徐洛川，胡 斌，羅 昕，任 玲，郭孟宇，毛自斌，蔡一全，王 健

叉指電容式棉花穴播取種狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)研制

徐洛川1,2，胡 斌1,2※，羅 昕1,2，任 玲1，郭孟宇1,2，毛自斌1，蔡一全1，王 健1

（1. 石河子大學現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機械兵團重點實驗室，石河子 832003；2. 石河子大學農(nóng)業(yè)農(nóng)村部西北農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室，石河子 832003）

針對氣吸式穴播器存在重播和漏播，而傳統(tǒng)排種檢測裝置不適配且易受環(huán)境溫濕度影響的問題，該研究開發(fā)了一種基于叉指型電容傳感器的棉花穴播取種狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。首先設計符合其結構和工作特點的傳感器，以Pcap02微小電容采集模塊采集電容輸出值并對其處理分析，實現(xiàn)對正常單粒播種、重播和漏播的準確判定，并進行試驗，試驗結果表明：該模塊的測量誤差在1%以內(nèi)，棉種質量預測誤差小于3%，滿足使用要求。在速度為30～50 r/min范圍內(nèi)，正常單粒播種誤判率小于3%，重播誤判率小于4%，漏播均可以被準確判定，但由于棉種質量差異，存在正常單粒播種被誤判為重漏播、重播被誤判為正常單粒的情況；由于振動導致系統(tǒng)整體監(jiān)測精度下降，但均保持在93%以上；系統(tǒng)監(jiān)測與機器視覺監(jiān)測的正常播種、漏播和重播數(shù)，不存在顯著差異（＞0.05）。說明該系統(tǒng)能滿足氣吸式穴播器的結構和工作特點，能準確判定其取種狀態(tài)，具有較好的準確性和穩(wěn)定性，對棉花實現(xiàn)精量播種具有重要意義。

傳感器；監(jiān)測；棉花；取種狀態(tài)；氣吸式穴播器；叉指電容

0 引 言

氣吸式穴播器作為播種機的重要組成，其性能好壞直接影響其播種質量，然而在田間作業(yè)環(huán)境下其無法完全避免空穴漏播、多粒重播等播種故障[1-5]，而排種監(jiān)測作為實現(xiàn)播種故障監(jiān)測的有效方法一直是國內(nèi)外的研究重點。其中針對其投種前的取種狀態(tài)進行排種監(jiān)測相比投種后能夠更加直接且迅速的反饋其工作狀態(tài)，因此針對其取種狀態(tài)進行排種監(jiān)測是棉花實現(xiàn)精量播種的重點研究方向之一。

國內(nèi)外學者針對排種監(jiān)測進行了一系列研究。國外學者基于紅外傳感器[6-8]、LED和光電晶體管[9]等光電傳感器構建播種監(jiān)測裝置分別對導種管內(nèi)的種子流進行監(jiān)測，獲取粒距等播種性能指標。國內(nèi)關于光電式的研究也較多，基于紅外光電對射式[10]、光纖式[11-12]和激光直射式[13]光電傳感器以及薄面激光-硅光電池[14]等元件的排種監(jiān)測裝置，實現(xiàn)對不同種子的測定和部分播種故障的聲光報警，但大部分對投種后導種管內(nèi)的種子流進行監(jiān)測，只能判斷有無種子。此外，多傳感檢測和可視化技術[15-16]、機器視覺式[17]和電容式傳感器[18-19]也被用于排種監(jiān)測，其中機器視覺技術通過高速攝像與圖像處理技術識別種子，獲取粒距、粒數(shù)等播種信息，但其對較小粒徑的種子檢測精度不高且易受灰塵影響。電容式在抗塵性能方面優(yōu)于光電式和機器視覺式，但其對環(huán)境溫濕度較為敏感，易受其影響。還有學者基于壓電沖擊法開發(fā)出播種檢測裝置[20-21]，實現(xiàn)重漏播故障監(jiān)測和播種信息的獲取，但其性能受工作轉速影響。

實際作業(yè)中，由于田間環(huán)境惡劣和設備成本較高的原因，圖像法、壓電法受到了一定限制。為此，本文結合氣吸式穴播器工作及結構特點，研制一種基于叉指型電容傳感器的棉花穴播取種狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對正常單粒播種、重播和漏播的準確判定。

