楊 碩 王 秀 高原源 陳立平 翟長(zhǎng)遠(yuǎn) 竇漢杰

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，北京 100083； 2.北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心，北京 100097；3.江蘇大學(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212013)

0 引言

目前玉米主要種植方式為精密播種，依據(jù)最優(yōu)播量均勻播種是保證玉米產(chǎn)量的首要環(huán)節(jié)[1-2]。受排種器類型[3-4]、排種驅(qū)動(dòng)方式[5-6]、播種作業(yè)速度[7-8]等因素影響，玉米精密播種機(jī)需根據(jù)播量變化調(diào)整播種速率，從而引起播種均勻性能的改變。播種作業(yè)時(shí)種子位于土壤層下，這給播種均勻性評(píng)估帶來困難。玉米精密播種均勻性監(jiān)測(cè)技術(shù)為上述問題提供了解決方案[9]。

根據(jù)應(yīng)用環(huán)境差別，播種均勻性監(jiān)測(cè)主要包括實(shí)驗(yàn)室靜態(tài)排種器監(jiān)測(cè)[10-11]和田間車載在線監(jiān)測(cè)[12-14]。實(shí)驗(yàn)室靜態(tài)排種器監(jiān)測(cè)主要通過圖像處理和排種監(jiān)測(cè)傳感器探測(cè)加以實(shí)現(xiàn)。該方法效果直觀、粒距測(cè)量準(zhǔn)確，比較有代表性的是黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院研制的JPS-12型排種器試驗(yàn)臺(tái)[15]。由于需要對(duì)裸露在傳送帶上的種子圖像進(jìn)行采集，導(dǎo)致排種測(cè)試平臺(tái)體積較大，使田間在線作業(yè)的發(fā)展前景受限。學(xué)者們開始利用傳感器探測(cè)種子在導(dǎo)種管內(nèi)落種狀態(tài)或排種盤上的種子位置，對(duì)排種品質(zhì)進(jìn)行間接評(píng)價(jià)，典型的有Precision Planting公司生產(chǎn)的MeterMax型排種器檢測(cè)儀[16]和中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的玉米精量排種器自動(dòng)檢測(cè)儀[17-18]。播種監(jiān)測(cè)傳感器體積小，易于在車載精密播種機(jī)上實(shí)施。為了對(duì)玉米精密播種機(jī)播種品質(zhì)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，文獻(xiàn)[19]對(duì)玉米精密播種機(jī)故障報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行了研究，田間試驗(yàn)得出，系統(tǒng)對(duì)漏播粒數(shù)的監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率大于92.11%；文獻(xiàn)[20]通過優(yōu)化探頭分布和布置形式，對(duì)播種監(jiān)測(cè)傳感器進(jìn)行了改進(jìn)，系統(tǒng)對(duì)漏播量的平均監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率為95.1%；文獻(xiàn)[21]設(shè)計(jì)了采集排種轉(zhuǎn)速的光電編碼器和監(jiān)測(cè)氣吸排種器吸種信息的光電傳感器，提高了漏播量的監(jiān)測(cè)精度，系統(tǒng)監(jiān)測(cè)值與真實(shí)值相對(duì)誤差平均值為3.87%；文獻(xiàn)[22]通過壓電傳感器監(jiān)測(cè)落種狀態(tài)，對(duì)漏播監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率達(dá)到96.1%，并運(yùn)用遠(yuǎn)程信息傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)播種質(zhì)量的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。

