光電傳感器結(jié)合旋轉(zhuǎn)編碼器檢測氣吸式排種器吸種性能

賈洪雷，路 云，齊江濤※，張 哲，劉慧力，李 楊，羅曉峰

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光電傳感器結(jié)合旋轉(zhuǎn)編碼器檢測氣吸式排種器吸種性能

賈洪雷1,2，路 云1,2，齊江濤1,2※，張 哲1,2，劉慧力1,2，李 楊1,3，羅曉峰1,2

（1. 吉林大學工程仿生教育部重點實驗室，長春 130025；2. 吉林大學生物與農(nóng)業(yè)工程學院，長春 130025； 3. 京都大學大學院農(nóng)學研究科，京都 606-8502）

高速精密播種作業(yè)是大豆、玉米等作物播種的主要發(fā)展方向之一。該文針對高速精密播種作業(yè)中氣吸式排種器，設計了排種器吸種狀態(tài)檢測系統(tǒng)（seed disc suction performance detection system, SDSPS），該系統(tǒng)采用凹形光電傳感器采集排種盤吸種信息、應用光電旋轉(zhuǎn)編碼器采集排種軸轉(zhuǎn)動角度等信息，通過對光電傳感器的輸出信號和光電編碼器脈沖信號進行處理，得到排種盤每個吸孔的吸種情況，從而進一步獲取整個排種器的工作狀況。與排種器試驗臺常用的圖像處理檢測系統(tǒng)（seeding detecting system based on image processing, SDSIP）在6組作業(yè)條件下進行了試驗臺對比試驗，并單獨進行了檢測單個吸孔吸種量可行性試驗。試驗通過檢驗和檢驗（=0.05）得出2種系統(tǒng)測量值總體方差相同和均值一致。精度分析結(jié)果表明SDSPS相比于SDSIP的最大相對誤差為0.31%，系統(tǒng)穩(wěn)定性分析結(jié)果表明SDSPS與SDSIP的波動幅值比較接近，兩者的最大相對偏差值都不超過1%，SDSPS檢測單個吸孔吸種量的最大相對誤差為16.67%。通過田間試驗驗證，SDSPS對于漏吸種量和多吸種量，檢測系統(tǒng)檢測值與實際值相對誤差平均值分別為3.87%和8.42%。SDSPS能有效的進行排種盤吸種性能檢測，對單個吸孔吸種量的檢測也具有較高的可信度，可以為氣吸式排種器性能檢測與改進提供技術(shù)支撐。

農(nóng)業(yè)機械；傳感器；種子；氣吸式排種器；吸種性能；檢測系統(tǒng)

0 引 言

氣吸式播種機因其高速精密、傷種少等特點，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應用越來越廣泛[1-2]。對于氣吸式播種機而言，排種器的性能至關(guān)重要，排種器的工作效果直接決定了播種機的播種質(zhì)量[3]。由于負壓力不穩(wěn)定以及排種器本身設計缺陷等問題，氣吸式排種器的排種盤會出現(xiàn)漏吸的現(xiàn)象，從而導致漏播。但排種器的作業(yè)過程是封閉的，僅依靠人眼難以對排種效果進行直接觀測。在大型播種機作業(yè)過程中，因為其作業(yè)速度快、播幅寬，若未及時發(fā)現(xiàn)排種器出現(xiàn)的問題，易出現(xiàn)大面積的漏播情況[4-5]。因此，有必要對于排種器吸種性能進行檢測，為后期設計的提升提供保證。

目前，國內(nèi)外相關(guān)學者針對檢測排種器工作狀況的系統(tǒng)已有一定的研究。電容傳感器在播種機械領(lǐng)域常用于進行排種性能的檢測，通常安裝于導種管檢測種子流來檢測排種狀態(tài)[6]。周利明等[7]用電容傳感器作為檢測裝置，通過種子經(jīng)過時產(chǎn)生的電容量的變化判斷排種的狀態(tài)，并且利用尋峰算法對電容信號進行處理，得到相鄰籽粒的脈沖間隔，并通過比較籽粒脈沖的積分面積判斷雙粒重播，提高了系統(tǒng)的檢測精度，但其可靠性和穩(wěn)定性易受溫度感應以及寄生電容的影響[8]。機器視覺及圖像處理技術(shù)發(fā)展越來越成熟，利用該技術(shù)進行機器作業(yè)狀況的檢測也得到了大量的應用[9-12]。Karayel等[13]以及Navid等[14]利用高速攝像機及圖像處理技術(shù)獲取種子的粒距以及種子分布均勻性，通過粒距及均勻性來判斷排種器的排種狀況是否合格。黃東巖等[15]應用PVDF壓電薄膜設計了傳感器，利用壓電薄膜的壓電效應將排種器內(nèi)種子流動狀態(tài)轉(zhuǎn)換成脈沖電壓信號，但是壓電薄膜傳感器作為檢測元件可能因為種子和傳感器的擦碰，使得種子的下落軌跡發(fā)生變化，進而影響排種器的作業(yè)效果。光電傳感器因其良好的響應速度以及簡單的結(jié)構(gòu)被廣泛地應用在各行業(yè)的檢測系統(tǒng)中[16-17]。Lan等[18]使用直徑3 mm的LED和光電晶體管光電傳感器來測量排種器排出種子的間距。Okopnik等[19]利用光線紅外傳感器對排種器排出的種子進行識別和檢測，通過判斷種子的粒距來確定排種器的工作性能。張繼成等[20]以及紀超等[21]將高亮度的發(fā)光二極管和光敏電阻安裝在導種管中，通過種子下落遮擋光線來檢測排種狀況。

