精量穴播器排种性能检测方法研究分析及展望

2020-12-22王旭峰赵鹏飞杨广召郭文松

新疆农机化 2020年6期

关键词：种器精量检测法

曹叶，王旭峰，王龙，赵鹏飞，杨广召，郭文松※

（1.塔里木大学信息工程学院，新疆阿拉尔843300；2.塔里木大学机械电气化工程学院）

0 引言

新疆是我国最大的优质棉生产基地，数据显示，2012～2019年，新疆省的棉花年产量比我国其余所有省的产量总和还高，且产量逐年增长，如图1。棉花产业是新疆经济发展的重要组成部分[1]。

影响棉花产量的首要环节就是播种，播种质量的好坏会影响到棉花的出苗率，进而影响棉花产量。目前追求的播种是精量播种，精量播种最主要的方式之一是穴播。本文对穴播器排种性能检测方法进行了研究分析，并对机器视觉技术检测穴播器提出了展望。

1 精量穴播器的原理和特点

精量播种，就是指播种深度、播种粒数和播种间距按照精确的参数，控制一穴多粒或者单粒精播[2]。按工作原理分，棉花精量穴播器比较适合的排种器是机械式和气力式两种。

机械式排种器又可以分为水平圆盘式、勺轮式、指夹式等几种，主要依靠容腔实现种子的充种、排种和清种的环节。

水平圆盘式穴播器，在排种工作时，依靠棉种自身重力填充到旋转的排种盘型孔中，在排种盘的转动过程中，随着排种盘转到排种口时，在棉种自身重力和推种器的作用下完成排种，由于水平圆盘式排种器结构的特殊性，在棉种进入型孔后，由于需要经过刮种器和推种器将其排出，期间必然会造成一些种子出现破损的可能性[3]，如图2。

与水平圆盘式穴播器相比，勺轮式的穴播器在排种时对棉种的外形、尺寸要求不是十分严格。其容腔主要是依靠舀勺完成的，穴播器开始转动时，当排种盘通过充种口时，小舀勺会取1-2 粒种子，当舀勺到达排种器的顶端时，舀勺垂直倾倒并依靠棉种重力，在隔板开口落入与小勺同步转动的倒种叶轮的槽内，种子随着穴播器的转动，跟随叶轮的槽一起转动到排种器的底部，完成每一次的排种[4]，如图3。

指夹式穴播器在通电后，随着排种器的转动，棉种会落到指夹里边，指夹在感受到棉种的重力后，会将棉种夹持住，与勺轮式穴播器相比，棉种不会随着穴播装置的震动而掉落，在很大程度上降低了漏播率，提高了播种的精度，但是指夹的夹持范围和松紧程度都会影响种子的破损率，如图4。

2 精量穴播器排种性能检测方法及其研究现状

2.1 人工数种检测法及其研究现状

人工数种检测方法包括裸眼直接观测法[5]、人工黄油粘胶带法[6]、传送带排放沙土法[7]和直接铺放草坪输送带法[8]。

裸眼直接观测法是在排种器低速工作时，通过人眼直接观察与记录排种效果，这种方法是最直接、最有效的，可以发现大部分设计缺陷。美国北卡罗莱纳州立大学[9]曾经使用裸眼观测法，发现当排种频率达到一定程度时，人眼已经观察不到排种部件的工作情况，需借助于其他手段来完成（图5）。

人工黄油粘胶带法检测时是通过在匀速转动的传送胶带上涂上黄油，使棉种能够落在黄油上，防止棉种落在传送带上飞溅，导致最终检测结果不准确。首先在充种口加入适量棉种，打开电源开关，穴播器开始转动后，排种器也随着穴播器一起转动并在每一穴位携带由充种口落下来的棉种，继续转动，直到携带棉种的穴位到达最底部，在底部挡板处鸭嘴打开，棉种落到橡胶传送带上，并随着传送带继续向前移动。前苏联基洛夫斯克农机研究所[10]采用过这种方法，德国贝克公司[11]和英国德斯坦翰公司[12]采用喷涂机油的帆布带式排种器试验台。贝克公司的试验台还设有自动喷油和刮油装置，省掉了人工涂油和清种工序。

传送带排放沙土法的原理和人工黄油粘胶带法一样，原理是在排种器前多安装一个排沙装置。1974年，张波屏[13]等设计的移动式排种器试验台，首次采用沙盘固种，这种方式优点是可以避免黄油带来的污染，清种方便，种子可以重复使用，不会造成种子的浪费，可实现无极调速、操作方便，获取试验数据容易；但该设备先进、成本高，同时沙盘长度受条件的限制。

