基于機(jī)器視覺(jué)的玉米種粒定向定位擺放裝置研制

王 僑，陳兵旗※，寇春榮，朱德利，耿百鵬

（1. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083；2. 現(xiàn)代富博（天津）智能裝備科技有限公司，天津 301700；3. 重慶師范大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)學(xué)院，重慶 400047）

基于機(jī)器視覺(jué)的玉米種粒定向定位擺放裝置研制

王 僑1，陳兵旗1※，寇春榮2，朱德利3，耿百鵬2

（1. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083；2. 現(xiàn)代富博（天津）智能裝備科技有限公司，天津 301700；3. 重慶師范大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)學(xué)院，重慶 400047）

為實(shí)現(xiàn)玉米定向、定位播種，基于圖像處理技術(shù)研制了一種玉米種粒定向定位擺放裝置。在介紹裝置的組成和工作原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)，通過(guò)試驗(yàn)分析和理論計(jì)算，確定了關(guān)鍵部件的尺寸參數(shù)和安裝方位，測(cè)試了導(dǎo)向定位管的定位精度，分析了凹型定位槽連續(xù)有效作業(yè)的條件，并結(jié)合作業(yè)精度要求，設(shè)計(jì)了控制方式并設(shè)置了控制參數(shù)。同時(shí)結(jié)合金博士鄭單958種粒樣本的特點(diǎn)，改進(jìn)了合格種粒胚芽正反面和尖端朝向的圖像檢測(cè)算法。試驗(yàn)結(jié)果表明，胚芽正反面檢測(cè)準(zhǔn)確率為98%，尖端朝向檢測(cè)偏差小于8°，凹槽定位準(zhǔn)確率為97%，定位吸取準(zhǔn)確率為94%，定位擺放準(zhǔn)確率為99%，擺放后角度偏差不大于10°，滿足設(shè)計(jì)要求。該研究可為實(shí)現(xiàn)種粒的定向包裝以及后續(xù)的定向播種提供參考。

機(jī)械化；農(nóng)作物；圖像識(shí)別；玉米種粒；定向播種；胚芽正反面；尖端朝向

0 引 言

玉米定向播種[1-3]是指控制種粒在土壤中的空間姿態(tài)，使其胚芽面朝向一致，以使植株葉片有序伸展。對(duì)于增強(qiáng)通光、通風(fēng)效果，提高玉米單位面積產(chǎn)量具有重要意義[4-12]。

實(shí)現(xiàn)定向播種，最初采用人工排種法，費(fèi)工、費(fèi)力，且在覆土?xí)r種子易發(fā)生移動(dòng)。為此，有學(xué)者發(fā)明了人工種帶法，事先將種子定向粘貼在載體上，形成種子帶，再將種子帶鋪入溝中，便于快速定向播種，如段晉宏所設(shè)計(jì)的玉米定向播種方法[13]。起初，種子帶的制作由人工完成，前期投入勞動(dòng)仍較多。后有學(xué)者利用型孔排種的原理發(fā)明了一 種玉米定向播種器，該播種器對(duì)播種環(huán)境要求嚴(yán)格，播種效率也不高[3]。江光華等[14]設(shè)計(jì)了玉米種子定向定位排種器，試驗(yàn)合格率達(dá)到80%以上。徐麗明等發(fā)明了玉米種子定向方法及定向排種裝置[15-16]、玉米定向種子帶制作及種子帶播種裝置[17-18]等，設(shè)計(jì)了定向排序輸送方法[19]以及定向吸附擺放機(jī)構(gòu)[20]，并進(jìn)行了試驗(yàn)設(shè)計(jì)及參數(shù)優(yōu)化分析。目前，實(shí)現(xiàn)玉米種子的定向有序排列主要依靠純機(jī)械手段來(lái)實(shí)現(xiàn)尋位定向，對(duì)種子的外形尺寸和機(jī)械的結(jié)構(gòu)參數(shù)以及兩者之間的適應(yīng)性等要求均較高，因此，上述定位過(guò)程中，種粒的形態(tài)大小、質(zhì)量分布等個(gè)體差異性，給其尋位定向帶來(lái)了不確定性，導(dǎo)致定向合格率、準(zhǔn)確率往往并不高，且其定向方位具有單一性。

針對(duì)玉米定向播種，本課題組前期基于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)研究了種穗和種粒的形態(tài)、品質(zhì)檢測(cè)算法，并研制了相應(yīng)的精選裝置[21-29]，本研究將進(jìn)一步基于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)，針對(duì)適于定向播種的合格玉米種粒，設(shè)計(jì)一種定向定位擺放裝置。該裝置與以往定向方法不同的是，通過(guò)圖像檢測(cè)來(lái)準(zhǔn)確獲取種粒的胚芽正反面和尖端朝向，同時(shí)，一方面根據(jù)尖端朝向信息，精確旋轉(zhuǎn)調(diào)整種粒的朝向，能夠?qū)崿F(xiàn)可控式的、多方位的定向，另一方面根據(jù)胚芽正反面的不同，能夠?qū)⒍ㄏ蚍N粒準(zhǔn)確地定位分放在指定的擺放工位上，最終完成種粒的定向定位擺放。以期為后續(xù)玉米種粒的排列包裝以及定向播種提供條件，為實(shí)現(xiàn)玉米機(jī)械化、自動(dòng)化定向播種提供參考。

1 玉米種粒定向定位擺放裝置總體結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 裝置結(jié)構(gòu)

本裝置按功能分為分粒喂料部件、輸送部件、圖像采集處理部件以及調(diào)向分面擺放部件，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 玉米種粒定向定位擺放裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Schematic diagram of corn seed directional positioning device

