楊文彩，張效偉，仲廣遠(yuǎn)，鄭嘉鑫，蒲 望，馬永敢

(1 云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，云南 昆明 650201； 2 中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，北京 100083)

三七Panax notoginseng是我國名貴的中藥材，市場需求量大[1-2]。根據(jù)農(nóng)藝要求，三七育苗播種行株距均為 50 mm，播深為 10 mm，屬小行株距、淺播深精密播種[3]。目前人工點(diǎn)播為主的模式存在用工成本高、作業(yè)效率低、作業(yè)質(zhì)量不均勻等問題，機(jī)械化播種能有效提高播種質(zhì)量進(jìn)而提高效率、降低成本[4]；但三七種子三軸尺寸集中度低、似圓度低、硬度低、表面粗糙度和濕度大、流動性不好，與其他大田大行株距作物種子相比，機(jī)械化播種難度大。開溝、排種、覆土各部分系統(tǒng)協(xié)調(diào)才能實(shí)現(xiàn)三七育苗播種機(jī)械化。導(dǎo)種管將種子導(dǎo)入種溝，并約束種子流；由于三七種子的特性，導(dǎo)種管對投種過程及種子落點(diǎn)位置影響較大[5-6]。因此結(jié)合三七播種的農(nóng)藝要求和種子特性研究三七種子離開排種器后的投種軌跡，對設(shè)計(jì)合理的導(dǎo)種管進(jìn)而提升播種精度和播種效率具有現(xiàn)實(shí)意義。

本研究前期采用機(jī)械重力式排種原理，設(shè)計(jì)了窩眼輪式排種結(jié)構(gòu)，經(jīng)試驗(yàn)，排種器能排出均勻的種子流[7-8]；因?qū)ХN管設(shè)計(jì)不科學(xué)，種子的縱向分布均勻性與生產(chǎn)要求差距大，本文將這種差距界定為播種精確性，此差距越大播種精確性越低。精確性是衡量種?？v向分布均勻性和播種機(jī)性能的重要指標(biāo)，受排種、投種和種床構(gòu)建等多個(gè)環(huán)節(jié)影響[9-10]。種粒與管壁的碰撞和觸土?xí)r的彈跳所引起的不規(guī)則運(yùn)動易造成種粒的縱向分布不均勻[11-13]，影響播種精確性，合理的導(dǎo)種管能減少種粒的碰撞和彈跳[14-15]。因此，設(shè)計(jì)出合理的導(dǎo)種管是提高播種精確性的重要手段[16]。

多年來，國內(nèi)外學(xué)者在導(dǎo)種管方面展開了較多的研究。在低速作業(yè)時(shí)，改變導(dǎo)種管外形能改變種子的下落軌跡，減輕種子的彈跳，保證種子縱向分布的均勻性[17-19]；在高速作業(yè)時(shí)，可利用二次投種的方法將種子運(yùn)移到種床，通過帶式導(dǎo)種或V型凹槽撥輪能準(zhǔn)確地將種子輸送到種溝，大幅提高播種的縱向分布的均勻性[20-23]。此類方法設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，不適于三七的精密播種。在導(dǎo)種管內(nèi)分配均勻氣流將種子運(yùn)輸?shù)臍饬攀椒址N器，可以實(shí)現(xiàn)寬幅均勻播種[24-25]，在導(dǎo)種管內(nèi)增加波紋和保證導(dǎo)種管長度一致可增加種子行內(nèi)穩(wěn)定性[26]。在投種過程中，種子在導(dǎo)種管內(nèi)的彈跳與碰撞情況復(fù)雜，很難通過理論計(jì)算做全面分析，高速攝像技術(shù)廣泛應(yīng)用于投種過程分析，運(yùn)用高速攝像技術(shù)可以獲得種子速度隨位移變化規(guī)律、不同投種參數(shù)下的投種軌跡[27-29]。上述研究分別從部件結(jié)構(gòu)和運(yùn)動規(guī)律等方面展開，但這些研究主要針對油菜、大豆、玉米，小麥等大田大行株距作物，研究結(jié)果不適用于小行株距、淺播深精密播種的三七，因此，有必要開展有針對性的研究。

本研究擬應(yīng)用力學(xué)分析確定影響播種精確性的因素，通過臺架試驗(yàn)研究精密播種的最佳工作參數(shù)組合，運(yùn)用高速攝像與圖像處理技術(shù)研究種子離開排種器后的運(yùn)動軌跡，以擬合曲線為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)出一種新的導(dǎo)種管，并通過土槽試驗(yàn)驗(yàn)證此設(shè)計(jì)的合理性。

1 槽式育苗播種方式及播種機(jī)結(jié)構(gòu)

