間歇式自動取樣條播排種器排種性能檢測試驗臺研制

盧彩云，李洪文，何 進，王慶杰，張宇帆，黃圣海

間歇式自動取樣條播排種器排種性能檢測試驗臺研制

盧彩云，李洪文※，何 進，王慶杰，張宇帆，黃圣海

（中國農業大學工學院，北京 100083）

針對條播作物排種器進行室內臺架性能檢測時，人工檢測播種均勻性費時費力、自動化檢測手段缺乏等問題，該文設計了一種條播排種器排種性能檢測試驗臺，利用間歇式自動取樣機構，實現定時定距自動化取樣及排種均勻性檢測。其工作原理是種子落入傳送帶上形成種子帶，隨傳送帶一起前進，當運動至取樣板處時，氣泵驅動取樣板以均勻的速度往復運動，將特定距離的種子帶推離出種帶，并分散成弧形，采用數碼照相機獲取樣本種子圖像，利用Matlab圖像處理技術，獲取樣本種子數量，判斷所測試排種器的排種性能。采用單片機控制排種軸轉速、取樣板的啟停及運動方向，并通過上位機顯示。對試驗臺關鍵結構和參數進行設計，確定種帶寬度為30 mm，護種板長度150 mm，與傳送帶之間距離控制在2～3 mm。為減少種子堆疊和黏連，保證樣本種子帶均勻排列，易于后期圖像處理，設計了“一”、“T”和“工”字型3種結構的取樣板，通過種子受力與運動規律分析，確定“T”型取樣板為最優結構，取樣長度為40 mm。以外槽輪排種器播種小麥為研究對象，使用Design-Expert軟件進行中心旋轉組合設計試驗，結果表明，傳送帶驅動電機轉速分別為20、28.79和28.79 r/min時，樣本種子堆疊率分別為100%、92.34%和75.21%；排種量6 g/s時，樣本種子堆疊率最高，為40.15%。與人工定距取樣檢測方法的對比試驗結果表明，間歇取樣檢測法利用圖像批量處理獲取樣本種子數量的時間約為5 s；而人工定距測試的平均耗時為1 min，而且樣本數量越多，耗時越長。試驗結果表明，間歇式自動取樣的條播排種器排種性能檢測試驗臺設計合理，能夠大大提高排種器排種性能檢測效率，可為條播作物的排種器排種性能檢測試驗臺的優化設計提供參考。

農業機械；設計；試驗臺；排種器；排種性能；間歇取樣；條播

0 引 言

播種是農業生產中的關鍵環節，播種質量的好壞直接影響作物的生長發育和產量[1-3]。排種器是播種機械的核心部件之一[4-7]，其性能優劣直接影響播種質量[8]。因此，新型排種器批量生產前，必須進行排種性能檢測。

大田測試前，首先在室內專用排種試驗臺上測試，不受田間環境影響，而且節省時間和資源[9-12]，能夠縮短試驗周期，加快新產品研發，是進行排種器性能檢測的常用方法[13-18]。為此，國內外學者開發了多種形式的排種器性能檢測試驗臺[19-21]。目前國內外研發的排種器性能檢測試驗臺主要適用于精量播種的排種器，如玉米、大豆等作物[22-25]，而對于條播作物如小麥等由于排種量大，種子呈線性排布，會出現多粒種子黏接或重疊，檢測排種均勻性成為技術難題。目前主要采用人工定時和定距2種取樣法檢測條播作物的排種均勻性：人工定時取樣法是在導種管口每隔一段時間收集一定流量的種子，通過數粒或稱質量法，獲得樣本種子的平均數、標準差和變異系數[19]。這種方法操作簡單，僅需驅動排種軸排種即可，但是樣本量大，難以精準測量，而且人工數粒法工作量大，收集樣本的時間難以精準掌握。人工定距取樣法是取若干間距的區段作為一個取樣單位，數出落在每個區段內的籽粒數，計算變異系數[26]。這種方法誤差較小，但是樣本容量較小，若增大樣本容量，人工勞動量大，而且需要經常啟停傳送帶獲取樣本。

