康 佳，王 楠，姜海勇，徐鵬云，賈夢(mèng)迪，邵利敏

（河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河北 保定 071001）

棉花種子萌發(fā)時(shí)，種子消耗胚乳供胚發(fā)育，胚根向下生長(zhǎng)受土壤阻力增加，使頂部子葉上升，若胚乳消耗殆盡前子葉未出土已進(jìn)行光合作用供給營(yíng)養(yǎng)，則種子不能成活，可成活種子的覆土越深，視為拱土力越強(qiáng)，因此覆土深度直接影響發(fā)芽率［1-3］。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定［2,4-5］，毛子發(fā)芽率達(dá)70%,包衣子及光子發(fā)芽率達(dá)80%為合格，否則不允許作生產(chǎn)用種銷(xiāo)售。而實(shí)際作業(yè)中［6-8］，播種時(shí)開(kāi)溝深度、投種位置和覆土量難控制，播后種子深度隨土壤容重改變，測(cè)量覆土深度時(shí)需手工剖分種床，對(duì)種苗造成嚴(yán)重?fù)p傷［9］，可見(jiàn)用于小區(qū)育種時(shí)，精確無(wú)損地探測(cè)種子覆土深度具有重要意義。

現(xiàn)有研究中［10-12］，Kiani S等于2010年提出使用非接觸式超聲波傳感器對(duì)種子單元進(jìn)行自動(dòng)在線深度控制，可精確控制播種坑深［10］；李玉環(huán)等于2016年提出玉米播種深度智能調(diào)控系統(tǒng)，播種合格率明顯優(yōu)于機(jī)械仿形裝置，實(shí)現(xiàn)了播種深度的自動(dòng)調(diào)控，保證了玉米播種深度一致性［13］。但以上方法都不能獲取種子覆土后實(shí)際深度。

本試驗(yàn)通過(guò)借鑒大地地磁測(cè)深法、瞬變電磁法、激電測(cè)深法等［14-16］，分析所測(cè)磁球磁場(chǎng)強(qiáng)度分布規(guī)律，實(shí)現(xiàn)了對(duì)種子三維坐標(biāo)的無(wú)接觸式自動(dòng)獲取，以期為建立數(shù)字化棉花栽培管理系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)［17］。

1 材料和方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 試驗(yàn)環(huán)境、材料 試驗(yàn)于2018年3月在室內(nèi)進(jìn)行。試驗(yàn)對(duì)象為磁球，直徑分別為6、10 mm。

1.1.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 計(jì)算機(jī)通過(guò)Mach3軟件系統(tǒng)向運(yùn)動(dòng)控制板發(fā)送掃描指令后，傳感器在磁球上方沿路徑掃描，在每個(gè)設(shè)定測(cè)點(diǎn)停頓時(shí)，Mach3運(yùn)動(dòng)控制板向單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)采集指令，使單片機(jī)將當(dāng)前場(chǎng)強(qiáng)數(shù)據(jù)Z與坐標(biāo)X、Y綁定并存儲(chǔ)，掃描完成后，單片機(jī)以無(wú)線通信的方式將數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)，經(jīng)過(guò)上位機(jī)軟件處理數(shù)據(jù)得出種子三維坐標(biāo)，并顯示數(shù)據(jù)分析結(jié)果（圖1）。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 System block diagram

1.1.3 機(jī)械結(jié)構(gòu) 目前常見(jiàn)三維XYZ運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括龍門(mén)式、懸臂式、虛擬軸式等。本試驗(yàn)所需負(fù)載僅為高斯計(jì)，重量輕，運(yùn)行精度要求高。并聯(lián)結(jié)構(gòu)具有比剛度高、響應(yīng)速度快、運(yùn)動(dòng)精度高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，而其他機(jī)構(gòu)在這些方面相對(duì)不足，故選用DELTA并聯(lián)機(jī)構(gòu)［18］（圖2）。

圖2 機(jī)械結(jié)構(gòu)Fig.2 Mechanical structure

1.1.4 運(yùn)動(dòng)控制方案 由于數(shù)控系統(tǒng)具有簡(jiǎn)潔、成熟、易操作、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，故采用數(shù)控系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)思想。如圖3，Arduino UNO R3單片機(jī)輸入口與Mach3數(shù)控運(yùn)動(dòng)控制板輸出口通信，傳感器每到達(dá)一個(gè)測(cè)點(diǎn)時(shí)，通過(guò)使用自定義的M代碼使Mach3板改變輸出口電平狀態(tài)，觸發(fā)單片機(jī)記錄坐標(biāo)。

圖 3 數(shù)控指令流程圖Fig.3 CNC instruction flow chart

1.1.5 數(shù)據(jù)采集方案 如圖4，本試驗(yàn)選用Hall效應(yīng)霍爾傳感器，由Si密封的GaAs半導(dǎo)體霍爾器件，經(jīng)1.5 V電壓激勵(lì)輸出差分信號(hào)，其輸出電壓具有靈敏度的溫度系數(shù)小、輸出電壓對(duì)應(yīng)于磁場(chǎng)強(qiáng)度線性度好，高頻特性?xún)?yōu)良等特點(diǎn)。傳感器霍爾電壓原理公式：

