三七育苗播種機(jī)導(dǎo)種管研究設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

　　摘要：【目的】為提高三七育苗機(jī)械化播種精確性，針對(duì)三七小行株距的特點(diǎn)，研究一種新型導(dǎo)種管。【方法】在土槽上開展了以投種高度、播種機(jī)前進(jìn)速度、投種角度為試驗(yàn)因素，以理論播種點(diǎn)與實(shí)際播種點(diǎn)距離偏差的標(biāo)準(zhǔn)差和彈跳率為試驗(yàn)指標(biāo)的三因素五水平二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn);借助 Design-Expert 10.0.3 軟件建立了試驗(yàn)因素與指標(biāo)間的回歸方程及多目標(biāo)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，獲取最佳投種參數(shù)組合;在最優(yōu)參數(shù)組合下，使用高速攝像技術(shù)獲取種子運(yùn)動(dòng)軌跡，結(jié)合運(yùn)用圖像處理技術(shù)和曲線擬合法進(jìn)行種子運(yùn)動(dòng)軌跡曲線方程研究;借助 EDEM 軟件進(jìn)行導(dǎo)種管截面尺寸仿真分析，確定了截面尺寸;用 3D 打印技術(shù)試制導(dǎo)種管并開展播種驗(yàn)證試驗(yàn)。【結(jié)果】通過正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)所得最優(yōu)投種參數(shù)組合為投種高度 20 cm、播種機(jī)前進(jìn)速度 7.8 m/min、投種角 42°。未安裝導(dǎo)種管條件下，理論播種點(diǎn)與實(shí)際播種點(diǎn)距離偏差的標(biāo)準(zhǔn)差、彈跳率分別為 51.66 和 72.31%;安裝新型導(dǎo)種管后驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果顯示：理論播種點(diǎn)與實(shí)際播種點(diǎn)距離偏差標(biāo)準(zhǔn)差為 26.9，彈跳率為 45.2%。【結(jié)論】對(duì)比分析安裝新型導(dǎo)種管前后播種精確性可知：安裝新導(dǎo)種管的播種精確性明顯提高，研究結(jié)果可為三七育苗播種機(jī)導(dǎo)種管設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

　　關(guān)鍵詞：三七;機(jī)械化播種;導(dǎo)種管;運(yùn)動(dòng)軌跡;圖像處理;EDEM 仿真

　　楊文彩; 張效偉; 仲廣遠(yuǎn); 鄭嘉鑫; 蒲望; 馬永敢， 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) 發(fā)表時(shí)間：2021-11-25

　　三七是我國名貴的中藥材，市場(chǎng)需求量大[1-2]。農(nóng)藝要求三七育苗播種行株距均為 50 mm，播深為 10 mm，屬小行株距、淺播深精密播種[3]。但目前人工點(diǎn)播為主模式存在用工成本高、作業(yè)效率低、作業(yè)質(zhì)量不均勻等問題，機(jī)械化播種能有效提高播種質(zhì)量進(jìn)而提高效率、降低成本[4]。但三七種子三軸尺寸集中度低、似圓度低、硬度低、表面粗糙度和濕度大、流動(dòng)性不好，與其他大田大行株距作物種子相比，機(jī)械化播種難度大。機(jī)械播種時(shí)要求開溝、排種、覆土各部分系統(tǒng)協(xié)調(diào)才能實(shí)現(xiàn)三七機(jī)械化育苗播種。導(dǎo)種管將種子導(dǎo)入種溝，并約束種子流;由于三七種子的特性，導(dǎo)種管對(duì)投種過程及種子落點(diǎn)位置影響較大[5-6]。因此結(jié)合三七播種的農(nóng)藝要求和種子特性研究三七種子離開排種器后的投種軌跡，對(duì)設(shè)計(jì)合理的導(dǎo)種管進(jìn)而提升播種精度和播種效率具有現(xiàn)實(shí)意義。

　　課題組前期采用機(jī)械重力式排種原理，設(shè)計(jì)了窩眼輪式排種結(jié)構(gòu)，經(jīng)試驗(yàn)，排種器能排出均勻的種子流[7-8]，因?qū)ХN管設(shè)計(jì)不科學(xué)，種子的縱向分布均勻性與生產(chǎn)要求差距大，本文將這種差距界定為播種精確性，此差距越大播種精確性越低。精確性是衡量種粒縱向分布均勻性和播種機(jī)性能的重要指標(biāo)，受排種、投種和種床構(gòu)建等多個(gè)環(huán)節(jié)的影響[9-10]。種粒與管壁的碰撞和觸土?xí)r的彈跳所引起的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)易造成種粒的縱向分布不均勻 [11-13]，影響播種精確性，合理的導(dǎo)種管能減少種粒的碰撞和彈跳[14-15]。因此，設(shè)計(jì)出合理的導(dǎo)種管是提高播種精確性的重要手段[16]。

