馬齒形玉米種子尖端激光定向與胚面識別裝置研制

邢潔潔，徐麗明，馬 帥，袁全春，陳 晨，曾 鑒，牛 叢

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馬齒形玉米種子尖端激光定向與胚面識別裝置研制

邢潔潔，徐麗明※，馬 帥，袁全春，陳 晨，曾 鑒，牛 叢

（中國農業大學工學院，北京 100083）

為了實現玉米種子的尖端定向與胚面識別，該文以現有尖端定向裝置輸出的馬齒型玉米種子為對象，基于激光開關和測距原理，提出了一種尖端定向與胚面識別方法：依據馬齒形玉米種子尖端窄大頭寬的輪廓特征，利用激光開關傳感器等部件對玉米種子的尖端朝向進行識別，并將大頭朝前的玉米種子進行剔除；依據馬齒形玉米種子胚面上有胚溝而反面較為平整的表面特征，利用激光測距傳感器等部件對尖端朝前的玉米種子進行胚面識別。設計并搭建了玉米種子尖端定向與胚面識別裝置，配合現有的尖端定向裝置進行試驗，結果表明：尖端定向與胚面識別裝置的尖端定向成功率達到99.1%，相比現有的尖端定向裝置提升了9.5個百分點，胚面識別準確率為96.4%。該方法基本可以實現玉米種子的尖端定向，同時保證胚面識別準確率達到較高水準。該文提出的玉米種子尖端定向與胚面識別方法可為后續玉米種子的自動化定向包裝提供參考。

機械化；種子；設計；玉米種子尖端定向；胚面識別；激光傳感器

0 引 言

玉米定向播種可以使玉米植株在生長過程中葉子展開方向一致，改善作物在田間的光照和通風情況，能夠有效地提高玉米單產，并提高玉米機械化收獲水平[1-6]。對于玉米機械化定向播種，國外相關研究較少，國內現有的玉米機械化定向播種方法主要是利用相關機具鋪放玉米定向種子帶[7-8]或插播定向玉米種子子彈[9-10]，但需要事先制作定向玉米種子帶或定向玉米種子彈夾，制作定向玉米種子帶或定向玉米種子彈夾都屬于對玉米種子進行自動化定向包裝，自動化定向包裝在室內完成即可。對于玉米種子的自動化定向包裝，其關鍵前提是對玉米種子進行尖端定向和胚面識別。

目前，針對玉米種子定向播種技術的研究都是以馬齒型玉米種子為基礎的。關于尖端定向，本研究團隊在文獻[11-13]中提出了多種簡易可行的尖端定向方法并設計了相關的定向裝置，能夠對馬齒型玉米種子的尖端朝向進行定向，使大部分種子變為尖端朝前的狀態，并以平躺或側立的姿態輸出，但其尖端定向成功率最高只能達到92%，即這些裝置對玉米種子的尖端定向是不完全的，仍存在少數（約10%）的玉米種子尖端定向失敗（保持大頭朝前）。關于胚面識別，現有的研究主要是基于機器視覺技術或高光譜成像技術[14-22]，例如張俊雄等[14]采用一種基于B通道平均像素值的胚部特征提取方法，提取了具有Navajo標記的玉米種子胚部圖像，并在RGB顏色空間內提取了樣本的Navajo標記圖像，從而得到一套玉米單倍體種子快速識別 RGB 組合算法，識別正確率達到94%以上；王僑等[15-18]通過對馬齒型玉米種子圖像的每個像素進行G-B、大津法二值化、二值圖像差分等處理后獲得種粒白色胚區域和長軸線，然后通過計算長軸上白色胚像素占比，最終實現對玉米種粒正反面的判斷，識別正確率達到98%；Huang Wenqian等[19]搭建了一套高光譜成像系統用于獲取波段范圍為500～900 nm的高光譜反射圖像，研究發現采用可見光區域的3個有效波長510、555和575 nm獲得的主成分圖像對玉米種子的胚具有較好的識別效果，識別率可達97%。但基于機器視覺技術或高光譜成像技術的胚面識別方法對作業環境要求很高，例如圖像采集時需要特定的黑色封閉空間，另外機器視覺和高光譜成像平臺成本較高，實用性較差。

