CN110132625A - 一种鸭嘴滚筒式播种机的播种质量检测方法及装置 - Google Patents
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Abstract
一种鸭嘴滚筒式播种机的播种质量检测方法及装置，该检测方法包括以下步骤：采用离线方法，建立种子响应信号特征向量库；播种机正常作业过程中，信号调理电路采集种子经过检测电容传感器的检测场时，所述检测电容传感器与参考电容传感器的电容信息，并进行差分运算得到差分电容信息，无线发送模块将所述差分电容信息发送至车载终端；所述车载终端根据所述差分电容信息，采用频域算法提取信号的峰值、脉宽和峰面积，并与所述种子响应信号特征向量库进行匹配，同时结合种子品种、容重和含水率信息，判断所述种子是单粒或双粒；以及若为双粒，则所述车载终端提示报警，并记录对应该双粒时的定位信息。本发明还提供了用于实现上述检测方法的检测装置。
Description
技术领域
本发明涉及一种播种机在线检测技术，特别是一种鸭嘴滚筒式播种机播种质量检测方法及装置。
背景技术
精量播种技术已经成为现代农业生产的重要特征，也是农业增产丰收和降低粮食生产成本的重要技术之一。为提高棉花产量，新疆棉区广泛采用精量覆膜播种技术。针对该农艺要求，目前在新疆棉区普遍采用鸭嘴滚筒式精量铺膜播种机实现棉田膜上打孔播种。精量排种器作为播种机的核心部件，其工作性能的优劣直接影响播种作业的质量。机械式和气吸式精量排种器由于各自不同的适应性，在实际生产中均占有较高的比例。受排种机构设计及使用条件制约，播种作业中不可避免的会出现漏播，现有的各类精量播种机平均漏播率在5％～11％，一旦出现大规模的漏播，必然影响作物产量，甚至造成大规模减产。因此，在田间作业时需要对播种作业质量进行检测。通常方法是配备专门人员随车监视播种机的工作状况，以便及时发现播种机故障，这种人工方法劳动强度大、工作效率低且工作质量不稳定。
目前国内外针对播种机的播种质量检测方法包括光电法和图像分析法。约翰迪尔公司的ComputerTrak350播种监控系统、AgLeader公司的SeedCommand系统等均采用光电式排种传感器检测播种量，华南农业大学谭穗妍针对传统图像算法对多粒种子粘连、重叠等情况检测精度低的问题，获取二值图像并定位检测区域，提取连通区域形状特征参数，建立神经网络种子数量检测模型，完成穴盘播种量检测。目前所采用的各类播种性能检测方法基本都需要将检测装置安装在排种管上，这对于非铺膜的通用型精量播种机而言，具有较好的适用性。而鸭嘴滚筒式精量播种机采用鸭嘴成穴装置完成膜上开孔，地面成穴及投种过程。其没有专门的排种管，而成穴装置通常采用动静簧片组成，外圈的鸭嘴穴播器也随地前进。因此传统的检测方法很难应用在鸭嘴滚筒式精量播种装置上。
相对于玉米、大豆等通用型精量播种机的工作性能监控而言，专门用于膜上种植的鸭嘴滚筒式精量播种机的播种检测研究相对滞后，相关的研究报道也较少。现有技术中也有在排种盘内部设置检测器组用于检测漏播和阻塞故障，检测部件采用光电型传感器，但同样存在着光电法检测的常见问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于电容测量原理的鸭嘴滚筒式播种机播种质量检测方法及装置，以实现播种作业质量的检测和报警，提高播种作业效率。
为了实现上述目的，本发明提供了一种鸭嘴滚筒式播种机的播种质量检测方法，其中，包括以下步骤：
S100、采用离线方法，建立种子响应信号特征向量库；
S200、播种机正常作业过程中，信号调理电路采集种子经过检测电容传感器的检测场时，所述检测电容传感器与参考电容传感器的电容信息，并进行差分运算得到差分电容信息，无线发送模块将所述差分电容信息发送至车载终端；
S300、所述车载终端根据所述差分电容信息，采用频域算法提取信号的峰值、脉宽和峰面积，并与所述种子响应信号特征向量库进行匹配，同时结合种子品种、容重和含水率信息，判断所述种子是单粒或双粒；以及
