本發(fā)明屬于機(jī)器視覺技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種定向播種用的玉米種粒定向定位擺放裝置及方法。

背景技術(shù)：

玉米定向播種是指控制種粒在土壤中的空間姿態(tài)，使其胚芽面朝向一致，以使植株葉片有序伸展，提高通光、通風(fēng)效果，對提高玉米單位面積產(chǎn)量具有重要意義。

玉米實現(xiàn)定向播種，最初采用人工排種法，費工、費力，且在覆土?xí)r種子易發(fā)生移動。后有學(xué)者發(fā)明了人工種帶法，事先將種子定向黏貼在載體上，形成種子帶，再將種子帶鋪入溝中，便于快速定向播種，如段晉宏所設(shè)計的玉米定向播種方法。起初，種子帶的制作由人工完成，前期投入勞動仍較多。四川有學(xué)者利用型孔排種的原理發(fā)明了一種玉米定向播種器，該播種器對播種環(huán)境要求嚴(yán)格，播種效率也不高，但是跨出了人工定向播種向機(jī)械化轉(zhuǎn)變的質(zhì)的一步。江光華等設(shè)計了玉米種子定向定位排種器，試驗合格率達(dá)到80％以上。徐麗明、趙學(xué)觀、王應(yīng)彪等發(fā)明了玉米種子定向方法及定向排種裝置、玉米定向種子帶制作及種子帶播種裝置等，設(shè)計了定向排序輸送方法以及定向吸附擺放機(jī)構(gòu)，并進(jìn)行了試驗設(shè)計及參數(shù)優(yōu)化分析?？v觀國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，目前實現(xiàn)玉米種子的定向有序排列主要依靠純機(jī)械手段來實現(xiàn)尋位定向，對種子的外形尺寸和機(jī)械的結(jié)構(gòu)參數(shù)以及兩者之間的適應(yīng)性要求均較高，但合格率不高。

針對玉米定向播種，本課題組前期基于機(jī)器視覺技術(shù)研究了種穗和種粒的形態(tài)、品質(zhì)檢測算法，并研制了相應(yīng)的精選裝置，本研究將進(jìn)一步基于機(jī)器視覺技術(shù)，針對適于定向播種的合格玉米種粒，設(shè)計一種定向定位裝置，從而使得其能夠為后續(xù)玉米種粒的排列包裝以及定向播種提供條件，為實現(xiàn)玉米機(jī)械化、自動化定向播種提供解決途徑。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對上述存在的問題和現(xiàn)狀，提供一種定向播種用的玉米種粒定向定位擺放裝置及方法，其結(jié)構(gòu)設(shè)計合理、緊湊，通過作業(yè)條件和精度要求，設(shè)計控制方式，優(yōu)化了種粒胚芽正反面和尖端朝向的圖像檢測方法，實現(xiàn)玉米種粒的定位定向擺放。

為達(dá)到上述目的，所采取的技術(shù)方案是：

一種定向播種用的玉米種粒定向定位擺放裝置，包括支撐架、設(shè)置在支撐架上的輸送裝置、與輸送裝置其中一端對應(yīng)設(shè)置的喂料裝置、與輸送裝置的另一端對應(yīng)設(shè)置的圖像采集處理裝置和調(diào)向分面擺放裝置、以及控制系統(tǒng)；

所述的圖像采集處理裝置包括圖像采集處理單元和調(diào)節(jié)置位機(jī)構(gòu)，所述的調(diào)節(jié)置位機(jī)構(gòu)驅(qū)動圖像采集處理單元上下升降動作和沿輸送裝置的行進(jìn)方向前后橫移動作，所述的圖像采集處理單元包括光源箱、設(shè)置在光源箱內(nèi)的相機(jī)和布設(shè)在相機(jī)兩側(cè)的兩組光源，所述相機(jī)的鏡頭光軸與輸送裝置垂直；