直接铺放草坪输送带法是前几种方法的改进，主要改进部位是输送带，把传统的人工黄油粘胶带式的传输带和排沙装置类的传输带换成草坪传输带，新疆塔里木大学机械电器工程学院团队[14]采用了5 种传输带，包括绿色草坪带、黑色光面带、墨绿色光面带、灰色纤维带和白色亚光带，通过试验对比分析，选出了1条对试验观察影响最小的传输带。直接铺放草坪传输带的优点是避免了人工清理黄油或者清理沙子的麻烦，种子也不会浪费，可重复使用；但是每次试验需要人工更换输送带，并且由于传输带的材质和颜色不同，会导致判断效率不同，选择种子合格率效率最高的1 条传输带需要试验验证和分析，也会造成时间的浪费，同时还受到草坪带长度的限制。穴播机试验检测装置通过人工判断每穴排出棉种的数量是否正确、穴距是否相同。

人工检测穴播器排种性能的方法简单、便于观察、更加直观、容易获取数据。但试验测试时获取数据需要观察员、记录员等较多的人工，而且耗费时间长。由于装置的振动，种子在传输过程中会发生偏离，造成试验结果会有一定的误差，而且试验样本会受到传送带长度的限制，人为因素影响大。

2.2 光电传感器检测法及其研究现状

光电检测技术是光学与电子学相结合而产生的一门新兴的检测技术[15]，当种子从排种器排出，通过导种管两侧的光电传感器时会产生电脉冲信号，通过记录两个脉冲之间的时间间隔来判断种子间的间隔，进而达到检测穴播器排种性能的目的，光电传感器检测法如图6。

Y.Lan;M.F.Kocher;J.A.Smith应用光电传感器检测方法对播种机排种器的粒距进行了检测，该光电传感器系统由一个124×92mm 的矩形光电门模块和24个直径3mm 光电晶体管组成，检测结果发现与人工检测粒距误差在0.64[16]，试验快速确定了种子间的粒距和排种的均匀性。Panning等[17]使用田间甜菜种子定位方法和涉及光电传感器系统的实验室方法，评估了五种播种机配置在3 种田间速度下的精度系数种子间距的均匀性。

刘亚明等[18]采用光电传感器和旋转编码器共同计数，测得的排种率与人工统计排种率基本吻合。史智兴等[19]采用红光半导体激光二极管（RLD）和硅光电池构造了一种高覆盖率的排种传感器。实现了对不同体积的种子较高准确率的检测。

光电效应法的优点是自动化程度高、检测速度快，并可以连续采集大量数据，同时对漏播检测准确性好。缺点是两颗以上种子同时通过时难以区别，因而重播检测准确性较差，同时当检测速度快时容易产生误差[20]。另外，为了使种子穿过光电传感器的检测区域，试验时排种器需要安装输种管，而排出的种子在通过排种管时受到管壁的碰撞与摩擦等影响，易改变下落时的运动状态，不能准确再现其排种规律。

2.3 高速摄像检测法及其研究现状

高速摄像法是利用高速摄影仪搭建拍摄系统，记录排种器种子下落的过程，然后将排种过程一张张的呈现在图像上，再通过图片慢速重现排种的过程，然后通过图像处理与相关计算公式判断种子排出的合格性，高速摄影检测法如图7。

Karayel[21]研究了利用高速摄像机测量排种器播种均匀性和播种速度的方法。

胡少兴等[22]采用由工业相机和平面镜组成的光电传感器检测系统，进行穴播器排种性能检测。廖庆喜[23]针对光电传感器不能判断因种子缺陷或破碎而引起的漏播现象提出以高速摄像技术弥补光电传感器的这种缺陷，提高了检测结果的准确性，同时通过高速摄影反映了种子的破碎特征。陈进等[24]运用高速摄像系统对精量排种器的种子排种过程进行图像采集，提出了根据种子面积和质心位置特征值检测精密排种器性能的方法。

采用高速摄影法能真实反映排种器种子破碎特征和排种均匀性，并能提高检测结果的准确性以及可信度。但是高速摄影法也存在成本高、操作复杂等缺点。另外，高速摄影仪存在原理误差，摄影条件较差时图片质量不高。

2.4 机器视觉检测法及其研究现状

近几年，随着人工智能与机器学习的兴起，机器视觉技术也日臻成熟，逐渐应用于火车检测、铁路、医药方面、缺陷检测以及农业机械产品的检测中。精量穴播器的排种性能检测也不例外[25]。以前排种性能的检测方法包括人工数种检测法，光电效应检测法，高速摄影检测法。近几年机器视觉检测法由于具有高效性准确性以及可靠非接触式无损等优点吸引了更多研究者的关注，机器视觉检测法如图8。

Adrian A.Borja 等[26]针对菲律宾缺少播种资源的情况，研究并设计了气动式玉米播种机。通过机器视觉检测法和机电一体化驱动器控制系统结合应用到玉米播种机上，准确快速的检测到玉米播种的漏播等不合格现象。

