基于高速攝影技術(shù)穴盤苗拋投運動試驗與分析

曾繁地 李旭英 李 祥 蘇 強 張永志

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，呼和浩特 010000)

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的多元化發(fā)展對農(nóng)作物的栽植效率提出了更高的要求。隨生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，廣大農(nóng)民也迫切需要高效移栽機械滿足生產(chǎn)需求。由于吊杯式移栽機可以滿足作物鋪膜移栽種植的要求，能獨立完成打穴、栽苗、覆土、鎮(zhèn)壓、澆水等作業(yè)，在我國西北地區(qū)得到了廣泛應(yīng)用[1-4]。該移栽機工作時，人工將穴盤苗放入喂苗機構(gòu)，穴盤苗隨喂苗杯轉(zhuǎn)動，當(dāng)穴盤苗到達(dá)落苗口時，穴盤苗被拋入栽植器，但存在穴盤苗不能準(zhǔn)確進(jìn)入栽植器內(nèi)部的問題[5]。對喂苗機構(gòu)的設(shè)計和優(yōu)化建模已有諸多研究，日本PVH1TC煙草移栽機采用回轉(zhuǎn)式喂苗機構(gòu)，人工將缽苗放入緩慢運動的圓周分布的喂苗筒中，當(dāng)喂苗筒運動至栽植器的上方，落苗口打開，缽苗落入鴨嘴栽植器中[6]；澳大利亞Willimes公司研制出的全自動缽苗移栽機，缽苗依靠自身重力自動滑落進(jìn)入導(dǎo)苗管中，從而完成移栽作業(yè)，但容易造成缽苗成活率較低的問題[7]；Dihingia P C等[8]制造了一種半自動缽苗移栽機，通過人工將秧苗放在傳送帶上，經(jīng)過輸送機運送到料斗式栽植裝置，在垂直方向上完成秧苗栽植；Zhao X等[9]提出一種用于喂苗機構(gòu)的新型高階非圓齒輪傳動，建立了非對稱傳動比的數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行了喂苗試驗，試驗結(jié)果表明自動喂苗機構(gòu)大大提高了自動移栽效率；Sivakumar等[10]研制了一種重力喂入式自動移栽機，秧苗通過重力下降，不會對幼苗造成損害；Nandede B M等[11]設(shè)計了多級旋轉(zhuǎn)杯式喂苗機構(gòu)，選用株高為80～110 mm的番茄、茄子和辣椒秧苗進(jìn)行喂苗試驗，結(jié)果表明移栽機前進(jìn)速度為0.6～2.2 km/h時，喂苗裝置的進(jìn)料效率、輸送效率、種植效率和整體效率的平均值均高于90%，當(dāng)速度為3.2 km/h時，不適合移栽作業(yè)；劉洋等[12]在吊杯式移栽機基礎(chǔ)上設(shè)計了雙工位喂苗系統(tǒng)，通過連桿機構(gòu)反復(fù)打開喂苗筒進(jìn)行投苗,但工作效率不高；郭警偉等[13]對番茄自動移栽機有序投苗系統(tǒng)進(jìn)行了研究，并進(jìn)行了關(guān)鍵工作部件參數(shù)的優(yōu)化；劉姣娣等[14]對接苗過程中的苗缽與栽植器發(fā)生碰撞進(jìn)行分析，建立了缽體與栽植嘴的數(shù)學(xué)模型；金鑫等[15]對栽植器接苗、落至栽植器底部的運動過程進(jìn)行高速攝影分析，并建立各個階段的動力學(xué)模型；姚穎杰[16]采用仿真方式研究水稻拋秧過程缽苗運動，并通過高速攝影驗證。對于吊杯式移栽機，栽植器、喂苗機構(gòu)相對機做架旋轉(zhuǎn)運動，且穴盤苗被喂苗機構(gòu)拋投時，下落的軌跡受穴盤苗質(zhì)量、穴盤苗植株高度和喂苗杯速度等因素的影響，將直接影響栽植器接苗的準(zhǔn)確性。