目前，針對(duì)漏播指數(shù)、合格指數(shù)和重播指數(shù)的監(jiān)測(cè)研究解決了條段漏播監(jiān)測(cè)問題，而合格指數(shù)作為一個(gè)宏觀指標(biāo)，無法對(duì)處于合格粒距范圍內(nèi)的粒距偏差進(jìn)行精準(zhǔn)評(píng)價(jià)[23]。玉米精密播種機(jī)播量分布不準(zhǔn)確對(duì)產(chǎn)量的影響較大，根據(jù)GB/T 6973—2005標(biāo)準(zhǔn)，合格粒距范圍在0.5～1.5倍標(biāo)準(zhǔn)粒距之間，處于合格粒距范圍內(nèi)的粒距偏差，對(duì)播量的影響仍然較大。為監(jiān)測(cè)粒距情況，傳統(tǒng)方法是播種前由有經(jīng)驗(yàn)的農(nóng)機(jī)作業(yè)者進(jìn)行試播種，播種后將種子覆土撥開，測(cè)量連續(xù)幾組粒距，根據(jù)目標(biāo)粒距與真實(shí)值的偏差對(duì)播種機(jī)播種粒距設(shè)置進(jìn)行調(diào)整。該方法無法解決在線粒距偏差的監(jiān)測(cè)問題，從而造成了播種均勻性差異，影響了產(chǎn)量[24]。

針對(duì)上述問題，本文設(shè)計(jì)玉米精密播種機(jī)播種粒距在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過落種監(jiān)測(cè)傳感器探測(cè)落種時(shí)間間隔，與實(shí)時(shí)作業(yè)速度相融合，在線獲得播種粒距，通過優(yōu)化算法提高播種粒距在線監(jiān)測(cè)精度并對(duì)播種作業(yè)過程中的粒距誤差進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，以期提高玉米精密播種均勻性監(jiān)測(cè)精度，實(shí)現(xiàn)漏播預(yù)警。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)車載在線玉米精密播種粒距等播種重要參數(shù)監(jiān)測(cè)，針對(duì)氣吸式玉米精密播種機(jī)，設(shè)計(jì)了播種粒距在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(圖1)。該系統(tǒng)主要由排種監(jiān)測(cè)ECU(Electronic control unit)、車載計(jì)算機(jī)和相關(guān)傳感器組成，各部分通過通信線、信號(hào)線和電源線進(jìn)行電氣連接，完成信息交換。其中，電源線用于對(duì)各設(shè)備供電連接，電源為DC12V車載蓄電池，排種監(jiān)測(cè)ECU內(nèi)部集成基于LM2596S芯片的DC12V轉(zhuǎn)DC5V的穩(wěn)壓模塊；為防止開斷電時(shí)電壓峰波對(duì)車載計(jì)算機(jī)供電穩(wěn)定性的影響、保證排種監(jiān)測(cè)傳感器的電壓的穩(wěn)定性，單獨(dú)搭建XW-1224-5型寬壓穩(wěn)壓模塊進(jìn)行供電；其余傳感器通過DC12V車載蓄電池直接供電。通信線采用CAN通信網(wǎng)絡(luò)，參照ISO 11783進(jìn)行協(xié)議設(shè)計(jì)，利于系統(tǒng)擴(kuò)展[25]；信號(hào)線主要包括氣壓傳感器通信線、落種監(jiān)測(cè)傳感器信號(hào)線以及車速編碼器信號(hào)線，信號(hào)由排種監(jiān)測(cè)ECU進(jìn)行集中解算；排種監(jiān)測(cè)ECU基于STM32F105RBT6芯片設(shè)計(jì)，通過串口轉(zhuǎn)RS485模塊與氣壓傳感器通信，獲取風(fēng)機(jī)出口壓力，針對(duì)壓力異常進(jìn)行報(bào)警；落種監(jiān)測(cè)傳感器采用紅外對(duì)射的原理，通過落種改變對(duì)射光路，使得紅外接收端接收光強(qiáng)發(fā)生變化，經(jīng)信號(hào)放大處理后形成脈沖信號(hào)，控制器通過PC817型光耦隔離芯片讀取基于紅外對(duì)射的落種監(jiān)測(cè)傳感器信號(hào)，獲取穩(wěn)定的落種脈沖信號(hào)，計(jì)算排種參數(shù)；通過中斷輸入端口讀取安裝于地輪上的車速編碼器信號(hào)，計(jì)算車速；接收CAN網(wǎng)絡(luò)報(bào)文，對(duì)播種粒距、播種壓力、車速等信息進(jìn)行融合，依據(jù)既定協(xié)議傳輸至CAN網(wǎng)絡(luò)。