分粒喂料部件由儲(chǔ)種箱、分粒排種器、滾輪、導(dǎo)向定位管、排種步進(jìn)電機(jī)、臺(tái)架等組成。分粒排種器采用較成熟的強(qiáng)制夾持式玉米精量排種器[30]。滾輪固定于排種器一側(cè)下方，排種器旋轉(zhuǎn)時(shí)滾輪打開(kāi)鴨嘴動(dòng)嘴翼板，喂出種粒。導(dǎo)向定位管固定于滾輪和排種器下方，種粒從鴨嘴中喂出，進(jìn)入導(dǎo)向定位管。輸送部件采用黑色輸送皮帶，由輸送步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，將種粒輸送至后續(xù)工作區(qū)。圖像采集處理部件包括圖像采集和圖像處理兩部分。圖像處理采用臺(tái)式計(jì)算機(jī)，判斷種粒的胚芽方向和中心位置。圖像采集系統(tǒng)包括圖像采集單元、置位氣缸、線性導(dǎo)軌、滑塊、2組升降調(diào)節(jié)架等。置位氣缸結(jié)合線性導(dǎo)軌滑塊推動(dòng)圖像采集單元沿輸送方向一同伸出（置位）或退回（復(fù)位），即進(jìn)入或退出圖像采集區(qū)域。圖像采集單元包括相機(jī)、光源和光源箱，相機(jī)位于光源箱上部中央，鏡頭光軸與輸送帶垂直，2組光源對(duì)稱分布于相機(jī)兩側(cè)。凹型定位槽將輸送過(guò)來(lái)的種粒定位在凹槽底部（即定序工位處，位于圖像采集區(qū)域內(nèi)），槽板表面涂有反光率低的黑漆，黑色的槽板和輸送帶構(gòu)成圖像采集背景，相機(jī)置位后，定序工位恰好處于圖像采集區(qū)域中心。調(diào)向分面擺放部件是實(shí)現(xiàn)種粒定向定位擺放的直接執(zhí)行部件，為本裝置的核心部件。

1.2 工作原理

裝置啟動(dòng)后，儲(chǔ)種箱內(nèi)的玉米種粒由于重力不斷地填充排種器內(nèi)部的種子室，排種器勻速旋轉(zhuǎn)，滾輪順次打開(kāi)各個(gè)鴨嘴，種粒先后喂出，落入導(dǎo)向定位管，通過(guò)導(dǎo)向定位，喂至輸送帶的固定位置處。輸送部件采取周期性間歇輸送模式，每個(gè)周期分為停止和運(yùn)行2個(gè)階段。種粒在停止階段喂入輸送帶，每經(jīng)過(guò)一次運(yùn)行階段，隨同輸送帶前行固定距離，由此等間隔地均勻分布于輸送帶上，并隨同進(jìn)入后續(xù)工位。當(dāng)前行的種粒通過(guò)凹槽定位至定序工位處后，相機(jī)（初始時(shí)置位）采集并上傳種粒圖像。采圖結(jié)束后，置位氣缸復(fù)位，相機(jī)退出圖像采集區(qū)域，便于調(diào)向分面擺放部件進(jìn)入該區(qū)域內(nèi)的定序工位處進(jìn)行調(diào)向分面工作，同時(shí)PC機(jī)完成種粒胚芽方向（胚芽正反面和尖端朝向）和形心位置的檢測(cè)判斷。隨后，進(jìn)入定序工位處的調(diào)向分面擺放部件，吸取到位種粒，并在尖端當(dāng)前朝向的基礎(chǔ)上，旋轉(zhuǎn)調(diào)整，使之朝向目標(biāo)方位，同時(shí)根據(jù)胚芽正、反面的不同，將定向種粒定位分放于輸送裝置兩側(cè)不同的固定擺放工位上，并在擺放結(jié)束前，置位相機(jī)。至此，當(dāng)前周期的定向定位擺放工作全部完成。

本裝置主要的定位工作過(guò)程包括：導(dǎo)向定位管將排種器喂出的種粒定位在輸送帶的固定位置處，凹型定位槽將輸送過(guò)來(lái)的種粒定位在定序工位處，分面旋轉(zhuǎn)臂定位至定序工位處吸取種粒后，最終旋轉(zhuǎn)定位完成種粒的定位擺放。而定向工作是指，通過(guò)分面旋轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)調(diào)整所吸取種粒的尖端朝向，使之朝向同一方位。

1.3 主要技術(shù)指標(biāo)

本裝置的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters

2 關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)

2.1 種粒幾何特征分析

選取10 kg金博士鄭單958種粒樣本，人工剔除霉變、破損、蟲(chóng)蝕、小型、畸形等不適合定向播種的種粒，并依次選取長(zhǎng)度、寬度、厚度分別較大以及較小的種粒各50粒，用精度為0.1 mm的游標(biāo)卡尺測(cè)量其幾何尺寸的極限值，其中上限值采取“取大舍小”的方式，下限值采取求均值的方式。鄭單958玉米種子幾何尺寸極限：長(zhǎng)度上限為14.0 mm，下限為9.9 mm；寬度上限為9.9 mm，下限為7.2 mm；厚度上限為5.8 mm，下限為3.4 mm。

2.2 滾輪安裝角設(shè)置及其打開(kāi)鴨嘴過(guò)程分析

所選玉米精量排種器鴨嘴數(shù)為7個(gè)，測(cè)得主盤半徑為R≈188mm，鴨嘴定嘴板總長(zhǎng)度為L(zhǎng)L=70 mm，鴨嘴定嘴板寬度為L(zhǎng)S=28 mm，定嘴板與主盤上鴨嘴處切線方向之間夾角為α=60°，滾輪直徑為D1=40 mm。以主盤軸心為圓心，滾輪安裝于動(dòng)嘴翼板與動(dòng)嘴板連接處所在圓周上，如圖2所示。通過(guò)試驗(yàn)分析和理論計(jì)算，設(shè)置滾輪安裝角為β=39o，如圖2所示，經(jīng)測(cè)試，該安裝角度下，當(dāng)滾輪開(kāi)始動(dòng)作前，種粒均已到達(dá)定嘴板末端，只待鴨嘴口打開(kāi)立即喂出。滾輪作用于動(dòng)嘴翼板打開(kāi)鴨嘴的過(guò)程如圖2所示，測(cè)得滾輪開(kāi)始動(dòng)作時(shí)，其與定嘴板間所夾圓心角為φ0≈12°，滾輪工作全程排種器轉(zhuǎn)動(dòng)圓心角（即滾輪工作圓心角）為φ≈10°，其中滾輪工作半程時(shí)，排種器轉(zhuǎn)動(dòng)φ/2，鴨嘴口打開(kāi)高度約為8 mm，大于種粒樣本厚度上限，此時(shí)定嘴板末端種粒可完全喂出。

圖2 滾輪作用于動(dòng)嘴翼板過(guò)程Fig.2 Process of roller acting on wing plate of active plate

2.3 導(dǎo)向定位管的設(shè)計(jì)

2.3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主要包括梯形導(dǎo)引斜槽1、扇形罩2、塑料定位圓管3、U型導(dǎo)向板4、安裝架5，以及緩沖限位舌片8，如圖3所示。梯形導(dǎo)引斜槽接收排種器喂出的種粒，種粒順沿斜槽斜面滑入塑料定位圓管，落至內(nèi)部緩沖限位舌片之上，順著舌片斜面下滑，通過(guò)限位通道后，滑入定位圓管后側(cè)壁底部的輸送帶上，實(shí)現(xiàn)種粒的導(dǎo)向定位。

