玉米精密播种粒距在线监测与漏播预警系统研究

杨 硕 王 秀 高原源 陈立平 翟长远 窦汉杰

(1.中国农业大学信息与电气工程学院，北京 100083； 2.北京农业智能装备技术研究中心，北京 100097；3.江苏大学农业工程学院，镇江 212013)

0 引言

目前玉米主要种植方式为精密播种，依据最优播量均匀播种是保证玉米产量的首要环节[1-2]。受排种器类型[3-4]、排种驱动方式[5-6]、播种作业速度[7-8]等因素影响，玉米精密播种机需根据播量变化调整播种速率，从而引起播种均匀性能的改变。播种作业时种子位于土壤层下，这给播种均匀性评估带来困难。玉米精密播种均匀性监测技术为上述问题提供了解决方案[9]。

根据应用环境差别，播种均匀性监测主要包括实验室静态排种器监测[10-11]和田间车载在线监测[12-14]。实验室静态排种器监测主要通过图像处理和排种监测传感器探测加以实现。该方法效果直观、粒距测量准确，比较有代表性的是黑龙江省农业机械工程科学研究院研制的JPS-12型排种器试验台[15]。由于需要对裸露在传送带上的种子图像进行采集，导致排种测试平台体积较大，使田间在线作业的发展前景受限。学者们开始利用传感器探测种子在导种管内落种状态或排种盘上的种子位置，对排种品质进行间接评价，典型的有Precision Planting公司生产的MeterMax型排种器检测仪[16]和中国农业大学研制的玉米精量排种器自动检测仪[17-18]。播种监测传感器体积小，易于在车载精密播种机上实施。为了对玉米精密播种机播种品质进行在线监测，文献[19]对玉米精密播种机故障报警系统进行了研究，田间试验得出，系统对漏播粒数的监测准确率大于92.11%；文献[20]通过优化探头分布和布置形式，对播种监测传感器进行了改进，系统对漏播量的平均监测准确率为95.1%；文献[21]设计了采集排种转速的光电编码器和监测气吸排种器吸种信息的光电传感器，提高了漏播量的监测精度，系统监测值与真实值相对误差平均值为3.87%；文献[22]通过压电传感器监测落种状态，对漏播监测准确率达到96.1%，并运用远程信息传输技术实现了对播种质量的远程监测。

目前，针对漏播指数、合格指数和重播指数的监测研究解决了条段漏播监测问题，而合格指数作为一个宏观指标，无法对处于合格粒距范围内的粒距偏差进行精准评价[23]。玉米精密播种机播量分布不准确对产量的影响较大，根据GB/T 6973—2005标准，合格粒距范围在0.5～1.5倍标准粒距之间，处于合格粒距范围内的粒距偏差，对播量的影响仍然较大。为监测粒距情况，传统方法是播种前由有经验的农机作业者进行试播种，播种后将种子覆土拨开，测量连续几组粒距，根据目标粒距与真实值的偏差对播种机播种粒距设置进行调整。该方法无法解决在线粒距偏差的监测问题，从而造成了播种均匀性差异，影响了产量[24]。

针对上述问题，本文设计玉米精密播种机播种粒距在线监测系统，通过落种监测传感器探测落种时间间隔，与实时作业速度相融合，在线获得播种粒距，通过优化算法提高播种粒距在线监测精度并对播种作业过程中的粒距误差进行试验验证，以期提高玉米精密播种均匀性监测精度，实现漏播预警。

