基于激光傳感器的播種參數監測方法

解春季，楊 麗，張東興，崔 濤，張凱良

（1. 中國農業大學工學院，北京 100083； 2. 農業農村部土壤-機器-植物系統技術重點實驗室，北京 100083）

0 引 言

隨著農業智能化的發展，播種機播種作業的智能監控成為獲取播種參數狀況的關鍵方式，即利用傳感器和信息處理技術對種子流信息進行捕獲和計算分析，并得出相應的參數。國外大多數農機公司研制的播種參數監測系統，主要包括監控終端、ISOBUS控制器和傳感器3個部分[1]。監控終端可以設置和顯示所有的播種參數，例如播量、合格率等參數；ISOBUS控制器可以對電信號分析并計算出播種參數，按照協議傳輸數據；傳感器可以捕獲經過的種子信息。排種器作為播種機的核心部件[2-4]，監測其作業過程中的播種參數可以直接反映整個播種機的播種狀況，以便于機手對播種機播種效果的實時掌控，這對播種作業是至關重要的。

目前，對于播種參數的監測包括光電監測[5-6]、油帶監測[7]、電容監測[8]以及高速攝像監測[9]等方式，其中光電監測法應用最為普遍[10-14]。國內對播種參數監測的研究較晚，陳進等[9]采用高速攝像系統對播種參數進行監測，提高了監測精度；車宇等[15]設計了基于PIC 單片機平臺的紅外播種參數監測系統，能夠對播種計數、漏播、斷播情況進行監測；吳南等[16]設計了一種以PLC和觸摸屏為核心，利用光纖傳感器監測的便攜式排種器性能監控系統，可以設置排種器相關參數，實時監測排種器的性能指標；孫永佳等[17]設計了一種基于Cortex-M3的免耕播種機監控系統，作業過程中能根據機具實際作業速度實時調節各行口肥量，并實時監測播種狀況。王樂等[18]利用高速攝像技術對種子在導種管中的運動過程進行了分析并得出：種子運動軌跡在導種管上部比較穩定，沒有碰撞彈跳現象；但在導種管的下部容易發生彈跳，種子的運動軌跡發生變化。目前，將光電傳感器安裝在導種管上部對播種參數監測是最常見的方式，而安裝在導種管上部的傳感器無法獲取下部的信息，因此對播種參數監測的準確度造成了一定的影響。光電傳感器主要為紅外對射式[19-21]，穿透效果一般，且需要在導種管上開孔安裝，因此易受塵土影響和落種碰撞；現有的傳感器安裝位置在導種管上部，種子在經過傳感器后會在導種管下部發生碰撞彈跳，傳感器只能捕獲到上部的播種狀況，對經過傳感器后的種子信息無法捕獲；并且對重疊的種子難以準確計數。

針對目前紅外對射式傳感器存在的問題，提出一種基于激光傳感器的播種參數監測方法，將傳感器安裝在導種管底端，其采集到的信息經過單片機計算處理后得到播量、合格率、漏播率及重播率等播種參數。

1 種子落種運動過程分析

借助高速攝影技術對種子下落過程進行觀察（圖1），通過坐標點與像素點擬合方法對種子在導種管內的運動

軌跡進行繪制和分析，參考王樂與李玉環等[18,22]對種子在導種管內的運動軌跡進行的高速攝影試驗。

由高速攝影試驗發現，隨著模擬播種機前進速度的改變，種盤轉速隨之改變，種子轉動線速度增大，進而導致投種點位置的改變，種子在導種管內最常出現的運動軌跡如圖2所示。從種子運動軌跡看，種子的最佳運動狀態（圖2中的軌跡1）是種子緊貼導種管右側內壁排出；但在導種管下部位置，隨著速度的提高，種子會發生碰撞彈跳（圖2中的軌跡2、3），且隨著排種器轉速的提高，投種點位置偏移的情況愈發明顯（圖2中的軌跡2）。現有傳感器安裝位置在導種管上部，而碰撞彈跳位置處于導種管下部，由于種子運動路線發生改變，安裝在導種管上部的傳感器無法準確監測，產生了監測誤差。因此，傳感器的安裝位置對種子監測的結果有很大的影響。

排種器工作中種盤會存在一孔/穴同時有雙粒種子的情況，在排種口排出時雙粒種子是重疊的，對雙粒重疊種子的落種過程進行分析，發現從排種口排出雙粒重疊的種子在經過一定下落高度后分開的概率會隨高度的增加而增大。如圖3所示，在不考慮其他因素的條件下，假設從排種口排出雙粒重疊的種子，二者極小的間隔時間設為Δt，計算得到：