上述所有的檢測系統(tǒng)都是對已從排種器排出的種子進行檢測，這種檢測系統(tǒng)可以完成對機器作業(yè)狀態(tài)的檢測，并且可以及時發(fā)現(xiàn)作業(yè)過程中出現(xiàn)的漏播與重播[22]。但是機器作業(yè)出現(xiàn)漏播與重播是因為排種器在吸種過程中出現(xiàn)了漏吸種和多吸種，多吸種產(chǎn)生的原因在于負壓力過大或者種子在吸附時與排種盤吸孔間存在可以提供吸附其他種子的間隙，因此在排種器的設計中針對多吸種的情況，幾乎所有的排種器都配置了清種裝置用于清理多吸附的種子。漏吸種產(chǎn)生的原因在于負壓力不足導致種子難以吸附，以及排種盤設計存在缺陷導致吸孔不能很好地吸附住種子，或者吸孔被雜質(zhì)或破碎種子堵住等[23-24]，導致無法正常吸附種子。上述檢測系統(tǒng)無法通過檢測種子流來獲取吸種狀態(tài)的信息。

本文設計了一種基于光電傳感器與旋轉(zhuǎn)編碼器的檢測系統(tǒng)，對種子的吸附狀態(tài)進行檢測。同時，利用編碼器定位零點，將排種盤各吸孔進行編號，通過上位機對數(shù)據(jù)進行分析處理，可以獲取各個吸孔各自的吸種量，以便檢測吸孔故障，有利于設計時氣吸式排種器的改進，提升其工作性能。

1 吸種狀態(tài)檢測系統(tǒng)的組成與工作原理

1.1 氣吸式排種器結(jié)構(gòu)與工作原理

氣吸式排種器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。排種器為雙腔氣吸式排種器，主要由排種器蓋、刮種器、攪拌輪、吸室、吸氣管、排種軸、排種盤、傳感器和充種室等組成，排種器蓋閉合后形成充種室。

1. 排種器蓋 2. 刮種器 3. 攪拌輪 4. 吸室 5. 吸氣管 6. 排種軸 7. 排種盤 8. 傳感器 9. 充種室

作業(yè)時，風機開始運轉(zhuǎn)，在吸室內(nèi)產(chǎn)生負壓；充種室內(nèi)的種子接觸排種盤種孔時，種子被吸附在排種盤上；排種軸帶動排種盤和被吸附的種子同步轉(zhuǎn)動，刮種器刮掉多余種子、避免重吸；種子隨排種盤旋轉(zhuǎn)到排種管上部無吸力區(qū)，之后種子在自重作用下落入排種管內(nèi)，完成排種作業(yè)。

1.2 吸種狀態(tài)檢測系統(tǒng)工作原理

如圖2所示，種子通過傳感器時遮擋住了發(fā)光二極管光線。種子隨著排種盤的轉(zhuǎn)動通過光電傳感器，由于傳感器為非接觸式，種子運動軌跡不會被傳感器干擾，且吸種情況能被傳感器較好地記錄下來。當種子通過傳感器時，發(fā)光二極管所發(fā)出的光線被遮擋，觸發(fā)下降沿脈沖信號，若無種子經(jīng)過傳感器時，則無脈沖信號輸出。通過實時采集信號，實現(xiàn)種子穿過傳感器過程的動態(tài)捕獲，當種子穿過傳感器時，發(fā)出1個方波脈沖，1個脈沖則代表通過1粒種子。通過單片機計數(shù)，則可以得到通過傳感器的種子的數(shù)量。

1.2.1 漏吸種判定方法

排種器主軸轉(zhuǎn)動1周光電編碼器發(fā)出360個脈沖信號即排種盤每轉(zhuǎn)1度編碼器就發(fā)出一個脈沖信號。主軸旋轉(zhuǎn)1周，排種盤同步旋轉(zhuǎn)1周，且排種盤與主軸同方向轉(zhuǎn)動。排種盤為40孔的大豆排種盤，排種器正常工作時，排種盤每轉(zhuǎn)過9°即光電編碼器每發(fā)出的9個脈沖信號的過程中會有1粒種子經(jīng)過光電傳感器。上位機將傳感器與編碼器的脈沖信號進行同步處理，通過檢測在編碼器發(fā)出9個脈沖信號的時間內(nèi)，記錄是否有1粒種子通過，可判定該吸孔是否出現(xiàn)了漏吸。

圖2 傳感器工作原理

1.2.2 多吸種判定方法

對于同一品種的種子，種子直徑在一定的區(qū)間內(nèi)服從正態(tài)分布，在對傳感器進行設置的時候設定為當光源被遮擋時傳感器傳回低電平信號，由于種子的大小是一定的，所以傳感器獲取章子低電平信號的寬度也在一定范圍內(nèi)。通過試驗測得單粒種子通過傳感器時，信號的平均寬度為a。當排種盤吸孔出現(xiàn)多吸種情況時，多粒種子通過傳感器的時間比單粒種子通過時間長，由于排種盤設計的吸孔大小一定，從而限制了多吸種的信號寬度最少為平均信號寬度a的1.5倍，即檢測到種子信號脈沖寬度≥1.5a時，定義為多吸種。

1.2.3 吸孔吸種性能定位方法

圖3為吸孔標號示意圖，利用編碼器的向定位初始位置后，將排種器從初始位置運轉(zhuǎn)后第1個通過傳感器的吸孔定為1號吸孔，并做相應的標記，之后的吸孔依次標號。機器運轉(zhuǎn)后編碼器發(fā)出的第1個脈沖記為1號脈沖，通過同時比較傳感器以及編碼器的脈沖信號，可以確定每一個吸孔吸種的信息，將該信息存儲于上位機中，可以進行后期的故障檢查。

圖3 吸種孔標號示意圖

檢測系統(tǒng)通過光電傳感器及編碼器的脈沖信號對比，檢測播種狀況及判斷各吸孔吸種情況的原理如圖4所示。

圖4 編碼器脈沖信號示意圖

由于種子通過傳感器時傳感器的接受信號會變?yōu)榈碗娖矫}沖，所以檢測系統(tǒng)在判斷是否吸種時，需判斷相鄰2段編碼器脈沖內(nèi)（各9個脈沖）接受的傳感器信號是否屬于同一個方波脈沖，若屬于，則只記1粒種子。可以排除種子由于觸碰傳感器而使通過傳感時間變長，進而導致的低電平方波脈沖跨過2段編碼器脈沖而產(chǎn)生記多粒種子的情況。

