玉米高通量自動(dòng)考種裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

宋 鵬，張 晗，王 成※，羅 斌，路文超，侯佩臣（1. 北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心，北京 100097；2. 國(guó)家農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術(shù)研究中心，北京 100097；3. 農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100097）

玉米高通量自動(dòng)考種裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

宋 鵬1,2,3，張 晗1,2,3，王 成1,2,3※，羅 斌1,2,3，路文超1,2,3，侯佩臣1,2,3
（1. 北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心，北京 100097；2. 國(guó)家農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術(shù)研究中心，北京 100097；3. 農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100097）

考種是玉米育種的重要環(huán)節(jié)，針對(duì)現(xiàn)有考種方法分別進(jìn)行玉米果穗或玉米籽粒考種參數(shù)測(cè)量，難以滿足玉米商業(yè)化育種過程大量樣本自動(dòng)考種需求的現(xiàn)狀，該文設(shè)計(jì)了一種玉米高通量自動(dòng)考種裝置，主要包括玉米果穗考種單元、自動(dòng)脫粒單元、玉米籽粒考種單元、后處理單元及系統(tǒng)控制單元，可實(shí)現(xiàn)玉米果穗考種、自動(dòng)脫粒、籽粒考種、籽粒提升、籽粒封裝、標(biāo)簽打印等全過程的自動(dòng)化。依據(jù)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行原理樣機(jī)試制及試驗(yàn)，結(jié)果表明：該裝置可實(shí)現(xiàn)玉米穗質(zhì)量、果穗長(zhǎng)寬、穗行數(shù)、行粒數(shù)、禿尖區(qū)域、籽粒厚度、籽粒長(zhǎng)、籽粒寬、穗粒數(shù)等考種參數(shù)的實(shí)時(shí)測(cè)量，且對(duì)果穗長(zhǎng)、寬的平均測(cè)量精度分別為99.13%，99.25%、對(duì)籽粒數(shù)量的平均測(cè)量精度為99.39%。樣機(jī)對(duì)單個(gè)玉米考種時(shí)耗時(shí)約為27.2 s，連續(xù)考種作業(yè)時(shí)處理速度達(dá)4穗/min。該研究為玉米高通量自動(dòng)考種裝備的實(shí)現(xiàn)提供了參考。

測(cè)量；設(shè)計(jì)；試驗(yàn)；高通量；玉米考種；籽粒考種；圖像處理；自動(dòng)控制

0 引 言

玉米是中國(guó)主要糧食作物之一，育種是玉米生產(chǎn)過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是影響玉米質(zhì)量和產(chǎn)量的重要因素，考種結(jié)果直接決定了育種材料的優(yōu)劣評(píng)定和取舍[1]。玉米考種包括玉米果穗及籽粒考種，涉及果穗的果穗質(zhì)量、穗長(zhǎng)、穗寬、穗行數(shù)、行粒數(shù)等以及脫粒后玉米籽粒的粒數(shù)、粒長(zhǎng)、粒寬、粒型、粒色、水分、容重等多種性狀參數(shù)的測(cè)量、記錄、統(tǒng)計(jì)及分析[2]，考種效率和精度是制約育種效率的關(guān)鍵因素之一。

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器視覺及數(shù)字圖像處理技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品檢測(cè)、識(shí)別分級(jí)方面的應(yīng)用日益廣泛[3-7]。針對(duì)玉米果穗或玉米籽粒的參數(shù)提取方法和應(yīng)用開展了大量研究工作[8-17]，也有學(xué)者研究并設(shè)計(jì)了適用于玉米果穗或玉米籽粒的自動(dòng)化考種裝置[18-22]，汪珂等[23]設(shè)計(jì)了一種玉米籽粒考種裝置，通過線陣相機(jī)實(shí)現(xiàn)了玉米籽粒總粒數(shù)、長(zhǎng)軸、短軸、長(zhǎng)寬比的測(cè)量，該裝置平均測(cè)量效率為5穗/min；肖伯祥等[24]設(shè)計(jì)了一種玉米考種自動(dòng)化流水線機(jī)構(gòu)，并進(jìn)行了虛擬建模和仿真，探討了玉米果穗考種流水線的可行性；吳剛等[25]設(shè)計(jì)了一種玉米果穗自動(dòng)考種系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了玉米果穗的自動(dòng)上料、排序、圖像采集分析和質(zhì)量自動(dòng)稱量功能。