1.1 三七槽式育苗播種方式

云南廣泛采用的育苗槽規(guī)格為1 440 mm寬，據(jù)此設(shè)計(jì)播種機(jī)的播幅為 1 400 mm，根據(jù) 50 mm行距的播種農(nóng)藝要求，播幅內(nèi)等距排列28個(gè)開溝器和28根導(dǎo)種管，機(jī)械化播種時(shí)，播種機(jī)在槽肩上行走，槽內(nèi)播種，三七育苗槽及播種示意圖如圖1所示。

圖1 三七育苗槽及播種示意圖Fig. 1 Structure sketch of Panax notoginseng seedling trough and seeding

1.2 三七育苗播種機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)

三七育苗播種機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2a所示，包括種箱、排種器、導(dǎo)種裝置、開溝裝置、限位裝置、控制柜、傳動裝置、機(jī)架和升降螺桿行走裝置等。排種器由窩眼滾筒、V型導(dǎo)種槽、圓弧形護(hù)種板等組成，導(dǎo)種裝置安裝在排種器下部，由28根導(dǎo)種管和投種器組成。如圖2b所示，開溝裝置由28只仿形開溝輪組成，安裝在播種機(jī)前部，開溝輪厚20 mm，每兩只開溝輪之間的中心距離為50 mm，每兩根導(dǎo)種管之間的中心距離也為50 mm，其中導(dǎo)種管中心線與開溝輪中心線處于一條直線上。

圖2 三七育苗播種機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 2 Structure sketch of Panax notoginseng seedling planter

1.3 三七育苗播種機(jī)工作原理

播種機(jī)播種過程中，電機(jī)帶動主動輪使播種機(jī)前進(jìn)，安裝在機(jī)架底部的限位輪保證播種機(jī)沿直線行走，主動輪軸通過傳動系統(tǒng)使窩眼滾筒轉(zhuǎn)動，種子由窩眼滾筒排種器攜帶，當(dāng)種子到達(dá)投種點(diǎn)時(shí)因重力作用離開排種器，經(jīng)導(dǎo)種管輸送到開溝器開出的種溝內(nèi)。

2 投種過程種子力學(xué)分析

種子的運(yùn)動軌跡與種子下落過程中的受力有關(guān)，有導(dǎo)種管和無導(dǎo)種管時(shí)受力有所不同[30]，無導(dǎo)種管時(shí)種子的運(yùn)動只受重力作用，有導(dǎo)種管時(shí)還會受導(dǎo)種管管壁的作用。本研究對2種情況下的種子運(yùn)動進(jìn)行力學(xué)分析，探究影響種子運(yùn)動軌跡的因素，并通過對比最終確定影響播種精確性的主要因素。

2.1 有導(dǎo)種管時(shí)種子的運(yùn)動分析

理想情況下種子離開排種器后就與導(dǎo)種管管壁接觸并沿管壁下滑，然后離開管壁做類斜拋運(yùn)動，直至落地。為便于研究三七種子的運(yùn)動規(guī)律，以投種點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)、以播種機(jī)前進(jìn)速度的反方向?yàn)閤0軸正方向、以豎直向下為y0軸正方向，建立如圖3所示的坐標(biāo)系O0。

圖3 種子與導(dǎo)種管管壁接觸過程的受力及運(yùn)動分析圖Fig. 3 Force and motion analysis graph of seeds which contact with seed guide tube wall

種子剛進(jìn)入導(dǎo)種管時(shí)，種子的速度與種子在排種器投種口處的速度(V0)相同，此時(shí)V0=2πR1n1。在種子沿導(dǎo)種管下滑的過程中，種子在重力(G)、支持力(N)、摩擦力(f)的作用下做勻加速運(yùn)動，此時(shí)的加速度(a)為

式中，μ1為種子與導(dǎo)種管間的摩擦系數(shù)。

對式(1)進(jìn)行2次積分得：

式中，V為種子運(yùn)動的瞬時(shí)速度，m/s；S1為種子運(yùn)動的位置到坐標(biāo)原點(diǎn)的距離，m；t表示種子運(yùn)動時(shí)間，s。

種子沿管壁下滑時(shí)，可分解為沿x0軸和沿y0軸2個(gè)方向的運(yùn)動，設(shè)種子沿導(dǎo)種管內(nèi)壁滑動的時(shí)間為t1，在0≤t＜t1時(shí)，種子的運(yùn)動軌跡為

三七種子沿導(dǎo)種管位移的終點(diǎn)位置滿足關(guān)系式

此時(shí)，種子的行程S1與導(dǎo)種管長度尺寸L相等，有S1=L。

由式(4)和式(5)可知，種子在導(dǎo)種管內(nèi)的運(yùn)動與導(dǎo)種管與水平線的夾角、種子離開排種器時(shí)的初速度和運(yùn)動時(shí)間有關(guān)。

