趙鵬飛 曹 葉 王 龍* 王旭峰 郭文松 胡 燦 賀小偉
(1塔里木大學(xué)機(jī)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)校現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,新疆 阿拉爾 843300)
(3塔里木大學(xué)信息工程學(xué)院,新疆 阿拉爾 843300)
新疆維吾爾自治區(qū)作為中國(guó)最大的優(yōu)質(zhì)棉生產(chǎn)基地,截至2019年末,已連續(xù)21年棉花面積單產(chǎn)、總產(chǎn)和調(diào)出量居全國(guó)第一[1]。播種是棉花種植過(guò)程的關(guān)鍵環(huán)節(jié),目前棉花精量穴播器依照工作原理可分為氣吸式和機(jī)械式兩大類(lèi),其中氣吸式棉花精量穴播器必須裝備風(fēng)機(jī)和輸氣管路,工作中風(fēng)壓的穩(wěn)定性差,能量消耗大,且無(wú)法與傳統(tǒng)的精量、半精量播種機(jī)配套使用,制造、使用和維修的成本比機(jī)械式高出50%以上,與氣力式相比,機(jī)械式精量穴播器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、配套性好、制造、維修成本低等優(yōu)點(diǎn),是新疆地區(qū)棉花精量播種的主要實(shí)施方式[2]。
精量穴播器的播種性能對(duì)棉花種植作業(yè)質(zhì)量有直接影響,因此在出廠前、維修后和播種前對(duì)精量穴播器的性能檢測(cè)并確保穴播器工作可靠十分必要[3]。近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)和自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展,國(guó)內(nèi)對(duì)播種質(zhì)量的檢測(cè)逐漸向自動(dòng)化和精準(zhǔn)化方向發(fā)展,大量運(yùn)用傳感器技術(shù)、控制技術(shù)、信息采集與處理技術(shù)和機(jī)器視覺(jué)圖像技術(shù)等?;趫D像技術(shù)對(duì)穴播器的研究已有許多,王剛[4]將機(jī)器視覺(jué)技術(shù)應(yīng)用于玉米籽粒的快速計(jì)數(shù),并開(kāi)發(fā)了一種基于機(jī)器視覺(jué)的玉米千粒重快速檢測(cè)儀;王平崗、楊德義等[5]設(shè)計(jì)了基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的氣吸滾筒式播種器檢測(cè)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了機(jī)器視覺(jué)對(duì)不同氣吸滾筒負(fù)壓差下的播種質(zhì)量檢測(cè),并將機(jī)器視覺(jué)監(jiān)測(cè)和人工監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。
為實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械式精量穴播器播種性能的快速檢測(cè),本文結(jié)合霍爾傳感器、光柵傳感器、CMOS相機(jī)和數(shù)據(jù)采集卡各自特性與功能,并基于LabVIEW圖形化編程軟件編寫(xiě)的程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)采集卡信號(hào)的讀取與分析計(jì)算,實(shí)現(xiàn)對(duì)穴播器播種數(shù)量快速識(shí)別與統(tǒng)計(jì)計(jì)算,最終輸出所測(cè)穴播器空穴率與重播率。