結合玉米種子自動化定向包裝的實際需求，對玉米種子進行尖端定向時，要求尖端定向成功率達到100%（即全部實現尖端定向），同時要求胚面識別準確率達到較高水準，另外結合農業生產和推廣的實際需求，用于實現玉米種子尖端定向和胚面識別的方法與裝置應對作業環境要求較低，且生產成本較低。綜上可知，現有的尖端定向方法和胚面識別方法難以滿足實際需求。

本文以現有尖端定向裝置[11]輸出的尖端定向不完全、呈平躺姿態的馬齒型玉米種子為對象，基于激光開關和測距原理提出一種尖端定向與胚面識別方法：依據馬齒形玉米種子自身的外形特征，利用激光開關傳感器、激光測距傳感器等部件，先將少數大頭朝前的玉米種子全部剔除，完成尖端定向，然后對尖端朝前的玉米種子進行胚面識別，最后輸出。設計并搭建試驗裝置對該方法進行性能驗證試驗，以期為后續玉米種子的自動化定向包裝提供參考。

1 玉米種子尖端定向與胚面識別原理

1.1 玉米種子尖端定向原理

尖端定向就是使玉米種子的尖端全部朝前。本研究的工作對象中，約90%的玉米種子是尖端朝前的，所以只需要識別出少數大頭朝前的玉米種子并進行剔除，即可實現尖端定向。本研究提出的尖端定向方法主要基于馬齒型玉米種子的輪廓特征和激光開關傳感器。

玉米種子尖端定向過程如圖2所示，參考馬齒型玉米種子的輪廓特征，設計一個“V”形種槽，尖端朝前的玉米種子可以進入到種槽內，而大頭朝前的玉米種子則會堵住種槽入口因而無法進入到種槽內，基于這個差別，配合常開型激光開關傳感器、特定的直線軌道和推桿（圖2a）對玉米種子的尖端朝向進行識別，并將大頭朝前的玉米種子進行剔除。圖2中的種槽和直線軌道為理論模型。直線軌道水平擺放，種槽設置在軌道出口端的中央，但不與軌道內壁相接觸，常開型激光開關傳感器設置在種槽后方、缺口1側面，激光開關傳感器發射的激光束與軌道側面垂直，可經缺口1和缺口2貫穿軌道。為直線軌道添加適當的電磁振動，設定垂直振幅不超過0.1 mm，防止玉米種子在軌道中發生跳動。設定直線軌道內寬略大于玉米種子的最大寬度，而小于玉米種子的最小長度，使呈平躺姿態的馬齒型玉米種子在軌道中只能以尖端朝前或大頭朝前的狀態在軌道中做前進運動。

1. 尖端 2. 大頭 3. 輪廓線 4. 胚部 5. 胚溝 6. 平面

1. Tip 2. Large head 3. Contour line 4. Embryo region 5. Embryo groove 6. Plane

注：和分別為玉米種子的長度和寬度，mm；和分別為胚溝的長度和寬度，mm；為胚溝深度，mm。

Note:andare the length and width of corn seeds respectively, mm;andare the length and width of embryo groove respectively, mm;is the depth of embryo groove, mm.