現(xiàn)有玉米考種裝置及方法主要針對(duì)果穗或是玉米籽粒，無(wú)法同時(shí)實(shí)現(xiàn)果穗及籽粒考種，難以滿足育種過程大批量育種材料快速考種的需求。本文設(shè)計(jì)的玉米高通量自動(dòng)考種裝置，實(shí)現(xiàn)了單穗玉米從果穗到籽粒所涉及考種參數(shù)的快速、全面、自動(dòng)獲取，大大降低了考種人力成本，提高育種效率，對(duì)提升中國(guó)育種技術(shù)水平具有重要意義。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

玉米高通量自動(dòng)考種裝置需實(shí)現(xiàn)玉米果穗及籽粒考種參數(shù)的快速、自動(dòng)、實(shí)時(shí)測(cè)量。為盡可能滿足上述要求，采用模塊化思路和方法，設(shè)計(jì)了玉米高通量自動(dòng)考種裝置，該裝置包括果穗考種單元、果穗脫粒單元、籽粒考種單元、籽粒后處理單元及系統(tǒng)控制單元，從而可實(shí)現(xiàn)玉米果穗考種參數(shù)提取、自動(dòng)脫粒、玉米籽粒考種參數(shù)提取、籽粒提升、自動(dòng)封裝、標(biāo)簽打印等全過程的自動(dòng)化。其工作原理如圖1所示。

果穗考種單元采用多攝像頭獲取果穗圖像并進(jìn)行分析，結(jié)合稱重傳感器進(jìn)行果穗考種參數(shù)提取后，將果穗卸料至脫粒單元脫粒并除雜，脫粒后的玉米籽粒進(jìn)行振動(dòng)以避免大面積粘連及堆積現(xiàn)象，并分析籽粒圖像，獲取粒數(shù)、粒長(zhǎng)、粒寬、粒型、籽粒顏色等考種參數(shù)。籽粒后處理單元包括氣吸式提升、自動(dòng)封裝和二維碼標(biāo)簽打印，用于將考種后的玉米籽粒提升到一定高度后進(jìn)行封裝并打印二維碼標(biāo)簽，該二維碼標(biāo)簽包含所測(cè)得的對(duì)應(yīng)果穗所有考種信息。系統(tǒng)控制單元根據(jù)各環(huán)節(jié)的傳感信息控制相應(yīng)控制部件動(dòng)作，確保整個(gè)考種裝置的有序、穩(wěn)定、自動(dòng)運(yùn)行。

圖1 玉米高通量自動(dòng)考種裝置原理Fig.1 Principle of high throughput automatic measuring device for corn

根據(jù)上述設(shè)計(jì)方案和思路，對(duì)玉米高通量考種裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖2所示。裝置整體設(shè)計(jì)尺寸（長(zhǎng)×寬×高）為2 300 mm×1 450 mm×1 850 mm。

圖2 玉米高通量自動(dòng)考種裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of high throughput automatic measuring device for corn

2 關(guān)鍵單元設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的玉米高通量自動(dòng)考種裝置主要包括玉米果穗考種單元、自動(dòng)脫粒單元、玉米籽粒考種單元、后處理單元及系統(tǒng)控制單元。其中自動(dòng)脫粒單元選用加拿大Agriculex SCS-2型單穗玉米脫粒機(jī)，該脫粒機(jī)脫粒效率為3～5 s/穗，且具有破損率低、脫凈率高的特點(diǎn)，滿足高通量考種過程脫粒需求，增加控制信號(hào)對(duì)該型號(hào)脫粒機(jī)的啟停進(jìn)行控制并在脫粒出料口增加光電傳感器以檢測(cè)脫粒卸料狀況，集成到高通量玉米考種裝置中。后處理單元中的提升機(jī)構(gòu)選用AL-300G型真空吸料機(jī)，吸附電機(jī)功率為1 100 W，靜風(fēng)壓為11 800 Pa，輸送能力達(dá)350 kg/h，可確保提升過程無(wú)籽粒遺漏現(xiàn)象，增加控制信號(hào)對(duì)該型號(hào)吸料機(jī)的啟停進(jìn)行控制并集成到本裝置中。本裝置的關(guān)鍵單元主要包括果穗考種單元、籽粒考種單元及系統(tǒng)控制單元。