1.3 傳感器設計與安裝

根據(jù)排種器吸種狀態(tài)檢測系統(tǒng)工作原理，傳感器類型選擇光電傳感器，光電傳感器用ABS工程塑料加工成“凹”字形結(jié)構(gòu)，二極管以及光敏元件分別位于“凹”字的兩邊凸起的位置，并用環(huán)氧樹脂灌封固化。傳感器具體尺寸及其安裝位置如圖5所示。

光電傳感器安裝在氣吸式排種器的刮種器正后方的排種器蓋上，當端蓋閉合后，光電傳感器緊貼在刮種器后方；在排種器開始工作后，種子進入排種盤后刮種器刮掉種盤上多余的種子后，種子被吸附，順著排種盤轉(zhuǎn)動進入傳感器的凹處即傳感器檢測區(qū)域，從而保證了檢測的每一個吸孔的吸種狀態(tài)是在清理過多種子之后的；當種子從傳感器的凹處通過時，排種器上種子的吸附狀態(tài)通過光電傳感器傳輸信號到編碼器，在編碼器中記錄下來。

1.4 編碼器選擇與安裝

所選用的排種器排種盤有40個吸孔，為了精準定位到每一個吸孔吸種狀態(tài)，編碼器的分辨率為吸孔數(shù)的整數(shù)倍最佳，因此選用的旋轉(zhuǎn)編碼器分辨率為40×P/R（為不小于1的整數(shù)，P/R為脈沖/轉(zhuǎn)），至少使1個脈沖可以對應1個吸孔。

圖5 光電傳感器尺寸圖及安裝圖

為了定位初始位置，并基于初始位置對排種盤吸孔進行標號，同時為了減少誤差的產(chǎn)生，綜合以上各種因素，選用360P/R的絕對式光電旋轉(zhuǎn)編碼器，其型號為E6F-AB3C-C 360P。

為了實現(xiàn)脈沖信號與吸孔位置相對應，需保證排種器運轉(zhuǎn)1周時，編碼器也能同時轉(zhuǎn)過1周，因此將編碼器與傳動軸通過聯(lián)軸器連接。

2 系統(tǒng)硬件設計

圖6為吸種狀態(tài)檢測系統(tǒng)組成圖，檢測系統(tǒng)主要由上位機、信號獲取模塊和CAN總線通信等組成。使用的單片機型號為PIC18F26K80。

上位機由人機交互系統(tǒng)、主板、微控制器以及CAN收發(fā)板組成。上位機主要用于處理信息獲取模塊得到的信息，并將信息顯示。

信號獲取模塊包括前述的凹形光電傳感器和濾波電路組成的吸種量信息獲取模塊以及利用編碼器的排種軸轉(zhuǎn)動角度信息獲取模塊。

針對檢測過程容易出現(xiàn)尖峰信號對檢測產(chǎn)生影響，設計了具有濾波功能的高精度檢測電路，如圖7所示。

為了實現(xiàn)對吸附種子的數(shù)量以及編碼器的脈沖進行計數(shù)，采用單片機PIC18F26K80作為采集電路核心，控制整個電路工作。

SN7406N芯片為6路反相緩沖器/驅(qū)動器，主要負責對二極管采集信號進行整形和驅(qū)動。為了使得種子脈沖信號以及光電編碼器信號的獲取更加精確，采用TLP521- 2光電耦合器，對噪聲及尖峰脈沖等干擾信號進行過濾。

圖6 吸種狀態(tài)檢測系統(tǒng)組成

圖7 檢測系統(tǒng)電路圖

為了使數(shù)據(jù)傳輸更加可靠，同時保證系統(tǒng)的可擴展性，上位機與信號獲取模塊采用CAN總線作為數(shù)據(jù)通信方式。CAN總線數(shù)據(jù)傳輸具有系統(tǒng)可擴展性，并且實時性強、傳輸距離較遠、抗干擾能力強。總線模塊主要由PIC18F26K80內(nèi)部CAN控制器、TJA1040總線驅(qū)動器組成。設置CAN總線通信速率為125 kbps，數(shù)據(jù)格式為標準幀。

沒有種子時，光電傳感器的發(fā)射管的光線照射在接收管上，接收管處于導通狀態(tài)，通過整形濾波電路后，產(chǎn)生標準TTL高電平。有種子時，發(fā)射管的光線被阻擋，接收管處于截止狀態(tài)，通過整形濾波電路后，會產(chǎn)生標準TTL低電平。下降沿被單片機捕捉，產(chǎn)生中斷后，進入中斷程序，計數(shù)器中數(shù)字加1（即種子數(shù)加1）。

光電編碼器信號經(jīng)過整形濾波電路后，進入單片機計數(shù)0端口（T0CK1）進行計數(shù)。當光電編碼器轉(zhuǎn)到零位時會產(chǎn)生一個上升沿，進入單片機捕捉CCP2端口，完成初始位置定位。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 吸種狀態(tài)檢測軟件設計

吸種性能檢測軟件采用模塊化程序設計方法，其主要包括系統(tǒng)初始化模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、CAN 總線數(shù)據(jù)通信模塊和數(shù)據(jù)判斷報警模塊。

程序流程圖如圖8所示。系統(tǒng)工作前，主程序執(zhí)行系統(tǒng)初始化，系統(tǒng)初始化包含了定時/計數(shù)器0的初始化、外部中斷0和外部中斷的初始化等。初始化之后，即完成了對系統(tǒng)工作模塊、相關(guān)寄存器和I/O口的初始化設置，完成I/O端口設置、CAN模塊配置。

