邢潔潔，徐麗明，馬 帥，袁全春，陳 晨，曾 鑒，牛 叢

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馬齒形玉米種子尖端激光定向與胚面識(shí)別裝置研制

邢潔潔，徐麗明※，馬 帥，袁全春，陳 晨，曾 鑒，牛 叢

（中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083）

為了實(shí)現(xiàn)玉米種子的尖端定向與胚面識(shí)別，該文以現(xiàn)有尖端定向裝置輸出的馬齒型玉米種子為對(duì)象，基于激光開(kāi)關(guān)和測(cè)距原理，提出了一種尖端定向與胚面識(shí)別方法：依據(jù)馬齒形玉米種子尖端窄大頭寬的輪廓特征，利用激光開(kāi)關(guān)傳感器等部件對(duì)玉米種子的尖端朝向進(jìn)行識(shí)別，并將大頭朝前的玉米種子進(jìn)行剔除；依據(jù)馬齒形玉米種子胚面上有胚溝而反面較為平整的表面特征，利用激光測(cè)距傳感器等部件對(duì)尖端朝前的玉米種子進(jìn)行胚面識(shí)別。設(shè)計(jì)并搭建了玉米種子尖端定向與胚面識(shí)別裝置，配合現(xiàn)有的尖端定向裝置進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明：尖端定向與胚面識(shí)別裝置的尖端定向成功率達(dá)到99.1%，相比現(xiàn)有的尖端定向裝置提升了9.5個(gè)百分點(diǎn)，胚面識(shí)別準(zhǔn)確率為96.4%。該方法基本可以實(shí)現(xiàn)玉米種子的尖端定向，同時(shí)保證胚面識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)到較高水準(zhǔn)。該文提出的玉米種子尖端定向與胚面識(shí)別方法可為后續(xù)玉米種子的自動(dòng)化定向包裝提供參考。

機(jī)械化；種子；設(shè)計(jì)；玉米種子尖端定向；胚面識(shí)別；激光傳感器

0 引 言

玉米定向播種可以使玉米植株在生長(zhǎng)過(guò)程中葉子展開(kāi)方向一致，改善作物在田間的光照和通風(fēng)情況，能夠有效地提高玉米單產(chǎn)，并提高玉米機(jī)械化收獲水平[1-6]。對(duì)于玉米機(jī)械化定向播種，國(guó)外相關(guān)研究較少，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的玉米機(jī)械化定向播種方法主要是利用相關(guān)機(jī)具鋪放玉米定向種子帶[7-8]或插播定向玉米種子子彈[9-10]，但需要事先制作定向玉米種子帶或定向玉米種子彈夾，制作定向玉米種子帶或定向玉米種子彈夾都屬于對(duì)玉米種子進(jìn)行自動(dòng)化定向包裝，自動(dòng)化定向包裝在室內(nèi)完成即可。對(duì)于玉米種子的自動(dòng)化定向包裝，其關(guān)鍵前提是對(duì)玉米種子進(jìn)行尖端定向和胚面識(shí)別。

目前，針對(duì)玉米種子定向播種技術(shù)的研究都是以馬齒型玉米種子為基礎(chǔ)的。關(guān)于尖端定向，本研究團(tuán)隊(duì)在文獻(xiàn)[11-13]中提出了多種簡(jiǎn)易可行的尖端定向方法并設(shè)計(jì)了相關(guān)的定向裝置，能夠?qū)︸R齒型玉米種子的尖端朝向進(jìn)行定向，使大部分種子變?yōu)榧舛顺暗臓顟B(tài)，并以平躺或側(cè)立的姿態(tài)輸出，但其尖端定向成功率最高只能達(dá)到92%，即這些裝置對(duì)玉米種子的尖端定向是不完全的，仍存在少數(shù)（約10%）的玉米種子尖端定向失?。ū３执箢^朝前）。關(guān)于胚面識(shí)別，現(xiàn)有的研究主要是基于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)或高光譜成像技術(shù)[14-22]，例如張俊雄等[14]采用一種基于B通道平均像素值的胚部特征提取方法，提取了具有Navajo標(biāo)記的玉米種子胚部圖像，并在RGB顏色空間內(nèi)提取了樣本的Navajo標(biāo)記圖像，從而得到一套玉米單倍體種子快速識(shí)別 RGB 組合算法，識(shí)別正確率達(dá)到94%以上；王僑等[15-18]通過(guò)對(duì)馬齒型玉米種子圖像的每個(gè)像素進(jìn)行G-B、大津法二值化、二值圖像差分等處理后獲得種粒白色胚區(qū)域和長(zhǎng)軸線，然后通過(guò)計(jì)算長(zhǎng)軸上白色胚像素占比，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)玉米種粒正反面的判斷，識(shí)別正確率達(dá)到98%；Huang Wenqian等[19]搭建了一套高光譜成像系統(tǒng)用于獲取波段范圍為500～900 nm的高光譜反射圖像，研究發(fā)現(xiàn)采用可見(jiàn)光區(qū)域的3個(gè)有效波長(zhǎng)510、555和575 nm獲得的主成分圖像對(duì)玉米種子的胚具有較好的識(shí)別效果，識(shí)別率可達(dá)97%。但基于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)或高光譜成像技術(shù)的胚面識(shí)別方法對(duì)作業(yè)環(huán)境要求很高，例如圖像采集時(shí)需要特定的黑色封閉空間，另外機(jī)器視覺(jué)和高光譜成像平臺(tái)成本較高，實(shí)用性較差。