基于圖像技術(shù)與傳感器融合的精量穴播器性能檢測(cè)裝置,其結(jié)構(gòu)如圖1所示,包括傳動(dòng)裝置、支架、電機(jī)控制箱、輸送帶、數(shù)據(jù)采集卡、撥桿、霍爾傳感器、集種計(jì)數(shù)漏斗、穴播器、擋板、CMOS相機(jī)、光照室、補(bǔ)光燈等。具體工作過(guò)程為:?jiǎn)?dòng)裝置,顯示器對(duì)應(yīng)狀態(tài)燈亮起后輸送帶調(diào)速電機(jī)開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn),待調(diào)速電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后穴播器電機(jī)啟動(dòng),穴播器開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng),固定在支架的撥桿使活動(dòng)鴨嘴以特定周期受阻開(kāi)合排出種子,安裝于撥桿的霍爾傳感器感應(yīng)活動(dòng)鴨嘴金屬片接近次數(shù),產(chǎn)生相關(guān)電信號(hào);種子排出后由集種計(jì)數(shù)漏斗收集接引,并將落種集中于輸送帶,方便CMOS相機(jī)的識(shí)別;種子落下后隨輸送帶運(yùn)動(dòng),當(dāng)相機(jī)檢測(cè)到落種后,立即拍照記錄產(chǎn)生圖像信息。各信號(hào)生成后經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡送至電腦軟件進(jìn)行分析計(jì)算,以霍爾傳感器檢測(cè)信號(hào)為理想播種次數(shù)、光柵傳感器檢測(cè)信號(hào)為實(shí)際落種次數(shù),CMOS相機(jī)產(chǎn)生信號(hào)為實(shí)際落種種數(shù)情況記錄,綜合所采集的信息,計(jì)算得出所測(cè)穴播器的空穴率與重播率。
圖1 檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)示意圖
1.2.1 集種計(jì)數(shù)漏斗設(shè)計(jì)
集種計(jì)數(shù)漏斗如圖2所示,包括光柵傳感器接收器、發(fā)射器、支撐板、固定槽和接種漏斗和集種漏斗。接種漏斗接引的種子沿漏斗壁滑行,當(dāng)穿過(guò)中間的光柵傳感器感應(yīng)區(qū)時(shí),光柵傳感器生成感應(yīng)信號(hào),接種漏斗口為實(shí)際播種最大范圍,外觀設(shè)計(jì)為方形,長(zhǎng)度取45 mm;集種漏斗出口為種粒的最大實(shí)際尺寸,設(shè)計(jì)值取15 mm,以保證實(shí)際播出種子能夠被全部收集與輸送,使種子在靠近輸送帶表面位置落下。集種計(jì)數(shù)漏斗具有緩沖作用,可以有效避免種子落至輸送帶表面后彈跳、飛濺等狀況的發(fā)生。
圖2 集種計(jì)數(shù)漏斗結(jié)構(gòu)示意圖
1.2.2 光照室設(shè)計(jì)
外部光照對(duì)圖片的采集和處理有很大的影響,一個(gè)封閉的、不受外界光照影響的光照室至關(guān)重要,好的關(guān)照室能夠?yàn)楹笃趫D像采集提供一個(gè)良好的光照環(huán)境。本裝置設(shè)計(jì)了一個(gè)除底部圖像采集區(qū)域開(kāi)放的封閉光照室,采用厚度5 mm的不透光黑色磨砂塑料板,具體尺寸為長(zhǎng)×寬×高(235 mm×235 mm×300 mm),放置于傳送帶正上方。
1.2.3 相機(jī)的選擇
工業(yè)相機(jī)是機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵組件,其本質(zhì)的功能是將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橛行虻碾娦盘?hào),不僅直接決定所采集圖像分辨率的高低與圖像質(zhì)量的好壞,也對(duì)后續(xù)精量穴播器播種質(zhì)量性能檢測(cè)的準(zhǔn)確與否有直接影響[6]。
