精量穴播器排種性能檢測方法研究分析及展望

曹 葉，王旭峰，王 龍，趙鵬飛，楊廣召，郭文松※

（1.塔里木大學信息工程學院，新疆 阿拉爾843300；2.塔里木大學機械電氣化工程學院）

0 引言

新疆是我國最大的優質棉生產基地，數據顯示，2012～2019年，新疆省的棉花年產量比我國其余所有省的產量總和還高，且產量逐年增長，如圖1。棉花產業是新疆經濟發展的重要組成部分[1]。

影響棉花產量的首要環節就是播種，播種質量的好壞會影響到棉花的出苗率，進而影響棉花產量。目前追求的播種是精量播種，精量播種最主要的方式之一是穴播。本文對穴播器排種性能檢測方法進行了研究分析，并對機器視覺技術檢測穴播器提出了展望。

1 精量穴播器的原理和特點

精量播種，就是指播種深度、播種粒數和播種間距按照精確的參數，控制一穴多粒或者單粒精播[2]。按工作原理分，棉花精量穴播器比較適合的排種器是機械式和氣力式兩種。

機械式排種器又可以分為水平圓盤式、勺輪式、指夾式等幾種，主要依靠容腔實現種子的充種、排種和清種的環節。

水平圓盤式穴播器，在排種工作時，依靠棉種自身重力填充到旋轉的排種盤型孔中，在排種盤的轉動過程中，隨著排種盤轉到排種口時，在棉種自身重力和推種器的作用下完成排種，由于水平圓盤式排種器結構的特殊性，在棉種進入型孔后，由于需要經過刮種器和推種器將其排出，期間必然會造成一些種子出現破損的可能性[3]，如圖2。

與水平圓盤式穴播器相比，勺輪式的穴播器在排種時對棉種的外形、尺寸要求不是十分嚴格。其容腔主要是依靠舀勺完成的，穴播器開始轉動時，當排種盤通過充種口時，小舀勺會取1-2 粒種子，當舀勺到達排種器的頂端時，舀勺垂直傾倒并依靠棉種重力，在隔板開口落入與小勺同步轉動的倒種葉輪的槽內，種子隨著穴播器的轉動，跟隨葉輪的槽一起轉動到排種器的底部，完成每一次的排種[4]，如圖3。

指夾式穴播器在通電后，隨著排種器的轉動，棉種會落到指夾里邊，指夾在感受到棉種的重力后，會將棉種夾持住，與勺輪式穴播器相比，棉種不會隨著穴播裝置的震動而掉落，在很大程度上降低了漏播率，提高了播種的精度，但是指夾的夾持范圍和松緊程度都會影響種子的破損率，如圖4。

2 精量穴播器排種性能檢測方法及其研究現狀

2.1 人工數種檢測法及其研究現狀

人工數種檢測方法包括裸眼直接觀測法[5]、人工黃油粘膠帶法[6]、傳送帶排放沙土法[7]和直接鋪放草坪輸送帶法[8]。

裸眼直接觀測法是在排種器低速工作時，通過人眼直接觀察與記錄排種效果，這種方法是最直接、最有效的，可以發現大部分設計缺陷。美國北卡羅萊納州立大學[9]曾經使用裸眼觀測法，發現當排種頻率達到一定程度時，人眼已經觀察不到排種部件的工作情況，需借助于其他手段來完成（圖5）。

人工黃油粘膠帶法檢測時是通過在勻速轉動的傳送膠帶上涂上黃油，使棉種能夠落在黃油上，防止棉種落在傳送帶上飛濺，導致最終檢測結果不準確。首先在充種口加入適量棉種，打開電源開關，穴播器開始轉動后，排種器也隨著穴播器一起轉動并在每一穴位攜帶由充種口落下來的棉種，繼續轉動，直到攜帶棉種的穴位到達最底部，在底部擋板處鴨嘴打開，棉種落到橡膠傳送帶上，并隨著傳送帶繼續向前移動。前蘇聯基洛夫斯克農機研究所[10]采用過這種方法，德國貝克公司[11]和英國德斯坦翰公司[12]采用噴涂機油的帆布帶式排種器試驗臺。貝克公司的試驗臺還設有自動噴油和刮油裝置，省掉了人工涂油和清種工序。

