基于三維可視化技術(shù)的播種機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　摘要:為了能夠直觀觀察到播種機(jī)的作業(yè)狀態(tài)，識(shí)別播種機(jī)的種子破碎和漏播，并進(jìn)行補(bǔ)種，設(shè)計(jì)了基于三維可視化技術(shù)的播種機(jī)。通過(guò)采用三角測(cè)量方法對(duì)攝像機(jī)的圖像進(jìn)行三維重建，實(shí)現(xiàn)了精密播種機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。結(jié)合光電傳感器裝置對(duì)播種過(guò)程中種子破碎和漏播進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)該區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)種。使用該播種機(jī)對(duì)玉米和小麥進(jìn)行了播種試驗(yàn)，結(jié)果表明:播種機(jī)能夠適應(yīng)不同類別的種子，播種精度和準(zhǔn)確率較高，能夠滿足播種機(jī)的性能要求。

　　關(guān)鍵詞:播種機(jī);種子破碎識(shí)別;種子漏播識(shí)別;補(bǔ)種;三維可視化技術(shù)

　　引言

　　播種作為農(nóng)作物種植的基本環(huán)節(jié)，直接影響著勞動(dòng)生產(chǎn)率和農(nóng)作物的收成。傳統(tǒng)的機(jī)械播種機(jī)是全封閉作業(yè)的，在播種過(guò)程中無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)控播種情況。播種機(jī)的工作環(huán)境通常都很惡劣，易出現(xiàn)機(jī)械故障，作業(yè)過(guò)程中還會(huì)出現(xiàn)輸種管堵塞、卡種、漏種等情況。一旦發(fā)生以上問(wèn)題，則會(huì)出現(xiàn)大面積的漏播，導(dǎo)致農(nóng)作物的減產(chǎn)。因此，必須對(duì)播種機(jī)的工作過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以保證播種機(jī)工作效率和效果。目前，播種機(jī)播種過(guò)程的監(jiān)測(cè)主要有光電傳感器監(jiān)測(cè)和涂油皮帶等方法。涂油皮帶的方法能夠直觀地監(jiān)測(cè)經(jīng)過(guò)排種器中的種子是否著落，但易污染環(huán)境，且造成種子的浪費(fèi)和播種時(shí)間的浪費(fèi)，一般不采用。目前，廣泛應(yīng)用的檢測(cè)方法是光電傳感器法。光電傳感器的檢測(cè)原理是種子從排種器落下時(shí)遮擋了光電元件，通過(guò)傳感器檢測(cè)到了信號(hào)，從而確定了種子是否落下，因此對(duì)漏播現(xiàn)象較為敏感，能夠識(shí)別是否有漏播的情況出現(xiàn)。但是，該方法對(duì)于播種過(guò)程中出現(xiàn)的種子破碎現(xiàn)象則無(wú)法辨別，且重播現(xiàn)象也無(wú)法辨別，從而影響了播種機(jī)的播種效果，降低了工作效率［1］。為了能夠直觀地監(jiān)測(cè)播種情況，避免出現(xiàn)漏播、卡種等情況，需要引入一種新型的監(jiān)測(cè)方式對(duì)播種機(jī)作業(yè)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控。

　　1機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及原理

　　精密排種機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主要由攝影系統(tǒng)、三維可視化系統(tǒng)、測(cè)試分析系統(tǒng)、排種裝置和報(bào)警系統(tǒng)組成，工作流程如圖1所示。

　　1．1攝影系統(tǒng)攝影系統(tǒng)由CCD攝像機(jī)、光源及圖像采集卡組成。由于播種機(jī)需要適應(yīng)不同種類的種子，包括識(shí)別種子的大小、顏色，且能夠區(qū)別破碎的種子，因此要求是具有采集彩色圖像快速、清晰的特點(diǎn)，CCD攝像機(jī)則可以滿足這一要求。每次播種機(jī)作業(yè)之前，由于種子的不同，首先需要調(diào)節(jié)攝像頭的焦距和光圈參數(shù)，直到攝像頭能夠清晰地采集種子的圖像，播種機(jī)才可以開(kāi)始作業(yè)。

　　1．2三維可視化系統(tǒng)攝影系統(tǒng)的CCD攝像機(jī)拍攝的影像傳送給計(jì)算機(jī)之后，由計(jì)算機(jī)對(duì)圖片進(jìn)行三維重建。系統(tǒng)以小孔成像為基本原理，利用三角測(cè)量的方法將圖片進(jìn)行綜合處理得到三維圖［3］。此方法具有運(yùn)算速度快、操作簡(jiǎn)單及三維模型真實(shí)的特點(diǎn)。通過(guò)三維可視化，工作人員可以清晰地從各個(gè)角度觀察到播種情況和判斷工作狀態(tài)，且設(shè)備發(fā)生故障時(shí)可盡快找到問(wèn)題出處。

　　2軟件設(shè)計(jì)