一般工業(yè)相機(jī)有CCD相機(jī)與CMOS相機(jī),兩者相比下CMOS相機(jī)擁有低成本、低功耗、傳輸速度快和信號(hào)讀取方式簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),所以本次設(shè)計(jì)選擇型號(hào)為HT-U300C的CMOS相機(jī),其主要參數(shù)如表1所示。
表1 CMOS相機(jī)的主要參數(shù)
1.2.4 鏡頭的選擇
拍照的原理為小孔成像,如圖3所示,鏡頭是影響成像質(zhì)量的一個(gè)關(guān)鍵因素,鏡頭焦距與視場(chǎng)大小的選擇至關(guān)重要,為此根據(jù)所拍對(duì)象需要的區(qū)域面積、被拍攝對(duì)象距離鏡頭的距離和成像平面的面積可以確定鏡頭的近似焦距[7]。具體分析如下:據(jù)小孔成像原理,建立坐標(biāo)系,以成像平面中心為原點(diǎn),z軸為光軸,通過(guò)被檢測(cè)區(qū)域中心,并與x、y面垂直。
圖3 小孔成像原理
由圖3得到:
由上公式(1)得:
上式中:
LX-實(shí)際拍攝落種圖像區(qū)域?qū)挾龋?/p>
LY-實(shí)際拍攝落種圖像區(qū)域長(zhǎng)度;
MX-成像區(qū)域的寬度;
MY-成像區(qū)域的長(zhǎng)度;
L-成像平面與輸送帶落種圖像采集區(qū)域的距離;
f-攝像機(jī)焦距。
本裝置為達(dá)最佳光照環(huán)境,設(shè)計(jì)有外加光源,所以光圈大小的選擇合理即可,而實(shí)際輸送帶落種圖像采集區(qū)域大小為200 mm×200 mm、鏡頭與輸送帶距離約為200~400 mm,由公式(2)與實(shí)際鏡頭型號(hào)范圍選擇焦距為6~16 mm的鏡頭,最終選型號(hào)為HM1614-MP5鏡頭,其部分參數(shù)如表2所示。
表2 鏡頭的主要參數(shù)
1.2.5 光源選擇
光源的選擇直接關(guān)系到本裝置運(yùn)行的成敗,希望光源能增強(qiáng)種子的目標(biāo)特征,減弱外界物質(zhì)或雜質(zhì)的干擾,在不引入外界額外干擾的情況下減少光源放置角度的影響。LED光源具有節(jié)能效果好、壽命高、無(wú)頻閃、無(wú)散班和彩虹效應(yīng)等顯著優(yōu)勢(shì),對(duì)于需求工作時(shí)間長(zhǎng)、干擾少、功耗低的本檢測(cè)裝置來(lái)說(shuō),LED光源是最好的選擇[8]。而結(jié)合實(shí)際需求,本設(shè)計(jì)選擇型號(hào)為DPD-54HW環(huán)形LED光源,具體參數(shù)如表3所示。
表3 LED光源的主要參數(shù)
1.2.6 數(shù)據(jù)采集卡選擇
數(shù)據(jù)采集卡承擔(dān)數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)淖饔?,本裝置采用NI USB-6009型數(shù)據(jù)采集卡,該數(shù)據(jù)采集卡是美國(guó)國(guó)家儀器有限公司推出的一款即插即用式高精度數(shù)據(jù)采集設(shè)備,結(jié)構(gòu)緊湊、功能強(qiáng)大,能夠提供8個(gè)模擬單端輸入通道與14個(gè)數(shù)字輸入、輸出通道,可以與LabVIEW NI助手配合使用,主要參數(shù)如表4所示[9]。
表4 數(shù)據(jù)采集卡的主要參數(shù)
1.2.7 傳感器選型
本裝置需檢測(cè)理想播種次數(shù),最佳方式就是檢測(cè)活動(dòng)鴨嘴與撥桿的接觸次數(shù),能夠達(dá)到要求的有壓力傳感器和霍爾傳感器等。因直接接觸產(chǎn)生的摩擦可能對(duì)傳感器造成損壞,所以本裝置選擇無(wú)接觸型霍爾接近開(kāi)關(guān),其抗干擾能力強(qiáng),能夠在活動(dòng)鴨嘴金屬片靠近時(shí),產(chǎn)生電信號(hào),結(jié)合實(shí)際選擇型號(hào)為NC-20CO的霍爾傳感器,其主要技術(shù)參數(shù)表5所示,原理圖如圖4所示[10]。
