摘要:為了能夠直觀觀察到播種機的作業狀態，識別播種機的種子破碎和漏播，并進行補種，設計了基于三維可視化技術的播種機。通過采用三角測量方法對攝像機的圖像進行三維重建，實現了精密播種機的實時監控。結合光電傳感器裝置對播種過程中種子破碎和漏播進行檢測，并對該區域進行補種。使用該播種機對玉米和小麥進行了播種試驗，結果表明:播種機能夠適應不同類別的種子，播種精度和準確率較高，能夠滿足播種機的性能要求。

　　關鍵詞:播種機;種子破碎識別;種子漏播識別;補種;三維可視化技術

　　引言

　　播種作為農作物種植的基本環節，直接影響著勞動生產率和農作物的收成。傳統的機械播種機是全封閉作業的，在播種過程中無法實時監控播種情況。播種機的工作環境通常都很惡劣，易出現機械故障，作業過程中還會出現輸種管堵塞、卡種、漏種等情況。一旦發生以上問題，則會出現大面積的漏播，導致農作物的減產。因此，必須對播種機的工作過程進行監測，以保證播種機工作效率和效果。目前，播種機播種過程的監測主要有光電傳感器監測和涂油皮帶等方法。涂油皮帶的方法能夠直觀地監測經過排種器中的種子是否著落，但易污染環境，且造成種子的浪費和播種時間的浪費，一般不采用。目前，廣泛應用的檢測方法是光電傳感器法。光電傳感器的檢測原理是種子從排種器落下時遮擋了光電元件，通過傳感器檢測到了信號，從而確定了種子是否落下，因此對漏播現象較為敏感，能夠識別是否有漏播的情況出現。但是，該方法對于播種過程中出現的種子破碎現象則無法辨別，且重播現象也無法辨別，從而影響了播種機的播種效果，降低了工作效率［1］。為了能夠直觀地監測播種情況，避免出現漏播、卡種等情況，需要引入一種新型的監測方式對播種機作業過程進行監控。

　　1機構設計及原理

　　精密排種機監控系統主要由攝影系統、三維可視化系統、測試分析系統、排種裝置和報警系統組成，工作流程如圖1所示。

　　1．1攝影系統攝影系統由CCD攝像機、光源及圖像采集卡組成。由于播種機需要適應不同種類的種子，包括識別種子的大小、顏色，且能夠區別破碎的種子，因此要求是具有采集彩色圖像快速、清晰的特點，CCD攝像機則可以滿足這一要求。每次播種機作業之前，由于種子的不同，首先需要調節攝像頭的焦距和光圈參數，直到攝像頭能夠清晰地采集種子的圖像，播種機才可以開始作業。

　　1．2三維可視化系統攝影系統的CCD攝像機拍攝的影像傳送給計算機之后，由計算機對圖片進行三維重建。系統以小孔成像為基本原理，利用三角測量的方法將圖片進行綜合處理得到三維圖［3］。此方法具有運算速度快、操作簡單及三維模型真實的特點。通過三維可視化，工作人員可以清晰地從各個角度觀察到播種情況和判斷工作狀態，且設備發生故障時可盡快找到問題出處。

　　2軟件設計

　　2．1圖像三維處理

　　首先確定CCD攝像機的內部參數矩陣，即A=αmsm00αnn0001其中，(m0，n0)為攝像機在圖像內的坐標;(αmαn)為攝像機的平行尺度和垂直尺度;s為傾斜尺度。攝像機的兩個點可以看做有兩個坐標系，兩個點三維圖像的方向向量x→和x→'延長線的交點即為空間點O的位置。因此，三維重建的過程可以看作是攝像機內部矩陣和攝像機運動的過程，因此被稱為運動恢復模型。由于攝像機兩個點運動向量和平移向量t→在同一個平面，因此可以得到如下公式，即x→(tx(Ｒx→'+t→))=0其中，Ｒ為世界坐標到攝像機坐標的旋轉矩陣。通過對上面的公式求解，可得x→=A－1u→，x→'=A－1u→'，tx=0－t2tat20－t1－tat10式中u→和u→'—圖像的齊次坐標。

　　2．2播種機的補種原理

　　判斷播種機性能的指標主要包括種子的漏播率、重播率、破碎率和合格數［6］。播種機通過光電傳感器裝置對漏種進行檢測，若出現漏種情況，則需要補種。種子從窩眼進入刮種器、再進入輸種管的這一過程中，會受到多重擠壓而發生破碎現象，破碎方式一般是種子碎化、斷裂，因此在播種時要特別注意種子的破碎，及時進行補種，避免播種率的降低。但如果同一個位置種子重復播種則會造成種子的浪費，因此需要對種子的破碎和重播進行檢測。根據不同類別的種子，確定種子的體積范圍為Vmin～Vmax，種子經過攝像機時通過三維處理并由計算機計算可得出種子的體積V。當V＞Vmax時，可認為該位置發生了種子重播，這時計算機自動啟動計數功能。當連續發生5次重播時，則報警系統啟動，播種機停止工作，檢查故障原因。當V＜Vmin時，則種子發生碎裂，計算機將需要補種的信息傳遞給排種裝置，由排種裝置中的補種器進行補種。

　　3性能測試和試驗分析

　　為了驗證播種機系統的可靠性，對播種機的報警系統和播種系統進行了驗證，主要包括以下兩方面:①播種機正常工作時，通過人為制造設備故障，確認報警系統是否正常工作;②人工確定種子數量，將玉米和小麥種子在選定的試驗田里進行播種試驗，確定漏播、碎裂、重播和合格數，評估播種機的可靠性。

　　3．1報警系統試驗結果

　　對播種機的報警系統進行試驗，分別對卡種和連續重播5次進行了50次試驗，結果如表1所示。

　　由表1可以看出:報警系統對卡種的報警率達到了100%，對漏播的報警率達到了98%，均達到了預期的使用效果。

　　3．2播種試驗結果

　　分別選取200粒玉米和小麥種子進行5次試驗，測定漏播數、破碎數、重播數、合格數和播種機的監測精度。試驗結果如表2和表3所示。

　　由表2、表3可以看出:播種機能夠適應不同類別的種子，播種合格率均在98%以上，精度滿足播種機的工作要求;播種機不僅能夠有效、直觀地監控播種工作狀態，還能夠識別種子破碎和漏種，并進行補種，有效提高了播種機的準確率和播種效率。

　　4結論

　　1)對播種機圖像進行了三維可視化處理，采用三角測量的方法對采集的圖像進行三維重建，能夠從各個角度清晰地觀察播種機的播種狀態。

　　2)采用光電傳感器和三維可視化結合的方法對播種機的漏播、破碎和合格數進行識別，以快速、準確地實現對破碎和漏播區域進行補種。

　　3測試實驗結果表明:該播種機滿足使用要求，能夠使用不同類別的種子，播種準確率和精度較高。

　　參考文獻:

　　［1］張德文，李林，王惠民．緊密播種機械［M］．北京:中國農業出版社，1982．

　　［2］井河清．氣動精密排種器的研究［J］．日本農業機械學會志，1990(6):35－43．

　　［3］朱慶生，羅大江，葛亮．基于多幅圖像的三維重建［J］．計算機工程與設計，2010，31(10):2351－2353．