1 氣吸式穴播器的結構及工作過程

氣吸式穴播器結構如圖1a所示，由排種蓋、充種管、鴨嘴、取種盤、分種盤、腰帶、清種裝置等組成。

如圖1b，根據(jù)其工作原理，將其工作過程分為2次投種過程。一次投種過程中，取種盤在I區(qū)吸附棉種并攜其運動，經(jīng)II區(qū)去除多余棉種后（單粒為正常播種）進入III區(qū)，然后繼續(xù)運動至IV區(qū)斷氣投種，最后在V區(qū)重力和離心力作用下完成一次投種進入內(nèi)種道。在二次投種過程中，內(nèi)種道在VI區(qū)攜棉種運動至路線的最高點，然后在VII區(qū)重力和離心力作用下進入鴨嘴成穴器，最后在VIII區(qū)棉種運動至路線的最低點投種入穴，完成二次投種。

1.排種蓋 2.鴨嘴 3.透視蓋 4.清種裝置 5.充種管 6.分種盤 7.破拱釘 8.取種盤 9.擋氣塊組件 10.腰帶組件 11.內(nèi)種道 12.外圈 I.取種區(qū) II.清種區(qū) III.攜種運動區(qū) IV.斷氣投種區(qū) V.一次投種區(qū) VI.內(nèi)種道攜種運動區(qū) VII.鴨嘴成穴器區(qū)域 VIII.二次投種區(qū)

1.Seeding cover 2.Duckbill 3.Perspective cover 4.Seed cleaning device 5.Seed filled pipe 6.Seed separation tray 7.Broken arch nail 8.Seed tray 9.Choke block assembly 10.Belt assembly 11.Internal seed channel 12.Outer ring I.Seed collection area II.Seed clearing area III.Seed carrying movement area IV.Area for seeding after air interruption V.One time seeding area VI.Area forseed carrying by the inner channel VII. Duckbillcavitation area VIII. Secondary seeding area

注：為氣吸式穴播器的轉速，r·min-1。

Note:is the rotational speed of the dibbler, r·min-1.

圖1 氣吸式穴播器結構及工作過程

Fig.1 Structure and working process of pneumatic dibbler

2 監(jiān)測系統(tǒng)工作原理

以極板對數(shù)為3的叉指型電容傳感器為基礎展開研究，如圖2所示，由極板、基底、屏蔽極板和保護層組成。極板結構參數(shù)包括：極板整體長度、整體寬度、極板寬度和間距。為便于后續(xù)研究將極板寬度和極板間極板間距之和規(guī)定為一個基本的單元寬度，并用極板覆蓋率表示極板寬度在單元寬度中所占的比例[22]，表示如下：

電容值數(shù)學模型[23]為

式中0為真空相對介電常數(shù)；為檢測區(qū)域介質相對介電常數(shù)；為極板對數(shù)。

當傳感器處于非空場和空場狀態(tài)時（取種盤是否攜棉種通過極板檢測區(qū)域），設檢測區(qū)域的等效介電常數(shù)分別為和；棉種、空氣和取種盤介電常數(shù)分別為1、2和3；棉種質量為，密度為，則空場和非空場的電容值C和C分別為

式中1為棉種所占體積，m3；2為非空場時空氣所占體積，m3；3為空場時取種盤所占體積（忽略氣孔所占體積），m3；4為空場時空氣所占體積，m3；為電容式傳感器檢測區(qū)域的總體積，m3。

1.基底 2.激勵電極 3.感應電極 4.屏蔽層 5.保護層

1.Basement 2.Excitation electrode 3.Induction electrode 4.Shielding layer 5.Protective layer

注：和為極板整體長度和寬度，mm；為極板寬度，mm；為極板間距，mm；為極板組合間距，mm。

Note:andare the overall length and width of polar plate, mm;is the plate width，mm;is the plate spacing, mm;is the combined distance of the plate, mm.

