基于DSP嵌入式系統(tǒng)的機(jī)械式自清潔播種頭設(shè)計(jì)

熊　瓊，鄧明華，葛　蓁，汪小志

(1.武漢工商學(xué)院 信息工程學(xué)院，武漢　430200；2.武漢理工大學(xué) 物流工程學(xué)院，武漢　430063；3.南昌

大學(xué)，南昌　330031 )

?

基于DSP嵌入式系統(tǒng)的機(jī)械式自清潔播種頭設(shè)計(jì)

熊瓊1，鄧明華1，葛蓁1，汪小志2,3

(1.武漢工商學(xué)院 信息工程學(xué)院，武漢430200；2.武漢理工大學(xué) 物流工程學(xué)院，武漢430063；3.南昌

大學(xué)，南昌330031 )

摘要：為解決現(xiàn)有針式穴盤(pán)播種機(jī)的吸嘴易發(fā)生堵塞影響播種質(zhì)量的問(wèn)題，基于DSP嵌入式圖像識(shí)別系統(tǒng)，結(jié)合裝置氣吸-氣吹的播種原理，設(shè)計(jì)了一種新的機(jī)械式自清潔播種頭。該裝置主要由DSP嵌入式圖像識(shí)別和自動(dòng)化清潔控制系統(tǒng)組成，圖像處理模塊采用TMS320DM642內(nèi)核，包括圖像預(yù)處理、特征提取、特征編碼和編碼匹配過(guò)程。機(jī)械部分包括吸嘴頭、固定部、清潔活塞、頂針和復(fù)位彈簧等，通過(guò)和阻塞種子的圖像匹配，輸出接通正氣壓動(dòng)作，利用活塞和頂針對(duì)吸嘴頭進(jìn)行疏通和排種作業(yè)。為了驗(yàn)證裝置的有效性和可靠性，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果表明：在播種速度為30排/min時(shí)，自清潔播種頭播種的單粒率為98.7%、空穴率為0.52%、重播率為1.21%，與傳統(tǒng)針式吸嘴相比，播種質(zhì)量和防堵效果大幅度提高。

關(guān)鍵詞：播種機(jī)頭；嵌入式DSP；復(fù)位彈簧；力學(xué)模型；氣壓源；空穴率

0引言

氣吸式穴盤(pán)播種機(jī)是工廠化育苗生產(chǎn)體系中的核心設(shè)備，播種頭則是氣吸式穴盤(pán)播種機(jī)的重要部件。國(guó)外氣吸式穴盤(pán)播種機(jī)的研究起步較早，已開(kāi)發(fā)出針式、滾筒式、平板式等系列播種設(shè)備，技術(shù)先進(jìn)、整體配套性好，適用于設(shè)施裝備配套齊全的工廠化育苗企業(yè)。針式播種機(jī)對(duì)種子的外形尺寸要求不高，適應(yīng)性好，每次可完成單排穴孔播種，生產(chǎn)效率為200～400盤(pán)/h，但存在吸嘴易堵塞影響播種質(zhì)量的問(wèn)題。

為了解決上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種新的播種頭自清潔系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于機(jī)械氣動(dòng)力學(xué)原理，利用播種頭的氣動(dòng)特性，實(shí)現(xiàn)自清潔功能。為了提高裝置的自動(dòng)化程度，采用DSP嵌入式系統(tǒng)對(duì)種粒的堵塞圖像進(jìn)行識(shí)別，當(dāng)控制中心得到與阻塞圖像匹配的圖像時(shí)，自動(dòng)控制彈簧活塞和頂針向下移動(dòng)，使種子脫離播種頭，實(shí)現(xiàn)了播種頭堵塞的自清潔功能，提高了播種機(jī)的播種作業(yè)效率和播種精度，為播種機(jī)的現(xiàn)代化設(shè)計(jì)提供了技術(shù)參考。

1機(jī)械式自清潔播種頭設(shè)計(jì)原理

為了實(shí)現(xiàn)播種機(jī)播種頭的自清潔功能，吸種過(guò)程中負(fù)的吸氣接頭和負(fù)壓氣源接通，此時(shí)腔室內(nèi)形成負(fù)壓，吸頭產(chǎn)生吸附力吸住種子；在排種時(shí)，切斷負(fù)氣壓源，但腔室內(nèi)還會(huì)殘留部分負(fù)壓。其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

1.固定座　2.負(fù)壓進(jìn)氣接頭　3.吸嘴頭　4.復(fù)位彈簧

當(dāng)播種頭有種子被吸附時(shí)，需要接通正壓氣源，清潔活塞會(huì)向下移動(dòng)，復(fù)位彈簧被壓縮，頂針將種子推出吸嘴頭，種子在自身重力作用下向下移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了排種和自動(dòng)清潔的功能。

圖2表示DSP嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理。該系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)主要基于圖像特征提取，當(dāng)采集的圖像和機(jī)械播種頭阻塞的圖像匹配時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)接通正壓氣源，種子在頂針的作用下被推出播種頭，實(shí)現(xiàn)播種頭的自動(dòng)清潔功能。圖像處理共分為4個(gè)步驟：圖像預(yù)處理、特征提取、特征編碼和編碼匹配。