根據(jù)編碼器定位初始位置，將吸附第1粒種子的吸孔進行標記，記作1號吸孔。光電傳感器采集種子經(jīng)過時產(chǎn)生的電信號，同時編碼器發(fā)出脈沖，單片機每次接收到編碼器的9個脈沖信號后，立刻檢查該9個脈沖信號期間是否采集到種子經(jīng)過光電傳感器所產(chǎn)生的電信號。如果沒有檢測到電信號，則匹配對應吸孔的漏吸種數(shù)加1并上傳至上位機；如果檢測到電信號，則開始對種子信號的寬度進行判斷，如果≤1.5a，則匹配對應吸孔的正常吸種數(shù)加1并上傳到上位機，否則匹配對應吸孔的多吸種數(shù)加1并上傳到上位機。

圖8 吸種狀態(tài)檢測流程圖

3.2 上位機軟件設計

上位機軟件主要包括CAN通信參數(shù)設置，總吸種量統(tǒng)計，總吸種合格率顯示、各排種器的吸種合格率、漏吸種率、多吸種率統(tǒng)計，以及各排種器每一面的各個吸孔的吸種數(shù)量統(tǒng)計。

對于監(jiān)控程序，系統(tǒng)工作前，先進行系統(tǒng)初始化設置，并設置要求的吸種合格率（本文中預設為95%）。系統(tǒng)執(zhí)行初始化設置后，開始接收下位機數(shù)據(jù)，將吸種量與漏吸量進行統(tǒng)計，并計算出各排種器的吸種合格率、漏吸種率、多吸種率，最后計算出總體的吸種合格率。當總體或各排種器的實際吸種合格率低于要求時則發(fā)出聲光報警。同時將各吸孔對應吸種量進行統(tǒng)計，并存儲于上位機中，以便后期針對吸孔問題進行故障檢測。上位機檢測系統(tǒng)流程圖如圖9所示。

圖9 上位機主程序流程圖

4 臺架及田間驗證試驗

4.1 試驗目的

基于上述的理論分析及軟硬件設計，為了驗證所研制的檢測系統(tǒng)是否可靠，設計了臺架試驗并通過田間綜合試驗測試其可靠性。測試指標為漏吸種率、多吸種率。旨在：1）驗證本文基于光電傳感器及光電編碼器的檢測系統(tǒng)對漏吸種、多吸種以及吸種合格率的檢測的精度；2）驗證本文檢測系統(tǒng)是否能對排種盤各吸孔的吸種效率進行檢測并找出存在問題的吸孔。

4.2 主要臺架試驗方法與內(nèi)容

試驗設備：JSP-12排種器試驗臺、氣吸式排種器，及設計的排種器吸種狀態(tài)檢測系統(tǒng)、高速攝像機等。如圖10所示，臺架試驗在吉林大學農(nóng)機實驗室的JSP-12排種器試驗臺上進行。將雙腔式氣吸式排種器安裝于試驗臺臺架，并將傳感器、編碼器、單片機進行連接和固定。單片機與計算機相連。

圖10 臺架試驗

本文多吸種的判定方式為自定義，因此為了驗證利用種子信號脈沖寬度判定是否出現(xiàn)多吸種的可行性，進行了單雙粒種子信號脈沖寬度對比的試驗。

試驗中采用對射式光電傳感器對排種盤上的種子進行檢測，并利用示波器獲得種子信號。為了獲取更多的雙粒種子脈沖寬度數(shù)據(jù)，在試驗中去除清種刷。平均一粒種子經(jīng)過傳感器的時間計算公式為：

所用排種軸轉(zhuǎn)速50.0 r/min，大豆種子平均直徑為6.52 mm，排種器上種子所在的圓周直徑為178 mm[25]。根據(jù)式（1）計算得出平均1粒種子經(jīng)過傳感器的時間為0.014 s。

為了減少對比試驗的誤差，本文采用同一次試驗使用2種檢測系統(tǒng)獲取排種器作業(yè)數(shù)據(jù)的測試方法。JPS-12排種器試驗臺具有圖像采集和處理的功能，在排種器前端安裝有攝像裝置箱內(nèi)安裝有高速攝像機，高速攝像機會對排出的種子以一定的幀速率攝像。圖像傳至試驗臺配備的計算機，用Luminar的圖像處理軟件對種子排布進行檢測并得出種子的排布數(shù)據(jù)。

4.3 臺架試驗結(jié)果與分析

4.3.1 單雙粒種子信號脈沖寬度試驗

根據(jù)前文計算得出平均1粒種子經(jīng)過傳感器的時間0.014 s對應的脈沖寬度為單粒種子信號的平均寬度a，在每次試驗中獲取單粒種子及雙粒種子脈沖寬度的平均值，共計10次試驗。試驗結(jié)果如表1所示。

表1 單雙粒種子傳感器信號脈沖寬度

從表1可看出，排種盤吸附單、雙粒種子時，其脈沖寬度在各試驗中均變化不大，因存在重疊面積，雙粒種子的脈沖寬度約是單粒種子脈沖寬度的1.68倍。由此可見，可以利用傳感器采集到的種子低電平信號的脈沖寬度判斷是否出現(xiàn)多吸種（即引起重播的情況）。

4.3.2 吸種狀態(tài)檢測試驗

試驗臺的圖像處理檢測系統(tǒng)（seeding detecting system based on image processing，以下簡稱SDSIP）對種子監(jiān)測的合格率具有較高的可信度[26]。將SDSIP獲得的漏播和重播數(shù)據(jù)等效看作排種盤吸孔的漏吸種和多吸種數(shù)據(jù)。

試驗選擇影響吸種狀態(tài)的2個主要因素：負壓力，排種軸轉(zhuǎn)速。負壓力選取2、2.5、3 kPa 3個水平，排種軸轉(zhuǎn)速選取50、66.7 r/min 2個水平。表2為吸種性能檢測對比試驗因素水平表。