車載計(jì)算機(jī)采用Win7系統(tǒng)，用于運(yùn)行粒距在線監(jiān)測(cè)與預(yù)警軟件，通過USB2.0接口與USB/CAN轉(zhuǎn)換模塊連接至總線，與總線搭載的下位機(jī)進(jìn)行通信，對(duì)播種機(jī)播種粒距狀態(tài)進(jìn)行顯示、記錄，當(dāng)氣壓下降異常、播種粒距異常等狀況發(fā)生時(shí)，向用戶進(jìn)行報(bào)警。通過上述硬件組成、線束設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)能夠滿足車載穩(wěn)定作業(yè)的要求，進(jìn)而通過軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)氣吸式玉米精密播種機(jī)粒距誤差的監(jiān)測(cè)及漏播預(yù)警。

1.2 播種粒距監(jiān)測(cè)程序設(shè)計(jì)

玉米精密播種的在線粒距獲取程序主要由排種監(jiān)測(cè)ECU完成。通過間隔落種時(shí)間與作業(yè)車速2個(gè)因素對(duì)粒距進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)。首先，獲取玉米精密播種的作業(yè)車速，為了滿足播種粒距的準(zhǔn)確在線測(cè)量，車速的測(cè)量需要更新頻率快、數(shù)值準(zhǔn)確。通過地輪測(cè)速的方式測(cè)量車速v，更新頻率為2 Hz，車速編碼器選擇較高分辨率1 024 p/r，同時(shí)，為了盡可能消除地輪直徑測(cè)量誤差、滑移率等的影響，引入校核系數(shù)，計(jì)算公式為

(1)

式中μ——校核系數(shù)

Q——車速編碼器脈沖累計(jì)數(shù)

D——地輪直徑，m

F——車速編碼器分辨率，p/r

ΔT——車速更新周期，s

μ的確定方法為：針對(duì)新的作業(yè)地塊，使玉米精密播種機(jī)帶動(dòng)地輪轉(zhuǎn)動(dòng)作業(yè)一定距離lA(m)，記錄距離lA內(nèi)車速編碼器輸出的脈沖數(shù)Qt，計(jì)算公式為

(2)

落種監(jiān)測(cè)傳感器將落種狀態(tài)轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)，系統(tǒng)通過監(jiān)測(cè)脈沖信號(hào)的上升沿，對(duì)2個(gè)相鄰脈沖時(shí)間Δtk(s)進(jìn)行計(jì)時(shí)(圖2)。玉米精密排種器正常工作時(shí)，具有隨機(jī)的單粒漏播現(xiàn)象，使得通過單一粒距的監(jiān)測(cè)來反映播種粒距的方法存在粒距異常值，而出現(xiàn)誤報(bào)警。

為了消除異常值，更好地預(yù)測(cè)播種粒距的變化趨勢(shì)，對(duì)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的播種粒距進(jìn)行移動(dòng)平均處理，則粒距監(jiān)測(cè)值計(jì)算公式為

(3)

式中Gm——粒距監(jiān)測(cè)值，cm

n——移動(dòng)平均處理周期數(shù)

vk——對(duì)應(yīng)脈沖間隔內(nèi)車速，km/h

依據(jù)n，程序?qū)ΡO(jiān)測(cè)到的落種脈沖時(shí)間間隔進(jìn)行更新，剔除舊值，本文確定n取10。此外，為達(dá)到漏播快速監(jiān)測(cè)，由前期試驗(yàn)得出，玉米精密排種器正常播種時(shí)，連續(xù)漏播的粒數(shù)一般小于等于3粒，當(dāng)滿足

