種子位置信息視覺檢測系統(tǒng)開溝延時回土裝置研究

高 振 盧彩云 李洪文 何 進 王慶杰 王志楠

(1.中國農(nóng)業(yè)大學工學院， 北京 100083；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部河北北部耕地保育科學觀測實驗站， 北京 100083)

0 引言

準確獲取播后土壤中種子空間分布信息，建立基于種子空間分布信息的作物位置電子地圖，能夠為作物生長全過程精準高效管理提供基礎位置信息，為基于種子空間分布的漏播檢測及補償、定位施肥、定點除草、對行植保和收獲等田間精準作業(yè)提供基礎數(shù)據(jù)來源，進而提高資源利用率，是農(nóng)業(yè)精細化生產(chǎn)的基礎[1-5]。

為準確獲取土壤中的種子空間分布信息，研究團隊嘗試將機器視覺技術應用于種子在種床中的空間分布位置檢測中，種子通過開溝器導種管落入種床后，使用工業(yè)相機采集種床中種子位置圖像，并利用目標檢測算法對種子位置進行識別。并保證檢測過程不對土壤回填產(chǎn)生影響，在種子分布信息檢測結束后，保證土壤能夠順利回填覆蓋種子，減少土壤擾動，避免影響種子萌發(fā)。

機器視覺技術在種子檢測方面有廣泛應用，YAZGI 等[6]采用高速攝像技術對排種過程種子的運動軌跡及排種均勻性進行研究，為優(yōu)化排種器參數(shù)提供理論依據(jù)。NAVID 等[7]在播種機前方的傳送帶上安裝攝影機采集番茄種子圖像，對排種器的播種狀態(tài)進行判斷。馬旭等[8]運用圖像處理技術對種子動態(tài)圖像進行分析，提出了一種根據(jù)種子面積和種子間距特征評估排種器性能的方法。廖慶喜等[9]提出一種精密排種器性能檢測方法，將光電傳感器與高速攝影同時用于精密排種器的性能檢測。土壤回填率方面，趙淑紅等[10]針對馬鈴薯播種開溝器高速作業(yè)條件下作業(yè)阻力大、回土深度淺等問題，設計一種仿黃鰭金槍魚下顎曲線的曲面式開溝器，曲面式開溝器比芯鏵式開溝器、靴式開溝器平均作業(yè)阻力減小18.3%、33.4%,平均回土深度增加70.4%、91.7%；史乃煜等[11]針對濕黏土壤條件下免耕播種機施肥鏟回填性能弱,導致的種肥同床等問題，設計了一種強制回土裝置，優(yōu)化后的最速降線式強制回土裝置較直板式強制回土裝置的土壤回填率提升16.5%。

以上研究均將機器視覺技術應用于播種過程中的排種環(huán)節(jié)，進行種子在排種器中的位置或運動信息檢測。將機器視覺應用于開溝落種和回土覆種環(huán)節(jié)，進行種子在種床中空間分布信息檢測的研究鮮有報道。其主要原因在于，現(xiàn)有播種開溝裝置作業(yè)時，種子落入種床后立即被回落土壤覆蓋，在開溝落種和回土覆種的間隙，應用機器視覺技術檢測種子在土壤中的空間分布信息，存在極大困難。為此，本文設計一種面向種子位置信息視覺檢測系統(tǒng)的開溝延時回土裝置。通過開溝裝置、導土裝置、壓種裝置及回土裝置的配合作業(yè)，在開溝落種和回土覆種的間隙，實現(xiàn)種床圖像的采集，并保證土壤回填率，避免影響種子萌發(fā)。

1 結構組成與工作原理

1.1 種子分布信息視覺檢測系統(tǒng)

圖1 種子分布信息視覺檢測系統(tǒng)Fig.1 Vision detection system for seed distribution information

種子分布信息視覺檢測系統(tǒng)主要包括開溝延時回土裝置、種床圖像采集模塊、種床圖像拼接模塊、全景圖像種子目標檢測模塊。其中，開溝延時回土裝置可為種床圖像采集提供避讓空間。種床圖像采集模塊主要包括工業(yè)相機、數(shù)據(jù)傳輸線路、圖像采集軟件等。種床圖像拼接模塊和全景圖像種子目標檢測模塊的核心分別為圖像拼接算法和目標檢測算法。系統(tǒng)組成如圖1所示。

