基于計算機輔助的玉米芽種物理機械播種研究

李麗麗

(吉林省遼源職業技術學院 機電工程系，吉林 遼源 136201 )

?

基于計算機輔助的玉米芽種物理機械播種研究

李麗麗

(吉林省遼源職業技術學院 機電工程系，吉林 遼源 136201 )

玉米是我國主要農作物之一，其生產效率與生產質量的好壞，直接關系著我國糧食安全。傳統的玉米芽種機械播種方式，生產成本雖低，但無法實現高效率全自動大面積玉米播種或者套種的實際需求。為此，采取室內試驗的方法，選取了我國北方某農業大省玉米作物生產作物為研究對象，進行試驗研究。現階段，關于玉米精密排種器的相關研究，集中體現在排種器相關物理機械性能上，包括機械的設計及機械性能的檢測等。在試驗方法的選擇上，國內行業內現有高速攝像檢測方法、虛擬儀器檢測方法及圖像處理檢測等。本文在這里重點運用了高速攝像檢測技術。

計算機輔助； 玉米； 機械； 排種器；高速攝像

0 引言

玉米芽種播種機，是一種集合了高產配套應用技術的玉米機械化單粒精準化芽種播種機。在傳統的玉米種植方式下，尤其是我國中西部地區，農民習慣性的大把撒種、大把間苗。這種播種方式，不僅浪費了大量的玉米種子，還加大了人力的投入，且作物生產和生長效率都比較低下。本文提出的玉米機械化單粒播種技術，主要是指在計算機輔助技術的嵌入下，開發和利用專用播種機，最大限度地實現一穴一粒一苗。

1 我國玉米作物種植及產業發展現狀

1.1 現狀概括

我國是農業大國，玉米是我國主要農作物之一，其種植面積和產量一直位居秋糧作物的首位。玉米除了供人們加工食品之外，還是家畜養殖重要的飼料，并且還被廣泛應用于各工業生產的原料。隨著社會經濟的發展、科學技術水平的進步，我國在農業現代化建設領域也取得了非凡的成就。近幾年，我國玉米無論是播種面積還是總產量，都在逐年增加，并且在所有糧食農作物總產量中所占比重也在逐年增大。2010-2014年我國玉米及糧食作物面積及總面積及總產量，如表1所示。

表1 2010-2014年我國玉米與糧食作物播種面積及總產量

對于農業機械研發來說，對其進行物理樣機試驗是非常重要的一個環節，同時也是必不可少的一個環節。根據以往我國在該領域的研究及相關技術的研發進展來看，通常的物理樣機試驗主要分為兩種形式：一是田間試驗，二是室內試驗。與傳統的物理機械播種試驗有所不同，由于充分考慮到傳統的田間試驗存在自然條件難以控制等因素，包括像人工控制、勞動量、成本費用等方面，都存在較大的不可控性，所以本文在這里主要采取室內試驗的方式來進行。當然，在試驗的過程中，會綜合考慮到田間試驗和室內試驗的優缺點。

1.2 實踐探索

計算機輔助技術嵌入下的高產玉米芽種單粒機械化播種技術，是精密播種技術的一種細分。近些年來，隨著精密播種技術的迅猛發展，其應用范圍也是越來越廣泛。在我國南方地區，特別是在江蘇、浙江、上海、福建等地，水稻等糧食作物生產及種子播種環節，均采用了精密播種技術。相比較于東部沿海農業機械化發展水平較高的地區，我國中部和西南、西北地區則凸顯的相對比較落后。本試驗研究，主要采取室內試驗的方法，選取了我國北方某農業大省玉米作物生產作物為研究對象。