基于以上問題，本文在人工定時取樣和人工定距取樣方法的基礎上，設計了一套間歇式自動取樣的條播作物排種器排種性能檢測試驗臺，能夠同時實現小麥樣本種子帶的定時和定距測試，以期為條播作物的排種均勻性檢測提供新的方法。

1 整體機構與工作原理

1.1 整體結構

間歇式自動取樣條播作物排種器排種性能檢測試驗臺主要由機架、傳送帶、排種機構、間歇式自動取樣機構等組成，如圖1所示。排種機構安裝在機架頂端、傳送帶正上方，間歇式自動取樣機構安裝在機架中部、傳送帶正上方，單片機控制排種機構電機、傳送帶驅動電機轉速、間歇式自動取樣機構啟停及運動方向，并在上位機中實時顯示。

1.排種機構 2.間歇取樣機構 3.傳送帶 4.傳送帶驅動電機 5.機架

排種器位置調節架（圖2）主要包括種箱、排種器、導種管、排種軸驅動電機、排種器懸掛架、移動橫梁、長方形移動框架、機架及護種板等。電機通過鏈傳動驅動排種器轉動，種子通過排種管落在傳送帶上護種板范圍內。為適應不同類型種子的排種性能檢測，可通過改變懸掛架在橫梁的位置、橫梁在長方形移動框架的位置及移動框架在型材導軌機架上的位置分別實現排種器在機架上前后、左右和上下位置的調整；種箱、排種器、導種管可根據試驗要求更換。

1.軸承 2.橫梁 3.排種機構 4.排種器懸掛架 5.護種板 6.排種管 7.傳動鏈 8.長方體移動框架 9.機架 10.排種軸驅動電機

間歇式自動取樣機構（圖3）主要包括氣泵、氣壓調節閥、電磁閥、氣缸、支架、導軌和取樣板等。其工作流程為：采用氣泵供氣，通過氣壓調節閥和電磁閥推動氣缸的活塞推桿伸縮進行往復運動，取樣板與活塞推桿運動一致，將種子推向傳送帶兩側，實現自動間歇取種。通過氣壓調節閥可控制氣缸運動速度，單片機通過電磁閥控制活塞啟停及運動方向。

1.導軌 2.運動引導元件 3.氣缸 4.支架 5.取樣板

1.2 工作原理

作業時，通過上位機設置步進電機、伺服電機轉速和繼電器吸合時間后發送指令，單片機產生脈沖信號，傳送帶驅動電機和排種軸驅動電機接收到脈沖信號分別執行相關動作，帶動排種軸轉動和傳動帶運動；種子從種箱落入排種器、輸種管，然后落在傳動帶上，在護種板的保護下，以條狀種帶分布在傳送帶上，種帶寬度與護種板內側寬度相同；當種子布滿傳送帶縱向方向時，啟動間歇式自動取樣機構，通過控制繼電器吸合時間，引導元件在氣缸推動下進行往復運動，將樣本種子從種帶中推離至種帶兩側，并在引導元件運動作用下，將樣本種子帶分散成弧形，如圖4所示。由于取樣板在單次取種過程中運動速度均勻，取樣板長度一定，因此可實現定時定距取樣。

1.種帶 2.樣本種子

取樣完成后，使用數碼相機采集樣本種子被推離出種帶的圖像，利用Matlab圖像處理技術得到被推出的樣本種子數量，通過多次取樣，計算樣本種子平均粒數、標準差及變異系數。為保證清晰觀察種子在試驗臺的分布情況，設計試驗臺機架尺寸為2 m×0.85 m×0.55 m（長×寬×高），取樣長度=40 mm。

2 關鍵結構設計

2.1 排種機構

2.1.1 種帶寬度的確定

通過前期預試驗發現，種帶寬度越小，推種板通過種帶的時間越短，對樣本種子帶長度的影響越小；但種帶寬度過小，種子堆疊在傳送帶上運動時，種帶不穩定，因此必須設計合適的種帶寬度，根據預試驗效果，結合排種量要求，設計種帶寬度=30 mm（圖4），以使種子之間基本無堆疊，減少后續取樣時種子之間的堆疊。

