基于計算機視覺的氣吸滾筒式精密排種器控制系統

王平崗，楊德義，吳東林

(1.漯河職業技術學院，河南 漯河 462300；2.漯河食品職業學院，河南 漯河 462300)

0 引言

世界上先進的播種技術均以精量播種為核心，精量播種技術的實施，可節省大量優良種子，節省田間間苗、定苗等工作用工。種子合理的分布可減少肥料的使用，既減少農業生產成本，又增加農戶的經濟效益。隨著精細農業技術的發展和農業產業結構的調整，精量播種機械受到了國內外的普遍重視，精量播種技術有了更廣闊的發展前景。排種器是精密播種機的核心部件，其作業性能的好壞和播種質量息息相關，如果能對其排種質量進行實時監測，并利用監測信息來反饋調節排種狀態，可以有效提高排種器的排種質量，進而提升播種質量。本研究擬將計算機視覺技術引入到排種器的排種質量監測系統中，通過對排種器的實時監測和排種控制系統的反饋調節，提高排種器的整體性能。

1 氣吸式精密排種器的設計原理

目前，國內使用的氣吸式精密排種器主要包括氣壓式、氣吹式及氣吸式。3種排種器的結構和作業原理不同，因此在設計時需要根據3種排種器的不同工作原理對結構進行優化設計。氣壓式排種器的結構如圖1所示。

圖1 氣壓式精密排種器Fig.1 The vapour-pressure-type precision seed metering device

氣壓式精密排種器的氣流由風機產生，氣流通過進風管進入到排種器中。由于筒內是密閉的，會在兩側形成壓差，種子在壓差的作用下吸附在窩眼內，隨著滾筒一起轉動；當種子到達指定的播種位置時，通過彈性卸種輪使大氣和窩眼相通，壓差消失。此時，種子在重力作用下掉入接種的漏斗內，并被氣流輸送到指定的播種位置處。

圖2為氣吹式排種器的結構示意圖。該裝置以輪式排種器為基礎，通過改進清種裝置而成，利用取種盤兩側的壓差和重力的作用，使取種盤順利吸附種子。工作時，隨排種盤轉動，轉動到清種區域后，在高壓氣流的作用下將其余的種子清除掉，種子到達卸種區域后，在推種片和自身重力的作用下進入到指定的播種區域。

圖2 氣吹式精密排種器Fig.2 The air-sweeping-type precision seed metering device

氣吸式精密排種器(如圖3所示)由兩個室組成：一個是負壓室，一個是充種室，兩個室由取種盤隔開。當取種盤轉動時，種盤上留的型孔將種子吸附在型孔上，隨著排種器轉動，在清種區域將多余的種子清除掉；當種子達到指定的播種位置時，取種盤上帶有種子的型孔越過了負壓區，負壓消失，進而吸力也消失，種子在重力作用下落入到指定的播種區域。

圖3 氣吸式精密排種器Fig.3 The aspirated-air-type precision seed metering device

2 氣吸式排種器監測和控制系統設計

排種器的排種質量直接關系到播種機的播種效果，因此對其控制系統的設計非常重要。為了實現排種器較為精確的控制，首先需要對排種質量進行嚴格的監控，然后通過反饋調節系統對排種器進行控制，以達到精確播種的效果。排種器監測系統包括傳感器、識別電路、顯示器、報警器和電源等，其框架結構如圖4所示。

圖4 排種器監測系統原理Fig.4 The principle of the monitoring system of the seed metering device

基于計算機視覺技術的排種器監測系統可以利用其圖像處理功能對播種質量進行實時監測，并通過顯示電路顯示播種質量，當播種質量出現問題時，還可以對播種機發出報警，其實物圖如圖5所示。

圖5 排種器監測系統實物圖Fig.5 The physical diagram of the monitoring system of the seed metering device

利用傳感器可對播種機實況進行信息采集，然后將采集信息傳送到微處理器或者PC計算機上，通過計算機對圖像進行處理，并發出控制指令到微處理器，微處理器控制電機進行動作。系統的硬件框架結構如圖6所示。

