基于機器視覺的水稻秧盤育秧智能補種裝置設計與試驗

王桂蓮，劉偉超，王 安，柏凱凱，周海波,3

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基于機器視覺的水稻秧盤育秧智能補種裝置設計與試驗

王桂蓮1，劉偉超1，王 安2，柏凱凱1，周海波1,3※

（1. 天津市先進機電系統設計與智能控制重點實驗室，機電工程國家級實驗教學示范中心（天津理工大學），天津 300384；2. 佳木斯大學信息電子技術學院，佳木斯 154007； 3. 佳木斯大學機械工程學院，佳木斯 154007）

對于工廠化育秧作業的水稻、蔬菜、花卉等，尤其是超級雜交稻，其機械化秧盤育秧播種的理想目標為2～3粒/穴，且普遍存在空穴和單粒穴的情況，為了保證秧盤育秧成秧率，提高精密播種合格率就顯得非常重要。該文基于機器視覺技術，提出了一種智能補種方法，設計并研制了智能補種裝置，主要用于超級雜交稻缽體秧盤育秧播種質量檢測與補種過程。首先利用CCD攝像頭采集秧盤圖像，對圖像處理與分析后得到空穴和1粒穴位置坐標，再利用定位機構和補種機構實現從種槽取種和對秧盤指定位置動態補種等功能。應用LabVIEW圖形化編程軟件，針對空穴和單粒穴的補種方案，開發出秧盤播種質量在線檢測與補種運動控制系統，實現了智能補種任務。由試驗結果統計可知，當補種率小于2%時，雙補種器能夠滿足450盤/h的生產需求。

農作物；設計；機器視覺；水稻；精密播種；智能補種；智能補種裝置；質量檢測

0 引 言

為延長生長期、提高產量，水稻、蔬菜、花卉等作物經常采用育秧移栽種植方式，增加了工廠化育秧環節。為了保證秧盤育秧成秧率，如何提高精密播種合格率就顯得非常重要。水稻是重要的糧食作物[1-2]，尤其是超級雜交稻是一種品質優良、產量高的水稻品種，在其機械化育秧播種過程中，要求播種精度高、空穴率低。現有的排種器播種性能可以達1～4 粒/穴，但存在空穴（1%～5%左右）和單粒率偏高（20%以上）的情況[3-8]，受發芽率（80%～90%）、成苗率（76%～81%）、成毯特性（單粒和空穴使效果變差）以及外加插秧的傷秧率（10%左右）等影響[9-13]，造成“穴株數”嚴重不足，結果達不到1～2株/穴的種植要求，因此根據中國水稻研究所朱德峰、徐一成等人提出的“低播量壯秧成毯”的育秧要求[9-10]，由此總結出理想的播種目標是2～3粒/穴，且單粒率少、無空穴。于是需要對播種后的秧盤進行播種質量檢測，然后對空穴和對單粒穴進行補種，達到消除空穴并減少單粒穴的效果。精密播種作為一種先進的種植技術，在國外已有60多年的發展進程，初期主要研究機械式精密排種器，從20世紀50年代末開始研究氣力式精密排種器，如氣吸、氣吹和氣壓式，其中氣吸式精密排種器因具有對種子形狀和尺寸適應性強，傷種率低等特點，盡管它的結構復雜、造價高，但多年來國外學者如Singh等[14-22]一直進行玉米、大豆、甜菜、棉花、芹菜等作物的氣吸式精密播種部件的理論與試驗研究。目前發達國家的精密播種機少數采用機械式（如指夾式精播玉米），主體是氣力式[23]。目前針對精密播種機的播種質量監測和漏播后補種設備的研究正在逐步展開，夏俊芳等[24]設計一種大豆水平型孔拉桿式補種機構，進行了種子運動軌跡動態模擬和最優化參數仿真；張曉輝等[25]設計了一種小麥播種機自動補播式監控系統，解決“斷條性”漏播問題；金衡模等[26]針對玉米免耕播種機的播種質量低的問題，設計了玉米精播機漏播補償系統，補種成功率可達90%以上；王關平等[27]針對現有的鏈勺式排種器馬鈴薯播種機作業過程中普遍存在的漏播現象，提出了一種測補償方案，該系統漏播檢測的準確率>99.8%，補種成功率>75%；Mganilwa等[28]日本研究學者應用機器視覺技術對黃瓜、生菜、綠辣椒等蔬菜大缽體秧盤育秧播種質量進行了動態檢測，檢測準確率達到99.93%以上，同時采取了補種策略，補種準確率達99%，播種速度為1.67穴/s。由此可見，大多數研究對單粒精密播種機實時監控和補種比較有效，而對不規則種子形狀的水稻條播或者缽體穴播實現在線檢測相對比較困難[29-30]。

