基于高速摄像技术的水稻芽播精密排种器研究
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摘要
水稻是世界上主要的粮食作物，全世界水稻种植面积约占谷物总面积的23%，稻谷总产量约占谷物总产29%。我国是水稻生产大国。2002年，我国种植水稻面积占全国粮食作物总面积的27%以上，总产量占各类粮食总产量的38%以上，居第一位；占世界水稻种植面积的19%，总产量占世界的31%。世界水稻平均单产约为3750公斤/公顷，我国则为6300公斤/公顷，单产高出世界平均水平68%。进一步提高我国水稻的单产及总产量将对全球水稻生产的持续发展和世界粮食的安全问题，具有十分重要的意义。
提高水稻单产的一项重要措施是提高水稻种植机械化水平，采用先进的种植技术。目前，我国水稻种植机械化水平比较低。从1995年开始，我国水稻种植机械化水平有了一定的提高，2002年达到了5.64%，但是这与其它作物种植机械化相比有明显的差距，如玉米机械化程度达46.64%、小麦72.99%；与发达国家相比差距更大。
水稻种植机械化包含水稻栽植机械化和直播机械化两种方式。亚洲地区以育秧移栽为主，机械化水平以日本、韩国为代表，韩国是继日本之后，率先实现了农业精细化种植和农业机械化的国家；美国、澳大利亚以及一些欧洲国家普遍采用直播种植方式，美国、澳大利亚等国目前已经100%实现了水稻机械化直播。水稻直播技术具有作业效率高，劳动强度低，作业机具简单，生产成本低等特点。近年来，随着社会经济的发展，劳动力成本在逐渐提高，尤其是淡水资源的缺乏，亚洲一些水稻生产国，如马来西亚、泰国、菲律宾、韩国、日本等国家的种植方式有从传统移栽转向直播种植的趋势。水稻直播以其特有的优越性受到各国农民的欢迎，现已成为国际上水稻种植机械化的一种主要种植方式。
国内外水稻直播机械化大多采用条播或撒播技术，精密直播尚处于起步阶段，目前还没有较理想的排种器，究其原因一是种植方式与其它作物不同，基本上都是水田作业；二是水稻种子几何形状不规则，催芽后种子含水率高、流动性差，精播难度较大。
精密播种技术在发达国家得到大力推广，精密播种机广泛地应用到农业生产当中。气力式精密播种是一种先进的播种技术，具较多的优点，适合高速精密播种，在国内外已广泛应用，因此我们提出采用垂直圆盘气吸式排种器进行
水稻精密芽播。本文建立了排种器性能检测试验台和高速CCD摄像系统，通过高速摄像对排种器的一些结构参数进行优化，建立了排种盘吸孔孔径、孔数与性能指标间等的数学模型，讨论影响排种器性能的主要因素，找出影响清种、投种的因素，等等。主要研究工作和结论概括如下：
1、通过对种子在充种区的受力分析，建立了在该区域的受力模型，推出了真空度计算公式，试验结果与理论计算值基本一致；
2、通过正交试验找出影响排种器性能的主要因素，在真空度一定的情况下，主次因素依次是排种盘吸孔孔径、转速以及吸孔孔数；
3、在真空度一定的条件下，随着吸孔孔径的增大，排种性能提高，当孔径达到一定值后，因漏气量的增加而使排种性能下降。通过孔径合格指数、漏播指数的回归方程
η=87.3087-3.7963x-0.7437x2+0.1913x3
与
Ψ=3.4483+0.6178x +0.1867x2-0.0328x3
的计算，适合于农大10号水稻种子的孔径d取2.3mm比较合适；
4、在机速一定的条件下，随着吸孔孔数的增加，排种盘转速降低，充种时间增加，排种性能逐渐提高，当孔数增加到一定值后，因孔与孔之间的间距较短而出现相互干扰现象，排种盘上种子排列出现混乱现象，使得投种后种子着地分布的均匀性降低。通过孔数的合格指数、漏播指数回归方程
η=84.198+1.024x-0.02x2-0.003x3
与
Ψ=5.542-0.545x +0.02x2
计算，适合本次设计的排种盘的吸孔孔数选择54比较合适；
5、真空度是种子能顺利吸附到吸孔上的最重要保证，其过大或过小都严重影响排种性能。如过小，吸力不足，漏播指数增大；如过大，每孔吸附不止一粒的数量增加；
6、通过高速摄像检测与实测结果对比可知，前者的性能指标要比后者高一些，这说明在种子投种阶段种子的均匀性发生了变化，如果对投种阶段能进行有效的控制，那么排种器性能将有很大的提高潜力，播种机的效率也将得到提高；
7、从断芽与没断芽种子的出苗对比情况来看，都基本出全苗，但断芽对种子出苗要晚1-2天，说明还是有一定的影响，因此需要控制断芽损伤，其中
最好的方法就是控制胚芽的长度，种子催芽露白，一般芽长1-3mm，最好控制在1.5mm以下为宜，此时胚芽较粗壮，不易损伤。
8、种子飞出现象：通过高速摄像分析，种子飞出的原因是排种盘转速较高，种子经过清种器时被清掉的种子中有少量种子没有回落到种室内，进入排种通道；对种子飞出现象提出改善措施。
9、通过高速摄像分析，对不能靠重力完成投种的种子采取推种板强制投种；投种后种子的翻转是造成分布不均的主要原因之一。
The rice is main grain crops in the world. The areas of rice-planting is 23 percent of the total areas of grain-planting and the yields is about 29 percent of the total yields of grain. China is a great rice-planting nation, in which the areas of the rice-planting is up to 27 percent of the total crops areas and is 19 percent of in the world; the yields is up to 38 percent of the total crops yields and is 31 percent of in the world in 2002. The yield per hectare is 3750 kg in the world, however, it is 6300 kg in China. And it is more 68 percent than the average of in the world. Further increasing the rice yields per unit area and the total yields in our country is very important for the sustainable development of rice-producing and the security problem of grain in the world.
