種薯排種器托種勺缺種的多點(diǎn)激光檢測(cè)方法

楊振宇，劉發(fā)英，朱光明，李學(xué)強(qiáng)，王相友

(1.山東理工大學(xué) a.機(jī)械工程學(xué)院；b.電氣與電子工程學(xué)院；c.農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，山東 淄博 255049；2.山東希成農(nóng)業(yè)機(jī)械科技有限公司，山東 樂(lè)陵 253699)

0 引言

中國(guó)是馬鈴薯生產(chǎn)第一大國(guó)，與水稻、玉米和小麥并稱為我國(guó)四大主糧作物，在保證國(guó)家糧食安全和農(nóng)戶創(chuàng)收中起到了重要作用。隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的不斷調(diào)整，馬鈴薯的種植面積還在不斷擴(kuò)大。在農(nóng)機(jī)購(gòu)置補(bǔ)貼政策的拉動(dòng)下，近年我國(guó)馬鈴薯播種機(jī)械化水平有了顯著提高[1-4]，但馬鈴薯種薯機(jī)械化播種漏播率一般只可控制在小于11%(山東希成農(nóng)業(yè)機(jī)械科技有限公司2CMX-4B馬鈴薯種植機(jī)播種作業(yè)數(shù)據(jù))。因種薯漏播影響馬鈴薯產(chǎn)量，國(guó)內(nèi)外科研人員進(jìn)行了漏播預(yù)警與檢測(cè)的相關(guān)技術(shù)研究[5-12]，為其他研究人員提供了啟發(fā)和技術(shù)基礎(chǔ)，但在馬鈴薯播種的生產(chǎn)實(shí)際中沒(méi)有得到廣泛推廣，因此還需要在智能檢測(cè)和自動(dòng)化控制技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)一步探索。馬鈴薯播種機(jī)播種作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)和種薯排種器外形結(jié)構(gòu)，如圖1所示。其作業(yè)環(huán)境具有以下特點(diǎn)：自然光照、有塵土、非結(jié)構(gòu)化。馬鈴薯播種精度主要取決于排種器的排種精度，排種器的核心部件是排種帶、托種勺和振動(dòng)裝置。減少種薯漏播的常用方法是人工調(diào)整振動(dòng)裝置的振幅，使種薯在托種勺上不易跌落，以此來(lái)降低種薯漏播率；但會(huì)帶來(lái)另一個(gè)問(wèn)題：種薯較小時(shí)容易出現(xiàn)重播現(xiàn)象，因此不能將振動(dòng)裝置的振幅調(diào)得過(guò)低。在馬鈴薯播種機(jī)播種過(guò)程中，如果能夠利用多點(diǎn)激光檢測(cè)判斷托種勺上的缺種情況，采用智能控制系統(tǒng)控制振動(dòng)裝置振幅自動(dòng)調(diào)節(jié)、控制補(bǔ)種裝置自動(dòng)補(bǔ)種，就可以進(jìn)一步降低種薯的漏播率，把排種器調(diào)整到最佳工作狀態(tài)。因此，托種勺缺種判別顯得格外重要，是實(shí)現(xiàn)振動(dòng)裝置振幅自動(dòng)調(diào)節(jié)和補(bǔ)種器自動(dòng)補(bǔ)種的前提條件。

(a) 馬鈴薯播種機(jī)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng) (b) 種薯排種器1.排種帶 2.托種勺 3.種薯 4.機(jī)架圖1 馬鈴薯播種機(jī)與排種器Fig.1 Potato planter and potato seed-metering device

1 種薯排種器托種勺缺種檢測(cè)原理

在自然環(huán)境下，馬鈴薯播種機(jī)在播種時(shí)，通過(guò)兩列交錯(cuò)排列的托種勺依次從種箱中進(jìn)行提升種薯，種薯通過(guò)排種帶的頂部后翻入導(dǎo)薯筒，落在托種勺的背面，種薯此時(shí)所處的狀態(tài)最有利于缺種檢測(cè)。兩列托種勺的缺種檢測(cè)可以分別進(jìn)行：一列托種勺的缺種檢測(cè)可按如圖2所示方式進(jìn)行布置，在排種帶托種勺的側(cè)面分多層安裝激光傳感器，相鄰兩層激光傳感器的檢測(cè)高度h大于托種勺厚度的1.2倍，所有激光傳感器的總檢測(cè)高度為相鄰?fù)蟹N勺間隔距離0.4倍。

(a) 位置1 (b) 位置2 (c) 位置31.排種帶 2.托種勺 3.種薯 4.激光束 5.激光傳感器圖2 種薯排種器托種勺缺種檢測(cè)原理圖Fig.2 Detection schematic diagram for seed inexistence on the seed-storage spoon of the potato seed-metering device

種薯排種器托種勺缺種的檢測(cè)方法如下：

1)如圖2(a)所示，當(dāng)托種勺上存在種薯時(shí)，托種勺在排種帶的帶動(dòng)下，從上往下運(yùn)動(dòng)，依次使得上層、中層和下層激光傳感器響應(yīng)；在托種勺使得下層激光傳感器響應(yīng)的同時(shí)，種薯使得上層或中層激光傳感器響應(yīng)，此時(shí)判斷托種勺上有種薯，判別結(jié)果為該托種勺上不缺種。

