CN103155744B - 全自动玉米单果穗考种装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及自动化农业器械技术领域，具体涉及一种全自动玉米单果穗考种装置及方法。该装置包括：顺次设置的果穗夹运机构、第一图像采集机构、称重机构、脱粒机构、籽粒传送机构、第二图像采集机构以及籽粒容重测量机构；通过果穗夹运机构将果穗夹运至称重机构称重，通过脱粒机构实现果穗脱粒，通过图像采集机构采集果穗、穗轴以及籽粒的图像信息，通过籽粒容重测量机构采集籽粒容重信息；因此，是一体式的全自动玉米单果穗精细化考种装置，能够实现准确、快速、高效的玉米单果穗精细化考种作业，提高了考种作业的自动化程度，降低了人工成本和操作复杂度，提高了玉米考种作业的效率和质量。

Description

全自动玉米单果穗考种装置及方法

技术领域

本发明涉及自动化农业器械技术领域，具体涉及一种全自动玉米单果穗考种装置及方法。

背景技术

玉米在我国农业生产中占有重要地位，是我国主要的粮食作物，玉米育种是我国种业科研、生产等领域的重要组成部分，玉米种业的核心问题之一是玉米考种，一般针对果穗和籽粒进行各项指标的计量，传统的考种方法中，大多依赖于手工操作，占用大量人力资源，工作效率低下，成为制约玉米种业发展的重要问题之一。

现有技术中的考种设备不支持针对单个玉米果穗的全自动精细化考种，具体而言，传统考种方法以及装置主要存在以下技术缺陷：

1）、针对玉米的考种方法和装置可计量的参数指标不全面，难以使用一个独立的系统实现精细化考种；

2）、人工操作繁琐，工作量较大，工作效率难以提高，考种流程周期较长；

3）、考种过程自动化程度较低，多个环节需要人工干预，人工操作影响考种的准确性。

随着现代信息技术的快速发展，特别是计算机图形图像技术、现代传感器技术以及机械自动化技术在农业领域的深入应用，为传统农业带来全新的技术手段和实用工具，针对玉米考种问题，引入计算机图形图像技术、现代传感器技术以及机械自动化技术，设计实现全自动玉米单果穗精细化考种方法和机械系统装置及配套的软硬件系统，实现准确、快速、高效的玉米单果穗精细化考种作业，对于推动现代玉米种业乃至农业信息化发展有着巨大的促进作用。

综上所述，亟需引入现代计算机图形图像技术、传感器技术和机械自动化技术，实现全自动玉米单果穗精细化考种方法和装置。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明的目的在于提供一种一体式的全自动玉米单果穗精细化考种装置及方法，实现准确、快速、高效的玉米单果穗精细化考种作业，提高考种作业的自动化程度，降低人工成本和操作复杂度，提高玉米考种作业的效率和质量。

（二）技术方案

本发明技术方案如下：

一种全自动玉米单果穗考种装置，包括：顺次设置的果穗夹运机构、第一图像采集机构、称重机构、脱粒机构、籽粒传送机构、第二图像采集机构以及籽粒容重测量机构；

所述果穗夹运机构用于将果穗夹运至目标位置；

所述脱粒机构用于实现果穗脱粒；

所述第一图像采集机构用于采集果穗以及穗轴的图像信息；

所述称重机构用于采集果穗以及穗轴的重量信息；

所述籽粒传送机构第一端位于所述脱粒机构下方接收脱落的籽粒；

所述第二图像采集机构用于采集籽粒的图像信息；

所述籽粒传送机构第二端将籽粒输运至籽粒容重测量机构测量籽粒容重。

优选的，所述果穗夹运机构包括：第一旋转架、固定在所述第一旋转架顶部的果穗夹，所述第一旋转架底部连接第一驱动单元，所述第一驱动单元驱动第一旋转架以底部为圆心旋转，所述果穗夹连接控制单元，所述控制单元控制果穗夹夹持与卸下果穗。

优选的，所述第一图像采集机构包括与第三驱动单元连接并由其驱动旋转的托辊。

优选的，所述脱粒机构包括第二旋转架、固定在所述第二旋转架顶部的压辊，所述第二旋转架底部连接第二驱动单元，所述第二驱动单元驱动第二旋转架以底部为圆心旋转，所述压辊连接第四驱动单元，所述第四驱动单元驱动压辊旋转。