2.1.2 排種軸驅動電機

1）驅動電機選擇

依據農業機械設計手冊要求，小麥排種器轉速范圍為9～60 r/min[27]；采用扭矩扳手測試，驅動小麥排種器轉動所需的扭矩至少為6 N·m。為此，選擇型號為2S86Q-85B8的步進電機，其額定轉矩為8 N·m。

2）電機驅動電路

電機由上位機通過單片機控制啟停和轉速。通過接收上位機的數字信號，控制電機啟動或者停止，數字信號為1時，電機啟動；數字信號為0時，電機停止。通過單片機I/O口輸出幅寬可變的PWM（脈寬調制）矩形波，產生電脈沖，以此來控制步進電機轉速[28]，電機轉速范圍為9～60 r/min。電機轉速與脈沖頻率成正比。

2.1.3 護種板

種子從輸種管落在傳送帶上，由于傳送帶的材質較實際土壤硬度大，接觸傳送帶瞬間，種子易發生彈跳四處飛濺；而實際土壤，由于質地松軟，同時由于種溝的存在，種子將全部落在種溝內，形成一定寬度的種帶。為了更加接近實際播種狀況，將種子全部落在規定的種帶上，在導種管底部長方體移動框架上安裝倒U形護種板（圖5）。由于護種板的保護作用，種子彈跳到達護種板位置時被反彈回傳送帶上，分布在護種板內部的傳送帶上，形成護種板寬度的種帶，因此護種板寬度即為種帶寬度。護種板長度在防止種子飛濺的前提下越短越好，經過多次試驗，確定其長度為150 mm。護種板通過改變其在長方體移動框架導向滑槽內的位置進行水平位置調節，通過改變長方體移動框架在豎直方向的位置調節其豎直距離，護種板底部與傳送帶之間的距離控制在2～3 mm，保證傳送帶正常運轉。

圖5 護種板

2.2 間歇式自動取樣機構

間歇式自動取樣機構的取樣板以一定速度往復運動，運動方向與種帶分布方向垂直，每次取樣板與種帶接觸時，將一定寬度的種子推出種帶，形成樣本種子帶；由于取樣板運動速度一定，將種帶分割成多個距離相等的種帶和樣本種子帶（圖4），通過對比分析各個樣本種子帶的種子數量，即可判斷排種器的排種均勻性。由于樣本種子帶較多，為提高測試效率，采用圖像數粒方法。為降低圖像數粒難度，保證準確度，應獲得易于觀察的種子樣本分布。為此必須設計合適的取樣板結構及參數。

2.2.1 取樣板

取樣板直接與種子接觸，是完成取樣動作的終端執行元件，其形狀直接影響取樣效果，為設計合適的取樣板，以典型的條播作物小麥種子為例，進行種子力學分析。種帶上的小麥種子在靜摩擦力作用下與傳送帶同步運動，種子運動速度方向與傳送帶一致，當運動至取樣區，取樣板運動方向與傳送帶方向垂直，推動種子向傳送帶橫向方向運動，此時被推出的樣本種子帶受力情況如圖6所示，種子帶受取樣板推力F、阻力F-、傳送帶摩擦力1、2和取樣板摩擦力3的綜合作用，樣本種子分別沿傳送帶運動方向和取樣板推動方向同時運動，形成弧線分布（圖4）。由于弧線長度大于樣本種子在種帶上的長度，樣本種子在形成弧線的過程中，逐漸分散，而且種子越分散，對后期的圖像處理越有利。

注：f1、f2分別為傳送帶對種子的摩擦力在水平和豎直方向上的分量，N；f3為取樣板對種子的摩擦力，N；FT為取樣板對種子的推力，N；FN為取樣板對種子的阻力，N。

