基于机器视觉的水稻秧盘育秧智能补种装置设计与试验

对于工厂化育秧作业的水稻、蔬菜、花卉等,尤其是超级杂交稻,其机械化秧盘育秧播种的理想目标为2~3粒/穴,且普遍存在空穴和单粒穴的情况,为了保证秧盘育秧成秧率,提高精密播种合格率就显得非常重要。该文基于机器视觉技术,提出了一种智能补种方法,设计并研制了智能补种装置,主要用于超级杂交稻钵体秧盘育秧播种质量检测与补种过程。首先利用CCD摄像头采集秧盘图像,对图像处理与分析后得到空穴和1粒穴位置坐标,再利用定位机构和补种机构实现从种槽取种和对秧盘指定位置动态补种等功能。应用LabVIEW图形化编程软件,针对空穴和单粒穴的补种方案,开发出秧盘播种质量在线检测与补种运动控制系统,实现了智能补种任务。由试验结果统计可知,当补种率小于2%时,双补种器能够满足450盘/h的生产需求。     

盘育秧精密播种流水线PLC控制系统设计

超级稻每穴1～2株的栽植农艺给机械插秧的盘育秧播种提出了低播量、高均匀性的严格要求,为满足超级稻少本稀植的农艺要求,研发了振动气吸式盘育秧精密播种流水线。设计了以PLC为核心,集自编程序、传感器、步进电机加减速驱动脉冲控制等技术为一体的自动控制系统。在GX-Developer-C V8的环境下采用梯形图方法编制程序实现播种作业的协调动作和部件运动的精确定位,并可接入PC机实现播种作业的在线监控。试验和检测结果表明,播量精确到每穴1～2粒（格）,均匀度合格率93.8%,空穴率5.6%,盘播种量一致性变异系数为2.5%,作业效率达每小时490盘,能满足超级稻及常规稻盘育秧精量播种要求。     

基于机器视觉和BP神经网络的超级杂交稻穴播量检测

为了保证秧盘上每穴超级稻种子数量一致,实现精密播种作业,需对播种性能进行准确检测,但超级杂交稻播种到秧盘中,多粒种子存在粘连、重叠、交叉等情况,传统的面积、分割算法对上述情况播种量检测精度低,因此需提高上述情况种子播种量检测精度。考虑到种子连通区域的形状特征反映种子数量,该文提出一种基于机器视觉和BP神经网络超级杂交稻穴播量检测技术。针对超级稻颜色特征,采用RGB图像中红色R和蓝色B分量组成的2×R-B分量图和固定阈值法获取二值图像;投影法定位秧盘目标检测区域和秧穴;提取连通区域10个形状特征参数,包括面积、周长、形状因子、7个不变矩,建立BP神经网络超级稻数量检测模型,检测连通区域为碎米/杂质、1、2、3、4和5粒以上6种情况;试验结果表明,6种情况的检测正确率分别为96.6%、99.8%、97.2%、92.5%、86.0%、94.3%,平均正确率为94.4%,每幅图像平均处理时间0.823s,满足精密育秧播种流水线在线检测要求;研究结果为实现精密恒量播种作业提供参考。     

2BP-2000型水稻育秧播种机分盘装置研制

针对现有育秧播种机分盘装置生产效率较低、高速作业时易出现卡盘和秧盘输送不连续等问题,该研究设计了一种生产效率不低于2 000盘/h的机械气动式自动分盘装置,可快速、准确完成分盘和供盘,适配2BP-2000型水稻育秧播种机高速播种。阐述了分盘装置的基本结构和工作原理,开展分盘、接盘过程分析,确定装置稳定分盘、接盘作业的关键机构与工作参数。分盘稳定性试验结果表明,生产率为1 600～2 000盘/h时,分盘稳定性不低于98.67%。开展以层叠秧盘数、生产率和秧盘质量为试验因素,以接盘成功率为试验指标的三因素三水平正交旋转组合试验,得到影响接盘成功率的因素主次关系为生产率、层叠秧盘数、秧盘质量,其中生产率、层叠秧盘数对接盘成功率影响显著（P <0.05）,秧盘质量对接盘成功率影响不显著（P≥0.05）,表明分盘装置对不同质量的秧盘适应性较好,其最优参数组合为：生产率2 000盘/h、层叠秧盘数6盘/层、秧盘质量750 g/盘,该条件下分盘装置的接盘成功率均值为98.43%,与预测值仅相差0.29个百分点。研究结果对提高水稻硬盘育秧播种机械化水平具有实用价值。     

