基于图像技术与传感器融合的精量穴播器性能检测装置设计与试验

赵鹏飞 曹 叶 王 龙* 王旭峰 郭文松 胡 灿 贺小伟

（1塔里木大学机械电气化工程学院，新疆 阿拉尔 843300）

（2新疆维吾尔自治区普通高等学校现代农业工程重点实验室，新疆 阿拉尔 843300）

（3塔里木大学信息工程学院，新疆 阿拉尔 843300）

新疆维吾尔自治区作为中国最大的优质棉生产基地，截至2019年末，已连续21年棉花面积单产、总产和调出量居全国第一[1]。播种是棉花种植过程的关键环节，目前棉花精量穴播器依照工作原理可分为气吸式和机械式两大类，其中气吸式棉花精量穴播器必须装备风机和输气管路，工作中风压的稳定性差，能量消耗大，且无法与传统的精量、半精量播种机配套使用，制造、使用和维修的成本比机械式高出50%以上，与气力式相比，机械式精量穴播器具有结构简单、配套性好、制造、维修成本低等优点，是新疆地区棉花精量播种的主要实施方式[2]。

精量穴播器的播种性能对棉花种植作业质量有直接影响，因此在出厂前、维修后和播种前对精量穴播器的性能检测并确保穴播器工作可靠十分必要[3]。近年来随着计算机和自动控制技术的发展，国内对播种质量的检测逐渐向自动化和精准化方向发展，大量运用传感器技术、控制技术、信息采集与处理技术和机器视觉图像技术等。基于图像技术对穴播器的研究已有许多，王刚[4]将机器视觉技术应用于玉米籽粒的快速计数，并开发了一种基于机器视觉的玉米千粒重快速检测仪；王平岗、杨德义等[5]设计了基于计算机视觉的气吸滚筒式播种器检测系统，实现了机器视觉对不同气吸滚筒负压差下的播种质量检测,并将机器视觉监测和人工监测的数据进行对比。

为实现对机械式精量穴播器播种性能的快速检测，本文结合霍尔传感器、光栅传感器、CMOS相机和数据采集卡各自特性与功能，并基于LabVIEW图形化编程软件编写的程序实现对数据采集卡信号的读取与分析计算，实现对穴播器播种数量快速识别与统计计算，最终输出所测穴播器空穴率与重播率。

1 检测装置的设计

1.1 检测装置整体设计

基于图像技术与传感器融合的精量穴播器性能检测装置，其结构如图1所示，包括传动装置、支架、电机控制箱、输送带、数据采集卡、拨杆、霍尔传感器、集种计数漏斗、穴播器、挡板、CMOS相机、光照室、补光灯等。具体工作过程为：启动装置，显示器对应状态灯亮起后输送带调速电机开始运转，待调速电机转速稳定后穴播器电机启动，穴播器开始转动，固定在支架的拨杆使活动鸭嘴以特定周期受阻开合排出种子，安装于拨杆的霍尔传感器感应活动鸭嘴金属片接近次数，产生相关电信号；种子排出后由集种计数漏斗收集接引，并将落种集中于输送带，方便CMOS相机的识别；种子落下后随输送带运动，当相机检测到落种后，立即拍照记录产生图像信息。各信号生成后经数据采集卡送至电脑软件进行分析计算，以霍尔传感器检测信号为理想播种次数、光栅传感器检测信号为实际落种次数，CMOS相机产生信号为实际落种种数情况记录，综合所采集的信息，计算得出所测穴播器的空穴率与重播率。

图1 检测装置结构示意图

1.2 关键结构设计与传感器选型

1.2.1 集种计数漏斗设计

集种计数漏斗如图2所示，包括光栅传感器接收器、发射器、支撑板、固定槽和接种漏斗和集种漏斗。接种漏斗接引的种子沿漏斗壁滑行，当穿过中间的光栅传感器感应区时，光栅传感器生成感应信号，接种漏斗口为实际播种最大范围，外观设计为方形，长度取45 mm；集种漏斗出口为种粒的最大实际尺寸，设计值取15 mm，以保证实际播出种子能够被全部收集与输送，使种子在靠近输送带表面位置落下。集种计数漏斗具有缓冲作用，可以有效避免种子落至输送带表面后弹跳、飞溅等状况的发生。