所述的調(diào)向分面擺放裝置包括橫跨在輸送裝置上的支撐臺架、設(shè)置在支撐臺架上且輸出軸朝上的分面步進(jìn)電機(jī)、通過聯(lián)軸器與分面步進(jìn)電機(jī)傳動連接的旋轉(zhuǎn)中心軸、套設(shè)在旋轉(zhuǎn)中心軸上的開口滑動軸承、套設(shè)在開口滑動軸承上的分面旋轉(zhuǎn)臂、設(shè)置在分面旋轉(zhuǎn)臂端部的單軸調(diào)向步進(jìn)電機(jī)、與單軸調(diào)向步進(jìn)電機(jī)輸出軸連接的調(diào)節(jié)桿和設(shè)置在調(diào)節(jié)桿下端的真空吸盤組件，所述的支撐臺架上固定設(shè)置有導(dǎo)向軸套，導(dǎo)向軸套與旋轉(zhuǎn)中心軸之間設(shè)置有滾動軸承，所述的開口滑動軸承與導(dǎo)向軸套之間的旋轉(zhuǎn)中心軸上凸起有環(huán)形擋板，伸縮彈簧套設(shè)在旋轉(zhuǎn)中心軸上并置設(shè)與環(huán)形擋板上，開口滑動軸承置于伸縮彈簧上部，與開口滑動軸承對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)中心軸上開設(shè)有鍵槽，所述的分面旋轉(zhuǎn)臂上固定設(shè)置有平鍵和定位軸套，定位軸套與開口滑動軸承之間通過卡簧連接固定，平鍵的端部穿過開口滑動軸承的開口并與鍵槽匹配，進(jìn)而實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)中心軸、開口滑動軸承和分面旋轉(zhuǎn)臂的扭矩傳遞；與旋轉(zhuǎn)中心軸對應(yīng)的分面旋轉(zhuǎn)臂的端部固定設(shè)置有垂直固定支架，垂直固定支架上固定設(shè)置有升降氣缸，升降氣缸的動作端與旋轉(zhuǎn)中心軸同軸固定連接；

所述的控制系統(tǒng)包括上位機(jī)圖像采集與處理系統(tǒng)和下位機(jī)動力控制系統(tǒng)，所述的上位機(jī)圖像采集與處理系統(tǒng)包括計算機(jī)硬件部分和圖像采集與處理算法軟件部分，所述的下位機(jī)動力控制系統(tǒng)包括PLC、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器硬件部分和動力控制系統(tǒng)軟件部分，所述的上位機(jī)圖像采集與處理系統(tǒng)對圖像采集處理單元的圖像檢測結(jié)果實時串行通信給下位機(jī)動力控制系統(tǒng)；

與真空吸盤組件下端對應(yīng)的支撐架上設(shè)置有中間定位板，中間定位板與傳輸送裝置的輸送皮帶滑動貼合，且在中間定位板中部設(shè)置有定位凹槽，所述的圖像采集處理單元和真空吸盤組件均與定位凹槽對應(yīng)設(shè)置；

在支撐臺架的前側(cè)、左側(cè)和右側(cè)均設(shè)置有光電檢測開關(guān)，在支撐臺架上還設(shè)置有與真空吸盤組件連接的微型真空泵和單向電磁閥。

所述的調(diào)節(jié)置位機(jī)構(gòu)包括設(shè)置在支撐架上的兩組豎直導(dǎo)軌、匹配滑動設(shè)置在每組豎直導(dǎo)軌上的橫向?qū)к壛?、分別設(shè)置在兩橫向?qū)к壛荷系闹梦粴飧缀突瑝K、匹配滑動設(shè)置在滑塊上并與置位氣缸連接的線性導(dǎo)軌，所述的圖像采集處理單元固定設(shè)置在線性導(dǎo)軌的端部。

所述的輸送裝置包括設(shè)置在支撐架上的主動滾筒和從動滾筒、與主動滾筒傳動連接的輸送步進(jìn)電機(jī)和輸送皮帶，所述的輸送皮帶的表面為黑色，所述的中間定位板上涂有反光率低的黑漆。

所述的喂料裝置包括底座、設(shè)置在底座上的分粒排種器、與分粒排種器的下種管連通的儲種箱、和排種電機(jī)，所述的分粒排種器的下料端設(shè)置有與輸送裝置對應(yīng)的導(dǎo)向定位管；所述的導(dǎo)向定位管包括梯形引導(dǎo)斜槽、設(shè)置在梯形引導(dǎo)斜槽端部的定位圓管、設(shè)置在定位圓管內(nèi)壁上的緩沖限位舌片和設(shè)置在定位圓管下端部的U型導(dǎo)向板，所述的梯形引導(dǎo)斜槽與定位圓管布設(shè)的夾角為銳角，在梯形引導(dǎo)斜槽上部設(shè)置有扇形罩，在梯形引導(dǎo)斜槽側(cè)部設(shè)置有安裝架。