圖6 播種監測和控制系統硬件框架Fig.6 The hardware framework of sowing monitoring and control system

如圖7所示：以株距的控制為例，當監測系統將采集的株距傳送給PC機之后，PC機需要對株距進行調整，并發出指令，當接收到指令后排種器做出相應的調整，以提高播種質量，調整過程可以采用反饋調節的方式，反饋調節系統如圖8所示。

圖7 播種監測和控制系統軟件框架Fig.7 The software framework of sowing monitoring and control system

圖8 排種器反饋調節系統Fig.8 The feedback regulation system of seed metering device

為了提高播種機的播種精度，可以采用反饋調節的方式，根據播深、株距等采集的反饋信息，PC機對信息進行綜合處理后，根據控制規則向微處理器發出控制指令，調整排種器的排種姿態，調整株距，改善漏播或者重播情況。

3 氣吸滾筒式排種器參數設計及性能測試

氣吸滾筒式排種器的參數設計主要包括吸孔、排種盤直徑及吸孔的直徑等，首先根據排種盤的規格本次選定排種盤的直徑為350mm，厚度為2.8mm，根據吸孔直徑的設計理論公式可以確定吸孔直徑，即

d=(0.64-0.66)b

(1)

其中，b為種子的平均寬度。根據在實驗時種子的尺寸，選擇合適的吸孔直徑和吸孔數目。

影響氣吸滾筒式排種器性能的另一個重要指標是氣室的真空度，真空度的大小會影響種子播種的精確程度，氣室的真空度越多，種子的吸附能力越強，空穴現象較少，但是真空度過大也會造成漏播現象，因此在設計時可以參考一定的經驗和公式，即

(2)

其中，K1為吸附的可靠性系數；K2為播種機的可靠性系數；d為吸孔的直徑；C為排種盤和種子重心的間距；G為種子重量；V為吸孔中心線處的速度；r為轉動半徑，λ為摩擦因數。

氣吸滾筒式排種器設計完成后對其性能進行了測試，如圖9所示。測試采用大豆種子，將基于計算機視覺的排種器性能檢測試驗臺安裝在氣吸滾筒式播種機上，通過性能測試得到了如表1所示測試結果。

圖9 播種機排種器性能測試Fig.9 The performance test of seeding apparatu表1 排種器性能測試結果Table 1 The performance test results of seeding apparatu

測試編號作業速度/km·h-1重播指數漏播指數171.221.01281.231.05391.251.21

續表1

測試結果表明：采用基于計算機視覺的播種質量監測平臺可以成功地監測到排種器的性能，且可以得到不同作業速度下的重播指數和漏播指數。通過實驗方案的調整，對不同氣吸滾筒負壓差下的播種質量進行了檢測，并將計算機視覺監測和人工監測的數據進行了對比，得到了如表2所示的測試結果。

表2 不同滾筒負壓差下監測合格率Table 2 The monitoring rate of different roller negative pressure difference

在不同滾筒負壓差下對播種的合格率進行了檢測，并將計算機視覺監測得到的結果和人工監測得到的結果進行了對比。對比結果表明：采用計算機視覺技術監測得到的結果和人工監測得到的結果基本吻合，且播種的合格率較高，從而驗證了基于計算機視覺的氣吸滾筒式精密排種器的監測和控制系統的可靠性。

4 結論

為了提高排種器的排種質量，將計算機視覺技術引入到了氣吸滾筒式精密排種器的監測系統中，實現了排種器的實時監測，并利用監測信息實現了排種器控制系統的閉環反饋調節。為了驗證裝置的可靠性，將監測實驗臺安裝在了播種機上，對監測性能進行了測試。測試結果表明：采用計算機視覺技術的監測系統可以有效地采集重播和漏播信息，將其監測的準確性和人工監測進行對比發現，其監測結果和人工監測基本吻合。由播種合格率表明，控制系統的控制精度也較高，從而可以滿足精密播種機的播種需求。