基于圖像技術與傳感器融合的精量穴播器性能檢測裝置設計與試驗

趙鵬飛 曹 葉 王 龍* 王旭峰 郭文松 胡 燦 賀小偉

（1塔里木大學機械電氣化工程學院，新疆 阿拉爾 843300）

（2新疆維吾爾自治區普通高等學?，F代農業工程重點實驗室，新疆 阿拉爾 843300）

（3塔里木大學信息工程學院，新疆 阿拉爾 843300）

新疆維吾爾自治區作為中國最大的優質棉生產基地，截至2019年末，已連續21年棉花面積單產、總產和調出量居全國第一[1]。播種是棉花種植過程的關鍵環節，目前棉花精量穴播器依照工作原理可分為氣吸式和機械式兩大類，其中氣吸式棉花精量穴播器必須裝備風機和輸氣管路，工作中風壓的穩定性差，能量消耗大，且無法與傳統的精量、半精量播種機配套使用，制造、使用和維修的成本比機械式高出50%以上，與氣力式相比，機械式精量穴播器具有結構簡單、配套性好、制造、維修成本低等優點，是新疆地區棉花精量播種的主要實施方式[2]。

精量穴播器的播種性能對棉花種植作業質量有直接影響，因此在出廠前、維修后和播種前對精量穴播器的性能檢測并確保穴播器工作可靠十分必要[3]。近年來隨著計算機和自動控制技術的發展，國內對播種質量的檢測逐漸向自動化和精準化方向發展，大量運用傳感器技術、控制技術、信息采集與處理技術和機器視覺圖像技術等?；趫D像技術對穴播器的研究已有許多，王剛[4]將機器視覺技術應用于玉米籽粒的快速計數，并開發了一種基于機器視覺的玉米千粒重快速檢測儀；王平崗、楊德義等[5]設計了基于計算機視覺的氣吸滾筒式播種器檢測系統，實現了機器視覺對不同氣吸滾筒負壓差下的播種質量檢測,并將機器視覺監測和人工監測的數據進行對比。

為實現對機械式精量穴播器播種性能的快速檢測，本文結合霍爾傳感器、光柵傳感器、CMOS相機和數據采集卡各自特性與功能，并基于LabVIEW圖形化編程軟件編寫的程序實現對數據采集卡信號的讀取與分析計算，實現對穴播器播種數量快速識別與統計計算，最終輸出所測穴播器空穴率與重播率。

1 檢測裝置的設計

1.1 檢測裝置整體設計

基于圖像技術與傳感器融合的精量穴播器性能檢測裝置，其結構如圖1所示，包括傳動裝置、支架、電機控制箱、輸送帶、數據采集卡、撥桿、霍爾傳感器、集種計數漏斗、穴播器、擋板、CMOS相機、光照室、補光燈等。具體工作過程為：啟動裝置，顯示器對應狀態燈亮起后輸送帶調速電機開始運轉，待調速電機轉速穩定后穴播器電機啟動，穴播器開始轉動，固定在支架的撥桿使活動鴨嘴以特定周期受阻開合排出種子，安裝于撥桿的霍爾傳感器感應活動鴨嘴金屬片接近次數，產生相關電信號；種子排出后由集種計數漏斗收集接引，并將落種集中于輸送帶，方便CMOS相機的識別；種子落下后隨輸送帶運動，當相機檢測到落種后，立即拍照記錄產生圖像信息。各信號生成后經數據采集卡送至電腦軟件進行分析計算，以霍爾傳感器檢測信號為理想播種次數、光柵傳感器檢測信號為實際落種次數，CMOS相機產生信號為實際落種種數情況記錄，綜合所采集的信息，計算得出所測穴播器的空穴率與重播率。

圖1 檢測裝置結構示意圖

1.2 關鍵結構設計與傳感器選型

1.2.1 集種計數漏斗設計

集種計數漏斗如圖2所示，包括光柵傳感器接收器、發射器、支撐板、固定槽和接種漏斗和集種漏斗。接種漏斗接引的種子沿漏斗壁滑行，當穿過中間的光柵傳感器感應區時，光柵傳感器生成感應信號，接種漏斗口為實際播種最大范圍，外觀設計為方形，長度取45 mm；集種漏斗出口為種粒的最大實際尺寸，設計值取15 mm，以保證實際播出種子能夠被全部收集與輸送，使種子在靠近輸送帶表面位置落下。集種計數漏斗具有緩沖作用，可以有效避免種子落至輸送帶表面后彈跳、飛濺等狀況的發生。