結(jié)合玉米種子自動(dòng)化定向包裝的實(shí)際需求，對(duì)玉米種子進(jìn)行尖端定向時(shí)，要求尖端定向成功率達(dá)到100%（即全部實(shí)現(xiàn)尖端定向），同時(shí)要求胚面識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)到較高水準(zhǔn)，另外結(jié)合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和推廣的實(shí)際需求，用于實(shí)現(xiàn)玉米種子尖端定向和胚面識(shí)別的方法與裝置應(yīng)對(duì)作業(yè)環(huán)境要求較低，且生產(chǎn)成本較低。綜上可知，現(xiàn)有的尖端定向方法和胚面識(shí)別方法難以滿足實(shí)際需求。

本文以現(xiàn)有尖端定向裝置[11]輸出的尖端定向不完全、呈平躺姿態(tài)的馬齒型玉米種子為對(duì)象，基于激光開(kāi)關(guān)和測(cè)距原理提出一種尖端定向與胚面識(shí)別方法：依據(jù)馬齒形玉米種子自身的外形特征，利用激光開(kāi)關(guān)傳感器、激光測(cè)距傳感器等部件，先將少數(shù)大頭朝前的玉米種子全部剔除，完成尖端定向，然后對(duì)尖端朝前的玉米種子進(jìn)行胚面識(shí)別，最后輸出。設(shè)計(jì)并搭建試驗(yàn)裝置對(duì)該方法進(jìn)行性能驗(yàn)證試驗(yàn)，以期為后續(xù)玉米種子的自動(dòng)化定向包裝提供參考。

1 玉米種子尖端定向與胚面識(shí)別原理

1.1 玉米種子尖端定向原理

尖端定向就是使玉米種子的尖端全部朝前。本研究的工作對(duì)象中，約90%的玉米種子是尖端朝前的，所以只需要識(shí)別出少數(shù)大頭朝前的玉米種子并進(jìn)行剔除，即可實(shí)現(xiàn)尖端定向。本研究提出的尖端定向方法主要基于馬齒型玉米種子的輪廓特征和激光開(kāi)關(guān)傳感器。

玉米種子尖端定向過(guò)程如圖2所示，參考馬齒型玉米種子的輪廓特征，設(shè)計(jì)一個(gè)“V”形種槽，尖端朝前的玉米種子可以進(jìn)入到種槽內(nèi)，而大頭朝前的玉米種子則會(huì)堵住種槽入口因而無(wú)法進(jìn)入到種槽內(nèi)，基于這個(gè)差別，配合常開(kāi)型激光開(kāi)關(guān)傳感器、特定的直線軌道和推桿（圖2a）對(duì)玉米種子的尖端朝向進(jìn)行識(shí)別，并將大頭朝前的玉米種子進(jìn)行剔除。圖2中的種槽和直線軌道為理論模型。直線軌道水平擺放，種槽設(shè)置在軌道出口端的中央，但不與軌道內(nèi)壁相接觸，常開(kāi)型激光開(kāi)關(guān)傳感器設(shè)置在種槽后方、缺口1側(cè)面，激光開(kāi)關(guān)傳感器發(fā)射的激光束與軌道側(cè)面垂直，可經(jīng)缺口1和缺口2貫穿軌道。為直線軌道添加適當(dāng)?shù)碾姶耪駝?dòng)，設(shè)定垂直振幅不超過(guò)0.1 mm，防止玉米種子在軌道中發(fā)生跳動(dòng)。設(shè)定直線軌道內(nèi)寬略大于玉米種子的最大寬度，而小于玉米種子的最小長(zhǎng)度，使呈平躺姿態(tài)的馬齒型玉米種子在軌道中只能以尖端朝前或大頭朝前的狀態(tài)在軌道中做前進(jìn)運(yùn)動(dòng)。

1. 尖端 2. 大頭 3. 輪廓線 4. 胚部 5. 胚溝 6. 平面

1. Tip 2. Large head 3. Contour line 4. Embryo region 5. Embryo groove 6. Plane

注：和分別為玉米種子的長(zhǎng)度和寬度，mm；和分別為胚溝的長(zhǎng)度和寬度，mm；為胚溝深度，mm。

Note:andare the length and width of corn seeds respectively, mm;andare the length and width of embryo groove respectively, mm;is the depth of embryo groove, mm.

