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        播種裝置及其排種性能檢測技術(shù)的研究分析與展望

        2022-12-09 11:46:28趙希富王旭峰吐爾孫江艾山王興旺
        新疆農(nóng)機化 2022年6期
        關(guān)鍵詞:排種種器播種機

        趙希富,王 龍,王旭峰※,吐爾孫江·艾山,王興旺

        (1.塔里木大學(xué)機械電氣化工程學(xué)院,新疆阿拉爾843300;2.新疆維吾爾自治區(qū)普通高等學(xué)?,F(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點實驗室)

        0 引言

        我國是以經(jīng)濟作物和糧食作物為主的農(nóng)業(yè)大國。播種是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)種植中的關(guān)鍵環(huán)節(jié),種子的投放離不開排種器。排種器是播種機的核心部件,由于田間地理環(huán)境具有復(fù)雜多樣性,在進行種子的播種時,排種的過程中會出現(xiàn)重播、漏播現(xiàn)象,導(dǎo)致農(nóng)作物的產(chǎn)量下降。正確對排種器進行性能檢測能夠了解到其工作狀態(tài),對后續(xù)排種器的深度研發(fā)起著關(guān)鍵作用[1]。為此,國內(nèi)外有關(guān)學(xué)者對排種器的性能檢測進行了研究和試驗。

        1 播種機械研究現(xiàn)狀

        國內(nèi)外大田播種機械按照工作原理可分為機械式排種器和氣力式排種器,機械式排種器結(jié)構(gòu)簡單,但其在工作過程中對種子的損傷程度比較高,且不能適應(yīng)不同種子。氣力式排種器在排種的過程中對不同種子的適應(yīng)性好,并且對種子的損傷程度比較低,但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜且在排種的過程中易堵塞排種口[2]。機械式排種器可分為外槽輪式排種器、圓盤式排種器和指夾式排種器等。外槽輪式排種器常見于我國東北三省大豆、玉米等農(nóng)作物的種植,其優(yōu)點在于外槽輪排種器的通用性較好,結(jié)構(gòu)簡單和播量調(diào)整方便等,但其在播種時,排種均勻性差。氣力式排種器大多用于精密播種,歐美的Blackmore System、marksman等以及日本井關(guān)、東洋、久保田和三菱等是歐美國家較早使用的機型[3]。

        2 排種性能檢測技術(shù)及其研究現(xiàn)狀

        為了探尋排種器在播種過程中所存在的問題,有關(guān)研究者對監(jiān)測排種器工作情況的軟件系統(tǒng)也進行了相應(yīng)的研發(fā)。目前排種器性能檢測技術(shù)有光電傳感器檢測技術(shù)、壓電脈沖檢測技術(shù)和CCD攝像檢測技術(shù)等。

        2.1 光電傳感器檢測技術(shù)

        光電傳感器檢測技術(shù)是一種基于光電交叉融合所產(chǎn)生的一種新興的檢測技術(shù)[4]。一般情況下光電傳感器主要由發(fā)送器、接收器和檢測電路三部分構(gòu)成,其工作原理是發(fā)送器發(fā)射出一條光束,由接收器進行接收。排種器在排種時,種子會遮擋光束使接收器兩端電壓信號發(fā)生改變,對變化的信號進行處理,使之變?yōu)榭杀豢刂破魉R別的脈沖信號,通過控制器對脈沖信號分析和處理,達到對排種器性能檢測的目的[5],其檢測原理如圖1。

        圖1 光電傳感器檢測原理示意圖

        John Deere[6]為了對播種機的性能進行實時了解,運用了光電傳感器與電路信號相結(jié)合的方法進行采集分析,發(fā)現(xiàn)了播種機的漏播現(xiàn)象。panning[7]等以5種播種機和3種田間速度進行組合作業(yè),采用田間甜菜種子定位方法和光電傳感器系統(tǒng)相結(jié)合來進行試驗分析,并采用精確系數(shù)測量方法,實現(xiàn)了對種子間距均勻性的評估。Lan[8]等設(shè)計了由1個矩形光柵快(194×92mm)和24個光電晶體管組成的光電傳感器系統(tǒng),用于測量不同種子株距均勻性的檢測。Stephen W.Searcy[9]等設(shè)計了種子精確間隔發(fā)芽計量系統(tǒng),由光電傳感器檢測種子并且將其信息傳送到計算機中,來對種子進行檢測。

