玉米籽粒破碎率在線采樣裝置設計

楊 亮，王 卓，白曉平，高 雷 ，扈偉斌

(1.中國科學院 沈陽自動化研究所，沈陽 110016；2.中國科學院大學，北京 100049；3.中聯重機股份有限公司，安徽 蕪湖 241080)

0 引言

我國是玉米種植大國，玉米種植范圍廣泛,種植面積大，且年總產量約占全球玉米總產量的25%左右。從2008年到2015年，我國的玉米種植面積及年總產量逐年增加，雖然2016、2017年出現輕微降幅，但總體上我國的玉米種植面積及年總產量仍處于較高水平[1-2]。

玉米不僅是重要的糧食作物，還是重要的工業原材料，伴隨著我國對生態環境的高度重視，玉米作為清潔能源主要原材料之一，其需求也在不斷地增長。但是由于我國自主研制的聯合收割機在實際收獲作業時容易造成玉米籽粒破碎，導致玉米在后期倉儲及綜合使用時利用率下降，不能全部滿足我國對于玉米產量及質量的總體需求。

玉米籽粒破碎是籽粒破碎、破皮及裂紋的統稱。針對玉米籽粒破碎檢測，國內外學者做了許多相關研究。李心平[3-5]就玉米籽粒脫粒時受到的外界沖擊對玉米籽粒內部應力裂紋的影響進行研究，通過玉米籽粒沖擊實驗，并結合Ansys有限元分析，得出玉米籽粒的破碎率與含水率、籽粒喂入形式和脫粒滾筒轉速有著密切聯系。李曉峰[6]對玉米籽粒內部應力裂紋研究發現，玉米籽粒冠部為玉米籽粒主要受力部位，裂紋以玉米冠部被打擊區域為中心，向籽粒內部四處潰散，若籽粒裂紋長度過長，易造成玉米胚乳的損傷，影響籽粒育種的成活率。張新偉[7]利用Sobel邊緣檢測方法和改進形態學處理方法，通過建立兩者的融合規則，對玉米籽粒檢測圖像進行小波分析，從而獲得玉米籽粒內部機械應力裂紋的邊緣輪廓信息。張杰[8]將圖像分析和聲學檢測相結合，用于對玉米應力機械裂紋進行快速檢測，通過對不同材質的創擊實驗信號進行分析處理。實驗結果表明：玻璃材質的沖擊板可以對存在應力裂紋的玉米籽粒進行有效檢測。

J.M.Valiente-González[9]基于主成分分析與異常值檢測方法，利用計算機視覺技術，用以區分完整玉米籽粒與表面帶有凹痕的破碎玉米籽粒。實驗結果表明：在HSV顏色空間下，該方法檢測準確率可達92%。S．Gunasekaran[10]基于計算機技術，對玉米籽粒內部機械應力裂紋進行檢測，實驗結果表明：當白色光源發出的光線通過帶有小孔的黑色背景模板時，可以有效地對玉米籽粒內部機械應力裂紋進行識別。I.Zayas[11]等從12個形態參數中采用多元判別分析方法，挑出7個影響較大參數，建立馬氏距離判別函數，對完整的玉米籽粒和破碎的玉米籽粒進行識別，該方法的識別準確率較高。

目前，關于玉米籽粒裂紋及破碎情況的研究，國內外學者基本上處于離線狀態下對玉米籽粒進行檢測，而不是在聯合收割機收獲作業時的在線檢測。相比于離線檢測，在線檢測玉米籽粒破碎率較為困難。因為在離線檢測時玉米籽粒對檢測采樣裝置的沖擊較小，且人工易于操作；而在線檢測時玉米籽粒對采樣裝置有較大的沖擊，且需滿足玉米籽粒動態不間斷地進入采樣裝置及進入采樣裝置的玉米籽粒擁有良好的單層化效果，以防止玉米籽粒堆疊，造成采樣效果不佳。

針對玉米籽粒破碎率在線檢測這一研究問題，本文設計了一種玉米籽粒破碎率在線采樣裝置，以便于聯合收割機收獲作業時對玉米籽粒破碎率進行實時監測。

1 玉米籽粒破碎率在線采樣裝置

玉米籽粒在線采樣裝置主要包括分流單元、篩板層、上/下層轉板、光源及CCD工業相機，如圖1所示。

圖1 玉米籽粒破碎率在線采樣裝置Fig.1 Maize kernel broken rate on-line sampling device

玉米籽粒破碎率在線采樣裝置的工作原理：將玉米籽粒破碎率在線采樣裝置安裝在聯合收割機糧箱處，分流單元主要包括上層引流料斗和下層分流料斗。聯合收割機均糧攪龍處輸出的玉米籽粒以均糧攪龍為基礎呈線性分散進入聯合收割機糧箱中，為了使采樣范圍增大，利用上層引流料斗將玉米籽粒引入在線采樣裝置的內部。下層分流料斗上部開有方口，其大小小于上層引流料斗的開口，目的是防止過多的玉米籽粒進入采樣裝置內部。如果籽粒過多的進入裝置內部，不利于后續的玉米籽粒單層化，且過多的玉米籽粒對采集設備的沖擊也較大，不利于采集設備的穩定采集。

采樣裝置內部第1層為篩板層，篩板層上開有大小一致且均勻排列的圓孔。開孔大小應保證進入采樣裝置內部的玉米籽粒均可以通過，設計目的是為了減小玉米籽粒對內部構件的沖擊，且使進入采樣裝置內部的玉米籽粒更加分散，從而有利于玉米籽粒單層化的實現。