已有研究主要集中在喂苗機構(gòu)設(shè)計和穴盤苗與栽植器碰撞方面，對喂苗機構(gòu)拋投穴盤苗的運動規(guī)律研究較少。本研究擬采用高速攝影技術(shù)和圖像后處理技術(shù)，對穴盤苗從喂苗機構(gòu)落苗口到栽植器的運動軌跡進(jìn)行分析，探究栽植器接苗時穴盤苗的分布區(qū)域，并采用響應(yīng)面法獲得最佳匹配參數(shù)，以期為吊杯式移栽機的優(yōu)化設(shè)計提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

為提高油葵種子發(fā)芽率，采用催芽后的油葵種子進(jìn)行育苗。油葵穴盤苗育苗基質(zhì)由草炭、蛭石、珍珠巖組成，體積比為3∶1∶1。在溫室大棚進(jìn)行育苗，采用“干濕交替”法對穴盤苗澆水，待穴盤苗長出兩葉一心，苗齡約達(dá)到40天時[17-18]，為了增強穴盤苗的抗逆性，對其進(jìn)行煉苗，然后進(jìn)行田間移栽。適栽期的油葵穴盤苗見圖1。對同一生長環(huán)境下的油葵穴盤苗進(jìn)行秧苗植株形態(tài)分析，測得50、72、128穴盤的油葵穴盤苗平均高度為273.02、216.6、177.96 mm，葉面展幅平均值為101.94、94.82 mm、73.26 mm，穴盤苗質(zhì)量為16～25、9～17、4～9 g。

圖1 油葵穴盤苗Fig.1 Oil sunflower plug seedlings

1.2 試驗設(shè)備及方法

1.2.1吊杯式移栽試驗臺

本研究采用自主研制的吊杯式移栽試驗臺(圖2)進(jìn)行試驗。試驗臺主要由喂苗杯、喂苗機構(gòu)、栽植機構(gòu)、栽植器、變頻器、減速電機、機架等組成。試驗時調(diào)整變頻器頻率改變栽植器轉(zhuǎn)速，通過鏈傳動使喂苗機構(gòu)同步轉(zhuǎn)動，人工將穴盤苗投入喂苗機構(gòu)，穴盤苗隨喂苗杯轉(zhuǎn)動，當(dāng)?shù)竭_(dá)落苗口時落苗底板打開，穴盤苗被投入栽植器中，隨栽植器到達(dá)安裝盤底部時，鴨嘴在凸輪的作用下打穴，穴盤苗栽入土壤中完成移栽[19]。

1.喂苗杯；2.喂苗機構(gòu)；3.栽植器；4.栽植機構(gòu)；5.減速電機；6.變頻器；7.機架1.Feeding cup; 2.Feeding mechanism; 3.Planter; 4.Planting mechanism; 5.Gear motor; 6.Frequency changer; 7.Frame圖2 吊杯式移栽試驗臺Fig.2 Hanging cup transplanter test

1.2.2高速攝影系統(tǒng)的搭建及標(biāo)定

高速攝影系統(tǒng)主要包括Pco.dimax S4型高速攝影機、計算機及Pco處理軟件和白色幕布。試驗過程中，人工將油葵穴盤苗放入喂苗杯中，穴盤苗隨著喂苗杯一起運動當(dāng)穴盤苗運動到落苗口時，被拋入栽植器中，采用高速攝影機拍攝并記錄穴盤苗拋投進(jìn)入栽植器的運動過程，并利用TEMA軟件分析穴盤苗拋投運動。

在配有鏈排式喂苗機構(gòu)的吊杯式移栽試驗臺上進(jìn)行投苗試驗，用高速攝影機進(jìn)行拍攝并利用TEMA軟件進(jìn)行圖像后處理[20]，分析穴盤苗高度、穴盤苗質(zhì)量和喂苗杯速度等因素對穴盤苗拋投運動軌跡的影響，探究栽植器接苗時穴盤苗的分布區(qū)域，需要在吊杯式移栽試驗臺上建立二維坐標(biāo)系，進(jìn)行系統(tǒng)標(biāo)定，以確定圖像中位移與實際位移的關(guān)系。為了便于TEMA軟件后期圖像處理，運用3D打印技術(shù)，打印相同規(guī)格的苗坨外殼，將穴盤苗放入其中，并在苗坨外殼的中心點作標(biāo)記，觀察標(biāo)記點運動規(guī)律。通過測量其實際距離與圖像中的影像距離可以得到該系統(tǒng)的比例尺[21]，計算公式為：