表2 檢測系統(tǒng)對比試驗因素水平

試驗時，分別在3種不同負壓力和2種不同排種軸轉(zhuǎn)速中進行兩兩配對組成6組試驗；在相同的條件下，在JSP-12試驗臺上對排種器的排種狀態(tài)進行檢測。

每組試驗重復5次。為確保試驗結(jié)果的可靠性，在每次試驗之后對排種器進行重新填種，保證充種室內(nèi)有足夠的種子。結(jié)果如圖11所示。

注：SDSPS為本文排種盤吸種狀態(tài)檢測系統(tǒng)；SDSIP為排種器試驗臺常用的圖像處理檢測系統(tǒng)；P1=2 kPa, P2=2.5 kPa, P3=3 kPa; ω1=50 r×min–1, ω2= 66.7 r×min–1。下同。

本文通過相對誤差的計算對SDSPS檢測系統(tǒng)的測量精度進行分析。其相對誤差公式為

表3為6組不同作業(yè)條件下排種器工作狀態(tài)相對誤差統(tǒng)計表。從表中可以看出，在6組不同作業(yè)條件下，SDSPS檢測系統(tǒng)與SDSIP檢測系統(tǒng)檢測結(jié)果之間相對誤差的最大值為0.31%，最小值為0.10%，說明SDSPS檢測系統(tǒng)與SDSIP檢測系統(tǒng)的檢測精度相近，具有較高可信度。

1）SDSPS檢測系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析

通過相對偏差來考察各次試驗對吸種合格率的測量值對該樣本平均值的偏離程度，本文對SDSPS檢測系統(tǒng)和SDSIP檢測系統(tǒng)的測量穩(wěn)定性進行對比分析。相對偏差公式為：

表3 SDSPS檢測系統(tǒng)相對誤差統(tǒng)計結(jié)果

圖12為2種檢測系統(tǒng)在6組不同作業(yè)條件下的相對偏差結(jié)果。可以明顯看出2種測試裝置在6組作業(yè)條件下的相對偏差最大不超過1%，多數(shù)測量點低于0.7%，說明兩者的吸種合格率測量值分別相對其平均值的偏離程度較小；且同一作業(yè)條件下相對偏差值范圍基本相近，說明2種檢測系統(tǒng)的波動幅值接近，具有較高的一致性。

圖12 不同作業(yè)條件下2種測試裝置的相對偏差

2）SDSPS吸種狀態(tài)檢測系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析

本文通過應用檢驗對2種檢測系統(tǒng)的試驗結(jié)果樣本的方差齊性進行分析，表4為本試驗結(jié)果的檢驗分析結(jié)果。從表4中可以得出6組作業(yè)條件下的吸種合格率檢測數(shù)據(jù)<0.05(9, 9)，0.05> 0.05，說明2種檢測系統(tǒng)在各組作業(yè)條件下的吸種合格率測量值樣本方差沒有顯著性差異。

將2種檢測系統(tǒng)在同一作業(yè)條件下的對比數(shù)據(jù)進行二樣本檢驗，考察2種系統(tǒng)所測樣本的均值是否具有一致性。從上文的檢驗得知2種檢測方法所測數(shù)據(jù)的樣本方差沒有顯著性差異即等方差，因此，本文應用雙樣本等方差檢驗。表5為試驗結(jié)果的檢驗分析結(jié)果。由檢驗結(jié)果得出各組樣本對比數(shù)據(jù)的0.05均大于顯著性水平= 0.05，說明2種方法在同一作業(yè)條件下所測的吸種合格率沒有顯著性差異，由此進一步說明了2種檢測方式的檢測結(jié)果一致性。

4.3.3 SDSPS檢測單個吸孔吸種量可行性試驗

為了驗證SDSPS檢測系統(tǒng)能否完成對排種盤單個吸孔吸種量的檢測，采用高速攝像機獲取排種盤工作時的吸種狀況，將通過高速攝像機獲得的數(shù)據(jù)與SDSPS檢測系統(tǒng)獲得的數(shù)據(jù)進行對比。

選取雙腔氣吸式排種器的一腔，并且為了防止另一腔因沒有種子而降低吸室負壓力，將其封閉。確定排種器的初始位置，根據(jù)上文的吸孔標號方法，將排種盤的吸孔標號，將負壓力設定為3 kPa。然后進行系統(tǒng)的可行性試驗。令排種器運轉(zhuǎn)10圈以后，將SDSPS以及高速攝像所得數(shù)據(jù)進行分析，2種系統(tǒng)獲取的各吸孔吸種量如圖13所示。

表4 吸種合格率的F檢驗

表5 吸種合格率的T檢驗

圖13 兩種方式獲取的排種盤各吸孔吸種量

本文通過計算2種數(shù)據(jù)獲取方式中排種盤每個吸孔的相對誤差來考察SDSPS檢測系統(tǒng)對單個吸孔吸種量的檢測精度。表6為2種方式獲取的單個吸孔吸種量的相對誤差統(tǒng)計表，從表6中可以看出，SDSPS檢測單個吸孔吸種量的最大相對誤差為16.67%，最小相對誤差為0。由于試驗過程中單個吸孔的吸種總量較整個排種盤的總吸種量較小，相對誤差最大的5號吸孔其吸種量的絕對誤差在試驗中也只是2粒種子。因此，SDSPS的檢測值相對于真實值具有較高的可信度。

分析表6中出現(xiàn)的檢測值與真實值的差異，其原因主要在于：

1）存在多吸種現(xiàn)象未檢測出來，分析其原因在于兩粒種子經(jīng)過傳感器時，重疊部分面積過大，使種子的信號的寬度不能大于1.5倍的平均寬度；

2）多吸種量的檢測值小于實際值，分析其原因在于存在小概率單個吸孔吸上了多于2粒種子的情況，SDSPS檢測系統(tǒng)只算作多吸了1粒；

3）存在漏吸種量的檢測值小于實際值，或漏吸種未檢測出，分析其原因在于傳感器的安裝位置在種子落入導種管之前，存在種子經(jīng)過傳感器后從吸孔掉落的現(xiàn)象。

