曹 葉，王旭峰，王 龍，趙鵬飛，楊廣召，郭文松※

（1.塔里木大學(xué)信息工程學(xué)院，新疆 阿拉爾843300；2.塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院）

0 引言

新疆是我國(guó)最大的優(yōu)質(zhì)棉生產(chǎn)基地，數(shù)據(jù)顯示，2012～2019年，新疆省的棉花年產(chǎn)量比我國(guó)其余所有省的產(chǎn)量總和還高，且產(chǎn)量逐年增長(zhǎng)，如圖1。棉花產(chǎn)業(yè)是新疆經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要組成部分[1]。

影響棉花產(chǎn)量的首要環(huán)節(jié)就是播種，播種質(zhì)量的好壞會(huì)影響到棉花的出苗率，進(jìn)而影響棉花產(chǎn)量。目前追求的播種是精量播種，精量播種最主要的方式之一是穴播。本文對(duì)穴播器排種性能檢測(cè)方法進(jìn)行了研究分析，并對(duì)機(jī)器視覺(jué)技術(shù)檢測(cè)穴播器提出了展望。

1 精量穴播器的原理和特點(diǎn)

精量播種，就是指播種深度、播種粒數(shù)和播種間距按照精確的參數(shù)，控制一穴多?；蛘邌瘟＞2]。按工作原理分，棉花精量穴播器比較適合的排種器是機(jī)械式和氣力式兩種。

機(jī)械式排種器又可以分為水平圓盤式、勺輪式、指夾式等幾種，主要依靠容腔實(shí)現(xiàn)種子的充種、排種和清種的環(huán)節(jié)。

水平圓盤式穴播器，在排種工作時(shí)，依靠棉種自身重力填充到旋轉(zhuǎn)的排種盤型孔中，在排種盤的轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，隨著排種盤轉(zhuǎn)到排種口時(shí)，在棉種自身重力和推種器的作用下完成排種，由于水平圓盤式排種器結(jié)構(gòu)的特殊性，在棉種進(jìn)入型孔后，由于需要經(jīng)過(guò)刮種器和推種器將其排出，期間必然會(huì)造成一些種子出現(xiàn)破損的可能性[3]，如圖2。

與水平圓盤式穴播器相比，勺輪式的穴播器在排種時(shí)對(duì)棉種的外形、尺寸要求不是十分嚴(yán)格。其容腔主要是依靠舀勺完成的，穴播器開始轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，當(dāng)排種盤通過(guò)充種口時(shí)，小舀勺會(huì)取1-2 粒種子，當(dāng)舀勺到達(dá)排種器的頂端時(shí)，舀勺垂直傾倒并依靠棉種重力，在隔板開口落入與小勺同步轉(zhuǎn)動(dòng)的倒種葉輪的槽內(nèi)，種子隨著穴播器的轉(zhuǎn)動(dòng)，跟隨葉輪的槽一起轉(zhuǎn)動(dòng)到排種器的底部，完成每一次的排種[4]，如圖3。

指夾式穴播器在通電后，隨著排種器的轉(zhuǎn)動(dòng)，棉種會(huì)落到指夾里邊，指夾在感受到棉種的重力后，會(huì)將棉種夾持住，與勺輪式穴播器相比，棉種不會(huì)隨著穴播裝置的震動(dòng)而掉落，在很大程度上降低了漏播率，提高了播種的精度，但是指夾的夾持范圍和松緊程度都會(huì)影響種子的破損率，如圖4。

2 精量穴播器排種性能檢測(cè)方法及其研究現(xiàn)狀

2.1 人工數(shù)種檢測(cè)法及其研究現(xiàn)狀

人工數(shù)種檢測(cè)方法包括裸眼直接觀測(cè)法[5]、人工黃油粘膠帶法[6]、傳送帶排放沙土法[7]和直接鋪放草坪輸送帶法[8]。

裸眼直接觀測(cè)法是在排種器低速工作時(shí)，通過(guò)人眼直接觀察與記錄排種效果，這種方法是最直接、最有效的，可以發(fā)現(xiàn)大部分設(shè)計(jì)缺陷。美國(guó)北卡羅萊納州立大學(xué)[9]曾經(jīng)使用裸眼觀測(cè)法，發(fā)現(xiàn)當(dāng)排種頻率達(dá)到一定程度時(shí)，人眼已經(jīng)觀察不到排種部件的工作情況，需借助于其他手段來(lái)完成（圖5）。