　　多年來，國內(nèi)外學(xué)者在導(dǎo)種管方面展開了較多的研究。在低速作業(yè)時(shí)，改變導(dǎo)種管外形能改變種子的下落軌跡，減輕種子的彈跳，保證種子縱向分布的均勻性[17-19];在高速作業(yè)時(shí)，可利用二次投種的方法將種子運(yùn)移到種床，通過帶式導(dǎo)種或 V 型凹槽撥輪能準(zhǔn)確的將種子輸送到種溝，大幅提高播種的縱向分布的均勻性[20-23]，此類方法設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，不適于三七的精密播種;在導(dǎo)種管內(nèi)分配均勻氣流將種子運(yùn)輸?shù)臍饬攀椒址N器，可以實(shí)現(xiàn)寬幅均勻播種[24-25] ,在導(dǎo)種管內(nèi)增加波紋和保證導(dǎo)種管長(zhǎng)度一致可增加種子行內(nèi)穩(wěn)定性[26]。在投種過程中，種子在導(dǎo)種管內(nèi)的彈跳與碰撞情況復(fù)雜，很難通過理論計(jì)算做全面分析，高速攝像技術(shù)被廣泛應(yīng)用于投種過程分析中，運(yùn)用高速攝像技術(shù)可以獲得種子速度隨位移變化規(guī)律、不同投種參數(shù)下的投種軌跡[27-29]。上述研究分別從部件結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律等方面展開，但這些研究主要針對(duì)油菜、大豆、玉米，小麥等大田大行株距作物，研究結(jié)果不適宜具有復(fù)雜性狀和特殊農(nóng)藝要求的三七，因此，有必要開展有針對(duì)性的研究。

　　本研究擬應(yīng)用力學(xué)分析確定影響播種精確性的因素，通過臺(tái)架試驗(yàn)研究精密播種的最佳工作參數(shù)組合，運(yùn)用高速攝像與圖像處理技術(shù)研究種子離開排種器后的運(yùn)動(dòng)軌跡，以擬合曲線為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)出一種新的導(dǎo)種管，并通過土槽試驗(yàn)驗(yàn)證此設(shè)計(jì)的合理性。

　　1 槽式育苗播種方式及播種機(jī)結(jié)構(gòu)

　　1.1 三七槽式育苗播種方式簡(jiǎn)介

　　云南廣泛采用的育苗槽規(guī)格為 1 440 mm 寬，據(jù)此設(shè)計(jì)播種機(jī)的播幅為 1 400 mm，根據(jù) 50 mm 行距的播種農(nóng)藝要求，播幅內(nèi)等距排列 28 個(gè)開溝器和 28 根導(dǎo)種管，機(jī)械化播種時(shí)，播種機(jī)在槽肩上行走，槽內(nèi)播種，三七育苗槽及播種示意如圖 1 所示。

　　1.2 三七育苗播種機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)

　　三七育苗播種機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖 2 所示，包括種箱、排種器、導(dǎo)種裝置、開溝裝置、限位裝置、控制柜、傳動(dòng)裝置、機(jī)架和升降螺桿行走裝置等。排種器由窩眼滾筒、V 型導(dǎo)種槽、圓弧形護(hù)種板等組成，導(dǎo)種裝置安裝在排種器下部，由 28 根導(dǎo)種管和投種器組成;如圖 2b 所示，開溝裝置由 28 只仿形開溝輪組成，安裝在播種機(jī)前部，開溝輪厚 20 mm，每?jī)芍婚_溝輪之間的中心距離為 50 mm，每?jī)筛鶎?dǎo)種管之間的中心距離也為 50 mm，其中導(dǎo)種管中心線與開溝輪中心線處于一條直線上。

　　1.3 三七育苗播種機(jī)工作原理

　　播種機(jī)播種過程中，電機(jī)帶動(dòng)主動(dòng)輪使播種機(jī)前進(jìn)，安裝在機(jī)架底部的限位輪，保證播種機(jī)沿直線行走，主動(dòng)輪軸通過傳動(dòng)系統(tǒng)使窩眼滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)，種子由窩眼滾筒排種器攜帶，當(dāng)種子到達(dá)投種點(diǎn)時(shí)因重力作用離開排種器，經(jīng)導(dǎo)種管輸送到開溝器開出的種溝內(nèi)。

