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正文

基于三维可视化技术的播种机结构设计

摘 要:为了能够直观观察到播种机的作业状态,识别播种机的种子破碎和漏播,并进行补种,设计了基于三维可视化技术的播种机。通过采用三角测量方法对摄像机的图像进行三维重建,实现了精密播种机的实时监控。  结合光电传感器装置对播种过程中种子破碎和漏播进行检测,并对该区域进行补种。使用该播种机对玉米和小   麦进行了播种试验,结果表明: 播种机能够适应不同类别的种子,播种精度和准确率较高,能够满足播种机的性能要求。
关键词:播种机; 种子破碎识别; 种子漏播识别; 补种; 三维可视化技术
引言:播种作为农作物种植的基本环节,直接影响着劳 动生产率和农作物的收成。传统的机械播种机是全 封闭作业的,在播种过程中无法实时监控播种情况。播种机的工作环境通常都很恶劣,易出现机械故障, 作业过程中还会出现输种管堵塞、卡种、漏种等情况。一旦发生以上问题,则会出现大面积的漏播,导致农 作物的减产。因此,必须对播种机的工作过程进行监 测,以保证播种机工作效率和效果。
       目前,播种机播种过程的监测主要有光电传感器监测和涂油皮带等方法。涂油皮带的方法能够直观地监测经过排种器中的种子是否着落,但易污染环境,且造成种子的浪费和播种时间的浪费,一般不采用。目前,广泛应用的检测方法是光电传感器法。光电传感器的检测原理是种子从排种器落下时遮挡了光电元件,通过传感器检测到了信号,从而确定了种子是否落下,因此对漏播现象较为敏感,能够识别是否有漏播的情况出现。但是,该方法对于播种过程中出现的种子破碎现象则无法辨别,且重播现象也无法辨别,从而影响了播种机的播种效果,降低了工作效率[1]。为了能够直观地监测播种情况,避免出现漏播、卡种等情况,需要引入一种新型的监测方式对播种机作业过程进行监控。
       三维可视化技术是通过系统的处理使图像直观形象地让用户看到[2]。在播种机播种过程中,通过CCD 摄像头对播种机的播种过程进行拍摄,再通过三维可视化技术,对拍摄的图像进行三维重构,以实现对播种机播种过程的实时三维监控,提高播种机的工作效率。本文将结合三维可视化技术和光电传感器对播种机结构进行探讨,以改善播种机性能。
一、机构设计及原理
精密排种机监控系统主要由摄影系统、三维可视化系统、测试分析系统、排种装置和报警系统组成,工作流程如图 1 所示。





图 1 播种机基本工作流程
1、摄影系统
      摄影系统由 CCD 摄像机、光源及图像采集卡组成。由于播种机需要适应不同种类的种子,包括识别 种子的大小、颜色,且能够区别破碎的种子,因此要求是具有采集彩色图像快速、清晰的特点,CCD 摄像机则可以满足这一要求。每次播种机作业之前,由于种 子的不同,首先需要调节摄像头的焦距和光圈参数, 直到摄像头能够清晰地采集种子的图像,播种机才可 以开始作业
2、三维可视化系统
      摄影系统的 CCD 摄像机拍摄的影像传送给计算机之后,由计算机对图片进行三维重建。系统以小孔成像为基本原理,利用三角测量的方法将图片进行综合处理得到三维图[3]。此方法具有运算速度快、操作简单及三维模型真实的特点。通过三维可视化,工作人员可以清晰地从各个角度观察到播种情况和判断工作状态,且设备发生故障时可尽快找到问题出处。
3、分析测试系统
      分析测试系统采用光电传感器装置及发光二极管,电路图如图 2 所示。在输种管下方设置了发光二极管和光敏电阻,没有种子通过时发光二极管的光照射到光敏电阻上,其电阻值恒定,电压恒定; 当有种子通过时,就会遮挡二极管照射到光敏电阻上的光,光敏电阻的阻值增加,相应地电压增加。一般种子落下的周期为 7 ~ 9ms,若时间周期超过 9ms 则出现了漏种现象,需要补种。