種子離開導(dǎo)種管后以Vt的初速度做類斜拋運(yùn)動，此時(shí)種子運(yùn)動微分方程為

可以求得

整理式(7)并把式(8)帶入其中，求得種子著地時(shí)的位置滿足關(guān)系式

根據(jù)能量守恒定律，種子在接觸土壤時(shí)的相對速度(VH，m/s)為

由式(7)、(9)和(10)可看出，種子的運(yùn)動受種子與導(dǎo)種管間的摩擦系數(shù)、導(dǎo)種管的傾斜角度、導(dǎo)種管長度、投種高度和種子離開排種器時(shí)的初速度等因素的影響。其中摩擦系數(shù)、導(dǎo)種管的傾斜角度和導(dǎo)種管長度及結(jié)構(gòu)有關(guān)，說明不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的導(dǎo)種管使種子產(chǎn)生不同形狀的運(yùn)動軌跡。在導(dǎo)種管結(jié)構(gòu)參數(shù)形式及安裝位置確定的前提下，影響種子運(yùn)動軌跡的因素包括種子的運(yùn)動時(shí)間、投種高度、種子離開排種器時(shí)的初速度。

2.2 無導(dǎo)種管時(shí)種子的運(yùn)動分析

對于無導(dǎo)種管的情況，建立一個(gè)以投種點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)、以播種機(jī)前進(jìn)速度的反方向?yàn)閤1軸正方向、以豎直向下為y1軸正方向的坐標(biāo)系O1，種子運(yùn)動的各參數(shù)如圖4所示。

圖4 無導(dǎo)種裝置時(shí)種子運(yùn)動結(jié)構(gòu)簡圖Fig. 4 Structural sketch of seed motion without seed guiding device

種子在下落過程中的運(yùn)動可分解為豎直和水平2個(gè)運(yùn)動[19]。

由式(11)可知，種子離開排種器后的運(yùn)動速度與種子離開排種器時(shí)相對排種器的運(yùn)動速度有關(guān)，同時(shí)也受投種角度的影響。

在運(yùn)動過程中種子只受重力的作用，設(shè)種子落地的時(shí)間是t3，在0≤t＜t3,時(shí)，種子的運(yùn)動軌跡為

在種子下落過程中，種子在水平方向做勻速直線運(yùn)動，在豎直方向做自由落體運(yùn)動。

種子第一次觸土?xí)r的位置滿足關(guān)系式

此時(shí)種子的相對速度為

種子觸土彈跳與種子速度大小有關(guān)，由式(14)可知，種子離開排種器時(shí)的初速度和投種高度影響種子入土?xí)r的相對速度進(jìn)而影響種子的彈跳。通過式(12)和(13)可知，種子的運(yùn)動軌跡受種子離開排種器時(shí)的初速度、投種角度和種子離開排種器后的運(yùn)動時(shí)間的影響。其中種子離開排種器時(shí)的初速度與排種器的圓周速度有關(guān)，而運(yùn)動時(shí)間與投種高度有關(guān)。因此，在無導(dǎo)種管的情況下影響種子運(yùn)動軌跡的因素包括排種器的圓周速度、投種高度和投種角度。

對比式(7)、(10)、(12)和(14)可知導(dǎo)種管結(jié)構(gòu)影響種子的運(yùn)動軌跡；排種器的圓周速度、投種高度約束種子著地時(shí)的相對速度；種子離開排種器時(shí)的初速度、種子運(yùn)動時(shí)間和投種角度影響種子運(yùn)動；導(dǎo)種管的曲線形式不同，種子的運(yùn)動軌跡不同。綜合以上內(nèi)容確定在投種過程中影響種子運(yùn)動軌跡的主要因素為排種器的圓周速度、投種高度和投種角度。

3 最優(yōu)工作參數(shù)試驗(yàn)

求出三七育苗播種機(jī)的最優(yōu)工作參數(shù)是進(jìn)行導(dǎo)種管曲線設(shè)計(jì)的前提，后續(xù)將在最優(yōu)工作參數(shù)下通過高速攝像分析種子離開排種器后的下落軌跡，進(jìn)而研究導(dǎo)種管的曲線。為研究種子離開排種器后的運(yùn)動規(guī)律和運(yùn)動軌跡，搭建了播種精確性試驗(yàn)臺，并進(jìn)行試驗(yàn)研究。

3.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)在云南農(nóng)業(yè)大學(xué)土槽實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。土槽按照三七機(jī)械化播種要求制作，寬1 440 mm，土槽內(nèi)基質(zhì)與三七播種時(shí)基質(zhì)一致。設(shè)計(jì)的三七播種精確性試驗(yàn)臺如圖5所示，投種角度通過不同角度護(hù)種板組合實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)。

試驗(yàn)所用種子為經(jīng)分級處理后的云南文山三七種子，種粒直徑范圍為5.5～7.0 mm，千粒質(zhì)量為119.4 g，平均含水率為 60%。

