基于三維可視化技術的播種機結構設計

2020-10-17 01:03:48王社

農機化研究 2020年6期

王社

(武漢城市職業學院, 武漢 430064)

0 引言

播種作為農作物種植的基本環節,直接影響著勞動生產率和農作物的收成。傳統的機械播種機是全封閉作業的,在播種過程中無法實時監控播種情況。播種機的工作環境通常都很惡劣,易出現機械故障,作業過程中還會出現輸種管堵塞、卡種、漏種等情況。一旦發生以上問題,則會出現大面積的漏播,導致農作物的減產。因此,必須對播種機的工作過程進行監測,以保證播種機工作效率和效果。

目前,播種機播種過程的監測主要有光電傳感器監測和涂油皮帶等方法。涂油皮帶的方法能夠直觀地監測經過排種器中的種子是否著落,但易污染環境,且造成種子的浪費和播種時間的浪費,一般不采用。目前,廣泛應用的檢測方法是光電傳感器法。光電傳感器的檢測原理是種子從排種器落下時遮擋了光電元件,通過傳感器檢測到了信號,從而確定了種子是否落下,因此對漏播現象較為敏感,能夠識別是否有漏播的情況出現。但是,該方法對于播種過程中出現的種子破碎現象則無法辨別,且重播現象也無法辨別,從而影響了播種機的播種效果,降低了工作效率[1]。為了能夠直觀地監測播種情況,避免出現漏播、卡種等情況,需要引入一種新型的監測方式對播種機作業過程進行監控。

三維可視化技術是通過系統的處理使圖像直觀形象地讓用戶看到[2]。在播種機播種過程中,通過CCD攝像頭對播種機的播種過程進行拍攝,再通過三維可視化技術,對拍攝的圖像進行三維重構,以實現對播種機播種過程的實時三維監控,提高播種機的工作效率。本文將結合三維可視化技術和光電傳感器對播種機結構進行探討,以改善播種機性能。

1 機構設計及原理

精密排種機監控系統主要由攝影系統、三維可視化系統、測試分析系統、排種裝置和報警系統組成,工作流程如圖1所示。

圖1 播種機基本工作流程

1.1 攝影系統

攝影系統由CCD攝像機、光源及圖像采集卡組成。由于播種機需要適應不同種類的種子,包括識別種子的大小、顏色,且能夠區別破碎的種子,因此要求是具有采集彩色圖像快速、清晰的特點,CCD攝像機則可以滿足這一要求。每次播種機作業之前,由于種子的不同,首先需要調節攝像頭的焦距和光圈參數,直到攝像頭能夠清晰地采集種子的圖像,播種機才可以開始作業。

1.2 三維可視化系統

攝影系統的CCD攝像機拍攝的影像傳送給計算機之后,由計算機對圖片進行三維重建。系統以小孔成像為基本原理,利用三角測量的方法將圖片進行綜合處理得到三維圖[3]。此方法具有運算速度快、操作簡單及三維模型真實的特點。通過三維可視化,工作人員可以清晰地從各個角度觀察到播種情況和判斷工作狀態,且設備發生故障時可盡快找到問題出處。

1.3 分析測試系統

分析測試系統采用光電傳感器裝置及發光二極管,電路圖如圖2所示。在輸種管下方設置了發光二極管和光敏電阻,沒有種子通過時發光二極管的光照射到光敏電阻上,其電阻值恒定,電壓恒定;當有種子通過時,就會遮擋二極管照射到光敏電阻上的光,光敏電阻的阻值增加,相應地電壓增加。一般種子落下的周期為7～9ms,若時間周期超過9ms則出現了漏種現象,需要補種。

圖2 分析測試系統電路圖

結合三維可視化裝置對播種器性能指標進行分析測試,包括對重播率、漏播率、種子破碎率進行計算,并將漏播及需要重播區域的結果傳遞給排種裝置,由排種裝置執行處理結果。

1.4 排種裝置

排種裝置主要由排種器、補種器、輸種管和步進電動機構成。種子箱內的種子按照播種要求通過排種器進入輸種管,從而達到精密排種。為了達到排種均勻、種子破壞最小的目的,播種具有可調節性,且能夠適應不同類別的種子及不同的工作環境[4]。本文選用窩眼輪式排種器,結構如圖3所示。排種器開始工作后,種子箱內的種子首先進入窩眼,在窩眼內的種子隨著驅動器轉至刮種板處,由刮種板把窩眼中多余的種子刮出;然后,種子在窩眼中隨驅動器的轉動進入輸種管內,播種到土地上。

為了減少漏播和種子破碎造成播種效率的降低,設置了補種器,采用兩相混合步進電動機進行補種。當分析測試系統檢測到漏播或者種子碎裂時,將結果傳送至計算機,計算機發布指令給補種器,自動補種。

圖3 渦眼輪式排種器結構

1.5 報警系統

報警系統采用聲光報警裝置。計算機接收播種機工作狀態:播種機正常工作時,報警系統不工作;當出現卡種或者連續重播5次時,報警系統燈光閃爍,并發出報警聲音,播種機停止工作,檢查播種機故障原因。

2 軟件設計

2.1 圖像三維處理

首先確定CCD攝像機的內部參數矩陣,即

其中,(m0,n0)為攝像機在圖像內的坐標;(αmαn)為攝像機的平行尺度和垂直尺度;s為傾斜尺度。

其中,R為世界坐標到攝像機坐標的旋轉矩陣。

通過對上面的公式求解,可得

三維重建與投影過程可以看做是互逆的兩個過程,可通過投影點的坐標確定空間點的坐標。投影點和攝像機的交點連線上的點都滿足投影方程,即

因此,需要攝像機拍攝到兩幅圖片才可得到空間點坐標,同時還需要立體匹配點[5],可以通過二維圖像得到三維圖像,這個過程可以叫做三角測量。三角測量的代數形式為

當C取得最小值時,即可得到該圖像對應的三維坐標,進而得到三維處理圖像。

2.2 播種機的補種原理

判斷播種機性能的指標主要包括種子的漏播率、重播率、破碎率和合格數[6]。

播種機通過光電傳感器裝置對漏種進行檢測,若出現漏種情況,則需要補種。

種子從窩眼進入刮種器、再進入輸種管的這一過程中,會受到多重擠壓而發生破碎現象,破碎方式一般是種子碎化、斷裂,因此在播種時要特別注意種子的破碎,及時進行補種,避免播種率的降低。但如果同一個位置種子重復播種則會造成種子的浪費,因此需要對種子的破碎和重播進行檢測。根據不同類別的種子,確定種子的體積范圍為Vmin～Vmax,種子經過攝像機時通過三維處理并由計算機計算可得出種子的體積V。當V>Vmax時,可認為該位置發生了種子重播,這時計算機自動啟動計數功能。當連續發生5次重播時,則報警系統啟動,播種機停止工作,檢查故障原因。當V

播種機的漏播和種子的碎裂均需要進行補種。補種器與排種器均采用窩眼式排種器,并由步進電動機進行驅動。為了保證電動機的快速啟動,能夠及時地對每個需要補種的位置進行補種,對步進電動機的控制性能進行了數學分析。

由于自電感和互電感對兩相混合式步進電動機影響較小,因此可忽略不計。以M相為參考相,則補種設備電動機的電壓平衡方程[7]為

其中,Um、Un、Im、In分別為電動機M、N相電壓和相電流;Rm、Rn分別為電動機M、N相電阻和繞組自感;Kω為力矩常數;θ為角位移;Zr為轉子齒數。

補種器的電動機轉子力矩為