　　2 投種過程種子力學(xué)分析

　　種子的運(yùn)動(dòng)軌跡與種子下落過程中的受力有關(guān)，有導(dǎo)種管和無導(dǎo)種管時(shí)有所不同[30]，無導(dǎo)種管時(shí)種子的運(yùn)動(dòng)受重力作用，有導(dǎo)種管時(shí)會(huì)受導(dǎo)種管管壁的作用。本研究對(duì)兩種情況下的種子運(yùn)動(dòng)進(jìn)行力學(xué)分析，探究影響種子運(yùn)動(dòng)軌跡的因素，并通過對(duì)比最終確定影響播種精確性的主要因素。

　　2.1 有導(dǎo)種管時(shí)種子的運(yùn)動(dòng)分析

　　理想情況下種子離開排種器后就與導(dǎo)種管管壁接觸并沿管壁下滑，然后離開管壁做類斜拋運(yùn)動(dòng)，直至落地。為便于研究三七種子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，以投種點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)、以播種機(jī)前進(jìn)速度的反方向?yàn)?x0 軸正方向、以豎直向下為 y0 軸正方向，建立如圖 3 所示的坐標(biāo)系 O0。

　　種子剛進(jìn)入導(dǎo)種管時(shí)，種子的速度與種子在排種器投種口處的速度 V0相同，此時(shí) V0=2πR1n1。在種子沿導(dǎo)種管下滑的過程中，種子在重力 G、支持力 N、摩擦力 f 的作用下做勻加速運(yùn)動(dòng)，此時(shí)的加速度為： 1 a g g ? ? sin cos ? ? ? ， (1)式中，μ1 為種子與導(dǎo)種管間的摩擦系數(shù);a 為種子在直線段運(yùn)動(dòng)的加速度，m/s2。對(duì)式(1)進(jìn)行 2 次積分得： V at V ? ? 0 ， (2) 1 2 2 1 0 S at V t ? ? ， (3)式中，V 為種子運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)速度，m/s;s1 為種子運(yùn)動(dòng)的位置到坐標(biāo)原點(diǎn)的距離，m。種子沿管壁下滑時(shí)，可分解為沿 x0軸和沿 y0 軸 2 個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，設(shè)種子沿導(dǎo)種管內(nèi)壁滑動(dòng)的時(shí)間為 t1，在 0≤t

　　種子離開導(dǎo)種管后以 Vt的初速度做類斜拋運(yùn)動(dòng)，此時(shí)種子運(yùn)動(dòng)微分方程為 2 2 2 2 2 2 0 dx m dt dy m mg dt ?? ???? ???， (6)設(shè)種子落地的時(shí)間是 t2，在 t1≤t

　　由式(7)、(9)和(10)可看出，種子的運(yùn)動(dòng)受種子與導(dǎo)種管間的摩擦系數(shù)、導(dǎo)種管的傾斜角度、導(dǎo)種管長(zhǎng)度、投種高度和種子離開排種器時(shí)的初速度等因素的影響。其中摩擦系數(shù)、導(dǎo)種管的傾斜角度和導(dǎo)種管長(zhǎng)度與導(dǎo)種管的結(jié)構(gòu)有關(guān)，說明不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的導(dǎo)種管使種子產(chǎn)生不同形狀的運(yùn)動(dòng)曲線。在導(dǎo)種管結(jié)構(gòu)參數(shù)形式及安裝位置確定的前提下，影響種子運(yùn)動(dòng)軌跡的因素包括：種子的運(yùn)動(dòng)時(shí)間、投種高度、種子離開排種器時(shí)的初速度。

　　2.2 無導(dǎo)種管時(shí)種子的運(yùn)動(dòng)分析

　　對(duì)于無導(dǎo)種管的情況，建立一個(gè)以投種點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)、以播種機(jī)前進(jìn)速度的反方向?yàn)?x1 軸正方向、以豎直向下為 y1軸正方向的坐標(biāo)系 O1，種子運(yùn)動(dòng)的各參數(shù)如圖 4 所示。種子在下落過程中的運(yùn)動(dòng)可分解為豎直和水平 2 個(gè)運(yùn)動(dòng)[19]。 1 0 1 0 cos sin +g x y V V V V t ???? ??? ? ?， (11)式中，V1x為種子相對(duì)排種器在 x1 軸方向上的速度，m/s2 ;V1y為種子相對(duì)排種器在 y1軸方向上的速度，m/s2。由式(11)可知，種子離開排種器后的運(yùn)動(dòng)速度與種子離開排種器時(shí)相對(duì)排種器的運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)，同時(shí)也受投種角度的影響。在運(yùn)動(dòng)過程中種子只受重力的作用，設(shè)種子落地的時(shí)間是 t3，在 0≤t有關(guān)，而運(yùn)動(dòng)時(shí)間與投種高度有關(guān)，因此，在無導(dǎo)種管的情況下影響種子運(yùn)動(dòng)軌跡的因素包括：排種器的圓周速度、投種高度和投種角度。