圖1 馬齒型玉米種子外形

Fig.1 Shape of dent corn seed

1. 直線軌道 2. 缺口1 3. 缺口2 4. 激光束 5. 缺口3 6. 種槽 7. 出口端8. 推桿 9. 激光開關傳感器 10. 玉米種子前進方向 11. 玉米種子 12. 入口端

玉米種子尖端朝前時的識別過程見圖2b，0時刻玉米種子尖端擋住激光束，激光開關傳感器由斷開變為觸發；1時刻玉米種子順利進入到種槽內，種子兩側與種槽內壁相貼合，尖端與種槽頂點比較接近，此時玉米種子不再遮擋激光束，激光開關傳感器重新斷開。整個過程中激光開關傳感器的感應狀態為：斷開-觸發-斷開，觸發狀態的持續時間為（1-0），持續時間較短。玉米種子大頭朝前時的識別過程見圖2c，￠0時刻玉米種子大頭擋住激光束，激光開關傳感器由斷開變為觸發；1￠時刻玉米種子到達種槽處，但因大頭堵住了種槽入口玉米種子無法進入到種槽內，會一直遮擋激光束，激光開關傳感器持續保持觸發。整個過程中激光開關傳感器的感應狀態為：斷開-保持觸發。

對于尖端朝前和大頭朝前2種狀態的玉米種子，激光開關傳感器表現出2種不同的感應狀態，據此可對玉米種子的尖端朝向進行識別，并根據識別結果控制推桿在2￠時刻作推送運動，將大頭朝前的玉米種子由缺口2推出軌道完成剔除。

在水平方向上激光開關傳感器與種槽之間的前后相對位置十分關鍵，會直接影響到對玉米種子尖端朝向的識別效果。激光開關傳感器的移動范圍如圖3所示，依據玉米種子的輪廓得到前后2條臨界線（前臨界線和后臨界線），激光束只有處于2條臨界線之間才能保證出現上述差別，2條臨界線距種槽頂點的距離分別為1和2，差值（2-1）即為激光開關傳感器可移動的范圍，該范圍將在裝置設計時經測量得到。

1. 尖端朝前的玉米種子 2. 大頭朝前的玉米種子 3. 前臨界線4. 后臨界線

1.corn seed with tip facing forward 2.corn seed with large head facing forward 3. Front critical line4. Back critical line

注：1和2分別為前臨界線和后臨界線距種槽頂點的距離，mm。

Note:1and2are the distance between the tip of seed slot and front critical line, back critical linerespectively, mm.

圖3 激光開關傳感器的移動范圍

Fig.3 Moving range of laser switch sensor

1.2 玉米種子胚面識別原理

尖端定向完成之后，即可對玉米種子的胚面朝向進行識別。本研究提出的胚面識別方法主要基于馬齒型玉米種子的表面特征和激光測距傳感器。

胚面識別原理如圖4所示，玉米種子胚面上有胚溝，而反面為平面，基于這個差別，配合高精度激光測距傳感器、直線軌道和種槽（圖4a）即可對玉米種子的胚面朝向進行識別。尖端朝前的玉米種子停留在種槽中，胚面朝下或反面朝下。缺口3正下方設置有一個高精度激光測距傳感器，激光測距傳感器發射的激光束與軌道底面垂直，由缺口3貫穿軌道底面，為了使表達更加明確，圖4b和圖4c采用剖視圖，剖面為直線軌道2個側面的對稱中心面，激光束正好在該剖面上。

玉米種子胚面朝上時的識別狀態見圖4b，種子的反面與直線軌道內底面接觸，激光測距傳感器的檢測光束落在反面上，檢測距離為1，理論上，該值等于激光測距傳感器激光發射點到直線軌道內側底面的距離；玉米種子胚面朝下時的識別狀態見圖4c，種子的胚面與直線軌道內底面接觸，在種槽的定位作用下，胚溝對準下面的缺口3，激光測距傳感器的檢測光束正好落在胚溝內，檢測距離為2。由于胚溝具有一定深度，所以2會大于1，二者的差值（2-1）即為胚溝的深度。

對于胚面朝上和胚面朝下2種狀態的玉米種子，激光測距傳感器檢測出2種不同的距離，據此可對玉米種子的胚面朝向進行識別。由于設定的直線軌道電磁振動垂直振幅小于0.1 mm，而胚溝的最大深度大于0.6 mm，所以直線軌道的振動對胚面識別干擾作用很小。