人工黃油粘膠帶法檢測(cè)時(shí)是通過(guò)在勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的傳送膠帶上涂上黃油，使棉種能夠落在黃油上，防止棉種落在傳送帶上飛濺，導(dǎo)致最終檢測(cè)結(jié)果不準(zhǔn)確。首先在充種口加入適量棉種，打開電源開關(guān)，穴播器開始轉(zhuǎn)動(dòng)后，排種器也隨著穴播器一起轉(zhuǎn)動(dòng)并在每一穴位攜帶由充種口落下來(lái)的棉種，繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，直到攜帶棉種的穴位到達(dá)最底部，在底部擋板處鴨嘴打開，棉種落到橡膠傳送帶上，并隨著傳送帶繼續(xù)向前移動(dòng)。前蘇聯(lián)基洛夫斯克農(nóng)機(jī)研究所[10]采用過(guò)這種方法，德國(guó)貝克公司[11]和英國(guó)德斯坦翰公司[12]采用噴涂機(jī)油的帆布帶式排種器試驗(yàn)臺(tái)。貝克公司的試驗(yàn)臺(tái)還設(shè)有自動(dòng)噴油和刮油裝置，省掉了人工涂油和清種工序。

傳送帶排放沙土法的原理和人工黃油粘膠帶法一樣，原理是在排種器前多安裝一個(gè)排沙裝置。1974年，張波屏[13]等設(shè)計(jì)的移動(dòng)式排種器試驗(yàn)臺(tái)，首次采用沙盤固種，這種方式優(yōu)點(diǎn)是可以避免黃油帶來(lái)的污染，清種方便，種子可以重復(fù)使用，不會(huì)造成種子的浪費(fèi)，可實(shí)現(xiàn)無(wú)極調(diào)速、操作方便，獲取試驗(yàn)數(shù)據(jù)容易；但該設(shè)備先進(jìn)、成本高，同時(shí)沙盤長(zhǎng)度受條件的限制。

直接鋪放草坪輸送帶法是前幾種方法的改進(jìn)，主要改進(jìn)部位是輸送帶，把傳統(tǒng)的人工黃油粘膠帶式的傳輸帶和排沙裝置類的傳輸帶換成草坪傳輸帶，新疆塔里木大學(xué)機(jī)械電器工程學(xué)院團(tuán)隊(duì)[14]采用了5 種傳輸帶，包括綠色草坪帶、黑色光面帶、墨綠色光面帶、灰色纖維帶和白色亞光帶，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比分析，選出了1條對(duì)試驗(yàn)觀察影響最小的傳輸帶。直接鋪放草坪傳輸帶的優(yōu)點(diǎn)是避免了人工清理黃油或者清理沙子的麻煩，種子也不會(huì)浪費(fèi)，可重復(fù)使用；但是每次試驗(yàn)需要人工更換輸送帶，并且由于傳輸帶的材質(zhì)和顏色不同，會(huì)導(dǎo)致判斷效率不同，選擇種子合格率效率最高的1 條傳輸帶需要試驗(yàn)驗(yàn)證和分析，也會(huì)造成時(shí)間的浪費(fèi)，同時(shí)還受到草坪帶長(zhǎng)度的限制。穴播機(jī)試驗(yàn)檢測(cè)裝置通過(guò)人工判斷每穴排出棉種的數(shù)量是否正確、穴距是否相同。

人工檢測(cè)穴播器排種性能的方法簡(jiǎn)單、便于觀察、更加直觀、容易獲取數(shù)據(jù)。但試驗(yàn)測(cè)試時(shí)獲取數(shù)據(jù)需要觀察員、記錄員等較多的人工，而且耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)。由于裝置的振動(dòng)，種子在傳輸過(guò)程中會(huì)發(fā)生偏離，造成試驗(yàn)結(jié)果會(huì)有一定的誤差，而且試驗(yàn)樣本會(huì)受到傳送帶長(zhǎng)度的限制，人為因素影響大。

2.2 光電傳感器檢測(cè)法及其研究現(xiàn)狀

光電檢測(cè)技術(shù)是光學(xué)與電子學(xué)相結(jié)合而產(chǎn)生的一門新興的檢測(cè)技術(shù)[15]，當(dāng)種子從排種器排出，通過(guò)導(dǎo)種管兩側(cè)的光電傳感器時(shí)會(huì)產(chǎn)生電脈沖信號(hào)，通過(guò)記錄兩個(gè)脈沖之間的時(shí)間間隔來(lái)判斷種子間的間隔，進(jìn)而達(dá)到檢測(cè)穴播器排種性能的目的，光電傳感器檢測(cè)法如圖6。