圖2　DSP系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

2DSP嵌入式控制模型和系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1控制模型

在排種過(guò)程中，播種頭接通正壓氣源，活塞和頂針會(huì)向下移動(dòng)，種子受到3種力的共同作用，包括自身重力G、吸附力Fx和清潔活塞和頂針的驅(qū)動(dòng)力Fq，清潔活塞的推力為排種壓力與復(fù)位彈簧阻力之差。臨界狀態(tài)的平衡方程為

(1)

其中，F(xiàn)p表示排種力，F(xiàn)l表示彈簧的復(fù)位力。

(2)

其中，d表示活塞直徑；Pc表示臨界排種壓力；K表示彈簧彈力系數(shù)；Δx表示彈簧位移。將式(2)帶入式(1)可得

(3)

其中，ρz、ρk分別表示種子和空氣的密度；Vz表示種子的體積；vl表示臨界懸浮速度；Sz表示種子迎風(fēng)面積；Cd表示懸浮系數(shù)。臨界排種氣壓Pc為

(4)

因此，只要排種氣壓大于臨界排種氣壓，種子將擺脫負(fù)壓吸附力，受重力而自由落體完成排種。

2.2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

機(jī)械播種頭自清潔DSP嵌入式系統(tǒng)硬件平臺(tái)分為6個(gè)功能模塊，包括電源管理模塊、圖像采集模塊、圖像處理模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、人機(jī)交互模塊和網(wǎng)絡(luò)通訊模塊。硬件平臺(tái)的整體框圖如圖3所示。

圖3　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖

其中，電源模塊的主要作用是保證系統(tǒng)內(nèi)核和外圍正常供電，維持系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行；圖像采集模型主要負(fù)責(zé)將采集的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并將信號(hào)傳輸?shù)絋MS320DM642內(nèi)核，負(fù)責(zé)全部的圖像處理運(yùn)算；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊負(fù)責(zé)程序和編碼數(shù)據(jù)庫(kù)的保存；人機(jī)交互模塊可以認(rèn)為輸入DSP運(yùn)行程序。系統(tǒng)中，由TMS320DM642的視頻端口和視頻解碼芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)種子圖像的采集。其中，視頻解碼芯片型號(hào)為T(mén)VP5150PBS，具有功耗小及性能好的特點(diǎn)。

2.3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

DSP/BIOS是TI公司提供的實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)，是一款免費(fèi)的嵌入式操作系統(tǒng)，由TI公司提供強(qiáng)大的技術(shù)支持，可以降低開(kāi)發(fā)難度。基于DSP/BIOS開(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序可以利用CCS中提供的各種代碼執(zhí)行效率的評(píng)估工具，查看各部分代碼的執(zhí)行效率。針對(duì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)效率的代碼進(jìn)行優(yōu)化，有利于編寫(xiě)出執(zhí)行效率更高的代碼。本研究使用的主要進(jìn)程名稱和功能如表1所示。

本設(shè)計(jì)嵌入式DSP播種機(jī)種子圖像識(shí)別軟件系統(tǒng)共使用2個(gè)硬件中斷和4個(gè)任務(wù)，各進(jìn)程的名稱和功能說(shuō)明如表1所示。PC平臺(tái)與TMS320DM642平臺(tái)中的基本數(shù)據(jù)如表2所示。

表1　嵌入式圖像識(shí)別系統(tǒng)進(jìn)程名稱與功能說(shuō)明表

表2　基本數(shù)據(jù)類(lèi)型

由表2中可以看出：兩種平臺(tái)大部分的數(shù)據(jù)類(lèi)型都是相同的，但是也存在細(xì)微差別，因此需要對(duì)數(shù)據(jù)類(lèi)型進(jìn)行修改。在嵌入式識(shí)別算法中，需要將bool數(shù)據(jù)類(lèi)型改為char。其中，long數(shù)據(jù)類(lèi)型在PC和TMS320DM64上有區(qū)別，故全部改為int類(lèi)型來(lái)定義。

TMS320DM642是一款32位的定點(diǎn)DSP芯片，運(yùn)算主頻很高，但其浮點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理能力較差，而播種機(jī)種子圖像的識(shí)別過(guò)程中有很多浮點(diǎn)運(yùn)算，因此需要將種子圖像識(shí)別算法進(jìn)行優(yōu)化。其中，使用的主要程序如下:

浮點(diǎn)數(shù)加減法

int x, y, z;

int temp;

temp=y<<(Px-Py);

temp=x±temp;

z=(int)(temp>>(Px-Pz);

z=(int)(temp<<(Pz-Px);

浮點(diǎn)數(shù)乘法

int x, y, z ;

int temp;

temp=(int)x;

z=(temp*y)>>(Px+Py-Pz);

浮點(diǎn)除法

int x, y, z ;

int temp;

temp=(int)x;

z=(temp<<(Px+Py-Pz))/y;

......