        賈洪雷[10]等設(shè)計了一種基于光電傳感器、旋轉(zhuǎn)編碼器的檢測裝置,通過光電傳感器和旋轉(zhuǎn)編碼器對排種盤吸種、排種軸轉(zhuǎn)動角度等信息進行采集和處理,得到排種器的工作狀況,為氣吸式排種器的性能檢測與改進提供了技術(shù)支撐。石宏等[11]設(shè)計了一種由對射式傳感器與單片機組成的綜合檢測系統(tǒng),對種子在經(jīng)過傳感器的遮光情況進行分析和處理,來檢測排種器的工作情況。趙立新[12]等設(shè)計了基于變距光電傳感器的小麥精播施肥一體機監(jiān)測系統(tǒng),用來檢測小麥在播種、施肥過程中排種器的工作情況,此系統(tǒng)采用了反射光電式傳感器來檢測種肥的流動情況等信息,實現(xiàn)對小麥精播施肥的檢測。劉洪強[13]等設(shè)計了基于光電傳感器的排種器性能檢測裝置,通過人工檢測方法對比,驗證了光電傳感器能夠能夠精準的檢測排種器的性能。宋鵬[14]等設(shè)計了一種采用光電傳感技術(shù)與單片機相結(jié)合的精密播種機工作性能實時監(jiān)測系統(tǒng)和自清潔裝置,通過光電傳感器來獲取種子的動態(tài)信息,由單片機進行分析處理,既能夠?qū)ΣシN機的工作性能進行檢測又保證了復(fù)雜環(huán)境中該檢測系統(tǒng)工作的準確性。

        光電傳感器檢測技術(shù)對于排種裝置的性能檢測具有成本低、檢測速度快、在一定程度上能夠檢測排種器的排種性能等優(yōu)點。但其主要應(yīng)用于精量排種器的排種性能的檢測,而且對于高速排種的種子流難以精確檢測。

        2.2 壓電脈沖檢測技術(shù)

        壓電脈沖檢測技術(shù)是指排種器在工作過程中,種子在下落的過程中與壓電傳感器發(fā)生撞擊,使壓電傳感器兩端產(chǎn)生脈沖信號,通過信號調(diào)理電路對脈沖信號進行處理,單盤機進行采集,來實現(xiàn)排種器性能檢測[15],其檢測技術(shù)如圖2。

        圖2 壓電脈沖檢測裝置結(jié)構(gòu)圖

        王金武[16]等設(shè)計了基于壓電沖擊法的水稻穴直播檢測系統(tǒng),通過稻種對PVDF壓電薄膜傳感器的撞擊,獲取脈沖信號傳送到控制器系統(tǒng),來實現(xiàn)對水稻排種器性能的檢測。段婷[17]等設(shè)計了一種以單片機為核心的苜蓿播種機漏播報警系統(tǒng),通過薄膜壓力傳感器檢測排出種子撞擊所產(chǎn)生的壓力信息,隨之通過單片機進行采集和處理,來檢測排種器的性能。黃東巖[18]等設(shè)計了一種基于壓電薄膜的播種器監(jiān)測系統(tǒng),該系統(tǒng)通過PVDF壓電薄膜來對種子的運動信息進行檢測,并將其轉(zhuǎn)化為脈沖信號,經(jīng)單片機進行分析和處理,來實現(xiàn)對播種機排種裝置的性能檢測。趙博[19]等設(shè)計了氣流輸送播種機壓電式流量傳感器,通過單片機對脈沖信號進行采集、分析和處理,發(fā)現(xiàn)在試驗過程中該實試驗裝置能夠通過種子的撞擊來呈現(xiàn)排種器的排種性能。張霖[20]等提出了一種壓電式種子計數(shù)系統(tǒng),通過壓電傳感器將種子的撞擊力轉(zhuǎn)化為電信號,經(jīng)電路放大處理,傳輸?shù)絾纹瑱C顯示,然后進行試驗,結(jié)果可以看出,該系統(tǒng)對于一粒種子的測量誤差不超過0.4%,能夠精準的對排種器的性能進行檢測。

        壓電脈沖檢測技術(shù)能夠準確的檢測排種器轉(zhuǎn)速較低時的排種性能,壓電傳感器成本低廉,但壓電傳感器極易受到外部條件影響,在進行排種器檢測的過程中,種子必須在傳感器撞擊后才能進行排種性能檢測,而種子在撞擊的過程中,會對種子的下落序列發(fā)生變化,進而影響排種的均勻性。在進行傳感器安裝的過程中,對其安裝位置精度需求較高。

        2.3 CCD攝像檢測技術(shù)

        高速攝像技術(shù)是基于高速攝像機與計算機相結(jié)合的一種新型技術(shù),其工作過程由高速攝像機來拍攝種子的下落過程,將每一粒種子的運動狀態(tài)呈現(xiàn)在所拍攝的膠片上,然后經(jīng)過攝像機的慢速放映,來對排種器進行排種性能的檢測,隨著高速攝像技術(shù)的發(fā)展,CCD攝像檢測技術(shù)已經(jīng)成為高速攝像技術(shù)的重要分支。CCD攝像檢測技術(shù)又稱機器視覺技術(shù),隨著我國科學(xué)技術(shù)的蓬勃發(fā)展,機器視覺技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到我國的各行各業(yè),逐漸趨于成熟。機器視覺技術(shù)以其快速、可靠、無損等特點應(yīng)用于我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中排種器性能的檢測,其檢測原理如圖3。

