜。忽略被遮擋光束和通過窄縫之后衰減無效光束的影響，構(gòu)建薄面LED光層、窄縫與硅光電池的幾何關(guān)系如圖 6所示（圖3中軸負(fù)方向）：

1.LED燈珠 2.窄縫 3.凸透鏡

1.LED light bead 2.Narrow slit 3.Convex lens

注：為凸透鏡上光層厚度，mm；為窄縫寬度，mm；1為LED燈和窄縫之間的距離，mm；2為窄縫長度，mm；3為凸透鏡距離窄縫距離，mm；為光線發(fā)射角度，(°)。

Note:is the thickness of optical layer on the convex lens, mm;is narrow slit width, mm;1is the distance between LED lamp and narrow slit, mm;2is the length of narrow slit, mm;3is the distance from convex lens to narrow slit, mm;is the ray emission angle, (°).

圖6 薄面LED窄縫與光路關(guān)系

Fig.6 Relationship between thin-surface LED narrow slit and light path

光層厚度關(guān)系有

根據(jù)式（5）得：

根據(jù)分流管內(nèi)徑=18 mm，取3==18 mm，結(jié)合檢測裝置整體尺寸，取窄縫長度2=24 mm。為了得到厚度1.0 mm≤≤1.5 mm的光層，由式（6）計算得出窄縫寬度0.4 mm≤≤0.6 mm。

為得到合適窄縫寬度，分別設(shè)計了窄縫寬度為0.4、0.5和0.6 mm的LED光源支架，并在不同排種頻率下開展了小麥種子流多通道并行檢測裝置準(zhǔn)確率臺架對比試驗(yàn)。試驗(yàn)使用的LED光源支架實(shí)物圖與其在裝配體上的位置關(guān)系如圖7所示。

圖7 不同窄縫寬度LED光源支架實(shí)物及其位置關(guān)系裝配圖

將小麥種子流多通道并行檢測裝置入種管與排種器（農(nóng)哈哈小麥排種器）出種口用導(dǎo)種管相連，接種杯置于檢測裝置出種管正下方用來收集排出的小麥種子。調(diào)節(jié)旋鈕使排種器工作頻率設(shè)定值，開展20～320 Hz頻率范圍內(nèi)的臺架試驗(yàn)，20 Hz為一個頻率梯度，共15個頻率水平等級，每個頻率下排種20 s，結(jié)束后記錄顯示屏上的小麥種子數(shù)量，接種杯中的小麥種子通過人工統(tǒng)計的方式得實(shí)際粒數(shù)，重復(fù)3次，取平均值利用檢測種子數(shù)與實(shí)際種子數(shù)的比值計算準(zhǔn)確率。試驗(yàn)現(xiàn)場如圖 8所示。

1.排種器 2.導(dǎo)種管 3.調(diào)速器 4.檢測裝置 5.接種盒

不同窄縫寬度下排種頻率和檢測準(zhǔn)確率的關(guān)系，如圖9所示。

圖9 檢測準(zhǔn)確率隨排種頻率變化曲線圖

由圖9可知，當(dāng)排種頻率低于60 Hz時，3種窄縫寬度檢測裝置的檢測準(zhǔn)確率無明顯差異，檢測準(zhǔn)確率高于95.27%；當(dāng)排種頻率在60～80 Hz時，0.5 mm窄縫寬度檢測裝置的檢測準(zhǔn)確率最高，0.4和0.6 mm的無明顯差異；當(dāng)排種頻率高于80 Hz時，檢測準(zhǔn)確率由高到低分別為0.5、0.6、0.4 mm。試驗(yàn)表明，在適當(dāng)范圍內(nèi)減小窄縫寬度能夠提高檢測準(zhǔn)確率，但窄縫寬度過小也會導(dǎo)致檢測準(zhǔn)確率降低，故合適窄縫寬度為0.5 mm，此時凸透鏡光層厚度為1.25 mm。

