譙 睿,楊文彩*,韓文霆,郎沖沖,闞成龍,張 冰

(1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院,昆明 650201;2.西北農(nóng)林科技大學(xué)機械與電子工程學(xué)院,陜西 楊凌 712100)

根據(jù)三七育苗的農(nóng)藝要求[1],需在1.5 m寬的槽內(nèi)密集排列27～28路導(dǎo)種管,完成27～28行單穴單粒播種,由于管數(shù)較多,漏播、重播、堵塞等現(xiàn)象無法通過肉眼實時監(jiān)控,為一次完成開溝、播種、覆土多道工序,提高播種質(zhì)量和播種效率,迫切需要開發(fā)與小行株距集排式導(dǎo)種管配套的漏播重播檢測系統(tǒng)。目前對于漏播重播檢測的方法有五類:包括孫永佳[2]、金鑫[3]、吳南[4]、王美美[5-7]、趙淑紅[8]、李雷霞[9-10]、劉全威[11-12]等人運用的光電檢測法;黃東巖[13]、王樹才[14]、丁幼春[15]等人運用的壓電檢測法;周利明[16]、陳建國[17-18]等人運用的電容檢測法;林宏[19]、王安[20]等人運用的高速攝影檢測法和趙鄭斌[21]、謝竹青[22]、陳進[23]等人運用的機器人視覺檢測法。其中光電檢測法、壓電檢測法和電容檢測法結(jié)構(gòu)簡單、成本低,但存在檢測盲區(qū)、易受灰塵和雜質(zhì)影響;高速攝影檢測法和機器人視覺檢測法對事件還原度高、過程可視性好,但價格高昂,硬件軟件結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

近年來國內(nèi)在漏播重播檢測領(lǐng)域取得不少研究成果,趙艷華[24]等人設(shè)計的基于CPLD的漏播檢測裝置,以紅外發(fā)光管和光敏二極管為傳感器件,完成單粒漏播和多粒漏播的檢測和報警。吳南[4]等人設(shè)計的免耕播種機排種器性能監(jiān)控系統(tǒng)以PLC和觸摸屏為核心,用光纖傳感器實時檢測排種器排種的合格率、漏播率、重播率、變異系數(shù)等。林宏[19]等人采用Android操作系統(tǒng)與4G通信的技術(shù)相結(jié)合,設(shè)計出了漏播圖像采集與傳輸?shù)南到y(tǒng)?，F(xiàn)在對于播種機漏播重播的檢測系統(tǒng)主要是小麥、玉米、油菜等面向大田、大行株距作物,且檢測系統(tǒng)主要針對播種單體或路數(shù)不多的導(dǎo)種管,此外由于檢測裝置傳感器造價低廉、精度較低、布局不合理等問題,造成檢測區(qū)域不能均勻的覆蓋導(dǎo)種管管徑所有范圍,導(dǎo)致檢測區(qū)域存在檢測“盲區(qū)”。目前與三七這種密集型的小行株距種植農(nóng)藝要求相配套的重播漏播檢測系統(tǒng)還很少見,本課題組前期用紅外檢測制作第一代無盲區(qū)的三七精密播種機漏播檢測裝置[25],但是對重播功能檢測并沒有作為重點,同時對種子上下緊密跟隨的重播現(xiàn)象無法判斷,此外該檢測系統(tǒng)并未考慮到播種機操作人員操作的安全性和便捷性。

針對上述問題,本檢測系統(tǒng)采用一對一的激光發(fā)射與接收方案作為獲取落種信號的途經(jīng)。該方案優(yōu)點在于激光光束細且準直度高,光束能均勻的覆蓋導(dǎo)種管管徑的所有范圍,不存在檢測的“盲區(qū)”問題,能保證種子通過檢測區(qū)域時,光信號能夠可靠轉(zhuǎn)換為電信號,此外本檢測系統(tǒng)增加了藍牙無線通訊模塊,可將檢測到的各導(dǎo)種管的排種數(shù)據(jù)發(fā)送到10 m范圍內(nèi)的上位機軟件端,操作人員不僅能通過上位機軟件完成數(shù)據(jù)顯示和監(jiān)控,還能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)共享。從而方便工作人員通過上位機端軟件監(jiān)控播種機作業(yè)實況,還能與作業(yè)機器保持一定的安全距離。

