基于信号白噪声处理的玉米精密排种器结构优化设计

王风燕，方华丽，刘志刚

(1.河南工业职业技术学院，河南 南阳　473000；2.南昌工学院，南昌　330108；3.南昌大学，南昌　330031 )



基于信号白噪声处理的玉米精密排种器结构优化设计

王风燕1，方华丽1，刘志刚2,3

(1.河南工业职业技术学院，河南 南阳473000；2.南昌工学院，南昌330108；3.南昌大学，南昌330031 )

摘要：为了提高玉米播种的合格率，降低单粒率、重播率和和漏播率，对玉米播种机的排种器结构进行了优化设计，并采用图像白噪声处理，提出了圆盘精密排种器的结构优化方法。在排种器圆盘倾斜角度的设计优化过程中，为了提高玉米种子尺寸结构图像信号采集的准确度，引入了一种白噪声信号处理的倾斜角度和理论计算值进行结合，优化了排种器的结构。为了测试该方法的有效性和可靠性，对排种器的播种性能进行了测试，通过测试发现，改进后的排种器在单粒率、重播率和漏播率性能上都优于普通方法设计的排种器，提高了玉米播种机的播种效果。

关键词：玉米播种；圆盘结构；倾斜角；白噪声；排种器；合格率

0引言

近年来，精密播种已经成为现代化农业技术发展的重要方向之一，精密排种器则是实现精密播种的核心部件。排种精度及均匀性是衡量排种器工作性能的重要指标，提高排种精度及均匀性可以抑制杂草、减少种内竞争、增加产量。玉米种子的结构尺寸较小，对播种机的排种器精度要求较高，其关键因素在于倾斜角度的设计。据此，通过力学分析和种子结构尺寸结合，对倾斜角度进行优化设计。为了准确地提取玉米图像种子的信号，利用EEMD中对信号加白噪声和EMD中的筛选思想来进行，降低了玉米种子图像采集和筛选的误差。最后，对装置进行了测试，得到了比较理想的播种效果。

1玉米精密排种器总体设计

当播种机的速度和播种的粒距确定后，排种器圆盘上的孔数和转速成一定的比例，孔数越少，要求圆盘的转速越高，因此孔数的多少是排种器设计的关键因素之一。除了孔数的设计之外，另外一个比较重要的设计关键是倾斜角度的设计，倾斜角度会影响清种和排种的质量，只有优化好倾斜角度，才能提高玉米精密排种器的播种精度。圆盘式玉米排种器的结构如图1所示；总体设计框图如图2所示。

图1　圆盘式玉米排种器结构示意图

图2　排种器总体设计框图

排种器的结构设计主要包括孔数设计和倾斜角度设计。其主要过程分为3部分：首先是排种器结构的力学分析，通过力学分析得到理论的倾斜角度；然后利用白噪声方法对玉米种子图像信号进行处理，将得到的数据和理论计算数值对比，优化圆盘倾斜角度；最后对排种器结构性能参数进行测试，得到排种器优化效果，完成排种器的优化设计。

2精密玉米排种器结构设计和优化

2.1排种器结构受力分析

本文以玉米播种机圆盘式播种器为例，对播种器的结构进行优化设计。圆盘式精密排种器主要包括动盘、定盘、推刮种器、主轴、锥齿轮、底座和输种管等，结构如图3所示。

1.种箱　2.隔套　3.主轴　4.动盘　5.底座

玉米排种器在排种的过程中型孔会发生堵塞，为了防止这种情况的发生，在投种器上需要增设护种器。在投种的过程中，为了使种子能够顺利的脱离投种器，降低种子的损失，将投种器的形状优化成半圆形，其结构如图4所示。

1.护种盒　2.弹簧　3.弹簧钢片　4.投种器

为了使排种器便于清种，在设计的过程中，将排种器和水平面呈现一定的角度。但是，倾斜角度不能过大，过大会造成种子的堆积和伤种；倾角过小会造成清种效果不好。因此，首先要对种子的受力进行分析，种子在投种器中的受力如图5所示。

图5　种子受力分析图

考虑到种子充入型孔的极限情况，根据力学平衡原理，可以得到

(1)

其中，N表示种子获得的支持力；ω表示排种器的角速度；R表示排种器圆盘的直径；α表示排种器的倾斜角度；f表示种子与排种器壁的摩擦因数。根据这些参数可以对清种过程的受力进行剖析，如图6所示。

图6　清种过程受力分析示意图

为了优化结构的设计，在孔的两侧增设了导种槽，提高了充种和清种的效果，降低了清种器对种子的冲击。对其进行力学分析，可以得到

(2)