窄縫光路距離1、2、3關(guān)系為

聯(lián)立式（5）～（7）可得LED燈與窄縫距離1、凸透鏡光層厚度、窄縫寬度關(guān)系為

將=48 mm、=0.5 mm、1.25 mm代入公式（8）可得，LED燈與窄縫距離1為5.9 mm。

3 多路信號同步采集系統(tǒng)設(shè)計及檢測流程

3.1 小麥種子感應(yīng)信號分析

為保證精準(zhǔn)檢測小麥種子，利用示波器（UNIT UTD2012CEL）采集和分析小麥種子原始信號。測試時，在自然光照條件下，貼片LED燈珠提供穩(wěn)定持續(xù)光照，經(jīng)光源支架轉(zhuǎn)換為薄面光，經(jīng)凸透鏡匯聚，照射到硅光電池上，產(chǎn)生300 mV的偏置電壓。小麥種子下落穿越薄面光層時，會使硅光電池的偏置電壓瞬間減小，之后恢復(fù)常態(tài)。根據(jù)光伏效應(yīng)原理，由于小麥種子尺寸差異和投影角度不同，種子穿越光層時產(chǎn)生的遮擋面積也不一樣，種子穿越光層時硅光電池產(chǎn)生值為15～35 mV范圍內(nèi)的偏置電壓變化信號。圖10為不同投種角度的小麥種子感應(yīng)原始及放大信號波形圖。

注：圖中投種方向?yàn)楣鈱悠矫娣ň€方向；實(shí)線為原始信號；虛線為放大信號；方向1為小麥種子長軸垂直于光路的方向；方向2為小麥種子長軸平行于光路的方向；方向3為小麥種子長軸與光線平面成一定角度方向。

種子穿越光層時間直接影響檢測裝置靈敏度，根據(jù)能量守恒定律，分析小麥種子運(yùn)動規(guī)律[28]。為簡化運(yùn)動過程，忽略空氣阻力與管壁碰撞對小麥種子速度的影響，小麥種子到達(dá)光層速度與裝置結(jié)構(gòu)關(guān)系如下：

根據(jù)式（9）得小麥種子穿越光層最長響應(yīng)時間為

3.2 多路信號同步采集系統(tǒng)設(shè)計

為準(zhǔn)確分析和處理小麥種子信號，基于小麥種子信號特性分析，設(shè)計多路信號同步采集系統(tǒng)，如圖11所示。該系統(tǒng)主要由電路供電模塊、多路信號同步采集模塊、信號處理模塊及顯示模塊組成。

圖11 信號采集系統(tǒng)框圖

多路信號同步采集系統(tǒng)工作時，電路供電模塊為整個檢測裝置供電，硅光電池兩端電壓因小麥種子穿過光層時對光層產(chǎn)生局部遮擋而變化，采集模塊同步采集4通道電壓信號；信號處理模塊進(jìn)行濾波、放大、比較、光耦隔離等環(huán)節(jié)，將電壓信號轉(zhuǎn)化為脈沖信號，完成信號調(diào)理；利用Mega2560最小系統(tǒng)的外部中斷同步處理功能，同時將4通道種子信號轉(zhuǎn)化為播種信息；顯示模塊顯示各通道種子數(shù)、排種頻率、排種量等信息，最終實(shí)現(xiàn)4路小麥種子的精準(zhǔn)計數(shù)。

3.3 檢測流程

多通道并行檢測裝置小麥種子流計數(shù)流程如圖12所示。小麥種子由入種管進(jìn)入檢測裝置，在分流盤作用下均勻分流成4路低頻小麥種子流；分流后的種子流相互獨(dú)立，當(dāng)種子流穿過LED光層時對光層產(chǎn)生局部遮擋信號；信號經(jīng)濾波、放大、比較、光耦隔離等處理流程，轉(zhuǎn)化為數(shù)字中斷信號；單片機(jī)采集外部中斷個數(shù)并處理成種子數(shù)量num++（=1,2,3,4。為通道號），此時的總數(shù)sum為各通道數(shù)之和，sum′為前1 s各通道數(shù)之和。定時器中斷在此過程中，記錄1 s的播量信息，利用sum和sum′的差值，計算排種頻率fre，OLED屏更新顯示各通道數(shù)num1～num4、總數(shù)sum以及頻率fre。

圖12 小麥種子流檢測流程圖

4 檢測裝置臺架試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

臺架試驗(yàn)所用材料為魯豐22號小麥種子，試驗(yàn)前人工挑選出缺損開裂的小麥種子。試驗(yàn)所用主要儀器及設(shè)備為農(nóng)哈哈勺輪小麥排種器、固定臺架、接種盒、可調(diào)直流穩(wěn)壓電源、直流電機(jī)、塑膠軟管、秒表。同時，利用塑封袋、數(shù)粒儀、標(biāo)簽紙等對檢測的結(jié)果進(jìn)行記錄。整體試驗(yàn)裝置圖8所示。