2)如圖2(b)所示，不管托種勺上是否存在種薯，當(dāng)上層、中層和下層激光傳感器依次響應(yīng)一次后，1個(gè)托種勺位檢測(cè)結(jié)束。

3)如圖2(c)所示，當(dāng)托種勺上不存在種薯時(shí)，托種勺在排種帶的帶動(dòng)下，從上往下運(yùn)動(dòng)，同樣依次使得上層、中層和下層激光傳感器響應(yīng)；但在托種勺使得下層激光傳感器響應(yīng)的同時(shí)，上層或中層激光傳感器沒(méi)有響應(yīng)，這時(shí)判斷托種勺上沒(méi)有種薯，判別結(jié)果為該托種勺上缺種。

2 檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 檢測(cè)裝置系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了試驗(yàn)以上檢測(cè)原理，搭建種薯排種器托種勺缺種檢測(cè)試驗(yàn)裝置，如圖3所示。該試驗(yàn)裝置由液壓站、控制系統(tǒng)、激光傳感器和排種器裝置組成。排種器裝置采用液壓驅(qū)動(dòng)的方式運(yùn)行，液壓站為其提供動(dòng)力，在種薯排種器裝置的導(dǎo)薯筒側(cè)開(kāi)有檢測(cè)窗口；多層激光傳感器安裝在排種器裝置的一側(cè)，對(duì)準(zhǔn)檢測(cè)窗口中的托種勺；控制系統(tǒng)用來(lái)采集激光傳感器的信號(hào)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析，對(duì)托種勺缺種進(jìn)行判別，最后將判別結(jié)果輸出。

1.液壓站 2.控制系統(tǒng) 3.激光傳感器 4.排種器裝置 5.導(dǎo)薯筒 6.托種勺圖3 種薯排種器托種勺缺種檢測(cè)系統(tǒng)圖Fig.3 Detection system diagram for seed inexistence on the seed-storage spoon of the potato seed-metering device

2.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

種薯托種勺缺種判別控制系統(tǒng)主要由控制模塊、上層傳感器判別單元、中層傳感器判別單元、下層傳感器判別單元、傳感器測(cè)速單元、數(shù)據(jù)通訊模塊、聲光報(bào)警單元、補(bǔ)種單元和電源與復(fù)位單元組成，如圖4所示。該控制系統(tǒng)主要用于托種勺的缺種判別、排種裝置運(yùn)行方向和速度的檢測(cè)和實(shí)現(xiàn)故障的聲光報(bào)警?？刂颇K選用Mitsubishi FX3U-16MT/ES-A型PLC進(jìn)行邏輯處理；上、中、下層判別單元選用激光傳感器進(jìn)行托種勺缺種檢測(cè)；測(cè)速單元選用霍爾傳感器進(jìn)行排種裝置運(yùn)行方向和速度信號(hào)的采集；補(bǔ)種裝置單元接收到控制模塊的補(bǔ)種信號(hào)實(shí)現(xiàn)補(bǔ)種；振幅調(diào)整單元接收到控制模塊的振幅調(diào)整信號(hào)實(shí)現(xiàn)排種帶振幅的自動(dòng)控制；通訊模塊實(shí)現(xiàn)控制模塊、補(bǔ)種裝置單元和振幅調(diào)整單元之間的信號(hào)通訊；聲光報(bào)警模塊通過(guò)蜂鳴器和LED燈的閃爍來(lái)提示故障。

圖4 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)組成框圖Fig.4 Hardware structure block diagram for control system

種薯排種器托種勺缺種檢測(cè)控制流程，如圖5所示。首先，打開(kāi)檢測(cè)系統(tǒng)的電源開(kāi)關(guān)，按下啟動(dòng)按鈕，液壓站液壓系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)，排種器裝置運(yùn)轉(zhuǎn)，控制系統(tǒng)自檢后運(yùn)轉(zhuǎn)；霍爾傳感器檢測(cè)排種器裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)方向和速度；當(dāng)下層激光傳感器響應(yīng)時(shí)，上、中層激光傳感器也有部分響應(yīng)判斷托種勺不缺種，控制系統(tǒng)發(fā)出有種信號(hào)；當(dāng)下層激光傳感器響應(yīng)時(shí)，上、中層激光傳感器沒(méi)有任何響應(yīng)，則判斷托種勺缺種，控制系統(tǒng)發(fā)出缺種信號(hào)，向補(bǔ)種器發(fā)出補(bǔ)種信號(hào)；下層激光傳感器響應(yīng)信號(hào)消失，一個(gè)托種勺的缺種判別結(jié)束，依次循環(huán)完成所有經(jīng)過(guò)檢測(cè)窗口的托種勺缺種情況；排種器裝置托種勺缺種的判別過(guò)程中出現(xiàn)故障調(diào)用報(bào)警子程序，提醒使用者排除故障。