1 檢測系統(tǒng)總體方案設(shè)計

1.1 檢測機構(gòu)主體布局

該檢測裝置的主體部分由stm89c58單片機、霍爾傳感器和雙層對射式激光傳感器等三部分組成。

本文根據(jù)三七精密播種機滾筒式的排種器結(jié)構(gòu)特點,在窩眼滾筒一側(cè)的端面且與軸向各排窩眼相對應(yīng)的位置,圓形陣列一圈磁鐵片。當窩眼滾筒旋轉(zhuǎn)進行充種和排種時,圓形陣列的磁鐵片會隨著滾筒一起旋轉(zhuǎn),并依次經(jīng)過的霍爾傳感器的感應(yīng)端(如圖1),霍爾傳感器將經(jīng)過的磁鐵片個數(shù)轉(zhuǎn)化為磁脈沖信號,并將磁脈沖信號共享給各個單管檢測系統(tǒng)的單片機。同時在導(dǎo)種管出口正下方布局一個雙層對射式激光檢測傳感器。這兩個傳感器的信號端由單片機的IO口接入單片機。

圖1 主體布局示意圖

1.2 檢測原理

三七精密播種機播種的行距,即每一根導(dǎo)種管之間的距離大小已由農(nóng)藝要求(左右株距為5 cm)確定好,因此播種機的導(dǎo)種管在裝配機器時已固定好行距,故本文設(shè)計的重播漏播檢測系統(tǒng)主要是檢測播種過程中每一根導(dǎo)種管所播種子前后之間株距值。

在播種機開機以后,單片機立即打開計數(shù)器0,開始讀取霍爾傳感器獲得的霍爾脈沖個數(shù),并將獲取到的霍爾脈沖信號通過算法轉(zhuǎn)換為株距值,起始株距值設(shè)置為0 mm。例如:當一個檢測系統(tǒng)獲取到一個霍爾脈沖的信號后,單片機顯示的株距值從 0 mm 跳變?yōu)?0 mm。在下一個霍爾脈沖信號來臨之前的任意時間點內(nèi),若有種子通過導(dǎo)種管落入激光檢測區(qū)域,單片機會將株距值立即清零,即株距值從50 mm跳變?yōu)? mm。若無種子通過導(dǎo)種管落入激光檢測區(qū)域,單片機顯示的株距值會從50 mm跳變?yōu)?00 mm。同理當下一個霍爾脈沖信號來臨時單片機的株距值跳變規(guī)律同上。

在單片機獲取株距值以后,若當前株距值等于農(nóng)藝要求的株距值,則判斷為正常播種,若當前株距值大于農(nóng)藝要求的株距值,則判斷為漏播;當檢測到的落種信號數(shù)大于已讀取的磁脈沖個數(shù),則判斷為重播。

2 檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局

本文設(shè)計的三七集排式重播漏播檢測系統(tǒng),由5根單管的檢測系統(tǒng)組成,每個單管檢測系統(tǒng)相互獨立,且具有檢測信號,顯示數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)的功能,數(shù)據(jù)最終被發(fā)送到電腦終端的上位機軟件中,將各管數(shù)據(jù)的匯總和保存。而每個單管檢測系統(tǒng)由STC89C58單片機、霍爾傳感器模塊、落種信號檢測模塊(12路激光落種檢測電路和模數(shù)信號接口電路)、液晶顯示模塊以及藍牙模塊等組成(如圖2)。

