CN110501065A - 基于碰撞特性的杂交水稻裂颖种子检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明通过控制杂交水稻种子下落高度和悬臂梁钢板长度、厚度来采集振动信号，通过分析振动信号的时域特性，实现杂交水稻正常种子和裂颖种子的识别和分选。具体步骤包括：振动给料装置使杂交水稻种子单粒头部朝下竖直下落并与钢板碰撞，加速度传感器采集种子与钢板碰撞产生的钢板振动信号，经数据采集卡采集振动信号并传输振动信号到计算机，计算机显示和存储振动信号；利用信号处理方法对振动信号数据进行预处理及时域分析，并提取时域特征参数：电压峰值、极差、均方根、能量、峰度，通过设置时域特征参数阈值识别和分选杂交水稻正常种子和裂颖种子。
Description
技术领域
本发明涉及到一种基于碰撞特性的杂交水稻裂颖种子检测方法。
背景技术
杂交水稻种子存在较严重的裂颖现象，这是不育系的一种遗传特性。杂交水稻制种时不育系通过延长开颖时间来增加捕获花粉的机会，在长时间的开颖过程中，内、外颖会因日晒、失水等而老化甚至皱缩，致使受粉后颖花的闭颖能力明显降低，部分颖花的内、外颖不能完全闭合而形成开裂粒，或者内、外颖虽能勉强闭合但不能严密勾合而形成裂颖粒。这两种情况我们都称为杂交水稻种子裂颖。
水稻种子在成熟过程中不可避免会产生稻壳的裂颖，出现裂颖之后会影响种子发芽性能，包括活力降低、发芽势和发芽率降低，秧苗品质降低，甚至最终影响水稻产量。对水稻种子裂颖的检测不仅能有效地控制水稻的发芽率，而且有效地促进水稻幼苗的生长优势和后续水稻产量。现阶段水稻种子裂颖检测方法有水选法和图像处理方法及声学法。水选法仅能用于即将播种育苗的水稻种子，而图像处理方法必须保证裂颖一侧正对照相设备，因此目前这两种方法存在不足，很难实际应用于水稻种子裂颖检测和分选。声学法易受环境干扰，噪声对识别效果影响很大。
现阶段国内外利用振动技术对鸡蛋裂纹振动信号进行检测，通过利用物料本身的振动传递特性进行检测分类。本发明利用水稻种子作为激振源下落碰撞悬臂梁薄钢板，使悬臂梁产生振动，通过传感器测试悬臂梁薄钢板的振动信号并进行信号分析确定裂颖水稻种子与正常水稻种子的信号差异而进行分级。根据单粒种子冲击悬臂梁特性函数可知，悬臂梁振动特性与水稻种子下落碰撞力大小、悬臂梁的阻尼系数和振动固有频率有关，对于特定悬臂梁的阻尼系数和振动固有频率固定，因此悬臂梁的振动特性仅与水稻种子下落碰撞特性有关。水稻种子颖壳有一定的弹性，相对籽粒而言较柔软，正常种子多数比较饱满，糙米与颖壳间的间隙很小，而裂颖种子多数颖壳在头部裂开成2部分，与糙米之间的空隙较大，因此可以认为颖壳裂开后与糙米一起构成了一个有弹性隔振减振元件，与正常种子相比裂颖种子的恢复性和阻尼增加，从能量角度看就是增加了贮存势能与能量散逸的元素。因此，同种状态下正常种子与裂颖种子撞击检测系统时产生的脉冲力有明显差异，因而钢板产生振动信号有差异。
本发明通过控制杂交水稻种子下落高度、钢板厚度、钢板长度来采集振动信号，通过分析振动信号的时域特性，分析其电压峰值、极差、均方根、能量、峰度，实现杂交水稻正常种子和裂颖种子的识别。
本发明通过利用杂交水稻种子碰撞特性识别裂颖和正常种子将有利于裂颖杂交水稻种子的分选，提高杂交水稻种子整体发芽性能和秧苗品质。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：利用加速度传感器获取水稻种子下落碰撞悬臂梁钢板(65Mn钢板)产生的振动信号，通过数字信号处理方法在时域分析处理，分析电压峰值、极差、均方根、能量、峰度，提取特征值，对比分析杂交水稻正常种子和裂颖种子幅值差异，确定出区分的幅值阈值，利用此阈值对杂交水稻正常种子和裂颖种子进行识别和分选。
(二)技术方案
为实现上述目的，本发明提供了一种基于碰撞特性的杂交水稻裂颖种子检测和识别方法，该方法包括步骤：
杂交水稻种子下落碰撞振动信号获取步骤包括：振动给料装置使杂交水稻种子单粒定向头部朝下竖直下落并与钢板碰撞，钢板产生的振动信号由压电式加速度传感器采集，通过数据采集卡传输到计算机接收信号并存储。
通过振动给料装置振动给料，并保证每粒种子单粒定向头朝前出给料口，再经溜槽头朝下竖直下落，杂交水稻种子下落并与下方钢板碰撞，种子碰撞后弹出至分离系统把杂交水稻正常种子和裂颖种子分离开。
杂交水稻种子与钢板碰撞后，安装在钢板自由端的压电式加速度传感器采集钢板产生的振动信号，经数据采集卡传输到计算机，计算机显示和存储振动信号，便于振动信号的后续处理。
杂交水稻种子下落碰撞钢板产生的振动信号处理方法步骤包括：利用LabVIEW软件对振动信号数据采集、存储，通过MATLAB软件对振动信号进行预处理及时域分析，并提取振动信号时域特征值。
利用MATLAB软件数字信号处理方法对振动信号数据进行预处理，分析预处理后的振动信号的时域特征并提取特征参数，比较分析杂交水稻裂颖种子与正常种子之间碰撞钢板产生的振动信号时域特性差异，并找到一个阈值作为判断标准。
(三)有益效果
