種薯排種器托種勺缺種的多點激光檢測方法

楊振宇，劉發英，朱光明，李學強，王相友

(1.山東理工大學 a.機械工程學院；b.電氣與電子工程學院；c.農業工程與食品科學學院，山東 淄博 255049；2.山東希成農業機械科技有限公司，山東 樂陵 253699)

0 引言

中國是馬鈴薯生產第一大國，與水稻、玉米和小麥并稱為我國四大主糧作物，在保證國家糧食安全和農戶創收中起到了重要作用。隨著我國農業產業結構的不斷調整，馬鈴薯的種植面積還在不斷擴大。在農機購置補貼政策的拉動下，近年我國馬鈴薯播種機械化水平有了顯著提高[1-4]，但馬鈴薯種薯機械化播種漏播率一般只可控制在小于11%(山東希成農業機械科技有限公司2CMX-4B馬鈴薯種植機播種作業數據)。因種薯漏播影響馬鈴薯產量，國內外科研人員進行了漏播預警與檢測的相關技術研究[5-12]，為其他研究人員提供了啟發和技術基礎，但在馬鈴薯播種的生產實際中沒有得到廣泛推廣，因此還需要在智能檢測和自動化控制技術領域進一步探索。馬鈴薯播種機播種作業現場和種薯排種器外形結構，如圖1所示。其作業環境具有以下特點：自然光照、有塵土、非結構化。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、托種勺和振動裝置。減少種薯漏播的常用方法是人工調整振動裝置的振幅，使種薯在托種勺上不易跌落，以此來降低種薯漏播率；但會帶來另一個問題：種薯較小時容易出現重播現象，因此不能將振動裝置的振幅調得過低。在馬鈴薯播種機播種過程中，如果能夠利用多點激光檢測判斷托種勺上的缺種情況，采用智能控制系統控制振動裝置振幅自動調節、控制補種裝置自動補種，就可以進一步降低種薯的漏播率，把排種器調整到最佳工作狀態。因此，托種勺缺種判別顯得格外重要，是實現振動裝置振幅自動調節和補種器自動補種的前提條件。

(a) 馬鈴薯播種機作業現場 (b) 種薯排種器1.排種帶 2.托種勺 3.種薯 4.機架圖1 馬鈴薯播種機與排種器Fig.1 Potato planter and potato seed-metering device

1 種薯排種器托種勺缺種檢測原理

在自然環境下，馬鈴薯播種機在播種時，通過兩列交錯排列的托種勺依次從種箱中進行提升種薯，種薯通過排種帶的頂部后翻入導薯筒，落在托種勺的背面，種薯此時所處的狀態最有利于缺種檢測。兩列托種勺的缺種檢測可以分別進行：一列托種勺的缺種檢測可按如圖2所示方式進行布置，在排種帶托種勺的側面分多層安裝激光傳感器，相鄰兩層激光傳感器的檢測高度h大于托種勺厚度的1.2倍，所有激光傳感器的總檢測高度為相鄰托種勺間隔距離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方法如下：

1)如圖2(a)所示，當托種勺上存在種薯時，托種勺在排種帶的帶動下，從上往下運動，依次使得上層、中層和下層激光傳感器響應；在托種勺使得下層激光傳感器響應的同時，種薯使得上層或中層激光傳感器響應，此時判斷托種勺上有種薯，判別結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，當上層、中層和下層激光傳感器依次響應一次后，1個托種勺位檢測結束。

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

2 檢測系統設計

2.1 檢測裝置系統設計

為了試驗以上檢測原理，搭建種薯排種器托種勺缺種檢測試驗裝置，如圖3所示。該試驗裝置由液壓站、控制系統、激光傳感器和排種器裝置組成。排種器裝置采用液壓驅動的方式運行，液壓站為其提供動力，在種薯排種器裝置的導薯筒側開有檢測窗口；多層激光傳感器安裝在排種器裝置的一側，對準檢測窗口中的托種勺；控制系統用來采集激光傳感器的信號，對信號進行分析，對托種勺缺種進行判別，最后將判別結果輸出。

