基于信號白噪聲處理的玉米精密排種器結構優化設計

王風燕，方華麗，劉志剛

(1.河南工業職業技術學院，河南 南陽　473000；2.南昌工學院，南昌　330108；3.南昌大學，南昌　330031 )

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基于信號白噪聲處理的玉米精密排種器結構優化設計

王風燕1，方華麗1，劉志剛2,3

(1.河南工業職業技術學院，河南 南陽473000；2.南昌工學院，南昌330108；3.南昌大學，南昌330031 )

摘要：為了提高玉米播種的合格率，降低單粒率、重播率和和漏播率，對玉米播種機的排種器結構進行了優化設計，并采用圖像白噪聲處理，提出了圓盤精密排種器的結構優化方法。在排種器圓盤傾斜角度的設計優化過程中，為了提高玉米種子尺寸結構圖像信號采集的準確度，引入了一種白噪聲信號處理的傾斜角度和理論計算值進行結合，優化了排種器的結構。為了測試該方法的有效性和可靠性，對排種器的播種性能進行了測試，通過測試發現，改進后的排種器在單粒率、重播率和漏播率性能上都優于普通方法設計的排種器，提高了玉米播種機的播種效果。

關鍵詞：玉米播種；圓盤結構；傾斜角；白噪聲；排種器；合格率

0引言

近年來，精密播種已經成為現代化農業技術發展的重要方向之一，精密排種器則是實現精密播種的核心部件。排種精度及均勻性是衡量排種器工作性能的重要指標，提高排種精度及均勻性可以抑制雜草、減少種內競爭、增加產量。玉米種子的結構尺寸較小，對播種機的排種器精度要求較高，其關鍵因素在于傾斜角度的設計。據此，通過力學分析和種子結構尺寸結合，對傾斜角度進行優化設計。為了準確地提取玉米圖像種子的信號，利用EEMD中對信號加白噪聲和EMD中的篩選思想來進行，降低了玉米種子圖像采集和篩選的誤差。最后，對裝置進行了測試，得到了比較理想的播種效果。

1玉米精密排種器總體設計

當播種機的速度和播種的粒距確定后，排種器圓盤上的孔數和轉速成一定的比例，孔數越少，要求圓盤的轉速越高，因此孔數的多少是排種器設計的關鍵因素之一。除了孔數的設計之外，另外一個比較重要的設計關鍵是傾斜角度的設計，傾斜角度會影響清種和排種的質量，只有優化好傾斜角度，才能提高玉米精密排種器的播種精度。圓盤式玉米排種器的結構如圖1所示；總體設計框圖如圖2所示。

圖1　圓盤式玉米排種器結構示意圖

圖2　排種器總體設計框圖

排種器的結構設計主要包括孔數設計和傾斜角度設計。其主要過程分為3部分：首先是排種器結構的力學分析，通過力學分析得到理論的傾斜角度；然后利用白噪聲方法對玉米種子圖像信號進行處理，將得到的數據和理論計算數值對比，優化圓盤傾斜角度；最后對排種器結構性能參數進行測試，得到排種器優化效果，完成排種器的優化設計。

2精密玉米排種器結構設計和優化

2.1排種器結構受力分析

本文以玉米播種機圓盤式播種器為例，對播種器的結構進行優化設計。圓盤式精密排種器主要包括動盤、定盤、推刮種器、主軸、錐齒輪、底座和輸種管等，結構如圖3所示。

1.種箱　2.隔套　3.主軸　4.動盤　5.底座

玉米排種器在排種的過程中型孔會發生堵塞，為了防止這種情況的發生，在投種器上需要增設護種器。在投種的過程中，為了使種子能夠順利的脫離投種器，降低種子的損失，將投種器的形狀優化成半圓形，其結構如圖4所示。

1.護種盒　2.彈簧　3.彈簧鋼片　4.投種器

為了使排種器便于清種，在設計的過程中，將排種器和水平面呈現一定的角度。但是，傾斜角度不能過大，過大會造成種子的堆積和傷種；傾角過小會造成清種效果不好。因此，首先要對種子的受力進行分析，種子在投種器中的受力如圖5所示。

圖5　種子受力分析圖

考慮到種子充入型孔的極限情況，根據力學平衡原理，可以得到

(1)

其中，N表示種子獲得的支持力；ω表示排種器的角速度；R表示排種器圓盤的直徑；α表示排種器的傾斜角度；f表示種子與排種器壁的摩擦因數。根據這些參數可以對清種過程的受力進行剖析，如圖6所示。

圖6　清種過程受力分析示意圖

為了優化結構的設計，在孔的兩側增設了導種槽，提高了充種和清種的效果，降低了清種器對種子的沖擊。對其進行力學分析，可以得到

(2)

其中，N1為種子1對種子2的力；N2為導種槽斜面對種子2的力；f1為種子之間的摩擦因數；f2為種子與動盤間的摩擦因數；β導種槽斜面與動盤底面的夾角；F為清種力；r為種子半徑；h為清種力F與種子圓心垂直距離。

考慮到種子被清出的極限情況以及尺寸關系，有

N2=0

(3)

h=2rsinβ-r

(4)

由式( 3) 、式( 4) 、式( 5) 聯立，得

(5)