(4)

式中Gt——目標(biāo)粒距，cm

程序停止移動(dòng)平均處理，令Gm=3Gt，直至不滿足式(4)的條件，解除報(bào)警，繼續(xù)對(duì)粒距進(jìn)行移動(dòng)平均處理。氣體壓力讀取通過串口發(fā)送讀取指令，氣壓傳感器通信遵循標(biāo)準(zhǔn)Modbus RTU協(xié)議，接收到讀取壓力指令后自動(dòng)反饋，排種監(jiān)測(cè)ECU通過解析壓力指令獲取壓力。完成上述計(jì)算后，排種監(jiān)測(cè)ECU將粒距監(jiān)測(cè)值、車速、氣壓、排種粒數(shù)，按照1 Hz的頻率上傳至CAN網(wǎng)絡(luò)，由車載計(jì)算機(jī)接收。

1.3 播種粒距預(yù)警程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)對(duì)播種粒距誤差的預(yù)警主要通過玉米精密播種粒距在線監(jiān)測(cè)軟件實(shí)現(xiàn)，通過對(duì)播種粒距的在線監(jiān)測(cè)，獲得播種粒距誤差，在漏播發(fā)生之前，提前發(fā)現(xiàn)播種粒距的異常狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)播種漏播的預(yù)警，保證玉米精密播種作業(yè)過程中播種量的均勻性。該軟件依托車載計(jì)算機(jī)運(yùn)行，采用VS2010軟件MFC框架編寫，軟件主界面如圖3所示。

軟件界面依據(jù)功能可劃分為通信串口號(hào)設(shè)置、作業(yè)參數(shù)設(shè)置、作業(yè)參數(shù)監(jiān)測(cè)和粒距分析4個(gè)區(qū)域。其中，通信串口號(hào)設(shè)置區(qū)用于設(shè)備通信時(shí)工作串口號(hào)的選擇、開閉。參數(shù)設(shè)置區(qū)用于對(duì)播種行距、排種盤孔數(shù)、目標(biāo)粒距Gt等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，參數(shù)設(shè)置完成后，點(diǎn)擊“參數(shù)確定按鈕”，系統(tǒng)將設(shè)置參數(shù)保存至本地“InitValue.txt”文件，系統(tǒng)每次啟動(dòng)時(shí)即對(duì)初始設(shè)置參數(shù)進(jìn)行讀取。作業(yè)參數(shù)監(jiān)測(cè)包括氣壓、車速、目標(biāo)播量、單行排種量和總排種量。其中，氣壓用于監(jiān)測(cè)氣吸式播種機(jī)氣吸管路的壓力，當(dāng)壓力低于工作壓力時(shí)進(jìn)行報(bào)警，及時(shí)排除故障；單行排種量對(duì)比可以顯示出各行播種單體差異，用于對(duì)各行播種單體的播種粒數(shù)的一致性進(jìn)行監(jiān)測(cè)；總排種量用于對(duì)播種機(jī)的整體排種粒數(shù)監(jiān)測(cè)。粒距分析區(qū)域包括粒距誤差和實(shí)時(shí)粒距。實(shí)時(shí)粒距顯示排種監(jiān)測(cè)ECU傳輸?shù)腉m，當(dāng)出現(xiàn)漏播時(shí)，對(duì)應(yīng)進(jìn)度條顏色由綠色變?yōu)榧t色。粒距誤差ΔG(cm)計(jì)算公式為

ΔG=Gm-Gt

(5)

粒距誤差有正負(fù)，數(shù)值為正，表示粒距偏大，反之，則偏小。通過觀察玉米精密播種過程中粒距誤差方向，若粒距誤差持續(xù)為正，則說明粒距偏大，應(yīng)增加對(duì)應(yīng)車速下的排種速率，反之，則減小對(duì)應(yīng)車速下的排種速率。粒距誤差越大，說明實(shí)際播種粒距偏移目標(biāo)粒距越遠(yuǎn)，則播量誤差也較大。通過上述方法，實(shí)現(xiàn)漏播、播種粒距分布不準(zhǔn)確的在線監(jiān)測(cè)。