2.1 果穗考種單元設(shè)計(jì)

玉米果穗考種參數(shù)包括果穗質(zhì)量、穗長(zhǎng)、穗寬、穗型、穗行數(shù)、行粒數(shù)、禿尖長(zhǎng)度、平均粒厚、穗顏色等。需設(shè)計(jì)一種果穗考種單元不但能夠適應(yīng)不同形態(tài)玉米果穗檢測(cè)需求，且可兼顧高通量考種過程果穗考種的速度和精度。

果穗考種單元結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要包括稱重傳感器、攝像頭、光源、果穗承載機(jī)構(gòu)等部件。果穗承載機(jī)構(gòu)由承載支架及果穗承載裝置組成，完全置于稱重傳感器上方，其中果穗承載裝置采用兩根平行安裝，間隔距離可調(diào)，直徑為1.5 mm的高硬度鎢鋼絲，鋼絲長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為30 cm，可適用于不同尺寸果穗樣本且不會(huì)對(duì)果穗圖像獲取造成較大影響。由于待考種果穗的質(zhì)量范圍通常為50～400 g，為保證測(cè)量精度，果穗承載機(jī)構(gòu)選用規(guī)格為2020的鋁型材搭建，整個(gè)果穗承載機(jī)構(gòu)質(zhì)量為1.8 kg，本裝置選用量程為0～5 kg，最小測(cè)量分度為0.1 g的稱重傳感器。工作時(shí)將待測(cè)果穗置于兩根鋼絲上方進(jìn)行成像和果穗質(zhì)量測(cè)量。

圖3 果穗考種單元結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure diagram of corn ear parameters measuring unit

為保證果穗考種效率，采用4個(gè)高分辨率彩色攝像機(jī)（中國(guó)大恒（集團(tuán)）有限公司北京圖像視覺技術(shù)分公司生產(chǎn)的DH-HV5051Ux-M系列高分辨率彩色CMOS工業(yè)數(shù)字相機(jī)和Computar公司生產(chǎn)的焦距為5 mm的鏡頭），以90°間隔均勻分布于果穗周圍，同時(shí)獲取玉米果穗4個(gè)方向圖像，攝像頭安裝于距待檢測(cè)果穗中心距離30 cm處。4只12 V條形LED白光光源分布于相鄰攝像頭中間位置，保證光照均勻性。

果穗考種單元的上料傳感器和卸料傳感器型號(hào)為E18-D80NK（集紅外發(fā)射與接收功能于一體的漫反射式紅外光電傳感器），上料后，果穗反射的紅外光會(huì)使上料傳感器的輸出信號(hào)狀態(tài)發(fā)生改變，從而觸發(fā)四只攝像頭采集果穗圖像，同時(shí)記錄果穗質(zhì)量。隨后通過直線推桿電機(jī)，其最大行程為100 mm，速度為80 mm/s，推動(dòng)果穗承載裝置繞軸旋轉(zhuǎn)，果穗在重力作用下經(jīng)卸料口滑至脫粒單元后，卸料電機(jī)復(fù)位，承載裝置隨卸料電機(jī)復(fù)位至初始位置，等待下一果穗上料。卸料傳感器安裝于卸料口位置，在檢測(cè)到玉米果穗成功卸料后，啟動(dòng)脫粒裝置進(jìn)行脫粒。

2.2 籽粒考種單元設(shè)計(jì)

脫粒除雜后的玉米籽粒，在重力作用下隨機(jī)散落于籽粒考種單元，易產(chǎn)生嚴(yán)重粘連甚至堆積情況，直接獲取圖像進(jìn)行處理，難以保證籽粒考種參數(shù)獲取精度。