圖2 叉指型電容傳感器結構

Fig.2 Structure of interdigital capacitive sensor

電容變化量Δ為

由此可見，取種盤攜棉種通過檢測區(qū)域時電容變化量Δ隨棉種質量增加而增大。

3 監(jiān)測系統(tǒng)結構

監(jiān)測系統(tǒng)主要由叉指型電容傳感器、Pcap02微小電容采集模塊、SHT20環(huán)境溫濕度采集模塊、串口轉換模塊和上位機等組成，如圖3所示。

注：f/C轉換電路將輸入頻率信號轉換成電容信號，f為頻率，Hz；C為電容，F(xiàn)。

3.1 監(jiān)測系統(tǒng)硬件設計

3.1.1 傳感器安裝位置與結構參數(shù)確定

如圖4所示，通過弧形槽與螺栓和螺母將傳感器安裝在透視蓋上（位于清種裝置之后面，與取種盤平行對置且保持間距）。

1.傳感器 2.取種盤 3.薄螺母

1.Sensor 2.Seed tray 3.Thin nut

注：為傳感器與取種盤的間距，mm。

Note:is the distance between the sensor and the seed separation tray，mm.

圖4 傳感器安裝位置示意圖

Fig.4 Schematic diagram of sensor installation position

傳感器作為監(jiān)測系統(tǒng)核心，性能好壞極其重要，為保證信號準確性和顯著性，通過棉種運動軌跡分析設計其結構參數(shù)。如圖5所示，將傳感器覆蓋區(qū)域和棉種、分種盤、破拱釘運動軌跡簡化為矩形和半徑為2和1的圓（80、96、55 mm）。不考慮極板橫向效應時，矩形可看為有效檢測區(qū)域，切入切出點、之間圓弧為棉種檢測區(qū)域內(nèi)運動軌跡長度，則極板長度與實際運動軌跡長度為

目前棉花氣吸式穴播器取種盤的工作轉速V為0.83～1.6 m/s[24-25]。根據(jù)香農(nóng)采樣定理，為保證所采集信號不失真，棉種在傳感器檢測區(qū)域的運動時間應大于系統(tǒng)采樣周期T的2倍[26]，則極板整體長度和運動軌跡長度為

式中V為取種盤轉速，m/s；為系統(tǒng)采樣頻率，Hz；Lmax為棉種最大軸徑，mm；L為單個采樣周期內(nèi)棉種運動軌跡長度，mm。

1.破拱釘運動軌跡 2.棉種運動軌跡 3.分種盤運動軌跡 4.傳感器邊緣 5.吸孔 6.棉種

1.Movement trajectory of breaking nail 2.Movement trajectory of cotton seed 3.Movement trajectory of seed separation tray 4.Sensor edge 5.Suction hole 6.Cotton seed

注：、1和2為棉種、破拱釘和分種盤的運動軌跡半徑，mm；為棉種在檢測區(qū)域運動軌跡長度，mm；為切入點和切出點之間的角度，（°）；V為棉種運動速度，m·s-1；、、為運動軌跡圓心、切入點、切出點；矩形為傳感器覆蓋區(qū)域。

Note:,1and2are the movement trajectory radius of cotton seeds, broken spikes and seed separation tray, mm ;is the trajectory length of cotton seed in the detection area, mm ;is the angle between the entry point and exit point, (°);Vis the movement speed of cotton seed, m·s-1；,,are the center of the motion trajectory, the entry point and exit point；The rectangularis the sensor coverage area.

圖5 棉種運動軌跡分析

Fig.5 Analysis of cotton seed motion trajectory

根據(jù)式（15）～（16），設置系統(tǒng)采樣頻率為60 Hz[27]且Lmax為10 mm時，極板整體長度為62.5 mm，為保證傳感器不與分種盤、破拱釘形成干涉，極板整體寬度為26 mm。

3.1.2 傳感器電容仿真分析

叉指型傳感器基于邊緣效應進行檢測，邊緣效應為該傳感器輸出信號強度的重要組成，為確保足夠的信號強度，對極板覆蓋率為50%、60%、70%、80%、90%的傳感器進行建模并電容仿真分析。根據(jù)式（2）～（3）可知傳感器極板寬度和間距具體數(shù)值如表1所示。

