基于位移傳感器的玉米播種機漏取種檢測方法

韓玉婷

（南陽技師學院，473000，河南南陽）

農業是保證民生的基礎產業，因此自古以來人們一直致力于農業種植方面的研究，如改良糧食品種，優化種植工具，在提高糧食產量和種植效率方面付出了極大的時間、精力。隨著人們不斷地深入研究，在糧食種植方面取得了很多成果，發明了各種種植工具，使得人工種植逐漸向著半自動、自動化種植快速發展。玉米是糧食種植中常見品種，以往通過人工種植時，不僅效率較低，而且對播種粒數也很難準確把握，這給后期定苗造成了很多阻礙，增加了工作量[1]。面對這種情況，當前玉米種植時會選擇玉米播種機來代替人工，不僅效率較高，而且也能保證取種的一致性。然而，盡管如此，播種機也不是毫無缺點的，會出現漏取種的現象，這是每臺播種機都無法避免的，只是存在有的播種機漏取種幾率不高、有的播種機漏取種幾率較高的區別[2]。漏取種會直接影響玉米種植產量，因此為保證種植產量，方便后期進行漏播補種，進行玉米播種機漏取種檢測具有重要的現實意義。

關于播種機漏播檢測問題，劉樹峰等提出了一種基于激光對射傳感器的檢測方法，通過激光對射傳感器獲取種勺高度數據，然后將該數據與安裝間距進行對比，當前者小于后者時，就認為排種勺中無糧種，即發生漏取種現象[3]；石兵等提出了一種基于光電傳感器的檢測方法，通過判斷光電信號是否被種子遮擋住來判斷是否發生漏播種問題，光電信號被遮擋，說明排種器中有種子，光電信號沒被遮擋，說明排種器中沒有種子，由此完成漏播種檢測[4]。

雖然前人研究都取得了一定成果，但是多數是針對完全沒有取種的情況的，當播種機取種了卻少于設定取種粒數時，很難分辨出來。漏取種不僅包括沒有種子，還包括少取種的情況，因此以往的漏取種檢測方法還有待進一步改進。為此，提出一種基于位移傳感器的玉米播種機漏取種檢測方法。

1 玉米播種機漏取種檢測研究

玉米播種機的使用雖然在很大程度上提高了生產效率，但是其存在的漏取種問題同樣不可忽視[5]。為此，提出一種基于位移傳感器的玉米播種機漏取種檢測方法。該研究主要分為兩個步驟，即播種機取種裝置定位、取種數量檢測。前者目的是確定是否能夠取種，后者目的是確定取種數量是否正確。二者都達到設定條件，即認定為沒有發生漏取種情況；否則，有一項沒有達到設定條件，則認為發生漏取種情況并同時進行漏取種預警。

1.1 基于位移傳感器的取種裝置定位

在漏取種檢測中，首要的是確定取種裝置的位置，只有取種裝置到達指定的位置，才能保證取種的成功。一旦偏離指定位置，不是發生空取問題，就是發生少取問題。要確定取種裝置在三維空間中的具體位置，需要用到一種位移傳感器，即激光位移傳感器[6]。通過該傳感器能夠確定到取種裝置之間的距離，原理如圖1 所示。

圖1 激光位移傳感器測距原理示意圖

激光位移傳感器測量到取種裝置之間的距離具體過程如下。

（1）激光器向取種裝置發射激光光束。

（2）當激光光束接觸到取種裝置時，激光被反射。

（3）反射激光通過接收透鏡。

（4）通過接收透鏡聚集進入到CCD 線陣相機中。

（5）借助三角法測量理論，計算得出激光位移傳感器到取種裝置之間的距離。計算公式如下：

式中：A 是激光位移傳感器到取種裝置之間的距離；a是光斑在傳感器中的位移量；b 是物距；? 是激光束入射光軸與成像透鏡光軸之間的夾角；c 是像距；δ 是入射角。

（6）在測距中，受到各種因素的限制，測量的距離會存在一定的誤差。針對這一點，利用BP 神經網絡算法進行誤差校正和補償，提高測距準確度，具體過程為：①確定導致測距存在誤差的主要指標，以此作為訓練樣本的輸入數據；②確定訓練樣本中的誤差預期輸出數據；③將誤差主要影響指標輸入到BP 神經網絡算法當中，進行三層運算，輸出結果；④將輸出結果與誤差預期輸出數據進行對比，當二者之間的差值大于設定的閾值，需要調整算法的權值和閾值，否則，輸出訓練成熟的誤差校正模型；⑤輸入待校正激光位移傳感器誤差影響指標數據，得出校正誤差值；⑥將校正誤差值與原始激光位移傳感器測距結果相加，得到更為準確的激光位移傳感器到取種裝置之間的距離值。

應用取大運算和取小運算分別計算相對最大（最優年）優屬度g=（g1，g2，…gm）T和相對最小（最劣年）優屬度 b=（b1，b2，…bm）T。

在得到激光位移傳感器到取種裝置之間的精確距離之后，以激光位移傳感器為零點，建立坐標系。結合激光束入射光軸與成像透鏡光軸之間的夾角和入射角，得出玉米取種裝置的三維空間坐標[7]。