其中，N1为种子1对种子2的力；N2为导种槽斜面对种子2的力；f1为种子之间的摩擦因数；f2为种子与动盘间的摩擦因数；β导种槽斜面与动盘底面的夹角；F为清种力；r为种子半径；h为清种力F与种子圆心垂直距离。

考虑到种子被清出的极限情况以及尺寸关系，有

N2=0

(3)

h=2rsinβ-r

(4)

由式( 3) 、式( 4) 、式( 5) 联立，得

(5)

其中，f1可以通过实验测得，通过计算可以得到倾角β的理论值；但是，还需要和实际种子的结构和尺寸相结合，才能设计出排种器圆盘最佳的清晰角度。

2.2基于玉米种子图像的倾角优化设计

为了优化排种器圆盘的倾斜角度，需要根据玉米种子的实际结构和尺寸，对排种器的倾角进行优化设计。但是，由于种子数量比较大，在对种子图像采集的过程中，会存在较大的误差，本文采用将图像信号加入白噪声的方法，对信号进行增强提取。当在信号中加入白噪声后，将使信号在不同尺度上具有联系性，以减小EMD分解过程中遇到的模态混叠。

为了准确地提取玉米图像种子的信号，利用EEMD中对信号加白噪声和EMD中的筛选思想来进行，步骤如下：

1)确定信号xi(t)所有的局部极值点；

2)在所有的局部极值点中选择满足频率确知信号极值点间隔且幅度较大的极值点；

3)用插值的方法构造xi(t)的上下包络，并利用上下包络求出平均包络mi(t)；

4)加入具有均值为0，方差为常数的白噪声ni(t)，重复步骤1)、2)、3)，将每次得到的mi(t)加起来，平均后得到频率确知信号。同样，把上述方法用于提取x(t)，结果如图7所示。

由图7可以看出：利用噪声下频率确知信号提取方法提取出来的信号更接近频率确知玉米种子图像信号，其最终结构形式如图8所示。

在提取玉米种子图像信号对引入辅助白噪声能较好地定位图像信号的极值点，通过对图像的处理可以对排种器的倾角进行优化，如图9所示。

图7　提取出来的信号与频率确知信号

图8　种子扫描处理图

图9　圆盘倾斜角优化

3精密玉米排种器性能测试

目前，播种机的性能测试主要使用田间测量的方法，但对于小颗粒种子不适用。这是因为小颗粒落到田地间不容易被发现和定位，严重地影响测试的精度；同时还受到各种因素的影响，测试的精确度不高。本文将排种器的性能测试放在实验室内进行，该实验平台主要使用光电检测方法和人工检测方法，通过两种方法的综合使用，提高测试的精确度。实验平台如图10所示。

1.油泵　2.粘带　3.喷油嘴　4.精密排种器

试验台主要由粘带、供油系统、精密排种器及高速摄像系统等组成。试验所用玉米种子为农大 108、登海 1568、莘州158，所用填充剂为膨润土，首先对传统的装置进行测试，得到了如图11所示的测试结果。

图11　播种期性能指标图

由图11可知：在排种盘转速为8 r/min 时，排种器的合格率最高 87.5%，重播率7.5%，漏播率 5%。改进前的装置存在较大的播种误差，通过信号白噪声方法对结构进行优化后，通过测试得到了表1所示的测试结果。

表1　排种器播种性能指标测试结果

由测试结果可以看出：与传统的玉米排种器相比，该排种器从单粒指数、漏播指数、重播指数3重指标都有不同程度的降低，从而验证了本文设计的精密排种器的可靠性。

4结论

对玉米播种机的圆盘式玉米排种器进行了结构和力学分析，通过分析发现：影响排种精度的主要因素是圆盘倾斜角度，并通过理论计算，得到了倾斜角度的初始值。为了进一步优化排种器尺寸和结构，将力学分析和种子结构尺寸相结合，对倾斜角度进行了优化设计。为了准确地提取玉米图像种子的信号，利用EEMD中对信号加白噪声和EMD中的筛选思想来进行，降低了玉米种子图像采集和筛选的误差。对装置进行了测试表明：改进后的排种器在单粒率、重播率和和漏播率性能上都比普通方法设计的排种器精度高，得到了理想的播种效果。

参考文献：

[1]夏红梅,李志伟,甄文斌.气力板式蔬菜排种器设计与试验[J].农业机械学报,2010,41(6):56-60.

[2]钟陆明,陈学庚,温浩军，等.免耕播种机气吸式排种器影响因素的试验研究[J].农机化研究,2012,34(5): 160-164.