　　對(duì)比式(7)、(10)、(12)和(14)可知導(dǎo)種管結(jié)構(gòu)影響種子的運(yùn)動(dòng)軌跡;排種器的圓周速度、投種高度約束種子著地時(shí)的相對(duì)速度;種子離開排種器時(shí)的初速度、種子運(yùn)動(dòng)時(shí)間和投種角度影響種子運(yùn)動(dòng);導(dǎo)種管的曲線形式不同，種子的運(yùn)動(dòng)軌跡不同。綜合以上內(nèi)容確定在投種過程中影響種子運(yùn)動(dòng)軌跡的主要因素為排種器的圓周速度、投種高度和投種角度。

　　3 最優(yōu)工作參數(shù)試驗(yàn)

　　求出三七育苗播種機(jī)的最優(yōu)工作參數(shù)是進(jìn)行導(dǎo)種管曲線設(shè)計(jì)的前提，后續(xù)將在最優(yōu)工作參數(shù)下通過高速攝像分析種子離開排種器后下落軌跡，進(jìn)而研究導(dǎo)種管的曲線。為研究種子離開排種器后的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和運(yùn)動(dòng)軌跡，搭建了播種精確性試驗(yàn)臺(tái)，并進(jìn)行試驗(yàn)研究。

　　3.1 試驗(yàn)條件

　　試驗(yàn)在云南農(nóng)業(yè)大學(xué)土槽實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。土槽按照三七機(jī)械化播種要求制作，寬 1 440 mm，土槽內(nèi)基質(zhì)與三七播種時(shí)基質(zhì)一致。設(shè)計(jì)的三七播種精確性試驗(yàn)臺(tái)如圖 5 所示，投種角度通過不同角度護(hù)種板組合實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)。試驗(yàn)所用種子為經(jīng)分級(jí)處理后的云南文山三七種子，種粒直徑范圍為 5.5~7 mm，千粒質(zhì)量為 119.4 g，平均含水率為 60%。

　　3.2 試驗(yàn)因素與指標(biāo)

　　對(duì)于播種機(jī)而言，當(dāng)排種滾筒直徑確定時(shí)，由于排種器圓周速度不便測(cè)量，且與機(jī)器前進(jìn)速度為固定傳動(dòng)比，故排種器圓周速度可以由機(jī)器前進(jìn)速度來代替。所以選取機(jī)器前進(jìn)速度 Z1、投種高度 Z2、投種角度 Z3 為此次試驗(yàn)的試驗(yàn)因素。種子縱向(種子沿機(jī)具前進(jìn)方向)分布主要以播種粒距合格指數(shù)評(píng)價(jià)，文獻(xiàn)[31]以理論播種點(diǎn)與實(shí)際播種點(diǎn)距離偏差的標(biāo)準(zhǔn)差作為評(píng)價(jià)種子縱向分布均勻性的新指標(biāo)，考慮三七播種的實(shí)際情況，選取理論播種點(diǎn)與實(shí)際播種點(diǎn)距離偏差的標(biāo)準(zhǔn)差為試驗(yàn)指標(biāo);由于三七種子的特性，導(dǎo)致種子與導(dǎo)種管內(nèi)壁產(chǎn)生較多碰撞引起觸土?xí)r彈跳，使種子最終位置變化，影響種子縱向分布。因此增加彈跳率作為一個(gè)試驗(yàn)指標(biāo)來探究播種機(jī)的播種精確性，各指標(biāo)的計(jì)算公式如下[9, 31]： ? ? 2 1 1 0 i n i i C X n ??? ? ?， (15) ?100% ?? N n T t ， (16)式中，C 為實(shí)際播種點(diǎn)與理論播種點(diǎn)距離偏差的標(biāo)準(zhǔn)差;Xi 為第 i 個(gè)種子的實(shí)際播種點(diǎn)與理論播種點(diǎn)距離偏差，mm;n 為實(shí)際測(cè)量種子個(gè)數(shù);T 為彈跳率，%;nt 為發(fā)生彈跳的種粒數(shù)，mm;N´為觀察到的排種總數(shù)。

　　彈跳率的測(cè)定方法：試驗(yàn)時(shí)，用安放在支架上的攝像機(jī)對(duì)種子下落過程進(jìn)行拍攝，試驗(yàn)結(jié)束后通過對(duì)種子下落視頻的慢速播放來觀察種子是否彈跳。若彈跳記此種子狀態(tài)為 1，否則為 0，最后通過計(jì)算發(fā)生彈跳的種粒數(shù)與觀察的總的種粒數(shù)的比例，得出此時(shí)的彈跳率。試驗(yàn)包括單因素試驗(yàn)和二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)，為降低試驗(yàn)誤差，每組試驗(yàn)重復(fù) 3 次，取平均值。