圖3 導(dǎo)向定位管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.3 Schematic diagram of guide-localization tube

2.3.2 參數(shù)確定

1）梯形導(dǎo)引斜槽

梯形導(dǎo)引斜槽固定于排種器下側(cè)、鴨嘴動(dòng)嘴兩側(cè)翼板之間、鴨嘴定嘴板外延，如圖4a所示。主要結(jié)構(gòu)參數(shù)包括斜槽的安裝傾角θ1、安裝圓心角β3和圓心距R3，以及斜槽的頂部槽寬L1、底部槽寬L2、斜槽長(zhǎng)L3和斜槽兩側(cè)擋板高h(yuǎn)0。梯形導(dǎo)引斜槽結(jié)構(gòu)尺寸示意圖如圖4b所示。

①確定安裝方位

斜槽的安裝方位取決于種粒從排種器中喂出的位置范圍。設(shè)滾輪工作半程時(shí)定嘴板位于主盤上Oo處，其末端位于點(diǎn)P1處，如圖4a所示，∠P1OoO=90°+α。測(cè)得定嘴板末端旋轉(zhuǎn)軌跡半徑為R2=230 mm，設(shè)置R3=R2+5，即R3=235 mm，此處預(yù)留5 mm避免旋轉(zhuǎn)干涉。為保證喂出的種粒均能落入斜槽，設(shè)置斜槽頂端位于點(diǎn)P2處（不考慮斜槽兩側(cè)擋板高度），點(diǎn)P2為直線P1Oo過(guò)點(diǎn)P1的垂線與半徑為R3的圓（圓心為O）的交點(diǎn)，如圖4a所示。OP2與垂線間夾角即為β3。設(shè)OOo與垂線間的夾角為β1，即滾輪工作半程時(shí)定嘴板所處位置角，則β1=β?φ0?φ/2，故

計(jì)算可得：∠P1OOo≈6°，∠P1OP2≈3°，β3≈25°。斜槽采用普通鋼材料，為保證所有種粒均可靜止從斜槽頂端自由滑下，設(shè)置θ1=23°，滿足要求。

② 確定結(jié)構(gòu)尺寸

結(jié)合2.1節(jié)中種粒厚度上限值，設(shè)置h0=8＞5.8 mm，如圖4b所示。設(shè)點(diǎn)P2處動(dòng)嘴兩翼板間距離為L(zhǎng)4，測(cè)得L4=55 mm，為避免斜槽兩側(cè)擋板對(duì)定嘴板和兩側(cè)翼板產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)干涉，需設(shè)置鴨嘴定嘴板寬度LS＜L1＜L4，本研究取L1=40 mm。動(dòng)力學(xué)分析可知，種粒從定嘴板末端滑出，落入斜槽上部P2P3段范圍內(nèi)，P3為P1Oo延長(zhǎng)線與導(dǎo)引斜槽的交點(diǎn)，如圖4a所示，計(jì)算可得P2P3線段長(zhǎng)約為54 mm。為保證定嘴板上滑出的種粒均能落入斜槽內(nèi)，設(shè)置P3點(diǎn)處斜槽寬度為L(zhǎng)c=LS=28 mm，如圖4b所示。另外結(jié)合2.1節(jié)中種粒長(zhǎng)度上限，研究中設(shè)定L2=20＞14 mm。計(jì)算可得：L3=90 mm。

2）塑料定位圓管、緩沖限位舌片和導(dǎo)向板

塑料定位圓管、緩沖限位舌片和導(dǎo)向板的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖3c所示，包括：塑料定位圓管的內(nèi)徑D4=2R4（R4為內(nèi)半徑）、垂直高度h1和安裝傾斜角θ3，緩沖限位舌片的傾斜角θ4和開(kāi)口寬度L7，U型導(dǎo)向板高度h3等。其中，限位舌片根部與定位管前側(cè)壁無(wú)縫連接，其尖端與后側(cè)壁形成限位通道，該通道和定位圓管出口斜切面的高度均為h3。

當(dāng)種粒通過(guò)斜槽底部的速度較大或較小時(shí)，則幾乎以胚芽面平行或垂直圓管截面的方位進(jìn)入，為保證所有種粒順利通過(guò)，結(jié)合2.1節(jié)中種粒長(zhǎng)、寬、厚尺寸上限值，計(jì)算并設(shè)置R4=12 mm。此外，設(shè)置圓管管徑方向垂直斜槽傾斜方向，即令θ2=90°?θ1=67°，以減小種粒速度對(duì)后續(xù)導(dǎo)向定位的影響。限位舌片采用與斜槽相同材質(zhì)，設(shè)置θ4=θ1=23°。為保證任一種?？身樌ㄟ^(guò)限位通道落入輸送帶，設(shè)置L7=R4=12 mm，且需h3>Llmax，本研究取h3=16 mm。另外，計(jì)算可得h1需滿足：h1>h3+R4sinθ4/sin(θ2?θ4)+D4cosθ2，即h1>33 mm，本研究取h1=50 mm。

2.3.3 種粒喂入輸送帶的位置范圍測(cè)試

將排種器在不同喂種速率（0.2～1.5次/s，其中排種器轉(zhuǎn)動(dòng)1圈喂種7次，故對(duì)應(yīng)排種器轉(zhuǎn)速為2/70～15/70 rad/s）下各喂種50次，共計(jì)700次。每次待喂出種粒穩(wěn)定后，輸送帶緩慢前行80 mm，使種粒走出U型導(dǎo)向板內(nèi)部，便于測(cè)量。將U型導(dǎo)向板在輸送帶上的投影朝輸送方向平移80 mm，到達(dá)如圖5所示的U形虛線位置處，然后分別以U型曲線的底部切線、左側(cè)切線以及兩切線交點(diǎn)作為X軸、Y軸和坐標(biāo)原點(diǎn)，以種粒形心坐標(biāo)作為其所在位置，測(cè)得喂出種粒的位置分布如圖5所示。觀察圖5可知，出現(xiàn)部分種粒位于U型曲線后側(cè)，是由于在輸送過(guò)程中，導(dǎo)向板內(nèi)側(cè)板沿的摩擦阻力使種粒相對(duì)輸送帶發(fā)生了滯后位移，出現(xiàn)個(gè)別種粒位于旁側(cè)的情況，是由于內(nèi)側(cè)板沿的摩擦阻力和輸送帶的摩擦動(dòng)力，使種粒在導(dǎo)向板出口處發(fā)生了向外轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)致其形心向外偏移。