所述的調(diào)節(jié)桿為截面呈半圓弧形的敞開式直桿，在調(diào)節(jié)桿的上端為剛性半聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)，剛性半聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)與單軸調(diào)向步進(jìn)電機(jī)連接并進(jìn)行扭矩傳遞，在調(diào)節(jié)桿的底部設(shè)置有支撐圓環(huán)，所述的真空吸盤組件匹配套設(shè)在支撐圓環(huán)內(nèi)的螺紋管、設(shè)置在支撐圓環(huán)兩側(cè)的螺紋管上的定位螺母、設(shè)置在螺紋管上端的氣吸管接頭、以及設(shè)置在螺紋管下端的吸氣嘴和真空吸盤。

一種利用上述任一所述的種粒定向定位擺放裝置的玉米種粒定向定位擺放方法，包括以下步驟：

a、設(shè)定各部件的運(yùn)行周期為T，喂料裝置按設(shè)定周期T向輸送裝置的輸送皮帶上連續(xù)均勻喂入待定向定位擺放的種粒，輸送裝置按設(shè)定周期T間歇運(yùn)行；

b、種粒在輸送皮帶的作用下輸送至中間定位板的定位凹槽處，完成種粒的機(jī)械定位，圖像采集處理單元采集種粒的圖像信息，并將圖像信息輸送至計算機(jī)，同時圖像采集處理單元在調(diào)節(jié)置位機(jī)構(gòu)的作用下退出圖形采集區(qū)域；

c、計算機(jī)通過圖形采集與處理算法軟件部分對種粒的圖像信息進(jìn)行檢測判斷，確定種粒形心位置檢測信息；根據(jù)種粒形心位置檢測信息、以及其偏離位于前側(cè)的光電檢測開關(guān)的距離，微調(diào)旋轉(zhuǎn)角，使調(diào)向分面擺放裝置上的真空吸盤至于種粒正上方，實現(xiàn)精準(zhǔn)定位；

d、微型真空泵啟動，同時驅(qū)動升降氣缸推動分面旋轉(zhuǎn)臂垂直下行，真空吸盤貼近并吸附種粒后，種粒隨升降氣缸一同上行回縮，根據(jù)上位機(jī)圖像采集與處理算法軟件部分對于種粒胚芽正反面檢測信息和種粒尖端朝向信息的反饋，驅(qū)動分面旋轉(zhuǎn)臂左旋或右旋到位，同時通過單軸調(diào)向步進(jìn)電機(jī)調(diào)整種粒尖端朝向，左旋或右旋至擺放工位后，升降氣缸下行到位，氣吸系統(tǒng)關(guān)閉，吸盤將種粒定向擺放在左側(cè)或右側(cè)的擺放工位上，完成種粒的定向定位擺放；

e、隨后升降氣缸上行復(fù)位，圖像采集處理單元在調(diào)節(jié)置位機(jī)構(gòu)的作用下置位至圖形采集區(qū)域，至此完成該周期內(nèi)的種粒定向定位擺放。

當(dāng)喂料裝置單次喂出多粒種粒，且在抵達(dá)定位凹槽處時，計算機(jī)的圖形采集與處理算法軟件部分反饋檢測信息為發(fā)生種粒粘連，則喂料裝置和輸送裝置停止運(yùn)行，調(diào)向分面擺放裝置繼續(xù)運(yùn)行，在種粒吸附完成后，分面旋轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)中途即關(guān)閉氣吸系統(tǒng)丟棄該種粒；再次臨時啟動輸送裝置，至后側(cè)粘連的種粒抵達(dá)定位凹槽處，停止輸送裝置的運(yùn)行，如仍舊檢測信息為發(fā)生種粒粘連，則繼續(xù)中途丟棄種粒，直至檢測信息為不發(fā)生種粒粘連，則按步驟d完成該種粒的定位定向擺放；計算統(tǒng)計輸送裝置的臨時行進(jìn)的總距離L，判斷L是否為L₀的整倍數(shù)，如是，則各部分裝置正常運(yùn)行；如不是，則啟動輸送裝置運(yùn)行至L₀的整倍數(shù)后，各部分裝置正常運(yùn)行，其中L₀為輸送裝置單周期T內(nèi)的運(yùn)行距離。