圖1 馬齒型玉米種子外形

Fig.1 Shape of dent corn seed

1. 直線軌道 2. 缺口1 3. 缺口2 4. 激光束 5. 缺口3 6. 種槽 7. 出口端8. 推桿 9. 激光開(kāi)關(guān)傳感器 10. 玉米種子前進(jìn)方向 11. 玉米種子 12. 入口端

玉米種子尖端朝前時(shí)的識(shí)別過(guò)程見(jiàn)圖2b，0時(shí)刻玉米種子尖端擋住激光束，激光開(kāi)關(guān)傳感器由斷開(kāi)變?yōu)橛|發(fā)；1時(shí)刻玉米種子順利進(jìn)入到種槽內(nèi)，種子兩側(cè)與種槽內(nèi)壁相貼合，尖端與種槽頂點(diǎn)比較接近，此時(shí)玉米種子不再遮擋激光束，激光開(kāi)關(guān)傳感器重新斷開(kāi)。整個(gè)過(guò)程中激光開(kāi)關(guān)傳感器的感應(yīng)狀態(tài)為：斷開(kāi)-觸發(fā)-斷開(kāi)，觸發(fā)狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間為（1-0），持續(xù)時(shí)間較短。玉米種子大頭朝前時(shí)的識(shí)別過(guò)程見(jiàn)圖2c，￠0時(shí)刻玉米種子大頭擋住激光束，激光開(kāi)關(guān)傳感器由斷開(kāi)變?yōu)橛|發(fā)；1￠時(shí)刻玉米種子到達(dá)種槽處，但因大頭堵住了種槽入口玉米種子無(wú)法進(jìn)入到種槽內(nèi)，會(huì)一直遮擋激光束，激光開(kāi)關(guān)傳感器持續(xù)保持觸發(fā)。整個(gè)過(guò)程中激光開(kāi)關(guān)傳感器的感應(yīng)狀態(tài)為：斷開(kāi)-保持觸發(fā)。

對(duì)于尖端朝前和大頭朝前2種狀態(tài)的玉米種子，激光開(kāi)關(guān)傳感器表現(xiàn)出2種不同的感應(yīng)狀態(tài)，據(jù)此可對(duì)玉米種子的尖端朝向進(jìn)行識(shí)別，并根據(jù)識(shí)別結(jié)果控制推桿在2￠時(shí)刻作推送運(yùn)動(dòng)，將大頭朝前的玉米種子由缺口2推出軌道完成剔除。

在水平方向上激光開(kāi)關(guān)傳感器與種槽之間的前后相對(duì)位置十分關(guān)鍵，會(huì)直接影響到對(duì)玉米種子尖端朝向的識(shí)別效果。激光開(kāi)關(guān)傳感器的移動(dòng)范圍如圖3所示，依據(jù)玉米種子的輪廓得到前后2條臨界線（前臨界線和后臨界線），激光束只有處于2條臨界線之間才能保證出現(xiàn)上述差別，2條臨界線距種槽頂點(diǎn)的距離分別為1和2，差值（2-1）即為激光開(kāi)關(guān)傳感器可移動(dòng)的范圍，該范圍將在裝置設(shè)計(jì)時(shí)經(jīng)測(cè)量得到。

1. 尖端朝前的玉米種子 2. 大頭朝前的玉米種子 3. 前臨界線4. 后臨界線

1.corn seed with tip facing forward 2.corn seed with large head facing forward 3. Front critical line4. Back critical line

注：1和2分別為前臨界線和后臨界線距種槽頂點(diǎn)的距離，mm。

Note:1and2are the distance between the tip of seed slot and front critical line, back critical linerespectively, mm.

圖3 激光開(kāi)關(guān)傳感器的移動(dòng)范圍

Fig.3 Moving range of laser switch sensor

1.2 玉米種子胚面識(shí)別原理

尖端定向完成之后，即可對(duì)玉米種子的胚面朝向進(jìn)行識(shí)別。本研究提出的胚面識(shí)別方法主要基于馬齒型玉米種子的表面特征和激光測(cè)距傳感器。

胚面識(shí)別原理如圖4所示，玉米種子胚面上有胚溝，而反面為平面，基于這個(gè)差別，配合高精度激光測(cè)距傳感器、直線軌道和種槽（圖4a）即可對(duì)玉米種子的胚面朝向進(jìn)行識(shí)別。尖端朝前的玉米種子停留在種槽中，胚面朝下或反面朝下。缺口3正下方設(shè)置有一個(gè)高精度激光測(cè)距傳感器，激光測(cè)距傳感器發(fā)射的激光束與軌道底面垂直，由缺口3貫穿軌道底面，為了使表達(dá)更加明確，圖4b和圖4c采用剖視圖，剖面為直線軌道2個(gè)側(cè)面的對(duì)稱中心面，激光束正好在該剖面上。

玉米種子胚面朝上時(shí)的識(shí)別狀態(tài)見(jiàn)圖4b，種子的反面與直線軌道內(nèi)底面接觸，激光測(cè)距傳感器的檢測(cè)光束落在反面上，檢測(cè)距離為1，理論上，該值等于激光測(cè)距傳感器激光發(fā)射點(diǎn)到直線軌道內(nèi)側(cè)底面的距離；玉米種子胚面朝下時(shí)的識(shí)別狀態(tài)見(jiàn)圖4c，種子的胚面與直線軌道內(nèi)底面接觸，在種槽的定位作用下，胚溝對(duì)準(zhǔn)下面的缺口3，激光測(cè)距傳感器的檢測(cè)光束正好落在胚溝內(nèi)，檢測(cè)距離為2。由于胚溝具有一定深度，所以2會(huì)大于1，二者的差值（2-1）即為胚溝的深度。