圖2 集種計數漏斗結構示意圖

1.2.2 光照室設計

外部光照對圖片的采集和處理有很大的影響，一個封閉的、不受外界光照影響的光照室至關重要，好的關照室能夠為后期圖像采集提供一個良好的光照環境。本裝置設計了一個除底部圖像采集區域開放的封閉光照室，采用厚度5 mm的不透光黑色磨砂塑料板，具體尺寸為長×寬×高（235 mm×235 mm×300 mm），放置于傳送帶正上方。

1.2.3 相機的選擇

工業相機是機器視覺系統中的一個關鍵組件，其本質的功能是將光信號轉變為有序的電信號，不僅直接決定所采集圖像分辨率的高低與圖像質量的好壞，也對后續精量穴播器播種質量性能檢測的準確與否有直接影響[6]。

一般工業相機有CCD相機與CMOS相機，兩者相比下CMOS相機擁有低成本、低功耗、傳輸速度快和信號讀取方式簡單等優點，所以本次設計選擇型號為HT-U300C的CMOS相機，其主要參數如表1所示。

表1 CMOS相機的主要參數

1.2.4 鏡頭的選擇

拍照的原理為小孔成像，如圖3所示，鏡頭是影響成像質量的一個關鍵因素，鏡頭焦距與視場大小的選擇至關重要，為此根據所拍對象需要的區域面積、被拍攝對象距離鏡頭的距離和成像平面的面積可以確定鏡頭的近似焦距[7]。具體分析如下：據小孔成像原理，建立坐標系，以成像平面中心為原點，z軸為光軸，通過被檢測區域中心，并與x、y面垂直。

圖3 小孔成像原理

由圖3得到：

由上公式（1）得：

上式中：

LX-實際拍攝落種圖像區域寬度；

LY-實際拍攝落種圖像區域長度；

MX-成像區域的寬度；

MY-成像區域的長度；

L-成像平面與輸送帶落種圖像采集區域的距離；

f-攝像機焦距。

本裝置為達最佳光照環境，設計有外加光源，所以光圈大小的選擇合理即可，而實際輸送帶落種圖像采集區域大小為200 mm×200 mm、鏡頭與輸送帶距離約為200～400 mm，由公式（2）與實際鏡頭型號范圍選擇焦距為6～16 mm的鏡頭，最終選型號為HM1614-MP5鏡頭，其部分參數如表2所示。

表2 鏡頭的主要參數

1.2.5 光源選擇

光源的選擇直接關系到本裝置運行的成敗，希望光源能增強種子的目標特征，減弱外界物質或雜質的干擾，在不引入外界額外干擾的情況下減少光源放置角度的影響。LED光源具有節能效果好、壽命高、無頻閃、無散班和彩虹效應等顯著優勢，對于需求工作時間長、干擾少、功耗低的本檢測裝置來說，LED光源是最好的選擇[8]。而結合實際需求，本設計選擇型號為DPD-54HW環形LED光源，具體參數如表3所示。

表3 LED光源的主要參數

1.2.6 數據采集卡選擇

數據采集卡承擔數據采集與傳輸的作用，本裝置采用NI USB-6009型數據采集卡，該數據采集卡是美國國家儀器有限公司推出的一款即插即用式高精度數據采集設備，結構緊湊、功能強大，能夠提供8個模擬單端輸入通道與14個數字輸入、輸出通道，可以與LabVIEW NI助手配合使用，主要參數如表4所示[9]。

表4 數據采集卡的主要參數

1.2.7 傳感器選型

本裝置需檢測理想播種次數，最佳方式就是檢測活動鴨嘴與撥桿的接觸次數，能夠達到要求的有壓力傳感器和霍爾傳感器等。因直接接觸產生的摩擦可能對傳感器造成損壞，所以本裝置選擇無接觸型霍爾接近開關，其抗干擾能力強，能夠在活動鴨嘴金屬片靠近時，產生電信號，結合實際選擇型號為NC-20CO的霍爾傳感器，其主要技術參數表5所示，原理圖如圖4所示[10]。