表5 霍爾傳感器的主要參數(shù)
圖4 霍爾傳感器原理圖
光柵傳感器是指采用光柵疊柵條紋原理的傳感器,其體積小、重量輕、形狀可按需制造,能夠滿(mǎn)足狹小空間的應(yīng)用,檢測(cè)精度高且抗電磁干擾的能力好[11]。本裝置所需為體積小、抗干擾能力強(qiáng)的高精度、高穩(wěn)定性檢測(cè)計(jì)數(shù)傳感器,光柵傳感器為本裝置的最佳選擇。當(dāng)有物體穿過(guò)光柵區(qū)域時(shí),會(huì)阻擋部分發(fā)射器信號(hào)射向接收器,從而產(chǎn)生電信號(hào),本裝置選擇JZ-T30型光柵傳感器,其主要技術(shù)參數(shù)如表6所示,原理圖如圖5所示。
表6 光柵傳感器的主要參數(shù)
圖5 光柵傳感器原理圖
LabVIEW編程軟件是由美國(guó)國(guó)家儀器公司開(kāi)發(fā)研制的一種類(lèi)似于C語(yǔ)言的程序開(kāi)發(fā)環(huán)境,用易于理解和學(xué)習(xí)的圖形化程序框圖加數(shù)據(jù)流進(jìn)行程序編程,在檢測(cè)、測(cè)量、控制和仿真等方面應(yīng)用廣泛[12]。本裝置基于LabVIEW編程軟件及其輔助軟件機(jī)器視覺(jué)助手Vision Assistant開(kāi)發(fā)一套適用于本檢測(cè)裝置的配套軟件,利用圖像技術(shù)與傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)穴播器播種的檢測(cè)與數(shù)據(jù)采集,進(jìn)而提高檢測(cè)準(zhǔn)確率和效率。
本設(shè)計(jì)的整體思路是利用圖像技術(shù)與多傳感器的技術(shù)融合,實(shí)現(xiàn)對(duì)穴播器播種性能的快速檢測(cè),利用不同傳感器對(duì)不同物理特性信號(hào)生成,經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡對(duì)生成信號(hào)的采集傳輸,由基于Lab?VIEW開(kāi)發(fā)的軟件對(duì)各傳感器信號(hào)標(biāo)識(shí)與分析統(tǒng)計(jì),最后依據(jù)公式(3)、(4)、(5)計(jì)算出結(jié)果,在顯示界面顯示檢測(cè)穴播器的空穴率與重播率,具體流程如圖6所示。
圖6 系統(tǒng)流程圖
定義霍爾傳感器采集信號(hào)為理想播種次數(shù)N0、光柵傳感器采集信號(hào)為實(shí)際落種次數(shù)N,CMOS相機(jī)生成信號(hào)為各粒數(shù)落種次數(shù)N(ii=1,2,3…n),則
上式中:
N0-理想播種次數(shù);
N-實(shí)際落種次數(shù);
Ni-i粒種落種次數(shù)。
2.2.1 程序面板設(shè)計(jì)
基于LabVIEW開(kāi)發(fā)的軟件可將數(shù)據(jù)采集卡采集信息通過(guò)USB接口接收,并對(duì)數(shù)據(jù)采集卡編號(hào)識(shí)別,建立實(shí)時(shí)通信,完成對(duì)各數(shù)據(jù)信號(hào)的識(shí)別、讀取、儲(chǔ)存和判斷。
霍爾傳感器與光柵傳感器信號(hào)均以數(shù)字信號(hào)輸入,調(diào)用NI采集卡助手完成數(shù)據(jù)采集并配置,采用While循環(huán)結(jié)構(gòu)與累加算法實(shí)現(xiàn)對(duì)采集信號(hào)的自動(dòng)累加計(jì)數(shù),并創(chuàng)建各自總數(shù)的顯示變量,使其在顯示前面板中顯示。