本发明获取杂交水稻种子下落后与钢板碰撞产生振动信号，通过分析裂颖水稻种子与正常水稻种子下落碰撞钢板产生振动信号特性差异性，获得区分裂颖水稻种子与正常水稻种子的电压峰值、极差、均方根、能量、峰度的阈值，利用阈值把杂交水稻正常种子和裂颖种子区分开。通过利用杂交水稻种子碰撞振动特性检测方法把裂颖水稻种子与正常水稻种子区分开，有利于提高杂交水稻种子的发芽率、幼苗生长性能甚至后续水稻生长和产量。
附图说明
图1检测系统结构简图，其中：1振动给料机，2加速度传感器，3恒流电压源，4悬臂梁薄钢板，5数据采集卡，6计算机；
图2典型种子碰撞钢板产生的振动信号预处理前后对比图；
图3杂交水稻正常和裂颖种子各特征参数值比较图，其中：A峰值，B极差，C均方根，D能量，E峰度。
图4检测系统检测系统结构参数的较优组合下4种杂交水稻裂颖种子识别效果图；
具体实施方式
本发明提出的基于碰撞特性的杂交水稻裂颖种子检测方法，结合附图和实施例详细说明如下。
试验材料：试验杂交水稻种子品种分别为川优6203；中1优188；荃优123。
杂交水稻种子下落碰撞钢板产生的振动信号获取步骤包括：利用图1所示检测系统，杂交水稻种子振动给料单粒定向下落并与钢板碰撞，种子与钢板碰撞产生的振动信号由压电式加速度传感器采集并由数据采集卡传输到计算机接收信号并存储振动信号。
通过振动给料装置振动给料，并保证每粒种子单粒定向头朝下下落，并与下钢板碰撞，种子碰撞后弹出进入分离系统把裂颖与正常水稻种子分离开。
杂交水稻种子与钢板碰撞后，安装在钢板自由端的压电式加速度传感器接收振动信号，振动信号经数据采集卡传输到计算机，计算机通过LabVIEW软件系统记录、显示并存储振动信号数据，便于振动信号处理的后续处理。
杂交水稻种子下落碰撞钢板产生的振动信号处理方法步骤包括：利用MATLAB软件对振动信号原始数据进行预处理(图2)，再对预处理后的信号进行时域分析，获得振动信号时域特征参数。
利用MATLAB软件对振动信号数据进行预处理及时域特征分析，提取时域特征参数：电压峰值、均方根、能量、峰度。
从图3中看到正常水稻种子的各特征参数值普遍大于裂颖水稻种子，因此每个特征参数均可找到一个阈值，当检测到最大电压信号大于或等于该阈值时则判断为正常水稻种子，反之则为裂颖水稻种子。
对检测系统结构参数进行3水平3因素正交试验设计，并以能量作为标准计算综合识别率进行分析，选取正交试验因素与水平如表1，设计正交试验结果与分析如表2。
表1 正交试验因素与水平
表2 正交试验结果与分析
通过正交试验结果极差分析得出检测系统结构参数的最优组合为A3B2C3，即种子下落高度为250mm，钢板长度为200mm、厚度为0.25mm。
对比4种杂交水稻5个特征参数的裂颖识别效果(图4)，以能量作为标准区分识别效果最好，钢板厚度为0.25mm、板长为200mm，种子下落高度为250mm时，‘珍稻’综合识别率为85.10％；‘川优6203’的综合识别率为85.50％；‘荃优123’的综合识别率为84.40％；‘中1优188’的综合识别率为83.40％。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以由各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.基于碰撞特性的杂交水稻裂颖种子检测方法主要包括2个方面：
S1.杂交水稻种子下落碰撞悬臂梁钢板产生的振动信号获取步骤包括：杂交水稻种子单粒定向下落并与钢板碰撞，加速度传感器采集钢板产生的振动信号，经数据采集卡传输到计算机中；
S2.杂交水稻种子下落碰撞悬臂梁钢板产生的振动信号处理方法步骤包括：利用数字信号处理方法对振动信号数据进行预处理及时域分析，并提取振动信号时域特征参数。
2.根据权利要求1所述的基于碰撞特性的杂交水稻裂颖种子检测方法，其特征是S1中所述的杂交水稻种子下落碰撞振动信号获取步骤包括：
S1.1通过振动给料装置振动给料，并保证每粒种子单粒定向头朝下竖直下落，下落种子与悬臂梁钢板碰撞，种子碰撞后弹出至分离系统把裂颖与正常水稻种子分离开；
S1.2杂交水稻种子与钢板碰撞后，安装在钢板自由端的加速度传感器采集钢板产生的振动信号，经数据采集卡传输到计算机，计算机显示和存储振动信号，便于振动信号的后续处理。
3.根据权利要求2所述的基于碰撞特性的杂交水稻裂颖种子检测方法，其特征是S2中所述杂交水稻种子下落碰撞振动信号处理方法步骤包括：
S2.1利用数字信号处理方法对振动信号数据进行预处理，分析预处理后的振动信号的时域特征并提取特征参数，比较分析杂交水稻裂颖种子与正常种子之间碰撞钢板产生的振动信号时域特性差异，并找到一个阈值作为判断标准；
S2.2通过正交试验确定检测系统结构参数最优组合：钢板厚度为0.25mm、板长为200mm，种子下落高度为250mm；时域特征参数上可以选择电压峰值、极差、均方根、能量、峰度作为标准区分正常种子和裂颖种子，其中以能量作为标准区分识别效果最好。
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