1.3 虛擬設計過程

虛擬設計過程如圖1所示。

圖1 虛擬設計過程

2 計算機輔助下的玉米芽種物理播種裝置機理

首先，在玉米植質缽育秧盤設計層面上，主要選用的是秸稈、土和膠等相關原料，然后再通過高溫高溫飽和蒸汽熏蒸滅菌固化技術制備而成，如圖2所示。

圖2 玉米芽種植質缽育秧盤結構剖面圖

其長寬高分為 276.5cm×42cm×35cm 。

玉米芽種物理(精量)播種裝置的設計及相應工作原理，如圖3所示。其所呈現的玉米芽種排種器類型為機械轉板式。

玉米排種相關部件的工作原理設計與裝置，如圖4所示。其結構主要由種箱、刷種輪、型孔板、轉板等零部件共同組裝而成。

3 玉米芽種物理機械播種試驗

以組合內窩孔玉米精密排種器作為試驗對象，并選取了平安18、吉峰218、長單228不同的玉米芽種來作為此次室內試驗研究觀察的主要材料樣本。本次試驗所使用到的玉米芽種排種機器，為PSJ排種器性能試驗臺，并利用高速攝像技術，采用高速CCD攝像機，來對玉米芽種的運動狀態進行實施攝像與監測，主要拍攝與監測范圍為玉米芽種在排種器內的運動過程。最后，再根據高速攝像所獲取到的圖片信息來進一步檢測與分析出排種器的性能指標。

1.臺面 2.推盤調節控制設備 3.推盤器 4.底土箱 5.壓實輪 6.種箱 7.表土箱 8.刮土器 9.輥輪 10.機架 11.連桿機構 12.型孔板 13.電機 14.開關控制 15.變頻控制柜 16.高速攝像機 17.導向桿

圖3 玉米芽種植質缽育秧盤排種裝置基本結構示意圖

1.刷種輪 2.型孔板 3.轉板 4.植質缽育秧盤 5.輥輪 6.連接板 7.拉桿 8.玉米種 9.種箱裝置

3.1 試驗設備、儀器

本次試驗使用到的機械設備與儀器，除了機械設計所使用到的精密排種器之外，還包括有高速攝像系統及PSJ排種器性能試驗臺(見圖5)等。除此之外，還包括一些輔助性質的工具，如黃油材料及光源設備等。

由于受到一定條件的限制，此次試驗設計與實際機械設計效果存在一定的出入，但是總體上不影響對試驗結果的判斷。

圖5 室內試驗使用到的PSJ排種器性能試驗臺

圖5為玉米芽種物理機械播種室內試驗PSJ排種器性能試驗臺，為當地農業部門實驗室所有，是近兩年最新的專門用于機械性能檢測與研究的最新技術設備，其性能良好。本次試驗使用的PSJ排種器性能試驗臺，包括5部分，分別是電子控制柜、氣力系統、土槽、玉米種子傳送帶和試驗臺車。

由于計算機輔助技術的嵌入，有效解決了以往存在的諸多技術難點問題，包括像玉米芽種的圖像空間的位置及其標定、攝像頭選位及系統噪聲等。本次室內試驗研究所使用到的高速攝像系統，主要由3部分組成，在系統內部，CCD攝像機是整個系統的核心部件，除了CCD攝像機之外，另外兩部分分別為軟硬件系統及數據傳輸系統。

試驗中，選用黃油的目的，主要是因為黃油具有吸附玉米芽種的功能。試驗操作的過程中，并不只是單純的使用高速攝像機來記錄玉米芽種播種機器內種植的運動情況，還需要將玉米種子“播種”到傳送帶上，并使用事先準備好的單粒率等相應的試驗性能指標來實時檢測分析。在這種情況下，將黃油涂抹在專門播種玉米芽種的傳送帶上，可以確保玉米種子被牢牢吸附在傳送帶上方，避免了其發生彈跳。光源設備是用來輔助高速攝像機的，這一點與實際田地播種關聯性不大，主要是因為室內試驗光線不足。

3.2 試驗方案、步驟

傳統的機械式玉米芽種排種器存在兩大比較明顯的技術缺陷：一是機械作業效率較低，包括作業水準與播種速度等；二是無法滿足對玉米種子尺寸的要求。在試驗方案的設計上，本文在這里主要選取了3種玉米芽種，包括平安18、吉峰218、長單228 。每一種玉米芽種均進行3次試驗，即3次不同速度控制下的試驗檢測，分別為26.82、39.33、51.96r/min 。

在試驗準備與操作上，需要著重注意以下事項：首先對排種器的外殼進行刻度標注，具體來說，是要在排種器上每隔一個角度，在其表面所對應的位置處使用膠片打印出與之相吻合的刻度線。這樣做的目的是為了通過將其粘貼在排種器的外殼上，使得在試驗玉米種子播種過程中，更加方便清楚。其次，就是使用事先準備好的角鋼來將試驗機械固定在試驗臺車上。最后，切實做好高速攝像系統的連接與粗調。

