基于DSP嵌入式系统的机械式自清洁播种头设计

熊　琼，邓明华，葛　蓁，汪小志

(1.武汉工商学院 信息工程学院，武汉　430200；2.武汉理工大学 物流工程学院，武汉　430063；3.南昌

大学，南昌　330031 )



基于DSP嵌入式系统的机械式自清洁播种头设计

熊琼1，邓明华1，葛蓁1，汪小志2,3

(1.武汉工商学院 信息工程学院，武汉430200；2.武汉理工大学 物流工程学院，武汉430063；3.南昌

大学，南昌330031 )

摘要：为解决现有针式穴盘播种机的吸嘴易发生堵塞影响播种质量的问题，基于DSP嵌入式图像识别系统，结合装置气吸-气吹的播种原理，设计了一种新的机械式自清洁播种头。该装置主要由DSP嵌入式图像识别和自动化清洁控制系统组成，图像处理模块采用TMS320DM642内核，包括图像预处理、特征提取、特征编码和编码匹配过程。机械部分包括吸嘴头、固定部、清洁活塞、顶针和复位弹簧等，通过和阻塞种子的图像匹配，输出接通正气压动作，利用活塞和顶针对吸嘴头进行疏通和排种作业。为了验证装置的有效性和可靠性，对系统进行了测试。结果表明：在播种速度为30排/min时，自清洁播种头播种的单粒率为98.7%、空穴率为0.52%、重播率为1.21%，与传统针式吸嘴相比，播种质量和防堵效果大幅度提高。

关键词：播种机头；嵌入式DSP；复位弹簧；力学模型；气压源；空穴率

0引言

气吸式穴盘播种机是工厂化育苗生产体系中的核心设备，播种头则是气吸式穴盘播种机的重要部件。国外气吸式穴盘播种机的研究起步较早，已开发出针式、滚筒式、平板式等系列播种设备，技术先进、整体配套性好，适用于设施装备配套齐全的工厂化育苗企业。针式播种机对种子的外形尺寸要求不高，适应性好，每次可完成单排穴孔播种，生产效率为200～400盘/h，但存在吸嘴易堵塞影响播种质量的问题。

为了解决上述问题，设计了一种新的播种头自清洁系统。该系统基于机械气动力学原理，利用播种头的气动特性，实现自清洁功能。为了提高装置的自动化程度，采用DSP嵌入式系统对种粒的堵塞图像进行识别，当控制中心得到与阻塞图像匹配的图像时，自动控制弹簧活塞和顶针向下移动，使种子脱离播种头，实现了播种头堵塞的自清洁功能，提高了播种机的播种作业效率和播种精度，为播种机的现代化设计提供了技术参考。

1机械式自清洁播种头设计原理

为了实现播种机播种头的自清洁功能，吸种过程中负的吸气接头和负压气源接通，此时腔室内形成负压，吸头产生吸附力吸住种子；在排种时，切断负气压源，但腔室内还会残留部分负压。其结构原理如图1所示。

1.固定座　2.负压进气接头　3.吸嘴头　4.复位弹簧

当播种头有种子被吸附时，需要接通正压气源，清洁活塞会向下移动，复位弹簧被压缩，顶针将种子推出吸嘴头，种子在自身重力作用下向下移动，实现了排种和自动清洁的功能。

图2表示DSP嵌入式系统的设计原理。该系统的功能设计主要基于图像特征提取，当采集的图像和机械播种头阻塞的图像匹配时，系统自动接通正压气源，种子在顶针的作用下被推出播种头，实现播种头的自动清洁功能。图像处理共分为4个步骤：图像预处理、特征提取、特征编码和编码匹配。

图2　DSP系统设计原理

2DSP嵌入式控制模型和系统设计

2.1控制模型

在排种过程中，播种头接通正压气源，活塞和顶针会向下移动，种子受到3种力的共同作用，包括自身重力G、吸附力Fx和清洁活塞和顶针的驱动力Fq，清洁活塞的推力为排种压力与复位弹簧阻力之差。临界状态的平衡方程为

(1)

其中，Fp表示排种力，Fl表示弹簧的复位力。

(2)

其中，d表示活塞直径；Pc表示临界排种压力；K表示弹簧弹力系数；Δx表示弹簧位移。将式(2)带入式(1)可得

(3)

其中，ρz、ρk分别表示种子和空气的密度；Vz表示种子的体积；vl表示临界悬浮速度；Sz表示种子迎风面积；Cd表示悬浮系数。临界排种气压Pc为

(4)

因此，只要排种气压大于临界排种气压，种子将摆脱负压吸附力，受重力而自由落体完成排种。

2.2系统硬件设计

机械播种头自清洁DSP嵌入式系统硬件平台分为6个功能模块，包括电源管理模块、图像采集模块、图像处理模块、数据存储模块、人机交互模块和网络通讯模块。硬件平台的整体框图如图3所示。

图3　系统硬件设计框图

其中，电源模块的主要作用是保证系统内核和外围正常供电，维持系统的稳定运行；图像采集模型主要负责将采集的模拟信号转换为数字信号，并将信号传输到TMS320DM642内核，负责全部的图像处理运算；数据存储模块负责程序和编码数据库的保存；人机交互模块可以认为输入DSP运行程序。系统中，由TMS320DM642的视频端口和视频解码芯片来实现种子图像的采集。其中，视频解码芯片型号为TVP5150PBS，具有功耗小及性能好的特点。

2.3系统软件设计

DSP/BIOS是TI公司提供的实时嵌入式操作系统，是一款免费的嵌入式操作系统，由TI公司提供强大的技术支持，可以降低开发难度。基于DSP/BIOS开发的应用程序可以利用CCS中提供的各种代码执行效率的评估工具，查看各部分代码的执行效率。针对严重影响系统效率的代码进行优化，有利于编写出执行效率更高的代码。本研究使用的主要进程名称和功能如表1所示。

