精播机播种粒距均匀性在线检测装置.pdf

本发明公开了一种基于线阵CCD的精播机播种粒距均匀性在线检测装置，在播种机研制和播种机性能鉴定时用于室内台架试验和田间作业试验的播种粒距均匀性检测。本发明由外套筒、内套筒、线阵CCD数码摄像机、MCU系统，照明LED阵列和微型风扇鼓风机构六个部分组成。外套筒利用U形螺栓固定在被测播种机的开沟器上，下端带有照明LED阵列的内套筒插入外套筒，线阵CCD摄像机插入内套筒，图像采集处理MCU系统在程序控制下采集线阵CCD图像，在内存中拼接为一幅连续图像，利用数字图像处理技术识别种子位置、统计间隔时间、计算种子距离。微型风扇鼓风机构用于摄像机镜头防尘。

1.  一种精播机播种粒距均匀性在线检测装置，其特征是：由外套筒、内套筒、线阵CCD数码摄像机、MCU系统、照明LED阵列和微型风扇鼓风机构六个部分组成。

2.  根据权利要求1所述的精播机播种粒距均匀性在线检测装置，其特征是：外套筒配合三角形支撑板、翼形板以及U形螺栓可以紧固到被测播种机的开沟器(排种管)上，外套筒上端与底层安装板一体，底层安装板上有4个紧固螺栓孔。

3.  根据权利要求1所述的精播机播种粒距均匀性在线检测装置，其特征是：内套筒与仪器安装板一体，内套筒下端安装照明LED阵列，内套筒外径与外套筒内径间隙配合，内套筒内径与摄像机镜头外径间隙配合，仪器安装板上有安装底层安装板和摄像机机身、MCU系统、微型风扇的紧固螺栓孔。

4.  根据权利要求1所述的精播机播种粒距均匀性在线检测装置，其特征是：线阵CCD摄像机机身前面有4个M6的螺纹孔，用于安装连接仪器安装板和底层安装板的紧固螺栓，线阵CCD摄像机的镜头插入内套筒、摄像机机用螺栓与仪器安装板、底层安装板紧固以后，线阵CCD的像素排列方向与播种方向垂直。

