基于计算机辅助的玉米芽种物理机械播种研究

李丽丽

(吉林省辽源职业技术学院 机电工程系，吉林 辽源 136201 )



基于计算机辅助的玉米芽种物理机械播种研究

李丽丽

(吉林省辽源职业技术学院 机电工程系，吉林 辽源 136201 )

玉米是我国主要农作物之一，其生产效率与生产质量的好坏，直接关系着我国粮食安全。传统的玉米芽种机械播种方式，生产成本虽低，但无法实现高效率全自动大面积玉米播种或者套种的实际需求。为此，采取室内试验的方法，选取了我国北方某农业大省玉米作物生产作物为研究对象，进行试验研究。现阶段，关于玉米精密排种器的相关研究，集中体现在排种器相关物理机械性能上，包括机械的设计及机械性能的检测等。在试验方法的选择上，国内行业内现有高速摄像检测方法、虚拟仪器检测方法及图像处理检测等。本文在这里重点运用了高速摄像检测技术。

计算机辅助； 玉米； 机械； 排种器；高速摄像

0 引言

玉米芽种播种机，是一种集合了高产配套应用技术的玉米机械化单粒精准化芽种播种机。在传统的玉米种植方式下，尤其是我国中西部地区，农民习惯性的大把撒种、大把间苗。这种播种方式，不仅浪费了大量的玉米种子，还加大了人力的投入，且作物生产和生长效率都比较低下。本文提出的玉米机械化单粒播种技术，主要是指在计算机辅助技术的嵌入下，开发和利用专用播种机，最大限度地实现一穴一粒一苗。

1 我国玉米作物种植及产业发展现状

1.1 现状概括

我国是农业大国，玉米是我国主要农作物之一，其种植面积和产量一直位居秋粮作物的首位。玉米除了供人们加工食品之外，还是家畜养殖重要的饲料，并且还被广泛应用于各工业生产的原料。随着社会经济的发展、科学技术水平的进步，我国在农业现代化建设领域也取得了非凡的成就。近几年，我国玉米无论是播种面积还是总产量，都在逐年增加，并且在所有粮食农作物总产量中所占比重也在逐年增大。2010-2014年我国玉米及粮食作物面积及总面积及总产量，如表1所示。

表1 2010-2014年我国玉米与粮食作物播种面积及总产量

对于农业机械研发来说，对其进行物理样机试验是非常重要的一个环节，同时也是必不可少的一个环节。根据以往我国在该领域的研究及相关技术的研发进展来看，通常的物理样机试验主要分为两种形式：一是田间试验，二是室内试验。与传统的物理机械播种试验有所不同，由于充分考虑到传统的田间试验存在自然条件难以控制等因素，包括像人工控制、劳动量、成本费用等方面，都存在较大的不可控性，所以本文在这里主要采取室内试验的方式来进行。当然，在试验的过程中，会综合考虑到田间试验和室内试验的优缺点。

1.2 实践探索

计算机辅助技术嵌入下的高产玉米芽种单粒机械化播种技术，是精密播种技术的一种细分。近些年来，随着精密播种技术的迅猛发展，其应用范围也是越来越广泛。在我国南方地区，特别是在江苏、浙江、上海、福建等地，水稻等粮食作物生产及种子播种环节，均采用了精密播种技术。相比较于东部沿海农业机械化发展水平较高的地区，我国中部和西南、西北地区则凸显的相对比较落后。本试验研究，主要采取室内试验的方法，选取了我国北方某农业大省玉米作物生产作物为研究对象。

1.3 虚拟设计过程

虚拟设计过程如图1所示。

图1 虚拟设计过程

2 计算机辅助下的玉米芽种物理播种装置机理

首先，在玉米植质钵育秧盘设计层面上，主要选用的是秸秆、土和胶等相关原料，然后再通过高温高温饱和蒸汽熏蒸灭菌固化技术制备而成，如图2所示。

图2 玉米芽种植质钵育秧盘结构剖面图

其长宽高分为 276.5cm×42cm×35cm 。

玉米芽种物理(精量)播种装置的设计及相应工作原理，如图3所示。其所呈现的玉米芽种排种器类型为机械转板式。

玉米排种相关部件的工作原理设计与装置，如图4所示。其结构主要由种箱、刷种轮、型孔板、转板等零部件共同组装而成。

3 玉米芽种物理机械播种试验

以组合内窝孔玉米精密排种器作为试验对象，并选取了平安18、吉峰218、长单228不同的玉米芽种来作为此次室内试验研究观察的主要材料样本。本次试验所使用到的玉米芽种排种机器，为PSJ排种器性能试验台，并利用高速摄像技术，采用高速CCD摄像机，来对玉米芽种的运动状态进行实施摄像与监测，主要拍摄与监测范围为玉米芽种在排种器内的运动过程。最后，再根据高速摄像所获取到的图片信息来进一步检测与分析出排种器的性能指标。

1.台面 2.推盘调节控制设备 3.推盘器 4.底土箱 5.压实轮 6.种箱 7.表土箱 8.刮土器 9.辊轮 10.机架 11.连杆机构 12.型孔板 13.电机 14.开关控制 15.变频控制柜 16.高速摄像机 17.导向杆