圖5 播種精確性試驗(yàn)臺Fig. 5 Seeding accuracy test bench

3.2 試驗(yàn)因素與指標(biāo)

對于播種機(jī)而言，當(dāng)排種滾筒直徑確定時(shí)，由于排種器圓周速度不便測量，且與機(jī)器前進(jìn)速度為固定傳動比，故排種器圓周速度可以由機(jī)器前進(jìn)速度來代替。所以選取播種機(jī)前進(jìn)速度、投種高度、投種角度為此次試驗(yàn)的試驗(yàn)因素。

種子縱向(種子沿機(jī)具前進(jìn)方向)分布主要以播種粒距合格指數(shù)來評價(jià)，文獻(xiàn)[31]以理論播種點(diǎn)與實(shí)際播種點(diǎn)距離偏差的標(biāo)準(zhǔn)差作為評價(jià)種子縱向分布均勻性的新指標(biāo)?？紤]三七播種的實(shí)際情況，選取理論播種點(diǎn)與實(shí)際播種點(diǎn)距離偏差的標(biāo)準(zhǔn)差為試驗(yàn)指標(biāo)。由于三七種子的特性，種子與導(dǎo)種管內(nèi)壁產(chǎn)生較多碰撞引起觸土?xí)r彈跳，使種子最終位置變化，影響種子縱向分布；因此增加彈跳率作為一個(gè)試驗(yàn)指標(biāo)來探究播種機(jī)的播種精確性，各指標(biāo)的計(jì)算公式如下[9,31]：

式中，C為理論播種點(diǎn)與實(shí)際播種點(diǎn)距離偏差的標(biāo)準(zhǔn)差(以下簡稱標(biāo)準(zhǔn)差)；Xi為第i個(gè)種子的理論播種點(diǎn)與實(shí)際播種點(diǎn)的距離偏差，mm；n為實(shí)際測量種子數(shù)；T為彈跳率，%；nt為發(fā)生彈跳的種粒數(shù)；N′為觀察到的排種總數(shù)。

彈跳率的測定方法：試驗(yàn)時(shí)，用安放在支架上的攝像機(jī)對種子下落過程進(jìn)行拍攝，試驗(yàn)結(jié)束后通過對種子下落視頻的慢速播放來觀察種子是否彈跳。若彈跳記此種子狀態(tài)為1，否則為0，最后通過計(jì)算發(fā)生彈跳的種粒數(shù)與觀察的總的種粒數(shù)的比例，得出此時(shí)的彈跳率。

試驗(yàn)包括單因素試驗(yàn)和二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)，為降低試驗(yàn)誤差，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，取平均值。

3.3 單因素試驗(yàn)

根據(jù)三七育苗播種機(jī)設(shè)計(jì)要求，播種機(jī)的播種速度應(yīng)在6～10 m/min，設(shè)定試驗(yàn)時(shí)播種機(jī)的前進(jìn)速度為8 m/min；按照文獻(xiàn)[32]中的試驗(yàn)結(jié)果，投種高度在20～40 cm時(shí)播種效果較好，設(shè)定投種高度為20 cm。選取投種角度 15°、25°、35°、45°、55°和65°共6個(gè)水平，開展投種角度對播種精確性影響試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖6。

圖6 投種角度與播種精確性關(guān)系曲線Fig. 6 The curve of the relation between seed release angle and seeding accuracy

由圖 6 可知，投種角度在 15°～25°和 45°～65°時(shí)，彈跳率與標(biāo)準(zhǔn)差呈現(xiàn)出相同的變化趨勢。分析原因是三七種子在觸土?xí)r彈跳的增加使重播、漏播增多，使得種子的縱向分布均勻性變差，標(biāo)準(zhǔn)差變低；相反，種子彈跳減少，種子縱向分布的均勻性變好。彈跳率在投種角度為35°時(shí)達(dá)到了最低；在投種角度為55°時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)差達(dá)到最大，并和彈跳率一起出現(xiàn)拐點(diǎn)。綜合可以得出使標(biāo)準(zhǔn)差小、彈跳率低的投種角度的范圍為25°～45°，此時(shí)整體播種精確性較好。

3.4 二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)

3.4.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 以播種機(jī)前進(jìn)速度、投種高度、投種角度為試驗(yàn)因素，以標(biāo)準(zhǔn)差和彈跳率為試驗(yàn)指標(biāo)在土槽上開展三因素五水平正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)。根據(jù)本研究前期工作及單因素試驗(yàn)確定投種高度為 20～40 cm，投種角度為 25°～45°，播種機(jī)前進(jìn)速度為6～10 m/min，因素編碼如表1所示，試驗(yàn)方案及結(jié)果如表2所示，Z1、Z2、Z3為因素編碼值。

