梁秋艳，周海波,2，马晓君，朱世伟，李洪波

(1.佳木斯大学 机械工程学院，黑龙江 佳木斯　154007；2.天津理工大学 机械工程学院，天津　300384)



超级稻精密播种点位控制技术研究

梁秋艳1，周海波1,2，马晓君1，朱世伟1，李洪波1

(1.佳木斯大学 机械工程学院，黑龙江 佳木斯154007；2.天津理工大学 机械工程学院，天津300384)

摘要：设计了机械臂式点位控制补种机构，并基于LabVIEW提取空穴坐标，确定空穴位置。对种头运动轨迹进行组合优化算法研究，对穷举法、最近邻点策略及最短链接策略3种算法进行了3种轨迹优化试验。试验结果表明：3种算法各自绘制出的运动图形轨迹与给出的空穴位置相吻合，均能够完成精密播种的点位控制；且穷举法运行时间短，编程简单，结果精确，输出距离短，确定为最优运动轨迹算法。

关键词：补种；精密播种；空穴坐标；运动轨迹；点位控制；超级稻

0引言

超级稻种植要求机械化育秧播种具有播种精度高及空穴率少的特点[1]。目前，优良的水稻秧盘精密育秧生产线的播种空穴率均在1%～5%不等，且有些播种装置在长时间作业中会出现故障，空穴率还会有所上升[2-3]，尤其对播种量要求较少的超级稻，因其播种量小必然导致空穴量增加。因此，在播种过程中要对空穴进行实时检测，并沿着最优运动轨迹找到空穴位置，实现精密播种的点位控制，为后续的补种工作打下良好基础。

对于漏播补偿问题的解决，我国多数地方是以人工补种为主，随着劳动力成本的增加，人工费用越来越高，解决空穴问题最有效的途径是实现补种机械化[4]。机械补种系统由两部分组成：一是传感器监测系统，安装在排种器出口用于检测是否有漏播情况；二是完成补种功能的补种执行机构。机械补种装置不仅能够减少劳动强度，还能增加播种质量，提高生产率[5-6]。该文将机器视觉与机械补种相结合，快速有效地判断空穴位置，使种头在寻找空穴位置时走过最优路径，提高补种的精确性，实现超级稻精密播种的点位控制。

1机械臂式点位控制补种机构设计

1.1　设计原理及仿真验证

补种机构简图如图1所示。该机构是为了配合2CYL-450型水稻育秧精密播种机的结构而设计，主要由机构支架平台、两轴运动机构、步进电机、同步带和同步带轮，以及机械臂等组成。其中，机械臂包括Z轴方向气缸(负责播种)，Y轴方向气缸(负责供种盘中取种)，结构形式为龙门式；X轴放在龙门的下方，Y轴放置在X轴下方与龙门垂直；X轴滑轨长度为400mm，Y轴为200mm，机构尺寸为800mm×700mm×600mm(长×宽×高)；驱动方式为步进电机驱动。为了方便与2CYL-450型水稻育秧精密播种机相连，设计了支座，使得整个补种机构方便又稳固。

图1　补种机构简图

为验证此补种机构设计的合理性，运用Pro/E三维模拟软件的TOP-DOWN设计方式对补种机构及其零部件进行三维实体模型运动仿真。在Pro/E装配模块下，把带动机械臂的4个运动部件设置为滑动杆，同时限制其自由度，添加伺服电机，并设置起始时间、结束时间、速度大小和方向，运动仿真图如图2所示。

运行仿真结果显示：气缸取种与播种位置的行程非常准确，且气缸运动时，与其它零件没有碰撞，说明机械臂的三维实体设计是合理的。按此设计研制的机械臂式点位控制补种机构实物图如图3所示。

图2　补种机构运动仿真图

图3　补种机构实物图

1.2　补种机构性能

计算补种速度时，利用PCI7334运动控制卡，首先使用MAX调试，然后在视觉软件LabVIEW里来实现转速设定。测得实际带负载时，转速为600 r/min工作很稳定。单轴运动速度为

v=π·D·n

(1)

式中D—运动直径(cm)，D=3；

n—工作稳定时步进电机转速(r/min)。

经计算可知，补种时单轴运动速度为942mm/s。如果两轴同时以942mm/s的速度运行，其合成速度为

(2)