1 系统总体设计

1.1 控制系统硬件设计

为实现车载在线玉米精密播种粒距等播种重要参数监测，针对气吸式玉米精密播种机，设计了播种粒距在线监测系统(图1)。该系统主要由排种监测ECU(Electronic control unit)、车载计算机和相关传感器组成，各部分通过通信线、信号线和电源线进行电气连接，完成信息交换。其中，电源线用于对各设备供电连接，电源为DC12V车载蓄电池，排种监测ECU内部集成基于LM2596S芯片的DC12V转DC5V的稳压模块；为防止开断电时电压峰波对车载计算机供电稳定性的影响、保证排种监测传感器的电压的稳定性，单独搭建XW-1224-5型宽压稳压模块进行供电；其余传感器通过DC12V车载蓄电池直接供电。通信线采用CAN通信网络，参照ISO 11783进行协议设计，利于系统扩展[25]；信号线主要包括气压传感器通信线、落种监测传感器信号线以及车速编码器信号线，信号由排种监测ECU进行集中解算；排种监测ECU基于STM32F105RBT6芯片设计，通过串口转RS485模块与气压传感器通信，获取风机出口压力，针对压力异常进行报警；落种监测传感器采用红外对射的原理，通过落种改变对射光路，使得红外接收端接收光强发生变化，经信号放大处理后形成脉冲信号，控制器通过PC817型光耦隔离芯片读取基于红外对射的落种监测传感器信号，获取稳定的落种脉冲信号，计算排种参数；通过中断输入端口读取安装于地轮上的车速编码器信号，计算车速；接收CAN网络报文，对播种粒距、播种压力、车速等信息进行融合，依据既定协议传输至CAN网络。

车载计算机采用Win7系统，用于运行粒距在线监测与预警软件，通过USB2.0接口与USB/CAN转换模块连接至总线，与总线搭载的下位机进行通信，对播种机播种粒距状态进行显示、记录，当气压下降异常、播种粒距异常等状况发生时，向用户进行报警。通过上述硬件组成、线束设计，使系统能够满足车载稳定作业的要求，进而通过软件设计实现对气吸式玉米精密播种机粒距误差的监测及漏播预警。

1.2 播种粒距监测程序设计

玉米精密播种的在线粒距获取程序主要由排种监测ECU完成。通过间隔落种时间与作业车速2个因素对粒距进行在线监测。首先，获取玉米精密播种的作业车速，为了满足播种粒距的准确在线测量，车速的测量需要更新频率快、数值准确。通过地轮测速的方式测量车速v，更新频率为2 Hz，车速编码器选择较高分辨率1 024 p/r，同时，为了尽可能消除地轮直径测量误差、滑移率等的影响，引入校核系数，计算公式为

(1)

式中μ——校核系数

Q——车速编码器脉冲累计数

D——地轮直径，m

F——车速编码器分辨率，p/r

ΔT——车速更新周期，s

μ的确定方法为：针对新的作业地块，使玉米精密播种机带动地轮转动作业一定距离lA(m)，记录距离lA内车速编码器输出的脉冲数Qt，计算公式为

(2)

落种监测传感器将落种状态转换为脉冲信号，系统通过监测脉冲信号的上升沿，对2个相邻脉冲时间Δtk(s)进行计时(图2)。玉米精密排种器正常工作时，具有随机的单粒漏播现象，使得通过单一粒距的监测来反映播种粒距的方法存在粒距异常值，而出现误报警。

为了消除异常值，更好地预测播种粒距的变化趋势，对系统监测的播种粒距进行移动平均处理，则粒距监测值计算公式为

(3)

式中Gm——粒距监测值，cm

n——移动平均处理周期数

vk——对应脉冲间隔内车速，km/h

依据n，程序对监测到的落种脉冲时间间隔进行更新，剔除旧值，本文确定n取10。此外，为达到漏播快速监测，由前期试验得出，玉米精密排种器正常播种时，连续漏播的粒数一般小于等于3粒，当满足

(4)

式中Gt——目标粒距，cm

程序停止移动平均处理，令Gm=3Gt，直至不满足式(4)的条件，解除报警，继续对粒距进行移动平均处理。气体压力读取通过串口发送读取指令，气压传感器通信遵循标准Modbus RTU协议，接收到读取压力指令后自动反馈，排种监测ECU通过解析压力指令获取压力。完成上述计算后，排种监测ECU将粒距监测值、车速、气压、排种粒数，按照1 Hz的频率上传至CAN网络，由车载计算机接收。