為獲得足夠分散的樣本種子帶，本文設計了“一”字型、“T”字型和“工”字型3種形狀的取樣板，如圖7所示。下文分別對3種取樣板的取樣過程進行對比分析，以獲得最優的取樣板形狀。

1）“一”字型取樣板取樣過程分析

“一”字型取樣板取樣過程如圖8所示。取樣板接觸種帶瞬間，取樣板推種部分長度內的小麥種子（編號1～11）被施加V方向上的力（F），并獲得此方向上的速度V，而處在取樣板之外的種子（編號12～17）繼續隨傳送帶運行。將編號1～11的種子所在區域分為、、、四個區域，由于V的存在，處在區域的種子1和2迅速脫離取樣板而隨傳送帶一起向試驗臺末端移動，由于取樣板與種子1和2接觸時間太短，導致種子1和2與種帶的分離不明顯。

隨著取樣動作的繼續，在V的作用下，處在、、區域的種子分別運動至、、區域。同時，在取樣板作用下，沿方向運動了一段距離，與種帶分離明顯，并在區域邊界處依次釋放出原、和區域的種子，使這些種子繼續隨傳送帶運動。假設4個區域的種子與取樣板接觸時間分別為t、t、t、t，種子在V方向上的運動距離分別為s、s、s、s，由以上分析可知，t<t<t<t，因此s<s<s<s。由于樣本種子受取樣板的摩擦力3與V方向相反，1～11號種子與傳送帶產生速度差，使其滯后于種帶上的種子，而且作用時間越長，這種滯后效果越明顯，即區域的種子在傳送帶上的運動滯后于、和區域的種子。樣本種子在取樣板的作用下，形成如圖8b所示的分布線。

圖7 取樣板結構

2）“T”字型取樣板取樣過程分析

“T”字型取樣板取樣過程如圖9所示。“T”字型取樣板主要由擋種部分和推種部分組成，由于擋種部分的作用，取樣板邊界的種子不會在取樣動作發生的瞬間脫離取樣板，但樣本種子會不斷在點附近聚集，形成以點為直角頂點的直角三角形分布。由于樣本種子與傳送帶的速度差，使樣本種子與種帶分離明顯。當取樣板到達最大行程處開始返回，其運動方向與V相反，樣本種子在慣性作用下繼續向V方向運動，種子脫離推種部分，并有向擋種部分點運動并逐漸脫離的趨勢。根據種子的相對位置，脫離的先后順序為：1-2-3-4-5-6-7-8-9-10-11-12-13，形成如圖9b的近似拋物線分布。由于取樣板沿方向運動時，傳送帶仍在運動，種子17、18和19也將進入取樣區域。

隨著取樣動作的繼續，取樣板仍然沿方向移動，與樣本種子相繼脫離取樣板的原理及方式相同，17、18和19號種子也會相繼從點被重新釋放到傳送帶上隨傳送帶繼續移動。由于取樣板的作用，這些種子仍會偏離種帶，形成如圖9b所示的種帶邊上分布線，簡稱“帶種”現象，為后期圖像方式數粒增加了難度。取樣板速度與傳送帶速度合理匹配時，能夠有效避免此種現象。

圖8 “一”字型取樣板取樣過程與樣本種子分布

圖9 “T”字型取樣板取樣過程與樣本種子分布

3）“工”字型取樣板取樣過程分析

“工”字型取樣板取樣過程如圖10所示，與“T”型取樣板相似，樣本種子相繼脫離取樣板在傳送帶上呈近似拋物線形狀分布。但在取樣過程中，右側擋種部分對種帶上繼續隨傳送帶運動的種子產生了阻礙運動，使種子發生嚴重的堆疊現象，堆疊的種子相互擠壓導致部分種子被推向樣本區，如圖10b所示的種子17～25。由于右側擋種部分阻礙作用，工字型取樣板的堆疊現象無法避免，導致一些不是測試樣本的種子被推離出種帶，而且數量較多，后期圖像處理難度增加。