對(duì)于胚面朝上和胚面朝下2種狀態(tài)的玉米種子，激光測(cè)距傳感器檢測(cè)出2種不同的距離，據(jù)此可對(duì)玉米種子的胚面朝向進(jìn)行識(shí)別。由于設(shè)定的直線軌道電磁振動(dòng)垂直振幅小于0.1 mm，而胚溝的最大深度大于0.6 mm，所以直線軌道的振動(dòng)對(duì)胚面識(shí)別干擾作用很小。

在水平方向上激光測(cè)距傳感器與種槽之間的前后相對(duì)位置也十分關(guān)鍵，會(huì)直接影響到對(duì)玉米種子胚面朝向的識(shí)別效果，參考圖1c，在胚溝的長(zhǎng)軸線上距尖端/3和2/3處作2條臨界線（前臨界線和后臨界線），如圖4b和4c，識(shí)別胚面朝向時(shí)，要求激光測(cè)距傳感器的激光束處于2條臨界線之間。2條臨界線距種槽頂點(diǎn)的距離分別為3和4，差值（4-3）即為激光測(cè)距傳感器可移動(dòng)的范圍，該范圍將在裝置設(shè)計(jì)時(shí)經(jīng)測(cè)量得到。

1. 激光測(cè)距傳感器 2. 激光束 3. 缺口3 4. 前臨界線5. 后臨界線

1. Laser range sensor 2. Laser beam 3. Gap 3 4. Front critical line5. Back critical line

注：1和2分別為玉米種子胚面朝上和朝下時(shí)的檢測(cè)距離，mm；3和4分別為前臨界線和后臨界線距種槽頂點(diǎn)的距離，mm。

Note:1and2are the measuring distance when a corn seed’s embryo side facing up and down respectively, mm;3and4are the distance between the tip of seed slot and front critical line, back critical linerespectively, mm.

圖4 玉米種子胚面識(shí)別原理

Fig.4 Embryo side recognition theory of corn seed

2 玉米種子尖端定向與胚面識(shí)別裝置設(shè)計(jì)

在上述原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一個(gè)玉米種子尖端定向與胚面識(shí)別裝置，主要包括：激光傳感器選型、裝置設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2.1 激光傳感器選型

基于激光開(kāi)關(guān)和測(cè)距原理的尖端定向與胚面識(shí)別方法需要用到常開(kāi)型激光開(kāi)關(guān)傳感器和高精度激光測(cè)距傳感器，依據(jù)工作要求對(duì)2個(gè)傳感器進(jìn)行合理選型。激光開(kāi)關(guān)傳感器的基本要求是反應(yīng)靈敏，激光測(cè)距傳感器的基本要求是檢測(cè)精度高，由于玉米種子胚溝的最大深度小于1 mm，所以要求測(cè)量精度至少達(dá)到0.1 mm；為了方便后續(xù)控制系統(tǒng)搭建，要求2個(gè)激光傳感器都可以輸出開(kāi)關(guān)信號(hào)或模擬信號(hào)；為了方便觀察傳感器的工作情況，要求激光束可見(jiàn)；另外考慮到裝置的空間布局較為緊湊、檢測(cè)對(duì)象（玉米種子）尺寸較小，要求2個(gè)傳感器的體積要盡量小，且保證激光束直徑小于1 mm。按照以上要求，激光開(kāi)關(guān)傳感器的型號(hào)選擇為洛施達(dá)LQD-31NO，其關(guān)鍵工作參數(shù)為：工作電壓12~24 V、開(kāi)關(guān)頻率120 Hz、感應(yīng)距離300 mm、激光束直徑0.8 mm，該傳感器反應(yīng)靈敏，可輸出開(kāi)關(guān)信號(hào)，表現(xiàn)為：當(dāng)檢測(cè)到物體（激光束被遮擋）時(shí)觸發(fā)并輸出低電平；激光測(cè)距傳感器選擇的型號(hào)選擇為松下HG-C1030，其關(guān)鍵工作參數(shù)為：工作電壓12~24 V、測(cè)量中心距和測(cè)量范圍(30±5) mm、重復(fù)測(cè)量精度10m、激光束直徑0.05 mm，該傳感器可輸出開(kāi)關(guān)信號(hào)，表現(xiàn)為：傳感器設(shè)定測(cè)量基準(zhǔn)后，當(dāng)實(shí)際檢測(cè)距離小于測(cè)量基準(zhǔn)時(shí)，傳感器觸發(fā)并輸出低電平。這2種傳感器體積較小，激光束為紅色可見(jiàn)，價(jià)格便宜，對(duì)作業(yè)環(huán)境要求低。

2.2 裝置設(shè)計(jì)