1.3 播种粒距预警程序设计

系统对播种粒距误差的预警主要通过玉米精密播种粒距在线监测软件实现，通过对播种粒距的在线监测，获得播种粒距误差，在漏播发生之前，提前发现播种粒距的异常状态，实现对播种漏播的预警，保证玉米精密播种作业过程中播种量的均匀性。该软件依托车载计算机运行，采用VS2010软件MFC框架编写，软件主界面如图3所示。

软件界面依据功能可划分为通信串口号设置、作业参数设置、作业参数监测和粒距分析4个区域。其中，通信串口号设置区用于设备通信时工作串口号的选择、开闭。参数设置区用于对播种行距、排种盘孔数、目标粒距Gt等参数进行设置，参数设置完成后，点击“参数确定按钮”，系统将设置参数保存至本地“InitValue.txt”文件，系统每次启动时即对初始设置参数进行读取。作业参数监测包括气压、车速、目标播量、单行排种量和总排种量。其中，气压用于监测气吸式播种机气吸管路的压力，当压力低于工作压力时进行报警，及时排除故障；单行排种量对比可以显示出各行播种单体差异，用于对各行播种单体的播种粒数的一致性进行监测；总排种量用于对播种机的整体排种粒数监测。粒距分析区域包括粒距误差和实时粒距。实时粒距显示排种监测ECU传输的Gm，当出现漏播时，对应进度条颜色由绿色变为红色。粒距误差ΔG(cm)计算公式为

ΔG=Gm-Gt

(5)

粒距误差有正负，数值为正，表示粒距偏大，反之，则偏小。通过观察玉米精密播种过程中粒距误差方向，若粒距误差持续为正，则说明粒距偏大，应增加对应车速下的排种速率，反之，则减小对应车速下的排种速率。粒距误差越大，说明实际播种粒距偏移目标粒距越远，则播量误差也较大。通过上述方法，实现漏播、播种粒距分布不准确的在线监测。

2 试验平台搭建

2.1 试验台

为了探究系统对不同型式排种器排种测量精度，选用指夹式排种器和气吸式排种器进行排种粒数测量精度试验，见图4。通过调整落种监测传感器与排种口的垂直距离，可以实现对2粒种子重播的监测[16]，将落种监测传感器固定于距排种器落种口垂直高度225 mm的位置。排种器通过总线电动机驱动排种系统进行驱动[25]，其中，指夹式排种器排种盘有18指，排种驱动电动机型号为JCF76R-1280-60R，排种盘稳定转速范围为8～42 r/min；气吸式排种器排种盘孔数为26孔，排种驱动电动机型号为AQMD3608BLS，配行星齿轮减速器，减速比为18∶1，排种盘稳定转速范围为8～55 r/min。试验时，设定目标粒距25 cm、行距60 cm，模拟车速在3～12 km/h，间隔1 km/h，每个模拟车速下获取100粒左右种子进行验证，试验重复3次，分析系统播种计数监测精度。

在此基础上，由于车速由总线报文获取，粒距监测值的精度主要取决于对落种时间间隔Δt的监测准确性。为了对系统测定的落种时间间隔准确性进行验证，利用高速摄像机(SVSI GigaView系列GVCM08-B05型)搭建了实验室试验台(图5)。试验台选用指夹式排种器，选用的玉米种子为郑单958；通过排种驱动电动机进行排种；利用作业速度模拟器(输出1～150 kHz)模拟车速编码器信号；利用A4纸打印水平线，放置于与导种管出口垂直距离70 mm的位置，用于模拟水平地面；收集盒内铺设有防震气泡膜，防止下落的玉米种子过度弹跳对高速摄像造成影响；计算机处理软件为GigaView软件，对高速摄像帧率设定为900 f/s，采集时间为12.451 s。试验时，目标粒距25 cm、行距60 cm，模拟车速在3～12 km/h，以1 km/h递增变化，通过系统捕获20组落种间隔数值，并传送至CAN网络，通过控制系统捕获落种的时间，使与高速摄像启动记录时间保持一致。由高速摄像视频回放确定相邻2粒种子下落至水平位置标志线时的时间间隔，结合模拟车速，获得粒距真实值，与系统粒距监测值对比，分析系统在实验室环境下，对排种粒距监测精度。