[3]翟力欣, 姬长英,丁启朔.Irshad Ali 水田土壤蠕变的粘弹性计算[J].浙江农业学报,2010(4):509-514.

[4]翟力欣,姬长英,丁启朔.流变态土壤切削试验用室内土槽与测试系统设计[J].农业机械学报,2010, 41(7): 45-49.

[5]夏俊芳.基于ADAMS 的精密播种机补种机构虚拟设计与分析[J].华中农业大学学报,2007,26(3) : 419-422.

[6]刘飞,赵满全.膜下播种机的设计及排种装置的室内性能试验[J].农业工程学报,2010, 26 (4):139-142.

[7]白晓虎,张祖立.基于的播种机仿形机构运动仿真[J]. 农机化研究,2009,31(3):40-42.

[8]包文育,林静,霍春明,等.2BG-2 型免耕播种机横向运动稳定性分析[J].沈阳农业大学学报,2009,40 (3): 370-372.

[9]王熙,张海玉,赵军，等.大豆播种机电液仿形机构研究[J].农机化研究,2010,32(1)227-229.

[10]许剑平, 谢宇峰,陈宝昌.国外气力式精密播种机技术现状及发展趋势[J].农机化研究,2008(12):13-14.

[11]许剑平,谢宇峰,陈宝昌.国外气力式精密播种机技术现状及发展趋势[J].农机化研究,2008(12):203-206.

[12]Karayel D.Performance of a modified precision vacuum seeder for no-till sowing of maize and soybean[J].Soil and Tillage Research,2009, 104(1): 121-125.

[13]李成华,高玉芝,张本华.气吹式倾斜圆盘排种器排种性能试验[J].农业机械学报,2008,39(10):90-94.

[14]宋健,孙学岩,张铁中,等.开放式茄子采摘机器人设计与试验[J].农业机械学报,2009,40(1):143-147.

[15]赵庆波,赵德安,姬伟,等.采摘机器人视觉伺服控制系统[J].农业机械学报,2009,40(1):152-156.

[16]蒋焕煜,彭永石,申川,等.基于双目立体视觉技术的成熟番茄识别与定位[J].农业工程学报,2008, 24(8): 279-283.

[17]谢志勇,张铁中,赵金英.基于Hough 变换的成熟草莓识别技术[J].农业机械学报,2007,38(3):106-109.

[18]曹文,丁俊华,李再臣.机械式精密排种器的研究与设计[J].农机化研究,2009,31(7):143-146.

[19]刘佳,崔涛,张东兴，等.玉米种子分级处理对气力式精量排种器播种效果的影响[J].农业工程学报,2010,26(9):109-113.

[20]张铁中,杨丽,陈兵旗,等.农业机器人技术研究进展[J].中国科学:信息科技,2010,40(增刊1):71-87.

[21]毕坤,赵馨,侯睿锋,等.机器人技术在农业中的应用方向和发展趋势[J].中国农学通报,2011(27): 469- 473.

[22]周俊,刘锐,张高阳.基于立体视觉的水果采摘机器人系统设计[J].农业机械学报,2010,41(6):158-162.

Structure Optimization Design of Corn Precision Metering Device Based on White Noise Signal Processing

Wang Fengyan1, Fang Huali1, Liu Zhigang2,3

(1.Henan Polytechnic Institute, Nanyang 473000,China; 2.Nanchang Institute of Science & Technology, Nanchang 330108,China; 3.Nanchang University,Nanchang 330031,China)

Abstract：In order to improve the qualified rate of corn seed, decrease the rate of single grain rate, replay and and sowing rate, leakage of corn seeder metering device structure has been optimized design, white noise and using image processing methods, the proposed plate precision metering device structure optimization method.In the design of the metering device disk tilt angle optimization process, in order to enhance the accuracy of maize seed size structure image signal acquisition, the introduction of a white noise signal processing angle is combined with the theoretical calculation value, optimization of the structure. In order to test the validity and reliability of this method on the planting of performance were tested, by testing found that the improved seed metering device in a single grain rate, and leakage and sowing HFM can replay rate than the general design method of high precision metering device, improve the effect of planting corn seeder.

Key words：corn planting; disc structure; slope angle; white noise; metering device; the qualified rate

文章编号：1003-188X(2016)07-0030-05

中图分类号：S223.2

文献标识码：A

作者简介：王风燕(1981-)，女，河南南阳人，讲师，硕士。通讯作者：刘志刚(1980-)，男，湖北天门人，副教授，博士， (E-mail)fiberhome@126.com。

基金项目：国家自然科学基金青年基金项目(51305152)

收稿日期：2015-05-04