圖5 種薯排種器托種勺缺種控制流程圖Fig.5 Control flow chart for seed inexistence on the seed-storage spoon of the potato seed-metering device

3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)與回歸分析

3.1 試驗(yàn)條件

排種器托種勺缺種的多點(diǎn)激光檢測(cè)試驗(yàn)于2017年12月在山東理工大學(xué)研究生工作站(山東希成農(nóng)業(yè)機(jī)械科技有限公司)進(jìn)行，檢測(cè)的馬鈴薯品種為脫毒“夏波蒂”種薯，切塊后平均質(zhì)量在25～55g，排種帶的排種速度0.6～1.2m/s，通過(guò)調(diào)整裝置調(diào)整排種帶的振動(dòng)強(qiáng)度。

3.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

試驗(yàn)分析的指標(biāo)為種薯排種器托種勺缺種判別成功率(%)。影響因素分別為：因素X為種薯排種器排種速度v，按經(jīng)驗(yàn)值確定其水平分別為0.7、0.9、1.1m/s；因素Y為單體種薯的質(zhì)量m，按馬鈴薯種薯制備的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)確定其水平分別為(30±5)g、(40±5)g、(50±5)g；因素Z為排種帶振動(dòng)強(qiáng)度k, 其水平分別為輕微振動(dòng)、中等振動(dòng)和較強(qiáng)振動(dòng)。選用3因素3水平按照正交表L9(33)進(jìn)行正交試驗(yàn)，共設(shè)計(jì)9個(gè)試驗(yàn)方案，種薯排種器托種勺缺種的正交試驗(yàn)結(jié)果和極差分析結(jié)果如表1所示。各因素極差大小順序?yàn)椋篟X>RZ>RY。因此，影響收獲成功率的主要因素是排種帶的排種速度，其次是排種帶的振動(dòng)強(qiáng)度，最后是種薯的質(zhì)量。

表1 正交試驗(yàn)結(jié)果和極差分析表Table 1 Orthogonal experimental results and simple range

表2 正交試驗(yàn)方差分析表Table 2 Variance of orthogonal experiments

3.3 回歸試驗(yàn)與結(jié)果分析

如果種薯單體過(guò)小、排種帶振動(dòng)強(qiáng)度過(guò)低，容易引起種薯重種。依據(jù)排種器托種勺缺種判別的正交試驗(yàn)結(jié)果，選定質(zhì)量(40±5)g的種薯與排種帶振動(dòng)強(qiáng)度為中等振動(dòng)強(qiáng)度，對(duì)排種速度v在0.7～1.3m/s內(nèi)調(diào)整做單因素回歸試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果、回歸曲線(實(shí)線曲線)和多項(xiàng)式趨勢(shì)曲線(虛線曲線)如圖6所示。

圖6 排種速度對(duì)缺種判別成功率影響的分析Fig.6 Analysis of the effect of seeding speed on the success rate of missing seeds

回歸曲線方程為y=-67.381x2+125.9x+39.414，多項(xiàng)式趨勢(shì)曲線方程為y=909.09x4-3625.3x3+5266.8x2-3303.9x+852.09。回歸曲線和多項(xiàng)式趨勢(shì)曲線反映了托種勺缺種判別成功率隨排種帶排種速度的變化關(guān)系，當(dāng)排種速度0.95m/s時(shí)，缺種判別成功率98.9%是函數(shù)指標(biāo)的極大值。

根據(jù)正交試驗(yàn)和回歸試驗(yàn)的結(jié)果和分析情況，選擇排種速度0.95m/s、種薯質(zhì)量(40±5)g，排種帶中等振動(dòng)強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)，種薯排種器托種勺的缺種判別的平均成功率可達(dá)98.75%，且相對(duì)穩(wěn)定。該組優(yōu)化參數(shù)組合可作為勺鏈?zhǔn)今R鈴薯播種機(jī)缺種檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù)的參考。

4 結(jié)論

針對(duì)機(jī)械化馬鈴薯播種存在漏播的問(wèn)題，提出了一種通過(guò)多點(diǎn)激光檢測(cè)托種勺缺種的判別方法。根據(jù)排種帶上托種勺的幾何形狀和排列間距，在托種勺的側(cè)面布置多層激光傳感器。當(dāng)托種勺通過(guò)檢測(cè)區(qū)域時(shí)，根據(jù)傳感器的響應(yīng)情況判斷托種勺上是否缺種。為了驗(yàn)證缺種判別方法，搭建缺種檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)，通過(guò)3因素3水平的回歸正交試驗(yàn)后，結(jié)果表明：排種帶托種勺缺種的判別原理正確，性能穩(wěn)定可靠；當(dāng)排種速度為0.95m/s、單體種薯質(zhì)量為40±5g和排種帶中等振動(dòng)強(qiáng)度時(shí)，托種勺缺種判別成功率可達(dá)98.75%。多點(diǎn)激光檢測(cè)托種勺缺種的判別方法可為后期設(shè)計(jì)種薯補(bǔ)種裝置實(shí)現(xiàn)缺種補(bǔ)種提供前期的技術(shù)支持。