在水平面內(nèi)，以輸送裝置的輸送方向為Y軸，以垂直于輸送裝置的輸送方向為X軸，建立參考坐標(biāo)系，所述的種粒尖端朝向信息的判斷方法包括以下步驟：

x1：將采集到的種粒圖像信息進(jìn)行二值化預(yù)處理，得到二值圖像，獲取種粒的外形特征，進(jìn)而判斷種粒尖端點P_T是否需要修正；

x2：當(dāng)種粒尖端點P_T判定明晰時，獲取到的種粒外形特征：種粒尖端點P_T和種粒形心P₀，則P_TP₀線偏離X軸的角度即為種粒尖端朝向；

x3：當(dāng)種粒尖端平坦或露出黑色胚部，導(dǎo)致種粒白色區(qū)域出現(xiàn)兩個偽尖端點P和P'，需進(jìn)行種粒尖端點修正，根據(jù)獲取到的種粒外形特征的黃色區(qū)域形心P_y，則在白色區(qū)域輪廓線上距離黃色區(qū)域形心P_y最遠(yuǎn)的點即為其中一個偽尖端點，設(shè)該偽尖端點為偽尖端點P；

x4：在白色區(qū)域輪廓線上，由偽尖端點P起沿順時針方向間隔多個像素點后，建立新起點，并由該新起點起，順時針在白色區(qū)域輪廓線選取足夠長度L_d的待測輪廓線，在該段待測輪廓線上分別計算與黃色區(qū)域形心P_y距離最大的多個連續(xù)輪廓點P₁、P₂、…、P_i，設(shè)P_i與P_y的像素距離為L_i，記多個連續(xù)輪廓點之間的白色區(qū)域輪廓線上的中點為P_e，其中，P_e與P沿白色區(qū)域輪廓線的最短距離為L_ep，i為正整數(shù)；L_d滿足其長度大于白色區(qū)域輪廓線的長度的一半，且偽尖端點P不在待測輪廓線；

x5：如滿足│L_i-L_max│≤L_th1，且L_th2≤L_ep＜L_d，則判定順時針方向存在另一個偽尖端點，即P'＝P_e；

如不滿足│L_i-L_max│≤L_th1，且L_th2≤L_ep＜L_d，則在x4步驟中以逆時針方向，以同樣的方式尋找多個連續(xù)輪廓點P_i之間的白色區(qū)域輪廓線上的中點P_e'，如逆時針方向上的中點P_e'滿足│L_i-L_max│≤L_th1，且L_th2≤L_e'p＜L_d，則判定逆時針方向存在另一偽尖端點，即P'＝P_e'，

其中，L_max為P與P_y的像素距離，L_th1取值足夠小，進(jìn)而保證L_i趨近等于L_max，L_th2取值足夠大，進(jìn)而保證P_e和P不在種粒的同側(cè)；

x6：如在逆時針方向或順時針方向存在偽尖端點P'，則將偽尖端點P和P'之間的白色區(qū)域輪廓線中點作為尖端點P_T；如在逆時針方向或順時針方向均不存在偽尖端點P'，以偽尖端點P作為尖端點P_T。

所述的L_d＝L_W/5，L_i＝3像素，L_th2＝13像素，其中L_W為種粒黃色區(qū)域輪廓線的長度。

所述的種粒胚芽正反面檢測信息的判斷方法包括以下步驟：

z1：將采集到的種粒圖像信息進(jìn)行二值化預(yù)處理，得到二值圖像，獲取種粒的外形特征，種粒的外形特征包括種粒尖端點P_T、種粒長軸P_TP_c、種粒短軸P_aP_b、白色區(qū)域輪廓線和種粒外接矩形R_aR_bR_cR_d，所述的種粒尖端點P_T位于種粒外接矩形的R_aR_b線上；

z2：設(shè)P_TR_d、P_TP_c線上的白色胚芽像素數(shù)為n₁和n₂，P_TP_c與白色區(qū)域輪廓線的交點為P_N，則對胚芽正反面進(jìn)行兩步判定檢測，其第一步判定為：當(dāng)0.6＜P_TP_N/P_TP_c＜1時，則判定胚芽面朝上；當(dāng)P_TP_N/P_TP_c≤0.6時，進(jìn)行第二步判定；

第二步判定檢測為：當(dāng)0.47≤P_TP_N/P_TP_c≤0.6時，其n₁/n₂＜0.8，則仍判定胚芽面朝上；當(dāng)0.47≤P_TP_N/P_TP_c≤0.6時，其n₁/n₂≤0.8時，則判定胚芽面朝下；當(dāng)P_TP_N/P_TP_c≤0.47時，則判定胚芽面朝下。