為解決上述問題，設(shè)計(jì)的籽粒考種單元包括3個(gè)部分：1）圖像獲取裝置，用于采集籽粒的圖像信息；2）自動(dòng)攤種機(jī)構(gòu)，降低籽粒粘連及堆積情況，輔助獲取高質(zhì)量籽粒圖像；3）籽粒卸料機(jī)構(gòu)，考種參數(shù)測(cè)量結(jié)束后，籽粒卸料進(jìn)入下一作業(yè)環(huán)節(jié)。籽粒考種單元結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 籽粒考種單元結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of corn kernels parameters measuring unit

籽粒圖像獲取裝置選用MER-500-7UC型號(hào)CMOS工業(yè)數(shù)字相機(jī)（中國(guó)大恒（集團(tuán)）有限公司北京圖像視覺技術(shù)分公司），其CMOS尺寸為10.16 mm，成像分辨率為2 592×1 944像素。經(jīng)多次測(cè)試，將籽粒托板尺寸設(shè)計(jì)為50 cm×40 cm，不但可以提高相機(jī)像素利用率，且能滿足不同尺寸玉米的測(cè)量需求。結(jié)合籽粒考種單元的物理尺寸，選擇Computar公司生產(chǎn)的H0514-MP型號(hào)鏡頭，攝像頭安裝高度為600 mm。籽粒考種單元采用4組12 V線性LED白光光源，分兩組對(duì)稱分布在燈箱內(nèi)壁上，確保攤種平面光照均勻。

自動(dòng)攤種機(jī)構(gòu)在籽粒考種之前輔助進(jìn)行籽粒平攤，以消除籽粒堆積、降低籽粒粘連程度。目前通過傳送帶方式或振動(dòng)方式分散籽粒[26-28]，結(jié)合高通量快速考種需求，通過系統(tǒng)運(yùn)行試驗(yàn)比較不同攤種方式的攤種效果，最終選用回旋振動(dòng)方式進(jìn)行籽粒攤種，將振動(dòng)平臺(tái)的回旋速度設(shè)為2.9 r/s，回旋振動(dòng)時(shí)間設(shè)置為4.5 s，可完全消除籽粒堆積現(xiàn)象[29]，滿足高通量在線檢測(cè)需求。

2.3 系統(tǒng)控制方法設(shè)計(jì)

選用昆侖通態(tài)TPC7062K工控平板與MODBUS繼電器輸入輸出模塊作為系統(tǒng)控制硬件。所選的繼電器輸入輸出模塊基于RS485/RS232 MODBUS RTU標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議，具有16路光電隔離開關(guān)量輸入16路光電隔離繼電器輸出通道。

為實(shí)現(xiàn)玉米果穗上料后，果穗圖像采集、分析、卸料、脫粒、籽粒攤種、籽粒圖像采集、分析、提升、封裝等流程的自動(dòng)化進(jìn)行。在果穗考種單元安裝有果穗上料及果穗卸料傳感器，在脫粒單元出口安裝脫粒檢測(cè)傳感器，在籽粒考種單元出口安裝籽粒卸料傳感器，傳感器輸出信號(hào)均為開關(guān)量，將其作為輸入信號(hào)，按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)的邏輯及時(shí)序進(jìn)行考種裝置相應(yīng)控制。控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)如圖5所示。

該裝置共使用了4個(gè)輸入信號(hào)端和12個(gè)輸出信號(hào)端，另設(shè)置3組機(jī)械開關(guān)，分別為系統(tǒng)上電，控制系統(tǒng)啟停，系統(tǒng)急停斷電。控制模塊輸入輸出信號(hào)端配置如表1所示。

表1 控制模塊輸入輸出信號(hào)端配置Table 1 I/O ports configuration of control module

上電后，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行初始化并等待果穗上料。檢測(cè)到果穗上料信息后判斷上一果穗的籽粒卸料狀態(tài)，若已經(jīng)卸料，讀取果穗質(zhì)量并觸發(fā)4個(gè)相機(jī)采集果穗圖像，若尚未卸料則等待直至卸料完成，以避免相鄰果穗間籽粒混合。對(duì)采集的果穗圖像進(jìn)行處理獲取果穗考種參數(shù)的同時(shí)進(jìn)行果穗卸料，卸料結(jié)束后果穗稱重傳感器清零。當(dāng)果穗卸料傳感器檢測(cè)到果穗即將進(jìn)入脫粒機(jī)時(shí)，啟動(dòng)脫粒機(jī)，此時(shí)開始振動(dòng)攤種直至脫粒結(jié)束，隨后觸發(fā)采集籽粒圖像進(jìn)行處理，同時(shí)籽粒完成卸料，并通過氣吸式提升裝置將卸料后的籽粒提升到指定高度后進(jìn)行封裝。封裝結(jié)束，系統(tǒng)自動(dòng)打印二維碼，并將所提取的對(duì)應(yīng)果穗及籽粒考種參數(shù)寫入二維碼中。系統(tǒng)控制流程如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)控制流程Fig.6 Flow chart of system control