水稻育秧生产线秧盘播种量智能调控装置设计与试验

水稻工厂化育秧过程中,秧盘播种量的精准控制能有效保证育秧质量。为解决水稻工厂化育秧中秧盘播种量调控操作繁琐和效率低等问题,该研究研究设计了一种水稻育秧生产线秧盘播种量智能调控装置,该系统以STM32F429微处理器为控制核心,利用双漫反射光电传感器检测连续输送秧盘的准确到达位置,设计了秧盘质量称量机构,建立了常规稻和杂交稻芽种秧盘播种量与排种轮电机转速（频率）的关系模型,基于统计分析、信息反馈技术与秧盘播种量变化规律模型,实现不同水稻品种秧盘播种量的智能精准调控。试验结果表明,在500盘/h的生产效率下,装置的平均检测精度为94.84%,经调控后的杂交稻秧盘播种量的平均变异系数为2.5%,常规稻秧盘播种量的平均变异系数为4.04%。所设计的水稻育秧生产线智能调控装置具有较高的播种量检测精度,满足当前育秧播种量调控的使用要求,对提高水稻秧盘育秧播种生产线智能化水平、保证秧苗质量具有实际应用价值。     

气吸式纸夹定位水稻精密育秧设备的研制

大量农艺试验表明：播种量和秧苗素质是影响水稻优质高产的主要制约因素,应用先进的精密播种技术培育均质壮秧是增加水稻单产的一个重要途径。针对现有水稻工厂化育秧方式一次性投资大,秧盘土采集困难和育秧过程繁琐等问题,在分析国内外水稻秧盘育秧精密播种技术与装备的基础上,根据水稻育秧的农艺要求,提出了应用纸介夹持定位封种的一种新的水稻无秧盘育秧精播方法,设计出气吸式纸夹定位水稻精密育秧设备并进行育秧试验。试验结果为单粒率达80%以上,合格指数（每穴1～2粒种子）超过95%,重播率（每穴3粒以上种子）小于4%,粒距合格率大于90%,纸介种带封固基本可靠,培育秧苗矮壮,栽插后发根能力强。     

水稻秧盘育秧播种机气动式自动供盘装置设计与试验

为减轻工人劳动强度,提高水稻秧盘育秧播种机的生产效率,研制了一种气动式自动供盘装置。通过建立秧盘输送模型确定了输送机构的输送过程和速度关系,根据秧盘外形特征和自动供盘装置工作原理,研制了气动式落盘机构及控制系统,由接近开关对秧盘进行检测,利用落盘机构快速升、放秧盘,实现秧盘的自动供送。为研究生产率、放盘时间和叠盘偏差对自动供盘装置性能的影响,以供盘合格率为指标进行了自动供盘正交试验。试验结果表明,叠盘偏差对供盘合格率的影响最显著,放盘时间对供盘合格率有一定影响,生产率对供盘合格率的影响不明显;当生产率为600~1 000盘/h、叠盘偏差为0~6 mm、放盘时间为0.8 s时,供盘合格率为98.67%~100%,试验结果满足水稻秧盘育秧播种机育秧技术使用要求。该研究对提高水稻秧盘育秧播种机的自动化程度具有重要意义。     

杂交稻机插秧育秧播种密度与取秧面积耦合关系

为了确保杂交稻机插秧质量,选取育秧播种密度和取秧面积为2个主要因素,进行了二因素三水平全面试验设计,试验品种为杂交稻1596。试验结果表明,育秧盘播种质量、育秧盘成苗质量和大田栽插质量的主要指标之间大都呈现出显著的相关性;0.05水平下对样本t检验结果表明,空格率（漏插率）之间有显著差异,成苗均匀度合格率和育秧盘播种均匀度合格率有显著差异,大田栽插均匀度合格率和育秧盘中成苗均匀度合格率没有显著差异;每盘播种量为73 g、取秧面积为2.38 cm2的耦合为最佳试验方案,此时育秧盘播种质量、育秧盘成苗质量和大田栽插质量的主要指标空格率（漏插率）和均匀度合格率分别为1.1%和92.5%、2.6%和90.2%、5.1%和88%,能达到的基本苗为每公顷541 665株。     

蔬菜穴盘苗自动补苗试验台穴孔定位与缺苗检测系统

为了精确获得蔬菜穴盘育苗空穴信息并为自动补苗提供依据,研制了蔬菜穴盘苗自动补苗试验台。利用该试验台获取了苗龄25、35 d的拟南介穴盘苗彩色图像,对彩色图像依次进行灰度化处理、Otsu阈值分割得到幼苗和穴盘二值图;对幼苗二值图进行开运算去除噪声,提取出幼苗特征图像;将穴盘二值图去除幼苗图像并去除噪声获得穴盘特征图像,依据穴盘特征图像分别在行、列上的像素统计峰值、峰宽及穴盘规格化结构,精确确定了穴孔边界;对穴孔内幼苗图像像素统计以判定是否空穴,结果表明:25、35 d拟南芥穴盘苗有苗穴孔与无苗穴孔内像素统计值差异极显著,空穴、有苗穴判断正确率均为100%,为穴盘苗空穴自动补苗提供了精确的幼苗信息与穴孔位置。     