Y.Lan;M.F.Kocher;J.A.Smith應(yīng)用光電傳感器檢測(cè)方法對(duì)播種機(jī)排種器的粒距進(jìn)行了檢測(cè)，該光電傳感器系統(tǒng)由一個(gè)124×92mm 的矩形光電門模塊和24個(gè)直徑3mm 光電晶體管組成，檢測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)與人工檢測(cè)粒距誤差在0.64[16]，試驗(yàn)快速確定了種子間的粒距和排種的均勻性。Panning等[17]使用田間甜菜種子定位方法和涉及光電傳感器系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室方法，評(píng)估了五種播種機(jī)配置在3 種田間速度下的精度系數(shù)種子間距的均勻性。

劉亞明等[18]采用光電傳感器和旋轉(zhuǎn)編碼器共同計(jì)數(shù)，測(cè)得的排種率與人工統(tǒng)計(jì)排種率基本吻合。史智興等[19]采用紅光半導(dǎo)體激光二極管（RLD）和硅光電池構(gòu)造了一種高覆蓋率的排種傳感器。實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同體積的種子較高準(zhǔn)確率的檢測(cè)。

光電效應(yīng)法的優(yōu)點(diǎn)是自動(dòng)化程度高、檢測(cè)速度快，并可以連續(xù)采集大量數(shù)據(jù)，同時(shí)對(duì)漏播檢測(cè)準(zhǔn)確性好。缺點(diǎn)是兩顆以上種子同時(shí)通過(guò)時(shí)難以區(qū)別，因而重播檢測(cè)準(zhǔn)確性較差，同時(shí)當(dāng)檢測(cè)速度快時(shí)容易產(chǎn)生誤差[20]。另外，為了使種子穿過(guò)光電傳感器的檢測(cè)區(qū)域，試驗(yàn)時(shí)排種器需要安裝輸種管，而排出的種子在通過(guò)排種管時(shí)受到管壁的碰撞與摩擦等影響，易改變下落時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，不能準(zhǔn)確再現(xiàn)其排種規(guī)律。

2.3 高速攝像檢測(cè)法及其研究現(xiàn)狀

高速攝像法是利用高速攝影儀搭建拍攝系統(tǒng)，記錄排種器種子下落的過(guò)程，然后將排種過(guò)程一張張的呈現(xiàn)在圖像上，再通過(guò)圖片慢速重現(xiàn)排種的過(guò)程，然后通過(guò)圖像處理與相關(guān)計(jì)算公式判斷種子排出的合格性，高速攝影檢測(cè)法如圖7。

Karayel[21]研究了利用高速攝像機(jī)測(cè)量排種器播種均勻性和播種速度的方法。

胡少興等[22]采用由工業(yè)相機(jī)和平面鏡組成的光電傳感器檢測(cè)系統(tǒng)，進(jìn)行穴播器排種性能檢測(cè)。廖慶喜[23]針對(duì)光電傳感器不能判斷因種子缺陷或破碎而引起的漏播現(xiàn)象提出以高速攝像技術(shù)彌補(bǔ)光電傳感器的這種缺陷，提高了檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，同時(shí)通過(guò)高速攝影反映了種子的破碎特征。陳進(jìn)等[24]運(yùn)用高速攝像系統(tǒng)對(duì)精量排種器的種子排種過(guò)程進(jìn)行圖像采集，提出了根據(jù)種子面積和質(zhì)心位置特征值檢測(cè)精密排種器性能的方法。

采用高速攝影法能真實(shí)反映排種器種子破碎特征和排種均勻性，并能提高檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性以及可信度。但是高速攝影法也存在成本高、操作復(fù)雜等缺點(diǎn)。另外，高速攝影儀存在原理誤差，攝影條件較差時(shí)圖片質(zhì)量不高。

2.4 機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)法及其研究現(xiàn)狀

近幾年，隨著人工智能與機(jī)器學(xué)習(xí)的興起，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)也日臻成熟，逐漸應(yīng)用于火車檢測(cè)、鐵路、醫(yī)藥方面、缺陷檢測(cè)以及農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品的檢測(cè)中。精量穴播器的排種性能檢測(cè)也不例外[25]。以前排種性能的檢測(cè)方法包括人工數(shù)種檢測(cè)法，光電效應(yīng)檢測(cè)法，高速攝影檢測(cè)法。近幾年機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)法由于具有高效性準(zhǔn)確性以及可靠非接觸式無(wú)損等優(yōu)點(diǎn)吸引了更多研究者的關(guān)注，機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)法如圖8。