由于對于單個吸孔吸種量的檢測已經(jīng)對排種器進行初始定位標記，并且給吸孔進行標號。在田間作業(yè)時過程較為繁瑣，因此可用于排種器的試驗臺測試，用于準確找出存在吸種問題的吸孔，為后續(xù)排種盤加工工藝的提升提供依據(jù)和參考。

4.4 田間試驗

田間試驗于2016年10月14日在吉林省農(nóng)業(yè)機械研究院試驗田（地理坐標43.83°N、125.32°E，海拔：228 m）進行田間試驗（圖14）。0~100 mm和100 mm深度的土壤容積密度為1.29 g/cm3，0~100 mm深度的土壤含水量為10.5%。

在試驗地的兩端均劃定出20 m作為設備調(diào)試及拖拉機的速度調(diào)節(jié)區(qū)，中間50 m作為拖拉機平穩(wěn)行駛時的數(shù)據(jù)采集區(qū)，每隔10 m設立標桿，將多次試驗限制在同一地塊，減小誤差，同時能夠方便試驗后的數(shù)據(jù)測量。

表6 SDSPS檢測單個吸孔的吸種量相對誤差統(tǒng)計結(jié)果

圖14 田間試驗場

試驗設備和材料有：2BDB-6大豆變量施肥播種機、凱斯Puma 2104拖拉機，中黃37大豆種子、土壤堅實度測試儀（SC900 Soil compaction meter）、土壤水分測試儀（TDR300 Soil moisture meter）及設計的吸種性能檢測系統(tǒng)、標桿、卷尺等。田間試驗時，播種機作業(yè)速度為8 km/h。

將氣吸式排種器吸種性能檢測系統(tǒng)安裝在2BDB-6大豆變量播種機的一個排種器上，使機器在田間作業(yè)。同時安排人員對排出的種子進行統(tǒng)計。

4.5 田間試驗結(jié)果與分析

將實際粒距與理論粒距（0.05 m）相比較，根據(jù)《:GB/T6973-2005單粒(精密)播種機試驗方法》[27]判斷漏播與重播方法，將漏播和重播與排種盤出現(xiàn)的漏吸種和多吸種進行對應。判斷條件為：檢測指標中，依據(jù)“重播”條件判斷是否存在“多吸種”的情況；依據(jù)“漏播”條件判斷“漏吸種”的情況；計量“多吸種”和“漏吸種”的數(shù)量，得出多吸種量和漏吸種量。

由于傳感器安裝位置靠前，在試驗停止時，有10個吸孔經(jīng)過了傳感器檢測但是種子還沒來得及排出，這幾個吸孔的測量數(shù)據(jù)應去除。試驗結(jié)果如表7~表8所示。

試驗結(jié)果表明，檢測值與人工實測值相比，對于漏吸種量和多吸種量，其相對誤差平均值分別為3.87%和8.42%，其相對誤差最大值分別為10.34%和20.00%。排種器吸種狀態(tài)檢測系統(tǒng)過程存在一定的誤差，針對漏吸種檢測存在誤差，分析其主要原因在于田間環(huán)境的復雜性以及傳感器安裝位置有些靠前，存在種子經(jīng)過傳感器后因振動等因素導致種子在排出前落回排種器；針對多吸種檢測存在誤差，分析其主要原因在于吸孔多吸種時2粒種子體積較小并且重疊面積較多，系統(tǒng)誤判定為單粒種子。

表7 漏吸種量檢測試驗數(shù)據(jù)

表8 多吸種量檢測試驗數(shù)據(jù)

如表9所示，用SAS軟件對試驗數(shù)據(jù)進行處理，通過方差分析的結(jié)果可以看出，檢測系統(tǒng)對排種器漏吸種量失擬項值為0.33；多吸種量的失擬項值為0.06，顯然>0.05，表明無失擬因素存在，因此，檢測值與實測值對比沒有顯著性差異。

表9 試驗數(shù)據(jù)方差分析

試驗結(jié)果顯示漏吸種量檢測值均值為26.45粒，實測值均值為27.5粒；多吸種量檢測值均值為10.25粒，實測值均值為11.25粒。根據(jù)試驗結(jié)果的數(shù)據(jù)來看，漏吸種量和多吸種量的均值和方差均比較接近，由此可知采用排種器吸種狀態(tài)檢測系統(tǒng)獲得排種盤的吸種狀態(tài)與人工實地測量結(jié)果具有較高的相關(guān)性，說明該測試方法在田間實際應用中具有較好的適用性。

分析田間試驗時所產(chǎn)生的誤差，對于解決由于田間復雜的工作環(huán)境而產(chǎn)生的誤差，還需要進一步的研究。

5 結(jié) 論

1）本文設計了氣吸式排種器的排種器吸種狀態(tài)檢測系統(tǒng)，利用將光電傳感器與編碼器脈沖信號相結(jié)合的方法，獲取排種盤吸種孔工作狀況。

2）基于編碼器對排種盤各吸孔進行標號，從而得出故障吸孔的編號。分別給編碼器與傳感器的脈沖信號序列進行編號，檢測排種盤各吸孔吸種性能，找出故障吸孔并記錄其編號。

3）對該系統(tǒng)進行了測試，結(jié)果表明SDSPS相比于SDSIP的最大相對誤差為0.31%；在同一作業(yè)條件下，誤差的波動幅值相近；通過檢驗和檢驗（=0.05）得出2種系統(tǒng)測量值總體方差相同、均值一致；田間試驗中，SDSPS對于漏吸種量和多吸種量，檢測系統(tǒng)檢測值與實際值相對誤差平均值分別為3.87%和8.42%。