表5 霍爾傳感器的主要參數

圖4 霍爾傳感器原理圖

光柵傳感器是指采用光柵疊柵條紋原理的傳感器，其體積小、重量輕、形狀可按需制造，能夠滿足狹小空間的應用，檢測精度高且抗電磁干擾的能力好[11]。本裝置所需為體積小、抗干擾能力強的高精度、高穩定性檢測計數傳感器，光柵傳感器為本裝置的最佳選擇。當有物體穿過光柵區域時，會阻擋部分發射器信號射向接收器，從而產生電信號，本裝置選擇JZ-T30型光柵傳感器，其主要技術參數如表6所示，原理圖如圖5所示。

表6 光柵傳感器的主要參數

圖5 光柵傳感器原理圖

2 檢測裝置系統設計

LabVIEW編程軟件是由美國國家儀器公司開發研制的一種類似于C語言的程序開發環境，用易于理解和學習的圖形化程序框圖加數據流進行程序編程，在檢測、測量、控制和仿真等方面應用廣泛[12]。本裝置基于LabVIEW編程軟件及其輔助軟件機器視覺助手Vision Assistant開發一套適用于本檢測裝置的配套軟件，利用圖像技術與傳感器技術實現對穴播器播種的檢測與數據采集，進而提高檢測準確率和效率。

2.1 設計流程圖

本設計的整體思路是利用圖像技術與多傳感器的技術融合，實現對穴播器播種性能的快速檢測，利用不同傳感器對不同物理特性信號生成，經數據采集卡對生成信號的采集傳輸，由基于Lab?VIEW開發的軟件對各傳感器信號標識與分析統計，最后依據公式（3）、（4）、（5）計算出結果，在顯示界面顯示檢測穴播器的空穴率與重播率，具體流程如圖6所示。

圖6 系統流程圖

定義霍爾傳感器采集信號為理想播種次數N0、光柵傳感器采集信號為實際落種次數N，CMOS相機生成信號為各粒數落種次數N（ii=1,2,3…n），則

上式中：

N0-理想播種次數；

N-實際落種次數；

Ni-i粒種落種次數。

2.2 程序設計

2.2.1 程序面板設計

基于LabVIEW開發的軟件可將數據采集卡采集信息通過USB接口接收，并對數據采集卡編號識別，建立實時通信，完成對各數據信號的識別、讀取、儲存和判斷。

霍爾傳感器與光柵傳感器信號均以數字信號輸入，調用NI采集卡助手完成數據采集并配置，采用While循環結構與累加算法實現對采集信號的自動累加計數，并創建各自總數的顯示變量，使其在顯示前面板中顯示。

CMOS相機采用感應自觸發方式進行圖像采集，基于LabVIEW的傳感器圖像獲取進行連續圖像采集操作。先完成相機的初始化工作，創建一個圖像任務為圖像數據創建數據緩沖區，之后從數據采集卡中讀入一幀圖像數據，并把它放入先前創建的數據緩沖區，緩沖創建成功后釋放占有的圖像數據緩沖區，完成圖像采集[14]。為了使圖像能有序無遺漏進行后續的圖像處理，程序中建立了存放圖像的隊列，圖像處理程序從隊列中提取圖像信息，將圖像信息交給圖像類型轉換模塊，之后無錯誤信息傳向閥值過濾模塊，閥值過濾模塊收到圖像后，將像素點在180～255范圍外的像素過濾后，把圖片傳輸給圖像灰度轉換模塊，此模塊將圖片灰度處理，再把處理好的圖片經調色后傳遞給清除圖像疊加層模塊,使用此模塊消除多余的圖像疊加層后得到最清晰易于識別的種子圖片。最后將圖片傳輸到識別物體的數量模塊進行數量識別，在數量識別中調整參數與像素極值的大小，便可以得到種子的數量，將圖像輸送至循環尾端，即可完成一次種子識別程序的循環，在顯示面板創建輸出顯示框就可以顯示圖像與數量。將上述軟件單元整合，對各單元輸出結果創建局部變量，各變量比較分析后作出判斷結果。

2.2.2 顯示面板設計

LabVIEW前面板是軟件與人的交互界面，好的交互能夠提升用戶體驗[15]。以簡潔明了、操作方便為基礎進行用戶界面開發，設有各狀態指示燈、啟停按鈕與多個顯示框，配有棉種圖像處理后的預覽照片，能夠直觀的顯示裝置工作狀態與空穴率、重播率計算結果，界面如圖7所示。