表1 傳感器極板結構參數(shù)和基礎電容值C0

首先通過Solidworks和COMSOL軟件對以上極板覆蓋率的傳感器和棉種模型（長度10 mm、寬度4.94 mm、厚度4.58 mm的橢球體）進行建模和仿真分析，結果如表1所示?；A電容值0隨極板覆蓋率增大而增大，為保證輸出信號的顯著性，選擇0.9作極板覆蓋率。

如圖6所示，以傳感器檢測區(qū)域左下角為坐標原點建立坐標系，為保證棉種運動過程中不超出傳感器檢測區(qū)域，且不與傳感器發(fā)生干涉，將運動軌跡的起始點和終止點設置為(?9.7,8.4)、(72.1,8.6)，切入和切出點設置為(0,13)、(62.5,13)，傳感器距離取種盤的間距大于棉種最大軸徑Lmax。在此基礎上控制棉種的運動坐標(，)，近似模擬棉種的運動軌跡，并仿真測量不同間距時的電容值C。

1.運動軌跡下限 2.運動軌跡上限 3.傳感器邊緣 4.吸孔 5.棉種 6.棉種運動軌跡

1.Lower limit of motion trajectory 2.Upper limit of motion trajectory 3.Sensor edge 4.Suction hole 5.Cotton seed 6.Cotton seed motion trajectory

注：、分別為棉種運動軌跡的起始和終止點。

Note:,are the starting point and ending point of the cotton seed motion trajectory.

圖6 棉種仿真運動軌跡分析

Fig.6 Analysis of the simulation motion trajectory of the cotton seed

仿真結果如圖7所示，電容值C隨間距的增加而減小，為此本文選擇以11 mm作設計間距。當間距為11mm時，點所測電容值0≈6.847 pF，由于極板的邊緣效應，當棉種運動至軌跡中心時，出現(xiàn)峰值1 max≈7.057 pF，此過程電容變化量約為0.21 pF，變化明顯，具備監(jiān)測可行性。

圖7 棉種運動仿真

3.2 微小電容采集模塊設計

由于取種盤攜棉種經(jīng)過傳感器檢測區(qū)域時，電容的變化量一般為0.1 pF量級，本文選擇以電容數(shù)字轉換芯片為核心的微電容檢測電路和STM32F103C8T6單片機控制電路等構建微小電容采集模塊，其電路如圖8所示。

圖8 微小電容采集模塊電路

為檢測微小電容采集模塊的性能試驗，搭建系統(tǒng)性能試驗臺，試驗臺主要由氣吸式穴播器試驗樣機、金屬網(wǎng)屏蔽箱、電機驅動模塊、微小電容采集模塊、LCR數(shù)字電橋測試儀等組成。試驗材料為含水率10.3%～11.3%且外觀良好的脫絨棉種。電容采集模塊通過屏蔽式線纜與傳感器相連，實時采集傳感器電容輸出值；電機控制模塊控制電機轉速，模擬在不同轉速條件下取種盤的工作狀態(tài)。

脫絨棉種（長（8.67±1.37）mm、寬（4.52±0.9）mm、厚（4.2±0.54）mm），從中選出以下尺寸范圍內(nèi)的種子各3粒，作為待測對象。其中大粒C1、C2、C3（長（9.82±0.12）mm、寬（4.83±0.11）mm、厚（4.42±0.15）mm）、中粒B1、B2、B3（長（8.85±0.14）mm、寬（4.43±0.13）mm、厚（4.12±0.11）mm）和小粒A1、A2、A3（長（8.05±0.14）mm、寬（4.03±0.09）mm、厚（3.82±0.14）mm）。

首先將氣吸式穴播器試驗樣機置于金屬屏蔽箱內(nèi)，并將取種盤所攜棉種調整至傳感器檢測區(qū)域內(nèi)的運動軌跡中心位置，然后通過恒溫恒濕試驗箱（型號PSL-408，廣東宏展科技有限公司，濕度偏差±3%～5%，溫度偏差±2 ℃）將溫度和濕度保持在20 ℃和50%RH，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后再測量。以LCR數(shù)字電橋測試儀（VC4090A型，勝利儀器有限公司，0.01%）和微小電容采集模塊所測值為標準值和測量值進行對比。除去空場電容值，其余每組試驗進行3次，取平均值作為試驗結果。結果如表2所示，該模塊測量誤差小于1%，能滿足使用要求。

表2 電容模塊測量準確性試驗結果

注：A1、A2、A3、B1、B2、B3、C1、C2、C3為棉種編號。

Note: A1, A2, A3, B1, B2, B3, C1, C2, C3are the cotton seeds No..

