光束阻斷式小粒蔬菜種子漏充與堵孔同步檢測系統研究

李兆東 孫譽寧 楊文超 王韋韋 張 甜 陳黎卿

(1.安徽農業大學工學院， 合肥 230036； 2.安徽省智能農機裝備工程實驗室， 合肥 230036)

0 引言

蔬菜種子按形狀可分為球形蔬菜種子和非球形蔬菜種子[1]。當前蔬菜種植仍以人工育苗移栽為主，開展機械化精量播種是推動其產業可持續發展的重要途徑之一[2-3]。

排種器作為播種機的核心工作部件，漏播是衡量播種性能的重要指標之一[4-7]。實際工作中排種器均處于封閉狀態，漏播不易被及時發現，影響播種質量[8]。目前多在排種管、輸送管處進行漏播檢測，常用檢測方式主要有光電法、壓電法、計算機視覺法等[9-15]。紀超等[16]設計了基于反射式紅外光電感應的玉米播種機排種監測系統，實現對播種量、重播、漏播等性能指標的實時監測。周利明等[17]基于微電容信號評定排種器的性能，設計了一種電容式排種量傳感器。陳進等[18]運用高速攝像系統和圖像處理技術對排種器排種精度與播種均勻性等性能進行研究。Precision Planting公司研制的20/20 SeedSense播種實時監測系統，對播種機作業速度、合格指數和漏播指數等多個技術指標進行實時監測[19]。上述研究表明，相關學者或機構在玉米、大豆、小麥等大中粒徑作物種子的排種量、重播和漏播等性能檢測效果較佳，而蔬菜種子粒徑小，在氣流輔助投種下其與導種管或輸種管易碰撞，產生的漏播問題難以較準確檢測。

排種器工作過程中漏充和吸孔堵塞是導致漏播的主要原因[20]。本文針對小粒蔬菜種子在排種過程中易存在漏充與吸孔堵塞的問題，提出一種光束阻斷式漏充與堵孔同步檢測系統，并結合高速攝像技術同步檢測，研究氣力式排種器在不同轉速和吸室真空度條件下的漏充率與吸孔堵塞率，旨在驗證該檢測系統的可行性及準確性。

1 檢測系統結構與工作原理

檢測系統主要由氣力式排種器、核心控制器、觸摸顯示屏、旋轉編碼器、對射型激光傳感器、電源等組成，如圖1所示。檢測系統工作時，雙輸出軸步進電機通過十字萬向聯軸器帶動排種盤轉動，且光電旋轉編碼器安裝于步進電機另一輸出軸上，與步進電機同步旋轉；基于排種盤與旋轉編碼器的轉速同步性，核心控制器調用其中斷資源，采集旋轉編碼器的輸出脈沖，測定排種盤轉速，經過平滑濾波處理后實時調整時間窗口與理論脈沖頻率。

圖1 檢測系統三維結構圖 Fig.1 Three dimensional structure diagram of detection system 1.對射型激光傳感器 2.排種器 3.十字萬向節聯軸器 4.步進電機 5.旋轉編碼器 6.觸摸顯示屏 7.核心控制器 8.漩渦式氣泵 9.氣力管道 10.試驗臺架 11.直流電源

圖2 檢測區域示意圖 Fig.2 Schematic diagram of detection area 1.吸室殼體 2.導種管 3.卸種篩 4.正壓接口 5.排種端蓋6.負壓接口 7.種箱 8.排種殼體 9.傳感器檢測漏充接收端10.傳感器檢測漏充發射端 11.排種盤 12.傳動軸 13.傳感器檢測堵塞接收端 14.傳感器檢測堵塞發射端

氣力式排種器作為檢測系統的核心工作部件，主要由種箱、氣室殼體、排種殼體、排種軸、排種盤、導種管和卸種篩等組成，其結構如圖2所示。種子由種箱經進種口進入充種室，傳動軸帶動排種盤順時針旋轉，在吸種負壓作用下，充種室內的種子被吸附在排種盤上的吸孔上，被吸附的種子隨排種盤轉動至正壓投種區，在正壓及種子自身重力作用下，脫離吸孔落下，并經過導種管和輸種管播入已開好的種溝內。理論排種過程中，吸孔位于負壓區時均吸附單粒或多粒種子，吸孔位于過渡區時均未吸附種子。實際排種過程中若在負壓區檢測到未吸附種子的吸孔，即可判斷發生漏充；在過渡區檢測到吸孔中有種子，即可判斷排種過程中發生吸孔堵塞。