其中，f1可以通過實驗測得，通過計算可以得到傾角β的理論值；但是，還需要和實際種子的結構和尺寸相結合，才能設計出排種器圓盤最佳的清晰角度。

2.2基于玉米種子圖像的傾角優化設計

為了優化排種器圓盤的傾斜角度，需要根據玉米種子的實際結構和尺寸，對排種器的傾角進行優化設計。但是，由于種子數量比較大，在對種子圖像采集的過程中，會存在較大的誤差，本文采用將圖像信號加入白噪聲的方法，對信號進行增強提取。當在信號中加入白噪聲后，將使信號在不同尺度上具有聯系性，以減小EMD分解過程中遇到的模態混疊。

為了準確地提取玉米圖像種子的信號，利用EEMD中對信號加白噪聲和EMD中的篩選思想來進行，步驟如下：

1)確定信號xi(t)所有的局部極值點；

2)在所有的局部極值點中選擇滿足頻率確知信號極值點間隔且幅度較大的極值點；

3)用插值的方法構造xi(t)的上下包絡，并利用上下包絡求出平均包絡mi(t)；

4)加入具有均值為0，方差為常數的白噪聲ni(t)，重復步驟1)、2)、3)，將每次得到的mi(t)加起來，平均后得到頻率確知信號。同樣，把上述方法用于提取x(t)，結果如圖7所示。

由圖7可以看出：利用噪聲下頻率確知信號提取方法提取出來的信號更接近頻率確知玉米種子圖像信號，其最終結構形式如圖8所示。

在提取玉米種子圖像信號對引入輔助白噪聲能較好地定位圖像信號的極值點，通過對圖像的處理可以對排種器的傾角進行優化，如圖9所示。

圖7　提取出來的信號與頻率確知信號

圖8　種子掃描處理圖

圖9　圓盤傾斜角優化

3精密玉米排種器性能測試

目前，播種機的性能測試主要使用田間測量的方法，但對于小顆粒種子不適用。這是因為小顆粒落到田地間不容易被發現和定位，嚴重地影響測試的精度；同時還受到各種因素的影響，測試的精確度不高。本文將排種器的性能測試放在實驗室內進行，該實驗平臺主要使用光電檢測方法和人工檢測方法，通過兩種方法的綜合使用，提高測試的精確度。實驗平臺如圖10所示。

1.油泵　2.粘帶　3.噴油嘴　4.精密排種器

試驗臺主要由粘帶、供油系統、精密排種器及高速攝像系統等組成。試驗所用玉米種子為農大 108、登海 1568、莘州158，所用填充劑為膨潤土，首先對傳統的裝置進行測試，得到了如圖11所示的測試結果。

圖11　播種期性能指標圖

由圖11可知：在排種盤轉速為8 r/min 時，排種器的合格率最高 87.5%，重播率7.5%，漏播率 5%。改進前的裝置存在較大的播種誤差，通過信號白噪聲方法對結構進行優化后，通過測試得到了表1所示的測試結果。

表1　排種器播種性能指標測試結果

由測試結果可以看出：與傳統的玉米排種器相比，該排種器從單粒指數、漏播指數、重播指數3重指標都有不同程度的降低，從而驗證了本文設計的精密排種器的可靠性。

4結論

對玉米播種機的圓盤式玉米排種器進行了結構和力學分析，通過分析發現：影響排種精度的主要因素是圓盤傾斜角度，并通過理論計算，得到了傾斜角度的初始值。為了進一步優化排種器尺寸和結構，將力學分析和種子結構尺寸相結合，對傾斜角度進行了優化設計。為了準確地提取玉米圖像種子的信號，利用EEMD中對信號加白噪聲和EMD中的篩選思想來進行，降低了玉米種子圖像采集和篩選的誤差。對裝置進行了測試表明：改進后的排種器在單粒率、重播率和和漏播率性能上都比普通方法設計的排種器精度高，得到了理想的播種效果。

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Structure Optimization Design of Corn Precision Metering Device Based on White Noise Signal Processing

Wang Fengyan1, Fang Huali1, Liu Zhigang2,3

(1.Henan Polytechnic Institute, Nanyang 473000,China; 2.Nanchang Institute of Science & Technology, Nanchang 330108,China; 3.Nanchang University,Nanchang 330031,China)

Abstract：In order to improve the qualified rate of corn seed, decrease the rate of single grain rate, replay and and sowing rate, leakage of corn seeder metering device structure has been optimized design, white noise and using image processing methods, the proposed plate precision metering device structure optimization method.In the design of the metering device disk tilt angle optimization process, in order to enhance the accuracy of maize seed size structure image signal acquisition, the introduction of a white noise signal processing angle is combined with the theoretical calculation value, optimization of the structure. In order to test the validity and reliability of this method on the planting of performance were tested, by testing found that the improved seed metering device in a single grain rate, and leakage and sowing HFM can replay rate than the general design method of high precision metering device, improve the effect of planting corn seeder.

Key words：corn planting; disc structure; slope angle; white noise; metering device; the qualified rate

文章編號：1003-188X(2016)07-0030-05

中圖分類號：S223.2

文獻標識碼：A

作者簡介：王風燕(1981-)，女，河南南陽人，講師，碩士。通訊作者：劉志剛(1980-)，男，湖北天門人，副教授，博士， (E-mail)fiberhome@126.com。

基金項目：國家自然科學基金青年基金項目(51305152)

收稿日期：2015-05-04