4.系統(tǒng)標定

4.1 溫濕度標定

由于環(huán)境溫度和相對濕度與檢測區(qū)域等效介電常數(shù)有關，對所測電容值存在一定影響，因此本文分別展開溫度和相對濕度標定試驗。試驗材料為脫絨棉種（B1、B2和B3），根據(jù)新疆棉花播種期間的氣候特點[28-30]將試驗溫度和相對濕度范圍設置為10～50 ℃和20%～90%RH。

首先將氣吸式穴播器試驗樣機置入恒溫恒濕試驗箱并將棉種調整至前述相同位置，設置初始溫度和濕度分別為10 ℃和50%RH，然后以5 ℃為梯度升溫至50 ℃，單個梯度升溫完成后，靜置2 min后再進行測量，試驗結果如圖9所示。

圖9 溫度標定結果

溫度由10 ℃升高至50 ℃時，空場電容值由6.967 pF增加至7 pF。非空場電容值由7.028、7.027和7.019 pF增至7.069、7.067和7.06 pF，非空場與空場所測電容值變化曲線基本相同且線性關系明顯。

濕度標定試驗時，溫度保持在20 ℃，相對濕度的初始值設置為20%RH，然后以5%RH為梯度上升，其他條件與上述試驗相同，試驗結果如圖10所示。濕度由20 %RH升高到65%RH時，空場電容值由6.741 pF升高至7.28 pF，線性關系明顯；由65%RH升高至90%RH時，電容值由6.98 pF增加到11.139 pF，變化明顯。非空場電容值由6.769、6.769和6.761 pF增加到11.37、11.368和11.361 pF，電容值在非空場與空場時的變化曲線基本一致。

圖10 濕度對所測電容值的影響

試驗結果表明，環(huán)境溫度和相對濕度對所測電容值存在一定影響。根據(jù)試驗結果，將溫度20 ℃和相對濕度50%RH設置為標準態(tài)，并以溫度（10～50 ℃）和濕度（20%～65%RH）為試驗因素，中粒脫絨棉種B1為試驗材料，所測電容值為響應指標，通過二元二次通用旋轉設計試驗，單組試驗測量2次，取平均值作為試驗結果。試驗水平編碼和結果如表3和表4所示。試驗方案設計及結果分析應用Design-Expert 8.0.6軟件完成。

空場和非空場電容值與溫度和濕度的的一階、二因素交互模型、二階模型、三階模型決定系數(shù)如表5所示。其中三階模型決定系數(shù)最大，因此以三階模型擬合回歸方程為基礎展開研究。

表3 試驗因素編碼水平表

表4 試驗方案及結果

表5 模型決定系數(shù)

非空場時：

空場時：

環(huán)境溫濕度變化所引起的電容變化量為

式中TH時為環(huán)境溫濕度所引起的電容變化容量，pF；為溫度，℃；為濕度，%RH；C和C分別為標準態(tài)下非空場和空場電容值，pF。

校正后的電容變化量為

式中?Cmax為校正后的電容變化量，pF；Cmax為非空場時所測電容的最大值，pF；C為空場時所測電容值，pF。

為驗證式（20）的準確性，在前述研究基礎上以棉種B1為試驗材料，在10～50 ℃和20%～60%RH條件下對校正后和標準態(tài)下所測電容變化量?Cmax和?Camx，進行對比。結果如表6所示，可知校正后所測電容變化量誤差小于2%，標定結果準確。

表6 校正模型驗證試驗結果

4.2 棉種質量標定

由以上分析可知，通過溫濕度校正，可以較為準確地獲取電容變化值，為準確判斷取種盤的種狀態(tài)。本文展開電容變化量與棉種質量數(shù)值關系的標定，構建棉種質量預測模型。首先從不同品種初始試驗樣品中隨機選取100粒棉種，通過電子天平（型號BSM-4200.2，上海卓精電子科技有限公司）測量其質量，并對其分布特性進行分析，結果如圖11所示。