[1] 劉月琴，趙滿全，劉飛，等. 基于離散元的氣吸式排種器工作參數(shù)仿真優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報，2016，47(7)：65－73. Liu Yueqin, Zhao Manquan, Liu Fei, et al. Simulation and optimization of working parameters of air suction metering device based on discrete element[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 47(7): 65－73. (in Chinese with English abstract)

[2] 趙佳樂，賈洪雷，姜鑫銘，等. 大豆播種機偏置雙圓盤氣吸式排種器[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報，2013，44(8)：78－83. Zhao Jiale, Jia Honglei, Jiang Xinming, et al. Suction type offset double disc seed metering device of soybean seeder[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2013, 44(8): 78－83. (in Chinese with English abstract)

[3] 史智興，高煥文. 排種監(jiān)測傳感器的試驗研究[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報，2002，33( 2)：41－43. Shi Zhixing, Gao Huanwen. RLD optoelectronic sensor for seeding monitoring[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2002, 33(2): 41－43. (in Chinese with English abstract)

[4] 陳進，李耀明，王希強，等. 氣吸式排種器吸孔氣流場的有限元分析[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報，2007，38(9)：59－62. Chen Jin, Li Yaoming, Wang Xiqiang, et al. Finite element analysis for the sucking nozzle air field of air-suction seeder[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2007, 38(9): 59－62. (in Chinese with English abstract)

[5] 何堤, 陳立東, 謝宇峰. 氣吸式排種器排種質(zhì)量影響因素的試驗研究[J]. 農(nóng)機化研究, 2006(1):175－176. He Di, Chen Lidong, Xie Yufeng. Effects of sewage rrigation on growth of paddy[J] Journal of Agricultural Mechanization Research, 2006(1):175－176. (in Chinese with English abstract)

[6] Qi Jiangtao, Jia Honglei, Li Yang, et al. Design and test of fault monitoring system for corn precision planter[J]. International Journal of Agricultural & Biological Engineering, 2015, 8(6): 13－19.

[7] 周利明，王書茂，張小超，等. 基于電容信號的玉米播 種機排種性能監(jiān)測系統(tǒng)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2012，28(3)： 16－21. Zhou Liming, Wang Shumao, Zhang Xiaochao, et al. Seed monitoring system for corn planter based on capacitance signal [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(3): 16－21. (in Chinese with English abstract)

[8] 王愛玲，房亞民. 電容傳感器寄生電容干擾的產(chǎn)生原因及消除方法[J]. 華北科技學院學報，2005(1)：93－95. Wang Ailing, Fang Yamin. Autoeciousness capacitance of capacitance sensor technology[J]. Journal of North China Institute of Science and Technology, 2005(1): 93－95. (in Chinese with English abstract)

[9] Alchanatis V, Kashti Y, Brikman R. A machine visionfor evaluation of planter seed spatial distribution[J]. Agricultural Engineering International Cigr E Journal, 2002, 4: 11－20.

[10] Jia J, Krutz G W. Location of maize plant with machine vision[J]. Agric Eng Research, 1992, 52(3): 169－181. .

[11] Nakarmi D, Tang L. Automatic inter-plant spacing sensing at early growth stages using a 3D vision sensor[J]. Computer and Electronic in Agriculture, 2012, 82(3): 23－31.

[12] 陳進，邊疆，李耀明，等. 基于高速攝像系統(tǒng)的精密排種器性能檢測試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2009，25(9)：90－95. Chen Jin, Bian Jiang, Li Yaoming, et al. Performance detection experiment of precision seed metering device based on high-speed camera system[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2009, 25(9): 90－95. (in Chinese with English abstract)

[13] Karayel D, Wieseoff M, Ozmerzia A, et al. Laboratory measurement of seed drill seed spacing and velocity of fall of seeds using high-speed camera system [J]. Computers and Electronics in Agriculture, 2006, 50(2): 89－96

[14] Navid H, Ebrahimian S, Gassemzadeh H R, et al. Laboratory evaluation of seed metering device using image processing method[J]. Australian Journal of Agricultural Engineering, 2011, 2(1): 1－4.

[15] 黃東巖, 賈洪雷, 祁悅, 等. 基于聚偏二氟乙烯壓電薄膜的播種機排種監(jiān)測系統(tǒng)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報, 2013, 29(23): 15－22. Huang Dongyan, Jia Honglei, Qi Yue, et al. Seeding monitor system for planter based on polyvinylidence fluoride piezoelectric film[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(23): 15－22. (in Chinese with English abstract)

[16] Li H, Pan D. Multi-photoelectric detection sensor target information recognition method based on D-S data fusion[J]. Sensors and Actuators A: Physical, 2017, 264: 117－122

[17] F Naaim-Bouvet, H Bellot, K Nishimura, et al. Detection of snowfall occurrence during blowing snow events using photoelectric sensors[J]. Cold Regions Science & Technology, 2014, 106－107 (10): 11－21

[18] Lan Y, Kocher M F, Smith J A. Opto-electronic sensor system for laboratory measurement of planter seed spacing with small seeds[J]. Journal of Agricultural Engineering Research, 1999, 72(2): 119－127.

[19] Okopnik D L, Falate R. Usage of the DFRobot RB-DFR-49 Infrared Sensor to detect maize seed passage on a conveyor belt[J]. Computers and Electronics in Agriculture, 2014, 102(1): 106－111.