所述的種粒粘連的檢測信息的檢測方法為：

s1：確定種粒幾何特性，選取種粒樣本，測量其長度和寬度的幾何尺寸的極限值，其長限值采用取大舍小方式，得出長度上限值L_lmax和寬度上限值L_wmax；

s2：將采集到的種粒圖像信息進(jìn)行二值化預(yù)處理，得到二值圖像，獲取種粒的外形特征，追蹤二值圖像中所有種粒的輪廓線，并找到距離定位凹槽最近的目標(biāo)輪廓線，確定該目標(biāo)輪廓線的外接矩形，設(shè)該外接矩形的長度為L_x和寬度為L_y；

s3：檢測判定：如L_x＞L_lmax或L_y＞L_wmax，則判定為種粒粘連，并以該定位凹槽區(qū)域作為處理區(qū)域，追蹤該區(qū)域內(nèi)的種粒輪廓線，將輪廓中心點設(shè)定為首粒種粒形心。

采用上述技術(shù)方案，所取得的有益效果是：

本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)設(shè)計合理、緊湊，結(jié)合玉米種粒的品種結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，從而合理調(diào)整設(shè)備的結(jié)構(gòu)特征和圖像采集與處理軟件部分的判定特征，使得其能夠準(zhǔn)確檢測種粒的胚芽正反面和尖端朝向，并根據(jù)檢測信息，精確調(diào)整種粒朝向，實現(xiàn)定向，同時根據(jù)胚芽正反面的不同，將定向種粒定位分放在不同的固定工位上，最終完成種粒的定向定位擺放。

本發(fā)明通過對調(diào)向分面擺放裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計，使得其能夠?qū)崿F(xiàn)自動化精準(zhǔn)定位，根據(jù)胚面朝向不同，完成對玉米種粒的定向擺放，從而為后期的玉米種粒的排列包裝以及定向播種提供條件，為實現(xiàn)玉米機(jī)械化、自動化定向播種提供解決途徑。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為排種器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為導(dǎo)向定位管的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為緩沖限位舌片與定位圓管的安裝位置結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5為調(diào)向分面擺放裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6為真空吸盤組件的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖7為正常玉米種粒的外形特征示意圖。

圖8為尖端露黑色胚部的玉米種粒的外形特征示意圖。

圖9為胚芽朝上的玉米種粒的外形特征示意圖。

圖10為胚芽朝下的玉米種粒的外形特征示意圖。

圖中序號：1為支撐架、2為輸送裝置、3為喂料裝置、4為圖像采集處理單元、5為調(diào)節(jié)置位機(jī)構(gòu)、6為調(diào)向分面擺放裝置、7為控制系統(tǒng)、8為支撐臺架、9為分面步進(jìn)電機(jī)、10為旋轉(zhuǎn)中心軸、11為開口滑動軸承、12為分面旋轉(zhuǎn)臂、13為單軸調(diào)向步進(jìn)電機(jī)、14為調(diào)節(jié)桿、15為導(dǎo)向軸套、16為滾動軸承、17為伸縮彈簧、18為鍵槽、19為平鍵、20為垂直固定支架、21為升降氣缸、22為中間定位板、23為定位凹槽、24為光電檢測開關(guān)、25為單向電磁閥、26為微型真空泵、27為豎直導(dǎo)軌、28為橫向?qū)к壛骸?9為置位氣缸、30為滑塊、31為線性導(dǎo)軌、32為輸送皮帶、33為底座、34為分粒排種器、35為導(dǎo)向定位管、36為儲種箱、37為排種電機(jī)、38為梯形引導(dǎo)斜槽、39為定位圓管、40為緩沖限位舌片、41為U型導(dǎo)向板、42為扇形罩、43為安裝架、44為剛性聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)、45為支撐圓環(huán)、46為螺紋管、47為定位螺母、48為氣吸管接頭、49為吸氣嘴、50為真空吸盤、51為環(huán)形擋板、52為卡簧、53為定位軸套、54為滾輪、55為鴨嘴定嘴板、56為鴨嘴動嘴板、57為齒輪、58為動嘴單側(cè)翼板。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式做詳細(xì)說明。