注：箱圖中97.5%、2.5%和50%分別為上、下四分位數(shù)和中位數(shù)的位置。

根據(jù)測試結果可知，脫絨棉種、新陸早26號、新陸早42號和新陸早68號單粒棉種質量主要分布區(qū)間分別為0.07～0.11、0.08～0.11、0.08～0.1和0.07～0.11 g，本文選擇質量分別為0.07、0.075、0.08、0.085、0.09、0.095、0.1 g的棉種作為試驗樣品。

取種盤轉速20 r/min和前述標準態(tài)條件下，對非空場電容值最大值max進行測量并記錄，重復試驗3次，取其平均值與棉種質量進行擬合，結果如圖12所示。棉種質量與電容變化量max, 線性關系顯著，不同品種棉種的擬合方程分別為

脫絨棉種：

新陸早42號：

新陸早68號：

新陸早26號：

根據(jù)圖12可知：所測電容變化量最大值max與棉種質量的關系為

式中脫絨棉種、新陸早42號、新陸早68號、新陸早26號的μ值分別取值為2.473 75、2.578 76、2.500 90和2.508 75，d為常數(shù)項。

5 試驗驗證

5.1 臺架模擬驗證試驗

5.1.1 試驗設備與方法

為驗證基于棉種質量預測的氣吸式穴播器取種狀態(tài)監(jiān)測方案的可行性，搭建如圖13所示試驗臺，主要由LCR數(shù)字電橋測試儀、串口轉換模塊、微小電容采集模塊、氣吸式穴播器試驗樣機和空氣壓縮機等組成。試驗材料為300粒小粒A(0.055～0.075 g)、中粒B(0.075～0.1 g)和大粒C(0.1～0.15 g)棉種。

為減少棉種質量差異而導致的誤判，根據(jù)前述棉種質量分布特性（上四分位數(shù)、下四分位數(shù)和中位數(shù)）設定漏播和重播的判斷閾值，棉種質量≤0.065和≥0.125時分別被判定為漏播和重播，以脫絨棉種的閾值為基準設置品種調節(jié)系數(shù)（0.86～1.13）。

1.LCR數(shù)字電橋測試儀 2.串口轉換模塊 3.微小電容采集模塊 4.計算機 5.氣吸式穴播器試驗樣機 6.空氣壓縮機

通過微小電容采集模塊對傳感器電容值進行采集，然后通過棉種質量預測模型和相應品種的重漏播判定閾值對取種盤取種狀態(tài)進行判定，上位機實現(xiàn)對校正后電容值、棉種質量、取種狀態(tài)以及其他播種信息的顯示。

每組試驗分別在30、40和50 r/min的轉速條件下完成。第一組正常單粒播種試驗時，取種盤各吸孔隨機吸附對應品種棉種1粒，試驗結果如表7所示。

表7 單粒播種試驗結果

第二組漏播試驗時，各吸孔不吸種，試驗結果如表8所示。第三組試驗重播試驗時，除去組合質量遠大于重播閾值的B+C、C+C、A+C和B+B（同一品種內(nèi)的2粒不同質量區(qū)間的棉種），本文將重播棉種組合設置為A+A和A+B，試驗結果如表9所示。

表8 漏播試驗結果

表9 重播試驗結果

如表7所示，在正常單粒播種試驗中，系統(tǒng)整體監(jiān)測精度達到97%以上，誤判率小于3%，但由于部分棉種的質量差異，存在正常單粒播種被判定為漏播和重播的情況；如表8所示，漏播試驗中無漏播誤判情況，監(jiān)測精度為100%；如表9所示，在重播試驗中，由于組合質量遠遠大于漏播閾值，不存在漏播誤判情況，整體監(jiān)測精度達到96%以上，誤判率小于4%，存在重播被判定為正常單粒播種的情況，主要原因在于部分“A+A”和“A+B”組合質量接近重播判定閾值，且系統(tǒng)自身存在測量誤差。試驗表明該監(jiān)測方案能夠實現(xiàn)對正常單粒播種、漏播和重播3種取種狀態(tài)的有效判定。