　　3.3 單因素試驗(yàn)

　　根據(jù)三七育苗播種機(jī)設(shè)計(jì)要求，播種機(jī)的播種速度應(yīng)在 6∼10 m/min 之間，設(shè)定試驗(yàn)時(shí)播種機(jī)的前進(jìn)速度為 8 m/min;按照文獻(xiàn)[32]中的試驗(yàn)結(jié)果，投種高度在 20∼40 cm 時(shí)播種效果較好，設(shè)定投種高度為 20cm。選取投種角為 15°、25°、35°、45°、55°和 65°共 6 個(gè)因素水平，開展投種角度對(duì)播種精確性影響試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖 6。

　　由圖 6 可知，投種角在 15°~25°和 45°~65°時(shí)，彈跳率與實(shí)際播種點(diǎn)與理論播種點(diǎn)距離偏差的標(biāo)準(zhǔn)差變化呈現(xiàn)出相同的趨勢(shì)，分析原因是三七種子在觸土?xí)r彈跳的增加使重播、漏播加重，使得種子的縱向分布均勻性變差，實(shí)際播種點(diǎn)與理論播種點(diǎn)距離偏差的標(biāo)準(zhǔn)差變低，相反，種子彈跳的減少，種子縱向分布的均勻性變好。彈跳率在投種角為 35°時(shí)達(dá)到了最低;在投種角為 55°時(shí)，實(shí)際播種點(diǎn)與理論播種點(diǎn)距離偏差的標(biāo)準(zhǔn)差達(dá)到最大，并和彈跳率一起出現(xiàn)拐點(diǎn)。綜合可以得出使實(shí)際播種點(diǎn)與理論播種點(diǎn)距離偏差的標(biāo)準(zhǔn)差小、彈跳率低的投種角的范圍為 25°~45°，此時(shí)整體播種精確性較好。

　　3.4 二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)

　　3.4.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

　　以機(jī)器前進(jìn)速度、投種高度、投種角度為試驗(yàn)因素，以實(shí)際播種點(diǎn)與理論播種點(diǎn)距離偏差的標(biāo)準(zhǔn)差(以下簡(jiǎn)稱標(biāo)準(zhǔn)差)和彈跳率為試驗(yàn)指標(biāo)在土槽上開展三因素五水平正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)。根據(jù)課題組前期研究及單因素試驗(yàn)確定投種高度為 20～40 cm，投種角為 25°～45°，機(jī)器前進(jìn)速度為 6～10 m/min，因素編碼如表 1 所示，試驗(yàn)方案及結(jié)果見表 2 所示，Z1、Z2、Z3 為因素編碼值。

　　3.4.2 回歸分析

　　利用 Design-Expert 10.0.3 對(duì)結(jié)果進(jìn)行多元回歸擬合和方差分析，以標(biāo)準(zhǔn)差 P1 和種子彈跳率 P2 對(duì)試驗(yàn)因素實(shí)際值的二次多項(xiàng)式回歸方程，并對(duì)其顯著性進(jìn)行檢驗(yàn)。

　　1)標(biāo)準(zhǔn)差 P1 的顯著性分析

　　由表 3 可知，各因素對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差的回歸模型極顯著(P<0.05)，其中 Z2、 2 Z2 對(duì)模型有極顯著的影響，Z3對(duì)模型有顯著的影響，其余因素對(duì)模型影響不顯著。由 F 值分析可知，影響標(biāo)準(zhǔn)差主次順序?yàn)椋篫2>Z3>Z1。將 P>0.1 的因素剔除[33]，并再次進(jìn)行方差分析，得到各因素對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差的二次回歸方程如式(17)所示。 2 1 2 3 2 P Z Z Z ? ? ? ? 447.39 92.23 1.41 6.29 ， (17)對(duì)式(17)進(jìn)行失擬性檢驗(yàn)，如表 3 所示，其中 P>0.1，即失擬不顯著，說明回歸方程擬合較好。