3 試驗(yàn)及分析

根據(jù)以上設(shè)計(jì)思路搭建了玉米高通量自動(dòng)考種裝置樣機(jī)，樣機(jī)實(shí)物如圖7所示，采用遼寧東亞種業(yè)有限公司東亞海南育種基地收獲的實(shí)際待考種玉米作為樣本，在樣機(jī)上運(yùn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證玉米高通量自動(dòng)考種裝置的運(yùn)行效率及主要考種參數(shù)實(shí)時(shí)獲取精度。

圖7 玉米高通量自動(dòng)考種裝置樣機(jī)Fig.7 Prototype of high throughput automatic measuring device for corn

3.1 考種效率試驗(yàn)

玉米育種過程通常需要對(duì)大批量果穗進(jìn)行考種。為驗(yàn)證本裝置連續(xù)運(yùn)行時(shí)的考種效率，通過人工連續(xù)上料，即上一玉米果穗卸料完成后隨即上料。記錄每組試驗(yàn)樣本從第一個(gè)果穗上料開始直至最后一個(gè)果穗籽粒封裝完成所耗費(fèi)的總時(shí)間。則系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行時(shí)單個(gè)玉米果穗考種平均耗時(shí)

式中T為每組樣本測(cè)試總耗時(shí)，s；Δt為單穗全過程耗時(shí)，指單個(gè)玉米果穗實(shí)現(xiàn)人工上料、果穗考種、自動(dòng)脫粒、籽粒考種、籽粒提升、籽粒封裝、標(biāo)簽打印等全過程所耗費(fèi)的總時(shí)間，s。Δt通過隨機(jī)選取多個(gè)果穗樣本測(cè)量統(tǒng)計(jì)后得出，統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明本裝置對(duì)單個(gè)玉米果穗進(jìn)行考種的平均耗時(shí)tΔ為27.2 s；N為樣本總數(shù)。

隨機(jī)選取30、50、70穗玉米果穗開展3組試驗(yàn)，按照上述方法計(jì)算本裝置連續(xù)運(yùn)行時(shí)的考種效率，結(jié)果如表3所示。

表3 連續(xù)運(yùn)行時(shí)考種效率Table 3 Processing efficiency at continuous operating mode

結(jié)果表明，本裝置連續(xù)運(yùn)行時(shí)，處理速度達(dá)到4穗/min，可極大提高考種效率。

3.2 果穗考種試驗(yàn)

由于本裝置的考種參數(shù)均是實(shí)時(shí)測(cè)量并保存在控制端PC機(jī)中，為驗(yàn)證本裝置對(duì)果穗考種參數(shù)的提取效果，隨機(jī)選取10個(gè)玉米果穗并進(jìn)行編號(hào)，在用本裝置進(jìn)行處理之前，通過人工方式統(tǒng)計(jì)各種考種參數(shù)后，依照編號(hào)順序依次置于高通量自動(dòng)考種裝備上進(jìn)行自動(dòng)考種，對(duì)比系統(tǒng)測(cè)量的數(shù)據(jù)與人工測(cè)量數(shù)據(jù)差異。本裝置采用4個(gè)2 592×1 944像素的彩色相機(jī)，從4個(gè)不同角度獲取果穗的原始圖像，為提高果穗處理效率，僅獲取每幅圖像中包含果穗的固定區(qū)域，所獲得的4副果穗原始圖像如圖8a~8d所示。對(duì)原始圖像在HSV空間進(jìn)行背景去除和禿尖區(qū)域提取，并在G通道采用OSTU分割法提取籽粒區(qū)域后，對(duì)果穗中間區(qū)域進(jìn)行籽粒跟蹤，獲取本圖像中的穗行數(shù)，圖8a的處理過程及效果如圖8e~8h所示。