在水平方向上激光測距傳感器與種槽之間的前后相對位置也十分關鍵，會直接影響到對玉米種子胚面朝向的識別效果，參考圖1c，在胚溝的長軸線上距尖端/3和2/3處作2條臨界線（前臨界線和后臨界線），如圖4b和4c，識別胚面朝向時，要求激光測距傳感器的激光束處于2條臨界線之間。2條臨界線距種槽頂點的距離分別為3和4，差值（4-3）即為激光測距傳感器可移動的范圍，該范圍將在裝置設計時經測量得到。

1. 激光測距傳感器 2. 激光束 3. 缺口3 4. 前臨界線5. 后臨界線

1. Laser range sensor 2. Laser beam 3. Gap 3 4. Front critical line5. Back critical line

注：1和2分別為玉米種子胚面朝上和朝下時的檢測距離，mm；3和4分別為前臨界線和后臨界線距種槽頂點的距離，mm。

Note:1and2are the measuring distance when a corn seed’s embryo side facing up and down respectively, mm;3and4are the distance between the tip of seed slot and front critical line, back critical linerespectively, mm.

圖4 玉米種子胚面識別原理

Fig.4 Embryo side recognition theory of corn seed

2 玉米種子尖端定向與胚面識別裝置設計

在上述原理的基礎上，設計一個玉米種子尖端定向與胚面識別裝置，主要包括：激光傳感器選型、裝置設計和控制系統設計。

2.1 激光傳感器選型

基于激光開關和測距原理的尖端定向與胚面識別方法需要用到常開型激光開關傳感器和高精度激光測距傳感器，依據工作要求對2個傳感器進行合理選型。激光開關傳感器的基本要求是反應靈敏，激光測距傳感器的基本要求是檢測精度高，由于玉米種子胚溝的最大深度小于1 mm，所以要求測量精度至少達到0.1 mm；為了方便后續控制系統搭建，要求2個激光傳感器都可以輸出開關信號或模擬信號；為了方便觀察傳感器的工作情況，要求激光束可見；另外考慮到裝置的空間布局較為緊湊、檢測對象（玉米種子）尺寸較小，要求2個傳感器的體積要盡量小，且保證激光束直徑小于1 mm。按照以上要求，激光開關傳感器的型號選擇為洛施達LQD-31NO，其關鍵工作參數為：工作電壓12~24 V、開關頻率120 Hz、感應距離300 mm、激光束直徑0.8 mm，該傳感器反應靈敏，可輸出開關信號，表現為：當檢測到物體（激光束被遮擋）時觸發并輸出低電平；激光測距傳感器選擇的型號選擇為松下HG-C1030，其關鍵工作參數為：工作電壓12~24 V、測量中心距和測量范圍(30±5) mm、重復測量精度10m、激光束直徑0.05 mm，該傳感器可輸出開關信號，表現為：傳感器設定測量基準后，當實際檢測距離小于測量基準時，傳感器觸發并輸出低電平。這2種傳感器體積較小，激光束為紅色可見，價格便宜，對作業環境要求低。

2.2 裝置設計

在介紹玉米種子尖端定向與胚面識別方法原理時，圖2和圖4中的相關部件為理論模型，在設計試驗裝置時，相關部件需要結合實際情況進行具體設計，裝置結構如圖5a所示。為直線軌道底部添加一個底板，底板與直線軌道焊接為一體，底板通過螺栓固定在直線電磁振動器安裝面上，底板形狀與直線電磁振動器安裝面形狀一致，長140 mm、寬50 mm，直線軌道總長240 mm，直線軌道和種槽的部分關鍵尺寸依據玉米種子尺寸范圍確定，如圖5b所示，為了表達明確，圖中只截取了直線軌道的一小段，且隱藏了種槽的把手，種槽長9 mm、入口寬8 mm，入口寬度與玉米種子的平均寬度一致，直線軌道內寬10 mm，略大于玉米種子的最大寬度，而小于玉米種子的最小長度，直線軌道兩側分別有缺口1和缺口2，末端底面中央有缺口3，缺口1呈“L”形，右側高2 mm，缺口2長15 mm，大于玉米種子的最大長度，缺口3寬1.5 mm。推桿配合電磁鐵2組成推送裝置。電磁鐵1配合直線滑軌組成升降裝置，種槽的把手具有固定連接作用，通過螺栓與連接板固定，連接板與升降裝置相連接。升降裝置固定在立板上，立板、推送裝置和激光開關傳感器固定于支撐臺上面，激光測距傳感器固定于支撐臺側面，支撐臺則固定在升降臺上。