优选的，所述托辊与压辊的旋转方向相反。

优选的，所述籽粒容重测量机构包括测量筒、用于压实测量筒内籽粒的推杆、测量所述推杆位移的位移传感器。

优选的，所述第一驱动单元为第一步进电机，所述第二驱动单元为第二步进电机。

优选的，所述第一步进电机输出轴与第一旋转架的底部、所述第二步进电机输出轴与第二旋转架的底部均为齿轮啮合传动。

优选的，还包括控制中心，所述第一图像采集机构以及第二图像采集机构均通过图像采集卡与所述控制中心连接，所述称重机构以及籽粒容重测量机构均通过数据采集卡与所述控制中心连接，所述第一驱动单元、第二驱动单元、第三驱动单元以及第四驱动单元均通过电机驱动器与所述控制中心连接。

本发明还提供了一种根据上述全自动玉米单果穗考种装置实现的全自动玉米单果穗考种方法：

一种全自动玉米单果穗考种方法，包括步骤：

S1.所述果穗夹运机构将果穗夹运至所述称重机构称重；

S2.所述果穗夹运机构将果穗从称重机构夹运至所述托辊；

S3.所述第三驱动单元驱动托辊旋转，所述第一图像采集机构采集果穗图像信息；

S4.所述第二驱动单元驱动第二旋转架旋转至所述压辊压紧果穗；所述第四驱动单元驱动压辊旋转，进行脱粒；

S5.所述第二驱动单元驱动第二旋转架复位；所述第三驱动单元驱动托辊旋转，所述第一图像采集机构采集穗轴图像信息；

S6.所述果穗夹运机构将穗轴夹运至所述称重机构称重；

S7.所述籽粒传送机构将籽粒输运至所述第二图像采集机构下方，所述第二图像采集机构采集籽粒图像信息；

S8.所述籽粒传送机构将籽粒输运至所述籽粒容重测量机构，所述籽粒容重测量机构采集籽粒容重信息。

（三）有益效果

本发明所提供的全自动玉米单果穗考种装置，集成了多种机构：通过果穗夹运机构将果穗夹运至称重机构称重，通过脱粒机构实现果穗脱粒，通过图像采集机构采集果穗、穗轴以及籽粒的图像信息，通过籽粒容重测量机构采集籽粒容重信息；因此，是一体式的全自动玉米单果穗精细化考种装置，能够实现准确、快速、高效的玉米单果穗精细化考种作业，提高了考种作业的自动化程度，降低了人工成本和操作复杂度，提高了玉米考种作业的效率和质量。

附图说明

图1是本发明实施例中全自动玉米单果穗考种装置的结构示意图；

图2是本发明实施例中全自动玉米单果穗考种方法的流程示意图。

图中：1：第一步进电机；2：第一旋转架；3：果穗夹；4：第五步进电机；5：称重传感器；6：第三步进电机；7：托辊；8：第二步进电机；9：压辊；10：第二旋转架；11：第四步进电机；12：第一图像采集相机；13：第二图像采集相机；14：第六步进电机；15：传送带；16：推杆；17：第七步进电机；18：位移传感器；19：第八步进电机；20：测量筒；21：阀门；22：图像采集卡；23：数据采集卡；24：电机驱动器；25：控制中心。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式做进一步描述。以下实施例仅用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明所提供的全自动玉米单果穗考种装置，主要包括：顺次设置的果穗夹运机构、第一图像采集机构、称重机构、脱粒机构、籽粒传送机构、第二图像采集机构以及籽粒容重测量机构；果穗夹运机构用于将果穗夹运至目标位置；脱粒机构用于实现果穗脱粒；第一图像采集机构用于采集果穗以及穗轴的图像信息；称重机构用于采集果穗以及穗轴的重量信息；籽粒传送机构第一端位于脱粒机构下方接收脱落的籽粒；第二图像采集机构用于采集籽粒的图像信息；籽粒容重测量机构第二端将籽粒输运至籽粒容重测量机构测量籽粒容重。因此，本发明所提供的全自动玉米单果穗考种装置是一体式的全自动玉米单果穗精细化考种装置，能够实现准确、快速、高效的玉米单果穗精细化考种作业，提高了考种作业的自动化程度，降低了人工成本和操作复杂度，提高了玉米考种作业的效率和质量。下面结合图1对本实施例中全自动玉米单果穗考种装置的各个机构加以说明。

本实施例中的果穗夹运机构主要包括：第一旋转架2，固定在第一旋转架2顶部的果穗夹3，第一旋转架2底部与第一驱动单元连接，第一驱动单元驱动第一旋转架2以底部为圆心旋转，果穗夹3连接控制单元，控制单元控制果穗夹3夹持与卸下果穗。第一旋转架2整体为一个平行四边形结构支架，第一驱动单元优选为第一步进电机1，这因为步进电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，能够满足本发明对精确性的要求；第一旋转架2底部与第一步进电机1输出轴采用齿轮啮合，以第一步进电机1的正反转实现第一旋转架2在圆周内的运动；控制单元主要包括与果穗夹3连接的丝杠滑块以及与丝杠滑块连接的第五步进电机4，第五步进电机4通过正反转，利用丝杠滑块控制果穗夹3的夹紧与释放。