2 試驗(yàn)平臺(tái)搭建

2.1 試驗(yàn)臺(tái)

為了探究系統(tǒng)對(duì)不同型式排種器排種測(cè)量精度，選用指夾式排種器和氣吸式排種器進(jìn)行排種粒數(shù)測(cè)量精度試驗(yàn)，見圖4。通過調(diào)整落種監(jiān)測(cè)傳感器與排種口的垂直距離，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)2粒種子重播的監(jiān)測(cè)[16]，將落種監(jiān)測(cè)傳感器固定于距排種器落種口垂直高度225 mm的位置。排種器通過總線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)排種系統(tǒng)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)[25]，其中，指夾式排種器排種盤有18指，排種驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)型號(hào)為JCF76R-1280-60R，排種盤穩(wěn)定轉(zhuǎn)速范圍為8～42 r/min；氣吸式排種器排種盤孔數(shù)為26孔，排種驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)型號(hào)為AQMD3608BLS，配行星齒輪減速器，減速比為18∶1，排種盤穩(wěn)定轉(zhuǎn)速范圍為8～55 r/min。試驗(yàn)時(shí)，設(shè)定目標(biāo)粒距25 cm、行距60 cm，模擬車速在3～12 km/h，間隔1 km/h，每個(gè)模擬車速下獲取100粒左右種子進(jìn)行驗(yàn)證，試驗(yàn)重復(fù)3次，分析系統(tǒng)播種計(jì)數(shù)監(jiān)測(cè)精度。

在此基礎(chǔ)上，由于車速由總線報(bào)文獲取，粒距監(jiān)測(cè)值的精度主要取決于對(duì)落種時(shí)間間隔Δt的監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性。為了對(duì)系統(tǒng)測(cè)定的落種時(shí)間間隔準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證，利用高速攝像機(jī)(SVSI GigaView系列GVCM08-B05型)搭建了實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)臺(tái)(圖5)。試驗(yàn)臺(tái)選用指夾式排種器，選用的玉米種子為鄭單958；通過排種驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行排種；利用作業(yè)速度模擬器(輸出1～150 kHz)模擬車速編碼器信號(hào)；利用A4紙打印水平線，放置于與導(dǎo)種管出口垂直距離70 mm的位置，用于模擬水平地面；收集盒內(nèi)鋪設(shè)有防震氣泡膜，防止下落的玉米種子過度彈跳對(duì)高速攝像造成影響；計(jì)算機(jī)處理軟件為GigaView軟件，對(duì)高速攝像幀率設(shè)定為900 f/s，采集時(shí)間為12.451 s。試驗(yàn)時(shí)，目標(biāo)粒距25 cm、行距60 cm，模擬車速在3～12 km/h，以1 km/h遞增變化，通過系統(tǒng)捕獲20組落種間隔數(shù)值，并傳送至CAN網(wǎng)絡(luò)，通過控制系統(tǒng)捕獲落種的時(shí)間，使與高速攝像啟動(dòng)記錄時(shí)間保持一致。由高速攝像視頻回放確定相鄰2粒種子下落至水平位置標(biāo)志線時(shí)的時(shí)間間隔，結(jié)合模擬車速，獲得粒距真實(shí)值，與系統(tǒng)粒距監(jiān)測(cè)值對(duì)比，分析系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，對(duì)排種粒距監(jiān)測(cè)精度。

2.2 田間試驗(yàn)樣機(jī)