5.2 臺架試驗

為進一步驗證系統(tǒng)的準確性和可靠性，以脫絨棉種為試驗材料，棉花氣吸式穴播器（7穴）為試驗對象，通過JPS-12排種器性能試驗臺進行臺架試驗，如圖14所示。

1.手動升降裝置 2.夾持機架 3.棉種 4.鏈輪鏈條傳動裝置 5.電機 6.種箱 7.排種蓋 8.氣吸式穴播器 9.傳送帶 10.自動刷油裝置 11.傳感器 12.微小電容采集模塊 13.計算機 14.串口轉換模塊

電機通過鏈輪和鏈條驅動氣吸式穴播器，模擬實際工作中的不同轉速，通過機器視覺箱內(nèi)的攝像機實時記錄排種情況。根據(jù)NY/T 987-2006《鋪膜穴播機作業(yè)質量》，以30、35、40和45 r/min分別進行5次試驗，單次試驗時間為5 min。隨機選取800穴作為檢測對象，對比系統(tǒng)監(jiān)測值與實際排種信息（機器視覺監(jiān)測值）之間的差異。

試驗結果如表10所示，由于電機通過鏈輪鏈條驅動氣吸式穴播器時存在一定的振動，導致系統(tǒng)正常播種、漏播和重播的監(jiān)測精度有所下降，但整體監(jiān)測精度均保持在93%以上。在30～45 r/min工作速度下，正常播種、漏播和重播的平均監(jiān)測精度分別為96.4%、94.04%和93.9%。為判斷本文系統(tǒng)與機器視覺監(jiān)測結果的差異性，通過檢驗對試驗數(shù)據(jù)進行方差分析。

表10 臺架試驗結果

如表11所示，系統(tǒng)與機器視覺所測正常單粒播種數(shù)、漏播數(shù)和重播數(shù)的值＜0.05（6.39），＞0.05，本文系統(tǒng)監(jiān)測值與機器視覺實測值不存在顯著差異，具有較好的檢測精度和穩(wěn)定性。

表11 正常播種數(shù)、漏播數(shù)、重播數(shù)的F檢驗

注：d為自由度；為顯著程度；為0.05水平下的顯著性。

Note:dis the degree of freedom;is significant degree;indicate significant difference at level0.05.

6 結 論

本文提出基于電容變化量與棉種質量關系模型的取種狀態(tài)判定方法，實現(xiàn)對氣吸式穴播器的排種情況的實時監(jiān)測，主要的研究結論如下：

1）通過Solidworks-COMSOL耦合仿真和棉種運動軌跡分析設計符合氣吸式穴播器結構和工作特點的叉指型電容傳感器，初步確定利用其實現(xiàn)對取種盤取種狀態(tài)監(jiān)測的可行性。

2）在以Pcap02為核心的微小電容采集模塊的基礎上通過環(huán)境溫濕度和棉種質量與所測電容的標定試驗分別構建溫濕度校正模型和棉種質量預測模型，并提出基于此模型的系統(tǒng)應用方案。

3）微小電容采集模塊性能試驗表明：該模塊的測量誤差在1%以內(nèi)，棉種質量的測量誤差小于3%。取種狀態(tài)監(jiān)測試驗結果表明：在速度30～50 r/min范圍內(nèi)，無漏播誤判情況；正常單粒播種的誤判率小于3%，重播的誤判占比小于4%，誤判的原因主要在于部分棉種質量存在明顯差異，導致正常單粒被判定為漏播和重播，重播被判定為正常單粒播種。所設計的系統(tǒng)可以較為準確地實現(xiàn)對正常單粒播種、漏播和重播的判定。

4）臺架試驗結果表明：在30～45 r/min的工作轉速內(nèi)，臺架試驗的整體監(jiān)測精度由于振動而有所下降，但均保持在93%以上。檢驗分析表明：系統(tǒng)監(jiān)測與機器視覺監(jiān)測的正常播種、漏播和重播的值<0.05（6.39），>0.05，二者不存在顯著差異，該系統(tǒng)可以滿足棉花精量穴播器的排種監(jiān)測要求，具有良好的監(jiān)測精度和穩(wěn)定性。