4.2 試驗(yàn)方法與結(jié)果分析

試驗(yàn)?zāi)康脑谟谠u估小麥種子流檢測裝置對不同排種頻率小麥種子流檢測的準(zhǔn)確率及可靠性。

試驗(yàn)前，調(diào)整各試驗(yàn)設(shè)備，使測試系統(tǒng)保持穩(wěn)定并處于理想工作狀態(tài)。將薄面光折射式小麥種子流多通道并行檢測裝置固定于勺輪小麥排種器投種口下方合適位置，利用接種盒收集通過檢測裝置的種子。試驗(yàn)時，控制排種電機(jī)轉(zhuǎn)速，開展80～180 r/min電機(jī)轉(zhuǎn)速下的臺架試驗(yàn)，20 r/min為一個速度梯度，每個轉(zhuǎn)速下排種20 s，并重復(fù)3次試驗(yàn)；SLY-C微電腦自動數(shù)粒儀在低頻狀態(tài)下（8 Hz以下）對小麥數(shù)粒準(zhǔn)確率近似于100%，利用這一特性，調(diào)節(jié)數(shù)粒儀數(shù)粒頻率置低頻，將接種盒內(nèi)種子進(jìn)行數(shù)粒儀統(tǒng)計，統(tǒng)計完成后將實(shí)際種子數(shù)量記錄在標(biāo)簽紙上；剔除試驗(yàn)過程中出現(xiàn)的異常數(shù)據(jù)，在當(dāng)時的轉(zhuǎn)速下重新開始試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，擬合檢測準(zhǔn)確率-排種頻率曲線，觀察播量檢測準(zhǔn)確率隨排種頻率變化，使結(jié)果盡可能接近真實(shí)排種頻率，試驗(yàn)結(jié)果如圖 13所示。

圖13 檢測準(zhǔn)確率隨小麥排種頻率變化曲線

由圖13可得，小麥排種器轉(zhuǎn)速在80～180 r/min時，對應(yīng)田間正常排種頻率范圍為49.55～329.55 Hz，隨著排種頻率增加，各通道內(nèi)種子重疊概率加大，檢測裝置檢測準(zhǔn)確率逐漸降低。經(jīng)過線性擬合后排種頻率-檢測準(zhǔn)確率特性曲線關(guān)系式為()-0.0742100.16，決定系數(shù)2為0.979，排種頻率-檢測準(zhǔn)確率線性關(guān)系顯著。整個試驗(yàn)過程中沒有出現(xiàn)種子堵塞和種子流通不暢現(xiàn)象，也沒有發(fā)生數(shù)據(jù)傳輸顯示故障。

4.3 檢測裝置誤差分析及準(zhǔn)確率補(bǔ)償模型

為進(jìn)一步提高小麥種子流多通道并行檢測裝置檢測準(zhǔn)確率，分析傳感檢測流程。如圖14所示，光層存在一定的厚度，小麥種子完全穿過光層時需要2.03 ms左右，在此期間如果存在其他種子穿過光層，引起多粒種子的震蕩信號重疊，單片機(jī)無法識別出多粒種子而引發(fā)漏記；在排種過程中，高頻率排種出現(xiàn)種子相互堆疊，同一時間穿過光層的種子數(shù)量過多，多粒種子信號被識別為一個，也會引發(fā)漏記。

1.LED燈珠 2.窄縫邊界 3.分流管 4.小麥種子 5.薄面光層 6.凸透鏡 7.硅光電池

為優(yōu)化檢測裝置性能，提升檢測準(zhǔn)確率，基于排種頻率-檢測準(zhǔn)確率曲線，建立了補(bǔ)償模型，補(bǔ)償模型為

式中是補(bǔ)償后檢測粒數(shù)；k是補(bǔ)償系數(shù)；是補(bǔ)償前檢測粒數(shù)。

補(bǔ)償系數(shù)k是關(guān)于排種頻率的函數(shù)，取值隨的增大而增大，補(bǔ)償系數(shù)k和檢測準(zhǔn)確率()的關(guān)系如下：

為驗(yàn)證構(gòu)建補(bǔ)償模型后裝置的檢測準(zhǔn)確率提升效果，開展了檢測裝置檢測準(zhǔn)確率極限試驗(yàn)，排種頻率一直增加，直至準(zhǔn)確率降低至80%以下。試驗(yàn)過程無堵塞現(xiàn)象，結(jié)果如圖15所示。