1.2 開溝延時回土裝置結構組成

開溝延時回土裝置結構如圖2所示，主要包括開溝器主架、回土板高度調(diào)節(jié)組件、導土裝置、轉角調(diào)節(jié)三通接頭、開溝器鏟尖、回土板、壓種輥、回土板轉角調(diào)節(jié)組件、回土板連接桿、工業(yè)相機安裝板、回土高度調(diào)節(jié)板、導種管。其中導土裝置共兩塊導土板，分別焊接在開溝器主架后方，導種管兩側的位置；壓種輥通過銷軸安裝在兩導土板之間，導種管末端后方；工業(yè)相機安裝板為T形結構，其中寬板焊接在導種管上，窄板上開有螺紋孔，用于安裝工業(yè)相機。其中，回土板連接桿焊接在回土高度調(diào)節(jié)板上，通過螺栓與工業(yè)相機安裝板連接，形成回土板高度調(diào)節(jié)組件；回土板通過轉角調(diào)節(jié)三通接頭與回土板連接桿連接，形成回土板轉角調(diào)節(jié)組件；回土板高度調(diào)節(jié)組件、回土板轉角調(diào)節(jié)組件與回土板組成回土裝置。

圖2 開溝延時回土裝置Fig.2 Opening soil backfilled device1.開溝器主架 2.回土板高度調(diào)節(jié)組件 3.導土裝置 4.轉角調(diào)節(jié)三通接頭 5.開溝器鏟尖 6.回土板 7.壓種輥 8.回土板轉角調(diào)節(jié)組件 9.回土板連接桿 10.工業(yè)相機安裝板 11.回土高度調(diào)節(jié)板 12.導種管

1.3 工作原理

作業(yè)工序為：①開溝破土形成種床，固定種子在種床中的位置。②延長土壤回落時間，形成有利于圖像采集的避讓空間，保證圖像采集期間無回落土壤干擾。③工業(yè)相機進行圖像采集，圖像采集完成后土壤回落覆蓋種床中的種子。作業(yè)時，開溝延時回土裝置安裝在播種機上，由拖拉機帶動，以速度v前進，土壤被開溝器鏟尖破開形成種床，種子經(jīng)導種管落入種床，壓種輥將種子壓入土壤中，固定種子位置并防止種子彈跳。開溝器破開的土壤在導土裝置導流作用下流動至種床兩側形成泛起土壤，使土壤無法回落覆蓋種子，形成避讓空間，為原始圖像采集提供保障。工業(yè)相機在避讓空間內(nèi)完成原始圖像采集后，種床兩側的土壤在回土裝置作用下重新回填種床，實現(xiàn)均勻覆土，提高土壤回填率，回土板調(diào)節(jié)組件可依據(jù)不同播種深度及土壤條件要求，進行回土板轉角和高度的調(diào)節(jié)。通過導土裝置和回土裝置的共同作用，為原始圖像采集提供足夠的反應時間和避讓空間，達到延時回土的目的，土壤顆粒相對運動軌跡如圖3所示。

圖3 土壤顆粒相對運動軌跡Fig.3 Relative trajectory of soil particles1.開溝器鏟尖 2.導土板 3.回土板 4.種床

2 關鍵裝置參數(shù)設計

開溝延時回土裝置通過導種裝置、壓種裝置、回土裝置的配合作用，延長開溝落種環(huán)節(jié)和回土覆種環(huán)節(jié)的作業(yè)間隙，形成有利于原始圖像采集的避讓空間，并保證土壤回填率，以此為目標對導土裝置、回土裝置等關鍵裝置進行結構設計。

2.1 導土裝置

導土裝置主要功能包括：①擋住土壤回落趨勢，使其沿導土裝置邊界向外流動，并在種床兩側形成泛起土壤，防止土壤回落覆蓋種子。②導土板和開溝器主架組合形成有利于圖像采集的避讓空間，覆蓋相機視場。③相機鏡頭探入避讓空間中，避免導土裝置外的圖像進入視場，使原始圖像背景簡化，降低目標檢測難度，提高檢測效率[12]。導土裝置主要功能部件為焊接在開溝器主架兩側的導土板，如 圖4 所示，導土板主要結構參數(shù)包括：高度hd、長度ld、偏角θd。