根據設計搭建實際的玉米種子尖端定向與胚面識別裝置，按照要求并結合實際情況調整好各部件的空間位置，通過調整升降臺的高度、以及2個傳感器在支撐臺上的位置使激光開關傳感器的激光束正好穿過缺口1，激光測距傳感器的激光束正好穿過缺口3。由尖端定向與胚面識別原理可知，在水平方向上激光開關傳感器和激光測距傳感器與種槽之間的前后相對位置十分關鍵，結合圖3和圖4，經過實際測量可得激光開關傳感器可移動的范圍約為5 mm，激光測距傳感器可移動的范圍約為3.5 mm。

1. 直線電磁振動器 2. 直線軌道 3. 底板 4. 直線軌道入口 5. 激光測距傳感器 6. 連接板 7. 直線滑軌 8. 電磁鐵1 9. 立板 10. 電磁鐵2 11. 推桿 12. 激光開關傳感器 13. 支撐臺 14. 升降臺 15. 把手 16. 種槽 17. 定向區域

2.3 控制系統設計

依據玉米種子尖端定向與胚面識別方法的原理設計控制系統，本研究的控制系統無需上位機，只利用下位機即可完成控制工作。可編程控制器PLC功能強、可靠性高、成本低，多用于開關信號的邏輯控制[23-24]。本研究基于PLC對控制系統進行設計，型號為西門子S7-200 CPU224XP，該PLC為14輸入/10輸出[25]。

玉米種子尖端定向過程的控制思路：對于尖端朝前和大頭朝前2種狀態的玉米種子，激光開關傳感器的感應狀態分別為：斷開-觸發-斷開、斷開-保持觸發，區別在于前者觸發狀態的持續時間較短，而后者觸發之后會持續下去。PLC使用計時器等指令[26-27]來監測激光開關傳感器觸發狀態的持續時間，假設臨界時間0，使0略大于尖端朝前時激光開關傳感器觸發狀態的持續時間（1-0）。識別1顆玉米種子的尖端朝向時，若≤0，則表示激光開關傳感器的感應狀態為斷開-觸發-斷開，判定為尖端朝前，準備進行下一步的胚面識別；反之，若＞0，則表示激光開關傳感器的感應狀態為斷開-觸發，判定為大頭朝前，控制電磁鐵2帶動推桿將其推出軌道完成剔除。

玉米種子胚面識別過程的控制思路：設定激光測距傳感器的測量基準為0，0略大于1同時小于2。識別1顆玉米種子的胚面朝向時，設實際檢測值為，若＞0時，傳感器不觸發，指示綠燈亮，PLC記錄0，判定為胚面朝上；反之若≤0時，傳感器觸發，指示紅燈都亮，PLC記錄1，判定為胚面朝下。胚面識別結束后，PLC控制電磁鐵1通電時間1帶動種槽上升并停留一段時間，待玉米種子輸出后，放下種槽，PLC的記錄值可為后續玉米種子的分類整理及定向包裝做準備。對于松下HG-C1030激光測距傳感器，一般設定測量基準與測量中心距相等，因此設定0為30 mm。由于0需要略大于1，所以本研究設定1為29.7 mm，根據玉米種子尖端定向原理可知，（2-1）大于0.6 mm，所以2會大于30.3 mm，此時0小于2，滿足要求。