為了對(duì)系統(tǒng)在田間的播種粒距監(jiān)測(cè)精度進(jìn)行驗(yàn)證，基于2BFQ-6型氣吸式玉米精密播種機(jī)單體，設(shè)計(jì)了田間試驗(yàn)樣機(jī)(圖6)。將車載計(jì)算機(jī)、排種監(jiān)測(cè)ECU固定至播種機(jī)上，通過線束連接。落種監(jiān)測(cè)傳感器安裝在氣吸排種器的導(dǎo)種管上，距離落種口的垂直距離與實(shí)驗(yàn)室設(shè)置時(shí)保持一致。氣壓傳感器(CYYZ31-40-RS-14-B-G型)量程為-20～20 kPa，安裝于風(fēng)機(jī)出風(fēng)管連接處。車速編碼器(GK80K25G100BMC526型)分辨率為100 p/r，安裝于地輪轉(zhuǎn)軸上，與地輪同步轉(zhuǎn)動(dòng)。氣吸排種器排種盤孔數(shù)為26孔，采用直流無刷電動(dòng)機(jī)(AQMD3608BLS)加裝減速器(減速比為18∶1)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，通過總線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)排種系統(tǒng)進(jìn)行控制[25]。試驗(yàn)于2019年7月26日在河北省石家莊市欒城區(qū)麥茬旋耕地進(jìn)行，選用鄭單958玉米種子進(jìn)行播種，設(shè)定播種目標(biāo)粒距25 cm、行距60 cm，選擇行進(jìn)方向最左側(cè)單體作為測(cè)試單體，通過CAN分析儀監(jiān)聽總線播種車速、經(jīng)移動(dòng)平均處理的粒距監(jiān)測(cè)值報(bào)文，依次根據(jù)時(shí)間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行存儲(chǔ)，獲得粒距監(jiān)測(cè)值。首先，對(duì)車速校核系數(shù)μ進(jìn)行標(biāo)定，最終確定μ為1.24。選取2個(gè)播種車速，通過車速計(jì)算得2個(gè)車速平均值分別為5.49、8.49 km/h，標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.11、0.29 km/h。

設(shè)定試驗(yàn)區(qū)域，地塊長(zhǎng)度150 m，上述2個(gè)車速下的有效播種粒距采集距離為120 m，用卷尺測(cè)量每個(gè)試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)連續(xù)的350個(gè)播后14 d的出苗粒距(圖7)。通過車速與時(shí)間的累加獲得距離，使得粒距監(jiān)測(cè)值與出苗粒距的位置相互對(duì)應(yīng)，分析在田間環(huán)境下，系統(tǒng)對(duì)播種粒距的監(jiān)測(cè)精度。

3 試驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 排種計(jì)數(shù)監(jiān)測(cè)精度試驗(yàn)

系統(tǒng)對(duì)指夾式排種器、氣吸式排種器的播種計(jì)數(shù)監(jiān)測(cè)精度如圖8所示。由試驗(yàn)結(jié)果可得，模擬車速為3～12 km/h，以1 km/h為間隔，系統(tǒng)對(duì)指夾式排種器排種計(jì)數(shù)監(jiān)測(cè)平均準(zhǔn)確率為99.12%，標(biāo)準(zhǔn)差為0.52%；系統(tǒng)對(duì)氣吸式排種器排種計(jì)數(shù)監(jiān)測(cè)平均準(zhǔn)確率為99.71%，標(biāo)準(zhǔn)差為0.44%。系統(tǒng)對(duì)上述2種類型排種器排種計(jì)數(shù)監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率總體平均值為99.42%，標(biāo)準(zhǔn)差平均值為0.48%，說明系統(tǒng)對(duì)玉米精密播種的落種監(jiān)測(cè)具有較好精度，總體排種計(jì)數(shù)監(jiān)測(cè)誤差平均值小于1%。

3.2 實(shí)驗(yàn)室排種粒距監(jiān)測(cè)精度試驗(yàn)

利用圖5所示試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)系統(tǒng)排種粒距在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性進(jìn)行試驗(yàn)。通過高速攝像機(jī)捕獲一段時(shí)間內(nèi)排種器落種情況，采集相鄰落種圖像如圖9所示。