图 2 分析测试系统电路图
      结合三维可视化装置对播种器性能指标进行分析测试,包括对重播率、漏播率、种子破碎率进行计算,并将漏播及需要重播区域的结果传递给排种装置,由排种装置执行处理结果。
4、排种装置
       排种装置主要由排种器、补种器、输种管和步进电动机构成。种子箱内的种子按照播种要求通过排种器进入输种管,从而达到精密排种。为了达到排种均匀、种子破坏最小的目的,播种具有可调节性,且能够适应不同类别的种子及不同的工作环境[4]。本文选用窝眼轮式排种器,结构如图 3 所示。排种器开始工作后,种子箱内的种子首先进入窝眼,在窝眼内的种子随着驱动器转至刮种板处,由刮种板把窝眼中多余的种子刮出; 然后,种子在窝眼中随驱动器的转动进入输种管内,播种到土地上。
       为了减少漏播和种子破碎造成播种效率的降低, 设置了补种器,采用两相混合步进电动机进行补种。当分析测试系统检测到漏播或者种子碎裂时,将结果传送至计算机,计算机发布指令给补种器,自动补种。








图 3 涡眼轮式排种器结构
5、报警系统
      报警系统采用声光报警装置。计算机接收播种 机工作状态: 播种机正常工作时,报警系统不工作; 当出现卡种或者连续重播 5 次时,报警系统灯光闪烁, 并发出报警声音,播种机停止工作,检查播种机故障原因。
二、软件设计
1、图像三维处理
首先确定 CCD 摄像机的内部参数矩阵,即



其中,(  m0 ,n0 )  为摄像机在图像内的坐标; (  αmαn ) 为摄像机的平行尺度和垂直尺度; s 为倾斜尺度。
      摄像机的两个点可以看做有两个坐标系,两个点三维图像的方向向量 →x  和 →x ' 延长线的交点即为空间点 O 的位置。因此,三维重建的过程可以看作是摄像机内部矩阵和摄像机运动的过程,因此被称为运动恢复模型。
由于摄像机两个点运动向量和平移向量 →t 在同一个平面,因此可以得到如下公式,即

其中,R 为世界坐标到摄像机坐标的旋转矩阵。通过对上面的公式求解,可得



式中    u 和 u' —图像的齐次坐标。
       三维重建与投影过程可以看做是互逆的两个过程,可通过投影点的坐标确定空间点的坐标。投影点和摄像机的交点连线上的点都满足投影方程,即
u  = kA[R,t]
       其中,k 为比例系数,随空间点的变化而变化; O 为O 对应的齐次坐标。
       因此,需要摄像机拍摄到两幅图片才可得到空间点坐标,同时还需要立体匹配点[5],可以通过二维图像得到三维图像,这个过程可以叫做三角测量。三角测量的代数形式为

当 C 取得最小值时,即可得到该图像对应的三维坐标,进而得到三维处理图像。
2、播种机的补种原理
      判断播种机性能的指标主要包括种子的漏播率、重播率、破碎率和合格数[6]。
      播种机通过光电传感器装置对漏种进行检测,若出现漏种情况,则需要补种。
      种子从窝眼进入刮种器、再进入输种管的这一过程中,会受到多重挤压而发生破碎现象,破碎方式一般是种子碎化、断裂,因此在播种时要特别注意种子的破碎,及时进行补种,避免播种率的降低。但如果同一个位置种子重复播种则会造成种子的浪费,因此需要对种子的破碎和重播进行检测。根据不同类别的种子,确定种子的体积范围为 Vmin ~ Vmax ,种子经过摄像机时通过三维处理并由计算机计算可得出种子的体积 V。当 V>Vmax 时,可认为该位置发生了种子重播,这时计算机自动启动计数功能。当连续发生 5 次重播时,则报警系统启动,播种机停止工作,检查故障原因。当 V<Vm in时,则种子发生碎裂,计算机将需要补种的信息传递给排种装置,由排种装置中的补种器进行补种。
       播种机的漏播和种子的碎裂均需要进行补种。补种器与排种器均采用窝眼式排种器,并由步进电动 机进行驱动。为了保证电动机的快速启动,能够及时地对每个需要补种的位置进行补种,对步进电动机的 控制性能进行了数学分析。
       由于自电感和互电感对两相混合式步进电动机影响较小,因此可忽略不计。以 M 相为参考相,则补种设备电动机的电压平衡方程[7]为
 