根據控制思路進行系統設計，控制流程圖如圖6所示。時間（0+1）為控制系統的反應時間，0和1與玉米種子在直線軌道中的移動速度成反比關系。由于在0和1時間內玉米種子移動的距離一樣，均為種子的長度，所以可設定1=0。

圖6 尖端定向與胚面識別裝置的控制流程圖

玉米種子尖端定向與胚面識別裝置的工作過成為：現有尖端定向裝置可間斷地輸出呈平躺姿態的馬齒型玉米種子，這些種子由直線軌道入口進入尖端定向與胚面識別裝置，種子進入種槽區域后，尖端朝向會被識別完成，少數大頭朝前的玉米種子會被推送裝置經缺口2推出軌道，完成尖端定向；尖端朝前的玉米種子進入種槽時，其胚面朝向即被識別完成并被PLC記錄，升降裝置帶動種槽向上抬起，玉米種子輸出裝置。

本文設計的玉米種子尖端定向與胚面識別裝置所用到的激光傳感器、直線電磁振動器、PLC等價格都比較低，且工作時無需黑色封閉空間等特定環境，相對比機器視覺技術或高光譜成像技術所使用的工業相機、高光譜設備等，具有成本低、對作業環境要求低等優勢。

3 玉米種子尖端定向與胚面識別試驗

設定直線電磁振動器的振動頻率為50 Hz，通過調節其工作電壓來控制振幅[28-30]，設定工作電壓為55 V，此時電磁振動的垂直振幅小于0.1 mm，玉米種子可以在直線軌道中平穩低速移動。取100顆玉米種子進行預試驗，測量并統計尖端朝前識別時激光開關傳感器觸發狀態的持續時間（1-0），其范圍為[1.14,1.42] s，由于臨界時間0需要略大于（1-0），所以本文設定0為1.6 s。

為了驗證本文提出的玉米種子尖端定向與胚面識別方法的可行性，將搭建好的玉米種子尖端定向與胚面識別裝置與現有的尖端定向裝置組裝成一個整體試驗臺（圖7），在此基礎上進行玉米種子尖端定向與胚面識別試驗。現有的尖端定向裝置由圓周電磁振動器和具有尖端定向功能的料斗構成。玉米種子先經過現有尖端定向裝置完成初步定向，然后由本文尖端定向與胚面識別裝置進行尖端定向和胚面識別，最后輸出。隨機取分級后的1 000顆馬齒型玉米種子為試驗樣本，對玉米種子的外形特征進行統計，種子的長度、寬度范圍分別為[8.9, 14.5] mm和[5.7,9.3] mm，部分玉米種子尺寸偏小，長度小于10 mm或寬度小于7 mm的種子數量共有84顆，占總數量的8.4%；大部分玉米種子形狀正常，只有7顆玉米種子畸形，表現為胚溝不在胚面中央區域，占總數量的0.7%。以現有尖端定向裝置的尖端定向成功率、本文尖端定向與胚面識別裝置的尖端定向成功率和胚面識別準確率為試驗指標，進行尖端定向與胚面識別試驗。

1. 現有尖端定向裝置 2. 本文尖端定向與胚面識別裝置 3. PLC

試驗結果表明：經過現有尖端定向裝置之后有104顆玉米種子尖端定向沒有成功（仍保持大頭朝前），現有尖端定向裝置的尖端定向成功率為89.6%；經過本文尖端定向與胚面識別裝置后，僅剩9顆玉米種子尖端定向失敗，本文尖端定向與胚面識別裝置的尖端定向成功率達到99.1%，相比現有的尖端定向裝置的尖端定向成功率提升了9.5個百分點，另外本文尖端定向與胚面識別裝置的胚面識別準確率為96.4%。