　　2)彈跳率 P2 的顯著性分析

　　由表 3 可知，各因素對(duì)彈跳率的回歸模型顯著(P<0.05)，其中 Z3 對(duì)模型有極顯著的影響，Z1 和 2 Z3 對(duì)模型有顯著的影響，其余因素對(duì)模型影響不顯著。由 F 值分析可知，影響彈跳率主次順序?yàn)椋篫3 >Z1>Z2。將 a>0.05 的不顯著因素剔除，并再次進(jìn)行方差分析，得到各因素對(duì)彈跳率的二次回歸方程如式(18)所示。 2 2 1 3 3 P Z Z Z ? ? ? ? 34.56 0.27 2.58 0.043 (18)對(duì)式(18)進(jìn)行失擬性檢驗(yàn)，如表 3 所示，其中 P>0.1，失擬不顯著，說明回歸方程擬合較好。

　　3.5 最佳參數(shù)優(yōu)化

　　為找出即滿足種子縱向分布均勻，又符合播種機(jī)播種精確性要求的參數(shù)組合，將標(biāo)準(zhǔn)差最小，彈跳率最小作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，結(jié)合因素邊界條件建立參數(shù)化數(shù)學(xué)模型：? ?? ? 1 1 2 3 2 1 2 3 1 2 3 min min 20mm 40mm s.t. 6m / min 10m / min 25 Z 45 P Z Z Z P Z Z Z Z Z ? ? ??? ? ??? ? ? ? ?、 、、 、， (19) 利用 Design-Expert 10.0.3 軟件對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化求解，得到最優(yōu)參數(shù)組合為投種高度 20 cm、前進(jìn)速度 7.781 m/min、投種角度 42°;此時(shí)標(biāo)準(zhǔn)差為 51.553、彈跳率為 72.31%。為方便安裝調(diào)試，對(duì)參數(shù)進(jìn)行圓整，設(shè)置投種高度為 20 cm、前進(jìn)速度為 7.8 m/min、投種角度為 42°。此時(shí)標(biāo)準(zhǔn)差為 51.66、彈跳率為 72.31%。

　　4 投種軌跡曲線研究

　　上節(jié)研究結(jié)果顯示，無導(dǎo)種管情況下播種的彈跳率和標(biāo)準(zhǔn)差不理想。為設(shè)計(jì)新型導(dǎo)種管，在上節(jié)最優(yōu)參數(shù)下，通過高速攝像技術(shù)和圖像處理技術(shù)對(duì)種子的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行研究，以獲得導(dǎo)種管最優(yōu)曲線。

　　4.1 試驗(yàn)裝置與材料

　　試驗(yàn)地點(diǎn)為云南農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)基地，試驗(yàn)裝置和材料包括經(jīng)分級(jí)后直徑范圍為 5.5~7 mm 的文山三七種子、三七播種精確性試驗(yàn)臺(tái)、千眼狼 5F04M 型高速攝像儀、智云 CR110 手持云臺(tái)、PC 機(jī)、白色紙板、光源等。試驗(yàn)過程中儀器安裝及拍攝如圖 7 所示。

　　4.2 試驗(yàn)方法

　　由于三七種子的。由于包衣的三七種子為暗紅色，表面有白色粉末狀的藥粉顆粒，為方便的觀察運(yùn)動(dòng)軌跡和提取位置的坐標(biāo)，拍攝的背景選擇白色紙板。設(shè)置高速攝像儀的拍攝速度為 240 fps，像素分辨率為 1 280 ×720，保證鏡頭的水平，適當(dāng)?shù)膶?duì)光線進(jìn)行補(bǔ)償，使其能觀測(cè)到清晰的三七種子。投種角調(diào)至 42°，調(diào)整試驗(yàn)臺(tái)減速電機(jī)，使機(jī)器前進(jìn)速度穩(wěn)定在 7.8 m/min，啟動(dòng)并設(shè)置恰當(dāng)?shù)匿浿茣r(shí)間，待試驗(yàn)結(jié)束后保存視頻文件至電腦端。

　　4.3 距離標(biāo)定

　　在攝像頭視野內(nèi)采集邊長(zhǎng)為 28 mm×28 mm 的正方形網(wǎng)格圖像。通過計(jì)算正方形邊長(zhǎng)的物理長(zhǎng)度與其對(duì)應(yīng)得像素長(zhǎng)度的比值[34]，記 K = B/A，其中 A 為正四邊形網(wǎng)格邊長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的像素長(zhǎng)度的平均值，B = 28 mm 為標(biāo)定正方形網(wǎng)格的實(shí)際邊長(zhǎng)。

　　4.4 特征提取

　　將種子下落的視頻以時(shí)間順序轉(zhuǎn)換為 JPG 格式的幀圖像序列，其尺寸為 1 280 像素 ×720 像素。通過對(duì)圖片進(jìn)行篩選并編號(hào)，共得 319 粒完整的三七種子下落圖像。圖像處理過程如圖 8。