本实施例中的称重机构主要包括承载果穗的托盘以及设置在托盘下方的称重传感器5，称重传感器5是一种能够将质量信号转变为可测量的电信号输出的装置。

本实施例中的第一图像采集机构主要包括第一图像采集相机12，第二图像采集机构主要包括第二图像采集相机13；为了能够全方位的采集果穗以及下述的穗轴的图像信息，第一图像采集机构还包括托辊7，托辊7与第三驱动单元连接，在第三驱动单元的驱动下，托辊7带动果穗同向同步旋转；除此之外，其还用于在脱粒过程中起到承载以及旋转果穗的作用，同时，托辊7的表面进行了粗糙处理，保证托辊7对果穗和穗轴的摩擦力；第三驱动单元优选为第三步进电机6。

本实施例中的脱粒机构主要包括第二旋转架10、固定在第二旋转架10顶部的压辊9，第二旋转架10底部与第二驱动单元连接，第二驱动单元驱动第二旋转架10以底部为圆心旋转，压辊9连接第四驱动单元，第四驱动单元驱动压辊9旋转。第二旋转架10整体为一个平行四边形结构支架，第二驱动单元优选为第二步进电机8；第二旋转架10底部与第二步进电机8输出轴采用齿轮啮合，以第二步进电机8的正反转实现第二旋转架10在圆周内的运动；为了保证压辊9对果穗和穗轴的摩擦力，对压辊9的表面进行了粗糙处理；第四驱动单元优选为第四步进电机11，压辊9与第四步进电机11输出轴采用齿轮啮合，脱粒过程中，第四步进电机11驱动压辊9同向同步旋转，压辊9与托辊7旋转方向相反。

本实施例中的籽粒传送机构主要包括传送带15，传送带15由第六步进电机14驱动，传送带15的第一端位于脱粒机构下方接收脱落的籽粒，传送带15的第二端将籽粒输运至籽粒容重测量机构。

本实施例中的籽粒容重测量机构主要包括测量筒20、用于压实测量筒20内籽粒的推杆16、测量推杆16位移的位移传感器18。测量筒20为圆柱形空心筒，测量筒20的底部设置有阀门21，推杆16顶端设置有压盘，测量筒20的内横截面与推杆16顶端的压盘均为圆形，且直径相同；籽粒由传送带15向测量筒20内输送时，推杆16完全脱离测量筒20，不遮挡测量筒20的入口，并且底部的阀门21处于关闭状态，推杆16与第七步进电机17连接，第七步进电机17通过齿轮齿条方式驱动推杆16的上下运动；阀门21与第八步进电机19连接，第八步进电机19控制阀门21的开闭状态。

本实施例中的全自动玉米单果穗考种装置还包括控制中心25，第一图像采集相机12以及第二图像采集相机13均通过图像采集卡22与控制中心25连接，称重传感器5以及位移传感器18均通过数据采集卡23与控制中心25连接，所有步进电机均通过电机驱动器24与控制中心25连接，由控制中心25实现数据采集汇总以及控制，采集汇总的数据保存在控制中心25，并在控制中心25实现各项参数指标的计算，参数指标包括果穗长、直径、重量、粒行数、行粒数、籽粒数目、籽粒重量、籽粒容重等；从而实现全自动玉米单果穗精细化考种。

本发明还提供了一种根据上述全自动玉米单果穗考种装置实现的全自动玉米单果穗考种方法，其流程图如图2中所示，主要包括步骤：

S1.果穗夹运机构将待考玉米果穗夹运至托盘中，通过称重传感器5完成果穗的称重；

S2.果穗夹运机构将果穗从称重机构夹运至传递到果穗图像采集区，即托辊7上；

S3.第三驱动单元驱动托辊7旋转360度，托辊7上方的第一图像采集相机12采集果穗侧面连续图像序列；

S4.第二步进电机8驱动第二旋转架10向下旋转，直至压辊9压紧位于托辊7上的果穗；第四步进电机11驱动压辊9旋转，与托辊7形成挤压力实现果穗的脱粒；

S5.脱粒完成后，第二步进电机8驱动第二旋转架10向上旋转复位，第三驱动单元驱动托辊7旋转360度，第一图像采集机构采集穗轴侧面图像序列；

S6.果穗夹运机构将穗轴夹运至托盘中，通过称重传感器5完成穗轴的称重；

S7.籽粒传送机构将脱落的籽粒输运至籽粒图像采集区域，即第二图像采集相机13下方，第二图像采集相机13采集籽粒图像序列信息；

S8.籽粒传送机构将籽粒输运至籽粒容重测量机构，籽粒容重测量机构采集籽粒容重信息。具体为，籽粒在传送带15末端落入测量筒20内，全部籽粒落入后，第七步进电机17驱动推杆16向下压实测量筒20中的籽粒，位移传感器18记录推杆16的位移，结合测量筒20截面积计算籽粒容重，而后第八步进电机19驱动测量筒20底部的阀门21打开，籽粒落下回收；