       其中,Um、Un 、Im、In 分别为电动机M、N 相电压和相电流; Rm、Rn 分别为电动机 M、N 相电阻和绕组自感;Kω 为力矩常数; θ 为角位移; Zr 为转子齿数。
补种器的电动机转子力矩为

       
其中,J 为电动机转子总惯量; B  为粘滞摩擦因数; T为负载转矩。
       由传感器对漏播到补种时转子所转角度进行测量后传递给计算机,计算机将信号传递给电动机进行补偿转角,实现补种,从而达到精确补偿的目的。
三、性能测试和试验分析
       为了验证播种机系统的可靠性,对播种机的报警系统和播种系统进行了验证,主要包括以下两方面:①播种机正常工作时,通过人为制造设备故障,确认报警系统是否正常工作; ②人工确定种子数量,将玉米和小麦种子在选定的试验田里进行播种试验,确定漏播、碎裂、重播和合格数,评估播种机的可靠性。
1、报警系统试验结果对播种机的报警系统进行试验,分别对卡种和连续重播 5 次进行了 50 次试验,结果如表 1 所示。
项目 试验次数/ 次 报警次数
连续重播 5 次 50 指示灯亮 49 次
报警声响 49 次
 
卡种 50 指示灯亮 50 次报警声响 50 次

                                                              









表 1   报警系统试验结果
     由表 1 可以看出: 报警系统对卡种的报警率达到了 100%,对漏播的报警率达到了 98%,均达到了预期的使用效果。
2、播种试验结果
      分别选取 200 粒玉米和小麦种子进行 5 次试验, 测定漏播数、破碎数、重播数、合格数和播种机的监测 精度。试验结果如表 2 和表 3 所示。
序号 投种数 漏播数 破碎数 重播数 合格率/%
1 200 8 4 9 98.5
2 200 9 6 15 100.0
3 200 6 3 7 99.0
4 200 7 4 10 99.5
5 200 5 2 5 99.0









表 2 玉米种子试验结果
序号 投种数 漏播数 破碎数 重播数 合格率/%
1 200 6 5 11 100.0
2 200 4 3 3 98.0
3 200 8 4 9 98.5
4 200 6 3 8 99.5
5 200 3 2 5 100.0











表 3 小麦种子试验结果
       由表 2、表 3 可以看出: 播种机能够适应不同类别的种子,播种合格率均在  98% 以上,精度满足播种机的工作要求;  播种机不仅能够有效、直观地监控播种工作状态,还能够识别种子破碎和漏种,并进行补种, 有效提高了播种机的准确率和播种效率。

四、结论
1、对播种机图像进行了三维可视化处理,采用三角测量的方法对采集的图像进行三维重建,能够从各个角度清晰地观察播种机的播种状态。
2、采用光电传感器和三维可视化结合的方法对播种机的漏播、破碎和合格数进行识别,以快速、准确地实现对破碎和漏播区域进行补种。
3、 测试实验结果表明: 该播种机满足使用要求,能够使用不同类别的种子,播种准确率和精度较高。 
参考文献:
[1]   张德文,李林,王惠民.紧密播种机械[M].北京: 中国农业出版社,1982.
[2]   井河清. 气动精密排种器的研究[J]. 日本农业机械学会志,1990( 6) : 35-43.
[3]   朱庆生,罗大江,葛亮.基于多幅图像的三维重建[J].计算机工程与设计,2010,31( 10) : 2351-2353.
[4] 崔清亮,秦刚,王明富. 几种典型精密排种器的对比分析
[J].山西农业大学学报,2003,23( 1) : 69-71.
[5] 王付新,黄毓余,梦锶.三维重建中特征点提取算法的研究与实现[J].工程图学学报,2000( 3) : 91-93.
[6]   马成林.播种精度理论基础[M]. 长春: 吉林科学技术出版社,1999.
[7] 吴南,林静,李宝筏,等. 免耕播种机漏播补偿系统设计与试验[J].农业机械学报,2017( 10) : 1-5.

 

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