對射型激光傳感器包括發射端、接收端，分別安裝于排種盤兩側，且位于同一水平線上，傳感器位置見圖2。光束恰好可貫穿過一個吸孔，此時傳感器輸出電平為高電平；種子或排種盤每阻斷接收端接收光束一次，傳感器輸出電平瞬時跳變為低電平，輸出一個脈沖信號。為檢測排種過程的漏充情況，一對激光傳感器安裝在負壓區兩側；排種過程中不存在漏充時，即負壓區排種盤吸孔均吸附單粒種子，傳感器輸出電平始終為低電平，無脈沖信號；若在時間窗口內，核心控制器采集到傳感器輸出脈沖信號，即可判斷發生漏充，并根據脈沖信號數量計算漏充率。為檢測排種過程的吸孔堵塞情況，一對傳感器安裝在過渡區兩側；排種過程中不存在吸孔堵塞時，即過渡區吸孔均不吸附單粒種子，此時核心控制器檢測到理論脈沖頻率和實際脈沖頻率一致；核心控制器檢測到理論脈沖頻率與實際脈沖頻率存在差值，即可判斷存在發生吸孔堵塞，并根據脈沖信號差值計算吸孔堵塞率。

2 檢測系統設計

2.1 控制方案

在ARM嵌入式系統框架中，以STM32F407ZET6為核心控制器，完成排種盤實時轉速測定、對射型激光傳感器的脈沖采集、觸摸顯示屏的控制與顯示，實施運算等。依據工作原理，該系統方案采用的技術路線如圖3所示。

圖3 檢測系統技術路線圖 Fig.3 Technical roadmap of detection system

具體實施方法：基于排種盤與旋轉編碼器的轉速同步性，核心控制器通過采集旋轉編碼器的輸出脈沖，測定排種盤轉速，計算理論脈沖頻率與時間窗口；在隨排種盤轉速變化而自行調整的時間窗口中，核心控制器調用外部中斷、定時器中斷資源采集對射型激光傳感器輸出脈沖信號，計算實際脈沖頻率；通過對理論脈沖頻率和實際脈沖頻率實施運算，同步測定漏充率與吸孔堵塞率。

2.2 硬件設計

檢測系統主要由硬件和軟件兩部分組成，其中硬件主要由核心控制模塊、信號采集模塊、人機交互模塊和電源模塊組成。其中：核心控制模塊主要采用STM32F407ZET6微處理器，采集旋轉編碼器與對射型激光傳感器的輸出脈沖；信號采集模塊包括E6B2-CWZ6C型光電旋轉編碼器與DS5-50DN對射型激光傳感器；E6B2-CWZ6C型光電旋轉編碼器基于光電轉換原理，將輸出軸的角速度轉換成相應的電脈沖，以數字量形式輸出至微處理器PE2口；DS5-50DN1對射型激光傳感器發射端二極管發射激光，由接收端的光敏晶體管接收，基于光束阻斷原理同步檢測漏充與吸孔堵塞情況；其中，1_ DS5-50DN1該對傳感器檢測吸孔堵塞情況，微處理器通過PC0口采集接收端輸出脈沖，2_ DS5-50DN1該對傳感器檢測漏充情況，微處理器通過PE0口采集接收端輸出脈沖；人機交互模塊采用USART_HMI串口液晶觸摸屏，微處理器通過PA2、PA3口采集傳輸數據；電源模塊采用12 V鋰電池。漏充與吸孔堵塞同步檢測系統控制電路圖如圖4所示。

2.3 控制運算

該系統初始化后，調用外部中斷和定時器中斷資源，測算排種盤轉速與理論脈沖頻率，在實時調整的時間窗口內分別采集兩對激光傳感器光束的阻斷次數和通路次數，進而對吸孔堵塞與漏充情況進行同步檢測；通過對理論脈沖頻率與實際脈沖頻率實施運算，計算漏充率與吸孔堵塞率，并在觸摸屏上顯示。檢測系統程序流程如圖5所示。

調用ARM嵌入式系統的外部中斷與定時器中斷資源，核心控制器對旋轉編碼器的輸出脈沖計數，測定排種盤轉速，將當前轉速與前3次轉速進行平滑濾波處理，有利于提高排種盤轉速測量的穩定性和精確性。

假設排種盤有k個吸孔，排種盤轉動1圈或Ni圈所需時間為一個檢測周期，稱為時間窗口wi；Ni取值越小，檢測周期越短，實時性越好。則有

(1)

(2)