在补种过程中，为了不影响钵体盘的运行速度，要在下一个补种区域到来之前完成对空穴的补种。因此，补种时间不能超过钵体盘走过一个补种区域的时间。最长补种时间为

t=l/vb

(3)

式中l—每次补种钵体盘走过长度(mm)，l=120；

vb—钵体盘速度(mm/ s)，vb=76。

该补种机构最长补种时间为1.58s。

2空穴坐标的提取

2.1　空穴率

补种机构将对2CYL-450型水稻秧盘育秧精密播种机漏播进行补种，其钵体盘具有375(25×15)穴的播种性能。其中，(2±1)粒/穴(或取秧面积)的播种合格率为90%，空穴率小于5%；当生产率为450盘/h，整个秧盘的空穴数不多于20穴。视觉检测拍摄的视窗为钵体秧盘5行×15列的范围，每次补种区域也是这个范围。因此，补种区域只是钵体盘的1/5，且视觉检测实验结果显示拍摄区域内空穴数不超过5穴[7]。

2.2　空穴坐标

播种机稳定工作时，秧盘前进速度约为76mm/s，在此过程中，利用CCD摄像机和图像采集卡对钵体秧盘图像进行连续拍摄。基于LabVIEW进行图像处理后得到二值掩模图像，根据图像处理结果，将每个掩模内的灰度均值统计结果储存在数组中[8-9]。种子灰度均值转换为数组后，用LabVIEW提取空穴坐标，其流程图如图4所示，基于LabVIEW提取空穴坐标程序框图如图5(a)所示。利用For循环把数组中每个数与0.015作比较，小于0.015的存入容器中，最后在前面板输出结果[10-11]，如图5(b)所示，根据输出结果可以清楚看出空穴的坐标，其结果是从上到下分别是5个点的空穴坐标，左边一列代表第几行(数值加1)，右边一列代表第几列(数值加1)。

图4　提取空穴坐标流程图

(a)　提取空穴坐标程序框图

(b) 空穴坐标输出结果

3最优运动轨迹算法及试验结果分析

3.1　最优运动轨迹算法

在种头寻找空穴位置时，需要明确运动顺序的问题。显然，最优运动轨迹是每个点只走一次，同时总路程最短，这类问题属于组合优化问题。解决这类问题通常有穷举法、最近邻点策略和最短链接策略。穷举法的思路最简单，经历所有可能的情况后把符合条件(最短)的路径找到并输出，排列个数是N！个。最近邻点策略是从任意点出发，每次在没有到过的点中选择最近的一个，直至经过所有点最后回到出发地点。最短链接策略是每次在整个范围内选择最短边加入到集合中，同时保证加入解集合中的边最终形成一个哈密顿回路[12]。

3.2　3种运动轨迹算法试验与结果分析

针对3种运动轨迹算法的试验应该在2CYL-450水稻秧盘育秧精密播种机上进行，但由于供种盘和吸针还处在调试阶段，故本试验是在静止的A4纸上画出运动轨迹。该机的钵体盘是以速度76mm/s匀速运动的，所以试验并不困难。现任意读取3组空穴数组，分别使3种算法运行各自的主程序，依次对3组空穴数组进行试验，试验结果如图6~图8所示。

(a)　给出的空穴坐标1

(b)　绘制的轨迹1

(a)给出的空穴坐标2

(b)　绘制的轨迹2

(a)　给出的空穴坐标3

(b)　绘制的轨迹3

从图6~图8可以看出：3种算法各自绘制出的运动图形轨迹与给出的空穴位置相吻合。分别对各算法的程序反应时间(运行程序时有一个停滞即运算时间)、偏离中心最大距离及一直边单轴运行速度进行3组测量，结果如表1所示。

表1　空穴位置1测量结果

从表1的测量结果可以看出：3种算法都符合要求，但从理论分析来看，穷举法运算次数为N！次，实际的组合次数只有(N-1)！/2次，实际程序运行时间最短。此外，在最近邻点策略和最短链接策略两种算法中，当空穴距离接近时会大大影响精度，而穷举法不会出现这种问题。因此，确定穷举法为本试验最优轨迹算法。