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

2.2 控制系統設計

種薯托種勺缺種判別控制系統主要由控制模塊、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、傳感器測速單元、數據通訊模塊、聲光報警單元、補種單元和電源與復位單元組成，如圖4所示。該控制系統主要用于托種勺的缺種判別、排種裝置運行方向和速度的檢測和實現故障的聲光報警。控制模塊選用Mitsubishi FX3U-16MT/ES-A型PLC進行邏輯處理；上、中、下層判別單元選用激光傳感器進行托種勺缺種檢測；測速單元選用霍爾傳感器進行排種裝置運行方向和速度信號的采集；補種裝置單元接收到控制模塊的補種信號實現補種；振幅調整單元接收到控制模塊的振幅調整信號實現排種帶振幅的自動控制；通訊模塊實現控制模塊、補種裝置單元和振幅調整單元之間的信號通訊；聲光報警模塊通過蜂鳴器和LED燈的閃爍來提示故障。

圖4 控制系統硬件結構組成框圖Fig.4 Hardware structure block diagram for control system

種薯排種器托種勺缺種檢測控制流程，如圖5所示。首先，打開檢測系統的電源開關，按下啟動按鈕，液壓站液壓系統運轉，排種器裝置運轉，控制系統自檢后運轉；霍爾傳感器檢測排種器裝置的運轉方向和速度；當下層激光傳感器響應時，上、中層激光傳感器也有部分響應判斷托種勺不缺種，控制系統發出有種信號；當下層激光傳感器響應時，上、中層激光傳感器沒有任何響應，則判斷托種勺缺種，控制系統發出缺種信號，向補種器發出補種信號；下層激光傳感器響應信號消失，一個托種勺的缺種判別結束，依次循環完成所有經過檢測窗口的托種勺缺種情況；排種器裝置托種勺缺種的判別過程中出現故障調用報警子程序，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 正交試驗設計與回歸分析

3.1 試驗條件

排種器托種勺缺種的多點激光檢測試驗于2017年12月在山東理工大學研究生工作站(山東希成農業機械科技有限公司)進行，檢測的馬鈴薯品種為脫毒“夏波蒂”種薯，切塊后平均質量在25～55g，排種帶的排種速度0.6～1.2m/s，通過調整裝置調整排種帶的振動強度。

3.2 正交試驗設計與結果分析

試驗分析的指標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，按經驗值確定其水平分別為0.7、0.9、1.1m/s；因素Y為單體種薯的質量m，按馬鈴薯種薯制備的國家標準確定其水平分別為(30±5)g、(40±5)g、(50±5)g；因素Z為排種帶振動強度k, 其水平分別為輕微振動、中等振動和較強振動。選用3因素3水平按照正交表L9(33)進行正交試驗，共設計9個試驗方案，種薯排種器托種勺缺種的正交試驗結果和極差分析結果如表1所示。各因素極差大小順序為：RX>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強度，最后是種薯的質量。

表1 正交試驗結果和極差分析表Table 1 Orthogonal experimental results and simple range

表2 正交試驗方差分析表Table 2 Variance of orthogonal experiments

3.3 回歸試驗與結果分析

如果種薯單體過小、排種帶振動強度過低，容易引起種薯重種。依據排種器托種勺缺種判別的正交試驗結果，選定質量(40±5)g的種薯與排種帶振動強度為中等振動強度，對排種速度v在0.7～1.3m/s內調整做單因素回歸試驗。試驗結果、回歸曲線(實線曲線)和多項式趨勢曲線(虛線曲線)如圖6所示。

圖6 排種速度對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，多項式趨勢曲線方程為y=909.09x4-3625.3x3+5266.8x2-3303.9x+852.09?；貧w曲線和多項式趨勢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系，當排種速度0.95m/s時，缺種判別成功率98.9%是函數指標的極大值。

根據正交試驗和回歸試驗的結果和分析情況，選擇排種速度0.95m/s、種薯質量(40±5)g，排種帶中等振動強度進行試驗，種薯排種器托種勺的缺種判別的平均成功率可達98.75%，且相對穩定。該組優化參數組合可作為勺鏈式馬鈴薯播種機缺種檢測裝置設計相關參數的參考。

4 結論

針對機械化馬鈴薯播種存在漏播的問題，提出了一種通過多點激光檢測托種勺缺種的判別方法。根據排種帶上托種勺的幾何形狀和排列間距，在托種勺的側面布置多層激光傳感器。當托種勺通過檢測區域時，根據傳感器的響應情況判斷托種勺上是否缺種。為了驗證缺種判別方法，搭建缺種檢測試驗臺，通過3因素3水平的回歸正交試驗后，結果表明：排種帶托種勺缺種的判別原理正確，性能穩定可靠；當排種速度為0.95m/s、單體種薯質量為40±5g和排種帶中等振動強度時，托種勺缺種判別成功率可達98.75%。多點激光檢測托種勺缺種的判別方法可為后期設計種薯補種裝置實現缺種補種提供前期的技術支持。