玉米精密播種粒距在線監測與漏播預警系統研究

楊 碩 王 秀 高原源 陳立平 翟長遠 竇漢杰

(1.中國農業大學信息與電氣工程學院，北京 100083； 2.北京農業智能裝備技術研究中心，北京 100097；3.江蘇大學農業工程學院，鎮江 212013)

0 引言

目前玉米主要種植方式為精密播種，依據最優播量均勻播種是保證玉米產量的首要環節[1-2]。受排種器類型[3-4]、排種驅動方式[5-6]、播種作業速度[7-8]等因素影響，玉米精密播種機需根據播量變化調整播種速率，從而引起播種均勻性能的改變。播種作業時種子位于土壤層下，這給播種均勻性評估帶來困難。玉米精密播種均勻性監測技術為上述問題提供了解決方案[9]。

根據應用環境差別，播種均勻性監測主要包括實驗室靜態排種器監測[10-11]和田間車載在線監測[12-14]。實驗室靜態排種器監測主要通過圖像處理和排種監測傳感器探測加以實現。該方法效果直觀、粒距測量準確，比較有代表性的是黑龍江省農業機械工程科學研究院研制的JPS-12型排種器試驗臺[15]。由于需要對裸露在傳送帶上的種子圖像進行采集，導致排種測試平臺體積較大，使田間在線作業的發展前景受限。學者們開始利用傳感器探測種子在導種管內落種狀態或排種盤上的種子位置，對排種品質進行間接評價，典型的有Precision Planting公司生產的MeterMax型排種器檢測儀[16]和中國農業大學研制的玉米精量排種器自動檢測儀[17-18]。播種監測傳感器體積小，易于在車載精密播種機上實施。為了對玉米精密播種機播種品質進行在線監測，文獻[19]對玉米精密播種機故障報警系統進行了研究，田間試驗得出，系統對漏播粒數的監測準確率大于92.11%；文獻[20]通過優化探頭分布和布置形式，對播種監測傳感器進行了改進，系統對漏播量的平均監測準確率為95.1%；文獻[21]設計了采集排種轉速的光電編碼器和監測氣吸排種器吸種信息的光電傳感器，提高了漏播量的監測精度，系統監測值與真實值相對誤差平均值為3.87%；文獻[22]通過壓電傳感器監測落種狀態，對漏播監測準確率達到96.1%，并運用遠程信息傳輸技術實現了對播種質量的遠程監測。

目前，針對漏播指數、合格指數和重播指數的監測研究解決了條段漏播監測問題，而合格指數作為一個宏觀指標，無法對處于合格粒距范圍內的粒距偏差進行精準評價[23]。玉米精密播種機播量分布不準確對產量的影響較大，根據GB/T 6973—2005標準，合格粒距范圍在0.5～1.5倍標準粒距之間，處于合格粒距范圍內的粒距偏差，對播量的影響仍然較大。為監測粒距情況，傳統方法是播種前由有經驗的農機作業者進行試播種，播種后將種子覆土撥開，測量連續幾組粒距，根據目標粒距與真實值的偏差對播種機播種粒距設置進行調整。該方法無法解決在線粒距偏差的監測問題，從而造成了播種均勻性差異，影響了產量[24]。

針對上述問題，本文設計玉米精密播種機播種粒距在線監測系統，通過落種監測傳感器探測落種時間間隔，與實時作業速度相融合，在線獲得播種粒距，通過優化算法提高播種粒距在線監測精度并對播種作業過程中的粒距誤差進行試驗驗證，以期提高玉米精密播種均勻性監測精度，實現漏播預警。