　　2．1圖像三維處理

　　首先確定CCD攝像機(jī)的內(nèi)部參數(shù)矩陣，即A=αmsm00αnn0001其中，(m0，n0)為攝像機(jī)在圖像內(nèi)的坐標(biāo);(αmαn)為攝像機(jī)的平行尺度和垂直尺度;s為傾斜尺度。攝像機(jī)的兩個(gè)點(diǎn)可以看做有兩個(gè)坐標(biāo)系，兩個(gè)點(diǎn)三維圖像的方向向量x→和x→'延長(zhǎng)線的交點(diǎn)即為空間點(diǎn)O的位置。因此，三維重建的過(guò)程可以看作是攝像機(jī)內(nèi)部矩陣和攝像機(jī)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程，因此被稱為運(yùn)動(dòng)恢復(fù)模型。由于攝像機(jī)兩個(gè)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)向量和平移向量t→在同一個(gè)平面，因此可以得到如下公式，即x→(tx(Ｒx→'+t→))=0其中，Ｒ為世界坐標(biāo)到攝像機(jī)坐標(biāo)的旋轉(zhuǎn)矩陣。通過(guò)對(duì)上面的公式求解，可得x→=A－1u→，x→'=A－1u→'，tx=0－t2tat20－t1－tat10式中u→和u→'—圖像的齊次坐標(biāo)。

　　2．2播種機(jī)的補(bǔ)種原理

　　判斷播種機(jī)性能的指標(biāo)主要包括種子的漏播率、重播率、破碎率和合格數(shù)［6］。播種機(jī)通過(guò)光電傳感器裝置對(duì)漏種進(jìn)行檢測(cè)，若出現(xiàn)漏種情況，則需要補(bǔ)種。種子從窩眼進(jìn)入刮種器、再進(jìn)入輸種管的這一過(guò)程中，會(huì)受到多重?cái)D壓而發(fā)生破碎現(xiàn)象，破碎方式一般是種子碎化、斷裂，因此在播種時(shí)要特別注意種子的破碎，及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)種，避免播種率的降低。但如果同一個(gè)位置種子重復(fù)播種則會(huì)造成種子的浪費(fèi)，因此需要對(duì)種子的破碎和重播進(jìn)行檢測(cè)。根據(jù)不同類別的種子，確定種子的體積范圍為Vmin～Vmax，種子經(jīng)過(guò)攝像機(jī)時(shí)通過(guò)三維處理并由計(jì)算機(jī)計(jì)算可得出種子的體積V。當(dāng)V＞Vmax時(shí)，可認(rèn)為該位置發(fā)生了種子重播，這時(shí)計(jì)算機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)計(jì)數(shù)功能。當(dāng)連續(xù)發(fā)生5次重播時(shí)，則報(bào)警系統(tǒng)啟動(dòng)，播種機(jī)停止工作，檢查故障原因。當(dāng)V＜Vmin時(shí)，則種子發(fā)生碎裂，計(jì)算機(jī)將需要補(bǔ)種的信息傳遞給排種裝置，由排種裝置中的補(bǔ)種器進(jìn)行補(bǔ)種。

　　3性能測(cè)試和試驗(yàn)分析

　　為了驗(yàn)證播種機(jī)系統(tǒng)的可靠性，對(duì)播種機(jī)的報(bào)警系統(tǒng)和播種系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證，主要包括以下兩方面:①播種機(jī)正常工作時(shí)，通過(guò)人為制造設(shè)備故障，確認(rèn)報(bào)警系統(tǒng)是否正常工作;②人工確定種子數(shù)量，將玉米和小麥種子在選定的試驗(yàn)田里進(jìn)行播種試驗(yàn)，確定漏播、碎裂、重播和合格數(shù)，評(píng)估播種機(jī)的可靠性。

　　3．1報(bào)警系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果

　　對(duì)播種機(jī)的報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，分別對(duì)卡種和連續(xù)重播5次進(jìn)行了50次試驗(yàn)，結(jié)果如表1所示。

　　由表1可以看出:報(bào)警系統(tǒng)對(duì)卡種的報(bào)警率達(dá)到了100%，對(duì)漏播的報(bào)警率達(dá)到了98%，均達(dá)到了預(yù)期的使用效果。

　　3．2播種試驗(yàn)結(jié)果

　　分別選取200粒玉米和小麥種子進(jìn)行5次試驗(yàn)，測(cè)定漏播數(shù)、破碎數(shù)、重播數(shù)、合格數(shù)和播種機(jī)的監(jiān)測(cè)精度。試驗(yàn)結(jié)果如表2和表3所示。

　　由表2、表3可以看出:播種機(jī)能夠適應(yīng)不同類別的種子，播種合格率均在98%以上，精度滿足播種機(jī)的工作要求;播種機(jī)不僅能夠有效、直觀地監(jiān)控播種工作狀態(tài)，還能夠識(shí)別種子破碎和漏種，并進(jìn)行補(bǔ)種，有效提高了播種機(jī)的準(zhǔn)確率和播種效率。

　　4結(jié)論

　　1)對(duì)播種機(jī)圖像進(jìn)行了三維可視化處理，采用三角測(cè)量的方法對(duì)采集的圖像進(jìn)行三維重建，能夠從各個(gè)角度清晰地觀察播種機(jī)的播種狀態(tài)。

　　2)采用光電傳感器和三維可視化結(jié)合的方法對(duì)播種機(jī)的漏播、破碎和合格數(shù)進(jìn)行識(shí)別，以快速、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)對(duì)破碎和漏播區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)種。

　　3測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:該播種機(jī)滿足使用要求，能夠使用不同類別的種子，播種準(zhǔn)確率和精度較高。

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