在介紹玉米種子尖端定向與胚面識(shí)別方法原理時(shí)，圖2和圖4中的相關(guān)部件為理論模型，在設(shè)計(jì)試驗(yàn)裝置時(shí)，相關(guān)部件需要結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行具體設(shè)計(jì)，裝置結(jié)構(gòu)如圖5a所示。為直線軌道底部添加一個(gè)底板，底板與直線軌道焊接為一體，底板通過(guò)螺栓固定在直線電磁振動(dòng)器安裝面上，底板形狀與直線電磁振動(dòng)器安裝面形狀一致，長(zhǎng)140 mm、寬50 mm，直線軌道總長(zhǎng)240 mm，直線軌道和種槽的部分關(guān)鍵尺寸依據(jù)玉米種子尺寸范圍確定，如圖5b所示，為了表達(dá)明確，圖中只截取了直線軌道的一小段，且隱藏了種槽的把手，種槽長(zhǎng)9 mm、入口寬8 mm，入口寬度與玉米種子的平均寬度一致，直線軌道內(nèi)寬10 mm，略大于玉米種子的最大寬度，而小于玉米種子的最小長(zhǎng)度，直線軌道兩側(cè)分別有缺口1和缺口2，末端底面中央有缺口3，缺口1呈“L”形，右側(cè)高2 mm，缺口2長(zhǎng)15 mm，大于玉米種子的最大長(zhǎng)度，缺口3寬1.5 mm。推桿配合電磁鐵2組成推送裝置。電磁鐵1配合直線滑軌組成升降裝置，種槽的把手具有固定連接作用，通過(guò)螺栓與連接板固定，連接板與升降裝置相連接。升降裝置固定在立板上，立板、推送裝置和激光開(kāi)關(guān)傳感器固定于支撐臺(tái)上面，激光測(cè)距傳感器固定于支撐臺(tái)側(cè)面，支撐臺(tái)則固定在升降臺(tái)上。

根據(jù)設(shè)計(jì)搭建實(shí)際的玉米種子尖端定向與胚面識(shí)別裝置，按照要求并結(jié)合實(shí)際情況調(diào)整好各部件的空間位置，通過(guò)調(diào)整升降臺(tái)的高度、以及2個(gè)傳感器在支撐臺(tái)上的位置使激光開(kāi)關(guān)傳感器的激光束正好穿過(guò)缺口1，激光測(cè)距傳感器的激光束正好穿過(guò)缺口3。由尖端定向與胚面識(shí)別原理可知，在水平方向上激光開(kāi)關(guān)傳感器和激光測(cè)距傳感器與種槽之間的前后相對(duì)位置十分關(guān)鍵，結(jié)合圖3和圖4，經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)量可得激光開(kāi)關(guān)傳感器可移動(dòng)的范圍約為5 mm，激光測(cè)距傳感器可移動(dòng)的范圍約為3.5 mm。

1. 直線電磁振動(dòng)器 2. 直線軌道 3. 底板 4. 直線軌道入口 5. 激光測(cè)距傳感器 6. 連接板 7. 直線滑軌 8. 電磁鐵1 9. 立板 10. 電磁鐵2 11. 推桿 12. 激光開(kāi)關(guān)傳感器 13. 支撐臺(tái) 14. 升降臺(tái) 15. 把手 16. 種槽 17. 定向區(qū)域

2.3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

依據(jù)玉米種子尖端定向與胚面識(shí)別方法的原理設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，本研究的控制系統(tǒng)無(wú)需上位機(jī)，只利用下位機(jī)即可完成控制工作。可編程控制器PLC功能強(qiáng)、可靠性高、成本低，多用于開(kāi)關(guān)信號(hào)的邏輯控制[23-24]。本研究基于PLC對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，型號(hào)為西門(mén)子S7-200 CPU224XP，該P(yáng)LC為14輸入/10輸出[25]。

玉米種子尖端定向過(guò)程的控制思路：對(duì)于尖端朝前和大頭朝前2種狀態(tài)的玉米種子，激光開(kāi)關(guān)傳感器的感應(yīng)狀態(tài)分別為：斷開(kāi)-觸發(fā)-斷開(kāi)、斷開(kāi)-保持觸發(fā)，區(qū)別在于前者觸發(fā)狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間較短，而后者觸發(fā)之后會(huì)持續(xù)下去。PLC使用計(jì)時(shí)器等指令[26-27]來(lái)監(jiān)測(cè)激光開(kāi)關(guān)傳感器觸發(fā)狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間，假設(shè)臨界時(shí)間0，使0略大于尖端朝前時(shí)激光開(kāi)關(guān)傳感器觸發(fā)狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間（1-0）。識(shí)別1顆玉米種子的尖端朝向時(shí)，若≤0，則表示激光開(kāi)關(guān)傳感器的感應(yīng)狀態(tài)為斷開(kāi)-觸發(fā)-斷開(kāi)，判定為尖端朝前，準(zhǔn)備進(jìn)行下一步的胚面識(shí)別；反之，若＞0，則表示激光開(kāi)關(guān)傳感器的感應(yīng)狀態(tài)為斷開(kāi)-觸發(fā)，判定為大頭朝前，控制電磁鐵2帶動(dòng)推桿將其推出軌道完成剔除。