圖4 傳感器原理圖Fig.4 Sensor schematic diagram

UH=K·IIN·B

UH：霍爾電壓，V；

K：磁敏感度；

IIN：輸入電流，A；

B：磁場(chǎng)強(qiáng)度，Gs。

如圖5，使用信號(hào)模式轉(zhuǎn)換電路將差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為單端信號(hào)，加入硬件濾波以減弱環(huán)境中干擾磁場(chǎng)的影響。傳感器的探測(cè)范圍是（8±2）cm,系統(tǒng)穩(wěn)定裕量是（8±0.75）cm。

圖5 傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)Fig.5 Sensor data acquisition system

1.1.6 交互界面設(shè)計(jì) 使用MATLAB App Designer開(kāi)發(fā)了面向?qū)ο蟮慕换ボ浖@示數(shù)據(jù)分析結(jié)果。交互界面如圖6所示。

圖6 交互界面Fig.6 User-interface

1.2 方法

1.2.1 數(shù)據(jù)采集 為避免電機(jī)中的線圈影響測(cè)量結(jié)果，分別測(cè)量隨距離變化的N極、S極和無(wú)磁體場(chǎng)強(qiáng)3種情況的數(shù)據(jù)，求出無(wú)磁體時(shí)場(chǎng)強(qiáng)平均值以及N、S極場(chǎng)強(qiáng)隨距離變化的實(shí)際擬合曲線。

如圖7，使用Curve Fitting Tool中的Polynomial：robust-LAR擬合無(wú)磁體時(shí)場(chǎng)強(qiáng)值，得標(biāo)準(zhǔn)平均值342 H。

如圖8，傳感器從磁球S極表面開(kāi)始，向遠(yuǎn)離表面的方向移動(dòng)，每隔0.5 mm記錄1次場(chǎng)強(qiáng)數(shù)據(jù)。觀察N極朝上時(shí)場(chǎng)強(qiáng)-距離測(cè)點(diǎn)擬合曲線知，此曲線為分段函數(shù)，提取10～40 mm范圍內(nèi)曲線，使用smoothdata函數(shù)中的rlowess方法平滑去噪后，選用插值函數(shù)polyfit 求擬合參數(shù)，再由polyval函數(shù)得出S極朝上時(shí)場(chǎng)強(qiáng)-距離測(cè)點(diǎn)擬合曲線多項(xiàng)式：

如圖9，傳感器從磁球N極表面開(kāi)始，向遠(yuǎn)離表面的方向移動(dòng)，每隔0.5 mm記錄1次數(shù)據(jù)。使用相同方法得出N極朝上時(shí)場(chǎng)強(qiáng)-距離測(cè)點(diǎn)擬合曲線多項(xiàng)式：

1.2.2 觀察數(shù)據(jù)規(guī)律 將磁球擺放于已知參考坐標(biāo)(5.5,6,12)，分別將磁球按照N極朝上、S極朝上、磁軸任意角傾斜3種姿態(tài)擺放，運(yùn)行掃描程序，記錄磁體上方平面10×10×10點(diǎn)陣數(shù)據(jù)。通過(guò)觀察場(chǎng)強(qiáng)分布曲面圖規(guī)律以及參考坐標(biāo)位置，發(fā)現(xiàn)S極朝上時(shí)（如圖10）或N極朝上時(shí)（如圖11），數(shù)據(jù)曲面呈現(xiàn)單峰值特征；而當(dāng)磁軸任意角傾斜時(shí)（如圖12），數(shù)據(jù)曲面呈現(xiàn)為雙峰特征。

1.2.3 設(shè)計(jì)磁體位置探測(cè)算法 此算法通過(guò)MATLAB編寫(xiě)運(yùn)算程序?qū)崿F(xiàn)。本研究對(duì)3種姿態(tài)的磁球在不同深度下做數(shù)據(jù)采集和處理，提出1種磁體定位算法，如圖13。

(1)區(qū)分磁體姿態(tài)

1)去噪：輸入采集點(diǎn)數(shù)組，使用smoothdata函數(shù)的lowess方法平滑去噪后，使用reshape函數(shù)轉(zhuǎn)換為矩陣。

2) 平滑擬合曲面：使用griddedInterpolant函數(shù)的cubic方法對(duì)離散點(diǎn)做插值擬合，之后用ndgrid函數(shù)對(duì)擬合曲面重新精細(xì)劃分為間距0.05的200×200矩陣以供采樣。使用max和min函數(shù)分別求最大值點(diǎn)和最小值點(diǎn)，將最值點(diǎn)與平均值average=342做差，得變量a和b。

3)判斷曲面特點(diǎn)：設(shè)置閥值j=50用以判斷曲面特點(diǎn)，若|a|＞j且|b|＞j，則呈雙峰狀，N/S極傾斜擺放，如圖13，若|a|＞j或|b|＞j，則呈單峰狀，N/S極豎直擺放。