双季稻区杂交稻机插秧低播量精密育秧试验

根据杂交稻种植少本稀植的要求,该文以杂交稻天优998和五优308为材料,采用机械化精密田间育秧试验方法,研究了4种秧盘和4个播种量水平对机插杂交稻秧苗成毯效果、秧苗素质和栽插质量的影响。结果表明:钵体毯状秧盘播种量在65 g/盘以上、毯状秧盘在45 g/盘以上、窄行秧盘在36 g/盘以上,应用华南农业大学研制的"水稻田间工厂化育秧精密播种机"进行精密播种,采用常规田间育秧管理育成的秧苗成毯效果能满足机插的要求;不同秧盘类型对秧苗素质的影响存在显著差异,4种不同秧盘育秧方式中,以钵盘培育的秧苗素质最好,整齐性也最好,钵毯秧苗次之,毯状秧苗与窄行秧苗相差不大;不同播种量对秧苗素质的影响较大,不同播种量之间,秧苗素质各项指标的差异都达显著水平,随着播种量的增加秧苗素质明显下降,表现为叶龄减少,苗高变矮,苗茎宽变细,根长变短,百株鲜质量、百株干质量和百株根质量都变轻;而秧盘与播种量的交互作用对秧苗素质的影响不显著;从栽插质量和满足栽插的农艺要求角度看,对杂交稻天优998而言,钵毯和毯状秧盘的最佳播种量范围为65~80 g/盘,窄行秧盘的最佳播种量范围为52~64 g/盘,钵盘的最佳播种量范围为41~50 g/盘。本文的研究结果对解决杂交稻机插秧技术问题具有理论意义和实际应用价值。     

水稻秧盘育秧播种技术与装备的研究现状及发展趋势

该文在收集、整理并研究国内外关于水稻秧盘育秧播种技术与装备的基础上,按照播种流水线的结构特点和工作原理进行分析归纳,系统地总结了每一类机型的研究现状,详细分析了播种、排土和秧盘同步传动等技术难点,以及主要部件采用的工作原理、技术参数和所能达到的性能指标,通过对现有机型特点的分析比较,给出了各类机型的适用范围.最后,根据水稻插、抛秧种植的农艺要求,尤其是中国超级杂交稻种植技术的要求,提出适合于超级杂交稻精密播种的新型育秧系统,上述研究为适用于中国传统水稻育秧,以及发展中的超级杂交稻低成本高速精准秧盘育秧播种技术研究提供参考.     

气力式包衣杂交稻单粒排种器研制

为满足杂交稻单粒播种的作业需求,该研究结合包衣稻种设计了一种单粒气力式排种器,分析了吸种姿态对吸种精度的影响,利用稻种导流原理,设计了一种导流式吸种盘,对稻种在该吸种盘导流作用下的运动过程进行了分析,建立了吸附过程中稻种与吸种盘之间的运动模型。采用包衣稻种(杂交稻五优1179)为试验材料,采用三因素三水平全因素试验方法,在不同吸种盘转速、吸室负压和吸种盘结构情况进行试验分析。试验结果表明:在转速30 r/min、吸室负压1 400 Pa时,有导流槽和辅助吸种装置的吸种盘吸种效果最佳,单粒吸种率最高为81.58%,漏吸率为2.89%。试验结果验证了该吸种盘可有效提高单粒吸种率,满足杂交稻单粒播种的作业需求,为杂交稻单粒播种提供了一定理论基础。     

水稻气力式播量可调排种器设计与参数优化

为了满足杂交水稻播种量不同的要求,该文设计了一种水稻播量可调气力式排种器,对其工作原理进行了分析,对关键部件进行了参数设计,该排种器采用多个相互独立的负压流道对吸种精度进行控制。利用ANSYS-FLUENT有限元流体分析软件对负压流道结构的吸孔负压影响规律进行了分析,优选了最佳流道结构。选取超级杂交稻Y-2优900为试验材料,进行了不同播种量下吸室负压、排种盘转速与排种盘吸孔组数对播种精度的影响试验研究,试验结果表明:当吸孔组数为12、吸种负压为1.6k Pa和排种盘转速为20r/min时,1孔播种达到最佳效果,合格率为82.41%;当吸孔组数为12、吸种负压为1.6k Pa和排种盘转速为40r/min时,2孔播种达到最佳效果,合格率为96.36%;当吸孔组数为12、吸种负压为1.6k Pa和排种盘转速为20r/min时,3孔播种达到最佳效果,合格率为92.79%;当吸孔组数为16、吸种负压为1.2k Pa和排种盘转速为20r/min时,4孔播种达到最佳效果,合格率为91.93%;当吸孔组数为12、吸种负压为1.6 kPa和排种盘转速为30 r/min时,5孔播种达到最佳效果,合格率为87.88%。说明水稻气力式播量可调排种器可满足杂交稻在采用直播式时不同播量的要求,相比于原有的排种器更佳适应水稻的多样性。该研究可为水稻机械化穴直播技术提供了参考。     