Adrian A.Borja 等[26]針對(duì)菲律賓缺少播種資源的情況，研究并設(shè)計(jì)了氣動(dòng)式玉米播種機(jī)。通過(guò)機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)法和機(jī)電一體化驅(qū)動(dòng)器控制系統(tǒng)結(jié)合應(yīng)用到玉米播種機(jī)上，準(zhǔn)確快速的檢測(cè)到玉米播種的漏播等不合格現(xiàn)象。

Zazueta，J.Kin，S.Ninomiya 和G.Schiefer 提出了一種集機(jī)器視覺(jué)、模式識(shí)別和自動(dòng)控制于一體的播種精度檢測(cè)方法。開發(fā)了基于機(jī)器視覺(jué)的谷物播種機(jī)性能測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)，編制了相應(yīng)的軟件包，對(duì)排種器排出的種子圖像進(jìn)行采集，從圖像背景中分割出種子，并計(jì)算出精播后兩種子之間的間距以及播種后每段長(zhǎng)度的種子數(shù)。建立了一個(gè)特殊的照明系統(tǒng)來(lái)照亮攝像機(jī)下的場(chǎng)景。設(shè)計(jì)了一種特殊的圖像拼接算法來(lái)消除序列中相鄰兩幅圖像的重疊區(qū)域[27]。

D.E.Kim，Y.S.Chang，H.H.Kim，J.G.Kim[28]研制了一種基于機(jī)器視覺(jué)的自動(dòng)播種系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了葫蘆科蔬菜大粒種子在插秧盤上的在線播種功能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)播種器排種性能的自動(dòng)檢測(cè)，最后檢測(cè)分析發(fā)現(xiàn)，機(jī)器視覺(jué)對(duì)葫蘆科蔬菜的排種檢測(cè)準(zhǔn)確性高、誤差小。

王玉順等[29]運(yùn)用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)對(duì)條播排種器性能進(jìn)行自動(dòng)化檢測(cè)。以小麥為研究對(duì)象，通過(guò)與人工檢測(cè)法進(jìn)行對(duì)照分析，發(fā)現(xiàn)小麥樣本結(jié)果與機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)法有80%是擬合的，說(shuō)明機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)方法可以滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。趙鄭斌等[30]針對(duì)穴盤精量播種中重播、漏播、播種性能不穩(wěn)定等問(wèn)題，采用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)檢測(cè)精量播種機(jī)的排種性能。得出穴盤播種器的重播率檢測(cè)精度為98.94%，漏播率檢測(cè)精度為99.33%，蔡曉華等[31]在此基礎(chǔ)上增加了排種粒距的實(shí)時(shí)檢測(cè)指標(biāo)，之后安愛(ài)琴等[32]通過(guò)CCD 攝像機(jī)直接拍攝動(dòng)態(tài)種子流，對(duì)獲取的樣本進(jìn)行背景去除、二值化、圖像平滑、特征量提取、圖像標(biāo)定等處理，檢測(cè)出排種器的性能指標(biāo)。徐彥蘭等[33]開發(fā)了自動(dòng)化的排種器試驗(yàn)檢測(cè)系統(tǒng)，基于種子坐標(biāo)檢測(cè)和平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程的穴播排種器排種質(zhì)量機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)法，闡述了該機(jī)器視覺(jué)穴播排種器的試驗(yàn)?zāi)康摹⒃囼?yàn)檢測(cè)系統(tǒng)、試驗(yàn)設(shè)計(jì)以及試驗(yàn)實(shí)施。該試驗(yàn)檢測(cè)系統(tǒng)是以機(jī)器視覺(jué)方式采集了穴播種子流的12 組序列圖像樣本，其呈現(xiàn)漏播、單粒播、二粒播、三粒播等多形態(tài)排種的豐富組合，基本代表可能產(chǎn)生的種子流類型。聶永芳等[34]將機(jī)器視覺(jué)技術(shù)運(yùn)用于條播排種器的性能檢測(cè)，是條播排種器性能檢測(cè)的一種新方法。以手工處理的結(jié)果為參照，分析視覺(jué)檢測(cè)精度，結(jié)果表明，程序結(jié)果與手工結(jié)果大約80%是擬合的，說(shuō)明機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)方法可以滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。張小明[35]等采用自動(dòng)控制技術(shù)、機(jī)器視覺(jué)技術(shù)與傳感器融合技術(shù)相結(jié)合的方法，利用液壓控制系統(tǒng)和自動(dòng)控制系統(tǒng)技術(shù)研究開發(fā)基于機(jī)器視覺(jué)的多功能排種器性能檢測(cè)平臺(tái)，提升了播種機(jī)的播種精度，實(shí)現(xiàn)了適用于機(jī)械式和氣力式兩大類型排種器性能的檢測(cè)。郭亞靜[36]采用虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)，能夠在條播、穴播和精播3 種方式下進(jìn)行排種性能檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)械播種器的合格率、重播率和漏播率的準(zhǔn)確計(jì)算。譚穗妍[37]對(duì)超級(jí)雜交稻秧盤育秧精量排種性能檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了研究，提出了一種基于機(jī)器視覺(jué)和嵌入式機(jī)器視覺(jué)的秧盤育秧精量播種性能檢測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了秧盤每秧穴播種量的精量檢測(cè)。