(2)

式中：R為實際尺寸與圖中尺寸的比例，m/像素；La為固定標(biāo)記點實際尺寸，m；Lb為固定標(biāo)記點在圖中尺寸，m。

試驗過程中將高速攝影機固定在三腳架上，使光軸線垂直于拋投運動平面，并調(diào)整光圈及三腳架高度，保證可以完整拍攝穴盤苗拋投運動軌跡，同時，調(diào)整鏡頭與標(biāo)定點所在平面的距離為1 280 mm，設(shè)置采樣頻率為500 幀/s(圖像分辨率：1 280像素×1 024 像素)，相鄰兩張照片的時間間隔為0.002 s。

1.2.3試驗方法

采用Design-expert 8.0.6的Box-Behnken模塊設(shè)計3因素3水平的正交試驗，穴盤苗拋投運動試驗因素與水平見表1。以投苗準(zhǔn)確率作為響應(yīng)值，共進(jìn)行17組試驗，以3次重復(fù)的平均值為試驗結(jié)果。

表1 穴盤苗拋投運動試驗因素與水平Table 1 Factors and level of accuracy test of plug seedling throwing motion

投苗準(zhǔn)確率為穴盤苗拋投進(jìn)入栽植器內(nèi)部的數(shù)量與每組試驗投苗總數(shù)量之比，計算公式為：

(1)

式中：Y為投苗準(zhǔn)確率，%；Y1為準(zhǔn)確進(jìn)入栽植器的穴盤苗數(shù)量，個；Y2為每組試驗投苗總數(shù)量，個。

2 高速攝影試驗結(jié)果與分析

2.1 不同高度穴盤苗拋投運動分析

選擇128穴盤苗，喂苗杯速度為0.184 m/s，接苗角一定時，穴盤苗高度(h)分別為h<130、130180 mm進(jìn)行拋投運動試驗。由穴盤苗運動軌跡(圖3)可以看出：穴盤苗豎直方向位移變化規(guī)律基本相同，但水平位移不同，與

1.喂苗機構(gòu)；2.穴盤苗；3.栽植器；4.栽植機構(gòu)；5.穴盤苗運動姿態(tài)；6.穴盤苗運動軌跡1.Feeding mechanism; 2.Plug seedlings; 3.Planter; 4.Planting mechanism; 5.The movement morphological of the seedlings; 6.The movement track of seedlings圖3 不同高度的穴盤苗運動軌跡Fig.3 Movement trajectories of the different height of plug seedlings

栽植器接觸的部位不同，表明穴盤苗高度對穴盤苗拋投運動規(guī)律有顯著影響，直接影響穴盤苗投苗準(zhǔn)確率。

2.2 不同規(guī)格穴盤苗拋投運動分析

接苗角一定，喂苗杯速度為0.184 m/s，穴盤苗植株高度h<130 mm時，探究不同規(guī)格(50、72、128穴盤)穴盤苗的運動規(guī)律，結(jié)果見圖4：當(dāng)接苗角、穴盤苗拋投速度和植株高度一定時，不同規(guī)格穴盤苗拋投運動過程中豎直方向運動影響較小，但對水平方向位移影響較大。

圖4 不同規(guī)格穴盤苗的運動軌跡Fig.4 Movement trajectories of the different sizes of plug seedlings

2.3 不同喂苗杯速度穴盤苗拋投運動分析

接苗角一定，采用128穴盤、植株高度為130～180 mm的穴盤苗，用高速攝影機拍攝喂苗杯速度為0～0.253 m/s時拋投試驗過程，用TEMA軟件對其進(jìn)行分析，試驗結(jié)果見表2。

表2 不同喂苗杯速度下穴盤苗掉落水平距離及掉落時間Table 2 Horizontal distance and drop time of seedlings with different speed of feeding cup