An important method of increasing rice yield per unit area is to improve the rice-planting mechanization lever and use advanced planting technology. Nowadays, the rice-planting mechanization lever in our country is comparatively behind though it has already been improved since 1995 and up to 5.64 percent in 2002, which has obvious distance to other corps’s. For example, the mechanization capability of the maize is 46.64 percent, and the wheat's is 72.99 percent. There is more distance than developed countries’.
The rice-planting mechanization includes rice transplanting and direct-sowing. The transplant rice seedling is the main planting mode in Asia. The mechanization capability of Japan and the South Korea is higher than the others, and the South Korea realized agriculture precision and mechanization planting after Japan. They use the direct-sowing mode widely in USA and Australia, and some European countries. They have already realized rice mechanization of direct-sowing completely in USA and Australia. The rice direct-sowing technology has the advantages of the high work efficiency, the low work
intension, the simple farming machine and the low production cost etc. In recent years, some rice-producing countries such as Malaysia, Thailand, Philippines, Korea and Japan have changed the traditional transplanting into direct-sowing with the social economy developing, labor cost improving gradually and especially water resources shorting. The rice direct-sowing with special virtues is welcomed by the farmers of all the countries. It has become a main rice-planting mechanization mode in the world.
The rice direct-sowing uses mostly drilling and broadcast sowing technology in domestic and international. The precision direct-sowing is just beginning and has not ideal seed metering device so far. One reason is that the planting mode is different from other crops which is finished in water field. The other reason is that the rice seeds have abnormity geometry shapes, the budded seeds contain higher water rate; and the fluid of seeds are not favorable.
The precision seeding technology has been popularized in developed countries and the precision planter by air have been applied to agriculture widely. It is an advanced seeding technology that the precision planter by air have many advantages , fit for high speed precision work, and have been applied in domestic and international widely. We put forward to using a vertical plate seed metering device by air-suction to carry out the rice precision bud-sowing. We design the seed metering device performance detection test-bed and the high speed CCD video system, optimize some structural parameters of the seed metering device through high-speed CCD video technology, establish mathematics model of diameter and number of the sucking hole, discuss the main influence factors, and find the influence factors of clearing and casting seeds etc. The main research work and conclusions are as following:
1、The mathematics model and the vacuum pressure calculation formula are established by analyzing the filling-seed areas. The results show that they are consistent with the calculation.