式中v為種子下落速度，m/s；t為種子下落時間，s；Δt為種子1和種子2下落時間差，s；g為重力加速度，m/s2。

整理得

由于Δt極小，舍去高階項，化簡為

要使雙粒種子分離，則l越大越好，l隨著時間t增大而增大，h1和h2也會隨之增大。目前絕大多數光電傳感器對雙粒重疊種子只能識別為單粒種子，而對分開沒有重疊的種子幾乎能夠準確的計數，因此，傳感器的安裝位置應該盡量靠下安裝，監測的結果會更加準確。

2 傳感器設計

傳感器作為種子信息捕獲的關鍵元器件，其性能必須具有較高的可靠性。目前種子監測傳感器大部分為光電傳感器，其中，紅外對射式光電傳感器應用最為普遍，發射端采用發光二極管，接收端采用光敏三極管，其成本較低，但其抗干擾性能較差，受灰塵和強光影響較大[5]。因此，需選用抗干擾能力較強的傳感器。激光具有方向性好、亮度高、單色性好等優點，且在灰塵較大情況下仍能夠使用，考慮到安裝在導種管底部存在灰塵大的實際工作狀況選用激光傳感器對種子流進行監測。

激光傳感器一般包括激光發射管和接收管兩個主要組件，激光發射管可以產生高亮度激光，接收管能夠接收激光光線。本設計選用5 mW的N型激光發射管，性能滿足需求。為了增加其抗干擾性使用調制管進行激光調制，將激光發射管的發射頻率調制到接收管接收的頻

率范圍內。激光傳感器的驅動電路一般采用三極管驅動，本設計采用反相器驅動，其相比三極管驅動的優勢在于可以使用一個調制管驅動多個激光發射管，驅動力增強，光點亮度增加，提高了抗干擾性。激光傳感器的發射和接收部分電路設計如圖4所示。

激光傳感器和紅外傳感器制作成本相差不大。二者同屬于光電式傳感器，激光傳感器工作穩定性更好，使用壽命長，更加耐用[23]。

本文設計的對射式激光傳感器模型如圖5所示，激光發射管發出高亮度激光可以穿透透明板，接收管外安裝透鏡，增大了接收角度，更利于激光的接收。

基于激光可以穿透透明物體的特點，設計一個透明的傳感器安裝盒，將激光傳感器安裝在外側，無需打孔，可以避免灰塵影響和種子的直接接觸碰撞。傳感器安裝盒粘接在導種管的底端，實現與現有導種管的組合。安裝盒的內側壁進行了拔模式設計，能夠保證玉米種子順利通過的同時阻斷激光光束，確保計數的準確性。傳感器安裝在導種管底部如圖6所示。

3 播種參數捕獲方法

播種參數主要包括播種量、合格率、漏播率和重播率等，依據GB/T6973-2005《單粒（精密）播種機試驗方法》[24]進行計算。電信號捕獲程序基于單片機開發，采用C語言編程，應用定時器的輸入捕獲功能，實現計數和計時功能。計數可以統計播種數量，計時可以獲得雙粒種子之間時間間隔，進而根據拖拉機實時前進速度計算出實時株距，判斷重漏播并計算各個參數。參數計算流程如圖7所示。

計為漏播：

計為重播，其余為合格。

實時播種株距等于播種機前進速度和雙粒種子間隔時間的乘積[12]，即

式中V為拖拉機前進速度，km/h。

計算播種漏播率l、重播率c、合格率h分別為

經示波器驗證，定時器捕獲程序周期捕獲精度非常高，沒有計算誤差，軟件程序滿足要求

4 試驗結果與分析

為了驗證播種參數激光監測方法的可靠性，分別進行了抗灰塵模擬試驗；播量、合格率、漏播率和重播率等參數監測試驗；雙粒種子重疊監測試驗。

4.1 抗灰塵模擬試驗

抗灰塵模擬試驗是為了驗證激光的抗灰塵及穿透性能。通過改變原木本色紙的厚度模擬不同強度的灰塵。原木本色紙單層厚度約為0.1 mm。厚度小的通透度較高，通透度隨著層數的增加逐漸降低，用于模擬田間作業時不同塵土的濃度大小。

試驗的具體方法：用原木本色紙將傳感器一側遮擋住，用人工投種的方式從導種管上部進行單粒投種，每次連續投種50粒，重復3次試驗，原木本色紙的層數分別設置為2、3、4層。試驗裝置如圖8所示，導種管的中上部安裝對射式紅外傳感器，底端安裝對射式激光傳感器，均用原木本色紙遮擋住一側，驗證傳感器隨著原木本色紙層數的增加，是否能夠準確識別經過的種子并產生電信號。試驗結果如圖9所示。