高速攝影拍攝拋投姿態(tài)，分析得到不同喂苗杯速度下的穴盤苗拋投運動軌跡見圖5。當(dāng)接苗角、穴盤苗質(zhì)量和高度一定時，隨喂苗杯速度增大，栽植器的接苗區(qū)域變大，其中1點表示喂苗杯速度為0 m/s 時，穴盤苗自由下落；2、8點表示栽植器未接住穴盤苗；3、7點表示穴盤苗與栽植器發(fā)生碰撞，掉落到栽植器外；4、5、6點表示穴盤苗準(zhǔn)確進(jìn)入栽植器內(nèi)，其中5點接苗狀態(tài)較好。

AB為喂苗機構(gòu)底板線；P為喂苗機構(gòu)投苗時落苗口位置；O為栽植器的回轉(zhuǎn)中心；D為喂苗杯活動底板即將打開時吊杯所在位置；CD為栽植器回轉(zhuǎn)直徑；EF為過點P垂直AB的中心線。θ1為栽植器的接苗角；v喂為喂苗杯的速度；v1,v2,…,v8為不同喂苗杯速度下穴盤苗拋投軌跡。AB is the bottom line of feeding mechanism; P is the starting point of the seedling mouth when the feeding mechanism throws the seedlings; O is the rotary center of the planter; D is the position of the feeding cup when the movable bottom plate is about to be opened; The CD is the swing diameter of the planter; EF is the center line through P perpendicular to AB; θ1 is the seedling angle of the planter； v喂 is the speed of feeding cup; v1,v2,…,v8 are the throwing tracks of the point seedlings at different speed of feeding cup.圖5 不同喂苗杯速度下穴盤苗的運動軌跡示意圖Fig.5 Movement trajectory schematic diagram of the plug seedlings at different velocities

圖6示出水平位移隨喂苗杯速度的變化曲線?？梢姡S著喂苗杯速度逐漸增加，穴盤苗的水平平均位移逐漸增大。水平平均位移的擬合方程為y=-0.545 8x2+11.328x-4.919 6,R2=0.966 1，擬合效果良好。

圖6 喂苗杯速度對水平平均位移的影響Fig.6 Influence rule of feeding cup velocity and mean horizontal displacement

穴盤苗自由下落時的水平位移為2 mm，不同速度拋出的穴盤苗水平位移主要集中在[30,50] mm(圖7)。通過TEMA軟件進(jìn)行圖像后處理得到不同喂苗杯速度下喂苗機構(gòu)落苗口起點位置P相對于栽植器接苗點的水平平均位移(L)，可知在32.1 mm≤L≤42.8 mm區(qū)域內(nèi)栽植器可以接住穴盤苗；當(dāng)L<32.1 mm時，穴盤苗拋投運動的水平平均位移小于栽植器接苗水平平均位移，穴盤苗掉落到栽植器后方；L>42.8 mm時，穴盤苗拋投運動的水平平均位移大于栽植器移動接苗水平平均位移，穴盤苗掉落到栽植器前方。

圖7 不同速度下穴盤苗水平平均位移的分布區(qū)域Fig.7 Distribution region of mean horizontal displacement of plug seedling at different velocities

3 投苗準(zhǔn)確率試驗分析

對不同試驗因素配置進(jìn)行穴盤苗拋投運動投苗準(zhǔn)確率的測試，尋求最佳匹配參數(shù)，采用Box-Behnken試驗設(shè)計方法[22-24]進(jìn)行穴盤苗投苗試驗，試驗設(shè)計方案及測定結(jié)果見表3。

表3 投苗準(zhǔn)確率試驗方案及結(jié)果Table 3 Experimental scheme and results of the accuracy rate of seedlings

3.1 投苗準(zhǔn)確率模型建立及回歸分析

使用Design-expert 8.0.6軟件對試驗結(jié)果進(jìn)行多元回歸分析，獲得編碼值表示的投苗準(zhǔn)確率回歸模型：

Y=92.02-1.412 5A+2.65B+4.412 5C+
1.025AB+1.35AC-2.175BC-
1.435A2+1.54B2-0.435C2

(3)