玉米種子胚面識(shí)別過(guò)程的控制思路：設(shè)定激光測(cè)距傳感器的測(cè)量基準(zhǔn)為0，0略大于1同時(shí)小于2。識(shí)別1顆玉米種子的胚面朝向時(shí)，設(shè)實(shí)際檢測(cè)值為，若＞0時(shí)，傳感器不觸發(fā)，指示綠燈亮，PLC記錄0，判定為胚面朝上；反之若≤0時(shí)，傳感器觸發(fā)，指示紅燈都亮，PLC記錄1，判定為胚面朝下。胚面識(shí)別結(jié)束后，PLC控制電磁鐵1通電時(shí)間1帶動(dòng)種槽上升并停留一段時(shí)間，待玉米種子輸出后，放下種槽，PLC的記錄值可為后續(xù)玉米種子的分類(lèi)整理及定向包裝做準(zhǔn)備。對(duì)于松下HG-C1030激光測(cè)距傳感器，一般設(shè)定測(cè)量基準(zhǔn)與測(cè)量中心距相等，因此設(shè)定0為30 mm。由于0需要略大于1，所以本研究設(shè)定1為29.7 mm，根據(jù)玉米種子尖端定向原理可知，（2-1）大于0.6 mm，所以2會(huì)大于30.3 mm，此時(shí)0小于2，滿足要求。

根據(jù)控制思路進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，控制流程圖如圖6所示。時(shí)間（0+1）為控制系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間，0和1與玉米種子在直線軌道中的移動(dòng)速度成反比關(guān)系。由于在0和1時(shí)間內(nèi)玉米種子移動(dòng)的距離一樣，均為種子的長(zhǎng)度，所以可設(shè)定1=0。

圖6 尖端定向與胚面識(shí)別裝置的控制流程圖

玉米種子尖端定向與胚面識(shí)別裝置的工作過(guò)成為：現(xiàn)有尖端定向裝置可間斷地輸出呈平躺姿態(tài)的馬齒型玉米種子，這些種子由直線軌道入口進(jìn)入尖端定向與胚面識(shí)別裝置，種子進(jìn)入種槽區(qū)域后，尖端朝向會(huì)被識(shí)別完成，少數(shù)大頭朝前的玉米種子會(huì)被推送裝置經(jīng)缺口2推出軌道，完成尖端定向；尖端朝前的玉米種子進(jìn)入種槽時(shí)，其胚面朝向即被識(shí)別完成并被PLC記錄，升降裝置帶動(dòng)種槽向上抬起，玉米種子輸出裝置。

本文設(shè)計(jì)的玉米種子尖端定向與胚面識(shí)別裝置所用到的激光傳感器、直線電磁振動(dòng)器、PLC等價(jià)格都比較低，且工作時(shí)無(wú)需黑色封閉空間等特定環(huán)境，相對(duì)比機(jī)器視覺(jué)技術(shù)或高光譜成像技術(shù)所使用的工業(yè)相機(jī)、高光譜設(shè)備等，具有成本低、對(duì)作業(yè)環(huán)境要求低等優(yōu)勢(shì)。

3 玉米種子尖端定向與胚面識(shí)別試驗(yàn)

設(shè)定直線電磁振動(dòng)器的振動(dòng)頻率為50 Hz，通過(guò)調(diào)節(jié)其工作電壓來(lái)控制振幅[28-30]，設(shè)定工作電壓為55 V，此時(shí)電磁振動(dòng)的垂直振幅小于0.1 mm，玉米種子可以在直線軌道中平穩(wěn)低速移動(dòng)。取100顆玉米種子進(jìn)行預(yù)試驗(yàn)，測(cè)量并統(tǒng)計(jì)尖端朝前識(shí)別時(shí)激光開(kāi)關(guān)傳感器觸發(fā)狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間（1-0），其范圍為[1.14,1.42] s，由于臨界時(shí)間0需要略大于（1-0），所以本文設(shè)定0為1.6 s。

為了驗(yàn)證本文提出的玉米種子尖端定向與胚面識(shí)別方法的可行性，將搭建好的玉米種子尖端定向與胚面識(shí)別裝置與現(xiàn)有的尖端定向裝置組裝成一個(gè)整體試驗(yàn)臺(tái)（圖7），在此基礎(chǔ)上進(jìn)行玉米種子尖端定向與胚面識(shí)別試驗(yàn)?，F(xiàn)有的尖端定向裝置由圓周電磁振動(dòng)器和具有尖端定向功能的料斗構(gòu)成。玉米種子先經(jīng)過(guò)現(xiàn)有尖端定向裝置完成初步定向，然后由本文尖端定向與胚面識(shí)別裝置進(jìn)行尖端定向和胚面識(shí)別，最后輸出。隨機(jī)取分級(jí)后的1 000顆馬齒型玉米種子為試驗(yàn)樣本，對(duì)玉米種子的外形特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，種子的長(zhǎng)度、寬度范圍分別為[8.9, 14.5] mm和[5.7,9.3] mm，部分玉米種子尺寸偏小，長(zhǎng)度小于10 mm或?qū)挾刃∮? mm的種子數(shù)量共有84顆，占總數(shù)量的8.4%；大部分玉米種子形狀正常，只有7顆玉米種子畸形，表現(xiàn)為胚溝不在胚面中央?yún)^(qū)域，占總數(shù)量的0.7%。以現(xiàn)有尖端定向裝置的尖端定向成功率、本文尖端定向與胚面識(shí)別裝置的尖端定向成功率和胚面識(shí)別準(zhǔn)確率為試驗(yàn)指標(biāo)，進(jìn)行尖端定向與胚面識(shí)別試驗(yàn)。