式中wi——時間窗口，s

z——排種盤轉速，r/min

ft——理論脈沖頻率，Hz

圖4 檢測系統控制電路圖 Fig.4 Control circuit diagram of detection system

圖5 檢測系統程序流程圖 Fig.5 Program flow chart of detection system

假設檢測吸孔堵塞的激光傳感器在一個時間窗口wi內的光束阻斷次數為tb，核心控制器采集光束阻斷次數，計算出吸孔堵塞實際脈沖頻率和吸孔堵塞率為

(3)

(4)

其中

N=kS

(5)

(6)

式中fb——吸孔堵塞實際脈沖頻率，Hz

Xb——吸孔累計堵塞個數，個

Pb——吸孔堵塞率，%

S——檢測圈數，圈

N——檢測吸孔數，個

假設檢測漏充的激光傳感器在一個時間窗口wi內的光束通路次數為tm，核心控制器采集光束通路次數，計算漏充實際脈沖頻率和漏充率為

(7)

(8)

(9)

式中fm——漏充實際脈沖頻率，Hz

Pm——漏充率，%

Xm——累計漏充個數，個

3 試驗驗證

3.1 試驗材料與設備

3.1.1試驗材料

試驗材料選用雪白玉蘿卜、中雙11號油菜、上海青，其主要物理特性見表1。

表1 試驗材料的物理特性 Tab.1 Physical properties of test material

3.1.2試驗設備

試驗設備主要有：氣力式排種器、HG-250型漩渦式氣泵(浙江森森集團股份有限公司)、十字萬向節聯軸器、TB86BL120-430型步進電機(常州遠控有限公司)、E6B2-CWZ6C型旋轉編碼器(日本OMRON公司)、DS5-50DN1對射型激光傳感器(廣東億銘精科有限公司)、i-SPEED 3型高速攝像系統(日本OLYMPUS公司)、STM32F407ZET6微處理器(廣州市星翼電子科技有限公司)以及漏充與吸孔堵塞同步檢測系統。臺架試驗在安徽農業大學自制排種器試驗臺上進行，如圖6所示，高速攝像系統試驗對比如圖7所示。

圖6 檢測系統試驗裝置 Fig.6 Test devices for detection system 1.核心控制器 2.對射型激光傳感器 3.排種盤 4.旋轉編碼器 5.步進電機 6.漩渦式氣泵 7.直流電源 8.高速攝像系統

圖7 高速攝像系統試驗對比 Fig.7 Test contrast diagrams of high speed camera system

3.2 試驗設計

根據GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機試驗方法》的規定，該試驗以排種器吸室真空度、排種盤轉速為試驗變量，以漏充率與吸孔堵塞率為評價指標進行驗證試驗，檢測系統與高速攝像設備同步檢測排種器漏充與吸孔堵塞情況。

試驗時，需設定排種盤轉速與吸室真空度。氣力式排種器的排種盤轉速為10～90 r/min，故設定排種盤轉速為10、30、50、70、90 r/min 5個水平；排種器的吸室真空度為1 000～3 000 Pa，故設定吸室真空度為1 000、1 500、2 000、2 500、3 000 Pa共5個水平；該排種盤吸孔數k為24，吸孔直徑為1.2 mm。在穩定工況下，檢測系統與高速攝像系統同步采集360個吸孔數據，每組試驗重復5次，計算不同工況下的吸孔堵塞率Pb與漏充率Pm。試驗結果如表2和表3所示。其中Gb為高速攝像檢測吸孔堵塞率，Gm為高速攝像檢測吸孔漏充率，Eb為堵塞率相對偏差，Em為漏充率相對偏差。

3.3 試驗步驟

按以下步驟進行試驗：

(1)啟動步進電機電源，調節排種盤轉速；啟動高速攝像設備電源，在排種器吸室內放置綠色LED燈，便于后期圖像處理；檢測系統初始化。

(2)排種盤轉速穩定后，檢測系統連續采集360個吸孔數據，高速攝像設備同步在線拍攝；排種盤連續轉動15圈后停止排種器排種，關閉步進電機電源。

(3)記錄檢測系統同步檢測的漏充率與吸孔堵塞率；高速攝像系統拍攝視頻經圖像處理后，記錄漏充率與吸孔堵塞率。

(4)改變排種盤轉速和吸室真空度，重復步驟(2)、(3)，直至排種盤在5個不同轉速水平和吸室真空度下完成試驗。

3.4 結果與分析

由表2可知，轉速10～90 r/min、真空度1 000～3 000 Pa條件下，雪白玉蘿卜和中雙11號油菜在排種過程中均未出現吸孔堵塞的情況，這2種方法同步檢測出上海青種子的型孔堵塞率相對偏差不大于0.95%。直徑較小的上海青種子吸孔堵塞率較高且隨機性較大，但堵塞率相對偏差差異較小。