表1 播種精確性試驗(yàn)因素水平表Table 1 Seeding accuracy test factor level table

表2 播種精確性試驗(yàn)方案與結(jié)果Table 2 Seeding accuracy test scheme and result

3.4.2 回歸分析 利用 Design-Expert 10.0.3 對結(jié)果進(jìn)行多元回歸擬合和方差分析，得到標(biāo)準(zhǔn)差(P1)和彈跳率(P2)對試驗(yàn)因素實(shí)際值的二次多項(xiàng)式回歸方程，并對其顯著性進(jìn)行檢驗(yàn)。

1)標(biāo)準(zhǔn)差(P1)的顯著性分析：由表3可知，Z2、對模型有極顯著的影響，Z3對模型有顯著的影響，其余因素對模型影響不顯著。由F值分析可知，影響標(biāo)準(zhǔn)差因素主次順序?yàn)閆2＞Z3＞Z1。將P＞0.1的因素剔除[33]，并再次進(jìn)行方差分析，得到各因素對標(biāo)準(zhǔn)差的二次回歸方程如式(17)所示：

表3 播種精確性試驗(yàn)方差分析1）Table 3 Variance analysis of seeding accuracy test

對式(17)進(jìn)行失擬性檢驗(yàn)，如表3所示，其中P＞0.1，即失擬不顯著，說明回歸方程擬合較好。

2)彈跳率(P2)的顯著性分析：由表3可知，Z3對模型有極顯著的影響，對模型有顯著的影響，其余因素對模型影響不顯著。由F值分析可知，影響彈跳率因素主次順序?yàn)閆3＞Z1＞Z2。將P＞0.05的不顯著因素剔除，并再次進(jìn)行方差分析，得到各因素對彈跳率的二次回歸方程如式(18)所示：

對式(18)進(jìn)行失擬性檢驗(yàn)，如表3所示，其中P＞0.1，失擬不顯著，說明回歸方程擬合較好。

3.5 最佳參數(shù)優(yōu)化

為找出既滿足種子縱向分布均勻，又符合播種機(jī)播種精確性要求的參數(shù)組合，將標(biāo)準(zhǔn)差最小、彈跳率最小作為評價(jià)指標(biāo)，結(jié)合因素邊界條件建立參數(shù)化數(shù)學(xué)模型：

利用Design-Expert 10.0.3軟件對模型進(jìn)行優(yōu)化求解，得到最優(yōu)參數(shù)組合為投種高度20 cm、前進(jìn)速度 7.781 m/min、投種角度 42°；此時(shí)標(biāo)準(zhǔn)差為51.553 mm、彈跳率為72.31%。為方便安裝調(diào)試，對參數(shù)進(jìn)行圓整，設(shè)置投種高度為20 cm、前進(jìn)速度為7.8 m/min、投種角度為 42°；此時(shí)標(biāo)準(zhǔn)差為 51.66 mm、彈跳率為72.31%。

4 投種軌跡曲線研究

“3.5”研究結(jié)果顯示，無導(dǎo)種管情況下播種的彈跳率和標(biāo)準(zhǔn)差不理想。為設(shè)計(jì)新型導(dǎo)種管，在“3.5”最優(yōu)參數(shù)下，通過高速攝像技術(shù)和圖像處理技術(shù)對種子的運(yùn)動軌跡進(jìn)行研究，以獲得導(dǎo)種管最優(yōu)曲線。

4.1 試驗(yàn)裝置與材料

試驗(yàn)地點(diǎn)為云南農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)基地，試驗(yàn)材料和裝置包括經(jīng)分級后直徑范圍為5.5～7.0 mm的文山三七種子、三七播種精確性試驗(yàn)臺、千眼狼5F04M型高速攝像儀、智云CR110手持云臺、電腦、白色紙板、光源等。試驗(yàn)過程中儀器安裝及拍攝如圖7所示。

圖7 圖像試驗(yàn)儀器安裝圖Fig. 7 Installation picture of image testing instrument

4.2 試驗(yàn)方法

由于包衣的三七種子為暗紅色，表面有白色粉末狀的藥粉，為方便觀察運(yùn)動軌跡和提取位置的坐標(biāo)，拍攝的背景選擇白色紙板。設(shè)置高速攝像儀的拍攝速度為 240 幀/s，像素分辨率為 1 280×720，保證鏡頭水平，適當(dāng)對光線進(jìn)行補(bǔ)償，使其能清晰地觀測到三七種子。投種角度調(diào)至42°，調(diào)整試驗(yàn)臺減速電機(jī)，使播種機(jī)前進(jìn)速度穩(wěn)定在7.80 m/min，啟動并設(shè)置恰當(dāng)?shù)匿浿茣r(shí)間，待試驗(yàn)結(jié)束后保存視頻文件至電腦端。