圖7 交互界面圖

3 排種試驗

為檢測基于圖像技術與傳感器融合的精量穴播器性能檢測裝置的準確性與穩定性，對裝置穩定性檢測。

為充分驗證檢測裝置的可靠性與實用性選擇，選取適用于新疆且種植相對較多的3種不同棉花種子和玉米種子，隨機抽取各品種種子100粒并對其形狀尺寸參數測量，測量采用游標卡尺，保留小數點后兩位小數，最終數據平均值如表7、8所示。

表7 棉花種子的形狀參數

表8 玉米種子的形狀參數

由表7、表8可知，棉花種子與玉米種子外形差異較大，不同型號的種粒參數也有所區別，為檢測系統的可靠性與適用性，分別選用新疆阿拉爾金準機械制造有限公司生產的13穴棉花播種機與7穴玉米穴播器為檢測對象。棉花種子精量穴播器與玉米種子精量穴播器分別加入適量經光滑劑處理后種子進行播種試驗，在調速電機運行穩定后開始檢測計數，為保證數據的科學性與穩定性，理論播種次數為100時停止采集，每個穴播器播種試驗5次，取棉花種子新陸中66與玉米種子新玉24分別進行人機對比試驗，系統檢測播種數結果與人工檢測播種數如表9所示。

表9 系統檢測與人工檢測結果分析

由表9可知，對比棉花種子新陸中66號與玉米種子新玉24號的檢測結果可知，由于裝置在實際運行中的震動導致部分種子偏離CMOS相機檢測范圍，使相機檢測粒數少于人工檢測粒數，而形狀呈橢圓的棉花種子測量誤差略大于形狀扁平的玉米種子，系統穩定性有待進一步提高，不過準確率均高于95%，滿足實際作業需求。

對棉花與玉米多品種不同種粒進行系統可靠性試驗，棉花種子與玉米種子實際系統檢測播種記錄如表10、表11所示。

表10 棉花種子播種試驗數據

表11 玉米種子播種試驗數據

由表10、表11可知，棉花穴播器相較玉米穴播器在播種試驗中空穴率低，而重播率高。分析其原因主要與種子形狀尺寸相關，棉花種子形狀整體呈橢球狀，相較偏扁平的玉米種子，更容易進入穴播器取種孔，空穴率較低的同時其重播率高于玉米種子。

對表10分析可知，種粒尺寸最大的新陸中82號棉花種子空穴率最低、重播率居中，實際播種效果最優，種粒尺寸居中的新陸中66號種子重播率高于另外兩種棉花種子，播種效果次之，種粒尺寸較小的新豐9號空穴率最大，實際播種效果最差，因此認為棉花種子的粒徑為影響其播種效果的關鍵因素。同理，對表11分析可知，玉米種粒寬度最大的新玉24號種子空穴率最大，高達約34%，已嚴重影響實際播種效果；而長度尺寸相差較大、寬度尺寸相近的JN2828號和鄭單958號種子空穴率與重播率近乎相同，認為對玉米種子而言，寬度尺寸是其關鍵影響因素。

綜上所述，基于圖像技術與傳感器融合的精量穴播器性能檢測裝置相比人工計數方式，檢測效率更高、更加方便快捷，同時裝置檢測結果可靠、性能穩定、能夠實現對穴播器性能的快速檢測。

4 總結

本文設計一種基于圖像技術與傳感器融合的精量穴播器性能檢測裝置，開發相關數據分析軟件和檢測裝置結構。檢測裝置包括機架、穴播器、CMOS相機、集種計數漏斗、霍爾傳感器和光柵傳感器等；數據分析軟件基于LabVIEW開發，并用數據采集卡完成對霍爾傳感器、光柵傳感器以及CMOS相機生成的各類信號采集傳輸，分析軟件通過調用NI助手將數據導入分類并分別計算分析，最終結果由簡潔明了的人機交互界面顯示。經實際檢測與分析，本裝置相比人工檢測，準確率能夠達95%以上，滿足實際作業要求，能夠實現對穴播器播種性能的快速檢測，檢測結果準確、效率高。