圖2 單管檢測系統(tǒng)設(shè)計方案

圖3 單管檢測系統(tǒng)單片機程序流程圖

單管檢測系統(tǒng)單片機程序流程圖如圖3所示。先給檢測系統(tǒng)上電,然后播種機開機運行,檢測系統(tǒng)的單片機STC89C58內(nèi)置有三個定時器/計數(shù)器T0、T1和T2,程序初始化后,打開T0和T1并設(shè)置為計數(shù)器模式,T2設(shè)置為定時器模式,T0用于計數(shù)霍爾脈沖信號、T1用于計數(shù)落種信號個數(shù),定時器2用于設(shè)置串口的波特率發(fā)生器。在程序的主函數(shù)里,不斷判斷T1的計數(shù)值是否為0,如果不為0代表此時有種子落下,立刻關(guān)閉T1計數(shù)器,種子數(shù)加1,同時將開機到T1計數(shù)不為0這段時間內(nèi)讀取的T0的計數(shù)值通過算法轉(zhuǎn)化為株距值,即完成一次落種信號的檢測,在下一次落種信號來臨之前,對T0和T1的計數(shù)值清零,并打開計數(shù)器T1,若當前株距值等于農(nóng)藝要求的株距值,則判斷為正常播種,若當前株距值大于農(nóng)藝要求的株距值,則判斷為漏播;當檢測到的T1的計數(shù)值大于已讀取的T0計數(shù)值,則判斷為重播。如果重播率和漏播率超過一定的設(shè)定值,單片機板上的一排led燈閃爍,提示生產(chǎn)人員需要停止播種機作業(yè),檢查播種機的導(dǎo)種管,排種器窩眼是否堵塞,并用空壓機氣槍對堵塞部位進行清理,清理完畢重啟檢測系統(tǒng)和播種機。檢測系統(tǒng)樣機實物圖如圖4和圖5所示。

圖4 單管檢測系統(tǒng)樣機實物圖

圖5 5管集排式檢測系統(tǒng)樣機實物圖

2.1 落種信號采集模塊的空間布局設(shè)計

本檢測系統(tǒng)試驗臺結(jié)合實際的作業(yè)生產(chǎn)情況,將種子下落的高度固定為H=30 cm,同時考慮導(dǎo)種管和激光發(fā)射頭的尺寸大小,為得到最優(yōu)的檢測精度,經(jīng)過反復(fù)試驗和測試,將A和B支架水平最優(yōu)間距設(shè)置為35 mm,每層每根激光之間的最優(yōu)間距為5 mm。

為滿足本檢測系統(tǒng)最小檢測尺寸為4 mm(最小三七種子尺寸)且檢測區(qū)域能均勻的覆蓋導(dǎo)種管管徑所有范圍的要求,本文將落種信號采集區(qū)域設(shè)計為上下平行的雙層矩形激光檢測區(qū)域,圖6中A支架兩層為激光發(fā)射管,每層由六個激光發(fā)射頭構(gòu)成,B支架兩層為激光接受光纖,每層由六個激光接受光纖構(gòu)成(如圖6(a)所示),同時將A支架的上層的每一組激光發(fā)射頭和下層的每一組激光發(fā)射頭交錯排列,與之相對應(yīng)的B支架的激光接受光纖也進行相應(yīng)的交錯排列,形成了上下兩層相鄰的每根激光的水平間距為2.5 mm排列模式(如圖6(b)、6(c)所示)。

圖6 落種信號采集模塊及雙層12路對射式激光接受光纖排列布局示意圖

圖7 12路激光信號采集電路圖

2.2 光電檢測電路設(shè)計

本文設(shè)計的光電檢測電路由一路12個模擬光信號組成。光信號經(jīng)12條光纖傳導(dǎo)至12組激光接收管,再由二極管、電阻接到運算放大器的反相輸入端,形成一個反相加法電路(如圖7),該電路的運算放大器采用LM324芯片,該放大器內(nèi)含四組運算放大單元,本檢測電路僅用其中的兩組放大單元,當種子下落時,只要經(jīng)過雙層的矩形激光檢測區(qū)域,遮斷光線,就會改變加法運算器的輸入電流,進而使得輸出電壓下降,再經(jīng)過比較電路將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。其中比較電路的設(shè)計,能提高檢測信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性,通過調(diào)節(jié)比較電路中反向輸入端的基準電壓值,當灰塵和種子碎屑等小的雜質(zhì)通過檢測區(qū)域時,其信號變化量比基準電壓值小,過濾去干擾信號,保證模擬信號準確輸出。

在加法電路兩端其輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系為:

U0=Uref-[10(Ui1-Uref)+10(Ui2-Uref)+

10(Ui3-Uref)+10(Ui4-Uref)+10(Ui5-Uref)+

10(Ui6-Uref)+10(Ui7-Uref)+10(Ui8-Uref)+

10(Ui9-Uref)+10(Ui10-Uref)+

10(Ui11-Uref)+10(Ui12-Uref)]