為了降低超級稻播種時的空穴和單粒率，本文基于機器視覺技術，提出一種智能補種方法，設計并研制了智能補種裝置，以期實現超級雜交稻缽體秧盤育秧播種質量檢測與補種任務。

1 水稻秧盤育秧智能補種裝置總體設計

智能補種裝置主要由秧盤圖像采集與檢測系統、補種器（定位機構和補種機構）及運動控制系統等部分組成，如圖1所示，其工作原理為：利用圖像采集系統對秧盤圖像進行實時采集，由檢測系統進行圖像處理與分析，獲得并提取秧盤中空穴和1粒穴坐標位置，然后由運動控制系統控制補種器的定位機構和補種機構完成定位、取種和補種過程。該智能補種器還可以安裝在水稻秧盤育秧播種流水線的播種工序之后，覆表土工序之前，不僅可以用于播種質量檢測，同時還能進行補種作業，可以進一步提高超級稻、蔬菜等秧盤育秧精密播種質量。

圖1 水稻秧盤育秧智能補種裝置結構示意圖

秧盤圖像采集與檢測系統主要由CCD攝像頭、光箱、光電式傳感器、光源、數據采集卡、計算機等部件組成（如圖2）。當秧盤進入檢測區域指定位置，由圖像（光電）傳感器產生高電平信號，并通過數據采集卡傳送到計算機，控制CCD攝像頭進行秧盤圖像采集，采集的數據經千兆以太網（GigE）輸入計算機，檢測系統軟件對采集到的圖像進行處理與分析，識別到秧盤各個穴位的播種數量，然后根據補種要求對圖像中的空穴和1粒穴的坐標位置進行提取，為后續補種作業提供定位信息。

圖2 圖像采集與檢測系統

定位機構主要由步進電機、同步帶及同步帶輪、滑塊、導軌和復位接近開關以及補種（光電）傳感器等組成。設秧盤前進方向與軸導軌相同，與軸導軌垂直，而且在軸導軌的滑塊下部固定有軸導軌，在軸導軌的滑塊下方安裝有補種機構，補種傳感器安裝在機架上（如圖1）。兩導軌上的滑塊分別由同步帶帶動并在、軸導軌上運動，其中軸導軌長度為400 mm，可滿足寬度小于400 mm秧盤的補種需要。兩軸分別由步進電機驅動，其運動控制通過美國NI公司的NI PCI-7334運動控制卡來實現，設計選用的電機為日本信濃SST58D4830兩相混合步進電機，固有步距角為1.8°、電壓2.4 V、電流3.0 A、靜力矩10.8 N·m及轉動慣量330 g/cm2，驅動器型號為Q2BYG403MD，細分數設置為4。

補種器由3個氣缸和吸針組成（如圖3），氣缸1為日本SMC生產的13-MXQ8-75A型雙活塞桿氣缸，引導活塞進行直線往復運動；氣缸2與氣缸3均為小型氣動滑臺，分別為日本SMC生產的MXH6-60型和CDQMB12-10型直線導軌，具有優良的線性度，工作連貫，穩定性好。在補種機構連續作業中，吸針從取種到投種是一個循環的過程，即氣缸1垂直收縮，氣缸2水平伸出，氣缸3垂直伸出，吸針到種盒取種；然后氣缸3垂直收縮，氣缸2水平收縮，氣缸1垂直伸出，吸針到秧盤投種。吸針采用天弘點膠15G-6.5雙孔針頭[31]，內徑1.45 mm，孔間距2.5 mm，可以實現單次吸取1～2粒種子的作用。智能補種裝置主要工作參數見表1。

圖3 補種器三維模型

表1 智能補種裝置主要工作參數

2 圖像采集與檢測系統

2.1 圖像采集與檢測

秧盤圖像采集和穴粒數檢測是智能補種技術的基礎，為后面補種工序提供穴位信息。該部分主要采用LabVIEW的視覺模塊進行開發，秧盤圖像采集、處理與穴位檢測的具體處理過程為：1）圖像傳感器控制圖像采集系統實時采集秧盤圖像（vision acquisition），對采集到的彩色RGB圖像（圖4a）分別提取R、G、B 3個色盤圖像（IMAQ extract single color plane），利用加權公式得到灰度化圖像，并采用Otsu分割閾值算法進行二值化處理（IMAQ autobthreshold），利用形態學方式（IMAQ particle filter 2）和面積剔除法去除圖像中的細小顆粒噪聲；2）按照缽體秧盤上穴位實際大小和間距轉換成像素尺寸，在秧盤圖像上建立6×12個（單次檢測的穴位數）感興趣區域（roidescriptor），并轉換成為掩膜（IMAQ roito mask），如圖4b所示；3）利用掩膜定位技術提取秧盤中每個穴位內的種子圖像并進行連通域檢測，測量單個連通域的面積、周長、最小外接多邊形面積等參數，計算出改進后的形狀因子，結合單連通域面積大小，完成單個連通域種子0粒（含雜質）、1粒、2粒、3粒、4粒及以上情況的檢測，并通過累加實現穴粒數的檢測，由文獻[28]知，圖像平均處理時間約為0.518 s，識別準確率達95%以上；4）將檢測結果存儲進數組，并保存在穴盤數據庫中。