1 系統總體設計

1.1 控制系統硬件設計

為實現車載在線玉米精密播種粒距等播種重要參數監測，針對氣吸式玉米精密播種機，設計了播種粒距在線監測系統(圖1)。該系統主要由排種監測ECU(Electronic control unit)、車載計算機和相關傳感器組成，各部分通過通信線、信號線和電源線進行電氣連接，完成信息交換。其中，電源線用于對各設備供電連接，電源為DC12V車載蓄電池，排種監測ECU內部集成基于LM2596S芯片的DC12V轉DC5V的穩壓模塊；為防止開斷電時電壓峰波對車載計算機供電穩定性的影響、保證排種監測傳感器的電壓的穩定性，單獨搭建XW-1224-5型寬壓穩壓模塊進行供電；其余傳感器通過DC12V車載蓄電池直接供電。通信線采用CAN通信網絡，參照ISO 11783進行協議設計，利于系統擴展[25]；信號線主要包括氣壓傳感器通信線、落種監測傳感器信號線以及車速編碼器信號線，信號由排種監測ECU進行集中解算；排種監測ECU基于STM32F105RBT6芯片設計，通過串口轉RS485模塊與氣壓傳感器通信，獲取風機出口壓力，針對壓力異常進行報警；落種監測傳感器采用紅外對射的原理，通過落種改變對射光路，使得紅外接收端接收光強發生變化，經信號放大處理后形成脈沖信號，控制器通過PC817型光耦隔離芯片讀取基于紅外對射的落種監測傳感器信號，獲取穩定的落種脈沖信號，計算排種參數；通過中斷輸入端口讀取安裝于地輪上的車速編碼器信號，計算車速；接收CAN網絡報文，對播種粒距、播種壓力、車速等信息進行融合，依據既定協議傳輸至CAN網絡。

車載計算機采用Win7系統，用于運行粒距在線監測與預警軟件，通過USB2.0接口與USB/CAN轉換模塊連接至總線，與總線搭載的下位機進行通信，對播種機播種粒距狀態進行顯示、記錄，當氣壓下降異常、播種粒距異常等狀況發生時，向用戶進行報警。通過上述硬件組成、線束設計，使系統能夠滿足車載穩定作業的要求，進而通過軟件設計實現對氣吸式玉米精密播種機粒距誤差的監測及漏播預警。

1.2 播種粒距監測程序設計

玉米精密播種的在線粒距獲取程序主要由排種監測ECU完成。通過間隔落種時間與作業車速2個因素對粒距進行在線監測。首先，獲取玉米精密播種的作業車速，為了滿足播種粒距的準確在線測量，車速的測量需要更新頻率快、數值準確。通過地輪測速的方式測量車速v，更新頻率為2 Hz，車速編碼器選擇較高分辨率1 024 p/r，同時，為了盡可能消除地輪直徑測量誤差、滑移率等的影響，引入校核系數，計算公式為

(1)

式中μ——校核系數

Q——車速編碼器脈沖累計數

D——地輪直徑，m

F——車速編碼器分辨率，p/r

ΔT——車速更新周期，s

μ的確定方法為：針對新的作業地塊，使玉米精密播種機帶動地輪轉動作業一定距離lA(m)，記錄距離lA內車速編碼器輸出的脈沖數Qt，計算公式為

(2)

落種監測傳感器將落種狀態轉換為脈沖信號，系統通過監測脈沖信號的上升沿，對2個相鄰脈沖時間Δtk(s)進行計時(圖2)。玉米精密排種器正常工作時，具有隨機的單粒漏播現象，使得通過單一粒距的監測來反映播種粒距的方法存在粒距異常值，而出現誤報警。

為了消除異常值，更好地預測播種粒距的變化趨勢，對系統監測的播種粒距進行移動平均處理，則粒距監測值計算公式為

(3)

式中Gm——粒距監測值，cm

n——移動平均處理周期數

vk——對應脈沖間隔內車速，km/h

依據n，程序對監測到的落種脈沖時間間隔進行更新，剔除舊值，本文確定n取10。此外，為達到漏播快速監測，由前期試驗得出，玉米精密排種器正常播種時，連續漏播的粒數一般小于等于3粒，當滿足

(4)

式中Gt——目標粒距，cm

程序停止移動平均處理，令Gm=3Gt，直至不滿足式(4)的條件，解除報警，繼續對粒距進行移動平均處理。氣體壓力讀取通過串口發送讀取指令，氣壓傳感器通信遵循標準Modbus RTU協議，接收到讀取壓力指令后自動反饋，排種監測ECU通過解析壓力指令獲取壓力。完成上述計算后，排種監測ECU將粒距監測值、車速、氣壓、排種粒數，按照1 Hz的頻率上傳至CAN網絡，由車載計算機接收。