圖4 導土裝置Fig.4 Soil vectoring device1.開溝器主架 2.導種管 3.開溝器鏟尖 4.工業(yè)相機 5.導土板 6.壓種輥

2.1.1導土板高度

圖5 導土板長度和高度確定Fig.5 Determination of length and height of soil vectoring plate1.工業(yè)相機 2.壓種輥 3.導種管 4.開溝器主體 5.導土板 6.工業(yè)相機視場 7.開溝器鏟尖

為避免導土裝置外的圖像進入視場，保證原始圖像背景簡化，導土板高度hd應大于鏡頭與物體之間的距離hD，即hd≥hD，如圖5所示。根據(jù)鏡頭透視原理，鏡頭與種床之間的距離hD的計算式為

hD=l1f/lc

(1)

式中l(wèi)c——鏡頭的靶面長度，mm

f——鏡頭焦距，mm

l1——工業(yè)相機視場長度，mm

由文獻[13]可知相機視場長度l1最佳取值范圍為117～152 mm，本文選擇l1=130 mm；檢測所用鏡頭為定焦定制鏡頭，焦距f=8 mm；鏡頭傳感器規(guī)格為2/3″CCD，靶面長度lc=6.6 mm，代入式(1)，計算得hD≈157 mm，即導土板高度hd≥157 mm，因此設計導土板高度hd為160 mm。

2.1.2導土板長度

為防止土壤回落覆蓋種子影響原始圖像采集，導土裝置形成的避讓空間在前進方向上的長度應覆蓋導種管、壓種輥、工業(yè)相機視場，如圖5所示，導土板長度ld由工業(yè)相機視場長度l1、壓種輥直徑d1、導種管直徑d2共同確定，導土板長度計算式為

ld≥l1+d2+d1

(2)

其中，壓種輥直徑d1=30 mm，由前文可知l1=130 mm，所用導種管直徑d2=40 mm，代入式(2)，計算得ld≥210 mm，因此設計導土板長度ld為220 mm。

2.1.3導土板偏角

導土板偏角是導土板平面與前進速度垂直方向的夾角，偏角θd對開溝作業(yè)阻力及種子位置穩(wěn)定性有較大影響。當偏角θd>90°時，如圖6a所示，導土板外傾，開溝寬度大，作業(yè)阻力大；開溝器鏟尖破出的土壤顆粒受到導土板向前的推力作用，向遠離種床的方向運動，導致泛起土壤的寬度增加，不利于后續(xù)回土作業(yè)[14]。當偏角θd<90°時,如圖6b所示，種子落入種床后，被壓種輥固定于種床，而導土板內(nèi)傾，兩導土板末端距離變小，導土板末端隨機具前進易導致玉米種子的固定位置被破壞，影響檢測結果。所以為減小作業(yè)阻力，并保證種子位置穩(wěn)定性，取偏角θd=90°，即導土板與前進方向平行，如圖6c所示。

圖6 導土板偏角Fig.6 Angle of soil vectoring plate1.開溝器鏟尖 2.開溝器主架 3.導土板 4.導種管 5.壓種輥 6.相機視場

2.2 回土裝置

開溝回土是播種作業(yè)過程中的關鍵環(huán)節(jié)，開溝器鏟尖破開土壤形成種床，種子落入種床后，在種子上覆蓋一定厚度的土壤，即可減少土壤擾動，提高種子出苗率，又可保證種子播種深度、株距及側向分布的均勻性[15-16]。開溝延時回土裝置作業(yè)時，導土裝置阻止土壤回落的同時，擠壓泛起土壤，產(chǎn)生一定的固化效應，導致土壤自回填性能降低，土壤擾動增大?；赝裂b置可以將固化的泛起土壤推回種床，提高土壤回填率，實現(xiàn)均勻覆土。