圖5 玉米種粒喂入輸送帶位置分布圖Fig.5 Location distribution of corn seed fed into conveyer belt

觀察分布圖可知，轉(zhuǎn)速對(duì)種粒位置分布不存在明顯影響。圖5中，種粒喂入輸送帶的位置范圍為30 mm× 40 mm，其中，X坐標(biāo)范圍為：0～30 mm，Y坐標(biāo)范圍為：?10～30 mm。若考慮種粒的尺寸大小，結(jié)合2.1節(jié)中種粒的長(zhǎng)度上限可得，實(shí)際喂入位置范圍為：44 mm× 54 mm。

2.4 凹型定位槽的設(shè)計(jì)

2.4.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

凹型定位槽結(jié)構(gòu)如圖6所示，通過(guò)安裝孔固定于輸送裝置上，底部?jī)蓚?cè)隔離片使其與輸送帶隔離，在輸送運(yùn)行階段將輸送過(guò)來(lái)的種粒定位在凹槽底部，即定序工位處，圖中vs為輸送速度。槽板表面涂有反光率低的黑漆，槽口凹部?jī)蓚?cè)側(cè)表面較為光滑。

圖6 凹型定位槽結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.6 Schematic diagram of concave shape locating notch

2.4.2 定位過(guò)程分析及連續(xù)有效定位條件確定

1）定位過(guò)程階段性分析

對(duì)種粒定位過(guò)程中各階段的運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行分析，如圖7所示，設(shè)種粒喂入輸送帶的位置范圍為：Sx×Sy，進(jìn)入定位階段之初，對(duì)應(yīng)于圖7a中灰色矩形區(qū)域，設(shè)該區(qū)域?yàn)槎ㄎ黄鸩絽^(qū)，關(guān)于凹槽槽口中線對(duì)稱，記其中心為Oxy。由2.3.3節(jié)可知種粒喂入輸送帶的位置范圍為：44 mm×54 mm，因此Sx=44 mm，Sy=54 mm。忽略自轉(zhuǎn)，將種?？醋鲑|(zhì)點(diǎn)，分析種粒定位過(guò)程中各階段的運(yùn)動(dòng)情況。其中，凹槽底部L13×S57區(qū)域?yàn)槎ㄐ蚬の粎^(qū)。

當(dāng)種粒位于定位起步區(qū)左上角（圖7a中位置1，或右上角）時(shí)，定位初始距離最大，前進(jìn)過(guò)程中受槽口側(cè)邊阻礙的時(shí)間最長(zhǎng)，最終完成定位的時(shí)間也最長(zhǎng)。假設(shè)輸送帶勻速運(yùn)行，速度為vs。其定位過(guò)程可劃分為7個(gè)運(yùn)動(dòng)階段，各階段運(yùn)動(dòng)情況分析如下：

① 接觸凹槽前隨同輸送帶等速前行階段。設(shè)本階段種粒沿輸送方向的位移為S01，則本階段耗時(shí)為t1=S01/vs。

② 開(kāi)始接觸時(shí)的轉(zhuǎn)向過(guò)渡階段。在該階段，種粒初始速度vs垂直于凹槽側(cè)邊分速度vs12變?yōu)?，平行于該側(cè)邊的分速度vs11不變。

③ 以速度vs1沿傾角為θ6（0<θ6<90°）的凹槽側(cè)邊勻速滑行階段。其中vs1=vs11=vssinθ6，vs1沿輸送方向分速度為vs1′=vs1sinθ6。若設(shè)該階段種粒平行和垂直輸送方向位移分別為S13、S2，則S2=S13cotθ6，且該階段耗時(shí)為t2=S13/vs1′。

④ 轉(zhuǎn)向至傾角為θ7（0<θ7<90°，且θ7>θ6）的凹槽側(cè)邊的過(guò)渡階段。在該階段，種粒初始速度vs1垂直于新的凹槽側(cè)邊的分速度vs22變?yōu)?，平行于該側(cè)邊的分速度vs21不變。

⑤ 沿傾角為θ7的凹槽側(cè)邊滑行階段。初速度為vs21，加速至vs2后，勻速滑行，vs2=vssinθ7，vs2沿輸送方向分速度為vs2′=vs2sinθ7。若設(shè)該階段種粒平行和垂直輸送方向位移分別為S35、S4，則S4=S35cotθ7。由于Sx=L13+2S2+2S4，故代入S2、S4并整理可得

式中L13為轉(zhuǎn)向過(guò)渡處（從傾角為θ7的凹槽側(cè)邊過(guò)渡到傾角為θ8的凹槽側(cè)邊）的槽口寬度，mm。

忽略加速時(shí)間，認(rèn)為本階段種粒全程以速度vs2勻速滑行，則該階段耗時(shí)為t3=S35/vs2′。

圖7 種粒定位過(guò)程中各階段運(yùn)動(dòng)情況分析Fig.7 Motion analysis of each phase of seed positioning process

⑥ 轉(zhuǎn)向至傾角為θ8（0<θ8<90°，且θ8>θ7）的凹槽側(cè)邊的過(guò)渡階段。在該階段，種粒初始速度vs2垂直于新的凹槽側(cè)邊的分速度vs32變?yōu)榱?，平行于該?cè)邊的分速度vs31不變，vs31=vs2′。轉(zhuǎn)角處槽口寬L13與種粒幾何尺寸有關(guān)，其取值應(yīng)大于種粒寬度，同時(shí)為盡量減小定位區(qū)間，方便后續(xù)快速定點(diǎn)吸取，設(shè)置其取值小于種粒長(zhǎng)度，由此結(jié)合2.1節(jié)中種粒長(zhǎng)度上限值，設(shè)定L13=12 mm。設(shè)置θ8=90°，與輸送方向一致。

⑦ 以初速度vs31沿傾角為θ8的凹槽側(cè)邊變速滑行，直至抵達(dá)凹槽底部（圖7a中位置3）完成定位。設(shè)種粒抵達(dá)凹槽底部時(shí)的速度為vs4，則vs4=0。設(shè)該階段凹槽側(cè)邊長(zhǎng)為S57，本研究設(shè)定S57=12 mm，大于種粒長(zhǎng)度一半且不超過(guò)長(zhǎng)度上限值，由此定序工位大小為：12 mm× 12 mm。由于S57較小，忽略速度變化，認(rèn)為本階段種粒以速度vs31勻速滑行至底部，則該階段耗時(shí)為t4=S57/vs31。