Zazueta，J.Kin，S.Ninomiya 和G.Schiefer 提出了一种集机器视觉、模式识别和自动控制于一体的播种精度检测方法。开发了基于机器视觉的谷物播种机性能测试试验台，编制了相应的软件包，对排种器排出的种子图像进行采集，从图像背景中分割出种子，并计算出精播后两种子之间的间距以及播种后每段长度的种子数。建立了一个特殊的照明系统来照亮摄像机下的场景。设计了一种特殊的图像拼接算法来消除序列中相邻两幅图像的重叠区域[27]。

D.E.Kim，Y.S.Chang，H.H.Kim，J.G.Kim[28]研制了一种基于机器视觉的自动播种系统，实现了葫芦科蔬菜大粒种子在插秧盘上的在线播种功能，实现了对播种器排种性能的自动检测，最后检测分析发现，机器视觉对葫芦科蔬菜的排种检测准确性高、误差小。

王玉顺等[29]运用机器视觉技术对条播排种器性能进行自动化检测。以小麦为研究对象，通过与人工检测法进行对照分析，发现小麦样本结果与机器视觉检测法有80%是拟合的，说明机器视觉检测方法可以满足实际应用的需要。赵郑斌等[30]针对穴盘精量播种中重播、漏播、播种性能不稳定等问题，采用机器视觉技术检测精量播种机的排种性能。得出穴盘播种器的重播率检测精度为98.94%，漏播率检测精度为99.33%，蔡晓华等[31]在此基础上增加了排种粒距的实时检测指标，之后安爱琴等[32]通过CCD 摄像机直接拍摄动态种子流，对获取的样本进行背景去除、二值化、图像平滑、特征量提取、图像标定等处理，检测出排种器的性能指标。徐彦兰等[33]开发了自动化的排种器试验检测系统，基于种子坐标检测和平稳随机过程的穴播排种器排种质量机器视觉检测法，阐述了该机器视觉穴播排种器的试验目的、试验检测系统、试验设计以及试验实施。该试验检测系统是以机器视觉方式采集了穴播种子流的12 组序列图像样本，其呈现漏播、单粒播、二粒播、三粒播等多形态排种的丰富组合，基本代表可能产生的种子流类型。聂永芳等[34]将机器视觉技术运用于条播排种器的性能检测，是条播排种器性能检测的一种新方法。以手工处理的结果为参照，分析视觉检测精度，结果表明，程序结果与手工结果大约80%是拟合的，说明机器视觉检测方法可以满足实际应用的需要。张小明[35]等采用自动控制技术、机器视觉技术与传感器融合技术相结合的方法，利用液压控制系统和自动控制系统技术研究开发基于机器视觉的多功能排种器性能检测平台，提升了播种机的播种精度，实现了适用于机械式和气力式两大类型排种器性能的检测。郭亚静[36]采用虚拟设计技术，能够在条播、穴播和精播3 种方式下进行排种性能检测，实现了对机械播种器的合格率、重播率和漏播率的准确计算。谭穗妍[37]对超级杂交稻秧盘育秧精量排种性能检测技术进行了研究，提出了一种基于机器视觉和嵌入式机器视觉的秧盘育秧精量播种性能检测技术，实现了秧盘每秧穴播种量的精量检测。

基于机器视觉的检测方法用机器或计算机代替人的眼睛和大脑，直接得到物体的图像，具有自动化程度高、使用方便、可连续获取大量数据、数据处理分析速度快等优点，目前已得到越来越广泛的应用。

3 精量穴播器排种检测装置的发展趋势和存在的问题

3.1 发展趋势

近年来，随着电子技术的飞速发展，机器视觉技术与图像处理技术在各大行业上都得到了广泛的应用。图像处理技术的最大特点是可以用机器来代替人的眼睛，在检测技术中达到准确和高效的发展。通过对图像进行各种算法的处理，使机器能够达到对事物的感知和检测。目前，国内采用机器视觉技术检测穴播器排种性能的研究还比较少，但这将是穴播器排种性能检测手段的发展趋势[38-39]。

3.2 存在的问题

人工数种检测法存在的问题是检测速度慢，而且需要大量的人力物力，还有可能出现人为客观因素造成的错误。光电传感器检测法主要是当穴播器高速运转时将无法准确判断漏种、重播情况。高速摄影检测法成本太高。机器视觉技术对测量条件和环境要求较高，在实验室对穴播器的排种性能进行检测，相当于给定了一个理想的环境条件，但在田间检测试验，农田生产环境恶劣、应用场合变化较多，针对不同的农田环境和不同的种子进行检测，都需要开发不同的处理算法，因此使得机器视觉技术对穴播器排种性能检测的环境适应性和可靠性较差。由于棉种的种类并不只有一种，而且同一种棉种的大小、形状等特征也各不相同，因此机器视觉对棉种的大小、有损检测和特征提取方面还存在一定的不足。对于一些背景颜色或形状特征不明显种子的检测还需要研究更高精度的检测算法。