4.3 距離標(biāo)定

在攝像頭視野內(nèi)采集邊長為 28 mm × 28 mm

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，圖像中水平距離換算標(biāo)準(zhǔn)為1像素對應(yīng)0.210 93 mm；豎直距離換算標(biāo)準(zhǔn)為1像素對應(yīng) 0.211 11 mm。

4.4 特征提取

將種子下落的視頻以時(shí)間順序轉(zhuǎn)換為JPG格式的幀圖像序列，其尺寸為1 280像素×720像素。通過對圖片進(jìn)行篩選并編號，共得319粒完整的三七種子下落圖像。圖像處理過程如圖8所示。

圖8 種子下落軌跡序列圖像處理過程Fig. 8 Sequential image processing of seed falling trajectory sequence

4.4.1 圖像預(yù)處理 對34號種子進(jìn)行分析，圖8a和8b為種子下落圖像，圖像中種子有一定的拖影，通過拖影可看出種子的軌跡。由圖8可以看出前一幀圖像(圖8a)和后一幀圖像(圖8b)之間有一定的差距，可運(yùn)用背景差分法進(jìn)行目標(biāo)提取，背景差分法是通過前圖像與背景圖像的差分來檢測目標(biāo)[35]，其原理可表示為的正方形網(wǎng)格圖像。計(jì)算正方形邊長的物理長度與其對應(yīng)的像素長度的比值[34]，記K=B/A，其中A為正方形網(wǎng)格邊長對應(yīng)的像素長度的平均值；B=28 mm，為標(biāo)定正方形網(wǎng)格的實(shí)際邊長。

式中，fk(x,y)為前一幀，bk(x,y)為背景幀，dk(x,y)是前一幀與背景幀的差分結(jié)果。

運(yùn)用差分法，可得到三七種子提取軌跡圖。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在HSV空間下V分量能更易于將下落種子的軌跡與背景分離，效果如圖8c所示。由于顯示效果不好，為方便觀察，對圖8c做簡單處理，把圖片色溫由 6 500 降到 1 500。

4.4.2 圖像分割和輪廓提取 預(yù)處理后的圖像更易于分割，本研究運(yùn)用Otsu法進(jìn)行自適應(yīng)閾值二值化對圖像進(jìn)行分割。Otsu法是基于統(tǒng)計(jì)特性來計(jì)算目標(biāo)和背景的最大類間方差，并找出圖像的分割閾值的一種方法[36]。由于預(yù)處理后圖像會存在一些噪聲，閾值分割會錯(cuò)誤地將噪聲分割出來，運(yùn)用形態(tài)學(xué)方法可以對二值化后的圖像進(jìn)行修正[37]。形態(tài)學(xué)的基本原理包括腐蝕、膨脹運(yùn)算等。腐蝕是一種消除邊界點(diǎn)，使邊界向內(nèi)部收縮的過程，可以用來消除小且無意義的物體；而膨脹是將與物體接觸的所有背景點(diǎn)合并到該物體中，使邊界向外部擴(kuò)張的過程，可以用來填補(bǔ)物體中的空洞[37]。本研究將二值化后的V分量圖先通過連通域面積閾值過濾，然后再進(jìn)行腐蝕和膨脹運(yùn)算，得到如圖8d所示的缺失的種子軌跡圖，最后將2幅圖像進(jìn)行異或運(yùn)算得到近似完整的種子軌跡圖(圖8e)。為更方便地提取出種子的運(yùn)動軌跡，對異或后的圖像進(jìn)行形態(tài)學(xué)骨架提取，并取反得到軌跡線的大致形狀，如圖8f所示。

4.4.3 曲線擬合 首先在每粒種子的圖像中拾取3～5個(gè)點(diǎn)以方便對其軌跡進(jìn)行二次曲線擬合，如圖9a所示。然后根據(jù)像素坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系之間的不同關(guān)系[37]，對坐標(biāo)系進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到三七種子在世界坐標(biāo)系中實(shí)際的運(yùn)動情況。最后按照此方法處理109顆種子圖像并對擬合出的曲線進(jìn)行匯總，得到圖9b的整體擬合曲線。由圖9b可知，種子的運(yùn)動軌跡呈拋物線的形式。

圖9 曲線擬合圖Fig. 9 Curve fitting chart

由于曲線過于密集，為方便找出規(guī)律，對種子拾取的點(diǎn)進(jìn)行分析，其散點(diǎn)坐標(biāo)如圖9c所示。在尋找曲線過程中，為了保證數(shù)據(jù)的可靠性，對數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)80%種子集中在區(qū)域一，另外的20%集中在區(qū)域二，如圖9c所示。為達(dá)到更明顯的擬合效果，選擇區(qū)域一，對其邊界進(jìn)行擬合，并以擬合好的2條邊界曲線橫坐標(biāo)中點(diǎn)為標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)，擬合出曲線，擬合效果曲線如圖9d所示，擬合得到曲線方程為式(21)，擬合方程的確定系數(shù)R2=0.999 7。

