新疆农机化２００8年第5期基于CCD摄像系统的机械式排种器动态特性研究王顺利，马蓉，胡斌（石河子大学机械电气工程学院，石河子832003）摘要：运用高速摄像技术,建立了精量排种器性能分析系统。
通过对拍摄动态图像的详细分析，提取运动种子的下落姿态和轨迹，确定了造成排种器漏播的部分因素。
建立合理的试验因素，得出最优的组合，检测精度满足使用要求。
实验表明，采用本文研究的系统进行精量排种器性能研究是可行的，具有实际价值。
关键词：高速摄像；排种器；分析中图分类号：S223文献标识码：A文章编号：1007-7782（2008）05-0015-03排种器的排种频率很高，实验中用肉眼或一般的观测难以监测清种过程。
20世纪80年代初有人采用频闪照相的方法记录排种过程，以至到后来采用光电检测或人工粘胶带测量，效果不够理想。
吉林大学利用高速摄像机对气吸式精密播种机的排种性能进行了研究，获得了比较好的效果。
为此，本文引入高速摄像技术[1-4]用于机械式精量排种器的清种性能检测研究，并综合应用数理统计、正交分析及精量排种理论等方法，对精密排种器的清种性能进行分析，确定影响清种的主要因素以及清种的彻底与否对重播指数的影响程度。
高速摄像能以10-3~10-15s之间的时间分辨率对快速过程进行照相记录，得到按时间发展为顺序的一幅幅图片，通过慢速放映，能再现被记录过程的运动或变形过程，笔者试图结合光电传感器检测装置与高速摄像技术，应用于精密排种器的性能检测，以提高排种器性能检测的真实性和可信性，探讨改善精密排种器性能的途径。
1检测系统组成和图像采集过程1.1硬件构成排种器试验平台是性能检测试验顺利进行的保证。
为此本文根据试验要求搭建了以下试验平台，具体包括PSD—8型鸭嘴点播排种器性能试验机、机械式棉花精量排种器、动力系统、电气监测板。
精量排种器高速摄像检测系统主要由计算机、图像采集卡、摄影机、照明装置等组成（图1）。
图1精量排种器高建摄像检测系统计算机采用个人笔记本电脑，CPU是Pentium Ⅳ1.8GHz，512M内存，32位总线。
高速CCD摄像机采用Photron公司生产的Fastcam-super10kc系列Super series model10000C，帧速为500FPS，显示尺寸为512×240，记录帧数为1092，记录时间为2.2S，回放帧速为250FPS/S，单位像素尺寸为7.4μm×7.4μm，传感器分辨率为658×496Pixels，灰度等级为256级，Gamma校正（0.4~1.0）。
镜头采用F1.8手动光圈，镜头焦距为手动三可变12.5-75mm焦距，快门速度为1/60s，镜头采用C-接口，工作温度为-10℃~+35℃。
1.2软件构成高速CCD摄像机[5]采用了半导体动态存储器导（DRAM），记录系统可工作在开机等待状态。
在此状态下，电荷藕合器件图像传感器以预置的拍摄频率连续不断地采集图像，并且持续地向存储器读入，而存储器不断用最新采集的图像覆盖存储器中最先存入的图像，高速摄像系统一旦接收到触发信号，则记录下写入DRAM的图像信息。
本次试验利用Blaster's MAS软件对利用高速摄像机拍摄下来的种子运动图片进行分析。
Blaster's MAS（Blaster's Motion Analysis Software爆破运动分析软件）最初是专门用于分析在爆破过程中采集到的物质运动图像的。
由于在爆破过程中，物质的运动速度极快，研究人员用肉眼不能清晰的收稿日期：2008-09-22基金项目：新疆生产建设兵团博士基金（Z D2007JC09）·开发研究·15．．DOI:10.13620/ki.issn1007-7782.2008.05.010新疆农机化２００8年第5期看到整个运动过程，所以可以通过高速摄像机拍摄整个运动过程，再通过这个运动分析软件对运动过程中发生的位移、速度和加速度等进行分析。
1.3图像采集过程采集运动种子图像时，首先要运行高速摄像机附带的主程序，进入主窗口。
接通图像传感器电源，进入图像实时采集窗口。
按下摄像机聚焦菜单。
启动装有种子的排种器，打开光照系统，调节摄像机焦距、光圈、平面镜的空间位置至图像显示区出现种子像为止。
再调节图像传感器快门和光照室照度，使显示区出现清晰种子图像。
最后按下采集菜单，输入采集的帧数，获取种子的序列图像。
经图像采集卡A/D 转换器将模拟信号变成数字信号，使输入的图像数字化为像素。
像素强度用灰度表示，灰度级为256级。
传给计算机内存后打开Motion Coder DDS窗口，把文件保存在计算机硬盘上，便于后续处理。
2精密排种器性能的图像分析2.1种子的下落姿态和轨迹高速摄像显示了试验中机械式精量排种器产生重播的图像，它是由许多因素产生的，包括排种器的速度变化、种子尺寸的变动、挡种板长度的不同等。
在此，只考虑清种对重播率的影响，研究种子在清种时的下落姿态。