回土裝置共分為左、右兩套，分別安裝在開溝器兩側，導土裝置后方，相互獨立可調(diào)節(jié)，主要包括回土板和回土板調(diào)節(jié)組件?；赝涟暹B接桿焊接在回土高度調(diào)節(jié)板上，通過螺栓與工業(yè)相機安裝板連接，回土高度調(diào)節(jié)板可沿溝槽滑動，可以實現(xiàn)回土板高度30～50 mm范圍內(nèi)的無級調(diào)節(jié)；回土板通過轉角調(diào)節(jié)三通接頭與回土板連接桿連接，三通接頭與連接桿末端均開有轉角角度調(diào)節(jié)孔，孔位呈交錯布置，通過螺栓連接固定，可以實現(xiàn)回土板轉角30°～70°范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，其安裝位置和結構組成如圖7所示?；赝裂b置主要功能部件為回土板，其主要結構參數(shù)包括：長度lh、高度h1、轉角α。

圖7 回土裝置Fig.7 Soil backfilling device

2.2.1回土板長度

由圖7可知，為保證回土效果，回土板長度lh在垂直于前進方向上的投影長度lr大于泛起土壤寬度w，即

(3)

聯(lián)立求解得

lh>w/sinα

(4)

式中α——回土板轉角，(°)

由實測試驗得w<60 mm，為保證土壤回填率，回土板轉角應大于30°，即α>30°，代入式(4)計算得lh>120 mm，設計回土板長度lh為120 mm。

2.2.2回土板高度

由圖8可知，為保證回土板高度h1覆蓋種床兩側的泛起土壤，需滿足回土板高度h1大于側泛起土壤的高度h2，即

h1>h2

(5)

圖8 回土板結構參數(shù)確定Fig.8 Determination of structural parameters of soil backfilling plate

由實測試驗得h2<30 mm，即h1>30 mm，而為了避免回土板與導土板因高度過多重疊形成狹窄通道，使回落土壤通過性變差[17-18]，確定回土板高度h1為50 mm。

2.2.3回土板轉角

圖9 土壤回填率Fig.9 Soil backfill rate

回土板轉角α為回土板平面與機具前進方向的夾角，對土壤回填率有較大影響，取泛起土壤中的土壤顆粒進行受力分析如圖9a所示，土壤顆粒受回土板向前的推力F、地面對移動土壤的摩擦力fn以及回土板對移動土壤的摩擦力ft的綜合作用，摩擦力fn和ft遠小于回土板推力F，可忽略不計?；赝涟逋屏分為平行于回土板平面的分力FT和垂直于回土板平面的分力FN，計算式為

(6)

當回土板轉角α減小時，推動土壤回填的力FN減小，導致土壤回填率降低，當α=0°時，回土板隨機具前進呈現(xiàn)切土現(xiàn)象，無法推動土壤回落，如圖9b所示。當回土板轉角α增大時，推動土壤回填的力FN增大，土壤回填率增大，但當α過大時，回土裝置與導土裝置之間會出現(xiàn)土壤擁堵現(xiàn)象；當α=90°時，回土板平面垂直于前進方向，大量土壤擁堵導致土壤顆粒被推向遠離種床的區(qū)域，只有少量土壤顆粒被推回種床，使土壤擾動增大，如圖9c所示。回土板轉角α的最優(yōu)值無法通過理論分析獲得，需通過試驗確定。

2.3 壓種輥

壓種輥位于兩導土板之間，導種管末端后方的位置，表面與地面接觸，通過摩擦力驅動壓種輥轉動，在種子落入種床后將其壓住，防止其觸土彈跳，并固定種子位置。為避免壓種過程對種子造成損傷，影響種子萌發(fā)，選擇厚度為5 mm，硬度為60 HA的疏水性聚氨酯作為壓種輥表面覆蓋材料，直接與種子接觸。壓種輥主要結構參數(shù)包括：長度lg、直徑d1。

2.3.1壓種輥長度

如圖8所示，為防止導土板對壓種輥產(chǎn)生擠壓，導致其轉動副失效而產(chǎn)生拖動滑移，對種子位置產(chǎn)生影響，壓種輥長度lg應略小于兩導土板之間的距離le，即

lg

(7)