式中：X、Y、Z 是玉米取種裝置的三維坐標。

到這一步，將玉米取種裝置的三維坐標（X，Y，Z）與指定的取種位置空間坐標進行對比，可以判斷玉米取種裝置是否到達指定位置。

為進一步確定取種裝置能否接觸到玉米種，可以計算二者之間的距離。計算公式如下：

經過上述研究，可以完成一種漏取種類型的判定，即是否存在空取種。

1.2 取種數量檢測

式中：G 是薄膜壓力傳感器檢測出來的壓力值；T1，T2是取值閾值的極小值和極大值。

當存在少取種時，報警器會進行藍光預警；當存在多取種時，報警器會進行紅光預警。至此，完成了取種數量檢測，為少取種現象的判斷提供了依據[9]。

1.3 基于漫反射激光傳感器的漏播種檢驗

玉米種子在從取種完成到播種過程中，全程處于動態環境中，因此種子會存在滑落或者卡到下播口的問題，這種現象同樣會導致漏播種現象[10]。針對這一現象，利用漫反射激光傳感器進行最后一步的漏取種檢驗，將該傳感器置于取種裝置旁，使激光射線對準取種勺正中位置，取種勺中沒有玉米種子時，報警器會進行藍光預警，以此檢驗是否存在漏播種現象。

（1）對播種機進行測速，得到車輪運行速度。計算公式如下：

式中：v 是玉米播種機的運行速度；Q 是車輪直徑；I是玉米播種機帶動車輪轉動作業的距離；U 是車速編碼器脈沖累計數；U1是車速編碼器輸出脈沖數；R 是車速編碼器分辨率；h 是校核系數；t 是車速更新周期。

（2）計算玉米下播粒距，計算公式如下：

式中：L 是玉米下播粒距；vi是第i 個脈沖間隔內玉米播種機車速；Δt 是相鄰脈沖時間間隔；n 是脈沖間隔數量。

（3）取種檢驗，檢驗標準如下：

式中：ΔL 代表玉米下播粒距閾值。當漏播種發生時，漫反射激光傳感器的報警器同樣會進行藍光預警，能夠極大保證漏播種問題被及時發現，為后續漏播種補植提供了可靠的參考，保證了玉米種植的質量。

2 檢測方法應用測試與分析

為測試所研究的基于位移傳感器的檢測方法在玉米播種機漏取種檢測中的應用效果，與基于激光對射傳感器的檢測方法、基于光電傳感器的檢測方法一起進行對比實驗。

2.1 研究對象概況

在漏取種檢測實驗中，主要需要用到玉米種子、播種機兩個對象。這兩個對象的基礎參數如下表1 所示。

表1 研究對象基礎參數表

2.2 取種裝置定位結果

為保證測試結果的有效性，給定14 個取種位置，然后基于章節1.1 研究，利用位移傳感器定位取種裝置位置并計算與給定取種位置的誤差，最后計算取種裝置與玉米種之間的距離，判斷是否發生空取問題。結果如表2 所示。

表2 取種裝置定位測試結果表

從表2 可以看出，在14 次測試結果中，其中12 次位移傳感器定位出的取種裝置所在位置與給定取種位置之間的三維坐標誤差較小，且計算出來的取種裝置與玉米種之間的距離均小于1，由此說明這12 次取種均取到了玉米種子，沒有發生空取現象；其余2 次的誤差較大，取種裝置與玉米種之間的距離大于1，說明這2 次沒有取到種子，發生了空取問題。

2.3 漏取種檢測方法性能對比分析

以往方法大部分能發現空取種的問題，但是針對少取種、漏播種現象則發現率較低。針對這一點，選取一段長為1 000 m 的種植帶進行玉米播種過程模擬測試?？紤]到玉米種子品種不同可能對漏取種檢測存在一定的影響，在這里除了鄭單958 外，另外選取其他兩種品種的玉米種子一起作為測試對象。利用所研究方法及基于激光對射傳感器的檢測方法、基于光電傳感器的檢測方法對過程中漏取種進行檢測。然后計算檢測結果與實際結果之間的Dice 系數。該系數越大，檢測準確性越高。結果如下圖2 所示。

圖2 Dice 系數對比圖

從圖2 可以看出，與基于激光對射傳感器的檢測方法、基于光電傳感器的檢測方法相比，基于位移傳感器的檢測方法的Dice 系數更大，由此說明所研究方法的漏取種檢測準確性更高。

3 結語

玉米容易種植，成活率高，適應性強，因此在很多地區都可以種植，因此成為常見的農作物之一。隨著機械化設備的不斷研發，玉米種植逐漸從單純的人工種植逐漸向著自動化、半自動化方向發展。然而，機械化種植也存在一個較大的問題，就是容易發生漏取種問題。在此背景下，研究一種基于位移傳感器的玉米播種機漏取種檢測方法。該方法通過三個環節的不斷深入檢測，防止了玉米種植過程中可能發生的漏取種問題，為后期漏取補償提供了參考依據。