圖10 “工”字型取樣板取樣過程與種子分布

通過以上分析可知，“一”與“工”字型取樣板取出的種子會發生堆疊現象，“T”字型取樣板取種時，小麥種子會形成近似拋物線形狀的分布，不會發生堆疊現象，便于后續圖像處理獲取樣本種子數量，進而計算出樣本種子平均數、標準差及變異系數，有利于提高排種器性能檢測精度。故選擇“T”字型取樣板，并對其結構參數進行設計。

2.2.2 “T”字型取樣板結構參數設計

為減少“T”字型取樣板帶種現象，對其參數進行設計。

樣本種子被取樣板推離種帶，需要與種帶存在較為明顯的分離，因此運動行程不能太短，但若運動行程太長，取樣板往返一次的時間間隔較大，固定時間內取樣次數少。通過多次試驗，確定間歇式自動取樣機構導軌長度為250 mm。

取樣板運動速度及方向由氣壓調節閥和電磁閥聯合控制，根據試驗要求，取樣板速度在50～1 000 mm/s范圍內可調，因此取樣時間間隔為0.25～5 s，1次試驗過程最多可進行20次取樣。

2.2.3 電磁閥開閉控制電路

通過控制電磁閥開閉實現取樣板運行方向改變，代替氣缸人工換向，其電路控制模塊如圖11所示。通過單片機發出不斷改變的高低電平，觸發繼電器反復吸合，按照設置時間間隔將電磁閥所在回路進行接通與斷開，進而控制電磁閥開閉，使氣流從不同方向進入氣缸，推動氣缸往復運動，進而實現取樣板定時定距往復運動。氣缸運動速度在50～1 000 mm/s范圍內可調，取樣板往復運動一次的時間在0.5～10 s范圍內可調。

圖11 電磁閥開閉控制流程

2.3 傳送帶驅動機構

由于本試驗臺傳送帶啟停頻繁，而且轉速高，因此選擇伺服電機作為傳送帶驅動電機，其功率[29]為

式中為功率，kW；為扭矩，N/m；為驅動電機轉速，r/min。

利用扭矩扳手進行測試，試驗測得驅動傳送帶所需扭矩為8 N·m，傳送帶驅動電機最大轉速為80 r/min，由公式（1）計算得到傳送帶驅動電機所需的功率至少為67 W，為此選擇型號為SMH60S-0020-30AAK-3LKH的伺服電機，其額定功率為200 W。

2.4 上位機軟件

為實現可視化控制，方便及時改變試驗臺排種量等參數，采用Python開發上位機軟件，能夠實現電磁閥開閉、換向時間及電機速度的設置。

3 性能試驗與結果分析

3.1 試驗設備與材料

為檢驗所設計試驗臺與運行穩定性及間歇式自動取樣方法的可行性，在中國農業大學校內實驗室進行試驗測試。測試內容包括2部分：（1）系統穩定性和可靠性檢測，由于本系統包含多個電機驅動電路、控制取樣板往復運動的電磁閥控制電路等，為保證系統正常運行，開展以下測試：電機驅動電路、電磁閥開閉控制電路、傳送帶驅動電機及上位機軟件的穩定性和可靠性；（2）在系統正常運行前提下，通過通用中心旋轉組合設計試驗，分析傳送帶主動軸轉速、排種量等關鍵因素對測試效果的影響，并與人工定距取樣檢測法進行對比分析。測試過程中，所用設備主要包括ATTEN示波器（型號：ADS1102CAL+），Landtek數字式測速儀（型號：DT-2858）。以京冬22號小麥種子為試驗對象。

3.2 系統穩定性和可靠性檢測

系統穩定性和可靠性檢測，主要測試整機運行情況、排種軸驅動電機實際轉速與傳送帶驅動電機實際轉速與預設轉速是否一致。

代碼編譯無錯誤后燒寫入單片機，使用示波器觀察輸出的脈沖信號。結果表明，與驅動排種器的電機驅動電路連接的單片機引腳輸出均勻的矩形波；與電磁閥開閉控制電路連接的單片機引腳輸出的信號，每隔一段時間會發生一次階躍，即發生一次低電平與高電平的轉換。說明單片機所發出的控制信號正確。

