玉米籽粒破碎率在线采样装置设计

杨 亮，王 卓，白晓平，高 雷 ，扈伟斌

(1.中国科学院 沈阳自动化研究所，沈阳 110016；2.中国科学院大学，北京 100049；3.中联重机股份有限公司，安徽 芜湖 241080)

0 引言

我国是玉米种植大国，玉米种植范围广泛,种植面积大，且年总产量约占全球玉米总产量的25%左右。从2008年到2015年，我国的玉米种植面积及年总产量逐年增加，虽然2016、2017年出现轻微降幅，但总体上我国的玉米种植面积及年总产量仍处于较高水平[1-2]。

玉米不仅是重要的粮食作物，还是重要的工业原材料，伴随着我国对生态环境的高度重视，玉米作为清洁能源主要原材料之一，其需求也在不断地增长。但是由于我国自主研制的联合收割机在实际收获作业时容易造成玉米籽粒破碎，导致玉米在后期仓储及综合使用时利用率下降，不能全部满足我国对于玉米产量及质量的总体需求。

玉米籽粒破碎是籽粒破碎、破皮及裂纹的统称。针对玉米籽粒破碎检测，国内外学者做了许多相关研究。李心平[3-5]就玉米籽粒脱粒时受到的外界冲击对玉米籽粒内部应力裂纹的影响进行研究，通过玉米籽粒冲击实验，并结合Ansys有限元分析，得出玉米籽粒的破碎率与含水率、籽粒喂入形式和脱粒滚筒转速有着密切联系。李晓峰[6]对玉米籽粒内部应力裂纹研究发现，玉米籽粒冠部为玉米籽粒主要受力部位，裂纹以玉米冠部被打击区域为中心，向籽粒内部四处溃散，若籽粒裂纹长度过长，易造成玉米胚乳的损伤，影响籽粒育种的成活率。张新伟[7]利用Sobel边缘检测方法和改进形态学处理方法，通过建立两者的融合规则，对玉米籽粒检测图像进行小波分析，从而获得玉米籽粒内部机械应力裂纹的边缘轮廓信息。张杰[8]将图像分析和声学检测相结合，用于对玉米应力机械裂纹进行快速检测，通过对不同材质的创击实验信号进行分析处理。实验结果表明：玻璃材质的冲击板可以对存在应力裂纹的玉米籽粒进行有效检测。

J.M.Valiente-González[9]基于主成分分析与异常值检测方法，利用计算机视觉技术，用以区分完整玉米籽粒与表面带有凹痕的破碎玉米籽粒。实验结果表明：在HSV颜色空间下，该方法检测准确率可达92%。S．Gunasekaran[10]基于计算机技术，对玉米籽粒内部机械应力裂纹进行检测，实验结果表明：当白色光源发出的光线通过带有小孔的黑色背景模板时，可以有效地对玉米籽粒内部机械应力裂纹进行识别。I.Zayas[11]等从12个形态参数中采用多元判别分析方法，挑出7个影响较大参数，建立马氏距离判别函数，对完整的玉米籽粒和破碎的玉米籽粒进行识别，该方法的识别准确率较高。

目前，关于玉米籽粒裂纹及破碎情况的研究，国内外学者基本上处于离线状态下对玉米籽粒进行检测，而不是在联合收割机收获作业时的在线检测。相比于离线检测，在线检测玉米籽粒破碎率较为困难。因为在离线检测时玉米籽粒对检测采样装置的冲击较小，且人工易于操作；而在线检测时玉米籽粒对采样装置有较大的冲击，且需满足玉米籽粒动态不间断地进入采样装置及进入采样装置的玉米籽粒拥有良好的单层化效果，以防止玉米籽粒堆叠，造成采样效果不佳。

针对玉米籽粒破碎率在线检测这一研究问题，本文设计了一种玉米籽粒破碎率在线采样装置，以便于联合收割机收获作业时对玉米籽粒破碎率进行实时监测。

1 玉米籽粒破碎率在线采样装置

玉米籽粒在线采样装置主要包括分流单元、筛板层、上/下层转板、光源及CCD工业相机，如图1所示。

图1 玉米籽粒破碎率在线采样装置Fig.1 Maize kernel broken rate on-line sampling device

玉米籽粒破碎率在线采样装置的工作原理：将玉米籽粒破碎率在线采样装置安装在联合收割机粮箱处，分流单元主要包括上层引流料斗和下层分流料斗。联合收割机均粮搅龙处输出的玉米籽粒以均粮搅龙为基础呈线性分散进入联合收割机粮箱中，为了使采样范围增大，利用上层引流料斗将玉米籽粒引入在线采样装置的内部。下层分流料斗上部开有方口，其大小小于上层引流料斗的开口，目的是防止过多的玉米籽粒进入采样装置内部。如果籽粒过多的进入装置内部，不利于后续的玉米籽粒单层化，且过多的玉米籽粒对采集设备的冲击也较大，不利于采集设备的稳定采集。

采样装置内部第1层为筛板层，筛板层上开有大小一致且均匀排列的圆孔。开孔大小应保证进入采样装置内部的玉米籽粒均可以通过，设计目的是为了减小玉米籽粒对内部构件的冲击，且使进入采样装置内部的玉米籽粒更加分散，从而有利于玉米籽粒单层化的实现。

