华南双季稻区水稻不同机械化栽植方式对比试验与评价

为探索不同机械化栽植方式对华南双季稻区的适应性及其影响机理,2011-2014年连续4 a在广东省肇庆市和江门市,以钵体苗人工手插为对照,安排了钵体毯状苗机插、毯状苗机插和毯状苗窄行机插3种机械化栽植方式的对比试验。应用主效可加互作可乘(additive main effects and multiplicative interaction,AMMI)模型对影响水稻产量的栽植方式、环境和二者的互作进行了分析,进而对不同栽植方式的适应性进行了评价。结果表明:不同栽植方式水稻产量的单因素方差分析显示,3种机械化栽植方式对常规稻都具有良好的适应性,可替代人工手插大面积推广使用;而杂交稻各次试验中3种机插秧栽植方式的产量都低于人工手插,杂交稻机插秧问题还需进一步研究。AMMI分析中,栽植方式平方和、环境平方和及二者的互作平方和分别占处理平方和的6.39%、85.29%和8.31%,都达到了极显著差异水平(P0.01);AMMI模型的交互效应主成分(interaction principal component analysis,IPCA)前2个达到显著水平,两项累计解释了互作平方和的92.99%;残差均方根(root mean square,RMS)的值为49.34 kg/hm2,占总均值的0.71%,表明AMMI2模型对试验的数据结构进行了很好的拟合。适应性评价显示,人工手插的平均产量最高,与环境存在较大正互作,是目前杂交稻种植中最好的栽植方式,但稳定性欠佳;毯状苗机插的平均产量最低,与环境的互作最小,是一种稳定性较好的栽植方式;钵体毯状苗机插的稳定性不及毯状苗机插,但平均产量高于毯状苗机插,与毯状苗机插相比平均增产约-2%~6%;毯状苗窄行机插的稳定性不及钵体毯状苗机插,但平均产量与钵体毯状苗机插相差不大,在杂交晚稻种植中常常高于钵体毯状苗机插。研究结论对推进华南双季稻区种植机械化的发展具有重要参考价值。     

基于离散元法的杂交稻振动匀种装置参数优化与试验

杂交稻栽培要求少本稀植、利用分蘖能力提高产量,现有的机械化播种技术不能满足此要求,亟需进行杂交稻精密播种技术的机理探讨。为探明振动匀种装置匀种过程中V-T型振盘的振频和振幅对杂交稻种群运动规律的影响,以及种群流动特性对播种性能的影响,该文基于离散元法,采用Hertz-Mindlin无滑动接触模型,实现了V-T型振盘工作过程模拟,得到振盘振频为57~59 Hz时,种群在振盘中分布均匀,播种效果较好。试验验证表明,利用离散元法模拟振动匀种装置匀种过程具有较高的准确性。在仿真结果的基础上,选取振盘振动臂材料、振动器安装角、气动振动器进气压强作为试验因素,进行了振动匀种装置参数优化试验,获得了杂交稻种子低播量下的最佳工作参数组合为振盘振动臂材料为60Si2Mn,振动器安装角度为47.5°,进气压强为0.26 MPa;此时播种合格指数为92.86%,空穴指数为1.14%,有效地提高了现有播种装置的性能。该研究对提高杂交稻精密播种技术提供了参考。     

蔬菜穴盘育苗播种漏播检测及智能补种装置设计与试验

为保证植物工厂蔬菜穴盘育苗高质量作业要求,该研究在气吸滚筒式蔬菜穴盘育苗精密播种器的基础上,优化设计了在线漏播检测与智能补种装置,以可编程逻辑控制器（programmable logic controller, PLC）为控制核心,实时进行播种器吸孔漏吸检测及穴盘穴孔漏播位置预报,并完成漏播穴孔的定点定穴补种。采用光电检测技术检测播种器吸孔漏吸位置,构建漏吸吸孔与育苗穴盘穴孔的对应动态补种矩阵,实现穴盘穴孔漏播位置精准预报;优化设计了智能补种装置,根据预报的穴盘穴孔漏播位置实现定点定穴精准补种。以中双11号菜心种子为对象,开展播种器吸孔漏吸检测与穴孔漏播位置预报试验,得到吸孔漏吸平均检测准确率为98.82%,穴孔漏播位置预报准确率为100%。采用Box-Behnken试验设计方法,对智能补种装置开展作业性能试验,构建主要性能指标（单粒合格指数、重播指数和漏播指数）与主要影响因素（吸针负压、吸针孔径和种室振动压力）的关系,并进行多目标优化,确定智能补种装置最优工作参数组合为吸针负压10.19 kPa、吸针孔径0.67 mm、种室振动压力0.07 MPa,此时补种装置播种的平均单粒合格指数...     