S400、若为双粒，则所述车载终端提示报警，并记录对应该双粒时的定位信息。
上述的鸭嘴滚筒式播种机的播种质量检测方法，其中，若所述种子是单粒，还包括如下步骤：
S500、利用寻峰算法结合采样时间，得到相邻两个种子的信号脉冲的峰值间隔时间T；以及
S600、若T≤1.5Δt，则判定为正常播种；若T＞1.5Δt则判定为漏播，所述车载终端提示漏播，并记录对应该漏播时的定位信息，其中，Δt为相邻两粒种子的理论下落间隔时间。
上述的鸭嘴滚筒式播种机的播种质量检测方法，其中，所述相邻两粒种子的理论下落间隔时间Δt采用如下步骤计算：
S501、所述车载终端根据播种机的前进速度，得到排种盘的转动角速度：
其中，V为所述播种机的前进速度，R为所述排种盘的半径，k为比例系数；
S502、根据所述排种盘的型孔数及运动角速度，得到相邻两粒种子的理论下落间隔时间：
其中，Δt为相邻两粒种子的理论下落间隔时间，n为所述排种盘的型孔数，ω为所述排种盘的运动角速度；以及
S503、将步骤S501的公式代入步骤S502的公式中，得到：
上述的鸭嘴滚筒式播种机的播种质量检测方法，其中，步骤S100进一步包括：
S101、选择具有典型代表性的多个品种，其中部分品种容重一致，另一部分品种容重不同，在一定含水率范围内确定多个含水率水平，配制试验用种子；
S102、综合考虑种子品种、容重、含水率及单双籽粒因素和水平，确定正交试验方案；
S103、开展种子响应测试试验，获取籽粒通过优化后的边缘电场所形成的电容响应信息，对获取的离散电容响应信息进行平滑处理，进行时域和频域分析后完成特征提取；以及
S104、确定峰值、脉宽和峰面积作为特征值，并构成种子特征向量；根据所述种子特征向量建立面向不同品种、容重、含水率及单双籽粒的种子典型响应信号特征向量库。
为了更好地实现上述目的，本发明还提供了一种鸭嘴滚筒式播种机的播种质量检测装置，其中，包括：
无线发送模块；
无线接收模块，与所述无线发送模块连接；
电容式种子检测模块，与所述无线发送模块连接，用于检测种子籽粒通过传感器检测场时的电容信号并形成差分电容信息，由所述无线发送模块输出；
车载终端，与所述无线接收模块连接，所述车载终端利用所述无线接收模块接收所述差分电容信息，并采用上述的播种质量检测方法，根据存储的种子响应信号特征向量库，识别种子并判断是否存在漏播重播；
前进速度传感器，与所述无线发送模块连接，用于实时检测播种机的前进速度并通过所述无线发送模块及所述无线接收模块将所述播种机的前进速度信息发送至所述车载终端；以及
GPS定位模块，与所述车载终端连接，用于实时定位所述播种机的位置并将所述播种机的位置信息上传所述车载终端。
上述的鸭嘴滚筒式播种机的播种质量检测装置，其中，所述电容式种子检测模块包括参考电容传感器、检测电容传感器和信号调理电路，所述参考电容传感器、检测电容传感器分别与所述信号调理电路连接，所述信号调理电路将获得的所述参考电容传感器和检测电容传感器的电容信号通过所述无线发送模块和无线接收模块传送所述车载终端进行处理。
上述的鸭嘴滚筒式播种机的播种质量检测装置，其中，所述参考电容传感器与检测电容传感器采用同面电容极板结构，所述参考电容传感器与检测电容传感器的电容极板位于电路板的一侧，所述信号调理电路位于所述电路板的另一侧。
上述的鸭嘴滚筒式播种机的播种质量检测装置，其中，所述参考电容传感器和检测电容传感器结构相同，并由PCB板印刷而成，所述参考电容传感器和检测电容传感器位于所述PCB板的一侧，所述信号调理电路位于所述PCB板的另一侧。
上述的鸭嘴滚筒式播种机的播种质量检测装置，其中，所述电容式种子检测模块安装在所述播种机的排种器内的落种区；所述前进速度传感器安装在所述播种机的地轮上；所述车载终端设置在所述播种机的驾驶室内，所述GPS定位模块和无线接收模块位于所述驾驶室的顶部。
上述的鸭嘴滚筒式播种机的播种质量检测装置，其中，所述GPS定位模块和无线接收模块分别通过RS232接口将所述位置信息和差分电容信息发送到所述车载终端。