參見圖1-圖10，一種定向播種用的玉米種粒定向定位擺放裝置，其包括喂料裝置、輸送裝置、圖像采集處理裝置以及調(diào)向分面擺放裝置，結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，喂料裝置包括儲種箱、分粒排種器、導(dǎo)向定位管、排種電機(jī)和底座，排種器采用較成熟的強(qiáng)制夾持式玉米精量排種器，在排種器下種管套接輸種管一端，輸種管另一端套接儲種箱底部出種口，排種電機(jī)驅(qū)動排種器的齒輪轉(zhuǎn)動，排種器下部的滾輪固定于排種器一側(cè)下方，保證排種器旋轉(zhuǎn)時滾輪作用于動嘴單側(cè)翼板，使得鴨嘴定嘴板和鴨嘴動嘴板張開，喂出種粒。導(dǎo)向定位管固定于滾輪和排種器下方，保證種粒從鴨嘴中滑出后，順利落入導(dǎo)向定位管入種口，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

輸送裝置包括黑色輸送皮帶、主動滾筒、從動滾筒、軸承、軸承座、輸送步進(jìn)電機(jī)和支撐架，由輸送步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，種粒經(jīng)過導(dǎo)向定位之后喂至輸送帶上，并隨同輸送帶進(jìn)入后續(xù)各個工作區(qū)。圖像采集處理裝置包括圖像采集處理單元和調(diào)節(jié)置位機(jī)構(gòu)，圖像采集處理單元主要用于種粒圖像的采集以及種粒胚芽正反面、尖端朝向和形心位置的判斷，其圖像處理采用臺式計算機(jī)；調(diào)節(jié)置位機(jī)構(gòu)包括設(shè)置在支撐架上的兩組豎直導(dǎo)軌、匹配滑動設(shè)置在每組豎直導(dǎo)軌上的橫向?qū)к壛?、分別設(shè)置在兩橫向?qū)к壛荷系闹梦粴飧缀突瑝K、匹配滑動設(shè)置在滑塊上并與置位氣缸連接的線性導(dǎo)軌，所述的圖像采集處理單元固定設(shè)置在線性導(dǎo)軌的端部。所述的圖像采集處理單元包括光源箱、設(shè)置在光源箱內(nèi)的相機(jī)和布設(shè)在相機(jī)兩側(cè)的兩組光源，光源箱底面開口，圖像采集背景為底部黑色輸送，置位氣缸固定于橫向?qū)к壛荷希瑝K固定于橫向?qū)к壛荷?，置位氣缸頂桿末端與線性導(dǎo)軌一端固接，圖像采集單元固定于線性導(dǎo)軌另一端，可隨同頂桿沿輸送方向伸出(置位，進(jìn)入圖像采集區(qū)域)、縮回(復(fù)位，退出圖像采集區(qū)域)。圖像采集處理單元的相機(jī)位于光源箱上部中央，鏡頭光軸與輸送帶垂直，兩組光源固定于光源箱內(nèi)部頂端，且對稱分布于相機(jī)左右兩側(cè)。凹型定位槽將輸送過來的種粒定位在凹槽底部(即定序工位處)，槽板表面涂有反光率低的黑漆，黑色的槽板和輸送帶構(gòu)成圖像采集背景，相機(jī)置位后，定序工位恰好處于圖像采集區(qū)域中心。調(diào)向分面擺放裝置包括氣吸嘴、調(diào)向桿、單軸調(diào)向步進(jìn)電機(jī)、分面旋轉(zhuǎn)臂、分面步進(jìn)電機(jī)和升降氣缸，是實現(xiàn)種粒定向定位擺放的直接執(zhí)行部件，為本裝置最核心的部件。本發(fā)明定向播種用的玉米種粒定向定位擺放裝置的工作原理是：

裝置啟動后，儲種箱內(nèi)的玉米種粒在重力的作用下源源不斷地填充排種器內(nèi)部的種子室，隨著排種器的勻速旋轉(zhuǎn)，滾輪順次打開各個鴨嘴，種粒先后喂出，落入導(dǎo)向定位管，通過導(dǎo)向定位之后，喂至輸送帶的同一輸送起點。輸送裝置采取周期性間歇輸送模式，每個周期分為停止和運(yùn)行兩個階段。種粒在停止階段喂入輸送帶，每經(jīng)過一次運(yùn)行階段，隨同輸送帶前行固定距離，由此種粒等間隔地均勻分布于輸送帶上，并隨同進(jìn)入后續(xù)工位。當(dāng)種粒輸送至定序工位處時，相機(jī)(初始時置位)采集并上傳種粒圖像。采圖結(jié)束后，置位氣缸復(fù)位，相機(jī)退出圖像采集區(qū)域，同時PC機(jī)完成種粒胚芽方向(胚芽正反面和尖端朝向)和形心位置的檢測判斷。隨后，調(diào)向分面擺放裝置進(jìn)入定序工位處，吸取到位種粒，并根據(jù)其尖端朝向，旋轉(zhuǎn)調(diào)整，使之朝向一致，同時根據(jù)胚芽正、反面，將定向種粒定位分放于輸送裝置左、右兩側(cè)不同的固定擺放工位上，并在擺放結(jié)束前，置位相機(jī)。至此，當(dāng)前周期的定向定位擺放工作全部完成。