依據(jù)前期試驗(yàn)基礎(chǔ)設(shè)定播種機(jī)前進(jìn)速度為7.8 m/min，排種器轉(zhuǎn)速為 13.7 r/min，投種角度為42°；則種子離開排種器時(shí)的初速度為0.138 m/s。由式(21)計(jì)算出三七種子的理論下落曲線圖9e。由于種子的運(yùn)動軌跡更加接近二次曲線，在利用Matlab軟件進(jìn)行曲線擬合過程中，通過Cure Fitting Tool工具箱，利用多項(xiàng)式逼近(Polynomial approximation)中的二次多項(xiàng)式(Quadratic polynomial)的形式對曲線進(jìn)行擬合。首先，結(jié)合2條曲線進(jìn)行描點(diǎn)，然后，通過所描繪的點(diǎn)進(jìn)行曲線擬合，得到最終的曲線方程式，如式(22)，擬合后確定系數(shù)為0.999 5，說明擬合度較高，據(jù)此曲線形狀設(shè)計(jì)導(dǎo)種管的輪廓曲線。

5 基于EDEM仿真的導(dǎo)種管設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

導(dǎo)種管的研究包括導(dǎo)種管曲線及截面的研究，“4.4.3”已研究出導(dǎo)種管輪廓曲線，現(xiàn)對導(dǎo)種管截面尺寸進(jìn)行研究。三七種子在離開排種器落入種溝前，由于種子質(zhì)量不同、在型孔內(nèi)姿態(tài)不同等因素，可能有橫向(在水平面內(nèi)垂直機(jī)具前進(jìn)方向)位移，種子的橫向位移分布決定著導(dǎo)種管截面尺寸。對種子橫向位移采用EDEM 軟件進(jìn)行研究，根據(jù)“3.5”結(jié)果，設(shè)置投種角度為42°，投種高度為20 cm，播種機(jī)前進(jìn)速度為7.8 m/min；將種子設(shè)置為多球面聚合顆粒(圖10a)，根據(jù)三七種子三軸尺寸[38]，將種子長、寬、高分別設(shè)置為 6.35、5.67、5.24 mm。排種滾筒軸向不同窩眼的排種質(zhì)量相互獨(dú)立，為縮減仿真所需時(shí)間，取排種滾筒軸向1/5段進(jìn)行仿真。通過三維建模軟件建立簡化后的排種器三維模型并導(dǎo)入EDEM中，仿真模型如圖10b所示。根據(jù)文獻(xiàn)[39]所研究的種子與ABS塑料的接觸參數(shù)，在EDEM進(jìn)行相應(yīng)參數(shù)設(shè)置，仿真結(jié)束后對排種器下方種子流切片，分析其橫向偏移量。

圖10 EDEM仿真模型Fig. 10 EDEM simulation model

將種子無橫向偏移下落時(shí)的橫向坐標(biāo)作為種子下落理論橫向坐標(biāo)，將仿真獲得的種子在投種口下方20 cm處時(shí)橫向坐標(biāo)與理論橫向坐標(biāo)做差運(yùn)算以求得種子橫向偏移量；仿真結(jié)束后，種子的橫向偏移量分布如圖11所示。

圖11 種子橫向偏移量分布Fig. 11 Distribution of seed lateral offset

從圖11中可以看出，93.3%的種子橫向偏移量為0～13 mm，故將排種器出口截面的橫向尺寸取為26 mm。根據(jù)圖9c可知區(qū)域一種子流下方的寬度約為30 mm，故將出口截面尺寸設(shè)置為26 mm×30 mm。導(dǎo)種管采用向后(播種機(jī)前進(jìn)方向?yàn)榍胺?傾斜逐漸收縮的矩形端面有利于形成均勻粒距[40]；“3.5”試驗(yàn)得出的最佳投種角度為42°，投種高度為20 cm，結(jié)合導(dǎo)種管安裝空間的綜合考慮，將導(dǎo)種管入口截面尺寸設(shè)置為出口截面縱向尺寸的2 倍即 26 mm × 60 mm。為了避免卡種，將導(dǎo)種管截面的橫向邊界設(shè)計(jì)成圓?。粚?dǎo)種管中間部分根據(jù)公式(22)和圖9f曲線進(jìn)行過渡，末端對曲線進(jìn)行延長并優(yōu)化。

根據(jù)曲線方程以及截面尺寸，在Solidworks中建立導(dǎo)種管的三維模型(圖12a)，運(yùn)用3D打印技術(shù)對導(dǎo)種管進(jìn)行加工。為減少種子在導(dǎo)種管內(nèi)碰撞引起的觸土彈跳，導(dǎo)種管材質(zhì)采用韌性較好的高性能軟尼龍材料，加工效果如圖12b所示，安裝到試驗(yàn)臺上之后效果如圖12c所示。