圖4 圖像采集與檢測

2.2 穴盤數據庫的建立

穴盤數據信息采用三維數組進行存取。穴粒數存儲時，首先按掩膜個數和每個掩膜在圖像中的位置建立二維數組，將每個掩膜內種子粒數的檢測結果保存到相對應的數組元素中（圖4c），再按檢測順序對秧盤進行編號，該編號作為第三維。補種時首先提取秧盤編號，再提取穴位為空穴和1粒穴的坐標，提供給后續定位機構。三維存取數組模型如式（1）所示。

式中為檢測秧盤編號；為穴位在秧盤圖像中的行數；為穴位在秧盤圖像中的列數；為穴盤信息存儲三維矩陣；r為第個秧盤第行第列的種子粒數。

3 控制系統

補種器運動控制系統采用實時控制方式進行定位和補種運動控制，即當秧盤被傳送到指定位置時觸發補種傳感器（高電平1），補種器開始按秧盤穴盤數據庫中的信息依次按行進行補種，完成后系統復位，等待下一個秧盤。該補種器的運動控制系統軟件設計是應用LabVIEW中的運動控制助手和數據采集助手相結合來實現的。

3.1 主控制流程

在得到穴盤數據庫中的秧盤穴粒數組后，通過算法找出0粒穴和1粒穴，并計算0粒穴和1粒穴的坐標，依據時效性對0粒穴和1粒穴進行整合排序（當時間或生產效率受限時會對1粒穴進行合理的舍棄）成一個新數組，按行索引當前行（共23行）的待補穴（新數組）的坐標，進而計算每個步進電機所需的脈沖數，并對當前行的各個穴位進行路徑規劃，然后利用運動控制助手中的Initialize Controller flx 對運動控制卡進行初始化設置，然后利用Configure Vector Space flx對2個步進電機進行速度設置和、軸電機選擇，分別將2個電機轉動所需脈沖數送入驅動器，啟動電機為當前行補種，之后進行下一行的補種，直至完成每行各個穴位播補種任務時，會檢測到補種傳感器信號（低電平0），補種器復位，控制流程如圖5所示。

圖5 運動控制系統流程圖

3.2 定位計算

1）基準點確定

為減少運動累計誤差對定位精度的影響，補種器需要設定基準點，當整個秧盤補種任務完成后，補種器必須復位。為此，在定位機構中設計了、軸滑塊復位開關（圖3），當定位機構的滑塊和補種機構的氣動元件均復位到初始位置（見圖1），此時吸針頭部位置為基準點，即L坐標系的原點處，如圖6所示。

圖6 基準點坐標系

2）穴位定位

對穴盤數據庫中0粒和1粒穴信息進行篩選、排序，并按行索引。當補種傳感器被秧盤觸發時，系統根據秧盤規格可以在L坐標系中計算出每個穴位位置，其公式為

式中為到達（,）穴位中心點位置沿軸方向滑塊移動的距離；為到達（,）穴位中心點位置沿軸方向滑塊移動的距離；0為基準點距離秧盤（0,0）穴位中心點沿軸方向的距離；0為基準點距離秧盤（0,0）穴位中心點沿軸方向的距離（表1）；為軸方向相鄰穴位之間的距離；為軸方向相鄰穴位之間的距離。

根據補種傳感器被觸發時的穴位坐標位置，可以得到步進電機的脈沖數，其公式為

式中為滑塊運動距離；為脈沖數；為同步帶輪半徑；為細分數；為步距角。

由式（3）可得出每個補種穴位在觸發補種傳感器時的脈沖坐標位置。

3.3 補種時間以及動態坐標位置計算

假設秧盤（0,0）穴位坐標為（0,0），則任意已完成穴位坐標為（1,1），當前下一待補穴位坐標為（2,2），如圖7所示，則穴位坐標（1,1）和（2,2）的位置為（L1,L1），（L2,L2）；、軸滑塊最大速度max，、軸滑塊最大加速度為，輸送機構輸送秧盤的速度為0；取種時間為1，攜種氣缸動作時間為2，補種時間為3，延遲時間為0（初值為0），補種（2,2）穴位之前所用的累計時間為T，則完成單次補種總時間的計算公式如下。

圖7 秧盤穴位坐標系

1）設由當前穴位到達下一穴位取種位置所用時間為1，則有