連接電路后上電，單片機、開關電源、驅動器及繼電器的指示燈均顯示正常。根據取樣板往復運動時間、排種器轉速范圍等參數，設置電磁閥換向時間、步進電機轉速、伺服電機轉速的參數值分別為6 s、20 r/min和200 r/min后運行。結果表明，傳送帶作業平穩；步進電機帶動主動軸轉動，并通過鏈傳動帶動排種軸轉動；氣泵供氣條件下，氣缸推桿被推出，帶動導軌上的滑塊、引導運動元件及取樣板運動，運行3 s后開始換向運行，到達原點之后再次被推出，實現了取樣板的往復運動。試驗臺總體運行良好，能夠滿足工作要求。

1.排種機構 2.間歇取樣機構 3.傳送帶 4. 機架 5.單片機控制電路

排種軸驅動電機轉速測定：根據排種器轉速范圍，分別設置步進電機轉速為10、25、和40 r/min，每種轉速下使用測速儀測量排種軸轉速10次，測試結果表明，實際轉速分布在設定轉速附近，相對誤差值均小于5%，說明步進電機轉速控制精確，運行可靠，符合要求。

傳送帶驅動電機轉速測定：在Kincoservo+軟件中設置伺服電機目標速度分別為200、300和400 r/min，經減速器傳遞后，傳送帶主動軸轉速分別為40、60和80 r/min。測試結果表明，傳送帶軸實際轉速與設定轉速幾乎一致，相對誤差在2%以內，速度控制非常精確，滿足要求。

3.3 關鍵因素對測試效果的影響

影響取樣效果的直接因素是Matlab對數碼相機所拍攝圖片處理的難易程度及求解精確度，在Matlab算法和攝影設備相同情況下，種子越分散，發生堆疊的程度越小，獲得的結果越精確。影響種子分散程度的主要因素包括傳送帶速度V和排種器排種量。為確定試驗臺的最佳工作參數，保證最佳的取樣效果，對不同傳送帶速度V和排種量條件下的種子分散程度進行對比分析。

3.3.1 試驗方法

1）試驗因素選擇

排種量：條播排種器排種量決定了落至傳送帶上的種子數量及分布松散程度。以小麥種子為試驗對象，根據小麥播種量要求，設置排種量范圍為2~6 g/s。

傳送帶速度V：伺服電機轉速和傳送帶的前進速度有以下關系：

式中1為伺服電機的轉速，r/min；為傳送帶主動軸的軸徑，mm。

帶傳動主動軸直徑確定后，傳送帶速度V與驅動電機轉速1呈線性關系。為了方便試驗設計，選取傳送帶驅動電機轉速1作為試驗因素，代替其速度V。

2）試驗指標

種子分散程度用種子堆疊率1和漏取率2兩個指標來衡量。種子堆疊率1用于表示種子堆疊程度，是指樣本種子帶中發生堆疊的種子數量占樣本種子總數量的百分比；漏取率2是指發生漏取的取樣次數占總取樣次數的百分比，取樣次數20次，每次取樣取出的種子數小于10粒（不含10粒）時為漏取，檢測此參數的目的是避免樣本量過小而產生較大偶然誤差。測試獲得樣本種子數量平均值、標準差和變異系數作為參考數據。

3）通用中心旋轉組合試驗設計

應用Design-Expert軟件進行通用中心旋轉組合設計試驗[30-31]，選取傳送帶主動軸轉速1、排種量作為試驗因素，堆疊率1和漏取率2為評價指標。通過大量的預試驗，確定傳送帶主動軸轉速1的取值范圍是20～80 r/min。試驗因素編碼水平如表1所示。