傳送帶排放沙土法的原理和人工黃油粘膠帶法一樣，原理是在排種器前多安裝一個排沙裝置。1974年，張波屏[13]等設計的移動式排種器試驗臺，首次采用沙盤固種，這種方式優點是可以避免黃油帶來的污染，清種方便，種子可以重復使用，不會造成種子的浪費，可實現無極調速、操作方便，獲取試驗數據容易；但該設備先進、成本高，同時沙盤長度受條件的限制。

直接鋪放草坪輸送帶法是前幾種方法的改進，主要改進部位是輸送帶，把傳統的人工黃油粘膠帶式的傳輸帶和排沙裝置類的傳輸帶換成草坪傳輸帶，新疆塔里木大學機械電器工程學院團隊[14]采用了5 種傳輸帶，包括綠色草坪帶、黑色光面帶、墨綠色光面帶、灰色纖維帶和白色亞光帶，通過試驗對比分析，選出了1條對試驗觀察影響最小的傳輸帶。直接鋪放草坪傳輸帶的優點是避免了人工清理黃油或者清理沙子的麻煩，種子也不會浪費，可重復使用；但是每次試驗需要人工更換輸送帶，并且由于傳輸帶的材質和顏色不同，會導致判斷效率不同，選擇種子合格率效率最高的1 條傳輸帶需要試驗驗證和分析，也會造成時間的浪費，同時還受到草坪帶長度的限制。穴播機試驗檢測裝置通過人工判斷每穴排出棉種的數量是否正確、穴距是否相同。

人工檢測穴播器排種性能的方法簡單、便于觀察、更加直觀、容易獲取數據。但試驗測試時獲取數據需要觀察員、記錄員等較多的人工，而且耗費時間長。由于裝置的振動，種子在傳輸過程中會發生偏離，造成試驗結果會有一定的誤差，而且試驗樣本會受到傳送帶長度的限制，人為因素影響大。

2.2 光電傳感器檢測法及其研究現狀

光電檢測技術是光學與電子學相結合而產生的一門新興的檢測技術[15]，當種子從排種器排出，通過導種管兩側的光電傳感器時會產生電脈沖信號，通過記錄兩個脈沖之間的時間間隔來判斷種子間的間隔，進而達到檢測穴播器排種性能的目的，光電傳感器檢測法如圖6。

Y.Lan;M.F.Kocher;J.A.Smith應用光電傳感器檢測方法對播種機排種器的粒距進行了檢測，該光電傳感器系統由一個124×92mm 的矩形光電門模塊和24個直徑3mm 光電晶體管組成，檢測結果發現與人工檢測粒距誤差在0.64[16]，試驗快速確定了種子間的粒距和排種的均勻性。Panning等[17]使用田間甜菜種子定位方法和涉及光電傳感器系統的實驗室方法，評估了五種播種機配置在3 種田間速度下的精度系數種子間距的均勻性。

劉亞明等[18]采用光電傳感器和旋轉編碼器共同計數，測得的排種率與人工統計排種率基本吻合。史智興等[19]采用紅光半導體激光二極管（RLD）和硅光電池構造了一種高覆蓋率的排種傳感器。實現了對不同體積的種子較高準確率的檢測。

光電效應法的優點是自動化程度高、檢測速度快，并可以連續采集大量數據，同時對漏播檢測準確性好。缺點是兩顆以上種子同時通過時難以區別，因而重播檢測準確性較差，同時當檢測速度快時容易產生誤差[20]。另外，為了使種子穿過光電傳感器的檢測區域，試驗時排種器需要安裝輸種管，而排出的種子在通過排種管時受到管壁的碰撞與摩擦等影響，易改變下落時的運動狀態，不能準確再現其排種規律。