其中，兩導土板之間的距離le=60 mm，設計壓種輥長度lg為55 mm。

2.3.2壓種輥直徑

壓種輥直徑對于種子位置的影響較大，相同開溝速度下，當壓種輥直徑d1過大時，其轉速相應減小，導致表面更易粘附濕土，進而粘附種子，改變種子位置；當壓種輥直徑d1過小時，與地面接觸面積減小，驅動其轉動的摩擦力相應減小，導致轉動副失效，壓種輥隨機器拖動滑移，改變種子位置[19-21]，基于以上分析，綜合考慮安裝空間，最終確定壓種輥直徑d1為30 mm。

3 離散元仿真

受限于作業(yè)環(huán)境和觀測條件，田間試驗時難以完成對開溝回土的過程觀測，本文使用離散元仿真方法對開溝延時回土裝置開溝回土過程進行模擬，分析開溝延時回土裝置開溝、延時和回土過程中土壤顆粒數(shù)量變化，并以此為依據(jù)表征開溝延時回土裝置延時回土性能，確定開溝速度v、回土板轉角α等因素對土壤回填率Y的影響，確定最優(yōu)參數(shù)組合。

3.1 離散元仿真模型構建

試驗地為沙壤土，依據(jù)文獻對沙壤土參數(shù)的標定和田間實際測量數(shù)據(jù)，綜合分析相關資料，同時考慮計算精度和計算速度的要求，確定采用半徑4 mm球形顆粒，使用Hertz-Mindlin(no slip)接觸模型建立土壤離散元模型[22-23]。根據(jù)試驗所需最大開溝深度和計算精度、計算速度等要求，設置土槽的長×寬×高為1 500 mm×400 mm×200 mm。使用SolidWorks 2018完成開溝延時回土裝置三維建模，導入EDEM離散元仿真軟件，建立機具-土壤互作離散元模型，離散元仿真參數(shù)如表1所示。

圖10 開溝回土過程分析Fig.10 Analysis of trenching and soil backfilling process

3.2 開溝回土作業(yè)過程分析

為量化開溝回土過程，在開溝器前方選取土塊A，其長度lA取160 mm，寬度wA為種床寬度，高度hA為開溝深度。如圖10所示，開溝回土過程主要分為5個階段：準備開溝階段，如圖10a所示，此時開溝器鏟尖尚未進入土塊A，此時土塊A中土壤顆粒數(shù)量為W1。開溝前期階段，如圖10b所示，t0時刻，開溝器鏟尖進入土塊A，土塊A后方的土壤顆粒在開溝器鏟尖推動下進入土塊A導致顆粒數(shù)量增加。開溝完成階段，如圖10c所示，開溝器鏟尖離開土塊A，并帶動少量土壤顆粒向前運動離開土塊A，土塊A中土壤顆粒數(shù)量減少；同時導土裝置進入土塊A中，防止土壤顆?；芈溥M入種床，大量土壤顆粒被推向種溝兩側，土塊A中土壤顆粒數(shù)量大幅減少，形成種床?；赝燎捌陔A段，如圖10d所示，t1時刻，回土板開始進入土塊A，推動土塊A兩側的土壤顆粒進入土塊A，覆蓋種子，土壤顆粒數(shù)量增加?；赝镣瓿呻A段，如圖10e所示，隨機器前進，回土板開始離開土塊A，此時會將部分土壤顆粒推出土塊A，導致土塊A中土壤顆粒減少，隨后趨于穩(wěn)定，回土完成，此時土塊A中顆粒數(shù)量為W2。

表1 材料參數(shù)和接觸參數(shù)Tab.1 Material parameters and contact parameters

以土塊A為研究對象，通過EDEM分析開溝器鏟尖進入土塊A，到回土裝置離開土塊A這一完整開溝回土過程中土塊A內(nèi)顆粒數(shù)量變化情況，提取土塊A中土壤顆粒數(shù)量變化數(shù)據(jù)，對開溝回土過程進行分析，土塊A中土壤顆粒數(shù)量變化曲線如圖11所示。

圖11 土壤顆粒數(shù)量變化曲線Fig.11 Change of soil particle quantity

根據(jù)對土塊A中土壤顆粒數(shù)量變化情況的分析，土壤回填率為回土完成后土塊A中顆粒數(shù)量W2與開溝器鏟尖尚未進入土塊A時的顆粒數(shù)量W1的比值，即仿真土壤回填率Y0計算式為