該檢測電路通過調(diào)節(jié)LM324運算放大器同相輸入端的電位器電壓Uref,讓U0≈Uref,當種子掉入檢測區(qū)域時,十二路輸入電壓中的某幾路(Ui1至Ui12)電壓值會增大,而輸出電壓值U0就會減小,U0的值與反相輸入端設(shè)置的參考電壓相對比后輸出,接入數(shù)字電路接口。

3 檢測系統(tǒng)響應(yīng)性能分析

3.1 檢測系統(tǒng)軟件響應(yīng)速度分析

三七精密播種機最大行進速度為600 m/h,單粒精播株距為5 cm計算:

Q=600/0.05/3 600=3顆/s

理論上單粒三七種子的最小落種時間間隔為:

Tmin=1 000/3=333 ms

由上述計算可知:三七種子的理論上最小落種時間間隔遠遠大于STC89c58單片機程序運行一個周期的時間(1 ms～1.5 ms),故程序?qū)z測單粒落種時間滿足要求。

而目前實際生產(chǎn)中的三七精密播種機的作業(yè)速度為120 m/h,單粒精播株距為5 cm計算:

Q=120/0.05/3 600=0.67顆/s

實際生產(chǎn)中單粒三七種子的最小落種時間間隔為:

Tmin=1 000/0.67=1 492 ms=1.492 s

由上述計算可知:三七種子實際上最小落種時間間隔比理論值更大,所以選擇STC89c58單片機作為檢測系統(tǒng)核心是滿足實際生產(chǎn)的要求。

3.2 檢測系統(tǒng)硬件響應(yīng)速度分析

三七種子尺寸在4 mm～8 mm之間,種子穿過檢測區(qū)域完全遮斷激光光線的時間,與種子下落的高度有關(guān),種子的下落高度與種子進入檢測區(qū)域的速度有關(guān),本檢測系統(tǒng)試驗臺設(shè)定的種子下落的高度為H=30 cm,當種子到達檢測區(qū)域時的速度為:

V=at

(1)

由公式:

(2)

由式(1)和式(2)可得

若按三七種子的最小尺寸L=4 mm,將式(2)代入計算出其穿過檢測區(qū)域的時間:

t1=L/V=0.001 645 s=1 645 μs

理論計算可知:最小尺寸的種子完全阻斷激光光束的時間為1 645 μs,通過激光檢測電路中元器件的參數(shù)說明書可知,激光檢測的硬件響應(yīng)時間在5 μs～30 μs,故本系統(tǒng)硬件選擇能夠滿足三七精密播種的檢測要求。

4 試驗研究

4.1 試驗結(jié)果與分析

4.1.1 單次單粒投種檢測試驗

按照三七播種的農(nóng)藝要求,一穴一粒的播種方式進行投種試驗,每組試驗投種300次[26],重復(fù)做10組試驗,其試驗數(shù)據(jù)如表1所示,由于本文設(shè)計的集排式檢測系統(tǒng)由5根管組成,每根管對單粒投種試驗所得試驗結(jié)果一樣,在此僅列出一根管的試驗數(shù)據(jù)。由表1可以看出,該檢測系統(tǒng)對單粒投種的檢測精度達到99.967%。

表1 單粒三七種子投種試驗結(jié)果

圖8 三七種子上下緊密跟隨示意圖

4.1.2 單次雙粒投種檢測試驗

三七種植的農(nóng)藝要求單穴單粒播種,由于三七種子尺寸在4～8 mm之間,尺寸跨度較大,播種機排種器的窩眼設(shè)計尺寸不能完全適應(yīng)所有種子的尺寸大小,故不能嚴格做到單穴單粒的播種要求,即一個窩眼卡兩粒種子,在排種時兩粒種子一起播出,在兩粒種子下落過程中,從激光檢測的方向看,兩粒種子的空間位置十分接近或者有部分面積重疊,這種情況檢測系統(tǒng)會將兩粒種子誤判為一粒種子,為了提高檢測系統(tǒng)的檢測質(zhì)量,除了完成單粒漏播重播檢測功能,還需考慮種子上下緊密跟隨的重播的問題,如圖8所示。本文利用上下雙層對射式激光傳感器的結(jié)構(gòu)布局配合單片機程序算法的方法對三七種子上下緊密跟隨的重播進行檢測,并開展單次雙粒投種試驗,驗證該方法對三七種子上下緊密跟隨的重播現(xiàn)象判斷正確率。