1. 現(xiàn)有尖端定向裝置 2. 本文尖端定向與胚面識(shí)別裝置 3. PLC

試驗(yàn)結(jié)果表明：經(jīng)過(guò)現(xiàn)有尖端定向裝置之后有104顆玉米種子尖端定向沒(méi)有成功（仍保持大頭朝前），現(xiàn)有尖端定向裝置的尖端定向成功率為89.6%；經(jīng)過(guò)本文尖端定向與胚面識(shí)別裝置后，僅剩9顆玉米種子尖端定向失敗，本文尖端定向與胚面識(shí)別裝置的尖端定向成功率達(dá)到99.1%，相比現(xiàn)有的尖端定向裝置的尖端定向成功率提升了9.5個(gè)百分點(diǎn)，另外本文尖端定向與胚面識(shí)別裝置的胚面識(shí)別準(zhǔn)確率為96.4%。

最后輸出的玉米種子中僅有9顆尖端定向失敗，失敗原因?yàn)椋哼@些玉米種子大多尺寸偏小，長(zhǎng)度小于10 mm或?qū)挾刃∮? mm，推桿在推動(dòng)這些玉米種子時(shí)，種子會(huì)在軌道上發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，而沒(méi)有經(jīng)缺口2離開(kāi)軌道，導(dǎo)致剔除失敗。9顆尖端定向失敗的玉米種子由于不滿足胚面識(shí)別條件，直接認(rèn)定為胚面識(shí)別失敗，另還有27顆玉米種子胚面識(shí)別出錯(cuò)，具體情況有2種：第1種是將實(shí)際胚面朝上的玉米種子判定為胚面朝下，第2種是將實(shí)際胚面朝下的玉米種子判定為胚面朝上。將2種情況對(duì)應(yīng)的玉米種子分開(kāi)，分別觀察這些玉米種子的自身形狀和識(shí)別過(guò)程，分析后發(fā)現(xiàn)，第1種識(shí)別出錯(cuò)的主要原因是，這些玉米種子的反面有凹陷不平整，導(dǎo)致激光測(cè)距傳感器的測(cè)量值偏大；第2種識(shí)別出錯(cuò)的主要原因是，激光測(cè)距傳感器的檢測(cè)光束沒(méi)有落在胚溝內(nèi)，導(dǎo)致激光測(cè)距傳感器的測(cè)量值偏小，而導(dǎo)致激光測(cè)距傳感器的檢測(cè)光點(diǎn)沒(méi)有落在胚溝內(nèi)的原因有2點(diǎn)：在進(jìn)行胚面識(shí)別時(shí)，玉米種子在種槽的發(fā)生了偏移，即定位作用失效；個(gè)別玉米種子畸形，胚溝不在胚面中央?yún)^(qū)域，胚溝長(zhǎng)軸線偏離胚面對(duì)稱軸較遠(yuǎn)。

綜上，尖端定向失敗的情況主要是由于在少數(shù)玉米種子尺寸偏小，尺寸偏小的玉米種子占試驗(yàn)樣本總數(shù)的8.4%，但最后尖端定向失敗率只有0.9%。胚面識(shí)別失敗的主要原因是種槽對(duì)少數(shù)玉米種子的定位作用不理想。

該試驗(yàn)結(jié)果表明本研究提出的尖端定向與胚面識(shí)別方法效果良好，對(duì)比現(xiàn)有的尖端定向裝置，尖端定向成功率有較大的提升，基本可以實(shí)現(xiàn)玉米種子的尖端定向，同時(shí)能夠使胚面識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)到較高水準(zhǔn)。

4 結(jié)論與討論

1）在現(xiàn)有的研究成果基礎(chǔ)上，以現(xiàn)有尖端定向裝置輸出的尖端定向不完全、呈平躺姿態(tài)的馬齒型玉米種子為工作對(duì)象，基于激光開(kāi)關(guān)和測(cè)距原理，提出了一種馬齒形玉米種子尖端定向與胚面識(shí)別方法：馬齒形玉米種子尖端窄大頭寬，依據(jù)該輪廓特征，利用激光開(kāi)關(guān)傳感器等部件對(duì)玉米種子的尖端朝向進(jìn)行識(shí)別，并將大頭朝前的玉米種子進(jìn)行剔除；馬齒形玉米種子胚面上有胚溝而反面較為平整，依據(jù)該表面特征，利用激光測(cè)距傳感器可對(duì)尖端朝前的每顆玉米種子進(jìn)行胚面識(shí)別，最后輸出。

2）設(shè)計(jì)并搭建了玉米種子尖端定向與胚面識(shí)別裝置，與現(xiàn)有的尖端定向裝置組裝成一個(gè)整體試驗(yàn)臺(tái)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行玉米種子尖端定向與胚面識(shí)別試驗(yàn)，結(jié)果表明：本文尖端定向與胚面識(shí)別裝置的尖端定向成功率達(dá)到99.1%，相比現(xiàn)有的尖端定向裝置的尖端定向成功率提升了9.5個(gè)百分點(diǎn)，本文尖端定向與胚面識(shí)別裝置的胚面識(shí)別準(zhǔn)確率為96.4%。該方法基本可以實(shí)現(xiàn)玉米種子的尖端定向，同時(shí)保證胚面識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)到較高水準(zhǔn)。