图2 集种计数漏斗结构示意图

1.2.2 光照室设计

外部光照对图片的采集和处理有很大的影响，一个封闭的、不受外界光照影响的光照室至关重要，好的关照室能够为后期图像采集提供一个良好的光照环境。本装置设计了一个除底部图像采集区域开放的封闭光照室，采用厚度5 mm的不透光黑色磨砂塑料板，具体尺寸为长×宽×高（235 mm×235 mm×300 mm），放置于传送带正上方。

1.2.3 相机的选择

工业相机是机器视觉系统中的一个关键组件，其本质的功能是将光信号转变为有序的电信号，不仅直接决定所采集图像分辨率的高低与图像质量的好坏，也对后续精量穴播器播种质量性能检测的准确与否有直接影响[6]。

一般工业相机有CCD相机与CMOS相机，两者相比下CMOS相机拥有低成本、低功耗、传输速度快和信号读取方式简单等优点，所以本次设计选择型号为HT-U300C的CMOS相机，其主要参数如表1所示。

表1 CMOS相机的主要参数

1.2.4 镜头的选择

拍照的原理为小孔成像，如图3所示，镜头是影响成像质量的一个关键因素，镜头焦距与视场大小的选择至关重要，为此根据所拍对象需要的区域面积、被拍摄对象距离镜头的距离和成像平面的面积可以确定镜头的近似焦距[7]。具体分析如下：据小孔成像原理，建立坐标系，以成像平面中心为原点，z轴为光轴，通过被检测区域中心，并与x、y面垂直。

图3 小孔成像原理

由图3得到：

由上公式（1）得：

上式中：

LX-实际拍摄落种图像区域宽度；

LY-实际拍摄落种图像区域长度；

MX-成像区域的宽度；

MY-成像区域的长度；

L-成像平面与输送带落种图像采集区域的距离；

f-摄像机焦距。

本装置为达最佳光照环境，设计有外加光源，所以光圈大小的选择合理即可，而实际输送带落种图像采集区域大小为200 mm×200 mm、镜头与输送带距离约为200～400 mm，由公式（2）与实际镜头型号范围选择焦距为6～16 mm的镜头，最终选型号为HM1614-MP5镜头，其部分参数如表2所示。

表2 镜头的主要参数

1.2.5 光源选择

光源的选择直接关系到本装置运行的成败，希望光源能增强种子的目标特征，减弱外界物质或杂质的干扰，在不引入外界额外干扰的情况下减少光源放置角度的影响。LED光源具有节能效果好、寿命高、无频闪、无散班和彩虹效应等显著优势，对于需求工作时间长、干扰少、功耗低的本检测装置来说，LED光源是最好的选择[8]。而结合实际需求，本设计选择型号为DPD-54HW环形LED光源，具体参数如表3所示。

表3 LED光源的主要参数

1.2.6 数据采集卡选择

数据采集卡承担数据采集与传输的作用，本装置采用NI USB-6009型数据采集卡，该数据采集卡是美国国家仪器有限公司推出的一款即插即用式高精度数据采集设备，结构紧凑、功能强大，能够提供8个模拟单端输入通道与14个数字输入、输出通道，可以与LabVIEW NI助手配合使用，主要参数如表4所示[9]。

表4 数据采集卡的主要参数

1.2.7 传感器选型

本装置需检测理想播种次数，最佳方式就是检测活动鸭嘴与拨杆的接触次数，能够达到要求的有压力传感器和霍尔传感器等。因直接接触产生的摩擦可能对传感器造成损坏，所以本装置选择无接触型霍尔接近开关，其抗干扰能力强，能够在活动鸭嘴金属片靠近时，产生电信号，结合实际选择型号为NC-20CO的霍尔传感器，其主要技术参数表5所示，原理图如图4所示[10]。