圖15 使用補(bǔ)償模型后檢測準(zhǔn)確率隨小麥排種頻率變化曲線

Fig.15 Variation curve of detection accuracy with wheat seeding frequency after using compensation model

對比圖13和圖15可知：未使用補(bǔ)償模型的裝置，當(dāng)排種頻率達(dá)320 Hz時，檢測準(zhǔn)確率為77.03%，使用補(bǔ)償模型后，在相同頻率下準(zhǔn)確率可達(dá)96.68%，檢測準(zhǔn)確率提升了19.65個百分點(diǎn)。綜上所述，小麥種子流多通道并行檢測裝置在構(gòu)建補(bǔ)償模型之后，在正常田間排種頻率范圍52.10～321.55 Hz內(nèi)，檢測裝置檢測準(zhǔn)確率均高于96.68%，在正常性能得到較大提升，頻率可測范圍更廣，檢測準(zhǔn)確率更高。

4.4 對比試驗(yàn)

為了驗(yàn)證多通道并行檢測裝置對高通量小麥種子流檢測準(zhǔn)確率提升效果，開展單通道檢測裝置和多通道并行檢測裝置檢測準(zhǔn)確率的對比試驗(yàn)。試驗(yàn)時，將檢測裝置入種管與排種器出種口用導(dǎo)管相連，接種杯置于檢測裝置出種管正下方用于收集排出的小麥種子。每次排種時間20 s，結(jié)束后記錄排種量；人工統(tǒng)計接種杯內(nèi)的實(shí)際粒數(shù)，計算準(zhǔn)確率。試驗(yàn)結(jié)果如圖16所示。

圖16 單通道與多通道并行檢測裝置對比試驗(yàn)

由圖16可知，排種頻率不超過32.75 Hz時，兩種檢測裝置均具有較高可靠性，檢測準(zhǔn)確率不低于96.64%；在田間正常排種頻率范圍49.40～320.75 Hz內(nèi)，隨著排種頻率增加，單通道檢測裝置檢測準(zhǔn)確率明顯下降，多通道并行檢測裝置檢測準(zhǔn)確率保持穩(wěn)定，單通道檢測準(zhǔn)確率最低為26.67%，多通道并行檢測裝置檢測準(zhǔn)確率最低為96.53%，說明分流后多通道并行檢測提高了小麥種子檢測準(zhǔn)確率。

5 田間試驗(yàn)

為探究播種過程中機(jī)械振動、強(qiáng)光照和土壤粉塵等惡劣條件對小麥種子流多通道并行檢測裝置的影響，開展田間試驗(yàn)。

5.1 模擬試驗(yàn)

光照干擾試驗(yàn)時，直播作業(yè)機(jī)組靜置于田間，啟動小麥種子流多通道并行檢測裝置，在陽光照射、人為遮擋外界光和人為照射光3種情況下分別保持20 s。振動粉塵干擾試驗(yàn)時，清空播種機(jī)種箱，開啟小麥種子流多通道并行檢測裝置，啟動拖拉機(jī)模擬正常直播作業(yè)直行50 m，直行過程中通過抬升下降播種機(jī)人為制造振動和灰塵，重復(fù)5次。測試者跟隨小麥播種作業(yè)機(jī)組，觀察并記錄顯示的排種頻率及排種總量。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 檢測裝置田間抗干擾試驗(yàn)結(jié)果

由表1試驗(yàn)結(jié)果可知，檢測裝置在陽光照射、人為遮擋外界光和人為照射光3種情況，測試頻率示數(shù)、各通道數(shù)量、總播種量始終不變，沒有發(fā)生誤計，即田間各種光照條件對檢測裝置無明顯影響。檢測裝置在播種機(jī)常見振動中，沒有發(fā)生誤計，即作業(yè)環(huán)境中的各種振動工況對檢測裝置無明顯影響。正常播種作業(yè)情況對檢測裝置工作性能無明顯影響。