綜上所述，整個(gè)定位過(guò)程中種粒耗時(shí)最長(zhǎng)為tmax=t1+t2+t3+t4，整理得

當(dāng)種粒位于定位起步區(qū)底部中央（圖7a中位置1′）時(shí)，定位初始距離最小，不受槽口側(cè)邊的影響，全程隨同輸送帶等速運(yùn)行至凹槽底部，完成定位耗時(shí)最少。

2）連續(xù)有效定位條件確定

若輸送帶上前一周期喂出的種粒位于位置1，連續(xù)后一周期的種粒位于位置1′，設(shè)此時(shí)2種粒沿輸送方向距離為?S1，1個(gè)輸送周期后，前粒到達(dá)位置2，后粒到達(dá)位置2′，2個(gè)輸送周期后，前粒到達(dá)位置3，完成定位，后粒到達(dá)位置3′，設(shè)此時(shí)2種粒沿輸送方向距離變?yōu)?S2。設(shè)輸送帶單周期運(yùn)行距離為L(zhǎng)0，則

在整個(gè)定位過(guò)程中，前粒沿輸送方向前進(jìn)距離Sb為

后粒前進(jìn)距離Sa為

故

為避免相鄰周期種粒匯合在凹槽底部，挨靠擠壓在一起，影響后續(xù)調(diào)向分面擺放工作，需保證?S2>0?？紤]到種粒實(shí)際尺寸，本研究設(shè)置?S2>St，結(jié)合2.1節(jié)中種粒幾何極限值，令St=14 mm，將式（2）～（7）代入可得

觀察式（8）可知，為使L0盡量小，需S35較小，θ6和θ7較大，且θ7盡可能多地大于θ6，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)分析和測(cè)試驗(yàn)證，本研究設(shè)置θ6=60°，θ7=72°，S35=25 mm，由此據(jù)式（8）計(jì)算得，輸送帶單周期運(yùn)行距離需滿足：L0>79.14 mm，本研究設(shè)置L0=80 mm。設(shè)本研究設(shè)置定位起步區(qū)與凹槽底部的距離為L(zhǎng)10c，如圖7a所示，則L10c=L0+?S2+Sy/2，代入相關(guān)數(shù)據(jù)得，此時(shí)需設(shè)置L10c=122 mm。

2.5 調(diào)向分面擺放裝置的設(shè)計(jì)

2.5.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

調(diào)向分面擺放裝置結(jié)構(gòu)拆分圖如圖8所示，主要功能部件包括：分面旋轉(zhuǎn)臂2、分面電機(jī)1、調(diào)向桿4、真空吸盤5、調(diào)向電機(jī)3、升降氣缸6、光電開(kāi)關(guān)7、9、10等。升降氣缸推動(dòng)分面旋轉(zhuǎn)臂上抬或下放，分面電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)臂同步旋轉(zhuǎn)，調(diào)向電機(jī)固定于旋轉(zhuǎn)臂自由端之上，單軸垂直向下，無(wú)干涉穿過(guò)旋轉(zhuǎn)臂，軸下端固定有垂直調(diào)向桿，調(diào)向桿底端套有真空吸盤，可隨調(diào)向電機(jī)同步旋轉(zhuǎn)。中間、左側(cè)、右側(cè)光電開(kāi)關(guān)分別用于定位旋轉(zhuǎn)臂是否已到達(dá)凹槽正中間、左側(cè)和右側(cè)擺放工位處。

工作前，旋轉(zhuǎn)臂位于左側(cè)光電信號(hào)處。圖像檢測(cè)完成后，相機(jī)復(fù)位，調(diào)向分面擺放工作開(kāi)始。首先，分面電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)臂右旋，至檢測(cè)到中間光電信號(hào)，完成初步定位，再結(jié)合種粒形心位置檢測(cè)信息，據(jù)其偏移中間光電信號(hào)的距離微調(diào)旋轉(zhuǎn)角，至吸盤定位至種粒正上方，實(shí)現(xiàn)精確定位。然后，氣吸系統(tǒng)開(kāi)啟，升降氣缸推動(dòng)旋轉(zhuǎn)臂垂直下行，吸盤貼近并吸住種粒后，隨升降氣缸一同上行回縮。隨后，根據(jù)胚芽正反面檢測(cè)信息，驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)，進(jìn)行分面定位：胚芽面朝上，則左旋轉(zhuǎn)定位，將種粒分放于左側(cè)擺放工位；反之，則右旋轉(zhuǎn)定位，分放于右側(cè)。本研究設(shè)置垂直輸送方向朝右為種粒目標(biāo)朝向，分面定位的同時(shí)，結(jié)合尖端朝向檢測(cè)信息，確定調(diào)向角度和旋轉(zhuǎn)方向，啟動(dòng)調(diào)向電機(jī)旋轉(zhuǎn)調(diào)向，使之朝向目標(biāo)方位。由于旋轉(zhuǎn)分面使種粒的方向角產(chǎn)生了附加變化，為此在調(diào)向時(shí)需予以糾正。若設(shè)左側(cè)、右側(cè)光電開(kāi)關(guān)與中間光電開(kāi)關(guān)所夾圓心角分別為θ10、θ11，則左分面時(shí)，需調(diào)向角右增θ10；右分列時(shí)，需左增θ11。分面定位和調(diào)向完畢后，升降氣缸推動(dòng)吸盤下行到位，氣吸系統(tǒng)關(guān)閉，吸盤放下定向定位后的種粒，隨后升降氣缸上行歸位，相機(jī)置位，至此本周期定向定位擺放工作全部完成。以上為針對(duì)排種器單次喂出單粒種子的情況。

圖8 調(diào)向分面擺放裝置結(jié)構(gòu)拆分圖Fig.8 Splitting structure diagram of adjusting and faceted mechanism for directional positioning

2.5.2 旋轉(zhuǎn)定位精度要求分析

本研究設(shè)計(jì)真空吸盤有效旋轉(zhuǎn)半徑（吸盤中心與旋轉(zhuǎn)中心軸軸心間距離）為R6=200 mm。結(jié)合2.1節(jié)中種粒寬度下限值Lwmin，為避免種粒邊緣較不平整影響吸取效果，擬選用圓形吸盤盤面直徑為D7=Lwmin/2，實(shí)際選取D7=4 mm，此時(shí)吸盤面積為Av=πR62/400=125.66×10-3cm2。由于R6較大，Lwmin較小，故可將Lwmin近似為弧長(zhǎng)。為保證吸盤能有效吸起種粒，在分面電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，需盤心定位于種粒上表面中心，偏差最大不能超過(guò)種粒寬度的一半，故其定位精度（記為弧長(zhǎng)值La）需滿足La