气力式水稻穴播机播种精度与田间成苗率关系的试验研究

气力式水稻精量穴直播技术是一种播种精度高、伤种率低的播种技术。为进一步研究气力式水稻穴播机播超级杂交稻品种时田间成苗率与播种精度的关系,该文选取3种超级杂交稻"Y-2优"、"超优1000"、"五丰优615"为研究对象,进行了实验室内发芽率试验与田间播种精度试验,建立了稻种发芽率与播种精度对田间成苗率的关系公式,采用10行气力式水稻精量穴播机进行田间试验。3种超级杂交稻的室内发芽率分别为94%、91%、92%;播种合格率(1~3粒/穴率)分别为94.98%、95.07%、95.21%,空穴率分别为1.78%、2.03%、1.95%,利用本文建立的关系公式计算出理论成苗率为96.85%、95.79%、96.07%,田间实际成苗率分别为94.22%、93.94%、93.76%(均低于理论计算成苗率结果)。分析了影响田间成苗率的主要因素,为提高田间成苗率,一是应进一步提高播种精度,减小空穴率与1粒/穴率,提高2粒/穴率,二是进一步提高稻种发芽率。该文的研究结果可为气力式排种技术在超级杂交稻精量直播中的应用提供参考。     

窝眼窄缝式气吸滚筒排种装置的试验

为了实现超级稻工厂化育秧,保证作业质量,研制了窝眼窄缝式气吸滚筒排种试验装置。以超级稻“培杂泰丰”为研究对象,采用4因素3水平正交试验设计方法,研究了窝眼半径、窄缝宽度、真空度和滚筒转速对播种空穴率、重播率和合格率的影响规律。通过对试验结果的分析,得出了影响空穴率和合格率的主次顺序为窝眼半径＞真空度＞滚筒转速＞窄缝宽度;影响重播率的主次顺序为窝眼半径＞滚筒转速＞窄缝宽度＞真空度;最佳参数组合为窝眼半径5.5 mm、真空度4 kPa、滚筒转速为0.82 rad/s和窄缝宽度1 mm。经验证,在最佳参数下,播     

不同机械直播方式对水稻分蘖特性及产量的影响

为研究不同机械直播方式对水稻分蘖特性的影响,以常规稻常农粳7号、超级稻南粳44与杂交粳稻甬优2638、甬优7号为材料,在江苏稻麦两熟制条件下研究了水(湿润)点播和条播2种机械直播方式水稻分蘖发生和成穗特性及其对群体产量的贡献。结果表明,不同直播方式对水稻分蘖发生与成穗特性有显著影响。点播和条播方式一次分蘖发生叶位均为5个,即主茎第1叶位到第5叶位;二次分蘖发生叶位以主茎第1分蘖的第1、2叶位和主茎第2分蘖的第1叶位为主。一次分蘖发生率点播方式低于条播方式,主茎第3、4叶位分蘖发生率为100%;二次分蘖发生率点播方式高于条播方式。4个品种均未见三次及三次以上分蘖发生。点播方式产量显著高于条播方式(p0.05),且不同直播方式对水稻茎蘖成穗与高产利用存在差异(p0.05)。一次分蘖的第1~5叶位是可成穗叶位,以第1~3叶位成穗为主,成穗率50%以上,条播方式成穗率高于点播方式。主茎第1分蘖的第1叶位和主茎第2分蘖的第1叶位是二次分蘖成穗的主要叶位,但成穗率较低;点播方式成穗率低于条播方式,不同品种间存在差异。一次分蘖穗对产量贡献率在不同蘖位间存在显著差异(p0.05),主茎第3分蘖生产力最高,对产量的贡献率最高,其中点播方式大于条播方式。二次分蘖穗对产量贡献率较小,点播方式高于条播方式。进一步对分蘖的穗粒构成分析表明,主茎第3分蘖穗单位面积穗数和每穗粒数较高,每穗粒数表现为主茎第3分蘖穗点播方式高于条播方式。该文明确了不同机械直播方式水稻分蘖成穗规律,为直播稻大面积高产提供了技术依据。