5.2 田間試驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證檢測裝置在不同排種頻率下的檢測準(zhǔn)確率，于2021年10月在湖北省襄陽市襄州區(qū)龍王鎮(zhèn)開展了薄面光折射式小麥種子流多通道并行檢測裝置田間試驗(yàn)，播種機(jī)選用外槽輪式小麥排種器。薄面光折射式小麥種子流多通道并行檢測裝置固定在播種機(jī)上，檢測裝置的入種管和排種器用導(dǎo)種管相連，出種管下接導(dǎo)種管，并在導(dǎo)種管末端處用塑封袋收集每次試驗(yàn)所排出的種子，便于后續(xù)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計。試驗(yàn)現(xiàn)場如圖17所示。

1.紐荷蘭拖拉機(jī) 2.種箱 3.塑封袋 4.排種器 5.導(dǎo)種管 6.檢測裝置

參考GB/T 9478—2005《谷物條播機(jī)試驗(yàn)方法》中相關(guān)試驗(yàn)方法[29]，結(jié)合《2021—2022年湖北小麥高質(zhì)量生產(chǎn)指導(dǎo)意見的通知》相關(guān)方法，播種量為稻茬麥播種量187.5～225 kg/hm2。根據(jù)小麥播種機(jī)常用作業(yè)速度，開展2～9 km/h拖拉機(jī)速度下的播種試驗(yàn)，以1 km/h為一個速度梯度，設(shè)定8個適宜的直播機(jī)工作速度水平，共8個速度水平等級，每個作業(yè)速度排種時間設(shè)定20 s，測定工作距離=40 m，重復(fù)3次。每次試驗(yàn)所排出的種子用塑封袋裝好，并記錄裝置顯示屏上排種頻率、播種總量，試驗(yàn)結(jié)束后進(jìn)行人工數(shù)粒得到實(shí)際的播種量。田間播量監(jiān)測結(jié)果如表2所示。

表2 裝置田間試驗(yàn)結(jié)果

從表2可以看出，在2～9 km/h的小麥播種機(jī)作業(yè)速度下，排種頻率為67.65～323.95 Hz，薄面光折射式小麥種子流多通道并行檢測裝置檢測準(zhǔn)確率高于95.28%，且在試驗(yàn)中未出現(xiàn)堵塞情況。

長江中下游稻麥輪作區(qū)小麥播種時，水稻殘茬秸稈量大、土壤黏重板結(jié)、含水率波動大，造成播種機(jī)晃動，導(dǎo)致各通道種子均勻性降低，易出現(xiàn)單通道種子流量大，檢測準(zhǔn)確率降低，進(jìn)而影響整體檢測準(zhǔn)確率。未來可利用離散隨機(jī)化勻種裝置，提升分流結(jié)構(gòu)在不同傾角作用下的分流均勻性，提高檢測系統(tǒng)精度。

6 結(jié) 論

本文針對小麥高頻播種狀態(tài)下難以精準(zhǔn)計數(shù)的問題，基于將高通量變?yōu)榈屯慷嗤ǖ啦⑿型綑z測的思路，運(yùn)用凸透鏡折射和非接觸式光電感應(yīng)原理，設(shè)計了薄面光折射式小麥種子流多通道并行檢測裝置，開展了檢測裝置準(zhǔn)確率、抗振性及抗塵性試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了小麥種子準(zhǔn)確、穩(wěn)定、可靠的檢測。

1）設(shè)計了種子流分流結(jié)構(gòu)，根據(jù)小麥種子物理特性，在課題組已有傳感原理的基礎(chǔ)上，提出了一種“LED燈珠+窄縫”產(chǎn)生薄面光層，結(jié)合凸透鏡折射原理擴(kuò)大有效檢測面積的方法，通過光路分析和窄縫尺寸分析確定了凸透鏡焦距、薄面LED窄縫尺寸及傳感元器件關(guān)鍵參數(shù)。

2）分析了不同投種角度小麥種子感應(yīng)信號特征，獲得不同投種角度下原始信號，通過種子穿越光層運(yùn)動規(guī)律分析，得出種子穿越光層時間；設(shè)計了薄面光折射式小麥種子流多通道并行檢測裝置多路信號同步采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)同步采集、分析、處理4通道種子信號，實(shí)現(xiàn)4路小麥種子的精準(zhǔn)計數(shù)。