1.3 播種粒距預警程序設計

系統對播種粒距誤差的預警主要通過玉米精密播種粒距在線監測軟件實現，通過對播種粒距的在線監測，獲得播種粒距誤差，在漏播發生之前，提前發現播種粒距的異常狀態，實現對播種漏播的預警，保證玉米精密播種作業過程中播種量的均勻性。該軟件依托車載計算機運行，采用VS2010軟件MFC框架編寫，軟件主界面如圖3所示。

軟件界面依據功能可劃分為通信串口號設置、作業參數設置、作業參數監測和粒距分析4個區域。其中，通信串口號設置區用于設備通信時工作串口號的選擇、開閉。參數設置區用于對播種行距、排種盤孔數、目標粒距Gt等參數進行設置，參數設置完成后，點擊“參數確定按鈕”，系統將設置參數保存至本地“InitValue.txt”文件，系統每次啟動時即對初始設置參數進行讀取。作業參數監測包括氣壓、車速、目標播量、單行排種量和總排種量。其中，氣壓用于監測氣吸式播種機氣吸管路的壓力，當壓力低于工作壓力時進行報警，及時排除故障；單行排種量對比可以顯示出各行播種單體差異，用于對各行播種單體的播種粒數的一致性進行監測；總排種量用于對播種機的整體排種粒數監測。粒距分析區域包括粒距誤差和實時粒距。實時粒距顯示排種監測ECU傳輸的Gm，當出現漏播時，對應進度條顏色由綠色變為紅色。粒距誤差ΔG(cm)計算公式為

ΔG=Gm-Gt

(5)

粒距誤差有正負，數值為正，表示粒距偏大，反之，則偏小。通過觀察玉米精密播種過程中粒距誤差方向，若粒距誤差持續為正，則說明粒距偏大，應增加對應車速下的排種速率，反之，則減小對應車速下的排種速率。粒距誤差越大，說明實際播種粒距偏移目標粒距越遠，則播量誤差也較大。通過上述方法，實現漏播、播種粒距分布不準確的在線監測。

2 試驗平臺搭建

2.1 試驗臺

為了探究系統對不同型式排種器排種測量精度，選用指夾式排種器和氣吸式排種器進行排種粒數測量精度試驗，見圖4。通過調整落種監測傳感器與排種口的垂直距離，可以實現對2粒種子重播的監測[16]，將落種監測傳感器固定于距排種器落種口垂直高度225 mm的位置。排種器通過總線電動機驅動排種系統進行驅動[25]，其中，指夾式排種器排種盤有18指，排種驅動電動機型號為JCF76R-1280-60R，排種盤穩定轉速范圍為8～42 r/min；氣吸式排種器排種盤孔數為26孔，排種驅動電動機型號為AQMD3608BLS，配行星齒輪減速器，減速比為18∶1，排種盤穩定轉速范圍為8～55 r/min。試驗時，設定目標粒距25 cm、行距60 cm，模擬車速在3～12 km/h，間隔1 km/h，每個模擬車速下獲取100粒左右種子進行驗證，試驗重復3次，分析系統播種計數監測精度。

在此基礎上，由于車速由總線報文獲取，粒距監測值的精度主要取決于對落種時間間隔Δt的監測準確性。為了對系統測定的落種時間間隔準確性進行驗證，利用高速攝像機(SVSI GigaView系列GVCM08-B05型)搭建了實驗室試驗臺(圖5)。試驗臺選用指夾式排種器，選用的玉米種子為鄭單958；通過排種驅動電動機進行排種；利用作業速度模擬器(輸出1～150 kHz)模擬車速編碼器信號；利用A4紙打印水平線，放置于與導種管出口垂直距離70 mm的位置，用于模擬水平地面；收集盒內鋪設有防震氣泡膜，防止下落的玉米種子過度彈跳對高速攝像造成影響；計算機處理軟件為GigaView軟件，對高速攝像幀率設定為900 f/s，采集時間為12.451 s。試驗時，目標粒距25 cm、行距60 cm，模擬車速在3～12 km/h，以1 km/h遞增變化，通過系統捕獲20組落種間隔數值，并傳送至CAN網絡，通過控制系統捕獲落種的時間，使與高速攝像啟動記錄時間保持一致。由高速攝像視頻回放確定相鄰2粒種子下落至水平位置標志線時的時間間隔，結合模擬車速，獲得粒距真實值，與系統粒距監測值對比，分析系統在實驗室環境下，對排種粒距監測精度。