[20] 張繼成，陳海濤，歐陽斌林，等. 基于光敏傳感器的精密播種機監(jiān)測裝置[J]. 清華大學學報(自然科學版)，2013 (2)：265－268. Zhang Jicheng, Chen Haitao, Ouyang Binlin, et al. Monitoring system for precision seeders based on a photosensitive sensor[J]. Journal of Tsinghua University (Science and Technology), 2013(2): 265－268. (in Chinese with English abstract)

[21] 紀超，陳學庚，陳金成，等. 玉米免耕精量播種機排種質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報，2016, 47(8)：1－6. Ji Chao, Chen Xuegeng, Chen Jincheng, et al. Monitoring system for working performance of no-tillage corn precision seeder[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 47(8): 1－6. (in Chinese with English abstract)

[22] Li S, Gong H, Gu H. Notice of retraction research on loss seeding monitoring and precise reseeding seeder system[J]// International Conference on Computer Application and System Modeling. IEEE, 2010-10-24.

[23] 高富強，齊鵬，邱立春. 氣吸式排種器排種性能影響因素的分析與試驗研究[J]. 農(nóng)機化研究，2016，38(9)：191－196. Gao Fuqiang, Qi Peng, Qiu Lichun. The analysis and experimental study on the parameters of seeding qualified effects of air-suction seed metering device[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2016, 38(9): 191－196. (in Chinese with English abstract)

[24] 溫浩軍，陳學庚，顏利民，等. 精量播種電子監(jiān)控裝置的研究[J]. 新疆農(nóng)墾科技，2008(6)：39－40.

[25] 陳海濤，李桐輝，王洪飛，等. 氣吸滾筒式壟上三行大豆密植排種器設計與參數(shù)優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2018，34(17): 16－24

[26] 那曉雁，趙春雁，孫士明，等. 氣吸式排種器性能試驗及預測分析[J]. 湖南農(nóng)業(yè)大學學報(自然科學版)，2015，41(4)：440－442.

[27] 中國國家標準化委員會.單粒（精密）播種機：GB/T 6973-2005[S]. 北京: 中國標準出版社，2005.

Detecting seed suction performance of air suction feeder by photoelectric sensor combined with rotary encoder

Jia Honglei1,2, Lu Yun1,2, Qi Jiangtao1,2※, Zhang Zhe1,2, Liu Huili1,2, Li Yang1,3, Luo Xiaofeng1,2

(1.130025,; 2.130025,; 3.606-8502,)

The air suction type soybean seed-metering device is the core component of the air suction soybean planter. Therefore, the stability and reliability of the machine in working determines the seeding quality of the whole machine. Therefore, high-speed and precision sowing is one of the main development directions of soybeans, corns and other sowing crops. The working state of the seeding machine in the working process is difficult to be directly observed with the naked eye. Once the fault of the metering device occurs, it is very difficult to find and deal with it in time. In this paper, the application of air suction type seed-metering device in high-speed and precision seed metering was discussed, and the seed disc suction performance detection system (SDSPS) was designed. The system used a concave photoelectric sensor to collect the information of seed suction of the platters and used the photoelectric rotary encoder to collect information of the rotation angle of the seed-bearing shaft. By processing the output signal of the photoelectric sensor and the pulse signal of the photoelectric encoder, the seed disc suction performance detection system (SDSPS) can detect every suction holes’ sucking condition, so that the working condition of the whole metering device can be detected. It is of great significance to improve the working performance of air-sucking soybean seed metering device. Bench tests were carried out under six working conditions, and the experimental data were collected. At the same time, the feasibility tests were carried out to detect the absorption of single hole to the seeds. All the test data were collected and compared with the test data of the commonly used system which called Seeding Detecting System based on Image Processing (SDSIP)). Through F-test and t-test (=0.05), it was found that the total variances of the two systems were the same and the mean values were the same. The results of accuracy analysis showed that the maximum relative error of SDSPS was 0.31% compared with that of SDSIP. The results of system stability analysis showed that the fluctuation amplitude of SDSPS was similar to that of SDSIP, and the maximum relative deviation between SDSPS and SDSIP was less than 1%. The maximum relative error of the SDSPS in the detection of the suction amount of single suction hole was 16.67%. Through the field test，for the effects of SDSPS on the amount of seed lost and the amount of multiple species absorbed, the average relative error of detection value and real value of detection system was 3.87% and 8.42% respectively, and the maximum relative error values were 10.34% and 20.00% respectively. The reason for the error is the complex conditions of the fields, such as the uneven surface environment and so on. The vibration of the machines and tools caused by the rough ground makes the data measured by this method deviate, resulting in abrupt errors. SDSPS can effectively measure the seed absorption performance of seeding suction. There is also a high reliability in the detection of the amount of seed absorbed by a single suction hole. It can provide technical support for the performance detection and improvement of the air suction type seed-metering device. The test system designed in this paper can effectively detect the working performance of sucking holes in the metering disk. It can also find out the problem of seed suction hole, and provide reference for subsequent improvement and performance improvement of seed tray so as to speed up the research and development of the metering device.

agricultural machinery;sensors; seeds; air suction feeder; seed suction performance; detecting system

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.19.004

S223.2; S24

A

1002-6819(2018)-19-0028-12

2018-05-22

2018-08-21

國家重點研發(fā)計劃項目（2016YFD0700302）；國家自然科學基金資助項目（31401284）

賈洪雷，教授，博士生導師，主要從事保護性耕作及其智能裝備研究。Email：jiahl@vip.163.com

齊江濤，副教授，博士，主要從事精準農(nóng)業(yè)與智能農(nóng)業(yè)裝備研究。Email：qijiangtao@ jlu.edu.cn

中國農(nóng)業(yè)工程學會會員：齊江濤（E040600007M）

賈洪雷，路 云，齊江濤，張 哲，劉慧力，李 楊，羅曉峰.光電傳感器結(jié)合旋轉(zhuǎn)編碼器檢測氣吸式排種器吸種性能[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2018，34(19)：28－39. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.19.004 http://www.tcsae.org

Jia Honglei, Lu Yun, Qi Jiangtao, Zhang Zhe, Liu Huili, Li Yang, Luo Xiaofeng. Detecting seed suction performance of air suction feederby photoelectric sensor combined with rotary encoder[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(19): 28－39. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.19.004 http://www.tcsae.org