本设计嵌入式DSP播种机种子图像识别软件系统共使用2个硬件中断和4个任务，各进程的名称和功能说明如表1所示。PC平台与TMS320DM642平台中的基本数据如表2所示。

表1　嵌入式图像识别系统进程名称与功能说明表

表2　基本数据类型

由表2中可以看出：两种平台大部分的数据类型都是相同的，但是也存在细微差别，因此需要对数据类型进行修改。在嵌入式识别算法中，需要将bool数据类型改为char。其中，long数据类型在PC和TMS320DM64上有区别，故全部改为int类型来定义。

TMS320DM642是一款32位的定点DSP芯片，运算主频很高，但其浮点的数据处理能力较差，而播种机种子图像的识别过程中有很多浮点运算，因此需要将种子图像识别算法进行优化。其中，使用的主要程序如下:

浮点数加减法

int x, y, z;

int temp;

temp=y<<(Px-Py);

temp=x±temp;

z=(int)(temp>>(Px-Pz);

z=(int)(temp<<(Pz-Px);

浮点数乘法

int x, y, z ;

int temp;

temp=(int)x;

z=(temp*y)>>(Px+Py-Pz);

浮点除法

int x, y, z ;

int temp;

temp=(int)x;

z=(temp<<(Px+Py-Pz))/y;

......

经过浮点数定点化之后，种子图像识别算法的效率将大大提升。

3测试结果与分析

运行速度是嵌入式图像识别系统的重要性能评价指标，图像识别的时间越短，系统的性能越好，越有利于系统的实时性控制。在播种速度为30排/min时，对系统的图像识别时间进行测试，得到了如表3所示的结果。

表3　图像识别运算时间

由表3可以看出:特征提取的时间最大为1.23s，匹配提取的时间最大为0.23s，时间总和最大也仅为1.43s。由此可知：嵌入式系统的图像识别速度较快，可以满足播种机播种头实时清洁的需要。

为了测试本文设计的嵌入式播种自清洁清洁效果，将有效的清洁次数进行统计，得到了播种头有效清洁的实时变化曲线。由图4可以看出：嵌入式播种头自清洁装置对阻塞的自动清洁达到了90%以上，可以满足播种优化系统的需求。

表4表示播种有效性的测试数据。为了测试本文设计的嵌入式播种自清洁系统的的有效性和可靠性，将其播种性能和传统的播种机播种头性能进行对比。由表4可以看出：和传统的播种头相比，其播种单粒率更高，空穴率更低，重播率也较低，播种性能大大提高。由于系统的机械结构使用活塞和顶针装置，其适应性较强，可以在多种播种装置中推广。

图4　播种头有效清洁次数实时曲线

测试装置单粒率空穴率重播率传统播种头85.28.225.69自清洁播种头98.70.521.21

4结论

设计了一种新的解决播种头堵塞问题的机械装置。该装置依据气动力学原理，采用气动活塞和顶针实现播种头的清洁功能。同时，利用DSP嵌入式图像识别技术，实现了装置的自动化控制过程。系统硬件部分采用TMS320DM642内核进行图像处理，使用视频解码芯片TVP5150PBS和SAA7121H视频编码器进行图像采集，降低了系统的功耗，提高了图像处理的性能。通过对系统的测试发现：该机械装置和自动控制的系统性能较好，播种的单粒率较高、空穴率较低、重播率很低，大幅度地提高了播种的效率和播种质量，可以在播种机的播种头设计中进行推广，具有较好的应用前景。

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Abstract ID:1003-188X(2016)02-0209-EA

Mechanical Self-cleaning Seeding Head Design Based on DSP Embedded System

Xiong Qiong1, Deng Minghua1, Ge Zhen1, Wang Xiaozhi2,3

(1.School of Information Engineering,Wuhan Technology and Business University,Wuhan 430200, China; 2.School of Logistics Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China; 3.Nanchang University,Nanchang 330031, China)

Abstract：In order to solve the existing suction nozzle needle type tray seeder easy blocking effects of sowing quality problems, DSP embedded image recognition system based on combining device, gas desorption gas blowing seeding principle, design a new mechanical self-cleaning seeding head. The device is mainly composed of a DSP embedded image recognition and automatic cleaning of the composition of the control system, the image processing module based on TMS320DM642 kernel, the function includes image preprocessing, feature extraction, feature coding and code matching process,the mechanical part comprises a nozzle,a fixed part,the cleaning piston,thimble and a reset spring,and image blocking by seed matching, output is connected with a positive air pressure action, dredge and seeding operations on the suction nozzle head using piston and the thimble. In order to verify the validity and reliability of the device, the system is tested, the results showed that, in the seeding speed for the 30 row /min, self cleaning head single grain sowing sowing rate was 98.7%, the hole rate is 0.52%, the playback rate is 1.21%, the indexes and the traditional needle type nozzle compared to sowing quality and greatly improve the anti blocking effect.

Key words：seeding machine head; embedded DSP; reset spring; mechanical model; pressure source; hole rate

文章编号：1003-188X(2016)02-0209-04

中图分类号：S223.2；S126

文献标识码：A

作者简介：熊琼(1981-)，女，湖北鄂州人，讲师，硕士。通讯作者：汪小志(1981-)，女，武汉人，讲师，博士研究生，(E-mail)wangxiaozhi@ncu.edu.cn。

基金项目：现代物流与商务湖北省协同创新项目(2011A201313)

收稿日期：2015-01-27