2.2 田間試驗樣機

為了對系統在田間的播種粒距監測精度進行驗證，基于2BFQ-6型氣吸式玉米精密播種機單體，設計了田間試驗樣機(圖6)。將車載計算機、排種監測ECU固定至播種機上，通過線束連接。落種監測傳感器安裝在氣吸排種器的導種管上，距離落種口的垂直距離與實驗室設置時保持一致。氣壓傳感器(CYYZ31-40-RS-14-B-G型)量程為-20～20 kPa，安裝于風機出風管連接處。車速編碼器(GK80K25G100BMC526型)分辨率為100 p/r，安裝于地輪轉軸上，與地輪同步轉動。氣吸排種器排種盤孔數為26孔，采用直流無刷電動機(AQMD3608BLS)加裝減速器(減速比為18∶1)進行驅動，通過總線電動機驅動排種系統進行控制[25]。試驗于2019年7月26日在河北省石家莊市欒城區麥茬旋耕地進行，選用鄭單958玉米種子進行播種，設定播種目標粒距25 cm、行距60 cm，選擇行進方向最左側單體作為測試單體，通過CAN分析儀監聽總線播種車速、經移動平均處理的粒距監測值報文，依次根據時間節點進行存儲，獲得粒距監測值。首先，對車速校核系數μ進行標定，最終確定μ為1.24。選取2個播種車速，通過車速計算得2個車速平均值分別為5.49、8.49 km/h，標準差分別為0.11、0.29 km/h。

設定試驗區域，地塊長度150 m，上述2個車速下的有效播種粒距采集距離為120 m，用卷尺測量每個試驗區域內連續的350個播后14 d的出苗粒距(圖7)。通過車速與時間的累加獲得距離，使得粒距監測值與出苗粒距的位置相互對應，分析在田間環境下，系統對播種粒距的監測精度。

3 試驗與結果分析

3.1 排種計數監測精度試驗

系統對指夾式排種器、氣吸式排種器的播種計數監測精度如圖8所示。由試驗結果可得，模擬車速為3～12 km/h，以1 km/h為間隔，系統對指夾式排種器排種計數監測平均準確率為99.12%，標準差為0.52%；系統對氣吸式排種器排種計數監測平均準確率為99.71%，標準差為0.44%。系統對上述2種類型排種器排種計數監測準確率總體平均值為99.42%，標準差平均值為0.48%，說明系統對玉米精密播種的落種監測具有較好精度，總體排種計數監測誤差平均值小于1%。

3.2 實驗室排種粒距監測精度試驗

利用圖5所示試驗臺，對系統排種粒距在實驗室環境下的監測準確性進行試驗。通過高速攝像機捕獲一段時間內排種器落種情況，采集相鄰落種圖像如圖9所示。

設相鄰落種中心點到達水平標志線的時刻為t′1(圖9a)，經排種過渡時間(圖9b),種2中心點到達水平標志線的時刻為t′2(圖9c)，則相鄰落種之間的時間間隔Δt′為

Δt′=t′2-t′1

(6)

根據測定的時間間隔，乘以車速獲得基于高速攝像測定的粒距，并將該值記為粒距真實值。根據系統CAN網絡監測的20組相鄰落種之間的時間間隔，乘以車速，獲得粒距監測值。將粒距真實值與粒距監測值相減，獲得粒距監測誤差，試驗結果如圖10所示。

由圖10可得，在模擬車速3～12 km/h范圍內，以1 km/h為間隔變化時，系統對粒距監測誤差絕對值的平均值為2.34 cm，標準差為2.56 cm，波動較大，且具有較多的異常點。