對于導(dǎo)向定位管的結(jié)構(gòu)，其主要包括梯形導(dǎo)引斜槽、扇形罩、塑料定位圓管、緩沖限位舌片、U型導(dǎo)向板和安裝架，結(jié)構(gòu)如圖3和圖4所示。排種器勻速旋轉(zhuǎn)定時喂出的種粒，順著梯形導(dǎo)引斜槽滑入塑料定位圓管，落至內(nèi)部緩沖定位舌片之上后，順著緩沖限位舌片方向滑入塑料定位圓管后側(cè)壁底部的輸送帶上，實現(xiàn)種粒的導(dǎo)向定位。

調(diào)向分面擺放裝置的結(jié)構(gòu)如圖5-圖7所示，其所有零部件固定于支撐臺架上，支撐臺架固定于輸送裝置上，支撐臺架兩側(cè)底部墊有隔離片，將其與輸送裝置隔離開來。分面步進(jìn)電機(jī)固定于支撐臺架底部，軸朝上，通過聯(lián)軸器與旋轉(zhuǎn)中心軸同軸連接。導(dǎo)向軸套固定于支撐臺架上部，與支撐臺架頂部圓孔同軸。滾動軸承位于導(dǎo)向軸套內(nèi)部，旋轉(zhuǎn)中心軸從滾動軸承內(nèi)部穿過，滾動軸承通過底部的卡簧固定于旋轉(zhuǎn)中心軸上。軸套內(nèi)部、滾動軸承上部的旋轉(zhuǎn)中心軸上凸起一環(huán)形擋板，伸縮彈簧從旋轉(zhuǎn)中心軸上端套入，置于環(huán)形擋板之上，呈自然伸縮狀態(tài)。開口滑動軸承穿過旋轉(zhuǎn)中心軸，放置于伸縮彈簧之上。分面旋轉(zhuǎn)臂的一端設(shè)置有定位軸套，定位軸套套于開口滑動軸承外部，上下兩個卡簧使其固定。旋轉(zhuǎn)中心軸上端設(shè)置有鍵槽，通過平鍵傳遞扭矩，平鍵的一端緊固于分面旋轉(zhuǎn)臂之上，另一端通過滑動軸承的開口處插入鍵槽，平鍵、滾動軸承與鍵槽緊密配合，保證分面旋轉(zhuǎn)臂隨同分面電機(jī)同步轉(zhuǎn)動。分面旋轉(zhuǎn)臂的自由端上部固定有單軸調(diào)向步進(jìn)電機(jī)，單軸調(diào)向步進(jìn)電機(jī)的電機(jī)軸垂直向下，無干涉穿過分面旋轉(zhuǎn)臂，調(diào)向桿上端設(shè)計為剛性半聯(lián)軸器形式，通過螺栓完成其與單軸調(diào)向步進(jìn)電機(jī)的電機(jī)軸的聯(lián)接并傳遞扭矩。調(diào)向桿中段為一敞開式的直桿，其截面呈半圓環(huán)形態(tài)，其底部順沿一小段支撐圓環(huán)，支撐圓環(huán)圓環(huán)中間為螺紋孔，螺紋孔內(nèi)設(shè)置有螺紋管，通過雙定位螺母將螺紋管固定于該螺紋孔內(nèi)。螺紋管上端連接氣吸管接頭，通氣管道通過該接頭接入，其下端連接氣吸嘴，微型真空吸盤套在氣吸嘴下部，通氣口朝下。從而真空吸盤可隨同單軸調(diào)向步進(jìn)電機(jī)同步轉(zhuǎn)動。與旋轉(zhuǎn)中心軸對應(yīng)的分面旋轉(zhuǎn)臂的端部固定設(shè)置有垂直固定支架，垂直固定支架上固定設(shè)置有升降氣缸，升降氣缸的動作端與旋轉(zhuǎn)中心軸同軸固定連接；通過垂直固定支架，雙作用升降氣缸的活塞桿緊固于旋轉(zhuǎn)中心軸頂端，缸筒緊固于分面旋轉(zhuǎn)臂之上，可推動分面旋轉(zhuǎn)臂上抬或下放。氣吸通斷用的單向電磁閥；用于左側(cè)定位的光電開關(guān)，通過左側(cè)固定支架安裝于臺架左側(cè)；微型真空泵和用于右側(cè)定位的光電開關(guān)，通過右側(cè)固定支架安裝于臺架右側(cè)；用于中間定位的光電開關(guān)，通過中間固定支架安裝于臺架前側(cè)中央。中間、左側(cè)、右側(cè)光電開關(guān)分別用于定位旋轉(zhuǎn)臂是否已到達(dá)凹槽正中間、左側(cè)和右側(cè)擺放工位處。