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3.3 土壤回填率仿真試驗

開溝延時回土裝置作業(yè)時，導土裝置擋住回落土壤，為種子位置圖像采集提供保障，但擋住土壤的同時，導土板擠壓泛起土壤，產(chǎn)生一定的固化效應，導致土壤回填性能降低，土壤擾動增大?；赝裂b置可以將固化的泛起土壤推回種床，提高土壤回填率，實現(xiàn)均勻覆土。因此，回土裝置作用下的土壤回填率Y是本文需要重點關注的指標。

3.3.1試驗方案與結果

結合前期理論分析和仿真預試驗，確定各因素水平。綜合考慮開溝速度對排種器性能和圖像采集效果的影響，結合現(xiàn)有文獻[24]及播種機作業(yè)速度需求，選取開溝速度1.6～2.2 m/s；根據(jù)玉米播種農(nóng)藝種植要求，開溝深度取30～50 mm；根據(jù)仿真預試驗結果，回土板轉角取30°～50°，采用Design-Expert 10.0.7軟件中的Box-Behnken方法，確定試驗因素及編碼如表2所示，試驗方案如表3所示，X1、X2、X3為編碼值。

表2 試驗因素與編碼Tab.2 Test factors codes

3.3.2試驗結果方差分析

方差分析結果如表4所示，根據(jù)表中試驗數(shù)據(jù)，使用Design-Expert軟件對土壤回填率進行二次回歸分析，建立土壤回填率對開溝速度、開溝深度、回土板轉角的二次響應面回歸模型為

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表3 試驗方案及結果Tab.3 Test scheme and results

表4 土壤回填率方差分析Tab.4 Variance analysis of soil backfill rate

0.05)；其余項均不顯著。3個影響因素對土壤回填率影響由大到小為X2、X1、X3，即開溝深度、開溝速度和回土板轉角；失擬性檢驗P>0.1，回歸模型極顯著且失擬項不顯著，回歸模型有效。

3.3.3響應曲面分析

由圖12a可知，固定回土板轉角為40°，當開溝速度一定時，土壤回填率隨開溝深度的增大而減小，兩者呈負相關。開溝深度增大導致開溝延時回土裝置破出的土壤增加，種床兩側泛起的土壤寬度增加，導致超出回土裝置作業(yè)范圍的土壤無法被推回種床，導致土壤回填率隨開溝深度增大而減少。

由圖12b可知，固定開溝深度為40 mm，當回土板轉角一定時，土壤回填率隨開溝速度增大而減小，兩者呈負相關。開溝速度增大使開溝延時回土裝置破出的土壤獲得了更多的動能，向前向兩側運動的速度增大，種床兩側泛起的土壤寬度增加，導致超出回土裝置作業(yè)范圍的土壤無法被推回種床，導致土壤回填率隨開溝速度增大而減少。

圖12 土壤回填率響應曲面分析Fig.12 Response surface analysis of soil backfill rate

由圖12c可知，固定開溝速度為1.9 m/s水平，當開溝深度一定時，土壤回填率隨回土板轉角增大而增大，兩者呈正相關。回土板轉角增大使其有效作業(yè)范圍增大，可以將兩側泛起的土壤更多的推回種床，使土壤回填率隨回土板轉角增大而增大。

3.3.4參數(shù)優(yōu)化

為得到延時回土開溝裝置的最優(yōu)參數(shù)組合，通過分析開溝速度、開溝深度和回土板轉角的交互作用，利用Design-Expert軟件中的Optimization模塊對上述回歸模型進行優(yōu)化求解。其目標函數(shù)和優(yōu)化約束條件為

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對式(10)進行求解可得到多種優(yōu)化組合，基于實際作業(yè)條件選取開溝速度1.6 m/s、開溝深度30 mm、回土板轉角40°時，最大土壤回填率為97%。利用優(yōu)化得到的最佳參數(shù)進行離散元仿真試驗，所得土壤回填率為97.9%，與優(yōu)化結果基本一致。