由圖9可知：在使用原木本色紙2層和3層時，上下2種傳感器都能準確的捕獲種子，兩種傳感器的監測準確率都達到100%，當增加到4層厚度時，對射式紅外傳感器完全喪失監測能力，無法捕獲種子信息，監測準確率為0，而對射式激光傳感器依然能夠準確監測，準確率為100%。為了測試激光傳感器的極限監測范圍，繼續增加層數。在5層和6層的監測準確率依然是100%，在7層測試時只漏監測了1粒種子，準確率為99.3%，在8層時激光傳感器也完全喪失監測能力，監測準確率為0。兩種傳感器都是在臨界點之前正常工作，臨界點之后不能工作，符合開關量傳感器的工作特點。通過試驗驗證了激光傳感器相對紅外傳感器的抗灰塵穿透能力強，在灰塵較大的田間作業環境中更具有優勢。

4.2 播種參數監測試驗

為了驗證激光傳感器響應頻率以及軟件程序計算和監控系統整體綜合性能的可靠性。對播量、合格率、漏播率、重播率等播種參數進行監測。玉米種子選用鄭丹958，采用型孔數為25孔的氣吸式排種器，選擇JPS-12計算機視覺排種器性能檢測試驗臺[25]作為對比驗證。根據國內播種機實際作業狀況，選擇5、6、7、8、9 km/h等不同的播種機前進速度進行測試，試驗裝置如圖10所示。每種速度下各重復3次試驗，每次試驗測試260粒種子，最終試驗結果取平均值。試驗結果如表1所示。

表1 不同速度下播種參數監測試驗結果Table 1 Monitoring test results of seeding parameters at different speeds

從試驗結果可以看出，播種數量監測平均相對誤差不大于1.15%，合格率、漏播率和重播率的監測平均絕對誤差不超過0.5個百分點，誤差較小，在常用的播種速度范圍內是比較穩定的，并沒有出現較大的波動，證明監測設備工作穩定，監測精度能夠滿足實際工作需要，激光傳感器響應頻率和監控系統整體綜合性能具有較高的可靠性。

4.3 雙粒重疊種子監測試驗

雙粒重疊種子監測試驗主要是為了驗證激光傳感器的監測精度以及安裝位置對于從排種口落下雙粒重疊種子的監測精度。為了模擬雙粒重疊種子從排種口同時下落，采用如圖11所示雙粒重疊種子排種模擬裝置。在轉輪上的隔板上同時放雙粒種子，輕輕轉動手柄使種子自然滑落。

本監測系統分別與保定聯宇電子儀器制造有限公司[26]研制的播種機報警器、東港市新星電子播種器廠[27]研制的播種機智能報警器以及中國農業大學和賢桃等[12]研制的排種器性能檢測儀作比較，后三者的監測傳感器為對射式紅外傳感器，安裝在導種管上部位置。檢測儀所用導種管除了上部安裝紅外傳感器，底端也安裝同樣的紅外傳感器作為對照。每種監控系統連續測試50組雙粒重疊種子，重復3次試驗，試驗結果如表2所示。

表2 雙粒重疊種子監測試驗結果Table 2 Test results of double-seed overlapping seed monitoring

從試驗結果可以看出，安裝在導種管上部的紅外傳感器對于雙粒重疊的種子無法準確計數，平均計數準確率小于7.0%，而安裝在導種管底端的紅外傳感器以及激光傳感器則能較為準確的計數，紅外傳感器的監測準確度為91.4%，激光傳感器的監測準確度達到95.4%，由此可見，將傳感器安裝在底端能夠提高播量監測的準確性，特別是對從排種器排出雙粒重疊種子的監測。這與前面所提到的理論分析相符合，隨著種子下落高度的變化，重疊種子會分離開，種子在導種管下部的接觸碰撞也會促使重疊種子的分離。因此將傳感器安裝在導種管底部可以更準確的監測播種的數量。紅外對射傳感器安裝在底端準確度雖然能夠達到90%以上，但其抗灰塵性能差，在底端灰塵較大的情況下無法正常工作，導致其不能安裝在底端，只能在上部灰塵較小的位置安裝。所以激光傳感器能夠替代紅外傳感器，對環境的適應能力更強。

5 結 論

1）提出的玉米播種參數激光監測方法，以激光傳感器為信號捕獲源，實現播量、合格率、漏播率和重播率等參數的實時監控。和紅外傳感器相比激光傳感器穿透灰塵的能力更強；安裝在導種管底部，對雙粒重疊種子的監測準確度得到提高，監測結果與實際的播種狀況更加接近。

2）通過理論分析和試驗研究發現，激光傳感器在穿透透明殼體的狀態下對播種數量監測平均相對誤差不大于1.15%，對合格率、漏播率和重播率監測平均絕對誤差低于0.5個百分點；傳感器安裝在導種管底部對雙粒重疊種子的監測準確率在90%以上；其中，激光傳感器監測準確率達到95.4%，明顯降低了播種監測誤差。通過試驗驗證激光傳感器滿足實際播種參數監測的需要。