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本裝置的控制系統(tǒng)包括上位機(jī)圖像采集與處理系統(tǒng)和下位機(jī)動(dòng)力控制系統(tǒng)兩部分。

3.1 圖像采集與處理系統(tǒng)

上位機(jī)為圖像采集與處理系統(tǒng)，進(jìn)行定序工位處合格種粒的胚芽正反面、尖端朝向角和形心位置的圖像檢測(cè)，并將檢測(cè)結(jié)果實(shí)時(shí)串行通信給下位機(jī)動(dòng)力控制系統(tǒng)，同時(shí)保存于本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)中。主要包括臺(tái)式計(jì)算機(jī)、相機(jī)、組合光源和光源箱。相機(jī)選用Basler A602fc高速彩色工業(yè)數(shù)字?jǐn)z像機(jī)，最大分辨率為651×496，最大幀率為100幀/s，焦距為8 mm，視角為40°，圖像輸出接口為IEEE1394，安裝時(shí)，鏡頭光軸距輸送帶高度為93 mm，采圖大小為640×480像素，實(shí)際范圍為83 mm×62 mm，圖像Y方向與輸送方向一致。光源選用2個(gè)1 W的組合光源，每組光源由3個(gè)白光LED均勻排成一行，兩組光源對(duì)稱固定于相機(jī)兩側(cè)。

一般種粒外形特征如圖9a所示，主要包括尖端點(diǎn)PT、形心Po、長(zhǎng)軸PTPc、短軸PaPb、輪廓線PTPbPcPa、長(zhǎng)軸方向外接矩形RaRbRcRd、長(zhǎng)軸上胚像素長(zhǎng)PTPN（胚芽面朝下時(shí)）或者PTPP（胚芽面朝上時(shí)）。設(shè)種粒胚區(qū)域輪廓線長(zhǎng)度為lw，胚乳區(qū)域形心為Py。根據(jù)本課題組前期研究[24,28-29]可知：1)種粒輪廓點(diǎn)的中心，即為種粒形心Po；2)胚區(qū)域輪廓線上與Py距離最遠(yuǎn)的點(diǎn)為尖端點(diǎn)PT，PTPo線偏離圖像X方向的角度，即為種粒尖端朝向角；3)胚芽面朝上時(shí)，PTPP/PTPc>0.5；胚芽面朝下時(shí)，PTPN/PTPc≤0.5。

圖9 種粒外形特征分析示意圖Fig.9 Analysis diagram of appearance characteristic of seed

本研究結(jié)合種粒樣本的特點(diǎn)進(jìn)行了如下改進(jìn)：

① 修正尖端點(diǎn)。如圖9b所示，少數(shù)種粒樣本尖端較平坦或者露出黑色胚部，導(dǎo)致胚區(qū)域存在兩個(gè)偽尖端點(diǎn)P、P′，采用上述方法1)可檢測(cè)出其中之一，設(shè)其為點(diǎn)P，且設(shè)PPy的距離為lmax。觀察可知，以P和P′沿胚區(qū)域輪廓線的中點(diǎn)作為尖端點(diǎn)，可獲得更準(zhǔn)確的尖端朝向角。

尋找另一個(gè)偽尖端點(diǎn)P′：在胚區(qū)域輪廓線上，以P點(diǎn)為起點(diǎn)，順時(shí)針間隔5個(gè)像素點(diǎn)后，計(jì)算隨后的lw/5輪廓線上與Py距離最大的5個(gè)連續(xù)輪廓點(diǎn)，設(shè)與Py的像素距離分別為li(1≤i≤5，且為整數(shù))，記5點(diǎn)的中點(diǎn)為Pc，Pc與P沿輪廓線的距離為lcp。若滿足|li?lmax|≤lth1，lth2≤lcp

② 修正胚芽正反面判斷方法。如圖9c，少數(shù)胚芽面朝上的種粒，胚邊界區(qū)域處呈現(xiàn)與胚乳區(qū)域相近的顏色，導(dǎo)致長(zhǎng)軸上胚像素長(zhǎng)PTPP被檢測(cè)為PTPP′，出現(xiàn)PTPP/PTPc<0.5；少數(shù)胚芽面朝下的種粒，胚乳邊界區(qū)域大片呈現(xiàn)與胚區(qū)域相近的顏色，長(zhǎng)軸上胚像素長(zhǎng)PTPN被檢測(cè)為PTPN′，出現(xiàn)PTPN/PTPc>0.5。此時(shí)上述方法3）失效。設(shè)PTRd、PTPc上胚胚像素?cái)?shù)分別為n1、n2，觀察可知，圖9c中，n1與n2差值較明顯，而圖9d中并不明顯，由此，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)測(cè)試，將判斷條件調(diào)整為：若0.6

此外，定序工位處種?！罢辰Y(jié)”情況的檢測(cè)方法如下：追蹤圖像中所有種粒輪廓線，并找到距離定序工位最近的目標(biāo)輪廓線，確定其沿圖像坐標(biāo)軸方向的外接矩形，設(shè)外接矩形長(zhǎng)為L(zhǎng)x，寬為L(zhǎng)y。若Lx>Llmax或者Ly>Lwmax，則可判斷存在種?！罢辰Y(jié)”現(xiàn)象，然后以定序工位區(qū)作為處理區(qū)域，追蹤該區(qū)域內(nèi)的種粒輪廓線，并將輪廓中心點(diǎn)作為首粒種子的形心。

3.2 動(dòng)力控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)根據(jù)圖像檢測(cè)結(jié)果，實(shí)現(xiàn)對(duì)裝置中運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的有序控制，其硬件主要包括1臺(tái)PLC控制器、4套步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器（排種、輸送、分面、調(diào)向各1套）、4組繼電器和電磁閥（氣吹、升降、相機(jī)置復(fù)位、氣吸各1組）、2個(gè)氣缸、3個(gè)光電開(kāi)關(guān)（旋轉(zhuǎn)臂中間、左側(cè)和右側(cè)旋轉(zhuǎn)定位）、2套氣動(dòng)系統(tǒng)（1套為氣吹、升降、相機(jī)置復(fù)位用的空壓氣源系統(tǒng)，另1套為氣吸用的微型真空泵系統(tǒng)），一套5v/12v/24v的電源系統(tǒng)，還包括1個(gè)通斷微型真空泵電源的繼電器。