5.  根据权利要求1所述的精播机播种粒距均匀性在线检测装置，其特征是：微型风扇安装在仪器安装板上，进风口通过软管引入清洁空气，出风口通过软管通向内外套筒内部。

精播机播种粒距均匀性在线检测装置
技术领域
本发明是农业生产中精密播种机的播种粒距均匀性的检测装置。
背景技术
农业生产中，播种机是最基本的作业设备。评价播种机质量的关键指标就是播种粒距的均匀性。根据《GB6973-86单粒(精密)播种机试验方法》规定，对播种机的播种粒距均匀性鉴定需要分别进行室内台架试验和田间试验。室内台架试验检测播种粒距均匀性的基本方法是把播种机播种单体安置于一个传送带的上方，播种机单体播出的种子落到移动的传送带上，然后测量传送带上种子的间距进行统计分析得出播种粒距均匀性的指标。为了减少种子落到皮带上弹跳引起的位置失真，常用的方法是在皮带表面涂抹黄油或者铺沙。田间试验检测播种粒距均匀性的基本方法是人工检测，播种机工作一段距离后，人工将种沟内的土拨开，找出土壤中的种子，测量种子之间的距离进行统计分析。显然，上述两种方法不仅操作复杂，而且无法实时在线检测，种子位置的准确性也难以保证。
目前也已经有很多利用各种结构的传感器进行播种粒距均匀性实时检测的研究报道，其方法是在落种管的某个位置安装传感器，种子经过传感器产生脉冲，利用脉冲的时间间隔换算出种子落地后的分布距离。这种方法的最大不足是传感器不可能安装到接触地面的位置，只能安装到种子落地之前的某个位置，所测得的种子间距不能准确反映种子落地以后的位置情况。
另外，在室内台架试验中也有利用数码摄像机对传送带上的种子分布进行拍摄，然后通过图像处理程序进行播种粒距的分析。这种方法的主要问题是在传送带以不同线速度移动(模拟播种机的不同作业行进速度)时，摄像机所拍摄的各幅图像的交界重叠无法处理。另外，这种方法显然不可能用于田间试验，因为田间试验时种子直接落入种沟并且立即被回土覆盖，无法拍摄到种子的分布位置图像。
发明内容
本发明提出一种基于线阵CCD的扫描检测装置，可以实现对落到传送带表面或者落到种沟内种子瞬间位置的在线检测。
本发明的机构组成主要有六个部分：外套筒、内套筒、线阵CCD数码摄像机、MCU系统、照明LED阵列和微型风扇鼓风机构。本发明的技术方案为：第一，外套筒是一段钢管，外部焊接控制安装角度的三角形支撑板和翼形板，与U形螺栓配合构成安装机构，可以把外套筒紧固在被测播种机的开沟器(排种管)上，外套筒下端位置与排种管种子出口端平齐。外套筒长度由线阵CCD摄像机镜头的对焦距离决定，即在上述安装位置确定的条件下，使种子落到的表面(传送带表面或种沟底面)通过摄像机镜头正好在线阵CCD清晰聚焦。第二，内套筒也是一段钢管，内径保证摄像机镜头可以自如插入，外径可以自如插入外套筒。内套筒上端与仪器安装板一体，用于安装摄像机机身和MCU系统。内套筒下端比外套筒短5-10cm，用于安装照明LED阵列。第三，采用线阵CCD传感器构造的数码摄像机，线阵CCD方向的确定原则：摄像机镜头插入内套筒、摄像机机身固定在仪器安装板上以后，线阵CCD的像素排列方向要与播种方向垂直。第四，图像采集处理MCU系统，配合程序负责采集线阵CCD摄像机的图像，在内存中拼接为一幅连续图像，利用数字图像处理技术识别出玉米种子的位置和间隔时间。第五，在内套筒的下端近地端安装10只高亮度白光LED为线阵CCD摄像机提供照明。第六，微型风扇鼓风机构，可以通过管道把驾驶室内或远离开沟器部位的清洁空气灌入套筒内部，防止套筒底端尘土上升。
本发明的工作原理：线阵CCD只有1列象素，而一般数码摄像机采用的都是面阵CCD，有几百列、几千列像素。在相同的硬件采集速度下，采集1帧面阵CCD图像的时间等于采集几百帧线阵CCD图像的时间。所以，线阵CCD的帧采集频率非常快，很容易实现1000帧/秒(目前最高可以达到5000帧/秒)。利用这样的线阵CCD摄像机，可以拍摄一个场景中的很窄的一条影像。如果摄像机和场景之间有相对运动(相对运动的方向垂直于线阵CCD的长轴)，连续拍摄的一条条影像拼接在一起就可以看到整个场景(与电脑上扫描仪的工作过程类似)。这种拍摄方法用于拍摄播种过程中种子落地的场景，几千帧图像(几千列像素)的合成就可以再现种子在种沟内分布的完整图像。
微型风扇鼓风机构是本发明用于抑制外套筒上端有摄像机封闭，下端没入种沟土壤中(用于田间测量的时候)，外套筒内腔与环境空气隔离，可以防止摄像机镜头被灰尘蒙蔽。为了更有效地防尘，还附加了微型风扇鼓风机构，可以通过管道把驾驶室内或远离开沟器部位的清洁空气灌入套筒内部，防止套筒底端尘土上升。
本发明的有益效果是：实现了在线连续检测；能够得到种子落地的以后准确位置的图像并计算出粒距；室内试验和田间试验皆可使用。
附图说明
图1是精播机播种粒距均匀性实时在线检测装置的总装侧视图。
图2是紧固机构和钢管外套筒机构侧视和俯视图。
图3是仪器安装面板和照明内套筒的侧视和俯视图。
图中，U形螺栓1，紧固用的翼形板2，控制安装角度的三角形支撑板3，外套筒4，鼓风管道插头5，底层安装板6，微型风扇7，线阵CCD数码摄像机8，线阵CCD传感器9，摄像机镜头10，图像采集处理MCU系统11，仪器安装板12，内套筒13，LED安装半月板14，照明LED阵列15，地面线16，种子17，种沟底部线18，播种机排种管19，播种机开沟器20，微型风扇安装孔21。
具体实施方式
参照附图：
外套筒4为内径40mm，长度370mm的钢管。外套筒上端焊接底层安装板6。底层安装板6上面开有4个安装孔，孔径6.2mm，通过这4个孔用螺栓固定仪器安装板和线阵CCD数码摄像机的机身。
内套筒13为内径外径40mm，内径35mm，长度300mm的钢管。内套筒13的下端安装照明LED阵列15。为了使照明LED阵列15安装、清洁、布线方便，把内套筒下端沿轴线开有宽度10mm、高度200mm左右的槽口。内套筒上端焊接仪器安装板12。仪器安装板12上面开有12个安装孔，其中4个孔与底层安装板6上面的孔位置、孔径相同，另外有4个安装孔用于安装MCU系统，孔径6.2mm，还有4个孔用于安装微型风扇，孔径4.2mm。
线阵CCD数码摄像机8的主要部件是线阵CCD传感器9和摄像机镜头10，分别采用日本东芝公司的彩色线阵CCD图像传感器TCD2252D9和上海海鸥F80放大镜头自制而成。镜头外径33mm，可以自如插入内套筒13。摄像机机身前面有4个M6的螺纹孔，与仪器安装板12和底层安装板6上面的安装孔配套，用于三者紧固安装。经过试验固定摄像机镜头10的调焦环得到不可变的物距和像距，使得摄像机8安装并紧固到仪器安装板12上以后，摄像机的像平面正好是检测期间外套筒下端种子落地后的位置。任何型号的彩色线阵CCD传感器都可以用于本发明，差别在于采集速率和分辨率。线阵CCD数码摄像机8也可以不用自制，市场上可以买到很多品牌的成品线阵CCD数码摄像机，例如德国Basler公司的L100k线阵系列产品中的SL104K-1K Storter。选用成品线阵CCD数码摄像机时，镜头外径可能与本实施方案不同，只要相应变化外套筒和内套筒的直径即可。
图像采集处理MCU系统11以美国TI公司的专用视频/图像处理芯片TMS320DM642为核心，结合产生时钟信号和视频控制信号的CPLD芯片LC4128V100-5、负责线阵CCD图像传感器输出信号的放大、A/D转换的视频信号处理器XRD98L23ACD、存储程序的Flash存储器Am29LV160DB、存储图像数据的同步动态随机存储器(sDRAM)IS42S16400-7T等构成。图像采集速率为1000帧，每帧采集1024个像素。
照明LED阵列15由10只超高亮白光LED排成两列，安装在内套筒13下端焊接的半月板14上，为摄像提供照明。
微型风扇鼓风机构只有在田间检测而且因土壤干燥扬尘较大的场合才需要启用。微型风扇7采用12V/0.13A的电脑CPU冷却风扇。风扇进气管道为方便装卸的内径20mm的塑料软管，长度3m左右。风扇的出风管道也是内径20mm的塑料软管固定连接到外套筒4上面的鼓风管道插头5。