圖12 擬合曲線型導(dǎo)種管Fig. 12 Fitting curve-shaped seed guide tube

導(dǎo)種管圓弧半徑R2的大小與護(hù)種板圓弧半徑的大小一致，保證了導(dǎo)種管的安裝角度；擬合曲線設(shè)計(jì)高度H2為170 mm，過渡放樣曲線高度H3設(shè)計(jì)為15 mm。將導(dǎo)種管安裝到樣機(jī)上進(jìn)行土槽試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，采用和“3.3”“3.4”一致的土槽條件，先對種床進(jìn)行精整，用本研究前期開發(fā)的壓輪仿形開溝器[41]開溝，建立良好的種床條件，試驗(yàn)用種子為云南文山三七種子，設(shè)置投種高度為 20 cm、播種機(jī)前進(jìn)速度為 7.8 m/min、投種角度為42°，驗(yàn)證試驗(yàn)重復(fù)3次，開溝及播種效果如圖13所示。3次驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果平均值如表4所示。

圖13 開溝及播種效果Fig. 13 Ditching and sowing effect

表4 新型導(dǎo)種管播種驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Verification experiment results of seeding with new seed guide tube

根據(jù)驗(yàn)證試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，標(biāo)準(zhǔn)差平均值由無導(dǎo)種管時(shí)的51.66 mm降至26.90 mm，彈跳率平均值由72.31%降至45.20%，標(biāo)準(zhǔn)差和彈跳率明顯減少；證明在有導(dǎo)種管約束的情況下播種，從導(dǎo)種管排出的種子流更加穩(wěn)定有效，播出的種子縱向分布更加均勻，粒距均勻性增加，播種精確性提高。

6 結(jié)論與討論

1)通過分別建立有無導(dǎo)種管情況下種子運(yùn)動的力學(xué)模型，找出影響種子離開排種器后運(yùn)動的共同因素為排種器的圓周速度、投種高度和投種角度。

2)對投種角度進(jìn)行單因素試驗(yàn)，得到整體播種精確性較好的范圍為25°～45°。以播種機(jī)前進(jìn)速度、投種高度、投種角度為試驗(yàn)因素，以標(biāo)準(zhǔn)差和彈跳率為試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行三因素五水平二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)，通過Design-Expert 10.0.3軟件優(yōu)化得出無導(dǎo)種管條件下排種器最優(yōu)投種參數(shù)組合為投種高度 20 cm、投種角度 42°、播種機(jī)前進(jìn)速度 7.8 m/min，此條件下標(biāo)準(zhǔn)差為51.66 mm，彈跳率為72.31%。

3)在最優(yōu)投種參數(shù)組合條件下，基于高速攝像和圖像處理技術(shù)對種子離開排種器后的軌跡曲線進(jìn)行分析，得出種子的軌跡曲線方程為并通過種子軌跡分布范圍得出種子縱向偏移量為30 mm；通過EDEM軟件仿真得到種子橫向偏移量為26 mm；為了提高播種精確性，最終得到出口和入口截面尺寸分別為26 mm×30 mm 和 26 mm×60 mm，據(jù)此設(shè)計(jì)試制出導(dǎo)種管。

4)根據(jù)得到的導(dǎo)種管尺寸數(shù)據(jù)，運(yùn)用3D打印技術(shù)試制出導(dǎo)種管，并進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。經(jīng)驗(yàn)證試驗(yàn)得出，種子粒距縱向分布均勻性增加，標(biāo)準(zhǔn)差為26.90 mm，彈跳率為45.20%，新型導(dǎo)種管滿足了三七育苗播種農(nóng)藝要求，為播種機(jī)導(dǎo)種管的田間播種應(yīng)用提供了參考依據(jù)。

從本研究結(jié)果看，加裝導(dǎo)種管之后的標(biāo)準(zhǔn)差與彈跳率明顯降低，雖然彈跳率降低幅度小于標(biāo)準(zhǔn)差，但種子縱向分布均勻性增加,說明導(dǎo)種管的約束作用較好，使得在彈跳率不是很理想的情況下，播種精確性也得到保障。深入分析彈跳率還不夠理想的原因主要有3個(gè)：第1，三七種子質(zhì)量不均勻?qū)е氯叻N子在導(dǎo)種管內(nèi)的運(yùn)動軌跡有偏差；第2，在導(dǎo)種管曲線優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，選用80%的種子軌跡作為約束，導(dǎo)致其余20%的種子可能會與導(dǎo)種管壁碰撞；第3，本研究導(dǎo)種管材料為能吸收種子碰撞能量的高性能軟尼龍材料，若導(dǎo)種管采用更軟質(zhì)材料則吸收碰撞效果會更佳，后續(xù)將對導(dǎo)種管材料展開研究。