對(duì)裝置運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行如下設(shè)置：1）設(shè)置排種器的轉(zhuǎn)速為0.5次/s，即2 s喂種1次，則各部分裝置運(yùn)行周期為2 s。2）輸送輥筒直徑為52 mm，設(shè)置輸送帶單周期運(yùn)行距離為80 mm，輸送電機(jī)細(xì)分?jǐn)?shù)為3 200，采取加減速運(yùn)行方式，設(shè)定目標(biāo)頻率為5 876 Hz，加減速時(shí)間均為194 ms，單周期中運(yùn)行時(shí)間為460 ms，間歇時(shí)間為1 540 ms。該輸送狀態(tài)下，種粒在無(wú)外物干擾下不與輸送帶發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)。3）分面電機(jī)細(xì)分?jǐn)?shù)為3 200，測(cè)得從右側(cè)、左側(cè)光電開(kāi)關(guān)處旋轉(zhuǎn)至中間光電開(kāi)關(guān)處，分別需要712個(gè)和699個(gè)脈沖。由于升降過(guò)程中的輕微震動(dòng)會(huì)略微改變旋轉(zhuǎn)臂先前的定位狀態(tài)，產(chǎn)生定位偏差，測(cè)得該偏差在2°（對(duì)應(yīng)18個(gè)脈沖）以內(nèi)，因此初步定位時(shí)，采取先加減速快速減小偏移量再緩慢勻速到達(dá)定位點(diǎn)的方式：右旋轉(zhuǎn)定位時(shí)，先加減速運(yùn)行694個(gè)脈沖，設(shè)定目標(biāo)頻率為2 000 Hz，加減速時(shí)間為270 ms，然后以200 Hz的頻率運(yùn)行至右側(cè)光電信號(hào)處；左旋轉(zhuǎn)定位時(shí)，加減速運(yùn)行671個(gè)脈沖，其他設(shè)置同右旋轉(zhuǎn)定位。旋轉(zhuǎn)臂精確定位時(shí)，設(shè)定運(yùn)行頻率為200 Hz。調(diào)向電機(jī)細(xì)分?jǐn)?shù)為1 200，運(yùn)行頻率為4 800 Hz。試驗(yàn)測(cè)試表明，采取上述措施后，旋轉(zhuǎn)臂的定位弧長(zhǎng)偏差可控制在3 mm的范圍內(nèi)，滿足前述2.5.2節(jié)要求。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 試驗(yàn)條件

2015年11月在現(xiàn)代富博（天津）智能裝備科技有限公司的車間進(jìn)行了試驗(yàn)，如圖10所示，裝置樣機(jī)由該公司生產(chǎn)，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。試驗(yàn)種粒使用無(wú)包衣的金博士鄭單958成品種子。測(cè)量設(shè)備包括卷尺、角度尺等。

圖10 樣機(jī)試驗(yàn)Fig.10 Test for protype

4.2 試驗(yàn)內(nèi)容及方法

對(duì)本裝置性能進(jìn)行測(cè)試，主要評(píng)價(jià)指標(biāo)有：種粒胚芽正反面檢測(cè)準(zhǔn)確率（胚芽正反面圖像判斷正確的比率）、尖端朝向檢測(cè)偏差（圖像檢測(cè)到的種粒尖端朝向角與實(shí)際朝向角之差）、凹槽定位準(zhǔn)確率（種粒準(zhǔn)確定位至凹槽底部的比率）、旋轉(zhuǎn)臂定位吸取準(zhǔn)確率（旋轉(zhuǎn)臂準(zhǔn)確定位并有效吸取種粒的比率）以及定位定向擺放時(shí)的定位準(zhǔn)確率（種粒準(zhǔn)確地?cái)[放至指定位置區(qū)域的比率）和角度偏差（完成擺放后種粒的尖端朝向角與目標(biāo)尖端朝向角之差）。測(cè)試時(shí)，不改變種粒當(dāng)前位置和姿態(tài)，測(cè)試方法如下：1）對(duì)喂入輸送帶的種粒，按序進(jìn)行編號(hào)；2）每次種粒到達(dá)定序工位處后，裝置暫停2 min，測(cè)量種粒與凹槽底部的距離，若該距離小于3 mm且不存在種?！罢尺B”情況，則認(rèn)為定位成功，否則認(rèn)為定位失敗，若定位成功，則判斷胚芽正反面，測(cè)量尖端朝向角，將結(jié)果記錄在對(duì)應(yīng)編號(hào)下；3）觀察旋轉(zhuǎn)臂能否成功定位吸取種粒，將結(jié)果記錄在對(duì)應(yīng)編號(hào)下。若定序工位處種粒粘連或者種粒定位吸取失敗，則裝置暫停，待人工將種粒清除后，繼續(xù)暫停前的狀態(tài)運(yùn)行；4）在調(diào)向分面擺放裝置兩側(cè)各放置一個(gè)承接平臺(tái)，在平臺(tái)上表面設(shè)置大小為20 mm×15 mm的擺放區(qū)域，其長(zhǎng)度方向?yàn)榉N粒尖端朝向目標(biāo)方向，區(qū)域中心正對(duì)定位信號(hào)。每次完成定向擺放后，裝置暫停1 min，判斷種粒是否完全位于矩形區(qū)域內(nèi)，若是，則認(rèn)為定位擺放成功，否則認(rèn)為失敗，同時(shí)測(cè)量種粒的尖端朝向角，將結(jié)果記錄在對(duì)應(yīng)編號(hào)下，隨后移走種粒；5）根據(jù)記錄結(jié)果，并結(jié)合本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)中保存的圖像檢測(cè)結(jié)果，獲得裝置各性能指標(biāo)的測(cè)試結(jié)果。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果

按照上述4.2節(jié)方法，啟動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行1 800個(gè)周期，對(duì)胚芽正反面檢測(cè)準(zhǔn)確率、尖端朝向檢測(cè)偏差、凹槽定位準(zhǔn)確率、旋轉(zhuǎn)臂定位吸取準(zhǔn)確率、種粒擺放的定位準(zhǔn)確率和角度偏差以上評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果如表2所示。