3.3 試驗結果與分析

表2數據指標結果統計表明：① 首先，3種玉米種子，空穴率全部為零。這表明該排種器充種效果極佳，操作性能優良。②玉米芽種播種的單粒率比較高(雙粒率為100.00%-單粒率)。除此之外，長單228玉米種子單粒例最高，在 26.82r/min 與39.33r/min 轉動速率的情況下，達到了100.00% ，形成這一情況的原因與3種子的尺寸有關系，因為長單228玉米種子的三維尺寸最大。③ 隨著轉機轉速的增大，單粒播種率越來越小。

4 結論

基于計算機輔助的玉米芽種物理機械播種，提出了一種玉米機械化單粒播種種植方式。通常情況下，在傳統玉米芽種種子過程中，由于玉米芽種發芽率在85%左右，所以為了確保每穴都能夠出苗，一般都會在每一個穴內播種 2～4 粒不等的種子。進行統計之后發現，每公頃田地需要玉米種子大約 45～60kg。本文重點研究的單粒播種技術方式，發芽率基本控制在 97% 左右，并且每畝田地玉米種子播種量僅為 8.75～22.5kg，種子量節省一大半。

表2 不同轉速下組合內窩孔玉米排種器的排種性能指標檢驗結果

[1] 張輝，張永震.顆粒力學仿真軟件EDEM簡要介紹[J].CAD/CAM與制造業信息化，2008(12)：48-49.

[2] 吳海華，曾孟雄.基于Pro/ENGINEER的三維標準件庫研究與實現[J].機械設計，2003, 20(9)：31-32.

[3] 黃山.基于CAD模型的三維離散元法邊界建模方法研究[D].長春：吉林大學，2011.

[4] 張列南.基于離散元法的大豆精密排種器的數字化設計方法研究[D].長春:吉林大學，2009.

[5] 楊玉芬，張永麗，張本華，等.典型玉米種子的靜壓破損試驗研究[J].農機化研究，2008(7):149-151.

[6] 李澤華，馬旭，謝俊峰，等.雙季稻區雜交稻機插秧低播量精密育秧試驗[J].農業工程學報，2014,30(6)：17-27.

[7] 齊龍，譚祖庭，馬旭.氣動振動式勻種裝置工作參數的優化及試驗[J].吉林大學學報：工學版，2014(6)：1684-1691.

[8] 叢錦玲，余佳佳，曹秀英，等.油菜小麥兼用型氣力式精量排種器[J].農業機械學報，2014,45(1)：46-52.

[9] 王文明，王春光，郁志宏.彈齒滾筒式撿拾裝置撿拾過程的高速攝像分析[J].農機化研究，2013,35(7)：160-163.

[10] Yan Hui, Yu Jianqun,Kou Xingxing. A Study on Bounday Modeling of Three-dimensional Discrete Element Method Based on Pro/ENGINEER[C]//Recent Trends in Materials and Mechanical Engineering Materials,Mechatronics and Automation，2011:2069-2074.

[11] He Tao,Baoshen Jin ,Wen qi Zhong,et al.Discrete element method modeling of non-spherical granular flow in rectangular hopper[J].Chemical Engineering and Processing， 2010，49：151-158.

[12] DuRuicheng ,GongBingcai,LiuNingning,et al. Design and experiment on intelligent fuzzy monitoring system fore corn planters[J].International Journal of Agricultural & Biological Engineering,2013,6(3)：11-18.

Physical and Mechanical Sowing of Maize Seeds under the Application of Computer Aided Technology

Li Lili

(Jilin Province Liaoyuan Vocational Technical College，Liaoyuan 136201，China)

Corn is one of the main crops in our country, the production efficiency and the production quality is good or bad is directly related to the food security in China.Traditional maize bud mechanical seeding method, production cost is relatively low, unable to realize high efficiency automatic large area of maize seeding and interplanting of actual demand.This study,mainly to take indoor test method, selected in the north of our country agricultural big province corn crop production crop research object.At this stage,on corn precision metering device related research,embody a concentrated reflection of in a row which is related to the physical and mechanical properties, including design and testing.Relating to the performance test.The method mainly comprises a high-speed camera detection method,detection method of virtual instrument, photoelectric effect detection method, image processing method to detect and stroboscopic photography detection method or is directly observed detection.

computer aided; maize; machine; seed metering device; high speed camera

2016-04-19

吉林省教育廳項目(2014ZCY162)

李麗麗(1980-) 女，吉林公主嶺人，講師，工學碩士，(E-mail)lilili@qq.com。

S223.2+3

A

1003-188X(2017)05-0202-04