基于三维可视化技术的播种机结构设计

来源：职称论文发表咨询网作者：田编辑时间：2020-08-15 16:11

　　摘要:为了能够直观观察到播种机的作业状态，识别播种机的种子破碎和漏播，并进行补种，设计了基于三维可视化技术的播种机。通过采用三角测量方法对摄像机的图像进行三维重建，实现了精密播种机的实时监控。结合光电传感器装置对播种过程中种子破碎和漏播进行检测，并对该区域进行补种。使用该播种机对玉米和小麦进行了播种试验，结果表明:播种机能够适应不同类别的种子，播种精度和准确率较高，能够满足播种机的性能要求。

　　关键词:播种机;种子破碎识别;种子漏播识别;补种;三维可视化技术

基于三维可视化技术的播种机结构设计

　　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。

　　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。

　　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。

　　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A=αmsm00αnn0001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。摄像机的两个点可以看做有两个坐标系，两个点三维图像的方向向量x→和x→'延长线的交点即为空间点O的位置。因此，三维重建的过程可以看作是摄像机内部矩阵和摄像机运动的过程，因此被称为运动恢复模型。由于摄像机两个点运动向量和平移向量t→在同一个平面，因此可以得到如下公式，即x→(tx(Ｒx→'+t→))=0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x→=A－1u→，x→'=A－1u→'，tx=0－t2tat20－t1－tat10式中u→和u→'—图像的齐次坐标。

　　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＜Vmin时，则种子发生碎裂，计算机将需要补种的信息传递给排种装置，由排种装置中的补种器进行补种。

　　3性能测试和试验分析

　　为了验证播种机系统的可靠性，对播种机的报警系统和播种系统进行了验证，主要包括以下两方面:①播种机正常工作时，通过人为制造设备故障，确认报警系统是否正常工作;②人工确定种子数量，将玉米和小麦种子在选定的试验田里进行播种试验，确定漏播、碎裂、重播和合格数，评估播种机的可靠性。

　　3．1报警系统试验结果

　　对播种机的报警系统进行试验，分别对卡种和连续重播5次进行了50次试验，结果如表1所示。

　　由表1可以看出:报警系统对卡种的报警率达到了100%，对漏播的报警率达到了98%，均达到了预期的使用效果。

　　3．2播种试验结果

　　分别选取200粒玉米和小麦种子进行5次试验，测定漏播数、破碎数、重播数、合格数和播种机的监测精度。试验结果如表2和表3所示。

　　由表2、表3可以看出:播种机能够适应不同类别的种子，播种合格率均在98%以上，精度满足播种机的工作要求;播种机不仅能够有效、直观地监控播种工作状态，还能够识别种子破碎和漏种，并进行补种，有效提高了播种机的准确率和播种效率。

　　4结论

　　1)对播种机图像进行了三维可视化处理，采用三角测量的方法对采集的图像进行三维重建，能够从各个角度清晰地观察播种机的播种状态。

　　2)采用光电传感器和三维可视化结合的方法对播种机的漏播、破碎和合格数进行识别，以快速、准确地实现对破碎和漏播区域进行补种。

　　3测试实验结果表明:该播种机满足使用要求，能够使用不同类别的种子，播种准确率和精度较高。