光束阻斷式小粒蔬菜種子漏充與堵孔同步檢測系統(tǒng)研究

李兆東 孫譽寧 楊文超 王韋韋 張 甜 陳黎卿

(1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 合肥 230036； 2.安徽省智能農(nóng)機裝備工程實驗室， 合肥 230036)

0 引言

蔬菜種子按形狀可分為球形蔬菜種子和非球形蔬菜種子[1]。當(dāng)前蔬菜種植仍以人工育苗移栽為主，開展機械化精量播種是推動其產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑之一[2-3]。

排種器作為播種機的核心工作部件，漏播是衡量播種性能的重要指標之一[4-7]。實際工作中排種器均處于封閉狀態(tài)，漏播不易被及時發(fā)現(xiàn)，影響播種質(zhì)量[8]。目前多在排種管、輸送管處進行漏播檢測，常用檢測方式主要有光電法、壓電法、計算機視覺法等[9-15]。紀超等[16]設(shè)計了基于反射式紅外光電感應(yīng)的玉米播種機排種監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對播種量、重播、漏播等性能指標的實時監(jiān)測。周利明等[17]基于微電容信號評定排種器的性能，設(shè)計了一種電容式排種量傳感器。陳進等[18]運用高速攝像系統(tǒng)和圖像處理技術(shù)對排種器排種精度與播種均勻性等性能進行研究。Precision Planting公司研制的20/20 SeedSense播種實時監(jiān)測系統(tǒng)，對播種機作業(yè)速度、合格指數(shù)和漏播指數(shù)等多個技術(shù)指標進行實時監(jiān)測[19]。上述研究表明，相關(guān)學(xué)者或機構(gòu)在玉米、大豆、小麥等大中粒徑作物種子的排種量、重播和漏播等性能檢測效果較佳，而蔬菜種子粒徑小，在氣流輔助投種下其與導(dǎo)種管或輸種管易碰撞，產(chǎn)生的漏播問題難以較準確檢測。

排種器工作過程中漏充和吸孔堵塞是導(dǎo)致漏播的主要原因[20]。本文針對小粒蔬菜種子在排種過程中易存在漏充與吸孔堵塞的問題，提出一種光束阻斷式漏充與堵孔同步檢測系統(tǒng)，并結(jié)合高速攝像技術(shù)同步檢測，研究氣力式排種器在不同轉(zhuǎn)速和吸室真空度條件下的漏充率與吸孔堵塞率，旨在驗證該檢測系統(tǒng)的可行性及準確性。

1 檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

檢測系統(tǒng)主要由氣力式排種器、核心控制器、觸摸顯示屏、旋轉(zhuǎn)編碼器、對射型激光傳感器、電源等組成，如圖1所示。檢測系統(tǒng)工作時，雙輸出軸步進電機通過十字萬向聯(lián)軸器帶動排種盤轉(zhuǎn)動，且光電旋轉(zhuǎn)編碼器安裝于步進電機另一輸出軸上，與步進電機同步旋轉(zhuǎn)；基于排種盤與旋轉(zhuǎn)編碼器的轉(zhuǎn)速同步性，核心控制器調(diào)用其中斷資源，采集旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出脈沖，測定排種盤轉(zhuǎn)速，經(jīng)過平滑濾波處理后實時調(diào)整時間窗口與理論脈沖頻率。

圖1 檢測系統(tǒng)三維結(jié)構(gòu)圖 Fig.1 Three dimensional structure diagram of detection system 1.對射型激光傳感器 2.排種器 3.十字萬向節(jié)聯(lián)軸器 4.步進電機 5.旋轉(zhuǎn)編碼器 6.觸摸顯示屏 7.核心控制器 8.漩渦式氣泵 9.氣力管道 10.試驗臺架 11.直流電源

圖2 檢測區(qū)域示意圖 Fig.2 Schematic diagram of detection area 1.吸室殼體 2.導(dǎo)種管 3.卸種篩 4.正壓接口 5.排種端蓋6.負壓接口 7.種箱 8.排種殼體 9.傳感器檢測漏充接收端10.傳感器檢測漏充發(fā)射端 11.排種盤 12.傳動軸 13.傳感器檢測堵塞接收端 14.傳感器檢測堵塞發(fā)射端