        圖3 CCD攝像檢測原理示意圖

        Adrian A.Borja[21]等針對菲律賓地區(qū),氣力玉米播種機在工作過程中的漏播現(xiàn)象,設(shè)計了基于機器視覺的控制系統(tǒng),實現(xiàn)對于氣力玉米播種機性能的檢測。D.E.Kim[22]等設(shè)計了機器視覺自動播種裝置,對其排種裝置的性能進行自動檢測,經(jīng)過分析處理,該檢測裝置符合實現(xiàn)葫蘆科蔬菜種子的在線播種功能。

        王玉順[23]等基于機器視覺檢測技術(shù)通過幀種子數(shù)分布的獨立性進行試驗分析,來檢驗條播排種器的性能。塔里木大學(xué)曹葉[24]設(shè)計了一種基于機器視覺檢測的穴播器排種性能檢測系統(tǒng),對棉花種子進行了5輪排種試驗與分析,結(jié)果表明該檢測系統(tǒng)穴播總量和穴粒數(shù)合格率的相對誤差為5.98%和2.7%,最小為0。董文皓[25]等設(shè)計了一種嵌入式機器視覺的雜交稻低播種量檢控裝置,通過采集、分析和處理播種后的種子圖像來獲取種子的播種信息,與人工檢測法檢測的種子信息進行對比,實現(xiàn)排種器的性能檢測。安愛琴[26]等以CCD攝像機拍攝氣吹式精密排種器在工作過程中種子的運動情況,利用圖像處理技術(shù)進行分析和處理,來對排種器進行排種性能的檢測試驗。聶永芳[27]等設(shè)計了一種基于機器視覺的檢測系統(tǒng)來對外槽輪式排種器進行檢測,采用CCD攝像機記錄種子流的運動狀態(tài),經(jīng)由MATLAB圖像分析處理軟件對其進行分析和處理,判斷該檢測系統(tǒng)是否可以滿足性能檢測需求。趙鄭斌[28]等針對針式穴盤精密播種機,設(shè)計了采用光電傳感器與機器視覺融合的排種性能檢測系統(tǒng),通過試驗進行驗證,證明該系統(tǒng)可以完成對排種器的性能檢測分析。王僑[29]等設(shè)計了基于機器視覺的玉米種粒定向定位擺放裝置,通過試驗發(fā)現(xiàn)此裝置能夠?qū)崿F(xiàn)合格種子的定向擺放。黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)李朋飛[30]設(shè)計了基于機器視覺的玉米排種器排種性能的檢測系統(tǒng),構(gòu)建玉米排種器排種性能檢測平臺,通過視頻處理等相關(guān)算法對其特征量提取,來達到對玉米排種器排種性能的試驗分析。

        CCD攝像檢測技術(shù)是繼光電傳感檢測技術(shù)、壓電脈沖檢測技術(shù)后所興起的一種新型的檢測技術(shù)。它是將所獲取的圖像直接通過計算機映入眼中,在經(jīng)計算機對其進行數(shù)據(jù)處理,來對排種器進行性能檢測。其具有自動化程度高、對于數(shù)據(jù)接收和處理速度快、使用比較方便等優(yōu)點,在各行各業(yè)應(yīng)用較廣泛。

        3 播種機械性能檢測裝置的發(fā)展趨勢

        近年來隨著科技的發(fā)展,我國對播種機械的檢測技術(shù)也迎來轉(zhuǎn)型,在兼顧成本與穩(wěn)定性的同時,檢測性能得到了顯著提高。隨著未來農(nóng)業(yè)機械行業(yè)的發(fā)展,播種機械在工作的過程中以高速為指標,在進行農(nóng)作物種植時,經(jīng)常會使用高速播種機械對田間進行播種種植。由于目前排種機械的檢測技術(shù)都是檢測工作速度不太高的播種機械,為此,對于高速播種機械排種性能的精確檢測,將成為目前急需解決的問題。

        4 結(jié)論

        本文介紹了播種機械的3種性能檢測技術(shù)的研究現(xiàn)狀,并且對其優(yōu)缺點進行了分析。總結(jié)了光電傳感器檢測技術(shù)、壓電脈沖檢測技術(shù)和CCD攝像檢測技術(shù),發(fā)現(xiàn)對于排種器性能的檢測應(yīng)用各有所不同。為了能夠更進一步的研究排種器排種性能,還需要分析排種器在工作中的過程中種子的落種姿態(tài),以及動態(tài)隨機因素等。

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