本文提出的基于激光開(kāi)關(guān)和測(cè)距原理的尖端定向與胚面識(shí)別方法對(duì)馬齒形玉米種子的工作效果良好，但對(duì)少數(shù)尺寸偏?。ㄩL(zhǎng)度小于10 mm、寬度小于7 mm）或畸形（胚溝偏離胚面中央?yún)^(qū)域）的玉米種子適用性不夠理想，容易造成尖端定向或胚面識(shí)別失敗，因此，該裝置需繼續(xù)優(yōu)化，進(jìn)一步提高尖端定向成功率和胚面識(shí)別準(zhǔn)確率。控制系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間與玉米種子在直線軌道中的移動(dòng)速度成反比，可以調(diào)節(jié)直線電磁振動(dòng)器的振動(dòng)頻率或電壓來(lái)加快玉米種子的移動(dòng)速度，以此減小控制系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間，但是需要確保電磁振動(dòng)的垂直振幅小于0.1 mm。

本文提出的玉米種子尖端定向與胚面識(shí)別方法，可為后續(xù)的自動(dòng)化定向包裝及玉米機(jī)械化定向播種提供參考。

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Xing Jiejie, Xu Liming※, Ma Shuai, Yuan Quanchun, Chen Chen, Zeng Jian, Niu Cong

(100083,)

Automatic directional packaging of corn seeds is the precondition for realizing mechanical directional sowing of corn. The key technology is tip orientation and embryo side facing recognition. Combined with the actual demand of directional packaging, tip orientation for dent corn seeds needs that the tip orientation success rate reaches 100% (i.e. the tip is completely directed), and the embryo side facing recognition accuracy rate is required to achieve a high level at the same time. In addition, combining the actual demand of agricultural production and popularization, the method and its dependent device used to realize the tip orientation and embryo side recognition method for corn seeds should have low requirements for the working environment and the operation cost should be reduced as far as possible. The existing methods of tip orientation and embryo recognition are difficult to fulfil practical requirement. On the basis of the available research results of the research team, taking dent corn seeds with horizontal posture and tip orientation incomplete exported by existing tip orientation device as research object, a tip orientation and embryo side recognition method for dent corn seeds based on laser switch and range theory was proposed and the tip orientation and embryo side recognition device was designed in this paper. According to the shape characteristics of the corn seeds, the corn seeds large head facing forward was removed by using the laser sensors and other components first to get the seeds tip orientation done, and then the embryo side facing direction of each corn seed was identified one by one and outputed. There were 2 main characteristics of the corn seed shape: shape characteristic and surface characteristic. The shape characteristic was that the outline of corn seed was similar to "V" shape with narrow tip and wide large head, the surface characteristic was that there was a germinal groove extending from tip to large head on the embryo side, and the germinal groove shape was approximately elliptical, and its long axis coincided with the symmetric axis of the embryo side, the reverse side was smooth. The tip orientation method was proposed based on the shape characteristics of corn seed and laser switch sensor. Referring to the shape characteristics of the corn seed, a "V" shape slot was designed, the corn seeds with tip facing forward could enter into the slot, while the corn seeds with large head facing forward could not enter the slot as the large head of seed would block the entrance, based on this difference, by means of a normally open laser switch sensor, a specific straight track and a push rod, the tip orientation of each corn seed could be identified and the corn seeds with large head facing forward were removed. When the seed’s tip was oriented, it would be stayed in the slot with tip facing forward, and then the direction of embryo side would be recognized based on the surface characteristic and laser range sensor. With the combined of designed device and existing tip orientation device, a practical test bench was built and the orientation test for dent corn seeds was carried out to verify the actual effect of tip orientation and embryo side recognition method. The result showed that: the tip orientation success rate of existing tip orientation device was 89.6%, the embryo side recognition accuracy rate of designed device was 96.4% and the tip orientation success rate of designed device was 99.1%, which increased by 9.5 percentage points comparing with the existing tip oriented devices. The orientation method proposed in this study could basically realize the tip orientation of the corn seeds, and at the same time, the embryo side recognition accuracy rate could be reached to a high level. Generally, the tip orientation and embryo side recognition method and the device proposed in this paper have low requirements for working environment and low operation cost, which could provide a reference for automatic directional packaging and mechanically directional sowing of corn.

mechanization; seed; design;corn seed tip orientation; embryo side recognition; laser sensor

邢潔潔，徐麗明，馬 帥，袁全春，陳 晨，曾 鑒，牛 叢.馬齒形玉米種子尖端激光定向與胚面識(shí)別裝置研制[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35(3)：52－59. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.03.007 http://www.tcsae.org

Xing Jiejie, Xu Liming, Ma Shuai, Yuan Quanchun, Chen Chen, Zeng Jian, Niu Cong.Development of tip orientation and embryo side recognition device for dent corn seeds[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(3): 52－59. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.03.007 http://www.tcsae.org

2018-07-25

2018-01-10

國(guó)家自然基金項(xiàng)目（51475461）

邢潔潔，博士生，主要從事生物生產(chǎn)自動(dòng)化研究。 Email：584731137@qq.com

徐麗明，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事生物生產(chǎn)自動(dòng)化技術(shù)與裝備研究。Email：xlmoffice@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.03.007

SS233.7

A

1002-6819(2019)-03-0052-08