2.3 高速攝像檢測法及其研究現狀

高速攝像法是利用高速攝影儀搭建拍攝系統，記錄排種器種子下落的過程，然后將排種過程一張張的呈現在圖像上，再通過圖片慢速重現排種的過程，然后通過圖像處理與相關計算公式判斷種子排出的合格性，高速攝影檢測法如圖7。

Karayel[21]研究了利用高速攝像機測量排種器播種均勻性和播種速度的方法。

胡少興等[22]采用由工業相機和平面鏡組成的光電傳感器檢測系統，進行穴播器排種性能檢測。廖慶喜[23]針對光電傳感器不能判斷因種子缺陷或破碎而引起的漏播現象提出以高速攝像技術彌補光電傳感器的這種缺陷，提高了檢測結果的準確性，同時通過高速攝影反映了種子的破碎特征。陳進等[24]運用高速攝像系統對精量排種器的種子排種過程進行圖像采集，提出了根據種子面積和質心位置特征值檢測精密排種器性能的方法。

采用高速攝影法能真實反映排種器種子破碎特征和排種均勻性，并能提高檢測結果的準確性以及可信度。但是高速攝影法也存在成本高、操作復雜等缺點。另外，高速攝影儀存在原理誤差，攝影條件較差時圖片質量不高。

2.4 機器視覺檢測法及其研究現狀

近幾年，隨著人工智能與機器學習的興起，機器視覺技術也日臻成熟，逐漸應用于火車檢測、鐵路、醫藥方面、缺陷檢測以及農業機械產品的檢測中。精量穴播器的排種性能檢測也不例外[25]。以前排種性能的檢測方法包括人工數種檢測法，光電效應檢測法，高速攝影檢測法。近幾年機器視覺檢測法由于具有高效性準確性以及可靠非接觸式無損等優點吸引了更多研究者的關注，機器視覺檢測法如圖8。

Adrian A.Borja 等[26]針對菲律賓缺少播種資源的情況，研究并設計了氣動式玉米播種機。通過機器視覺檢測法和機電一體化驅動器控制系統結合應用到玉米播種機上，準確快速的檢測到玉米播種的漏播等不合格現象。

Zazueta，J.Kin，S.Ninomiya 和G.Schiefer 提出了一種集機器視覺、模式識別和自動控制于一體的播種精度檢測方法。開發了基于機器視覺的谷物播種機性能測試試驗臺，編制了相應的軟件包，對排種器排出的種子圖像進行采集，從圖像背景中分割出種子，并計算出精播后兩種子之間的間距以及播種后每段長度的種子數。建立了一個特殊的照明系統來照亮攝像機下的場景。設計了一種特殊的圖像拼接算法來消除序列中相鄰兩幅圖像的重疊區域[27]。

D.E.Kim，Y.S.Chang，H.H.Kim，J.G.Kim[28]研制了一種基于機器視覺的自動播種系統，實現了葫蘆科蔬菜大粒種子在插秧盤上的在線播種功能，實現了對播種器排種性能的自動檢測，最后檢測分析發現，機器視覺對葫蘆科蔬菜的排種檢測準確性高、誤差小。