果穗考種單元采用4個(gè)相機(jī)分別進(jìn)行玉米果穗圖像參數(shù)提取，最終測(cè)得的果穗考種參數(shù)由4副圖像提取的參數(shù)綜合計(jì)算得出。果穗長(zhǎng)、寬為4副圖像中玉米果穗最小外接矩形長(zhǎng)、寬的平均值；果穗行數(shù)通過計(jì)算每幅圖像有效行數(shù)及其所占弧度，累計(jì)4幅圖像，根據(jù)投影法換算得出后通過四舍五入法校準(zhǔn)為偶數(shù)。本裝置實(shí)時(shí)測(cè)量的果穗長(zhǎng)、寬、穗行數(shù)如表4所示。

由測(cè)試結(jié)果可知，本裝置可實(shí)現(xiàn)果穗多種考種參數(shù)的快速提取。對(duì)于一般形狀果穗，本裝置對(duì)果穗長(zhǎng)、寬、穗行數(shù)等參數(shù)的測(cè)量具有較高精度，滿足考種測(cè)量需求。

圖8 果穗圖像及處理結(jié)果Fig.8 Original images of corn ear and processing results

表4 果穗考種試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Results for corn ear parameters measuring

3.3 籽粒考種試驗(yàn)

考種裝置運(yùn)行時(shí)，脫粒后的籽粒經(jīng)振動(dòng)攤種裝置攤開后，獲取玉米籽粒原始圖像，背景去除后，通過改進(jìn)分水嶺分割方法將粘連的玉米籽粒進(jìn)行分割成單個(gè)籽粒[30-31]，構(gòu)建單個(gè)玉米籽粒區(qū)域的最小外接矩形，將最小外接矩形的長(zhǎng)與寬作為每個(gè)單獨(dú)籽粒的長(zhǎng)與寬，實(shí)現(xiàn)籽粒數(shù)量、粒長(zhǎng)、粒寬等考種參數(shù)的測(cè)量。由自動(dòng)考種裝置獲取的原始籽粒圖像及籽粒分割結(jié)果如圖9所示。

隨機(jī)選取10個(gè)果穗樣本進(jìn)行自動(dòng)考種，由于本裝置考種結(jié)束后各果穗上的籽粒會(huì)自動(dòng)封裝，通過人工計(jì)算每個(gè)封裝袋中籽粒數(shù)量，對(duì)比本裝置自動(dòng)測(cè)量獲取的籽粒數(shù)量，結(jié)果如表5所示。結(jié)果表明，本裝置在自動(dòng)化考種過程可實(shí)現(xiàn)玉米考種參數(shù)的提取，且對(duì)籽粒數(shù)量的平均測(cè)量精度為99.39%。

圖9 玉米籽粒圖像及處理結(jié)果Fig.9 Image of corn kernels and processing result

表5 籽粒數(shù)量測(cè)量結(jié)果Table 5 Results of maize kernel number measuring

4 結(jié) 論

1）設(shè)計(jì)并構(gòu)建了一種玉米高通量自動(dòng)考種裝置，該裝置可實(shí)現(xiàn)玉米果穗考種、自動(dòng)脫粒、籽粒考種、自動(dòng)封裝、二維碼生成及打印等全過程的自動(dòng)化。該裝置連續(xù)考種時(shí)，處理速度可達(dá)4穗/min，可大大提高考種效率。

2）設(shè)計(jì)了基于四攝像頭的玉米果穗考種參數(shù)提取裝置，實(shí)現(xiàn)果穗質(zhì)量及果穗長(zhǎng)、寬、果穗行數(shù)等考種參數(shù)的測(cè)量，對(duì)果穗長(zhǎng)、寬的平均測(cè)量精度分別為99.13%，99.25%。

3）設(shè)計(jì)了玉米籽粒考種參數(shù)提取裝置，通過回旋振動(dòng)避免脫粒后的籽粒大面積堆積粘連，結(jié)合視覺方式，實(shí)現(xiàn)籽粒數(shù)量、籽粒長(zhǎng)、寬等考種參數(shù)的測(cè)量，對(duì)籽粒數(shù)量的平均測(cè)量精度為99.39%。