單次雙粒投種檢測試驗是為了模仿三七精密播種機在播種過程中,兩粒種子上下緊密跟隨的重播現(xiàn)象。由于本文設(shè)計的5管集排式重播漏播檢測系統(tǒng),由5個獨立的單管檢測系統(tǒng)組成,每根單管檢測系統(tǒng)檢測方式都是相互獨立互不干擾的,故單次雙粒投種檢測試驗采用依次對每根單管進行單獨投種方案。每根單管檢測系統(tǒng)試驗過程采用一次投兩粒的投種方式,每組試驗投種300次[26],重復(fù)做10組試驗,試驗數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 各個排種管檢測系統(tǒng)單次雙粒的重播投種試驗結(jié)果

利用假設(shè)性檢驗和T值檢驗區(qū)間估計的方法,將試驗數(shù)據(jù)由SPSS和R軟件進行分析處理,如表3所示。

表3 T檢驗區(qū)間估計

以上數(shù)據(jù)分析表明:該檢測系統(tǒng)對三七種子上下緊密跟隨的重播現(xiàn)象的檢測成功率在93.07%到94.09%之間。與單粒投種試驗的檢測成功率相比較顯然下降很多。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)看,檢測到種子的數(shù)量小于實際投種數(shù)量,即在一穴雙粒種子下落時,落種檢測傳感器只檢測到一粒種子。造成這種原因主要是兩種情況:①從激光指向的方向看,兩粒種子處于完全平行下落空間位置關(guān)系,傳感器將落種信號處理為一個種子信號。②從激光指向的方向看,兩粒種子處于一前一后的空間位置關(guān)系且重疊面積較多,傳感器也會將落種信號處理為一個種子信號。

5 結(jié)論與展望

本文針對三七這種小行株距作物的重播漏播檢測問題,采用窩眼滾筒側(cè)面磁鐵片圓形陣列結(jié)構(gòu),將排種信號轉(zhuǎn)換為霍爾脈沖信號,采用將霍爾脈沖信號轉(zhuǎn)換為株距值的方法,通過實際株距值與設(shè)定理論株距值相對比,實現(xiàn)對三七精密播種的重播漏播檢測。該系統(tǒng)解決了下落種子對光線的阻斷程度不一致所造成信號不穩(wěn)定、檢測區(qū)域存在檢測盲區(qū)等問題。此外,光電檢測電路的硬件響應(yīng)速度和單片機檢測算法的執(zhí)行速度都滿足三七精密播種的檢測要求,試驗結(jié)果證明,該檢測方法對單粒漏播重播檢測的準確率達99.967%,對種子上下緊密跟隨的重播現(xiàn)象的檢測準確率在93.07%～94.09%。

從試驗結(jié)果可以看出,上下緊密跟隨的重播現(xiàn)象的檢測成功率在93%左右,檢測成功率和緊密跟隨的兩粒種子進入檢測區(qū)域時的空間位置有很大關(guān)系,從激光檢測方向看重疊面積越多檢測的成功率越小,所以目前僅采用一維空間方向的雙層對射式激光檢測方式來判斷種子緊密跟隨的重播方法還可以改進為兩維空間方向的檢測,即便兩粒種子在這一個空間方向重疊面積較多,而從另一個檢測空間方向看則不是重疊的關(guān)系或者重疊面積較少,這樣可以進一步提高檢測系統(tǒng)對上下緊密跟隨的重播現(xiàn)象判斷的準確率,但是檢測裝置的成本會提高。

目前,三七精密播種機還處于第三代試驗樣機階段,其試驗條件還處于理想測試階段,這套檢測系統(tǒng)屬于播種機研發(fā)中的一個階段性成果,該成果需要盡早的發(fā)布,在后期播種機的研發(fā)中,會將此檢測系統(tǒng)與后期生產(chǎn)實際需要進一步結(jié)合,還要開展雙粒和多粒的重播檢測研究,不斷的完善和改進該套檢測系統(tǒng),并運用于大范圍的田間試驗來驗證新一代三七精密播種機的排種性能。