本发明的技术效果在于：
与现有技术相比，本发明采用同面电容传感器构成差分形式，一方面能够提高系统的抗干扰特性，另外也便于安装在排种器内部。
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
附图说明
图1为本发明一实施例的检测方法工作原理图；
图2为本发明一实施例的检测装置结构示意图。
其中，附图标记
1 鸭嘴播种器
2 种箱
3 电容式种子检测模块
4 无线发送模块
5 前进速度传感器
6 车载终端
7 驾驶室
8 GPS定位模块
9 无线接收模块
10 参考电容传感器
11 检测电容传感器
12 信号调理电路
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作具体的描述：
参见图1，图1为本发明一实施例的检测方法工作原理图。本发明的鸭嘴滚筒式播种机的播种质量检测方法，包括以下步骤：
步骤S100、采用离线方法，建立种子响应信号特征向量库；
进一步包括：
步骤S101、选择具有典型代表性的多个品种，其中部分品种容重基本一致，另一部分品种容重不同，在一定含水率范围内确定多个含水率水平，配制试验用种子；
步骤S102、综合考虑种子品种、容重、含水率及单双籽粒因素和水平，确定正交试验方案；
步骤S103、开展种子响应测试试验，获取籽粒通过优化后的边缘电场所形成的电容响应信息，对获取的离散电容响应信息进行平滑处理，在时域、频域分析基础上进行时域和频域分析后完成特征提取；以及
步骤S104、确定峰值、脉宽和峰面积作为特征值，并构成种子特征向量；在此基础上，根据所述种子特征向量建立面向不同品种、容重、含水率及单双籽粒的种子典型响应信号特征向量库。
步骤S200、播种机正常作业过程中，种子自种箱2落入鸭嘴播种器1中，信号调理电路12采集种子经过检测电容传感器11的检测场时，所述检测电容传感器11与参考电容传感器10的电容信息，并进行差分运算得到差分电容信息，无线发送模块4将所述差分电容信息发送至车载终端6；
步骤S300、所述车载终端6根据所述差分电容信息，采用频域算法提取信号的峰值、脉宽和峰面积，并与所述种子响应信号特征向量库进行匹配，同时结合种子品种、容重和含水率信息，判断所述种子是单粒或双粒；以及
步骤S400、若为双粒，则所述车载终端6提示报警，并记录对应该双粒时的定位信息。
其中，若所述种子是单粒，还包括如下步骤：
步骤S500、利用寻峰算法结合采样时间，得到相邻两个种子的信号脉冲的峰值间隔时间T；以及
步骤S600、若T≤1.5Δt，则判定为正常播种；若T＞1.5Δt则判定为漏播，所述车载终端6提示漏播，并记录对应该漏播时的定位信息，其中，Δt为相邻两粒种子的理论下落间隔时间。
其中，所述相邻两粒种子的理论下落间隔时间Δt采用如下步骤计算：
步骤S501、所述车载终端6根据播种机的前进速度，得到鸭嘴播种器1的排种盘的转动角速度：
其中，V为所述播种机的前进速度，R为所述排种盘的半径，k为比例系数；
步骤S502、根据所述排种盘的型孔数及运动角速度，得到相邻两粒种子的理论下落间隔时间：
其中，Δt为相邻两粒种子的理论下落间隔时间，n为所述排种盘的型孔数，ω为所述排种盘的运动角速度；以及
步骤S503、将步骤S501的公式代入步骤S502的公式中，得到：
参见图2，图2为本发明一实施例的检测装置结构示意图。本发明的鸭嘴滚筒式播种机的播种质量检测装置，包括：无线发送模块4；无线接收模块9，与所述无线发送模块4连接；电容式种子检测模块3，与所述无线发送模块4连接，用于检测种子籽粒通过传感器检测场时的电容信号并形成差分电容信息，由所述无线发送模块4输出；车载终端6，与所述无线接收模块9连接，所述车载终端6利用所述无线接收模块9接收所述差分电容信息，并采用上述的播种质量检测方法，根据存储的种子响应信号特征向量库，识别种子并判断是否存在漏播重播；前进速度传感器5，与所述无线发送模块4连接，用于实时检测播种机的前进速度并通过所述无线发送模块4及所述无线接收模块9将所述播种机的前进速度信息发送至所述车载终端6；以及