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Design and experiment of high throughput automatic measuring device for corn

Song Peng1,2,3, Zhang Han1,2,3, Wang Cheng1,2,3※, Luo Bin1,2,3, Lu Wenchao1,2,3, Hou Peichen1,2,3
(1. Beijing Research Center of Intelligent Equipment for Agriculture, Beijing, 100097; 2. National Research Center of Intelligent Equipment for Agriculture, Beijing, 100097; 3. Key Laboratory of Agri-informatics, Ministry of Agriculture, Beijing, 100097)

Corn parameters measuring are an important step in corn breeding. Currently, researchers measure corn parameters manually or with the help of machine vision technology. The existing corn parameters measuring and methods mainly aim at corn ears or kernels rather than measuring them at the same time, which is difficult to meet the demand of rapidly measuring a large amount of breeding materials in the breeding process. To solve this problem, in this paper, a high throughput automatic measuring device for corn was designed and a prototype was developed. This device mainly included corn ear parameter measuring unit, automatic threshing unit, corn kernels parameter measuring unit, post-processing unit, and system control unit, which can realize the whole process such as ear parameters measuring, ear threshing, kernel parameters measuring, kernel lifting, kernel packaging and label printing automatically. A weighting sensor and four high-resolution color cameras were evenly distributed around the ear with the interval of 90 degrees to get the corn ear images in four directions to acquire corn ear parameters such as ear weight, ear length, ear width, ear rows, bare tip, et al. at the corn ear parameter measuring unit. The average measurement accuracy for ear length and ear width was up to 99.13% and 99.21%. The Canadian Agriculex SCS-2 single ear corn thresher was chosen for automatic threshing unit. Efficiency of the thresher was up to 3-5 s/ear, which can meet the acquirements of high throughput processing. Corn kernels parameters such as kernel number, kernel average length, average width, kernel shape, et al. were obtained in corn kernel parameters measuring unit, which was designed and had three parts: 1) image acquisition device used for kernel images acquisition; 2) automatic spreading mechanism used for reducing kernel adhesion and accumulation, so as to obtain high-quality kernel images; and 3) kernel discharging mechanism used for ensuring the smooth implementation of high-throughput assembly line operation and letting the kernels discharged. The average accuracy of kernel number reached 99.39%. Post-processing unit can lift kernels from corn kernels parameter measuring unit to a fixed height and pack it with a printed QR code label which contained all corn ear and corn kernel parameters. A Kunluntongtai TPC7062K industrial control tablet and MODBUS relay control input-output module with 16 photoelectric isolating switch input channels and 16 photoelectric isolating relay output channels were chosen for the system control unit to receive sensing information and feedback to control the device. The results of experiment showed that the prototype can obtain information both for corn ear and corn kernels automatically. The average time consuming of the prototype for single corn processing was about 27.2 s, and the average efficiency was up to 4 ear/minute during continuous operation mode, which greatly improved the efficiency of corn breeding processes.

measurements; design; experiments; high throughput; corn ear parameters measure; corn kernel parameters measure; image processing; automatic control

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.16.006

TP271+.4；TP391.4

A

1002-6819(2017)-16-0041-07

宋 鵬，張 晗，王 成，羅 斌，路文超，侯佩臣. 玉米高通量自動(dòng)考種裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(16)：41-47.

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.16.006 http://www.tcsae.org

Song Peng, Zhang Han, Wang Cheng, Luo Bin, Lu Wenchao, Hou Peichen. Design and experiment of high throughput automatic measuring device for corn[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(16): 41-47. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.16.006 http://www.tcsae.org

2017-03-04

2017-07-25

北京市科技計(jì)劃項(xiàng)目（D151100004215002）；國(guó)家博士后基金項(xiàng)目（2015M581019）

宋 鵬，男，高級(jí)工程師，博士，主要從事農(nóng)業(yè)信息技術(shù)及裝備研究。北京 北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心，100097。

Email：songp@nercita.org.cn

※通信作者：王 成，男，研究員，博士，主要從事農(nóng)業(yè)信息化、農(nóng)業(yè)智能裝備及儀器研究。北京 北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心，100097。

Email：wangc@nercita.org.cn