2、The main influence factors on the seed metering device are found by the orthogonal experiments. The primary
提高水稻单产的一项重要措施是提高水稻种植机械化水平，采用先进的种植技术。目前，我国水稻种植机械化水平比较低。从1995年开始，我国水稻种植机械化水平有了一定的提高，2002年达到了5.64%，但是这与其它作物种植机械化相比有明显的差距，如玉米机械化程度达46.64%、小麦72.99%；与发达国家相比差距更大。
水稻种植机械化包含水稻栽植机械化和直播机械化两种方式。亚洲地区以育秧移栽为主，机械化水平以日本、韩国为代表，韩国是继日本之后，率先实现了农业精细化种植和农业机械化的国家；美国、澳大利亚以及一些欧洲国家普遍采用直播种植方式，美国、澳大利亚等国目前已经100%实现了水稻机械化直播。水稻直播技术具有作业效率高，劳动强度低，作业机具简单，生产成本低等特点。近年来，随着社会经济的发展，劳动力成本在逐渐提高，尤其是淡水资源的缺乏，亚洲一些水稻生产国，如马来西亚、泰国、菲律宾、韩国、日本等国家的种植方式有从传统移栽转向直播种植的趋势。水稻直播以其特有的优越性受到各国农民的欢迎，现已成为国际上水稻种植机械化的一种主要种植方式。
国内外水稻直播机械化大多采用条播或撒播技术，精密直播尚处于起步阶段，目前还没有较理想的排种器，究其原因一是种植方式与其它作物不同，基本上都是水田作业；二是水稻种子几何形状不规则，催芽后种子含水率高、流动性差，精播难度较大。
精密播种技术在发达国家得到大力推广，精密播种机广泛地应用到农业生产当中。气力式精密播种是一种先进的播种技术，具较多的优点，适合高速精密播种，在国内外已广泛应用，因此我们提出采用垂直圆盘气吸式排种器进行
水稻精密芽播。本文建立了排种器性能检测试验台和高速CCD摄像系统，通过高速摄像对排种器的一些结构参数进行优化，建立了排种盘吸孔孔径、孔数与性能指标间等的数学模型，讨论影响排种器性能的主要因素，找出影响清种、投种的因素，等等。主要研究工作和结论概括如下：
1、通过对种子在充种区的受力分析，建立了在该区域的受力模型，推出了真空度计算公式，试验结果与理论计算值基本一致；
2、通过正交试验找出影响排种器性能的主要因素，在真空度一定的情况下，主次因素依次是排种盘吸孔孔径、转速以及吸孔孔数；
3、在真空度一定的条件下，随着吸孔孔径的增大，排种性能提高，当孔径达到一定值后，因漏气量的增加而使排种性能下降。通过孔径合格指数、漏播指数的回归方程
η=87.3087-3.7963x-0.7437x2+0.1913x3
与
Ψ=3.4483+0.6178x +0.1867x2-0.0328x3
的计算，适合于农大10号水稻种子的孔径d取2.3mm比较合适；
4、在机速一定的条件下，随着吸孔孔数的增加，排种盘转速降低，充种时间增加，排种性能逐渐提高，当孔数增加到一定值后，因孔与孔之间的间距较短而出现相互干扰现象，排种盘上种子排列出现混乱现象，使得投种后种子着地分布的均匀性降低。通过孔数的合格指数、漏播指数回归方程
η=84.198+1.024x-0.02x2-0.003x3
与
Ψ=5.542-0.545x +0.02x2
计算，适合本次设计的排种盘的吸孔孔数选择54比较合适；
5、真空度是种子能顺利吸附到吸孔上的最重要保证，其过大或过小都严重影响排种性能。如过小，吸力不足，漏播指数增大；如过大，每孔吸附不止一粒的数量增加；
6、通过高速摄像检测与实测结果对比可知，前者的性能指标要比后者高一些，这说明在种子投种阶段种子的均匀性发生了变化，如果对投种阶段能进行有效的控制，那么排种器性能将有很大的提高潜力，播种机的效率也将得到提高；
7、从断芽与没断芽种子的出苗对比情况来看，都基本出全苗，但断芽对种子出苗要晚1-2天，说明还是有一定的影响，因此需要控制断芽损伤，其中
最好的方法就是控制胚芽的长度，种子催芽露白，一般芽长1-3mm，最好控制在1.5mm以下为宜，此时胚芽较粗壮，不易损伤。
8、种子飞出现象：通过高速摄像分析，种子飞出的原因是排种盘转速较高，种子经过清种器时被清掉的种子中有少量种子没有回落到种室内，进入排种通道；对种子飞出现象提出改善措施。
9、通过高速摄像分析，对不能靠重力完成投种的种子采取推种板强制投种；投种后种子的翻转是造成分布不均的主要原因之一。
The rice is main grain crops in the world. The areas of rice-planting is 23 percent of the total areas of grain-planting and the yields is about 29 percent of the total yields of grain. China is a great rice-planting nation, in which the areas of the rice-planting is up to 27 percent of the total crops areas and is 19 percent of in the world; the yields is up to 38 percent of the total crops yields and is 31 percent of in the world in 2002. The yield per hectare is 3750 kg in the world, however, it is 6300 kg in China. And it is more 68 percent than the average of in the world. Further increasing the rice yields per unit area and the total yields in our country is very important for the sustainable development of rice-producing and the security problem of grain in the world.