式中：Y為穴盤苗投苗準(zhǔn)確率，%；A、B、C分別為喂苗杯速度、穴盤苗質(zhì)量、穴盤苗高度的水平編碼。對上述二次回歸模型進(jìn)行方差分析和回歸系數(shù)顯著性檢驗，結(jié)果見表4?？芍睹鐪?zhǔn)確率試驗?zāi)Ｐ偷腜<0.01，表明該模型極顯著，R2=0.990 6，表明該模型精確度較高；失擬項具有不顯著性(P=0.1448>0.05)，說明模型所擬合的二次回歸方程與實際相符合，能正確反映投苗準(zhǔn)確率Y與A、B和C之間的關(guān)系，回歸模型可以較好地對試驗中投苗準(zhǔn)確率進(jìn)行預(yù)測。模型中的一次項A、B、C均為顯著，影響投苗準(zhǔn)確率的因素依次為C>B>A，即為穴盤苗高度>穴盤苗重量>喂苗杯速度；交互項AB、BC、AC均顯著，BC>AC>AB。

表4 投苗準(zhǔn)確率回歸方程方差分析Table 4 Analysis of variance for regression model of the accuracy rate of seedlings

3.2 投苗試驗參數(shù)優(yōu)化

采用響應(yīng)面法中主目標(biāo)函數(shù)法對各影響因素進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，以投苗準(zhǔn)確率為響應(yīng)值，確定各影響因素間的最佳組合并進(jìn)行試驗驗證，確定吊杯式移栽機投苗準(zhǔn)確率的最優(yōu)參數(shù)為：喂苗杯速度為0.184 m/s(移栽機前進(jìn)速2.0 km/h)，穴盤苗質(zhì)量為(20±4) g，穴盤苗高度為(130±10) mm，此時投苗準(zhǔn)確率達(dá)到99%，栽植器接苗點位于栽植器的中心位置，減少了穴盤苗與栽植器的碰撞，降低了苗缽質(zhì)量的損失率。

4 結(jié) 論

本研究基于穴盤苗植株形態(tài)分析和農(nóng)藝要求，用高速攝影機拍攝穴盤苗拋投過程，采用圖像后處理技術(shù)分析穴盤苗質(zhì)量、穴盤苗植株高度和喂苗杯速度對穴盤苗拋投運動的影響，并進(jìn)行3因素3水平的正交試驗，建立了穴盤苗投苗準(zhǔn)確率的回歸模型，獲得最佳投苗參數(shù)組合。主要結(jié)論如下：

1)穴盤苗高度、穴盤苗質(zhì)量和喂苗杯速度對拋投過程中穴盤苗的姿態(tài)和運動軌跡有較大影響。用統(tǒng)計法分析了8種喂苗杯速度(0～0.253 m/s)下的穴盤苗拋投運動，結(jié)果表明栽植器接苗時穴盤苗水平位移區(qū)域為[30,50] mm，確定喂苗機構(gòu)落苗口相對于栽植器接苗點水平位移為32.1 mm≤L≤42.8 mm。

2)穴盤苗高度、穴盤苗質(zhì)量和喂苗杯速度對投苗準(zhǔn)確率具有顯著性作用，各因素影響程度主次順序為，穴盤苗高度>穴盤苗重量>喂苗杯速度。并確定了吊杯式移栽機投苗準(zhǔn)確率最優(yōu)的參數(shù)：喂苗杯速度為0.184 m/s (移栽機前進(jìn)速度2.0 km/h)，穴盤苗質(zhì)量為(20±4) g，穴盤苗高度為(130±10) mm，此時投苗準(zhǔn)確率達(dá)到99%。

本研究主要在室內(nèi)進(jìn)行投苗試驗，以高速攝影技術(shù)為主要試驗手段，以定性分析為主，后續(xù)將進(jìn)一步對影響投苗準(zhǔn)確率的穴盤苗運動軌跡、姿態(tài)變化、接苗角、機械振動等因素進(jìn)行研究。