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。     

水稻芽种离散元主要接触参数仿真标定与试验

水稻播种时芽种含水率高、种芽长度差异大,表现出与其他作物种子不同的物理特性。为减小仿真分析时芽种参数设置不准确而形成的模拟系统误差,本文基于水稻芽种摩擦角的试验与仿真测定,标定出不同含水率下的水稻芽种离散元主要接触参数。通过芽种的摩擦角(两种休止角及滑动摩擦角)离散元仿真试验,建立了芽种-不锈钢板静摩擦因数、芽种-芽种静摩擦因数、芽种-芽种滚动摩擦因数与3个摩擦角之间的三元回归方程。以芽种的3个摩擦角试验结果作为修正指标,对回归方程数值求解,得到当仿真结果与试验结果的拟合误差达到允许范围内的3个主要接触参数。将标定后的参数进行试验验证,分别对不同含水率下的芽种摩擦角的仿真测定与实测结果进行对比分析,相对误差均小于2.75%,表明水稻芽种离散元模型与实际颗粒物料体现出相同的摩擦特性,建立的回归模型满足不同含水率芽种参数的标定要求。对其他5个品种的水稻芽种摩擦角实测值与仿真结果进行对比分析,相对误差均在5.54%以内。该水稻芽种的离散元模型及接触参数可为水稻精密播种装置的动态仿真提供参考。     

基于嵌入式机器视觉的水稻秧盘育秧图像无线传输系统

杂交稻机械化秧盘精密播种育秧过程中需要人工实时监测,以保证秧盘播种性能,为解决传统人工长时间户外、低效的监测方式,设计了基于嵌入式机器视觉的水稻秧盘育秧图像无线传输系统。系统由嵌入式开发平台、无线Wi Fi网关、高清网络摄像头、红外传感模块、远程服务器等组成。嵌入式开发平台采用Tiny4412开发板,并在其上移植Linux系统、摄像头驱动、GPIO口驱动;采用Qt开发工具,完成图像采集、实时显示,并设计出友好的人机交互界面;利用Jpeglib静态库对图像进行数据压缩;利用无线Wi Fi局域网、嵌入式系统和远程服务器按照规定的协议通过Socket通信进行数据传输。远程服务器基于Netty框架对采集到的图像数据进行校验、实时显示和保存。试验结果表明,不同分辨率图像的无线传输速率均满足育秧流水线实时作业要求,JPEG格式的图像经过数据压缩,其传输速率大大提高;嵌入式采集终端能够稳定采集播种秧盘图像,并成功地上传到服务器,网络平均丢包率为0.23%,误码率为0.23%。     

杂交稻精密条播育秧底土开沟装置设计与试验

为解决杂交稻精密条播育秧种子成条性和均匀性不足导致秧苗素质差和栽插均匀合格率低等问题，该研究基于滚压开沟原理设计了一种杂交稻精密条播育秧底土开沟装置，利用压辊在秧盘底土上压制出种沟，并开展耦合栽插对比试验。阐述了底土开沟装置主要结构与工作原理，开展了压辊、载荷调节机构、秧盘和育秧土之间的动力学分析以及土壤下陷量标定试验，对开沟装置关键部件结构及其参数进行设计与优化；采用Box-Behnken试验方法进行离散元仿真试验，应用多目标优化方法对压辊关键参数进行优化，并通过验证试验，得到最优参数组合为：压辊直径100 mm，V型齿角度45°、种沟深度9 mm，此时开沟条播的均匀合格率为85.68%，成条合格率为87.18%，与优化结果基本一致。田间生产试验表明，与不开沟条播相比，开沟条播的均匀合格率和成条合格率分别平均提高5.78和17.17个百分点，最高均匀合格率和成条合格率分别为86.80%和87.60%；开沟条播能明显提高秧苗的整齐一致性；耦合栽插时，开沟条播比不开沟的漏插率平均减少1.95个百分点，1～3株/穴的比例平均提高7.14个百分点，根系损伤率平均降低2.27个百分点；50、70和90 g/盘播量下开沟条播比不开沟条播理论产量分别增加234.90、245.55和57.15 kg/hm²，增产比例为3.12%、3.53%和0.80%，实际产量比相同播种密度下不开沟条播分别增加381.60、365.85和180.15 kg/hm²，增产比例为5.00%、5.33%和2.52%。研究结果表明该开沟装置的作业性能良好，开沟条播育秧能有效提升精密条播育秧与精准耦合栽插的技术水平，可为杂交稻精密条播育秧装备的研发提供参考。