基于三维可视化技术的播种机结构设计

2020-10-17 01:03王社

农机化研究 2020年6期

王社

(武汉城市职业学院, 武汉 430064)

0 引言

播种作为农作物种植的基本环节,直接影响着劳动生产率和农作物的收成。传统的机械播种机是全封闭作业的,在播种过程中无法实时监控播种情况。播种机的工作环境通常都很恶劣,易出现机械故障,作业过程中还会出现输种管堵塞、卡种、漏种等情况。一旦发生以上问题,则会出现大面积的漏播,导致农作物的减产。因此,必须对播种机的工作过程进行监测,以保证播种机工作效率和效果。

目前,播种机播种过程的监测主要有光电传感器监测和涂油皮带等方法。涂油皮带的方法能够直观地监测经过排种器中的种子是否着落,但易污染环境,且造成种子的浪费和播种时间的浪费,一般不采用。目前,广泛应用的检测方法是光电传感器法。光电传感器的检测原理是种子从排种器落下时遮挡了光电元件,通过传感器检测到了信号,从而确定了种子是否落下,因此对漏播现象较为敏感,能够识别是否有漏播的情况出现。但是,该方法对于播种过程中出现的种子破碎现象则无法辨别,且重播现象也无法辨别,从而影响了播种机的播种效果,降低了工作效率[1]。为了能够直观地监测播种情况,避免出现漏播、卡种等情况,需要引入一种新型的监测方式对播种机作业过程进行监控。

三维可视化技术是通过系统的处理使图像直观形象地让用户看到[2]。在播种机播种过程中,通过CCD摄像头对播种机的播种过程进行拍摄,再通过三维可视化技术,对拍摄的图像进行三维重构,以实现对播种机播种过程的实时三维监控,提高播种机的工作效率。本文将结合三维可视化技术和光电传感器对播种机结构进行探讨,以改善播种机性能。

1 机构设计及原理

精密排种机监控系统主要由摄影系统、三维可视化系统、测试分析系统、排种装置和报警系统组成,工作流程如图1所示。

图1 播种机基本工作流程

1.1 摄影系统

摄影系统由CCD摄像机、光源及图像采集卡组成。由于播种机需要适应不同种类的种子,包括识别种子的大小、颜色,且能够区别破碎的种子,因此要求是具有采集彩色图像快速、清晰的特点,CCD摄像机则可以满足这一要求。每次播种机作业之前,由于种子的不同,首先需要调节摄像头的焦距和光圈参数,直到摄像头能够清晰地采集种子的图像,播种机才可以开始作业。

1.2 三维可视化系统

摄影系统的CCD摄像机拍摄的影像传送给计算机之后,由计算机对图片进行三维重建。系统以小孔成像为基本原理,利用三角测量的方法将图片进行综合处理得到三维图[3]。此方法具有运算速度快、操作简单及三维模型真实的特点。通过三维可视化,工作人员可以清晰地从各个角度观察到播种情况和判断工作状态,且设备发生故障时可尽快找到问题出处。

1.3 分析测试系统

分析测试系统采用光电传感器装置及发光二极管,电路图如图2所示。在输种管下方设置了发光二极管和光敏电阻,没有种子通过时发光二极管的光照射到光敏电阻上,其电阻值恒定,电压恒定;当有种子通过时,就会遮挡二极管照射到光敏电阻上的光,光敏电阻的阻值增加,相应地电压增加。一般种子落下的周期为7～9ms,若时间周期超过9ms则出现了漏种现象,需要补种。

图2 分析测试系统电路图

结合三维可视化装置对播种器性能指标进行分析测试,包括对重播率、漏播率、种子破碎率进行计算,并将漏播及需要重播区域的结果传递给排种装置,由排种装置执行处理结果。

1.4 排种装置

排种装置主要由排种器、补种器、输种管和步进电动机构成。种子箱内的种子按照播种要求通过排种器进入输种管,从而达到精密排种。为了达到排种均匀、种子破坏最小的目的,播种具有可调节性,且能够适应不同类别的种子及不同的工作环境[4]。本文选用窝眼轮式排种器,结构如图3所示。排种器开始工作后,种子箱内的种子首先进入窝眼,在窝眼内的种子随着驱动器转至刮种板处,由刮种板把窝眼中多余的种子刮出;然后,种子在窝眼中随驱动器的转动进入输种管内,播种到土地上。

为了减少漏播和种子破碎造成播种效率的降低,设置了补种器,采用两相混合步进电动机进行补种。当分析测试系统检测到漏播或者种子碎裂时,将结果传送至计算机,计算机发布指令给补种器,自动补种。

图3 涡眼轮式排种器结构

1.5 报警系统

报警系统采用声光报警装置。计算机接收播种机工作状态:播种机正常工作时,报警系统不工作;当出现卡种或者连续重播5次时,报警系统灯光闪烁,并发出报警声音,播种机停止工作,检查播种机故障原因。

2 软件设计

2.1 图像三维处理

首先确定CCD摄像机的内部参数矩阵,即

其中,(m0,n0)为摄像机在图像内的坐标;(αmαn)为摄像机的平行尺度和垂直尺度;s为倾斜尺度。

其中,R为世界坐标到摄像机坐标的旋转矩阵。

通过对上面的公式求解,可得

三维重建与投影过程可以看做是互逆的两个过程,可通过投影点的坐标确定空间点的坐标。投影点和摄像机的交点连线上的点都满足投影方程,即

因此,需要摄像机拍摄到两幅图片才可得到空间点坐标,同时还需要立体匹配点[5],可以通过二维图像得到三维图像,这个过程可以叫做三角测量。三角测量的代数形式为

当C取得最小值时,即可得到该图像对应的三维坐标,进而得到三维处理图像。

2.2 播种机的补种原理

判断播种机性能的指标主要包括种子的漏播率、重播率、破碎率和合格数[6]。

播种机通过光电传感器装置对漏种进行检测,若出现漏种情况,则需要补种。

种子从窝眼进入刮种器、再进入输种管的这一过程中,会受到多重挤压而发生破碎现象,破碎方式一般是种子碎化、断裂,因此在播种时要特别注意种子的破碎,及时进行补种,避免播种率的降低。但如果同一个位置种子重复播种则会造成种子的浪费,因此需要对种子的破碎和重播进行检测。根据不同类别的种子,确定种子的体积范围为Vmin～Vmax,种子经过摄像机时通过三维处理并由计算机计算可得出种子的体积V。当V>Vmax时,可认为该位置发生了种子重播,这时计算机自动启动计数功能。当连续发生5次重播时,则报警系统启动,播种机停止工作,检查故障原因。当V

播种机的漏播和种子的碎裂均需要进行补种。补种器与排种器均采用窝眼式排种器,并由步进电动机进行驱动。为了保证电动机的快速启动,能够及时地对每个需要补种的位置进行补种,对步进电动机的控制性能进行了数学分析。

由于自电感和互电感对两相混合式步进电动机影响较小,因此可忽略不计。以M相为参考相,则补种设备电动机的电压平衡方程[7]为

其中,Um、Un、Im、In分别为电动机M、N相电压和相电流;Rm、Rn分别为电动机M、N相电阻和绕组自感;Kω为力矩常数;θ为角位移;Zr为转子齿数。

补种器的电动机转子力矩为