表5 霍尔传感器的主要参数

图4 霍尔传感器原理图

光栅传感器是指采用光栅叠栅条纹原理的传感器，其体积小、重量轻、形状可按需制造，能够满足狭小空间的应用，检测精度高且抗电磁干扰的能力好[11]。本装置所需为体积小、抗干扰能力强的高精度、高稳定性检测计数传感器，光栅传感器为本装置的最佳选择。当有物体穿过光栅区域时，会阻挡部分发射器信号射向接收器，从而产生电信号，本装置选择JZ-T30型光栅传感器，其主要技术参数如表6所示，原理图如图5所示。

表6 光栅传感器的主要参数

图5 光栅传感器原理图

2 检测装置系统设计

LabVIEW编程软件是由美国国家仪器公司开发研制的一种类似于C语言的程序开发环境，用易于理解和学习的图形化程序框图加数据流进行程序编程，在检测、测量、控制和仿真等方面应用广泛[12]。本装置基于LabVIEW编程软件及其辅助软件机器视觉助手Vision Assistant开发一套适用于本检测装置的配套软件，利用图像技术与传感器技术实现对穴播器播种的检测与数据采集，进而提高检测准确率和效率。

2.1 设计流程图

本设计的整体思路是利用图像技术与多传感器的技术融合，实现对穴播器播种性能的快速检测，利用不同传感器对不同物理特性信号生成，经数据采集卡对生成信号的采集传输，由基于Lab⁃VIEW开发的软件对各传感器信号标识与分析统计，最后依据公式（3）、（4）、（5）计算出结果，在显示界面显示检测穴播器的空穴率与重播率，具体流程如图6所示。

图6 系统流程图

定义霍尔传感器采集信号为理想播种次数N0、光栅传感器采集信号为实际落种次数N，CMOS相机生成信号为各粒数落种次数N（ii=1,2,3…n），则

上式中：

N0-理想播种次数；

N-实际落种次数；

Ni-i粒种落种次数。

2.2 程序设计

2.2.1 程序面板设计

基于LabVIEW开发的软件可将数据采集卡采集信息通过USB接口接收，并对数据采集卡编号识别，建立实时通信，完成对各数据信号的识别、读取、储存和判断。

霍尔传感器与光栅传感器信号均以数字信号输入，调用NI采集卡助手完成数据采集并配置，采用While循环结构与累加算法实现对采集信号的自动累加计数，并创建各自总数的显示变量，使其在显示前面板中显示。

CMOS相机采用感应自触发方式进行图像采集，基于LabVIEW的传感器图像获取进行连续图像采集操作。先完成相机的初始化工作，创建一个图像任务为图像数据创建数据缓冲区，之后从数据采集卡中读入一帧图像数据，并把它放入先前创建的数据缓冲区，缓冲创建成功后释放占有的图像数据缓冲区，完成图像采集[14]。为了使图像能有序无遗漏进行后续的图像处理，程序中建立了存放图像的队列，图像处理程序从队列中提取图像信息，将图像信息交给图像类型转换模块，之后无错误信息传向阀值过滤模块，阀值过滤模块收到图像后，将像素点在180～255范围外的像素过滤后，把图片传输给图像灰度转换模块，此模块将图片灰度处理，再把处理好的图片经调色后传递给清除图像叠加层模块,使用此模块消除多余的图像叠加层后得到最清晰易于识别的种子图片。最后将图片传输到识别物体的数量模块进行数量识别，在数量识别中调整参数与像素极值的大小，便可以得到种子的数量，将图像输送至循环尾端，即可完成一次种子识别程序的循环，在显示面板创建输出显示框就可以显示图像与数量。将上述软件单元整合，对各单元输出结果创建局部变量，各变量比较分析后作出判断结果。

2.2.2 显示面板设计

LabVIEW前面板是软件与人的交互界面，好的交互能够提升用户体验[15]。以简洁明了、操作方便为基础进行用户界面开发，设有各状态指示灯、启停按钮与多个显示框，配有棉种图像处理后的预览照片，能够直观的显示装置工作状态与空穴率、重播率计算结果，界面如图7所示。