最后輸出的玉米種子中僅有9顆尖端定向失敗，失敗原因為：這些玉米種子大多尺寸偏小，長度小于10 mm或寬度小于7 mm，推桿在推動這些玉米種子時，種子會在軌道上發生轉動，而沒有經缺口2離開軌道，導致剔除失敗。9顆尖端定向失敗的玉米種子由于不滿足胚面識別條件，直接認定為胚面識別失敗，另還有27顆玉米種子胚面識別出錯，具體情況有2種：第1種是將實際胚面朝上的玉米種子判定為胚面朝下，第2種是將實際胚面朝下的玉米種子判定為胚面朝上。將2種情況對應的玉米種子分開，分別觀察這些玉米種子的自身形狀和識別過程，分析后發現，第1種識別出錯的主要原因是，這些玉米種子的反面有凹陷不平整，導致激光測距傳感器的測量值偏大；第2種識別出錯的主要原因是，激光測距傳感器的檢測光束沒有落在胚溝內，導致激光測距傳感器的測量值偏小，而導致激光測距傳感器的檢測光點沒有落在胚溝內的原因有2點：在進行胚面識別時，玉米種子在種槽的發生了偏移，即定位作用失效；個別玉米種子畸形，胚溝不在胚面中央區域，胚溝長軸線偏離胚面對稱軸較遠。

綜上，尖端定向失敗的情況主要是由于在少數玉米種子尺寸偏小，尺寸偏小的玉米種子占試驗樣本總數的8.4%，但最后尖端定向失敗率只有0.9%。胚面識別失敗的主要原因是種槽對少數玉米種子的定位作用不理想。

該試驗結果表明本研究提出的尖端定向與胚面識別方法效果良好，對比現有的尖端定向裝置，尖端定向成功率有較大的提升，基本可以實現玉米種子的尖端定向，同時能夠使胚面識別準確率達到較高水準。

4 結論與討論

1）在現有的研究成果基礎上，以現有尖端定向裝置輸出的尖端定向不完全、呈平躺姿態的馬齒型玉米種子為工作對象，基于激光開關和測距原理，提出了一種馬齒形玉米種子尖端定向與胚面識別方法：馬齒形玉米種子尖端窄大頭寬，依據該輪廓特征，利用激光開關傳感器等部件對玉米種子的尖端朝向進行識別，并將大頭朝前的玉米種子進行剔除；馬齒形玉米種子胚面上有胚溝而反面較為平整，依據該表面特征，利用激光測距傳感器可對尖端朝前的每顆玉米種子進行胚面識別，最后輸出。

2）設計并搭建了玉米種子尖端定向與胚面識別裝置，與現有的尖端定向裝置組裝成一個整體試驗臺，在此基礎上進行玉米種子尖端定向與胚面識別試驗，結果表明：本文尖端定向與胚面識別裝置的尖端定向成功率達到99.1%，相比現有的尖端定向裝置的尖端定向成功率提升了9.5個百分點，本文尖端定向與胚面識別裝置的胚面識別準確率為96.4%。該方法基本可以實現玉米種子的尖端定向，同時保證胚面識別準確率達到較高水準。

本文提出的基于激光開關和測距原理的尖端定向與胚面識別方法對馬齒形玉米種子的工作效果良好，但對少數尺寸偏小（長度小于10 mm、寬度小于7 mm）或畸形（胚溝偏離胚面中央區域）的玉米種子適用性不夠理想，容易造成尖端定向或胚面識別失敗，因此，該裝置需繼續優化，進一步提高尖端定向成功率和胚面識別準確率。控制系統的反應時間與玉米種子在直線軌道中的移動速度成反比，可以調節直線電磁振動器的振動頻率或電壓來加快玉米種子的移動速度，以此減小控制系統的反應時間，但是需要確保電磁振動的垂直振幅小于0.1 mm。

本文提出的玉米種子尖端定向與胚面識別方法，可為后續的自動化定向包裝及玉米機械化定向播種提供參考。

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Development of tip orientation and embryo side recognition device for dent corn seeds

Xing Jiejie, Xu Liming※, Ma Shuai, Yuan Quanchun, Chen Chen, Zeng Jian, Niu Cong

(100083,)