氣力式排種器作為檢測系統(tǒng)的核心工作部件，主要由種箱、氣室殼體、排種殼體、排種軸、排種盤、導(dǎo)種管和卸種篩等組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。種子由種箱經(jīng)進種口進入充種室，傳動軸帶動排種盤順時針旋轉(zhuǎn)，在吸種負壓作用下，充種室內(nèi)的種子被吸附在排種盤上的吸孔上，被吸附的種子隨排種盤轉(zhuǎn)動至正壓投種區(qū)，在正壓及種子自身重力作用下，脫離吸孔落下，并經(jīng)過導(dǎo)種管和輸種管播入已開好的種溝內(nèi)。理論排種過程中，吸孔位于負壓區(qū)時均吸附單?；蚨嗔７N子，吸孔位于過渡區(qū)時均未吸附種子。實際排種過程中若在負壓區(qū)檢測到未吸附種子的吸孔，即可判斷發(fā)生漏充；在過渡區(qū)檢測到吸孔中有種子，即可判斷排種過程中發(fā)生吸孔堵塞。

對射型激光傳感器包括發(fā)射端、接收端，分別安裝于排種盤兩側(cè)，且位于同一水平線上，傳感器位置見圖2。光束恰好可貫穿過一個吸孔，此時傳感器輸出電平為高電平；種子或排種盤每阻斷接收端接收光束一次，傳感器輸出電平瞬時跳變?yōu)榈碗娖?，輸出一個脈沖信號。為檢測排種過程的漏充情況，一對激光傳感器安裝在負壓區(qū)兩側(cè)；排種過程中不存在漏充時，即負壓區(qū)排種盤吸孔均吸附單粒種子，傳感器輸出電平始終為低電平，無脈沖信號；若在時間窗口內(nèi)，核心控制器采集到傳感器輸出脈沖信號，即可判斷發(fā)生漏充，并根據(jù)脈沖信號數(shù)量計算漏充率。為檢測排種過程的吸孔堵塞情況，一對傳感器安裝在過渡區(qū)兩側(cè)；排種過程中不存在吸孔堵塞時，即過渡區(qū)吸孔均不吸附單粒種子，此時核心控制器檢測到理論脈沖頻率和實際脈沖頻率一致；核心控制器檢測到理論脈沖頻率與實際脈沖頻率存在差值，即可判斷存在發(fā)生吸孔堵塞，并根據(jù)脈沖信號差值計算吸孔堵塞率。

2 檢測系統(tǒng)設(shè)計

2.1 控制方案

在ARM嵌入式系統(tǒng)框架中，以STM32F407ZET6為核心控制器，完成排種盤實時轉(zhuǎn)速測定、對射型激光傳感器的脈沖采集、觸摸顯示屏的控制與顯示，實施運算等。依據(jù)工作原理，該系統(tǒng)方案采用的技術(shù)路線如圖3所示。

圖3 檢測系統(tǒng)技術(shù)路線圖 Fig.3 Technical roadmap of detection system

具體實施方法：基于排種盤與旋轉(zhuǎn)編碼器的轉(zhuǎn)速同步性，核心控制器通過采集旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出脈沖，測定排種盤轉(zhuǎn)速，計算理論脈沖頻率與時間窗口；在隨排種盤轉(zhuǎn)速變化而自行調(diào)整的時間窗口中，核心控制器調(diào)用外部中斷、定時器中斷資源采集對射型激光傳感器輸出脈沖信號，計算實際脈沖頻率；通過對理論脈沖頻率和實際脈沖頻率實施運算，同步測定漏充率與吸孔堵塞率。