2.2 田间试验样机

为了对系统在田间的播种粒距监测精度进行验证，基于2BFQ-6型气吸式玉米精密播种机单体，设计了田间试验样机(图6)。将车载计算机、排种监测ECU固定至播种机上，通过线束连接。落种监测传感器安装在气吸排种器的导种管上，距离落种口的垂直距离与实验室设置时保持一致。气压传感器(CYYZ31-40-RS-14-B-G型)量程为-20～20 kPa，安装于风机出风管连接处。车速编码器(GK80K25G100BMC526型)分辨率为100 p/r，安装于地轮转轴上，与地轮同步转动。气吸排种器排种盘孔数为26孔，采用直流无刷电动机(AQMD3608BLS)加装减速器(减速比为18∶1)进行驱动，通过总线电动机驱动排种系统进行控制[25]。试验于2019年7月26日在河北省石家庄市栾城区麦茬旋耕地进行，选用郑单958玉米种子进行播种，设定播种目标粒距25 cm、行距60 cm，选择行进方向最左侧单体作为测试单体，通过CAN分析仪监听总线播种车速、经移动平均处理的粒距监测值报文，依次根据时间节点进行存储，获得粒距监测值。首先，对车速校核系数μ进行标定，最终确定μ为1.24。选取2个播种车速，通过车速计算得2个车速平均值分别为5.49、8.49 km/h，标准差分别为0.11、0.29 km/h。

设定试验区域，地块长度150 m，上述2个车速下的有效播种粒距采集距离为120 m，用卷尺测量每个试验区域内连续的350个播后14 d的出苗粒距(图7)。通过车速与时间的累加获得距离，使得粒距监测值与出苗粒距的位置相互对应，分析在田间环境下，系统对播种粒距的监测精度。

3 试验与结果分析

3.1 排种计数监测精度试验

系统对指夹式排种器、气吸式排种器的播种计数监测精度如图8所示。由试验结果可得，模拟车速为3～12 km/h，以1 km/h为间隔，系统对指夹式排种器排种计数监测平均准确率为99.12%，标准差为0.52%；系统对气吸式排种器排种计数监测平均准确率为99.71%，标准差为0.44%。系统对上述2种类型排种器排种计数监测准确率总体平均值为99.42%，标准差平均值为0.48%，说明系统对玉米精密播种的落种监测具有较好精度，总体排种计数监测误差平均值小于1%。

3.2 实验室排种粒距监测精度试验

利用图5所示试验台，对系统排种粒距在实验室环境下的监测准确性进行试验。通过高速摄像机捕获一段时间内排种器落种情况，采集相邻落种图像如图9所示。

设相邻落种中心点到达水平标志线的时刻为t′1(图9a)，经排种过渡时间(图9b),种2中心点到达水平标志线的时刻为t′2(图9c)，则相邻落种之间的时间间隔Δt′为

Δt′=t′2-t′1

(6)

根据测定的时间间隔，乘以车速获得基于高速摄像测定的粒距，并将该值记为粒距真实值。根据系统CAN网络监测的20组相邻落种之间的时间间隔，乘以车速，获得粒距监测值。将粒距真实值与粒距监测值相减，获得粒距监测误差，试验结果如图10所示。

由图10可得，在模拟车速3～12 km/h范围内，以1 km/h为间隔变化时，系统对粒距监测误差绝对值的平均值为2.34 cm，标准差为2.56 cm，波动较大，且具有较多的异常点。