CMOS相機(jī)采用感應(yīng)自觸發(fā)方式進(jìn)行圖像采集,基于LabVIEW的傳感器圖像獲取進(jìn)行連續(xù)圖像采集操作。先完成相機(jī)的初始化工作,創(chuàng)建一個(gè)圖像任務(wù)為圖像數(shù)據(jù)創(chuàng)建數(shù)據(jù)緩沖區(qū),之后從數(shù)據(jù)采集卡中讀入一幀圖像數(shù)據(jù),并把它放入先前創(chuàng)建的數(shù)據(jù)緩沖區(qū),緩沖創(chuàng)建成功后釋放占有的圖像數(shù)據(jù)緩沖區(qū),完成圖像采集[14]。為了使圖像能有序無(wú)遺漏進(jìn)行后續(xù)的圖像處理,程序中建立了存放圖像的隊(duì)列,圖像處理程序從隊(duì)列中提取圖像信息,將圖像信息交給圖像類(lèi)型轉(zhuǎn)換模塊,之后無(wú)錯(cuò)誤信息傳向閥值過(guò)濾模塊,閥值過(guò)濾模塊收到圖像后,將像素點(diǎn)在180~255范圍外的像素過(guò)濾后,把圖片傳輸給圖像灰度轉(zhuǎn)換模塊,此模塊將圖片灰度處理,再把處理好的圖片經(jīng)調(diào)色后傳遞給清除圖像疊加層模塊,使用此模塊消除多余的圖像疊加層后得到最清晰易于識(shí)別的種子圖片。最后將圖片傳輸?shù)阶R(shí)別物體的數(shù)量模塊進(jìn)行數(shù)量識(shí)別,在數(shù)量識(shí)別中調(diào)整參數(shù)與像素極值的大小,便可以得到種子的數(shù)量,將圖像輸送至循環(huán)尾端,即可完成一次種子識(shí)別程序的循環(huán),在顯示面板創(chuàng)建輸出顯示框就可以顯示圖像與數(shù)量。將上述軟件單元整合,對(duì)各單元輸出結(jié)果創(chuàng)建局部變量,各變量比較分析后作出判斷結(jié)果。
2.2.2 顯示面板設(shè)計(jì)
LabVIEW前面板是軟件與人的交互界面,好的交互能夠提升用戶(hù)體驗(yàn)[15]。以簡(jiǎn)潔明了、操作方便為基礎(chǔ)進(jìn)行用戶(hù)界面開(kāi)發(fā),設(shè)有各狀態(tài)指示燈、啟停按鈕與多個(gè)顯示框,配有棉種圖像處理后的預(yù)覽照片,能夠直觀的顯示裝置工作狀態(tài)與空穴率、重播率計(jì)算結(jié)果,界面如圖7所示。
圖7 交互界面圖
為檢測(cè)基于圖像技術(shù)與傳感器融合的精量穴播器性能檢測(cè)裝置的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性,對(duì)裝置穩(wěn)定性檢測(cè)。
為充分驗(yàn)證檢測(cè)裝置的可靠性與實(shí)用性選擇,選取適用于新疆且種植相對(duì)較多的3種不同棉花種子和玉米種子,隨機(jī)抽取各品種種子100粒并對(duì)其形狀尺寸參數(shù)測(cè)量,測(cè)量采用游標(biāo)卡尺,保留小數(shù)點(diǎn)后兩位小數(shù),最終數(shù)據(jù)平均值如表7、8所示。
表7 棉花種子的形狀參數(shù)
表8 玉米種子的形狀參數(shù)
由表7、表8可知,棉花種子與玉米種子外形差異較大,不同型號(hào)的種粒參數(shù)也有所區(qū)別,為檢測(cè)系統(tǒng)的可靠性與適用性,分別選用新疆阿拉爾金準(zhǔn)機(jī)械制造有限公司生產(chǎn)的13穴棉花播種機(jī)與7穴玉米穴播器為檢測(cè)對(duì)象。棉花種子精量穴播器與玉米種子精量穴播器分別加入適量經(jīng)光滑劑處理后種子進(jìn)行播種試驗(yàn),在調(diào)速電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定后開(kāi)始檢測(cè)計(jì)數(shù),為保證數(shù)據(jù)的科學(xué)性與穩(wěn)定性,理論播種次數(shù)為100時(shí)停止采集,每個(gè)穴播器播種試驗(yàn)5次,取棉花種子新陸中66與玉米種子新玉24分別進(jìn)行人機(jī)對(duì)比試驗(yàn),系統(tǒng)檢測(cè)播種數(shù)結(jié)果與人工檢測(cè)播種數(shù)如表9所示。