　　4.4.1 圖像預(yù)處理

　　對(duì) 34 號(hào)種子進(jìn)行分析，圖 8a 和 8b 為種子下落圖像，圖像中種子有一定的拖影，通過拖影可看出種子的軌跡。由圖 9 可以看出前一幀圖像(8a)和后一幀圖像(8b)之間有一定的差距，可運(yùn)用背景差分法的方法來進(jìn)行目標(biāo)提取，背景差分法是前圖像與背景圖像的差分來檢測(cè)目標(biāo)[35]，其原理可表示為 d x y f x y b x y k k k ? , , , ? ? ? ? ? ? ? ， (20)式中，fk(x, y)為前一幀，bk(x, y)為背景幀，dk(x, y)是前一幀與背景幀的差分結(jié)果。運(yùn)用差分法，可得到三七種子提取軌跡圖。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在 HSV 空間下 V 分量能更易于將下落種子的軌跡與背景分離，效果如圖 8c 所示。

　　4.4.2 圖像分割和輪廓提取

　　預(yù)處理后的圖像更易于分割，本研究運(yùn)用 Otsu 法進(jìn)行自適應(yīng)閾值二值化對(duì)圖像進(jìn)行分割。Otsu 法是基于統(tǒng)計(jì)特性來計(jì)算目標(biāo)和背景的最大類間方差，并找出圖像的分割閾值的一種方法[36]。由于預(yù)處理后圖像會(huì)存在一些噪聲，閾值分割會(huì)錯(cuò)誤的將噪聲分割出來，運(yùn)用形態(tài)學(xué)方法可以對(duì)二值化后的圖像進(jìn)行修正[37]。形態(tài)學(xué)的基本原理包括腐蝕、膨脹運(yùn)算等。腐蝕是一種消除邊界點(diǎn)，使邊界向內(nèi)部收縮的過程，可以用來消除小且無意義的物體，而膨脹是將與物體接觸的所有背景點(diǎn)合并到該物體中，使邊界向外部擴(kuò)張的過程，可以用來填補(bǔ)物體中的空洞[37]。本研究將二值化后的 V 分量圖先通過連通域面積閾值過濾，然后再進(jìn)行腐蝕和膨脹運(yùn)算，得到如圖 8d 所示的缺失的種子軌跡圖，最后將兩幅圖像進(jìn)行異或運(yùn)算得到近似完整的種子軌跡圖(圖 8e)。為更方便的提取出種子的運(yùn)動(dòng)軌跡，對(duì)異或后的圖像進(jìn)行形態(tài)學(xué)骨架提取，并取反可得到軌跡線的大致形狀，如圖 8f 所示。

　　5 基于 EDEM 仿真的導(dǎo)種管設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

　　導(dǎo)種管的研究包括導(dǎo)種管曲線及截面的研究，上節(jié)已研究出導(dǎo)種管輪廓曲線，本節(jié)對(duì)導(dǎo)種管截面尺寸進(jìn)行研究。三七種子在離開排種器落入種溝前，由于種子質(zhì)量不同、在型孔內(nèi)姿態(tài)不同等因素的影響，可能有橫向(在水平面內(nèi)垂直機(jī)具前進(jìn)方向)位移，種子的橫向位移分布決定著導(dǎo)種管截面尺寸。對(duì)種子橫向位移采用 EDEM 軟件進(jìn)行研究，根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，將投種角度設(shè)置為 42°，投種高度設(shè)置為 20 cm，滾筒轉(zhuǎn)速設(shè)置為 0.228 rad/s;將種子設(shè)置為多球面聚合顆粒(圖 10a)，根據(jù)三七種子三軸尺寸[38]，將種子長(zhǎng)寬高分別設(shè)置為 6.35、 5.67、5.24 mm。排種滾筒軸向不同窩眼的排種質(zhì)量相互獨(dú)立，為縮減仿真所需時(shí)間，取排種滾筒軸向 1/5 段進(jìn)行仿真。通過三維建模軟件建立簡(jiǎn)化后的排種器三維模型并導(dǎo)入 EDEM 中，仿真模型如圖 10b 所示。根據(jù)文獻(xiàn)[39]所研究的種子與 ABS 塑料的接觸參數(shù)，在 EDEM 進(jìn)行相應(yīng)參數(shù)設(shè)置，仿真結(jié)束后對(duì)排種器下方種子流切片，分析其橫向偏移量。

　　將種子無橫向偏移下落時(shí)的橫向坐標(biāo)作為種子下落理論橫向坐標(biāo)，將仿真獲得的種子在投種口下方 20 cm 處時(shí)橫向坐標(biāo)與理論橫向坐標(biāo)進(jìn)行作差運(yùn)算以求得種子橫向偏移量;仿真結(jié)束后，種子的橫向偏移量分布如圖 11 所示。