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Development of a seeding state monitoring system using interdigital capacitor for cotton seeds

Xu Luochuan1,2, Hu Bin1,2※, Luo Xin1,2, Ren Ling1, Guo Mengyu1,2, Mao Zibin1, Cai Yiquan1, Wang Jian1

(1.,,832003,; 2,,,832003,)

Precision seeders have been widely used in large-scale sowing in recent years, particularly with the ever-increasing mechanization in modern agriculture. Among them, the pneumatic dibbler of precision seeder was normally utilized in Xinjiang of western China, in order to realize the function of one hole and one seed for the seed saving and the high yield of cotton during sowing. However, the working state cannot be directly evaluated in the traditional sowing operation, because the seeding process was confined in a closed state of the pneumatic dibbler. Such sowing failures as missed- and multiple-seeding cannot be completely avoided for the high sowing quality. One way can be selected to reseed at the position of missed sowing after the emergence of seedlings. As such, the cotton cannot open to be harvested in time, leading to the low quality and yield of cotton. In terms of multiple-seeding, another way can be the high-cost thinning of seedlings in the late stage. Therefore, it is very necessary to evaluate the sowing state along with the detection of seeding. However, the traditional detection device cannot be suitable for the pneumatic dibbler under the conditions of temperature and humidity. In this research, a real-time monitoring system was designed and developed for the seeding of pneumatic dibbler using an interdigital capacitive sensor. Firstly, the sensor was arranged, according to the structure and working parameters of the pneumatic dibbler. The output capacitance of the sensor was collected by the micro-capacitance acquisition system (Pcap02 chip). A series of verification and bench tests were then conducted to evaluate the system performance and simulation, including the interdigital capacitive sensor, the micro capacitance acquisition system, and the experimental prototype dibbler. The performance test showed that the measurement errors of the system capacitance and the prediction model of cotton seed quality were within 1% and less than 3%, respectively. It inferred that the micro-capacitance acquisition system fully met the requirements of measurement. The simulation verification test showed the accurate system in the missed-seeding test. The misjudgment rate was less than 3% in the normal sowing test. Specifically, the normal sowing was misjudged as the miss- and multiple-seeding in the test, due to the difference in the quality of cotton seed. The misjudgment rate was less than 4% in the multi-seeding test. The multiple-seeding was misjudged as the uni-grain sowing, because the quality of the cotton seed combination was approximated to the multiple-seeding judgment threshold. The bench test showed that the overall monitoring accuracy of the system remained at 93%, only a relatively decrease from the certain vibration caused by the motor. Among them, the overall monitoring accuracy of normal sowing, missed-seeding, and multi-seeding were 96.4%, 94.04%, and 93.9%, respectively, at the working speed of 30-45 r/min, which were lower than the overall monitoring accuracy of the simulation verification test. The variance of the test data was analyzed through thetest, in order to judge the difference between the system and the machine vision. Thevalues were measured for the number of normal-, missed- and multiple-seeding using the system and machine vision, which were lesser than0.05(6.39). Thevalues were greater than 0.05 for the number of normal-, missed- and multiple-seeding. Therefore, there was no significant difference between the system monitoring and the measured using machine vision, indicating the excellent detection accuracy and stability of the system. The finding can provide great significance for the precision sowing of cotton.

sensor; monitor; cotton; seeding state; pneumatic dibbler; interdigital capacitance

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.23.006

S223.2;S24

A

1002-6819(2022)-23-0050-11

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Xu Luochuan, Hu Bin, Luo Xin, et al. Development of a seeding state monitoring system using interdigital capacitor for cotton seeds[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(23): 50-60. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.23.006 http://www.tcsae.org

2022-08-09

2022-11-24

國家自然科學基金資助項目（52165036）；石河子大學高層次人才項目（RCZK2021B17）

徐洛川，研究方向為機械電子工程。Email：673218542@qq.com

胡斌，教授，博士生導師。研究方向為農(nóng)業(yè)機械設計與性能試驗。Email：hb_mac@sina.com