從表3可以看出，在轉速10～90 r/min、真空度1 000～3 000 Pa范圍內，應用2種方法同步檢測出雪白玉蘿卜、中雙11號油菜和上海青3種球形蔬菜種子的漏充率相對偏差不大于1.67%。千粒質量和粒徑稍小的上海青在檢測過程中僅在吸室真空度1 000 Pa、排種盤轉速不小于70 r/min的條件下出現漏充情況，且漏充率低；雪白玉蘿卜、中雙11號油菜隨著吸室真空度降低、排種盤轉速增加2種檢測方法獲取的漏充率均呈上升趨勢，而漏充率相對偏差無較大差異。

表2 不同工況下設計系統與高速攝像同步檢測吸孔堵塞率對比 Tab.2 Comparison of suction hole blocking rate by system detection and high speed camera system under different working conditions %

表3 不同工況下設計系統與高速攝像同步檢測漏充率對比 Tab.3 Comparison of missing filling seeds rate by system detection and high speed camera system under different working conditions %

4 田間試驗

為進一步驗證光束阻斷式小粒蔬菜種子漏充和堵孔同步檢測系統的可行性，田間試驗在安徽農業大學農萃園試驗田進行。播種機選用黃鶴牌2BFQ-6型油菜精量聯合直播機，配套動力選用東方紅-LX954型拖拉機，風機功率為2.2 kW，檢測用排種器為24個型孔、1.2 mm吸孔直徑的氣力式精量排種器，試驗現場如圖8所示。試驗過程中直播機前進速度設定3個水平，2.6 km/h(慢Ⅰ擋)、3.3 km/h(慢Ⅱ擋)、4.5 km/h(慢Ⅲ擋)，其均為直播作業適宜擋位，直播機平穩工作后每個擋位下采集360個吸孔數據，每組試驗重復5次，計算不同工況下的漏充率Pm與吸孔堵塞率Pb，試驗結果如表4所示。

圖8 田間試驗現場 Fig.8 Scene of field test 1.漏充與堵孔同步檢測系統 2.氣力式排種盤 3.對射型激光傳感器 4.東方紅-LX954型拖拉機 5.驅動地輪 6.油菜精量聯合直播機 7.旋轉編碼器

由于油菜精量播種機由地輪驅動播種，將旋轉編碼器固定于播種機過渡軸，檢測機具前進速度，實時調整時間窗口。在慢Ⅰ擋、慢Ⅱ擋、慢Ⅲ擋的速度下，排種盤轉速分別為27、35、47 r/min。從表4可以看出，在機組前進速度為2.6～4.5 km/h條件下，3個品種的漏充率均隨機組前進速度增大呈上升趨勢，其中雪白玉蘿卜漏充率在4.5 km/h條件下較高(Pm>25%)；中雙11號油菜和雪白玉蘿卜未檢測出種子堵塞型孔的情況，直徑較小的上海青種子檢測出了型孔堵塞情況。與臺架試驗結果相比，該系統檢測出的漏充率和型孔堵塞率略有偏高，表明田間試驗與臺架試驗檢測結果存在一定誤差，其原因在于氣力式排種器在田間工作時受地表不平和機組工作產生一定的振動影響。

結合臺架試驗和田間試驗結果可知，盡管蔬菜種子的平均粒徑小，采用光束阻斷法可以同步檢測出小粒蔬菜種子的漏充率和吸孔堵塞率。因此對于氣力式小粒徑排種器而言，可以將改善充種性能和避免吸孔堵塞作為提高排種器通用性的切入點，光束阻斷式檢測系統可以作為一種有效手段，運用到排種機構結構優化設計中。

表4 田間試驗漏充率和吸孔堵塞率檢測值 Tab.4 Missing filling seeds rate and suction hole blocking rate of field test

5 結論

(1)提出了一種光束阻斷式檢測方法，該方法可同步有效檢測排種過程中小粒蔬菜種子的漏充與堵孔問題，為檢測排種器的性能提供了一種新手段，并為解析排種器漏播成因與排種器結構優化設計提供依據。

(2)與高速攝像同步檢測結果表明，該系統可根據排種盤轉速變化自行調整檢測時間窗口，漏充率相對偏差不超過1.67%，吸孔堵塞率相對偏差不超過0.95%，該方法可有效實現對小粒蔬菜種子排種過程中漏充率與吸孔堵塞率的實時同步檢測。