筛板层下部为上/下层转板、光源及CCD相机，初始时下层转板处于水平状态，上层转板处于竖直状态。当达到设定采样时间后，通过控制步进电机，使上层转板从竖直状态变为水平状态，这样上/下层转板之间形成一个相对封闭的空间，防止后续玉米籽粒在次进入下层转板，而对图像的采集质量造成影响。CCD相机采集一定时间后，上层转板与下层转板，在各自步进电机带动下，均从水平状态变为竖直状态，下层转板释放掉已采样的玉米籽粒，并再次从竖直状态变为水平状态，完成1次采样周期。下层转板上均匀排列着凹孔，目的是防止玉米籽粒的堆叠，便于实现玉米籽粒的单层化。

通过对步进电机的控制完成对上/下层转板的运动控制，步进电机为Model J-5718HB3401，步进电机驱动器为DM542，控制电路板为STM32，如图2所示。

图2 步进电机及控制电路Fig.2 Stepping motor and control circuit

CCD相机为Basler公司生产的aviator系列千兆以太网口面阵相机，相机型号为avA1000-100gc。通过工业CCD相机完成对采样装置内部的玉米籽粒样品采集，并将采集图片动态传输到DSP处理卡中，用以对采集图像进行分析，并将分析结果在车载终端上显示。采样装置的图像采集和处理分析的原理，如图3所示。光源主要是给采样装置内部提供光照，以保证图像的采集质量。

图3 图像采集及处理分析Fig.3 Image acquisition and processing analysis

2 模拟实验平台

模拟实验平台以联合收割机升运结构为基础，模拟联合收割机的玉米籽粒进入粮箱的过程。实验平台可以较为真实地反映玉米籽粒从输粮搅龙到均粮搅龙的全过程，使实验环境更加真实。模拟实验平台主要包括提升机构、传动机构、支撑机构及进给机构。传动机构主要给提升机构提供动力，使玉米籽粒通过提升机构从输粮搅龙运送到均粮搅龙。支撑机构主要是支撑提升机构、传动机构和进给机构的平台。进给机构主要为进给滑道，使玉米籽粒从存储箱中滑落到输粮搅龙处，模拟实验平台主要结构，如图4所示。

1.升运器 2.实验箱 3.存储箱 4.支撑架 5.异步电机 6.调节挡板 7.皮带 8.皮带传动系统 9.万向轮 10.承重台 11.输粮搅龙 12.进给滑道 13.阀板 14挡板 15.均粮搅龙

模拟实验平台的工作原理：将玉米籽粒破碎率在线采样装置放在模拟实验平台的实验箱中，将玉米籽粒存放在模拟实验平台的存储箱中，开启模拟实验平台的异步电机，使异步电机带动皮带传动系统。打开存储箱底部阀板，使玉米籽粒沿着进给滑道，滑送到输粮搅龙处，升运器将输粮搅龙的玉米籽粒升运到均粮搅龙处，均粮搅龙在将玉米籽粒抛洒到实验箱中，使玉米籽粒进入采样装置内部，从而完成对玉米籽粒样品的采集。样品采集完成后，采样装置释放掉的玉米籽粒通过实验箱中底端打开的挡板在此回流到存储箱中，从而动态实现对玉米籽粒的循环采样，使实验环境更加接近真实的联合收割机田间作业情况。实验平台原理如图5所示。

图5 模拟实验平台工作原理图Fig.5 Functional diagram of simulation experiment platform

3 实验采集结果

本实验选用的玉米品种为辽沈地区广泛种植的郑单958，玉米籽粒经模拟实验平台进入玉米籽粒破碎率在线采样装置。实验结果如图6所示。

图6 实验结果Fig.6 Experimental result

由图6可以看出：采样装置内部的玉米籽粒没有出现堆叠情况，实现了玉米籽粒的单层化要求，且采集的图像较为清晰，便于后续对采集图像进行分析处理，有利于对破碎玉米籽粒与完整玉米籽粒进行区分。模拟实验平台真实地体现出联合收割机收获时玉米籽粒进入粮箱的过程，增加了实验的真实性，并给采样装置设计的进一步优化提供参考依据。

4 结论与展望

通过实验可知：本文的玉米籽粒破碎率在线采样装置，能够较好地实现玉米籽粒的单层化，且采集图像较为清晰，可以初步满足联合收割机田间实验需求。采样装置机构简单，设计思路简便，装置易于安装在联合收割机的粮箱中。

下一步主要是针对玉米籽粒破碎率在线检测的图像处理与破碎玉米籽粒的特征提取方法进行研究，使在车载终端可以较好地将破碎玉米籽粒从完整的玉米籽粒中进行区分。采样装置加装图像采集设备，以用于多角度、全方位的采集玉米籽粒样品，这样不仅可以更加直观地反应玉米籽粒在采样装置的形态特征，还有利于对完整玉米籽粒与破碎玉米籽粒的不同特征进行分析提取，从而提升对破碎玉米籽粒识别的准确性，提高在线采样装置的检测精度及效率。同时，采样装置的结果可以进一步优化，使其更加精巧，从而能够在更多类型的联合收割机中安装使用。