通过处理高速摄像采集到的图片，发现大多数种子悬浮在排种器正上方，并被挡种板阻断送回种子群。
少数处于排种器边缘的种子下落轨迹包括以下两种情况：（1）种子靠挡种板反弹掉入下种盒。
种子在向心力和排种器空隙摩擦力的作用下，上升到最高处，然后靠重力自由下落，刚好落到挡种板的临界边缘上，受挡种板边缘反弹，落进下种盒造成双粒。
（2）种子直接通过挡种板和取种器的空隙进入下种盒。
可以看到，当排种器的速度增加时，种子在向心力的作用下上升的高度增加，在排种器空隙摩擦力的作用下，上升到最高处，然后靠重力自由抛落，直接顺利进入下种盒，造成双粒。
2.2挡种板优化设计后的清种效果当播种速度提高时，为降低重播率，必须解决清种造成重穴的因素。
对以上两种情况，改变挡种板的长度和形状，挡种板修改前、后的长度分别为230mm 与245mm；加长段折弯与水平面呈60°夹角。
挡种板修改如图2所示。
对挡种板长度和形状进行改进设计后，种子被挡种板边缘弹回取种区的临界位置。
图2挡种板优化示意图3用ADAMS建立分析模型3.1机械式排种器基础模型建立利用UG生成的装配模型通过.x_t文件导入到ADAMS/view中。
刚体之间用旋转副和接触副连接。
在ADAMS/view环境中的机械式棉花排种器单体如图3所示。
图3ADAMS中的机械式棉花精密排种器（有运动副）3.2运用ADAMS进行运动仿真分析对模型中的旋转副进行驱动，即可对棉花种子在单体排种器中的相对运动进行仿真。
通过观看仿真对画，可以直观地看到种子在排种器中的运动情况，即种子的清种和投种过程，以及下落种子与排种器部分构件干涉情况。
仿真中可以得到棉花种子质心随时间的位移轨迹、速度和加速度曲线，以及种子动态干涉和制作仿真过程的播放文件。
仿真中对棉花质心点的位移进行了模拟，其结果如图4所示。
种子从种箱下落到充种区做自由落体运动，随后在大量种子和排种器部件的碰撞力作用下位移出现无规律变化，种子滑到护种区和排种区后，由于取种器的作用，位移变化趋于平缓，棉花种子通过排种器内部特殊的夹取机构来保证合理正确的完成投种作业。
图4棉花种子位移模拟曲线图-棉种位移曲线图位移（mm）时间（t）棉种速度曲线图·开发研究·16．．新疆农机化２００8年第5期棉花种子质心点的速度和加速度曲线如图5、图6所示。
种子质心运动在x 、y 和z 方向上的合速度和合加速度都成不规则曲线形状，速度偏移量较大，加速度变化复杂。
棉种在进入排种区前速度变化由自由落体到大量种子的涡流旋转复合运动，进入排种区后，在x 、y 和z 方向上的合速度成正弦曲线形状，合加速度在进入排种区后，由于取种器的夹持作用，棉种和速度趋于稳定，所以加速度变化量微小，趋于恒定。
模拟分析结果与实际运动结果相一致，体现了用ADAMS/view 对精密排种器进行仿真分析的可行性和直观性。
仿真中没有考虑种子形状尺寸的不均匀性、种子在运动过程中的滚动以及土壤形状等因素，这种仿真只是对真实情况的简化和抽象，因为仿真运动是一种理想化的运动。
图5棉花种子速度模拟曲线图图6棉花种子加速度模拟曲线图4排种性能台架试验及分析为验证高速摄像给出的清种对排种性能的影响，继续对高速摄像试验采用的同一机械式鸭嘴棉花排种器，及早-12棉种，利用PSD —8型鸭嘴点播排种器性能试验机进行了台架试验。
试验在石河子大学农机性能实验室排种实验台上进行。
实验使用L8（4×22）正交安排实验，实验重复三次，取其平均值作为指标值，用合格率、漏播率作为排种器性能指标。
通过试验和分析统计发现，影响机械式棉花排种器合格指数和漏播指数的主要因素为行走速度，其次是挡种板长度和挡种板形状。
在试验的最优组合下进行重复试验，结果为合格率98.67％，漏播指数1.33％。
试验表明采用本系统进行精量排种器性能研究是可行的，具有实际使用价值。
5机械式精密排种器研究展望（1）以高速摄像和计算机图像处理[6]作为技术手段，成功解决了排种器清种性能检测的难点和关键性影响因素问题，通过实验证明基于高速摄像的排种器性能探索是可行的。
（2）通过高速摄像对排种器性能的检测，建立合理的试验因素，得出最优的组合，检测精度满足使用要求。
因此，采用本文研究的系统进行精量排种器性能研究是可行的，具有实际价值。
本系统还可以推广应用到机械式精量排种器投种过程分析中。
（3）根据排种器主要结构参数，确定排种器各个零件的尺寸，在CAD 环境中得到排种器整体零件图和装配图，进而建立三维模型，对其进行运动仿真和干涉检查，验证排种器的工作性能。
（4）应用ADAMS 软件对种子在排种器内的运动作动力学分析，分析其运动和受力与各参数间的关系，寻求最佳组合，再一步完善三维模型，对其进行运动仿真和干涉检验，验证应用优化参数组合所设计排种器的工作性能。
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