3）為提升檢測準(zhǔn)確率，進(jìn)行了檢測準(zhǔn)確率-排種頻率測試，結(jié)果表明：隨著排種頻率增加，檢測準(zhǔn)確率逐漸降低，排種頻率-檢測準(zhǔn)確率線性關(guān)系顯著，通過分析檢測裝置的誤差規(guī)律，構(gòu)建了準(zhǔn)確率補(bǔ)償模型。臺架試驗(yàn)表明：排種器轉(zhuǎn)速在80～180 r/min時，正常排種頻率范圍為52.10～321.55 Hz，檢測準(zhǔn)確率均高于96.68%。田間播種試驗(yàn)表明：在2～9 km/h的小麥播種機(jī)作業(yè)速度下，田間正常排種頻率為67.65～323.95 Hz，檢測裝置檢測準(zhǔn)確率高于95.28%。且在試驗(yàn)中未出現(xiàn)堵塞情況。

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Design and experiment of the wheat seed flow multi-channel parallel detection device with thin-surface light refraction

Xu Chunbao, Liu Jingyi, Su Qingmao, Jin Wei, Wang Denghui, Wang Wanchao, Ding Youchun※

(1.,,430070,; 2.-,,430070,)

A seed metering device is closely related to the sowing quantity and crop yield in the planting process. Various detection methods have been used to improve the seeding performance for corn, and soybean precision seeding in recent years, such as photoelectric sensor detection, high-speed photography, and capacitance sensing. However, it is difficult to accurately count the high-frequency seed flow in the process of high-speed wheat sowing. In this study, a set of multi-channel parallel detection device was designed for the wheat seed flow with thin-surface light refraction. A "LED lamp beads + narrow slots" method was also proposed to generate the thin-surface light layer, in order to combine the convex lens refraction for the large effective detection area. According to the physical characteristics of wheat seeds, the seed stream shunt structure and the thin-surface LED narrow slot size were designed to determine the convex lens focal length and the key parameters of the sensing components. The multi-channel parallel detection and sensing were utilized to develop a multi-channel signal synchronous acquisition system for the multi-channel parallel detection device of the wheat seed flow with thin-surface light refraction. The seeding accuracy rate and frequency test was conducted to improve the detection accuracy. Among them, the error rule of the detection device was analyzed to construct the accuracy compensation model. The bench test showed that the normal seeding frequency range was 52.10～321.55Hz in the field, and the detection accuracy was not less than 96.68%, when the rotation speed of the seed metering device was 80～180r/min. The comparison test showed that high reliability was achieved with a detection accuracy of not less than 96.64%, when the seeding frequency was not more than 32.75Hz. The detection accuracy rate of the single-channel detection device decreased significantly in the frequency range of 49.40～320.75Hz during seed metering in the field, with the increase of seeding frequency. There was a stable detection accuracy rate of the multi-channel parallel detection device. Specifically, the minimum detection accuracy rates were 26.67%, and 96.53%, respectively, for single and multi-channel parallel detection devices. It infers that the multi-channel parallel detection improved the detection accuracy rate of wheat seeds after shunting. The field sowing test showed that the normal seeding frequency in the field was 67.65～323.95Hz at the operating speed of 2～9km/h, and the detection accuracy was higher than 95.28% in the detection device. Consequently, the detection device can be expected to detect the seeding frequency of the seeding device, the seeding amount of each channel, and the total seeding amount in real time. There was no influence of mechanical vibration, strong light, and soil dust on the detection device in the normal field wheat sowing. The detection device can provide effective support to accurately detect the high-frequency seed flow for the missed seeding detection and reseeding in high-speed wheat sowing.

agricultural machinery; design; test; wheat seed flow; multichannel; parallel detection; multi-channel signal synchronous acquisition system; accurate counting

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.18.009

S223.2+5

A

1002-6819(2022)-18-0081-11

徐春保，劉靖怡，蘇清茂，等. 薄面光折射式小麥種子流多通道并行檢測裝置設(shè)計與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2022，38(18)：81-91.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.18.009 http://www.tcsae.org

Xu Chunbao, Liu Jingyi, Su Qingmao, et al. Design and experiment of the wheat seed flow multi-channel parallel detection device with thin-surface light refraction[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(18): 81-91. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.18.009 http://www.tcsae.org

2022-07-15

2022-08-26

國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項目（2021YFD2000402、2021YFD2000402-3）；湖北省重點(diǎn)研發(fā)計劃項目（2021BBA080）

徐春保，博士生，研究方向?yàn)楝F(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備設(shè)計與測控。Email：xu_cb008@163.com

丁幼春，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橹腔坜r(nóng)業(yè)技術(shù)與裝備。Email：kingbug163@163.com