An important method of increasing rice yield per unit area is to improve the rice-planting mechanization lever and use advanced planting technology. Nowadays, the rice-planting mechanization lever in our country is comparatively behind though it has already been improved since 1995 and up to 5.64 percent in 2002, which has obvious distance to other corps’s. For example, the mechanization capability of the maize is 46.64 percent, and the wheat's is 72.99 percent. There is more distance than developed countries’.
The rice-planting mechanization includes rice transplanting and direct-sowing. The transplant rice seedling is the main planting mode in Asia. The mechanization capability of Japan and the South Korea is higher than the others, and the South Korea realized agriculture precision and mechanization planting after Japan. They use the direct-sowing mode widely in USA and Australia, and some European countries. They have already realized rice mechanization of direct-sowing completely in USA and Australia. The rice direct-sowing technology has the advantages of the high work efficiency, the low work
intension, the simple farming machine and the low production cost etc. In recent years, some rice-producing countries such as Malaysia, Thailand, Philippines, Korea and Japan have changed the traditional transplanting into direct-sowing with the social economy developing, labor cost improving gradually and especially water resources shorting. The rice direct-sowing with special virtues is welcomed by the farmers of all the countries. It has become a main rice-planting mechanization mode in the world.
The rice direct-sowing uses mostly drilling and broadcast sowing technology in domestic and international. The precision direct-sowing is just beginning and has not ideal seed metering device so far. One reason is that the planting mode is different from other crops which is finished in water field. The other reason is that the rice seeds have abnormity geometry shapes, the budded seeds contain higher water rate; and the fluid of seeds are not favorable.
The precision seeding technology has been popularized in developed countries and the precision planter by air have been applied to agriculture widely. It is an advanced seeding technology that the precision planter by air have many advantages , fit for high speed precision work, and have been applied in domestic and international widely. We put forward to using a vertical plate seed metering device by air-suction to carry out the rice precision bud-sowing. We design the seed metering device performance detection test-bed and the high speed CCD video system, optimize some structural parameters of the seed metering device through high-speed CCD video technology, establish mathematics model of diameter and number of the sucking hole, discuss the main influence factors, and find the influence factors of clearing and casting seeds etc. The main research work and conclusions are as following:
1、The mathematics model and the vacuum pressure calculation formula are established by analyzing the filling-seed areas. The results show that they are consistent with the calculation.