王玉順等[29]運用機器視覺技術對條播排種器性能進行自動化檢測。以小麥為研究對象，通過與人工檢測法進行對照分析，發現小麥樣本結果與機器視覺檢測法有80%是擬合的，說明機器視覺檢測方法可以滿足實際應用的需要。趙鄭斌等[30]針對穴盤精量播種中重播、漏播、播種性能不穩定等問題，采用機器視覺技術檢測精量播種機的排種性能。得出穴盤播種器的重播率檢測精度為98.94%，漏播率檢測精度為99.33%，蔡曉華等[31]在此基礎上增加了排種粒距的實時檢測指標，之后安愛琴等[32]通過CCD 攝像機直接拍攝動態種子流，對獲取的樣本進行背景去除、二值化、圖像平滑、特征量提取、圖像標定等處理，檢測出排種器的性能指標。徐彥蘭等[33]開發了自動化的排種器試驗檢測系統，基于種子坐標檢測和平穩隨機過程的穴播排種器排種質量機器視覺檢測法，闡述了該機器視覺穴播排種器的試驗目的、試驗檢測系統、試驗設計以及試驗實施。該試驗檢測系統是以機器視覺方式采集了穴播種子流的12 組序列圖像樣本，其呈現漏播、單粒播、二粒播、三粒播等多形態排種的豐富組合，基本代表可能產生的種子流類型。聶永芳等[34]將機器視覺技術運用于條播排種器的性能檢測，是條播排種器性能檢測的一種新方法。以手工處理的結果為參照，分析視覺檢測精度，結果表明，程序結果與手工結果大約80%是擬合的，說明機器視覺檢測方法可以滿足實際應用的需要。張小明[35]等采用自動控制技術、機器視覺技術與傳感器融合技術相結合的方法，利用液壓控制系統和自動控制系統技術研究開發基于機器視覺的多功能排種器性能檢測平臺，提升了播種機的播種精度，實現了適用于機械式和氣力式兩大類型排種器性能的檢測。郭亞靜[36]采用虛擬設計技術，能夠在條播、穴播和精播3 種方式下進行排種性能檢測，實現了對機械播種器的合格率、重播率和漏播率的準確計算。譚穗妍[37]對超級雜交稻秧盤育秧精量排種性能檢測技術進行了研究，提出了一種基于機器視覺和嵌入式機器視覺的秧盤育秧精量播種性能檢測技術，實現了秧盤每秧穴播種量的精量檢測。

基于機器視覺的檢測方法用機器或計算機代替人的眼睛和大腦，直接得到物體的圖像，具有自動化程度高、使用方便、可連續獲取大量數據、數據處理分析速度快等優點，目前已得到越來越廣泛的應用。

3 精量穴播器排種檢測裝置的發展趨勢和存在的問題

3.1 發展趨勢

近年來，隨著電子技術的飛速發展，機器視覺技術與圖像處理技術在各大行業上都得到了廣泛的應用。圖像處理技術的最大特點是可以用機器來代替人的眼睛，在檢測技術中達到準確和高效的發展。通過對圖像進行各種算法的處理，使機器能夠達到對事物的感知和檢測。目前，國內采用機器視覺技術檢測穴播器排種性能的研究還比較少，但這將是穴播器排種性能檢測手段的發展趨勢[38-39]。

3.2 存在的問題

人工數種檢測法存在的問題是檢測速度慢，而且需要大量的人力物力，還有可能出現人為客觀因素造成的錯誤。光電傳感器檢測法主要是當穴播器高速運轉時將無法準確判斷漏種、重播情況。高速攝影檢測法成本太高。機器視覺技術對測量條件和環境要求較高，在實驗室對穴播器的排種性能進行檢測，相當于給定了一個理想的環境條件，但在田間檢測試驗，農田生產環境惡劣、應用場合變化較多，針對不同的農田環境和不同的種子進行檢測，都需要開發不同的處理算法，因此使得機器視覺技術對穴播器排種性能檢測的環境適應性和可靠性較差。由于棉種的種類并不只有一種，而且同一種棉種的大小、形狀等特征也各不相同，因此機器視覺對棉種的大小、有損檢測和特征提取方面還存在一定的不足。對于一些背景顏色或形狀特征不明顯種子的檢測還需要研究更高精度的檢測算法。

4 總結

文中對排種性能4 種檢測方法及其研究現狀進行了詳細分析。提出了機器視覺檢測法，機器視覺檢測法通過搭建硬件拍照系統、數據采集系統、聲光報警系統等，將采集到的圖像在視覺軟件中進行圖形處理，來判斷穴播器的排種性能。機器視覺技術代替人眼結果更加高效、準確，機器視覺排種的檢測法將有著很大的前景。

穴播器的排種性能的檢測手段從人工檢測到機器視覺系統和圖像處理技術的應用，檢測性能有了很大的提高，為了能更精確、高效地檢測精密排種器的性能，達到能檢測精密排種器的各項指標，還得進一步地研究種子從排種口排出到落地的一系列的動態隨機因素。