表9 系統(tǒng)檢測(cè)與人工檢測(cè)結(jié)果分析
由表9可知,對(duì)比棉花種子新陸中66號(hào)與玉米種子新玉24號(hào)的檢測(cè)結(jié)果可知,由于裝置在實(shí)際運(yùn)行中的震動(dòng)導(dǎo)致部分種子偏離CMOS相機(jī)檢測(cè)范圍,使相機(jī)檢測(cè)粒數(shù)少于人工檢測(cè)粒數(shù),而形狀呈橢圓的棉花種子測(cè)量誤差略大于形狀扁平的玉米種子,系統(tǒng)穩(wěn)定性有待進(jìn)一步提高,不過(guò)準(zhǔn)確率均高于95%,滿(mǎn)足實(shí)際作業(yè)需求。
對(duì)棉花與玉米多品種不同種粒進(jìn)行系統(tǒng)可靠性試驗(yàn),棉花種子與玉米種子實(shí)際系統(tǒng)檢測(cè)播種記錄如表10、表11所示。
表10 棉花種子播種試驗(yàn)數(shù)據(jù)
表11 玉米種子播種試驗(yàn)數(shù)據(jù)
由表10、表11可知,棉花穴播器相較玉米穴播器在播種試驗(yàn)中空穴率低,而重播率高。分析其原因主要與種子形狀尺寸相關(guān),棉花種子形狀整體呈橢球狀,相較偏扁平的玉米種子,更容易進(jìn)入穴播器取種孔,空穴率較低的同時(shí)其重播率高于玉米種子。
對(duì)表10分析可知,種粒尺寸最大的新陸中82號(hào)棉花種子空穴率最低、重播率居中,實(shí)際播種效果最優(yōu),種粒尺寸居中的新陸中66號(hào)種子重播率高于另外兩種棉花種子,播種效果次之,種粒尺寸較小的新豐9號(hào)空穴率最大,實(shí)際播種效果最差,因此認(rèn)為棉花種子的粒徑為影響其播種效果的關(guān)鍵因素。同理,對(duì)表11分析可知,玉米種粒寬度最大的新玉24號(hào)種子空穴率最大,高達(dá)約34%,已嚴(yán)重影響實(shí)際播種效果;而長(zhǎng)度尺寸相差較大、寬度尺寸相近的JN2828號(hào)和鄭單958號(hào)種子空穴率與重播率近乎相同,認(rèn)為對(duì)玉米種子而言,寬度尺寸是其關(guān)鍵影響因素。
綜上所述,基于圖像技術(shù)與傳感器融合的精量穴播器性能檢測(cè)裝置相比人工計(jì)數(shù)方式,檢測(cè)效率更高、更加方便快捷,同時(shí)裝置檢測(cè)結(jié)果可靠、性能穩(wěn)定、能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)穴播器性能的快速檢測(cè)。
本文設(shè)計(jì)一種基于圖像技術(shù)與傳感器融合的精量穴播器性能檢測(cè)裝置,開(kāi)發(fā)相關(guān)數(shù)據(jù)分析軟件和檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)。檢測(cè)裝置包括機(jī)架、穴播器、CMOS相機(jī)、集種計(jì)數(shù)漏斗、霍爾傳感器和光柵傳感器等;數(shù)據(jù)分析軟件基于LabVIEW開(kāi)發(fā),并用數(shù)據(jù)采集卡完成對(duì)霍爾傳感器、光柵傳感器以及CMOS相機(jī)生成的各類(lèi)信號(hào)采集傳輸,分析軟件通過(guò)調(diào)用NI助手將數(shù)據(jù)導(dǎo)入分類(lèi)并分別計(jì)算分析,最終結(jié)果由簡(jiǎn)潔明了的人機(jī)交互界面顯示。經(jīng)實(shí)際檢測(cè)與分析,本裝置相比人工檢測(cè),準(zhǔn)確率能夠達(dá)95%以上,滿(mǎn)足實(shí)際作業(yè)要求,能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)穴播器播種性能的快速檢測(cè),檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確、效率高。