　　從圖 11 中可以看出，93.3%的種子橫向偏移量為 0~13 mm，故將排種器出口截面的橫向尺寸取為 26 mm，根據(jù)圖 9c 可知區(qū)域一種子流下方的寬度約為 30 mm，故將出口截面尺寸設(shè)置為 26 mm ×30 mm;導(dǎo)種管采用向后(播種機(jī)前進(jìn)方向?yàn)榍胺?傾斜逐漸收縮的矩形端面有利于形成均勻粒距[40];根據(jù)上述試驗(yàn)得出的投種角度最佳為 42°，投種高度為 20 cm，結(jié)合導(dǎo)種管安裝空間的綜合考慮，將導(dǎo)種管截面向尺寸設(shè)置為出口截面縱向尺寸的 2 倍即 60 mm，最終確定導(dǎo)種管的入口截面尺寸為 26 mm ×60 mm。為了避免卡種將導(dǎo)種管截面的橫向邊界設(shè)計(jì)成圓弧;導(dǎo)種管中間部分根據(jù)上述圖像分析所得曲線進(jìn)行過渡，末端對(duì)曲線進(jìn)行延長(zhǎng)并優(yōu)化。

　　6 討論

　　從上述研究看，加裝導(dǎo)種管之后的標(biāo)準(zhǔn)差與彈跳率明顯降低，雖然彈跳率降低幅度小于標(biāo)準(zhǔn)差，但種子縱向分布均勻性增加,說明導(dǎo)種管的約束作用較好，使得在彈跳率不是很理想的情況下,播種精確性也得到保障。深入分析彈跳率還不夠理想的原因主要有三，第一，三七種子質(zhì)量不均勻?qū)е氯叻N子在導(dǎo)種管內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡有偏差;第二，在導(dǎo)種管曲線優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，選用 80%的種子軌跡作為約束，導(dǎo)致其余 20%的種子可能會(huì)與導(dǎo)種管壁碰撞;第三，本研究導(dǎo)種管材料為能吸收種子碰撞能量的高性能軟尼龍材料，若導(dǎo)種管采用更軟質(zhì)材料則吸收碰撞效果會(huì)更佳，課題組后續(xù)將對(duì)導(dǎo)種管材料展開研究。

　　7 結(jié)論

　　1)通過分別建立有無導(dǎo)種管情況下種子運(yùn)動(dòng)的力學(xué)模型，找出影響種子離開排種器后運(yùn)動(dòng)的共同因素為：排種器的圓周速度、投種高度和投種角度。

　　2)對(duì)投種角度進(jìn)行單因素試驗(yàn)，得到整體播種精確性較好的范圍為 25°~45°。以播種機(jī)前進(jìn)速度、投種高度、投種角度為試驗(yàn)因素，以標(biāo)準(zhǔn)差和彈跳率為試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行三因素五水平二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)，通過 Design-Expert 10.0.3 軟件優(yōu)化得出無導(dǎo)種管條件下排種器最優(yōu)投種參數(shù)組合為投種高度 20 cm、投種角度 42°、播種機(jī)前進(jìn)速度 7.8 m/min，此條件下標(biāo)準(zhǔn)差為 51.66，彈跳率為 72.31%。

　　3)在最優(yōu)投種參數(shù)組合為投種高度 20 cm、投種角度 42°、播種機(jī)前進(jìn)速度為 7.8 m/min 條件下，基于高速攝像和圖像處理技術(shù)對(duì)種子離開排種器后的軌跡曲線進(jìn)行分析，得出種子的軌跡曲線方程為 0.06194 5.709 5 217.2 2 y5 ? x5 ? x ?，并通過種子軌跡分布范圍得出種子縱向偏移量為 30 mm;通過 EDEM 軟件仿得到種子橫向偏移量為 26 mm;為了提高播種精確性，最終得到出口和入口截面尺寸分別為 26 mm ×30 mm 和 26 mm ×60 mm，據(jù)此設(shè)計(jì)試制出導(dǎo)種管。

　　4)根據(jù)得到的導(dǎo)種管尺寸數(shù)據(jù)，運(yùn)用 3D 打印技術(shù)試制出導(dǎo)種管，并進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。經(jīng)驗(yàn)證試驗(yàn)得出，種子粒距縱向分布均勻性增加，實(shí)際播種點(diǎn)與理論播種點(diǎn)距離偏差的標(biāo)準(zhǔn)差為 26.9，彈跳率為 45.2%，新型導(dǎo)種管滿足了三七育苗播種農(nóng)藝要求，為播種機(jī)導(dǎo)種管的田間播種應(yīng)用提供了參考依據(jù)。