4 田間試驗

4.1 試驗準備

圖13 播種單體Fig.13 Planter unit1.種箱 2.排種器 3.開溝延時回土裝置 4.地輪 5.播種單體 6.USB 3.0數(shù)據(jù)線 7.控制計算機 8.工業(yè)相機

試驗于2021年10月28日在山東省菏澤市鄆城縣(東經(jīng)116°06′34″，北緯35°56′28″，海拔41 m)進行，試驗地為耕整地，土壤平均含水率為15.12%，0～2.5 cm耕層土壤緊實度為57 kPa，2.5～5 cm耕層土壤緊實度為156 kPa，5～7.5 cm耕層土壤緊實度為298 kPa，7.5～10 cm耕層土壤緊實度為413 kPa，試驗所用儀器包括土壤緊實度儀、取形器等。試驗所用播種設備為具有種床內(nèi)種子圖像采集功能的玉米播種單體，如圖13所示，播種單體由三點懸掛機架、行走地輪、排種器、種箱、開溝延時回土裝置以及圖像采集系統(tǒng)組成，圖像采集系統(tǒng)包括工業(yè)相機、數(shù)據(jù)傳輸線路、圖像采集軟件等，主要技術參數(shù)如表5所示。

4.2 土壤回填率田間試驗

以土壤回填率為試驗指標，根據(jù)離散元仿真試驗優(yōu)化后的作業(yè)參數(shù)進行田間試驗，作業(yè)時，使用U形螺栓將開溝延時回土裝置安裝在播種單體機架上，播種單體通過三點懸掛機架掛接在拖拉機后懸掛處。設定開溝速度為1.6 m/s、開溝深度為30 mm，回土板轉角為40°，試驗結束后，使用取形器測量溝形，如圖14所示。溝形示意圖如圖15所示，通過開溝延時回土裝置作業(yè)后的溝形計算實際土壤回填率Y1，計算式為

表5 主要技術參數(shù)Tab.5 Main technical parameters

圖14 溝形測繪Fig.14 Mapping of groove shape

圖15 土壤回填率模型Fig.15 Soil backfill rate model

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式中S1——開溝后未回填區(qū)域面積，mm2

S2——開溝后回填區(qū)域面積，mm2

田間試驗結果表明，土壤回填率為96.5%，變異系數(shù)為1.43%。對開溝延時回土裝置和未安裝回土裝置的開溝器進行開溝回土性能對比試驗，設定開溝速度為1.6 m/s、開溝深度為30 mm。對比試驗效果如圖16所示，試驗結果如表6所示。

圖16 不同開溝器作業(yè)效果對比Fig.16 Comparison of effects of different openers

由圖16可知，兩開溝器均能為工業(yè)相機采集種床中的種子圖像提供避讓空間和理想檢測區(qū)域，但未安裝回土裝置的開溝器作業(yè)時土壤擾動量較大，土壤回填率較低，部分種床出現(xiàn)裸露的玉米種子，不利于種子萌發(fā)；開溝延時回土裝置作業(yè)時土壤被回土裝置推回種床覆蓋種子，既為原始圖像獲取提供了硬件基礎，又保證了開溝器的土壤回填性能。由表6可知，延時回土開溝器較未安裝回土裝置的開溝器土壤回填率提升39.6個百分點。

表6 開溝器類型及對比試驗結果Tab.6 Opener types and comparison test results

4.3 圖像采集及目標檢測試驗

4.3.1圖像采集試驗

圖17 種床中的種子圖像Fig.17 Seed image in seed bed

為驗證上述關鍵裝置設計確定的結構參數(shù)可以滿足延長回土時間要求，為工業(yè)相機檢測提供相對理想的工作環(huán)境，本文進行種子在種床中的原始圖像獲取實測試驗。使用具有種床內(nèi)種子圖像采集功能的玉米播種單體進行田間播種試驗，作業(yè)速度為1.6 m/s，圖像采集幀率為60 f/s。采集圖像如圖17所示，觀察圖像可知，圖像采集過程無回落土壤進入種床覆蓋種子，導土裝置長度范圍覆蓋相機視場，可以采集到種床中的種子圖像，圖像背景相對簡化。試驗結果表明，設計的結構可以有效延長土壤回落時間，避免回落土壤對檢測效果的影響，實現(xiàn)原始圖像的采集。