4结论

为了对超级稻精密播种中出现的补穴问题进行点位控制，设计了匹配2CYL-450型水稻育秧精密播种机的机械臂式点位控制补种机构，并基于LabVIEW图像处理技术提取空穴坐标，确定空穴位置。应用穷举法、最近邻点策略、最短链接策略3种算法进行了3种运动轨迹优化试验。试验结果表明：3种算法各自绘制出的运动图形轨迹与给出的空穴位置相吻合，均能够完成对精密播种的点位控制。因穷举法运行时间短、编程简单、结果精确及输出距离最短等优点被确定为最优运动轨迹算法。

参考文献：

[1]袁隆平．超级杂交稻研究[M]．上海：上海科学技术出版社，2006．

[2]齐龙，马旭，周海波. 基于机器视觉的超级稻秧盘育秧播种空穴检测技术[J]．农业工程学报，2009，25(2)：121-125．

[3]周海波，马旭，王俊发，等. 超级稻育秧播种的钵体盘图像分析技术与应用研究[C]//第十二届中国体视学与图像分析学术会议，2008：465-468.

[4]张传斌，吴亚萍. 烟草装盘播种机用精量穴播排种器的试验研究[J]．农机化研究，2012，34(10):161-168．

[5]王栋科，杨松，张淑敏. 天然草场助推式间歇排种器的设计、分析与试验[J]．中国农业大学学报，2012, 17(4): 140-143.

[6]刘彩玲，宋建农，张广智，等．气吸式水稻钵盘精量播种装置的设计与试验研究[J]．农业机械学报，2005，36(2)：43-46．

[7]周海波，马旭，玉大略等．2CYL-450型水稻秧盘育秧播种流水线的研制[J]．农机化研究，2008(11)：95-97．

[8]张云亮, 冯平法, 鲍晟. LabVIEW在大数据量采集与处理软件中的应用[J]．自动化仪表. 2012, 33(7): 19-20.

[9]陈锡辉，张银鸿．LabVIEW 8.20程序设计从入门到精通[M]．北京：清华大学出版社，2007．

[10]周海波，李洪波，王桂莲，等. 基于LabVIEW的超级稻秧盘播种质量检测技术研究[J]．佳木斯大学学报，2012, 30(5): 731-733.

[11]梁秋艳，周海波. LabVIEW图像处理技术在超级稻精密播种中的应用研究[J].安徽农业科学，2015, 43(23):338-339.

[12]汪定伟，王俊伟，王洪峰，等. 智能优化方法[M]. 北京：高等教育出版社，2007.

Research of Point to Point Motion Control Technology for Super Rice Precision Seeding

Liang Qiuyan1, Zhou Haibo1,2, Ma Xiaojun1, Zhu Shiwei1, Li Hongbo1

(1.College of Mechanical Engineering, Jiamusi University, Jiamusi 154007，China； 2.College of Mechanical Engineering, Tianjin University of Technology, Tianjin 300384，China)

Abstract：Designing of mechanical arm point to point motion control reseeding mechanism, and extracts the cavity coordinates successfully use LabVIEW to determine the location of cavities. Doing combination optimization algorithm research for seeding head trail, applying exhaustive method、nearest neighbor points strategy and the shortest link strategy for three trail optimization experiments and completed the algorithm programming based on LabVIEW software. Experimental results show that the movement trail graphics which plotted by each of the three algorithms can match the given cavities position, they are able to complete the point to point control of precision seeding, but the method of exhaustion has determined the optimal trail algorithm because of its advantages of simple programming, accurate results, and the running time is short, the output distance is short.

Key words：reseeding; precision seeding; cavity coordinates; trail optimization; point to point control; super rice

中图分类号：S223.2+3

文献标识码：A

文章编号：1003-188X(2016)11-0091-04

作者简介：梁秋艳(1981-)，女，黑龙江佳木斯人，讲师，博士研究生，(E-mail)liangqiuyan81@qq.com。通讯作者：周海波(1973-)，男，黑龙江肇东人，教授，博士，(E-mail)haibo_zhou@163.com。

基金项目：国家自然科学基金项目(51275209)；黑龙江省教育厅科学技术研究项目(12531687)

收稿日期：2015-12-09