GPS定位模块8，与所述车载终端6连接，用于实时定位所述播种机的位置并将所述播种机的位置信息上传所述车载终端6。
本实施例中，所述电容式种子检测模块3包括参考电容传感器10、检测电容传感器11和信号调理电路12，所述参考电容传感器10、检测电容传感器11分别与所述信号调理电路12连接，所述信号调理电路12将获得的所述参考电容传感器10和检测电容传感器11的电容信号通过所述无线发送模块4和无线接收模块9传送所述车载终端6进行处理。其中，所述参考电容传感器10与检测电容传感器11采用同面电容极板结构，采用电路板印刷技术制备共面电容传感器，在双面板的一面印制优化后的传感器极板，另一面设计信号调理电路12，从而实现传感器与检测电路的一体化设计。所述参考电容传感器10与检测电容传感器11的电容极板位于电路板的一侧，所述信号调理电路12位于所述电路板的另一侧。优选所述参考电容传感器10和检测电容传感器11结构相同，并由PCB板印刷而成，所述参考电容传感器10和检测电容传感器11位于所述PCB板的一侧，所述信号调理电路12位于所述PCB板的另一侧。信号调理电路12将获得的两路电容信号通过无线发送模块4向外发送，并经无线接收模块9接收后由车载终端6进行处理。
其中，所述电容式种子检测模块3安装在所述播种机的排种器内的落种区；所述前进速度传感器5安装在所述播种机的地轮上，用于检测机具前进速度；所述车载终端6设置在所述播种机的驾驶室7内，所述GPS定位模块8和无线接收模块9位于所述驾驶室7的顶部。所述GPS定位模块8和无线接收模块9分别通过RS232接口将所述位置信息和差分电容信息发送到所述车载终端6。
鸭嘴滚筒式播种机在正常作业时，本发明的车载终端6获取机具的前进速度信息，同时，种子在投种区经过检测电容传感器11的检测场，信息调理电路采集两路电容传感器的信号，信号调理电路12采集此时检测电容传感器11与参考电容传感器10的信息，并进行差分运算。无线发送模块4将差分运算后的信息发送至车载终端6。车载终端6根据所获得的电容信息，采用频域算法提取信号的峰值、脉宽和峰面积，并与种子响应信号特征向量库进行匹配，同时结合种子品种、容重和含水率信息，判断籽粒是否单粒或双粒。若为双粒，则终端直接提示报警，并标记此时的定位信息。若为单粒，则利用寻峰算法结合采样时间，得到相邻两个信号脉冲的峰值间隔时间T，若T≤1.5Δt，则正常播种；若T＞1.5Δt则为漏播，此时车载终端6提示漏播，并记录此时的GPS定位信息。
本发明能够有效解决鸭嘴滚筒式播种机播种质量检测难的问题。与现有技术相比，本发明采用同面电容传感器构成差分形式，一方面能够提高系统的抗干扰特性，另外也便于安装在排种器内部。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种鸭嘴滚筒式播种机的播种质量检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S100、采用离线方法，建立种子响应信号特征向量库；
S200、播种机正常作业过程中，信号调理电路采集种子经过检测电容传感器的检测场时，所述检测电容传感器与参考电容传感器的电容信息，并进行差分运算得到差分电容信息，无线发送模块将所述差分电容信息发送至车载终端；
S300、所述车载终端根据所述差分电容信息，采用频域算法提取信号的峰值、脉宽和峰面积，并与所述种子响应信号特征向量库进行匹配，同时结合种子品种、容重和含水率信息，判断所述种子是单粒或双粒；以及
S400、若为双粒，则所述车载终端提示报警，并记录对应该双粒时的定位信息。
2.如权利要求1所述的鸭嘴滚筒式播种机的播种质量检测方法，其特征在于，若所述种子是单粒，还包括如下步骤：
S500、利用寻峰算法结合采样时间，得到相邻两个种子的信号脉冲的峰值间隔时间T；以及