播種作業(yè)過程中，開溝延時回土裝置破土會產(chǎn)生灰塵和飛濺的泥土，對工業(yè)相機采集種床圖像造成影響，但觀察采集圖像發(fā)現(xiàn)，灰塵和泥土對圖像采集效果影響較小，其原因為：①本文設計的導土板和開溝器主架，以及導土板上方的頂板形成了半包圍結構，將工業(yè)相機包裹，保護工業(yè)相機免受飛濺泥土的干擾。②揚塵主要影響進光量，導致圖像出現(xiàn)噪聲，但當相機與目標距離較近，且進光量充足時，揚塵對圖像采集的影響較小。本文圖像采集過程中，相機與目標種子之間距離hD僅為157 mm，進光量充足。因此，田間作業(yè)揚塵對種床中種子圖像采集影響較小。

4.3.2作業(yè)速度對圖像采集效果的影響

為進一步驗證所設計結構的作業(yè)性能及作業(yè)速度對圖像采集效果的影響，以開溝速度v為試驗因素，在播種作業(yè)過程中進行圖像實時采集試驗。試驗設置采集幀率f1=60 f/s，每次作業(yè)采集圖像數(shù)量n1為1 000幀，作業(yè)速度分別為1.6、1.9、2.2 m/s。

圖像采集結果表明，當作業(yè)速度達到2.2 m/s時，本文設計的延時回土裝置仍能保證圖像采集時免受回落土壤的干擾，可以滿足常規(guī)速度作業(yè)時的圖像采集需求。

觀察采集圖像發(fā)現(xiàn)，隨作業(yè)速度增加，種子圖像出現(xiàn)畸變現(xiàn)象，即相較于原始形狀，圖像中的種子被拉長，如圖18所示，且作業(yè)速度越快，畸變現(xiàn)象越嚴重。

圖18 不同開溝速度種子圖像畸變情況Fig.18 Seed image distortion at different operation speeds

4.3.3YOLOX目標檢測效果

試驗共采集圖像3 000幀，其中有玉米種子圖像共1 736幀。將所得包含玉米種子種床圖像，按照8∶1∶1的比例劃分為訓練集、驗證集和測試集。使用COCO和VOC數(shù)據(jù)集上的初始化YOLOX的網(wǎng)絡參數(shù)，訓練YOLOX目標檢測模型，得到最優(yōu)權重文件。使用基于最優(yōu)權重文件的YOLOX目標檢測模型，進行種床圖像中的種子目標檢測檢測，測試檢測精度并計算滿足YOLOX目標檢測模型的最大作業(yè)速度vmax，計算式為

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其中

式中vmax——最大作業(yè)速度，km/h

tY——單幀圖像檢測時間，ms

結果表明，YOLOX目標檢測模型可檢測出種子目標，平均檢測精度為95.2%，滿足檢測要求。單幀圖像檢測時間tY≈30 ms，以此時間計算，vmax=14.2 km/h，滿足當前絕大多數(shù)玉米播種機的作業(yè)速度要求。

5 結論

(1)設計了延時回土開溝裝置，通過導土裝置和回土裝置的配合作用，在保證土壤回填率的基礎上，有效延長了回土時間，解決了土壤回落覆蓋種子，影響種床中種子的圖像采集的問題。

(2)通過離散元仿真試驗，獲得開溝延時回土裝置作業(yè)參數(shù)最優(yōu)組合為開溝速度1.6 m/s、開溝深度30 mm、回土板轉角40°，影響土壤回填率的因素顯著性順序依次為：開溝深度、開溝速度和回土板轉角。

(3)設計具有種床內(nèi)種子圖像采集功能的玉米播種單體，進行土壤回填率田間試驗及種子圖像采集試驗，結果表明，最優(yōu)參數(shù)組合下，土壤回填率為96.5%，開溝延時回土裝置較未安裝回土裝置的開溝器土壤回填率提升39.6個百分點；圖像采集試驗表明結果，所設計結構可以有效避免回落土壤對圖像采集的影響，滿足常規(guī)速度作業(yè)時的作業(yè)需求，實現(xiàn)原始圖像的采集。