篩板層下部為上/下層轉板、光源及CCD相機，初始時下層轉板處于水平狀態，上層轉板處于豎直狀態。當達到設定采樣時間后，通過控制步進電機，使上層轉板從豎直狀態變為水平狀態，這樣上/下層轉板之間形成一個相對封閉的空間，防止后續玉米籽粒在次進入下層轉板，而對圖像的采集質量造成影響。CCD相機采集一定時間后，上層轉板與下層轉板，在各自步進電機帶動下，均從水平狀態變為豎直狀態，下層轉板釋放掉已采樣的玉米籽粒，并再次從豎直狀態變為水平狀態，完成1次采樣周期。下層轉板上均勻排列著凹孔，目的是防止玉米籽粒的堆疊，便于實現玉米籽粒的單層化。

通過對步進電機的控制完成對上/下層轉板的運動控制，步進電機為Model J-5718HB3401，步進電機驅動器為DM542，控制電路板為STM32，如圖2所示。

圖2 步進電機及控制電路Fig.2 Stepping motor and control circuit

CCD相機為Basler公司生產的aviator系列千兆以太網口面陣相機，相機型號為avA1000-100gc。通過工業CCD相機完成對采樣裝置內部的玉米籽粒樣品采集，并將采集圖片動態傳輸到DSP處理卡中，用以對采集圖像進行分析，并將分析結果在車載終端上顯示。采樣裝置的圖像采集和處理分析的原理，如圖3所示。光源主要是給采樣裝置內部提供光照，以保證圖像的采集質量。

圖3 圖像采集及處理分析Fig.3 Image acquisition and processing analysis

2 模擬實驗平臺

模擬實驗平臺以聯合收割機升運結構為基礎，模擬聯合收割機的玉米籽粒進入糧箱的過程。實驗平臺可以較為真實地反映玉米籽粒從輸糧攪龍到均糧攪龍的全過程，使實驗環境更加真實。模擬實驗平臺主要包括提升機構、傳動機構、支撐機構及進給機構。傳動機構主要給提升機構提供動力，使玉米籽粒通過提升機構從輸糧攪龍運送到均糧攪龍。支撐機構主要是支撐提升機構、傳動機構和進給機構的平臺。進給機構主要為進給滑道，使玉米籽粒從存儲箱中滑落到輸糧攪龍處，模擬實驗平臺主要結構，如圖4所示。

1.升運器 2.實驗箱 3.存儲箱 4.支撐架 5.異步電機 6.調節擋板 7.皮帶 8.皮帶傳動系統 9.萬向輪 10.承重臺 11.輸糧攪龍 12.進給滑道 13.閥板 14擋板 15.均糧攪龍

模擬實驗平臺的工作原理：將玉米籽粒破碎率在線采樣裝置放在模擬實驗平臺的實驗箱中，將玉米籽粒存放在模擬實驗平臺的存儲箱中，開啟模擬實驗平臺的異步電機，使異步電機帶動皮帶傳動系統。打開存儲箱底部閥板，使玉米籽粒沿著進給滑道，滑送到輸糧攪龍處，升運器將輸糧攪龍的玉米籽粒升運到均糧攪龍處，均糧攪龍在將玉米籽粒拋灑到實驗箱中，使玉米籽粒進入采樣裝置內部，從而完成對玉米籽粒樣品的采集。樣品采集完成后，采樣裝置釋放掉的玉米籽粒通過實驗箱中底端打開的擋板在此回流到存儲箱中，從而動態實現對玉米籽粒的循環采樣，使實驗環境更加接近真實的聯合收割機田間作業情況。實驗平臺原理如圖5所示。

圖5 模擬實驗平臺工作原理圖Fig.5 Functional diagram of simulation experiment platform

3 實驗采集結果

本實驗選用的玉米品種為遼沈地區廣泛種植的鄭單958，玉米籽粒經模擬實驗平臺進入玉米籽粒破碎率在線采樣裝置。實驗結果如圖6所示。

圖6 實驗結果Fig.6 Experimental result

由圖6可以看出：采樣裝置內部的玉米籽粒沒有出現堆疊情況，實現了玉米籽粒的單層化要求，且采集的圖像較為清晰，便于后續對采集圖像進行分析處理，有利于對破碎玉米籽粒與完整玉米籽粒進行區分。模擬實驗平臺真實地體現出聯合收割機收獲時玉米籽粒進入糧箱的過程，增加了實驗的真實性，并給采樣裝置設計的進一步優化提供參考依據。

4 結論與展望

通過實驗可知：本文的玉米籽粒破碎率在線采樣裝置，能夠較好地實現玉米籽粒的單層化，且采集圖像較為清晰，可以初步滿足聯合收割機田間實驗需求。采樣裝置機構簡單，設計思路簡便，裝置易于安裝在聯合收割機的糧箱中。

下一步主要是針對玉米籽粒破碎率在線檢測的圖像處理與破碎玉米籽粒的特征提取方法進行研究，使在車載終端可以較好地將破碎玉米籽粒從完整的玉米籽粒中進行區分。采樣裝置加裝圖像采集設備，以用于多角度、全方位的采集玉米籽粒樣品，這樣不僅可以更加直觀地反應玉米籽粒在采樣裝置的形態特征，還有利于對完整玉米籽粒與破碎玉米籽粒的不同特征進行分析提取，從而提升對破碎玉米籽粒識別的準確性，提高在線采樣裝置的檢測精度及效率。同時，采樣裝置的結果可以進一步優化，使其更加精巧，從而能夠在更多類型的聯合收割機中安裝使用。