經(jīng)過(guò)浮點(diǎn)數(shù)定點(diǎn)化之后，種子圖像識(shí)別算法的效率將大大提升。

3測(cè)試結(jié)果與分析

運(yùn)行速度是嵌入式圖像識(shí)別系統(tǒng)的重要性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，圖像識(shí)別的時(shí)間越短，系統(tǒng)的性能越好，越有利于系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性控制。在播種速度為30排/min時(shí)，對(duì)系統(tǒng)的圖像識(shí)別時(shí)間進(jìn)行測(cè)試，得到了如表3所示的結(jié)果。

表3　圖像識(shí)別運(yùn)算時(shí)間

由表3可以看出:特征提取的時(shí)間最大為1.23s，匹配提取的時(shí)間最大為0.23s，時(shí)間總和最大也僅為1.43s。由此可知：嵌入式系統(tǒng)的圖像識(shí)別速度較快，可以滿足播種機(jī)播種頭實(shí)時(shí)清潔的需要。

為了測(cè)試本文設(shè)計(jì)的嵌入式播種自清潔清潔效果，將有效的清潔次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到了播種頭有效清潔的實(shí)時(shí)變化曲線。由圖4可以看出：嵌入式播種頭自清潔裝置對(duì)阻塞的自動(dòng)清潔達(dá)到了90%以上，可以滿足播種優(yōu)化系統(tǒng)的需求。

表4表示播種有效性的測(cè)試數(shù)據(jù)。為了測(cè)試本文設(shè)計(jì)的嵌入式播種自清潔系統(tǒng)的的有效性和可靠性，將其播種性能和傳統(tǒng)的播種機(jī)播種頭性能進(jìn)行對(duì)比。由表4可以看出：和傳統(tǒng)的播種頭相比，其播種單粒率更高，空穴率更低，重播率也較低，播種性能大大提高。由于系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)使用活塞和頂針裝置，其適應(yīng)性較強(qiáng)，可以在多種播種裝置中推廣。

圖4　播種頭有效清潔次數(shù)實(shí)時(shí)曲線

測(cè)試裝置單粒率空穴率重播率傳統(tǒng)播種頭85.28.225.69自清潔播種頭98.70.521.21

4結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種新的解決播種頭堵塞問(wèn)題的機(jī)械裝置。該裝置依據(jù)氣動(dòng)力學(xué)原理，采用氣動(dòng)活塞和頂針實(shí)現(xiàn)播種頭的清潔功能。同時(shí)，利用DSP嵌入式圖像識(shí)別技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了裝置的自動(dòng)化控制過(guò)程。系統(tǒng)硬件部分采用TMS320DM642內(nèi)核進(jìn)行圖像處理，使用視頻解碼芯片TVP5150PBS和SAA7121H視頻編碼器進(jìn)行圖像采集，降低了系統(tǒng)的功耗，提高了圖像處理的性能。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的測(cè)試發(fā)現(xiàn)：該機(jī)械裝置和自動(dòng)控制的系統(tǒng)性能較好，播種的單粒率較高、空穴率較低、重播率很低，大幅度地提高了播種的效率和播種質(zhì)量，可以在播種機(jī)的播種頭設(shè)計(jì)中進(jìn)行推廣，具有較好的應(yīng)用前景。

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Abstract ID:1003-188X(2016)02-0209-EA

Mechanical Self-cleaning Seeding Head Design Based on DSP Embedded System

Xiong Qiong1, Deng Minghua1, Ge Zhen1, Wang Xiaozhi2,3

(1.School of Information Engineering,Wuhan Technology and Business University,Wuhan 430200, China; 2.School of Logistics Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China; 3.Nanchang University,Nanchang 330031, China)

Abstract：In order to solve the existing suction nozzle needle type tray seeder easy blocking effects of sowing quality problems, DSP embedded image recognition system based on combining device, gas desorption gas blowing seeding principle, design a new mechanical self-cleaning seeding head. The device is mainly composed of a DSP embedded image recognition and automatic cleaning of the composition of the control system, the image processing module based on TMS320DM642 kernel, the function includes image preprocessing, feature extraction, feature coding and code matching process,the mechanical part comprises a nozzle,a fixed part,the cleaning piston,thimble and a reset spring,and image blocking by seed matching, output is connected with a positive air pressure action, dredge and seeding operations on the suction nozzle head using piston and the thimble. In order to verify the validity and reliability of the device, the system is tested, the results showed that, in the seeding speed for the 30 row /min, self cleaning head single grain sowing sowing rate was 98.7%, the hole rate is 0.52%, the playback rate is 1.21%, the indexes and the traditional needle type nozzle compared to sowing quality and greatly improve the anti blocking effect.

Key words：seeding machine head; embedded DSP; reset spring; mechanical model; pressure source; hole rate

文章編號(hào)：1003-188X(2016)02-0209-04

中圖分類(lèi)號(hào)：S223.2；S126

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：熊瓊(1981-)，女，湖北鄂州人，講師，碩士。通訊作者：汪小志(1981-)，女，武漢人，講師，博士研究生，(E-mail)wangxiaozhi@ncu.edu.cn。

基金項(xiàng)目：現(xiàn)代物流與商務(wù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新項(xiàng)目(2011A201313)

收稿日期：2015-01-27