2、The main influence factors on the seed metering device are found by the orthogonal experiments. The primary
引文
国家政协副主席宋健在国际水稻大会开幕式上的致辞， 2002，9，16
中国作物学会水稻产业分会在浙江杭州成立. 中国农网， 2003，10，11
周正平，徐征峰. http://www.shac.gov.cn/nyxw/gnxw/t20040421 _99501.htm， 我国杂交水稻培育技术继续在世界处于领先地位. 新华社， 2004.04.21
宋建农等. 21世纪我国水稻种植机械化的发展方向. 中国农业大学学报， 2000, 5（2），30～33
中国走新型农机化的道路. 中国县域经济报， 2004，2，3
王艳红等. 解析玉米收获机市场. 热点聚焦， 2003年第9期
http://www.zgny.com.cn/ifm/consultation/show.asp?n_typ_id=4&n_con_id=3930. 韩国农业装备呈现四个特色. 中国农业网， 2003，10，19
陆彩明, 吴陈刚. 水稻旱直播优势及栽培要点. 作物杂志, 1996(6)，12-13
朱德峰, 严学强. 国外水稻直播栽培发展概况. 耕作与栽培， 1997（1-2），102-103
何喜玲，王俊. 水稻机械直播技术综述. 中国农机化， 2003(1)，23-25
袁月明，马 旭. 我国水稻种植机械化的发展现状及芽播机械化的展望[J].农机化研究,2004(1)，41-43
张波屏. 小麦高产精密播种. 中国农业出版社，1995
马成林编著. 精密播种理论. 吉林科学技术出版社， 1999
张波屏. 播种机械设计理论. 机械工业出版社， 1982
霍文国，肖继军等. 浅析气力式精密播种机的发展及研究现状. 山东农机，2003（3），11-12
马连元，王延双等. 我国播种机械的过去现在和将来. 全国种植机械情报网第三次学术会议论文. 1991，1-10
周红亚，袁钊和. 美国的水稻生产机械化. 中国农机化， 1999(6)，41-42
张玉屏，朱德峰. 澳大利亚水稻生产标准化技术. 中国稻米， 2003(1)，39-40
农业部农机化管理司. 农村机械化， 1998(11)，46-47
于海业，马成林等. 日本水稻栽培管理技术研究的现状. 农业机械学报， 1996，20(增刊)，174-178
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http://www.nriam.com/cp2.htm. 农业部南京农业机械化研究所
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http://www.szrbs.net/news_content.asp?NS_ID=5&NC_ID=188410&newsType=3 .苏州新闻网
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马成林论文选编. 现代农业工程理论与技术. 吉林科学技术出版社， 1999
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苏增立，高昕等. 高速摄像系统及其在靶场中的应用分析. 飞行器测控学报， 2003，22(3)，48-52
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Kamimoto T，Ahn S K，Chang Y J. Measurement of droplet diameter and fuel concentration in a non-evaporating spray by means of an image analysis of shadow photographs [J]. SAE 840276，1984
Nishida K，Hiruyasu H. Characterization of combustion processes in pre-chamber and main chamber of indirect injection diesel engine by high-speed photography[J]. SAE 861181,1986
王德忠，黄震等. 应用高速摄像技术研究柴油机的喷雾过程第. 上海交通大学学报 2000，34(4)，453-457
钱耀义，李云清等. 小型直喷式柴油机喷雾特性的试验研究. 内燃机学报， 2001，19(2)，97-101
张文增，孙振国等. 基于高速摄像的人体上肢运动信息检测. 生物医学工程学杂志 2002，19(1)，76-79
http://www.china.org.cn/chinese/TEC-c/162549.htm 中国网
http://www.hzsia.org.cn/showcompany.asp?id=4 杭州市软件行业协会
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封俊，梁素钰等. 新型组合吸孔式小麦精密排种器运动学与动力学特性的研究. 农业工程学报， 2000，16(1)，63-66
李林. 气吸式排种器理论与试验的初步研究. 农业机械学报，1979，10(3)，56-63
袁月明，吴明等. 水稻芽种物料特性的研究. 吉林农业大学学报，2003，25(6)，682-684
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中国农业机械科学研究院. 农业机械设计手册（上），北京，机械工业出版社，1988
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