2.2 硬件設(shè)計

檢測系統(tǒng)主要由硬件和軟件兩部分組成，其中硬件主要由核心控制模塊、信號采集模塊、人機交互模塊和電源模塊組成。其中：核心控制模塊主要采用STM32F407ZET6微處理器，采集旋轉(zhuǎn)編碼器與對射型激光傳感器的輸出脈沖；信號采集模塊包括E6B2-CWZ6C型光電旋轉(zhuǎn)編碼器與DS5-50DN對射型激光傳感器；E6B2-CWZ6C型光電旋轉(zhuǎn)編碼器基于光電轉(zhuǎn)換原理，將輸出軸的角速度轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖，以數(shù)字量形式輸出至微處理器PE2口；DS5-50DN1對射型激光傳感器發(fā)射端二極管發(fā)射激光，由接收端的光敏晶體管接收，基于光束阻斷原理同步檢測漏充與吸孔堵塞情況；其中，1_ DS5-50DN1該對傳感器檢測吸孔堵塞情況，微處理器通過PC0口采集接收端輸出脈沖，2_ DS5-50DN1該對傳感器檢測漏充情況，微處理器通過PE0口采集接收端輸出脈沖；人機交互模塊采用USART_HMI串口液晶觸摸屏，微處理器通過PA2、PA3口采集傳輸數(shù)據(jù)；電源模塊采用12 V鋰電池。漏充與吸孔堵塞同步檢測系統(tǒng)控制電路圖如圖4所示。

2.3 控制運算

該系統(tǒng)初始化后，調(diào)用外部中斷和定時器中斷資源，測算排種盤轉(zhuǎn)速與理論脈沖頻率，在實時調(diào)整的時間窗口內(nèi)分別采集兩對激光傳感器光束的阻斷次數(shù)和通路次數(shù)，進而對吸孔堵塞與漏充情況進行同步檢測；通過對理論脈沖頻率與實際脈沖頻率實施運算，計算漏充率與吸孔堵塞率，并在觸摸屏上顯示。檢測系統(tǒng)程序流程如圖5所示。

調(diào)用ARM嵌入式系統(tǒng)的外部中斷與定時器中斷資源，核心控制器對旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出脈沖計數(shù)，測定排種盤轉(zhuǎn)速，將當(dāng)前轉(zhuǎn)速與前3次轉(zhuǎn)速進行平滑濾波處理，有利于提高排種盤轉(zhuǎn)速測量的穩(wěn)定性和精確性。

假設(shè)排種盤有k個吸孔，排種盤轉(zhuǎn)動1圈或Ni圈所需時間為一個檢測周期，稱為時間窗口wi；Ni取值越小，檢測周期越短，實時性越好。則有

(1)

(2)

式中wi——時間窗口，s

z——排種盤轉(zhuǎn)速，r/min

ft——理論脈沖頻率，Hz

圖4 檢測系統(tǒng)控制電路圖 Fig.4 Control circuit diagram of detection system

圖5 檢測系統(tǒng)程序流程圖 Fig.5 Program flow chart of detection system

假設(shè)檢測吸孔堵塞的激光傳感器在一個時間窗口wi內(nèi)的光束阻斷次數(shù)為tb，核心控制器采集光束阻斷次數(shù)，計算出吸孔堵塞實際脈沖頻率和吸孔堵塞率為

(3)

(4)

其中

N=kS

(5)

(6)

式中fb——吸孔堵塞實際脈沖頻率，Hz

Xb——吸孔累計堵塞個數(shù)，個

Pb——吸孔堵塞率，%

S——檢測圈數(shù)，圈

N——檢測吸孔數(shù)，個

假設(shè)檢測漏充的激光傳感器在一個時間窗口wi內(nèi)的光束通路次數(shù)為tm，核心控制器采集光束通路次數(shù)，計算漏充實際脈沖頻率和漏充率為

(7)

(8)

(9)

式中fm——漏充實際脈沖頻率，Hz

Pm——漏充率，%

Xm——累計漏充個數(shù)，個

3 試驗驗證

3.1 試驗材料與設(shè)備

3.1.1試驗材料

試驗材料選用雪白玉蘿卜、中雙11號油菜、上海青，其主要物理特性見表1。

表1 試驗材料的物理特性 Tab.1 Physical properties of test material

3.1.2試驗設(shè)備

試驗設(shè)備主要有：氣力式排種器、HG-250型漩渦式氣泵(浙江森森集團股份有限公司)、十字萬向節(jié)聯(lián)軸器、TB86BL120-430型步進電機(常州遠控有限公司)、E6B2-CWZ6C型旋轉(zhuǎn)編碼器(日本OMRON公司)、DS5-50DN1對射型激光傳感器(廣東億銘精科有限公司)、i-SPEED 3型高速攝像系統(tǒng)(日本OLYMPUS公司)、STM32F407ZET6微處理器(廣州市星翼電子科技有限公司)以及漏充與吸孔堵塞同步檢測系統(tǒng)。臺架試驗在安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)自制排種器試驗臺上進行，如圖6所示，高速攝像系統(tǒng)試驗對比如圖7所示。