表2 試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果Table 2 Test results

其中，凹槽定位準(zhǔn)確率和旋轉(zhuǎn)臂定位吸取準(zhǔn)確率對(duì)裝置連續(xù)協(xié)調(diào)運(yùn)行影響重大，一旦出現(xiàn)凹槽定位或種粒定位吸取失敗，很可能導(dǎo)致連續(xù)周期喂出的種粒粘連或者擁堵在定向定位工位處，雖然可以采取人工觀察并手動(dòng)清除的方式予以解決，但是給操作帶來(lái)了不便性，在后續(xù)的研究中，一方面可考慮進(jìn)一步提高凹槽定位準(zhǔn)確率和旋轉(zhuǎn)臂定位吸取準(zhǔn)確率，另一方面可考慮增設(shè)檢測(cè)裝置來(lái)自動(dòng)判斷上述情況，并在凹槽定位或種粒定位吸取失敗時(shí)提示系統(tǒng)進(jìn)行異常處理，比如進(jìn)行多次吸取或者進(jìn)行聲光報(bào)警或者自動(dòng)清除種粒等。

5 結(jié) 論

1）提出了一種排出種粒落入輸送帶的導(dǎo)向定位方法，設(shè)計(jì)了導(dǎo)向定位管，并通過(guò)經(jīng)驗(yàn)分析和理論計(jì)算，確定了結(jié)構(gòu)尺寸和安裝方位。試驗(yàn)測(cè)試表明，種粒落在輸送帶44 mm×54 mm范圍內(nèi)，具有較高定位精度。

2）設(shè)計(jì)了輸送帶上種粒機(jī)械定位的凹型定位槽，分階段分析了定位過(guò)程中種粒的速度和位置變化情況，確定了連續(xù)有效定位的條件。試驗(yàn)表明，凹槽定位準(zhǔn)確率達(dá)97%。

3）改進(jìn)了合格種粒胚芽正反面和尖端朝向的圖像檢測(cè)算法，胚芽正反面檢測(cè)準(zhǔn)確率為98%，尖端朝向檢測(cè)偏差≤8°。

4）設(shè)計(jì)了調(diào)向和分面旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，試驗(yàn)表明，旋轉(zhuǎn)臂定位吸取準(zhǔn)確率為94%，種粒擺放的定位準(zhǔn)確率為99%，且種粒擺放后的角度偏差不大于10°。

設(shè)計(jì)的玉米種粒定向定位擺放裝置，可完成合格種粒的定向定位擺放。若在本裝置兩側(cè)各放置一條運(yùn)動(dòng)的黏性種子帶，使種粒均勻有序地黏貼在種子帶上，可為后續(xù)玉米種粒的定向包裝和定向播種提供參考。

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Development of corn seed directional positioning machine based on machine vision

Wang Qiao1, Chen Bingqi※1, Kou Chunrong2, Zhu Deli3, Geng Baipeng2
(1. College of Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083, China; 2. Modern Fubo (Tianjin) Intelligent Equipment Technology Co., Ltd, Tianjing 301700, China; 3. College of Computer and Information, Chongqing Normal University, Chongqing 400047, China)

Directional seeding of corn seed can improve the light energy utilization of corn plants and the ventilated effect of field, which is of great significance to increase the corn yield per unit area. In order to realize directional seeding of corn seed, this study developed a kind of corn seed directional positioning machine based on image processing technology, and its main components included seed-metering device, conveying device, image acquisition and processing unit and directional positioning device. First, the compulsory clamp-type precision seed-metering device was chosen to complete seed feeding, and combined with the process of feeding seed when duckbilled seeding mouth was opened by roller, a guide-localization method was proposed for positioning process of seed onto conveyer belt. Based on this method, a kind of guide-localization tube was designed, and its structural dimension and installation position were determined through empirical analysis and theoretical calculation. And then the actual position distribution of corn seeds fed onto conveyer belt was acquired by the experiment. Also, locating notch of concave shape was designed to position seed by a mechanical way, and through speed and displacement analysis of each phase of seed positioning process, the conditions that seed could be positioned by locating notch effectively and continuously were obtained. At the same time, on the basis of previous studies, the image detection algorithm toward seed germ surface orientation and seed tip orientation of qualified seed was improved. In the end, the directional positioning device, the most important component of this machine, was developed with motors as rotary power. Location of seed was found according to image detection information as well as photoelectric positioning signal. After that, seed was grabbed by the way of suction to complete the following directional positioning work: On one hand, according to the image detection information about seed tip orientation, a specified motor drove a specified rotating mechanism of the machine to adjust seed tip orientation, which made seed towards the target direction; on the other hand, based on the image detection information about seed germ surface orientation, i.e. the front or the back, another specified motor drove another specified rotating mechanism of the machine to put seeds in 2 different positions located on each side of the machine. In addition, the required precision of revolving position was analyzed, and accordingly the positioning control mode was discussed and the corresponding operation parameters were set up. In the experiment, the results showed that the detection accuracy of germ surface orientation was 98%, the detection deviation of seed tip orientation was not more than 8°, the locating accuracy of concave notch was 97%, the locating and sucking accuracy of rotating arm was 94%, the locating accuracy of seed placing was 99%, and the angular deviation of seed placing was not more than 10°, which met the design requirements. If one viscous seed band is placed on each side of this machine, which is used to load seeds whose positioning and directing are completed and to make seeds stick on the seed bands evenly and orderly, it will provide condition and foundation for the subsequent directional packaging and seeding.

mechanization; crops; image recognition;corn seed; directional seeding; germ surface orientation; tip orientation

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.11.003

TP391

A

1002-6819(2017)-11-0019-10

王 僑，陳兵旗，寇春榮，朱德利，耿百鵬. 基于機(jī)器視覺(jué)的玉米種粒定向定位擺放裝置研制[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(11)：19－28.

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.11.003 http://www.tcsae.org

Wang Qiao, Chen Bingqi, Kou Chunrong, Zhu Deli, Geng Baipeng. Development of corn seed directional positioning machine based on machine vision[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(11): 19－28. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.11.003 http://www.tcsae.org

2016-09-03

2017-05-08

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目（2012AA10A501-5）；重慶青年人才計(jì)劃（cstc2013kjrc-qnrc40001）；重慶市前沿與應(yīng)用基礎(chǔ)研究計(jì)劃（cstc2013jcyjA80013）；重慶市教委科技計(jì)劃（KJ1500321）

王 僑，女，湖北天門人，博士生，主要從事玉米圖像精選與定向播種技術(shù)的研究。北京 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，100083。

Email： tianlan12222@126.com

※通信作者：陳兵旗，男，河南沁陽(yáng)人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事圖像處理與機(jī)器視覺(jué)方面的研究。北京 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，100083。

Email：fbcbq@163.com