马齿形玉米种子尖端激光定向与胚面识别装置研(7) -种子科技杂志社投稿

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马齿形玉米种子尖端激光定向与胚面识别装置研(7)

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1.1 玉米种子尖端定向原理

尖端定向就是使玉米种子的尖端全部朝前。本研究的工作对象中，约90%的玉米种子是尖端朝前的，所以只需要识别出少数大头朝前的玉米种子并进行剔除，即可实现尖端定向。本研究提出的尖端定向方法主要基于马齿型玉米种子的轮廓特征和激光开关传感器。

玉米种子尖端定向过程如图2所示，参考马齿型玉米种子的轮廓特征，设计一个“V”形种槽，尖端朝前的玉米种子可以进入到种槽内，而大头朝前的玉米种子则会堵住种槽入口因而无法进入到种槽内，基于这个差别，配合常开型激光开关传感器、特定的直线轨道和推杆（图2a）对玉米种子的尖端朝向进行识别，并将大头朝前的玉米种子进行剔除。图2中的种槽和直线轨道为理论模型。直线轨道水平摆放，种槽设置在轨道出口端的中央，但不与轨道内壁相接触，常开型激光开关传感器设置在种槽后方、缺口1侧面，激光开关传感器发射的激光束与轨道侧面垂直，可经缺口1和缺口2贯穿轨道。为直线轨道添加适当的电磁振动，设定垂直振幅不超过0.1 mm，防止玉米种子在轨道中发生跳动。设定直线轨道内宽略大于玉米种子的最大宽度，而小于玉米种子的最小长度，使呈平躺姿态的马齿型玉米种子在轨道中只能以尖端朝前或大头朝前的状态在轨道中做前进运动。

1. 直线轨道 2. 缺口1 3. 缺口2 4. 激光束 5. 缺口3 6. 种槽 7. 出口端8. 推杆 9. 激光开关传感器 10. 玉米种子前进方向 11. 玉米种子 12. 入口端1. Straight track 2. Gap 1 3. Gap 2 4. Laser beam 5. Gap 3 6. Seed slot 7. Outlet 8. Push rod 9. Laser switch sensor 10. Forward direction of corn seed 11 Corn seed 12. Inlet图2 玉米种子尖端定向过程Fig.2 Tip orientation process of corn seed

玉米种子尖端朝前时的识别过程见图2b，t0时刻玉米种子尖端挡住激光束，激光开关传感器由断开变为触发；t1时刻玉米种子顺利进入到种槽内，种子两侧与种槽内壁相贴合，尖端与种槽顶点比较接近，此时玉米种子不再遮挡激光束，激光开关传感器重新断开。整个过程中激光开关传感器的感应状态为：断开-触发-断开，触发状态的持续时间为（t1-t0），持续时间较短。玉米种子大头朝前时的识别过程见图2c，t￠0时刻玉米种子大头挡住激光束，激光开关传感器由断开变为触发；t1￠时刻玉米种子到达种槽处，但因大头堵住了种槽入口玉米种子无法进入到种槽内，会一直遮挡激光束，激光开关传感器持续保持触发。整个过程中激光开关传感器的感应状态为：断开-保持触发。

对于尖端朝前和大头朝前2种状态的玉米种子，激光开关传感器表现出2种不同的感应状态，据此可对玉米种子的尖端朝向进行识别，并根据识别结果控制推杆在t2￠时刻作推送运动，将大头朝前的玉米种子由缺口2推出轨道完成剔除。

在水平方向上激光开关传感器与种槽之间的前后相对位置十分关键，会直接影响到对玉米种子尖端朝向的识别效果。激光开关传感器的移动范围如图3所示，依据玉米种子的轮廓得到前后2条临界线（前临界线A和后临界线B），激光束只有处于2条临界线之间才能保证出现上述差别，2条临界线距种槽顶点的距离分别为S1和S2，差值（S2-S1）即为激光开关传感器可移动的范围，该范围将在装置设计时经测量得到。

1.2 玉米种子胚面识别原理

尖端定向完成之后，即可对玉米种子的胚面朝向进行识别。本研究提出的胚面识别方法主要基于马齿型玉米种子的表面特征和激光测距传感器。

胚面识别原理如图4所示，玉米种子胚面上有胚沟，而反面为平面，基于这个差别，配合高精度激光测距传感器、直线轨道和种槽（图4a）即可对玉米种子的胚面朝向进行识别。尖端朝前的玉米种子停留在种槽中，胚面朝下或反面朝下。缺口3正下方设置有一个高精度激光测距传感器，激光测距传感器发射的激光束与轨道底面垂直，由缺口3贯穿轨道底面，为了使表达更加明确，图4b和图4c采用剖视图，剖面为直线轨道2个侧面的对称中心面，激光束正好在该剖面上。

玉米种子胚面朝上时的识别状态见图4b，种子的反面与直线轨道内底面接触，激光测距传感器的检测光束落在反面上，检测距离为d1，理论上，该值等于激光测距传感器激光发射点到直线轨道内侧底面的距离；玉米种子胚面朝下时的识别状态见图4c，种子的胚面与直线轨道内底面接触，在种槽的定位作用下，胚沟对准下面的缺口3，激光测距传感器的检测光束正好落在胚沟内，检测距离为d2。由于胚沟具有一定深度，所以d2会大于d1，二者的差值（d2-d1）即为胚沟的深度。

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