图7 交互界面图

3 排种试验

为检测基于图像技术与传感器融合的精量穴播器性能检测装置的准确性与稳定性，对装置稳定性检测。

为充分验证检测装置的可靠性与实用性选择，选取适用于新疆且种植相对较多的3种不同棉花种子和玉米种子，随机抽取各品种种子100粒并对其形状尺寸参数测量，测量采用游标卡尺，保留小数点后两位小数，最终数据平均值如表7、8所示。

表7 棉花种子的形状参数

表8 玉米种子的形状参数

由表7、表8可知，棉花种子与玉米种子外形差异较大，不同型号的种粒参数也有所区别，为检测系统的可靠性与适用性，分别选用新疆阿拉尔金准机械制造有限公司生产的13穴棉花播种机与7穴玉米穴播器为检测对象。棉花种子精量穴播器与玉米种子精量穴播器分别加入适量经光滑剂处理后种子进行播种试验，在调速电机运行稳定后开始检测计数，为保证数据的科学性与稳定性，理论播种次数为100时停止采集，每个穴播器播种试验5次，取棉花种子新陆中66与玉米种子新玉24分别进行人机对比试验，系统检测播种数结果与人工检测播种数如表9所示。

表9 系统检测与人工检测结果分析

由表9可知，对比棉花种子新陆中66号与玉米种子新玉24号的检测结果可知，由于装置在实际运行中的震动导致部分种子偏离CMOS相机检测范围，使相机检测粒数少于人工检测粒数，而形状呈椭圆的棉花种子测量误差略大于形状扁平的玉米种子，系统稳定性有待进一步提高，不过准确率均高于95%，满足实际作业需求。

对棉花与玉米多品种不同种粒进行系统可靠性试验，棉花种子与玉米种子实际系统检测播种记录如表10、表11所示。

表10 棉花种子播种试验数据

表11 玉米种子播种试验数据

由表10、表11可知，棉花穴播器相较玉米穴播器在播种试验中空穴率低，而重播率高。分析其原因主要与种子形状尺寸相关，棉花种子形状整体呈椭球状，相较偏扁平的玉米种子，更容易进入穴播器取种孔，空穴率较低的同时其重播率高于玉米种子。

对表10分析可知，种粒尺寸最大的新陆中82号棉花种子空穴率最低、重播率居中，实际播种效果最优，种粒尺寸居中的新陆中66号种子重播率高于另外两种棉花种子，播种效果次之，种粒尺寸较小的新丰9号空穴率最大，实际播种效果最差，因此认为棉花种子的粒径为影响其播种效果的关键因素。同理，对表11分析可知，玉米种粒宽度最大的新玉24号种子空穴率最大，高达约34%，已严重影响实际播种效果；而长度尺寸相差较大、宽度尺寸相近的JN2828号和郑单958号种子空穴率与重播率近乎相同，认为对玉米种子而言，宽度尺寸是其关键影响因素。

综上所述，基于图像技术与传感器融合的精量穴播器性能检测装置相比人工计数方式，检测效率更高、更加方便快捷，同时装置检测结果可靠、性能稳定、能够实现对穴播器性能的快速检测。

4 总结

本文设计一种基于图像技术与传感器融合的精量穴播器性能检测装置，开发相关数据分析软件和检测装置结构。检测装置包括机架、穴播器、CMOS相机、集种计数漏斗、霍尔传感器和光栅传感器等；数据分析软件基于LabVIEW开发，并用数据采集卡完成对霍尔传感器、光栅传感器以及CMOS相机生成的各类信号采集传输，分析软件通过调用NI助手将数据导入分类并分别计算分析，最终结果由简洁明了的人机交互界面显示。经实际检测与分析，本装置相比人工检测，准确率能够达95%以上，满足实际作业要求，能够实现对穴播器播种性能的快速检测，检测结果准确、效率高。