为了消除异常点，解决因排种器随机单粒漏播、重播造成的粒距突变对系统粒距测量精度的影响，对粒距监测值进行移动平均滤波处理，结果如图11所示。由试验结果可得，粒距监测误差经移动平均处理后，异常值明显减少，粒距监测误差绝对值的平均值为0.79 cm，标准差为0.62 cm。在试验设定的10个车速下，单车速下对应的粒距监测误差绝对值的平均值最大为1.69 cm，标准差为0.23 cm。试验结果表明，经移动平均滤波处理后，系统粒距监测误差小于2.00 cm。

3.3 田间播种粒距监测精度试验

为了对系统田间粒距监测精度进行验证，选取2个播种机常用工作车速，进行了粒距监测精度试验，试验结果如图12、13所示。由图12可得，车速分别为5.49、8.49 km/h时，出苗粒距平均值分别为25.20、24.88 cm，标准差分别为5.00、5.49 cm;出苗粒距移动平均滤波的平均值分别为25.28、25.02 cm，标准差分别为2.07、2.06 cm；粒距监测平均值分别为24.28、23.82 cm，标准差分别为1.24、3.06 cm。

系统粒距监测值曲线与出苗粒距曲线相比，消除了粒距尖波的数据点。与出苗粒距曲线相比，出苗粒距移动平均值曲线与粒距监测值曲线更接近，变化趋势基本一致，在车速5.49、8.49 km/h下，平均值差值分别为1.00、1.20 cm。

由图13可得，车速分别为5.49、8.49 km/h时，与出苗粒距移动平均值相比，系统粒距监测误差的平均值分别为1.84、2.22 cm，标准差分别为1.61、2.13 cm，粒距监测误差平均值增加0.38 cm；而与出苗粒距相比，系统粒距监测误差平均值分别为3.88、4.64 cm，标准差分别为3.59、4.01 cm，粒距监测误差平均值增加0.76 cm。

结果说明，车速增大时，系统粒距监测误差增大，在车速5.49、8.49 km/h下，采用出苗粒距移动平均值计算的粒距监测误差平均值分别降低2.04、2.42 cm，标准差分别降低1.98、1.88 cm，系统粒距监测值曲线与出苗粒距移动平均值曲线更接近。综上结果可得，经移动平均处理后，系统粒距监测值曲线更加平滑，消除了随机播种粒距跳跃变化的影响；系统粒距监测值与出苗粒距移动平均值变化趋势基本相同；车速增大时，系统粒距监测精度降低。

4 结论

(1)基于CAN总线通信网络设计了玉米精密播种粒距在线监测与漏播预警系统，设计了基于移动平均滤波算法的播种粒距在线监测程序，通过对播种粒距及其误差的在线监测，实现了对播种漏播的预警。该系统通过车载电源提供电能，实现了车载计算机与排种监测ECU的总线通信。

(2)搭建了系统实验室性能试验台，通过车速的变化获得了系统在实验室环境下对排种计数的监测精度和对排种粒距的监测精度。选取指夹式精密排种器和气吸式精密排种器，在设定粒距25 cm、行距60 cm，以及在车速3～12 km/h范围内，以1 km/h为间隔的10个模拟车速下，系统对2种排种器排种计数监测准确率总体平均值为99.42%，标准差平均值为0.48%；以指夹式排种器为排种对象，经移动平均滤波处理后，系统粒距监测误差总体小于2.00 cm，单车速下对应的最大粒距监测误差绝对值的平均值为1.69 cm，标准差为0.23 cm。

(3)基于气吸式玉米精密播种机研制了田间试验样机，通过粒距监测值与出苗粒距的对比分析，获得了系统在田间作业环境下对播种粒距的监测精度。设置2个车速5.49、8.49 km/h，目标粒距为25 cm、行距为60 cm，采集连续的350个出苗粒距数据进行分析，结果表明，与出苗粒距移动平均值相比，系统粒距监测误差的平均值分别为1.84、2.22 cm，标准差分别为1.61、2.13 cm。经移动平均滤波处理后，粒距监测值曲线与出苗粒距移动平均值曲线的变化趋势基本相同，能够较准确地反映粒距变化。