圖6 檢測系統(tǒng)試驗裝置 Fig.6 Test devices for detection system 1.核心控制器 2.對射型激光傳感器 3.排種盤 4.旋轉(zhuǎn)編碼器 5.步進電機 6.漩渦式氣泵 7.直流電源 8.高速攝像系統(tǒng)

圖7 高速攝像系統(tǒng)試驗對比 Fig.7 Test contrast diagrams of high speed camera system

3.2 試驗設(shè)計

根據(jù)GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機試驗方法》的規(guī)定，該試驗以排種器吸室真空度、排種盤轉(zhuǎn)速為試驗變量，以漏充率與吸孔堵塞率為評價指標進行驗證試驗，檢測系統(tǒng)與高速攝像設(shè)備同步檢測排種器漏充與吸孔堵塞情況。

試驗時，需設(shè)定排種盤轉(zhuǎn)速與吸室真空度。氣力式排種器的排種盤轉(zhuǎn)速為10～90 r/min，故設(shè)定排種盤轉(zhuǎn)速為10、30、50、70、90 r/min 5個水平；排種器的吸室真空度為1 000～3 000 Pa，故設(shè)定吸室真空度為1 000、1 500、2 000、2 500、3 000 Pa共5個水平；該排種盤吸孔數(shù)k為24，吸孔直徑為1.2 mm。在穩(wěn)定工況下，檢測系統(tǒng)與高速攝像系統(tǒng)同步采集360個吸孔數(shù)據(jù)，每組試驗重復(fù)5次，計算不同工況下的吸孔堵塞率Pb與漏充率Pm。試驗結(jié)果如表2和表3所示。其中Gb為高速攝像檢測吸孔堵塞率，Gm為高速攝像檢測吸孔漏充率，Eb為堵塞率相對偏差，Em為漏充率相對偏差。

3.3 試驗步驟

按以下步驟進行試驗：

(1)啟動步進電機電源，調(diào)節(jié)排種盤轉(zhuǎn)速；啟動高速攝像設(shè)備電源，在排種器吸室內(nèi)放置綠色LED燈，便于后期圖像處理；檢測系統(tǒng)初始化。

(2)排種盤轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，檢測系統(tǒng)連續(xù)采集360個吸孔數(shù)據(jù)，高速攝像設(shè)備同步在線拍攝；排種盤連續(xù)轉(zhuǎn)動15圈后停止排種器排種，關(guān)閉步進電機電源。

(3)記錄檢測系統(tǒng)同步檢測的漏充率與吸孔堵塞率；高速攝像系統(tǒng)拍攝視頻經(jīng)圖像處理后，記錄漏充率與吸孔堵塞率。

(4)改變排種盤轉(zhuǎn)速和吸室真空度，重復(fù)步驟(2)、(3)，直至排種盤在5個不同轉(zhuǎn)速水平和吸室真空度下完成試驗。

3.4 結(jié)果與分析

由表2可知，轉(zhuǎn)速10～90 r/min、真空度1 000～3 000 Pa條件下，雪白玉蘿卜和中雙11號油菜在排種過程中均未出現(xiàn)吸孔堵塞的情況，這2種方法同步檢測出上海青種子的型孔堵塞率相對偏差不大于0.95%。直徑較小的上海青種子吸孔堵塞率較高且隨機性較大，但堵塞率相對偏差差異較小。

從表3可以看出，在轉(zhuǎn)速10～90 r/min、真空度1 000～3 000 Pa范圍內(nèi)，應(yīng)用2種方法同步檢測出雪白玉蘿卜、中雙11號油菜和上海青3種球形蔬菜種子的漏充率相對偏差不大于1.67%。千粒質(zhì)量和粒徑稍小的上海青在檢測過程中僅在吸室真空度1 000 Pa、排種盤轉(zhuǎn)速不小于70 r/min的條件下出現(xiàn)漏充情況，且漏充率低；雪白玉蘿卜、中雙11號油菜隨著吸室真空度降低、排種盤轉(zhuǎn)速增加2種檢測方法獲取的漏充率均呈上升趨勢，而漏充率相對偏差無較大差異。