最后，控制中心25对采集的图像信息和传感数据进行处理，得到玉米果穗的形态参数指标。

综上所述，本发明综合利用计算机图形图像技术、现代传感器技术和机械自动化技术，提供了一种全自动玉米单果穗精细化考种装置以及方法，针对单个玉米果穗的精细化考种问题，实现一体式的自动化考种操作，大幅度提高了玉米果穗考种效率和精度，减少了人工干预环节，有效降低了人工成本。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的保护范畴。

Claims (9)

1.一种全自动玉米单果穗考种装置，其特征在于，包括：控制中心，和顺次设置的果穗夹运机构、第一图像采集机构、称重机构、脱粒机构、籽粒传送机构、第二图像采集机构以及籽粒容重测量机构；

所述果穗夹运机构用于将果穗夹运至目标位置；

所述脱粒机构用于实现果穗脱粒，所述脱粒机构包括第二旋转架、固定在所述第二旋转架顶部的压辊，所述第二旋转架底部连接第二驱动单元，所述第二驱动单元驱动第二旋转架以底部为圆心旋转，所述压辊连接第四驱动单元，所述第四驱动单元驱动压辊旋转；

所述第一图像采集机构用于采集果穗以及穗轴的图像信息；

所述称重机构用于采集果穗以及穗轴的重量信息；

所述籽粒传送机构第一端位于所述脱粒机构下方接收脱落的籽粒；

所述第二图像采集机构用于采集籽粒的图像信息；

所述籽粒传送机构第二端将籽粒输运至籽粒容重测量机构测量籽粒容重；

所述第一图像采集机构以及第二图像采集机构均通过图像采集卡与所述控制中心连接，所述称重机构以及籽粒容重测量机构均通过数据采集卡与所述控制中心连接。

2.根据权利要求1所述的全自动玉米单果穗考种装置，其特征在于，所述果穗夹运机构包括：第一旋转架、固定在所述第一旋转架顶部的果穗夹，所述第一旋转架底部连接第一驱动单元，所述第一驱动单元驱动第一旋转架以底部为圆心旋转，所述果穗夹连接控制单元，所述控制单元控制果穗夹夹持与卸下果穗。

3.根据权利要求2所述的全自动玉米单果穗考种装置，其特征在于，所述第一图像采集机构包括与第三驱动单元连接并由其驱动旋转的托辊。

4.根据权利要求3所述的全自动玉米单果穗考种装置，其特征在于，所述托辊与压辊的旋转方向相反。

5.根据权利要求4所述的全自动玉米单果穗考种装置，其特征在于，所述第一驱动单元为第一步进电机，所述第二驱动单元为第二步进电机。

6.根据权利要求5所述的全自动玉米单果穗考种装置，其特征在于，所述第一步进电机输出轴与第一旋转架的底部、所述第二步进电机输出轴与第二旋转架的底部均为齿轮啮合传动。

7.根据权利要求4-6任意一项所述的全自动玉米单果穗考种装置，其特征在于，所述籽粒容重测量机构包括测量筒、用于压实测量筒内籽粒的推杆、测量所述推杆位移的位移传感器。

8.根据权利要求7所述的全自动玉米单果穗考种装置，其特征在于，所述第一驱动单元、第二驱动单元、第三驱动单元以及第四驱动单元均通过电机驱动器与所述控制中心连接。

9.根据权利要求7或8所述考种装置的全自动玉米单果穗考种方法，其特征在于，包括步骤：

S1.所述果穗夹运机构将果穗夹运至所述称重机构称重；

S2.所述果穗夹运机构将果穗从称重机构夹运至所述托辊；

S3.所述第三驱动单元驱动托辊旋转，所述第一图像采集机构采集果穗图像信息；

S4.所述第二驱动单元驱动第二旋转架旋转至所述压辊压紧果穗；所述第四驱动单元驱动压辊旋转，进行脱粒；

S5.所述第二驱动单元驱动第二旋转架复位；所述第三驱动单元驱动托辊旋转，所述第一图像采集机构采集穗轴图像信息；

S6.所述果穗夹运机构将穗轴夹运至所述称重机构称重；

S7.所述籽粒传送机构将籽粒输运至所述第二图像采集机构下方，所述第二图像采集机构采集籽粒图像信息；

S8.所述籽粒传送机构将籽粒输运至所述籽粒容重测量机构，所述籽粒容重测量机构采集籽粒容重信息。