S600、若T≤1.5Δt，则判定为正常播种；若T＞1.5Δt则判定为漏播，所述车载终端提示漏播，并记录对应该漏播时的定位信息，其中，Δt为相邻两粒种子的理论下落间隔时间。
3.如权利要求2所述的鸭嘴滚筒式播种机的播种质量检测方法，其特征在于，所述相邻两粒种子的理论下落间隔时间Δt采用如下步骤计算：
S501、所述车载终端根据播种机的前进速度，得到排种盘的转动角速度：
其中，V为所述播种机的前进速度，R为所述排种盘的半径，k为比例系数；
S502、根据所述排种盘的型孔数及运动角速度，得到相邻两粒种子的理论下落间隔时间：
其中，Δt为相邻两粒种子的理论下落间隔时间，n为所述排种盘的型孔数，ω为所述排种盘的运动角速度；以及
S503、将步骤S501的公式代入步骤S502的公式中，得到：
4.如权利要求1、2或3所述的鸭嘴滚筒式播种机的播种质量检测方法，其特征在于，步骤S100进一步包括：
S101、选择具有典型代表性的多个品种，其中部分品种容重一致，另一部分品种容重不同，在一定含水率范围内确定多个含水率水平，配制试验用种子；
S102、综合考虑种子品种、容重、含水率及单双籽粒因素和水平，确定正交试验方案；
S103、开展种子响应测试试验，获取籽粒通过优化后的边缘电场所形成的电容响应信息，对获取的离散电容响应信息进行平滑处理，进行时域和频域分析后完成特征提取；以及
S104、确定峰值、脉宽和峰面积作为特征值，并构成种子特征向量；根据所述种子特征向量建立面向不同品种、容重、含水率及单双籽粒的种子典型响应信号特征向量库。
5.一种鸭嘴滚筒式播种机的播种质量检测装置，其特征在于，包括：
无线发送模块；
无线接收模块，与所述无线发送模块连接；
电容式种子检测模块，与所述无线发送模块连接，用于检测种子籽粒通过传感器检测场时的电容信号并形成差分电容信息，由所述无线发送模块输出；
车载终端，与所述无线接收模块连接，所述车载终端利用所述无线接收模块接收所述差分电容信息，并采用上述权利要求1-4中任意一项所述的播种质量检测方法，根据存储的种子响应信号特征向量库，识别种子并判断是否存在漏播重播；
前进速度传感器，与所述无线发送模块连接，用于实时检测播种机的前进速度并通过所述无线发送模块及所述无线接收模块将所述播种机的前进速度信息发送至所述车载终端；以及
GPS定位模块，与所述车载终端连接，用于实时定位所述播种机的位置并将所述播种机的位置信息上传所述车载终端。
6.如权利要求5所述的鸭嘴滚筒式播种机的播种质量检测装置，其特征在于，所述电容式种子检测模块包括参考电容传感器、检测电容传感器和信号调理电路，所述参考电容传感器、检测电容传感器分别与所述信号调理电路连接，所述信号调理电路将获得的所述参考电容传感器和检测电容传感器的电容信号通过所述无线发送模块和无线接收模块传送所述车载终端进行处理。
7.如权利要求6所述的鸭嘴滚筒式播种机的播种质量检测装置，其特征在于，所述参考电容传感器与检测电容传感器采用同面电容极板结构，所述参考电容传感器与检测电容传感器的电容极板位于电路板的一侧，所述信号调理电路位于所述电路板的另一侧。
8.如权利要求7所述的鸭嘴滚筒式播种机的播种质量检测装置，其特征在于，所述参考电容传感器和检测电容传感器结构相同，并由PCB板印刷而成，所述参考电容传感器和检测电容传感器位于所述PCB板的一侧，所述信号调理电路位于所述PCB板的另一侧。
9.如权利要求5、6、7或8所述的鸭嘴滚筒式播种机的播种质量检测装置，其特征在于，所述电容式种子检测模块安装在所述播种机的排种器内的落种区；所述前进速度传感器安装在所述播种机的地轮上；所述车载终端设置在所述播种机的驾驶室内，所述GPS定位模块和无线接收模块位于所述驾驶室的顶部。
10.如权利要求5、6、7或8所述的鸭嘴滚筒式播种机的播种质量检测装置，其特征在于，所述GPS定位模块和无线接收模块分别通过RS232接口将所述位置信息和差分电容信息发送到所述车载终端。
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