表1 試驗因素編碼水平

3.3.2 試驗結果與分析

試驗結果（表2）表明，傳送帶驅動電機轉速20 r/min、排種量4 g/s，傳送帶驅動電機轉速28.79 r/min、排種量5.41 g/s，傳送帶驅動電機轉速28.79 r/min、排種量3.41 g/s時，樣本種子堆疊率分別為100%、92.34%和75.21%。這是因為，排種量一定條件下，傳送帶驅動電機轉速1越低，傳送帶速度V越低，單位時間內聚集的種子數量越多，易發生種子堆疊。傳送帶驅動電機轉速50 r/min、排種量6 g/s時，樣本種子堆疊率為40.15%。這是因為，傳送帶速度V一定條件下，排種量越大，單位時間內聚集的種子數量越多，易發生種子堆疊。因此，在進行排種器試驗時，必須合理配置傳送帶驅動電機轉速1和排種量，當排種量較大時，應選擇較高的驅動電機轉速1。測試的樣本中，僅在傳送帶驅動電機轉速71.21 r/min、排種量3.41 g/s，傳送帶驅動電機轉速50 r/min、排種量2 g/s時發生5%的漏播，其他處理未發生漏播現象。

表2 試驗方案與結果

3.3.3 取種方法對比分析

為驗證間歇式自動取樣系統的作業效果，分別在3種不同的傳送帶主動軸轉速1、排種量條件下與人工定距取樣檢測方法進行對比試驗。傳送帶主動軸轉速1、排種量設置水平如表3所示。

表3 傳送帶主動軸轉速n1、排種量Q設置水平

試驗時，設置取樣時間=6 s，即取樣板往返1次的時間間隔為6 s，在預先設置的參數組合條件下進行試驗，記錄10次取樣過程，采用數碼相機在傳送帶正上方采集圖片信息，并利用Matlab進行圖像處理，通過灰度處理、二值化處理、開運算處理的方法，得到每次取樣取出的種子數量。

人工定距取樣檢測時，只運行排種系統和傳送帶，排種量穩定時，停止整個試驗臺的運行，在傳送帶上每隔一段距離取出一部分種子并數粒，間隔距離1及種子取樣距離均與間歇式自動取樣系統的取樣距離相等，分別為

式中1取樣間隔距離，mm。

式中為種子取樣距離，mm。

本研究中，=40 mm，V=100 mm/s，=30 mm計算得到各處理的樣本種子數量平均值、標準差以及變異系數，如表4所示。

表4 對比試驗結果

以上結果表明，在3種參數組合條件下，間歇取樣檢測法所得到的樣本種子數量平均值、標準差與人工定距取樣檢測法相當，由此說明，間歇取樣檢測法是可行性。但采用間歇取樣檢測法，采用數碼相機獲取圖片，過程無需停機，全部采樣結束后，利用圖像批量處理可獲得所有處理的樣本種子數量，獲取時間約5 s；而進行人工定距測試時，需要停機人工數每個處理的種子數量，每種處理平均耗時1 min，而且樣本數量越多，耗時越長。間歇取樣檢測法存在的不足是，排種量較大時，易發生堆疊，影響圖像處理效果，為此，下一步將繼續研究排種量與傳送帶主動軸轉速、取樣板往返時間間隔之間的匹配關系，以獲得最優的檢測效果。

4 結 論

本文采用往復運動工作原理，設計了一種間歇式自動取樣的條播排種器排種性能檢測試驗臺，實現了條播種子定時定距取樣，提高了條播種子排種器均勻性檢測效率。

1）對試驗臺關鍵結構和參數進行設計，通過試驗與理論分析，確定了取樣板最佳結構為“T”型，取樣長度為40 mm，種帶寬度為30 mm；

2）通過通用中心旋轉組合設計試驗分析表明，傳送帶驅動電機轉速分別為20、28.79（排種量5.41 g/s）和28.79 r/min（排種量3.41 g/s）的3種處理，樣本種子堆疊率分別為100%、92.34%和75.21%；排種量6 g/s時，樣本種子堆疊率為40.15%，這是由于排種量與傳送帶速度匹配不合理，導致單位時間內聚集的種子數量較多，發生了種子堆疊，因此，排種量較大時，應選擇較高的驅動電機轉速。