基于機(jī)器視覺(jué)的檢測(cè)方法用機(jī)器或計(jì)算機(jī)代替人的眼睛和大腦，直接得到物體的圖像，具有自動(dòng)化程度高、使用方便、可連續(xù)獲取大量數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理分析速度快等優(yōu)點(diǎn)，目前已得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

3 精量穴播器排種檢測(cè)裝置的發(fā)展趨勢(shì)和存在的問(wèn)題

3.1 發(fā)展趨勢(shì)

近年來(lái)，隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)與圖像處理技術(shù)在各大行業(yè)上都得到了廣泛的應(yīng)用。圖像處理技術(shù)的最大特點(diǎn)是可以用機(jī)器來(lái)代替人的眼睛，在檢測(cè)技術(shù)中達(dá)到準(zhǔn)確和高效的發(fā)展。通過(guò)對(duì)圖像進(jìn)行各種算法的處理，使機(jī)器能夠達(dá)到對(duì)事物的感知和檢測(cè)。目前，國(guó)內(nèi)采用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)檢測(cè)穴播器排種性能的研究還比較少，但這將是穴播器排種性能檢測(cè)手段的發(fā)展趨勢(shì)[38-39]。

3.2 存在的問(wèn)題

人工數(shù)種檢測(cè)法存在的問(wèn)題是檢測(cè)速度慢，而且需要大量的人力物力，還有可能出現(xiàn)人為客觀因素造成的錯(cuò)誤。光電傳感器檢測(cè)法主要是當(dāng)穴播器高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)將無(wú)法準(zhǔn)確判斷漏種、重播情況。高速攝影檢測(cè)法成本太高。機(jī)器視覺(jué)技術(shù)對(duì)測(cè)量條件和環(huán)境要求較高，在實(shí)驗(yàn)室對(duì)穴播器的排種性能進(jìn)行檢測(cè)，相當(dāng)于給定了一個(gè)理想的環(huán)境條件，但在田間檢測(cè)試驗(yàn)，農(nóng)田生產(chǎn)環(huán)境惡劣、應(yīng)用場(chǎng)合變化較多，針對(duì)不同的農(nóng)田環(huán)境和不同的種子進(jìn)行檢測(cè)，都需要開發(fā)不同的處理算法，因此使得機(jī)器視覺(jué)技術(shù)對(duì)穴播器排種性能檢測(cè)的環(huán)境適應(yīng)性和可靠性較差。由于棉種的種類并不只有一種，而且同一種棉種的大小、形狀等特征也各不相同，因此機(jī)器視覺(jué)對(duì)棉種的大小、有損檢測(cè)和特征提取方面還存在一定的不足。對(duì)于一些背景顏色或形狀特征不明顯種子的檢測(cè)還需要研究更高精度的檢測(cè)算法。

4 總結(jié)

文中對(duì)排種性能4 種檢測(cè)方法及其研究現(xiàn)狀進(jìn)行了詳細(xì)分析。提出了機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)法，機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)法通過(guò)搭建硬件拍照系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、聲光報(bào)警系統(tǒng)等，將采集到的圖像在視覺(jué)軟件中進(jìn)行圖形處理，來(lái)判斷穴播器的排種性能。機(jī)器視覺(jué)技術(shù)代替人眼結(jié)果更加高效、準(zhǔn)確，機(jī)器視覺(jué)排種的檢測(cè)法將有著很大的前景。

穴播器的排種性能的檢測(cè)手段從人工檢測(cè)到機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)和圖像處理技術(shù)的應(yīng)用，檢測(cè)性能有了很大的提高，為了能更精確、高效地檢測(cè)精密排種器的性能，達(dá)到能檢測(cè)精密排種器的各項(xiàng)指標(biāo)，還得進(jìn)一步地研究種子從排種口排出到落地的一系列的動(dòng)態(tài)隨機(jī)因素。