马齿形玉米种子尖端激光定向与胚面识别装置研(9) -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(9)

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2.3 控制系统设计

依据玉米种子尖端定向与胚面识别方法的原理设计控制系统，本研究的控制系统无需上位机，只利用下位机即可完成控制工作。可编程控制器PLC功能强、可靠性高、成本低，多用于开关信号的逻辑控制[23-24]。本研究基于PLC对控制系统进行设计，型号为西门子S7-200 CPU224XP，该PLC为14输入/10输出[25]。

玉米种子尖端定向过程的控制思路：对于尖端朝前和大头朝前2种状态的玉米种子，激光开关传感器的感应状态分别为：断开-触发-断开、断开-保持触发，区别在于前者触发状态的持续时间较短，而后者触发之后会持续下去。PLC使用计时器等指令[26-27]来监测激光开关传感器触发状态的持续时间T，假设临界时间T0，使T0略大于尖端朝前时激光开关传感器触发状态的持续时间（t1-t0）。识别1颗玉米种子的尖端朝向时，若T≤T0，则表示激光开关传感器的感应状态为断开-触发-断开，判定为尖端朝前，准备进行下一步的胚面识别；反之，若T＞T0，则表示激光开关传感器的感应状态为断开-触发，判定为大头朝前，控制电磁铁2带动推杆将其推出轨道完成剔除。

玉米种子胚面识别过程的控制思路：设定激光测距传感器的测量基准为d0，d0略大于d1同时小于d2。识别1颗玉米种子的胚面朝向时，设实际检测值为d，若d＞d0时，传感器不触发，指示绿灯亮，PLC记录0，判定为胚面朝上；反之若d≤d0时，传感器触发，指示红灯都亮，PLC记录1，判定为胚面朝下。胚面识别结束后，PLC控制电磁铁1通电时间T1带动种槽上升并停留一段时间，待玉米种子输出后，放下种槽，PLC的记录值可为后续玉米种子的分类整理及定向包装做准备。对于松下HG-C1030激光测距传感器，一般设定测量基准与测量中心距相等，因此设定d0为30 mm。由于d0需要略大于d1，所以本研究设定d1为29.7 mm，根据玉米种子尖端定向原理可知，（d2-d1）大于0.6 mm，所以d2会大于30.3 mm，此时d0小于d2，满足要求。

根据控制思路进行系统设计，控制流程图如图6所示。时间（T0+T1）为控制系统的反应时间，T0和T1与玉米种子在直线轨道中的移动速度成反比关系。由于在T0和T1时间内玉米种子移动的距离一样，均为种子的长度，所以可设定T1=T0。

图6 尖端定向与胚面识别装置的控制流程图Fig.6 Control flow chart of tip orientation and embryo side recognition device

玉米种子尖端定向与胚面识别装置的工作过成为：现有尖端定向装置可间断地输出呈平躺姿态的马齿型玉米种子，这些种子由直线轨道入口进入尖端定向与胚面识别装置，种子进入种槽区域后，尖端朝向会被识别完成，少数大头朝前的玉米种子会被推送装置经缺口2推出轨道，完成尖端定向；尖端朝前的玉米种子进入种槽时，其胚面朝向即被识别完成并被PLC记录，升降装置带动种槽向上抬起，玉米种子输出装置。

本文设计的玉米种子尖端定向与胚面识别装置所用到的激光传感器、直线电磁振动器、PLC等价格都比较低，且工作时无需黑色封闭空间等特定环境，相对比机器视觉技术或高光谱成像技术所使用的工业相机、高光谱设备等，具有成本低、对作业环境要求低等优势。

3 玉米种子尖端定向与胚面识别试验

设定直线电磁振动器的振动频率为50 Hz，通过调节其工作电压来控制振幅[28-30]，设定工作电压为55 V，此时电磁振动的垂直振幅小于0.1 mm，玉米种子可以在直线轨道中平稳低速移动。取100颗玉米种子进行预试验，测量并统计尖端朝前识别时激光开关传感器触发状态的持续时间（t1-t0），其范围为[1.14,1.42] s，由于临界时间T0需要略大于（t1-t0），所以本文设定T0为1.6 s。

为了验证本文提出的玉米种子尖端定向与胚面识别方法的可行性，将搭建好的玉米种子尖端定向与胚面识别装置与现有的尖端定向装置组装成一个整体试验台（图7），在此基础上进行玉米种子尖端定向与胚面识别试验。现有的尖端定向装置由圆周电磁振动器和具有尖端定向功能的料斗构成。玉米种子先经过现有尖端定向装置完成初步定向，然后由本文尖端定向与胚面识别装置进行尖端定向和胚面识别，最后输出。随机取分级后的1 000颗马齿型玉米种子为试验样本，对玉米种子的外形特征进行统计，种子的长度、宽度范围分别为[8.9, 14.5] mm和[5.7,9.3] mm，部分玉米种子尺寸偏小，长度小于10 mm或宽度小于7 mm的种子数量共有84颗，占总数量的8.4%；大部分玉米种子形状正常，只有7颗玉米种子畸形，表现为胚沟不在胚面中央区域，占总数量的0.7%。以现有尖端定向装置的尖端定向成功率、本文尖端定向与胚面识别装置的尖端定向成功率和胚面识别准确率为试验指标，进行尖端定向与胚面识别试验。

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