图3 玉米芽种植质钵育秧盘排种装置基本结构示意图

1.刷种轮 2.型孔板 3.转板 4.植质钵育秧盘 5.辊轮 6.连接板 7.拉杆 8.玉米种 9.种箱装置

3.1 试验设备、仪器

本次试验使用到的机械设备与仪器，除了机械设计所使用到的精密排种器之外，还包括有高速摄像系统及PSJ排种器性能试验台(见图5)等。除此之外，还包括一些辅助性质的工具，如黄油材料及光源设备等。

由于受到一定条件的限制，此次试验设计与实际机械设计效果存在一定的出入，但是总体上不影响对试验结果的判断。

图5 室内试验使用到的PSJ排种器性能试验台

图5为玉米芽种物理机械播种室内试验PSJ排种器性能试验台，为当地农业部门实验室所有，是近两年最新的专门用于机械性能检测与研究的最新技术设备，其性能良好。本次试验使用的PSJ排种器性能试验台，包括5部分，分别是电子控制柜、气力系统、土槽、玉米种子传送带和试验台车。

由于计算机辅助技术的嵌入，有效解决了以往存在的诸多技术难点问题，包括像玉米芽种的图像空间的位置及其标定、摄像头选位及系统噪声等。本次室内试验研究所使用到的高速摄像系统，主要由3部分组成，在系统内部，CCD摄像机是整个系统的核心部件，除了CCD摄像机之外，另外两部分分别为软硬件系统及数据传输系统。

试验中，选用黄油的目的，主要是因为黄油具有吸附玉米芽种的功能。试验操作的过程中，并不只是单纯的使用高速摄像机来记录玉米芽种播种机器内种植的运动情况，还需要将玉米种子“播种”到传送带上，并使用事先准备好的单粒率等相应的试验性能指标来实时检测分析。在这种情况下，将黄油涂抹在专门播种玉米芽种的传送带上，可以确保玉米种子被牢牢吸附在传送带上方，避免了其发生弹跳。光源设备是用来辅助高速摄像机的，这一点与实际田地播种关联性不大，主要是因为室内试验光线不足。

3.2 试验方案、步骤

传统的机械式玉米芽种排种器存在两大比较明显的技术缺陷：一是机械作业效率较低，包括作业水准与播种速度等；二是无法满足对玉米种子尺寸的要求。在试验方案的设计上，本文在这里主要选取了3种玉米芽种，包括平安18、吉峰218、长单228 。每一种玉米芽种均进行3次试验，即3次不同速度控制下的试验检测，分别为26.82、39.33、51.96r/min 。

在试验准备与操作上，需要着重注意以下事项：首先对排种器的外壳进行刻度标注，具体来说，是要在排种器上每隔一个角度，在其表面所对应的位置处使用胶片打印出与之相吻合的刻度线。这样做的目的是为了通过将其粘贴在排种器的外壳上，使得在试验玉米种子播种过程中，更加方便清楚。其次，就是使用事先准备好的角钢来将试验机械固定在试验台车上。最后，切实做好高速摄像系统的连接与粗调。

3.3 试验结果与分析

表2数据指标结果统计表明：① 首先，3种玉米种子，空穴率全部为零。这表明该排种器充种效果极佳，操作性能优良。②玉米芽种播种的单粒率比较高(双粒率为100.00%-单粒率)。除此之外，长单228玉米种子单粒例最高，在 26.82r/min 与39.33r/min 转动速率的情况下，达到了100.00% ，形成这一情况的原因与3种子的尺寸有关系，因为长单228玉米种子的三维尺寸最大。③ 随着转机转速的增大，单粒播种率越来越小。

4 结论

基于计算机辅助的玉米芽种物理机械播种，提出了一种玉米机械化单粒播种种植方式。通常情况下，在传统玉米芽种种子过程中，由于玉米芽种发芽率在85%左右，所以为了确保每穴都能够出苗，一般都会在每一个穴内播种 2～4 粒不等的种子。进行统计之后发现，每公顷田地需要玉米种子大约 45～60kg。本文重点研究的单粒播种技术方式，发芽率基本控制在 97% 左右，并且每亩田地玉米种子播种量仅为 8.75～22.5kg，种子量节省一大半。

表2 不同转速下组合内窝孔玉米排种器的排种性能指标检验结果

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Physical and Mechanical Sowing of Maize Seeds under the Application of Computer Aided Technology

Li Lili

(Jilin Province Liaoyuan Vocational Technical College，Liaoyuan 136201，China)

Corn is one of the main crops in our country, the production efficiency and the production quality is good or bad is directly related to the food security in China.Traditional maize bud mechanical seeding method, production cost is relatively low, unable to realize high efficiency automatic large area of maize seeding and interplanting of actual demand.This study,mainly to take indoor test method, selected in the north of our country agricultural big province corn crop production crop research object.At this stage,on corn precision metering device related research,embody a concentrated reflection of in a row which is related to the physical and mechanical properties, including design and testing.Relating to the performance test.The method mainly comprises a high-speed camera detection method,detection method of virtual instrument, photoelectric effect detection method, image processing method to detect and stroboscopic photography detection method or is directly observed detection.

computer aided; maize; machine; seed metering device; high speed camera

2016-04-19

吉林省教育厅项目(2014ZCY162)

李丽丽(1980-) 女，吉林公主岭人，讲师，工学硕士，(E-mail)lilili@qq.com。

S223.2+3

A

1003-188X(2017)05-0202-04