設(shè)相鄰落種中心點(diǎn)到達(dá)水平標(biāo)志線的時(shí)刻為t′1(圖9a)，經(jīng)排種過渡時(shí)間(圖9b),種2中心點(diǎn)到達(dá)水平標(biāo)志線的時(shí)刻為t′2(圖9c)，則相鄰落種之間的時(shí)間間隔Δt′為

Δt′=t′2-t′1

(6)

根據(jù)測(cè)定的時(shí)間間隔，乘以車速獲得基于高速攝像測(cè)定的粒距，并將該值記為粒距真實(shí)值。根據(jù)系統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)的20組相鄰落種之間的時(shí)間間隔，乘以車速，獲得粒距監(jiān)測(cè)值。將粒距真實(shí)值與粒距監(jiān)測(cè)值相減，獲得粒距監(jiān)測(cè)誤差，試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。

由圖10可得，在模擬車速3～12 km/h范圍內(nèi)，以1 km/h為間隔變化時(shí)，系統(tǒng)對(duì)粒距監(jiān)測(cè)誤差絕對(duì)值的平均值為2.34 cm，標(biāo)準(zhǔn)差為2.56 cm，波動(dòng)較大，且具有較多的異常點(diǎn)。

為了消除異常點(diǎn)，解決因排種器隨機(jī)單粒漏播、重播造成的粒距突變對(duì)系統(tǒng)粒距測(cè)量精度的影響，對(duì)粒距監(jiān)測(cè)值進(jìn)行移動(dòng)平均濾波處理，結(jié)果如圖11所示。由試驗(yàn)結(jié)果可得，粒距監(jiān)測(cè)誤差經(jīng)移動(dòng)平均處理后，異常值明顯減少，粒距監(jiān)測(cè)誤差絕對(duì)值的平均值為0.79 cm，標(biāo)準(zhǔn)差為0.62 cm。在試驗(yàn)設(shè)定的10個(gè)車速下，單車速下對(duì)應(yīng)的粒距監(jiān)測(cè)誤差絕對(duì)值的平均值最大為1.69 cm，標(biāo)準(zhǔn)差為0.23 cm。試驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)移動(dòng)平均濾波處理后，系統(tǒng)粒距監(jiān)測(cè)誤差小于2.00 cm。

3.3 田間播種粒距監(jiān)測(cè)精度試驗(yàn)

為了對(duì)系統(tǒng)田間粒距監(jiān)測(cè)精度進(jìn)行驗(yàn)證，選取2個(gè)播種機(jī)常用工作車速，進(jìn)行了粒距監(jiān)測(cè)精度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖12、13所示。由圖12可得，車速分別為5.49、8.49 km/h時(shí)，出苗粒距平均值分別為25.20、24.88 cm，標(biāo)準(zhǔn)差分別為5.00、5.49 cm;出苗粒距移動(dòng)平均濾波的平均值分別為25.28、25.02 cm，標(biāo)準(zhǔn)差分別為2.07、2.06 cm；粒距監(jiān)測(cè)平均值分別為24.28、23.82 cm，標(biāo)準(zhǔn)差分別為1.24、3.06 cm。

系統(tǒng)粒距監(jiān)測(cè)值曲線與出苗粒距曲線相比，消除了粒距尖波的數(shù)據(jù)點(diǎn)。與出苗粒距曲線相比，出苗粒距移動(dòng)平均值曲線與粒距監(jiān)測(cè)值曲線更接近，變化趨勢(shì)基本一致，在車速5.49、8.49 km/h下，平均值差值分別為1.00、1.20 cm。