3）對比試驗結果表明，間歇取樣檢測法圖像批量處理獲取樣本種子數量的時間約5 s；而人工定距測試，每種處理平均耗時1 min，而且樣本數量越多，耗時越長。間歇取樣檢測法能夠大大提高排種器排種性能檢測效率。

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Development of testbed for seeding performance test of drill metering device based on intermittent automatic sampling

Lu Caiyun, Li Hongwen※, He Jin, Wang Qingjie, Zhang Yufan, Huang Shenghai

(,,100083,)

Aiming at the problems of manual test of performance test of drill seed metering uniformity, such as time consuming and laborious, lack of automatic test means and so on, a testbed for drill seed metering performance test was designed. With the intermittent sampling mechanism, the testbed can realize automatic sampling and sowing uniformity detection at fixed intervals. Its working principle is that the seeds falling onto the conveyor belt and moving along with the conveyor belt to form the seed zoon, when the seed zoon moving into the sampling zones, a part of seeds were pushed to the outside of seed zoon by sampling plate, which has a reciprocating motion driven by the air pump, the seeds outside the seed zoon were scattered into an arc under the thrust force of sampling plate and formed the sampled seeds. The distribution of sampled seeds were imaged by the digital camera, and then the numbers of sampled seeds were obtained by image processing technology using Matlab software, which was used to evaluate the seed metering uniformity of seed metering device. Single chip microcomputer was used to control the rotary speed of seeding shaft, start and stop of sampling plate and its movement direction and the result was displayed on upper computer. The key structure and parameters of the testbed were designed, and the seed zoon width was determined to be 30 mm, the seed guard plate length was 150 mm, and the distance between the seed guard plate and the conveyor belt was controlled to be 2-3 mm. To reduce the stacking and adhesion of seeds, ensure the uniform arrangement of sampling seed zoon, and facilitate the image processing in the later stage, three sampling plates with the shape of “一”, “T” and “工” were designed. Based on the analysis of the force and motion of the seeds, it was determined that “T” shape sample plate was the optimal structure, and the sampling length was 40 mm. The wheat seed metering device with external trays was used as the research object, and the center combined rotation design test was carried out with Design-Expert software. The results showed that when the rotary speed of conveyor belts driving motor was 20,28.79 (seed rate was 5.41 g/s) and 28.79 r/min(seed rate was 3.41 g/s), the stack rate of sample seeds was 100%、92.34% and 75.21%, separately; when the metering quantity was 6 g/s, the stack rate of sampled seed was 40.15%, and there was less stack in other treatments. Compared with the manual distance sampling, the time consuming of the intermittent automatic sampling method was about 5 s, but that of the manual distance sampling was about 1 min, and the time increased with the increase of sample seeds number, which made the time difference larger. The result illustrated that testbed for seeding performance test of drill crop based on intermittent automatic sampling was reasonable, which could improve the working efficiency.

agricultural machinery; design; testbed; seed metering device; seeding performance; intermittent automatic sampling; drill

盧彩云，李洪文，何 進，王慶杰，張宇帆，黃圣海. 間歇式自動取樣條播排種器排種性能檢測試驗臺研制[J]. 農業工程學報，2019，35(24)：10－19. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.24.002 http://www.tcsae.org

Lu Caiyun, Li Hongwen, He Jin, Wang Qingjie, Zhang Yufan, Huang Shenghai. Development of testbed for seed metering performance test of drill seeding device based on intermittent automatic sampling[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(24): 10－19. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.24.002 http://www.tcsae.org

2019-04-29

2019-12-06

教育部創新團隊發展計劃項目（IRT13039）；現代農業產業技術體系建設專項資金項目（CARS-03）

盧彩云，博士，副教授，博士生導師，主要從事保護性耕作與智能農機裝備研究，Email：lucaiyun@cau.edu.cn

李洪文，博士，教授，博士生導師，主要從事保護性耕作與智能農機裝備研究，Email：lhwen@cau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.24.002

S223.2+3

A

1002-6819(2019)-24-0010-10