表2 不同工況下設(shè)計系統(tǒng)與高速攝像同步檢測吸孔堵塞率對比 Tab.2 Comparison of suction hole blocking rate by system detection and high speed camera system under different working conditions %

表3 不同工況下設(shè)計系統(tǒng)與高速攝像同步檢測漏充率對比 Tab.3 Comparison of missing filling seeds rate by system detection and high speed camera system under different working conditions %

4 田間試驗

為進一步驗證光束阻斷式小粒蔬菜種子漏充和堵孔同步檢測系統(tǒng)的可行性，田間試驗在安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)萃園試驗田進行。播種機選用黃鶴牌2BFQ-6型油菜精量聯(lián)合直播機，配套動力選用東方紅-LX954型拖拉機，風(fēng)機功率為2.2 kW，檢測用排種器為24個型孔、1.2 mm吸孔直徑的氣力式精量排種器，試驗現(xiàn)場如圖8所示。試驗過程中直播機前進速度設(shè)定3個水平，2.6 km/h(慢Ⅰ擋)、3.3 km/h(慢Ⅱ擋)、4.5 km/h(慢Ⅲ擋)，其均為直播作業(yè)適宜擋位，直播機平穩(wěn)工作后每個擋位下采集360個吸孔數(shù)據(jù)，每組試驗重復(fù)5次，計算不同工況下的漏充率Pm與吸孔堵塞率Pb，試驗結(jié)果如表4所示。

圖8 田間試驗現(xiàn)場 Fig.8 Scene of field test 1.漏充與堵孔同步檢測系統(tǒng) 2.氣力式排種盤 3.對射型激光傳感器 4.東方紅-LX954型拖拉機 5.驅(qū)動地輪 6.油菜精量聯(lián)合直播機 7.旋轉(zhuǎn)編碼器

由于油菜精量播種機由地輪驅(qū)動播種，將旋轉(zhuǎn)編碼器固定于播種機過渡軸，檢測機具前進速度，實時調(diào)整時間窗口。在慢Ⅰ擋、慢Ⅱ擋、慢Ⅲ擋的速度下，排種盤轉(zhuǎn)速分別為27、35、47 r/min。從表4可以看出，在機組前進速度為2.6～4.5 km/h條件下，3個品種的漏充率均隨機組前進速度增大呈上升趨勢，其中雪白玉蘿卜漏充率在4.5 km/h條件下較高(Pm>25%)；中雙11號油菜和雪白玉蘿卜未檢測出種子堵塞型孔的情況，直徑較小的上海青種子檢測出了型孔堵塞情況。與臺架試驗結(jié)果相比，該系統(tǒng)檢測出的漏充率和型孔堵塞率略有偏高，表明田間試驗與臺架試驗檢測結(jié)果存在一定誤差，其原因在于氣力式排種器在田間工作時受地表不平和機組工作產(chǎn)生一定的振動影響。

結(jié)合臺架試驗和田間試驗結(jié)果可知，盡管蔬菜種子的平均粒徑小，采用光束阻斷法可以同步檢測出小粒蔬菜種子的漏充率和吸孔堵塞率。因此對于氣力式小粒徑排種器而言，可以將改善充種性能和避免吸孔堵塞作為提高排種器通用性的切入點，光束阻斷式檢測系統(tǒng)可以作為一種有效手段，運用到排種機構(gòu)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中。

表4 田間試驗漏充率和吸孔堵塞率檢測值 Tab.4 Missing filling seeds rate and suction hole blocking rate of field test

5 結(jié)論

(1)提出了一種光束阻斷式檢測方法，該方法可同步有效檢測排種過程中小粒蔬菜種子的漏充與堵孔問題，為檢測排種器的性能提供了一種新手段，并為解析排種器漏播成因與排種器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。

(2)與高速攝像同步檢測結(jié)果表明，該系統(tǒng)可根據(jù)排種盤轉(zhuǎn)速變化自行調(diào)整檢測時間窗口，漏充率相對偏差不超過1.67%，吸孔堵塞率相對偏差不超過0.95%，該方法可有效實現(xiàn)對小粒蔬菜種子排種過程中漏充率與吸孔堵塞率的實時同步檢測。