(2) N/S極豎直擺放時(shí)

1)判定NS極：將單峰極值a、b與無(wú)磁場(chǎng)時(shí)平均值average對(duì)比，大于平均值為N極朝上、小于平均值為S極朝上。

2)求X、Y：使用find函數(shù)查找最值點(diǎn)在矩陣中的行、列值作為X、Y坐標(biāo)。

3)求Z：將極值點(diǎn)坐標(biāo)帶入場(chǎng)強(qiáng)-距離擬合曲線F(x)求得磁體深度坐標(biāo)Z。

圖7 無(wú)磁體時(shí)場(chǎng)強(qiáng)-距離測(cè)點(diǎn)擬合曲線Fig.7 Field strength-distance measurement point fitting curve without magnet

圖8 S極朝上時(shí)場(chǎng)強(qiáng)-距離測(cè)點(diǎn)擬合曲線Fig.8 Field strength-distance fitting curve fitting when S pole is up

圖9 N極朝上時(shí)場(chǎng)強(qiáng)-距離測(cè)點(diǎn)擬合曲線Fig.9 Field strength-distance fitting curve fitting when N pole is up

圖10 S極朝上時(shí)探測(cè)結(jié)果（X，Y：位置點(diǎn)）Fig.10 Detection result when S pole is up（X, Y: Position）

圖11 N極朝上時(shí)探測(cè)結(jié)果（X，Y：位置點(diǎn)）Fig.11 Detection result when N pole is up（X, Y: Position）

圖12 磁軸傾斜時(shí)探測(cè)結(jié)果（X，Y：位置點(diǎn)）Fig.12 Magnetic axis tilt detection result（X, Y: Position）

圖13 磁體定位算法Fig.13 Magnet positioning algorithm

(3) N/S極傾斜擺放時(shí)

如圖14，A為場(chǎng)強(qiáng)最大值點(diǎn)，B為場(chǎng)強(qiáng)最小值點(diǎn)，O為直線AB與均值水平面Z=average的交點(diǎn)，C1為點(diǎn)A在均值水平面的投影點(diǎn)，C2為點(diǎn)B在均值水平面的投影點(diǎn)，ΔAC1O、ΔBC2O為相似直角三角形。

圖14 雙峰算法原理圖Fig.14 Twin peaks algorithm schematic

1)求最值點(diǎn)與磁體距離：將兩最值點(diǎn)A、B的場(chǎng)強(qiáng)值a、b帶入場(chǎng)強(qiáng)-距離擬合曲線F(x)求得線段OA、OB長(zhǎng)度。

2)求X、Y：由相似三角形定理聯(lián)立方程，解得X、Y。

3）求Z：直角三角形ΔAC1O中，由勾股定理求解公式，AC12+OC12=AO2得Z坐標(biāo)。

1.2.4 重復(fù)試驗(yàn) 點(diǎn)擊交互界面“運(yùn)行”按鈕，得出點(diǎn)陣數(shù)據(jù)、場(chǎng)強(qiáng)分布圖以及X、Y、Z坐標(biāo)的計(jì)算結(jié)果，重復(fù)運(yùn)行32次，觀察并記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2 結(jié)果與分析

如表1，重復(fù)試驗(yàn)32次，X坐標(biāo)最大誤差為2.286 mm，Y坐標(biāo)最大誤差為2.307 mm，Z坐標(biāo)最大誤差為2.471 mm。

表1 數(shù)據(jù)誤差表Table 1 Deviation table mm

3 討論與結(jié)論

對(duì)于探測(cè)種子深度，本文提出了1種磁體定位方式，編寫(xiě)MATLAB程序完成單個(gè)磁體的測(cè)量探深算法，該算法用于收集和處理3種不同深度的磁球的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了棉花種子三維坐標(biāo)的無(wú)接觸式自動(dòng)測(cè)量，使國(guó)內(nèi)棉花種子質(zhì)量評(píng)定中拱土力指標(biāo)有據(jù)可依。

本試驗(yàn)選用磁場(chǎng)來(lái)探測(cè)種子深度的方式，磁體易于購(gòu)買(mǎi)，屬于非消耗品，可多次重復(fù)使用，并且傳感器成本相對(duì)較低可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)潔高效的算法，精度相對(duì)較高。相較于其他探測(cè)方式，紅外光電探測(cè)法傳感器成本高，數(shù)據(jù)處理復(fù)雜；超聲波傳感器受土壤介質(zhì)影響大，難以識(shí)別小體積目標(biāo)，探測(cè)數(shù)據(jù)精度低。但本試驗(yàn)仍有一些不足需要改進(jìn)，主要有以下幾個(gè)方面：

(1)由多次試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)可知，本探測(cè)系統(tǒng)誤差在2.5 mm以?xún)?nèi)，仍有較大的精度提高空間；

(2)受探測(cè)方案限制，每點(diǎn)探測(cè)用時(shí)約為1 s,每粒種子常規(guī)探測(cè)總時(shí)間約為100 s，從作業(yè)速度方面考慮仍有優(yōu)化需求。