Automatic directional packaging of corn seeds is the precondition for realizing mechanical directional sowing of corn. The key technology is tip orientation and embryo side facing recognition. Combined with the actual demand of directional packaging, tip orientation for dent corn seeds needs that the tip orientation success rate reaches 100% (i.e. the tip is completely directed), and the embryo side facing recognition accuracy rate is required to achieve a high level at the same time. In addition, combining the actual demand of agricultural production and popularization, the method and its dependent device used to realize the tip orientation and embryo side recognition method for corn seeds should have low requirements for the working environment and the operation cost should be reduced as far as possible. The existing methods of tip orientation and embryo recognition are difficult to fulfil practical requirement. On the basis of the available research results of the research team, taking dent corn seeds with horizontal posture and tip orientation incomplete exported by existing tip orientation device as research object, a tip orientation and embryo side recognition method for dent corn seeds based on laser switch and range theory was proposed and the tip orientation and embryo side recognition device was designed in this paper. According to the shape characteristics of the corn seeds, the corn seeds large head facing forward was removed by using the laser sensors and other components first to get the seeds tip orientation done, and then the embryo side facing direction of each corn seed was identified one by one and outputed. There were 2 main characteristics of the corn seed shape: shape characteristic and surface characteristic. The shape characteristic was that the outline of corn seed was similar to "V" shape with narrow tip and wide large head, the surface characteristic was that there was a germinal groove extending from tip to large head on the embryo side, and the germinal groove shape was approximately elliptical, and its long axis coincided with the symmetric axis of the embryo side, the reverse side was smooth. The tip orientation method was proposed based on the shape characteristics of corn seed and laser switch sensor. Referring to the shape characteristics of the corn seed, a "V" shape slot was designed, the corn seeds with tip facing forward could enter into the slot, while the corn seeds with large head facing forward could not enter the slot as the large head of seed would block the entrance, based on this difference, by means of a normally open laser switch sensor, a specific straight track and a push rod, the tip orientation of each corn seed could be identified and the corn seeds with large head facing forward were removed. When the seed’s tip was oriented, it would be stayed in the slot with tip facing forward, and then the direction of embryo side would be recognized based on the surface characteristic and laser range sensor. With the combined of designed device and existing tip orientation device, a practical test bench was built and the orientation test for dent corn seeds was carried out to verify the actual effect of tip orientation and embryo side recognition method. The result showed that: the tip orientation success rate of existing tip orientation device was 89.6%, the embryo side recognition accuracy rate of designed device was 96.4% and the tip orientation success rate of designed device was 99.1%, which increased by 9.5 percentage points comparing with the existing tip oriented devices. The orientation method proposed in this study could basically realize the tip orientation of the corn seeds, and at the same time, the embryo side recognition accuracy rate could be reached to a high level. Generally, the tip orientation and embryo side recognition method and the device proposed in this paper have low requirements for working environment and low operation cost, which could provide a reference for automatic directional packaging and mechanically directional sowing of corn.

mechanization; seed; design;corn seed tip orientation; embryo side recognition; laser sensor

邢潔潔，徐麗明，馬 帥，袁全春，陳 晨，曾 鑒，牛 叢.馬齒形玉米種子尖端激光定向與胚面識別裝置研制[J]. 農業工程學報，2019，35(3)：52－59. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.03.007 http://www.tcsae.org

Xing Jiejie, Xu Liming, Ma Shuai, Yuan Quanchun, Chen Chen, Zeng Jian, Niu Cong.Development of tip orientation and embryo side recognition device for dent corn seeds[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(3): 52－59. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.03.007 http://www.tcsae.org

2018-07-25

2018-01-10

國家自然基金項目（51475461）

邢潔潔，博士生，主要從事生物生產自動化研究。 Email：584731137@qq.com

徐麗明，教授，博士生導師，主要從事生物生產自動化技術與裝備研究。Email：xlmoffice@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.03.007

SS233.7

A

1002-6819(2019)-03-0052-08