由圖13可得，車速分別為5.49、8.49 km/h時(shí)，與出苗粒距移動(dòng)平均值相比，系統(tǒng)粒距監(jiān)測(cè)誤差的平均值分別為1.84、2.22 cm，標(biāo)準(zhǔn)差分別為1.61、2.13 cm，粒距監(jiān)測(cè)誤差平均值增加0.38 cm；而與出苗粒距相比，系統(tǒng)粒距監(jiān)測(cè)誤差平均值分別為3.88、4.64 cm，標(biāo)準(zhǔn)差分別為3.59、4.01 cm，粒距監(jiān)測(cè)誤差平均值增加0.76 cm。

結(jié)果說明，車速增大時(shí)，系統(tǒng)粒距監(jiān)測(cè)誤差增大，在車速5.49、8.49 km/h下，采用出苗粒距移動(dòng)平均值計(jì)算的粒距監(jiān)測(cè)誤差平均值分別降低2.04、2.42 cm，標(biāo)準(zhǔn)差分別降低1.98、1.88 cm，系統(tǒng)粒距監(jiān)測(cè)值曲線與出苗粒距移動(dòng)平均值曲線更接近。綜上結(jié)果可得，經(jīng)移動(dòng)平均處理后，系統(tǒng)粒距監(jiān)測(cè)值曲線更加平滑，消除了隨機(jī)播種粒距跳躍變化的影響；系統(tǒng)粒距監(jiān)測(cè)值與出苗粒距移動(dòng)平均值變化趨勢(shì)基本相同；車速增大時(shí)，系統(tǒng)粒距監(jiān)測(cè)精度降低。

4 結(jié)論

(1)基于CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)了玉米精密播種粒距在線監(jiān)測(cè)與漏播預(yù)警系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了基于移動(dòng)平均濾波算法的播種粒距在線監(jiān)測(cè)程序，通過對(duì)播種粒距及其誤差的在線監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)播種漏播的預(yù)警。該系統(tǒng)通過車載電源提供電能，實(shí)現(xiàn)了車載計(jì)算機(jī)與排種監(jiān)測(cè)ECU的總線通信。

(2)搭建了系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室性能試驗(yàn)臺(tái)，通過車速的變化獲得了系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下對(duì)排種計(jì)數(shù)的監(jiān)測(cè)精度和對(duì)排種粒距的監(jiān)測(cè)精度。選取指夾式精密排種器和氣吸式精密排種器，在設(shè)定粒距25 cm、行距60 cm，以及在車速3～12 km/h范圍內(nèi)，以1 km/h為間隔的10個(gè)模擬車速下，系統(tǒng)對(duì)2種排種器排種計(jì)數(shù)監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率總體平均值為99.42%，標(biāo)準(zhǔn)差平均值為0.48%；以指夾式排種器為排種對(duì)象，經(jīng)移動(dòng)平均濾波處理后，系統(tǒng)粒距監(jiān)測(cè)誤差總體小于2.00 cm，單車速下對(duì)應(yīng)的最大粒距監(jiān)測(cè)誤差絕對(duì)值的平均值為1.69 cm，標(biāo)準(zhǔn)差為0.23 cm。

(3)基于氣吸式玉米精密播種機(jī)研制了田間試驗(yàn)樣機(jī)，通過粒距監(jiān)測(cè)值與出苗粒距的對(duì)比分析，獲得了系統(tǒng)在田間作業(yè)環(huán)境下對(duì)播種粒距的監(jiān)測(cè)精度。設(shè)置2個(gè)車速5.49、8.49 km/h，目標(biāo)粒距為25 cm、行距為60 cm，采集連續(xù)的350個(gè)出苗粒距數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果表明，與出苗粒距移動(dòng)平均值相比，系統(tǒng)粒距監(jiān)測(cè)誤差的平均值分別為1.84、2.22 cm，標(biāo)準(zhǔn)差分別為1.61、2.13 cm。經(jīng)移動(dòng)平均濾波處理后，粒距監(jiān)測(cè)值曲線與出苗粒距移動(dòng)平均值曲線的變化趨勢(shì)基本相同，能夠較準(zhǔn)確地反映粒距變化。