為了消除異常點，解決因排種器隨機單粒漏播、重播造成的粒距突變對系統粒距測量精度的影響，對粒距監測值進行移動平均濾波處理，結果如圖11所示。由試驗結果可得，粒距監測誤差經移動平均處理后，異常值明顯減少，粒距監測誤差絕對值的平均值為0.79 cm，標準差為0.62 cm。在試驗設定的10個車速下，單車速下對應的粒距監測誤差絕對值的平均值最大為1.69 cm，標準差為0.23 cm。試驗結果表明，經移動平均濾波處理后，系統粒距監測誤差小于2.00 cm。

3.3 田間播種粒距監測精度試驗

為了對系統田間粒距監測精度進行驗證，選取2個播種機常用工作車速，進行了粒距監測精度試驗，試驗結果如圖12、13所示。由圖12可得，車速分別為5.49、8.49 km/h時，出苗粒距平均值分別為25.20、24.88 cm，標準差分別為5.00、5.49 cm;出苗粒距移動平均濾波的平均值分別為25.28、25.02 cm，標準差分別為2.07、2.06 cm；粒距監測平均值分別為24.28、23.82 cm，標準差分別為1.24、3.06 cm。

系統粒距監測值曲線與出苗粒距曲線相比，消除了粒距尖波的數據點。與出苗粒距曲線相比，出苗粒距移動平均值曲線與粒距監測值曲線更接近，變化趨勢基本一致，在車速5.49、8.49 km/h下，平均值差值分別為1.00、1.20 cm。

由圖13可得，車速分別為5.49、8.49 km/h時，與出苗粒距移動平均值相比，系統粒距監測誤差的平均值分別為1.84、2.22 cm，標準差分別為1.61、2.13 cm，粒距監測誤差平均值增加0.38 cm；而與出苗粒距相比，系統粒距監測誤差平均值分別為3.88、4.64 cm，標準差分別為3.59、4.01 cm，粒距監測誤差平均值增加0.76 cm。

結果說明，車速增大時，系統粒距監測誤差增大，在車速5.49、8.49 km/h下，采用出苗粒距移動平均值計算的粒距監測誤差平均值分別降低2.04、2.42 cm，標準差分別降低1.98、1.88 cm，系統粒距監測值曲線與出苗粒距移動平均值曲線更接近。綜上結果可得，經移動平均處理后，系統粒距監測值曲線更加平滑，消除了隨機播種粒距跳躍變化的影響；系統粒距監測值與出苗粒距移動平均值變化趨勢基本相同；車速增大時，系統粒距監測精度降低。

4 結論

(1)基于CAN總線通信網絡設計了玉米精密播種粒距在線監測與漏播預警系統，設計了基于移動平均濾波算法的播種粒距在線監測程序，通過對播種粒距及其誤差的在線監測，實現了對播種漏播的預警。該系統通過車載電源提供電能，實現了車載計算機與排種監測ECU的總線通信。

(2)搭建了系統實驗室性能試驗臺，通過車速的變化獲得了系統在實驗室環境下對排種計數的監測精度和對排種粒距的監測精度。選取指夾式精密排種器和氣吸式精密排種器，在設定粒距25 cm、行距60 cm，以及在車速3～12 km/h范圍內，以1 km/h為間隔的10個模擬車速下，系統對2種排種器排種計數監測準確率總體平均值為99.42%，標準差平均值為0.48%；以指夾式排種器為排種對象，經移動平均濾波處理后，系統粒距監測誤差總體小于2.00 cm，單車速下對應的最大粒距監測誤差絕對值的平均值為1.69 cm，標準差為0.23 cm。

(3)基于氣吸式玉米精密播種機研制了田間試驗樣機，通過粒距監測值與出苗粒距的對比分析，獲得了系統在田間作業環境下對播種粒距的監測精度。設置2個車速5.49、8.49 km/h，目標粒距為25 cm、行距為60 cm，采集連續的350個出苗粒距數據進行分析，結果表明，與出苗粒距移動平均值相比，系統粒距監測誤差的平均值分別為1.84、2.22 cm，標準差分別為1.61、2.13 cm。經移動平均濾波處理后，粒距監測值曲線與出苗粒距移動平均值曲線的變化趨勢基本相同，能夠較準確地反映粒距變化。