工作前，分面旋轉(zhuǎn)臂位于左側(cè)光電信號處。當(dāng)圖像采集處理裝置完成了定序工位處合格種粒的胚芽正反面、尖端朝向和形心位置的檢測判斷后，相機(jī)復(fù)位退出圖像采集區(qū)域，調(diào)向分面擺放工作開始。首先，分面步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動分面旋轉(zhuǎn)臂右旋，至檢測到中間光電信號，完成初步定位，再結(jié)合種粒形心位置檢測信息，據(jù)其偏移中間光電信號的距離微調(diào)旋轉(zhuǎn)角，至吸盤定位至種粒正上方，實現(xiàn)精確定位。然后微型真空泵系統(tǒng)啟動，并開啟升降氣缸推動旋轉(zhuǎn)臂垂直下行，吸盤貼近并吸住種粒后，隨升降氣缸一同上行回縮。隨后，根據(jù)胚芽正反面檢測信息，驅(qū)動旋轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)，進(jìn)行分面定位：胚芽面朝上，則左旋轉(zhuǎn)定位，將種粒分放于左側(cè)擺放工位；反之，則右旋轉(zhuǎn)定位，分放于右側(cè)擺放工位。本申請設(shè)置垂直輸送方向朝右為種粒目標(biāo)朝向，分面定位的同時，結(jié)合尖端朝向檢測信息，確定調(diào)向角度和旋轉(zhuǎn)方向，啟動單軸調(diào)向步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)調(diào)向，使之朝向目標(biāo)方位。由于旋轉(zhuǎn)分面使種粒的方向角產(chǎn)生了附加變化，為此在調(diào)向時需予以糾正。分面定位和調(diào)向完畢后，升降氣缸推動吸盤下行到位，氣吸系統(tǒng)關(guān)閉，吸盤放下定向定位后的種粒，隨后升降氣缸上行歸位，相機(jī)置位，至此本周期定向定位擺放工作全部完成。以上針對排種器單次喂出單粒種子的情況。

若排種器單次喂出多粒，且在抵達(dá)定序工位處時，第1粒與后續(xù)種粒發(fā)生“粘連”，則排種器和輸送裝置立即停止工作，而調(diào)向分面擺放裝置照常運(yùn)行，只是在上述分面定位的中途就關(guān)閉氣吸系統(tǒng)丟棄該種粒，隨后臨時啟動輸送裝置，至第2粒抵達(dá)定序工位處后，停止輸送，此時若依舊存在“粘連”現(xiàn)象，則同樣中途予以丟棄，如此重復(fù)，直至檢測到定序工位處種粒不與后續(xù)種粒發(fā)生“粘連”時，則按常完成定向定位擺放，隨后統(tǒng)計輸送裝置臨時前行總距離，并判斷是否為L₀的整數(shù)倍，若不是，則啟動輸送裝置至達(dá)到L₀的整數(shù)倍為止，隨后各部分裝置恢復(fù)正常，接著停止前的狀態(tài)繼續(xù)運(yùn)行。

本裝置的控制系統(tǒng)包括上位機(jī)圖像采集與處理系統(tǒng)和下位機(jī)動力控制系統(tǒng)兩部分。

A、上位機(jī)圖像采集與處理系統(tǒng)：

上位機(jī)圖像采集與處理系統(tǒng)，進(jìn)行定序工位處合格種粒的胚芽正反面、尖端朝向角和形心位置的圖像檢測，并將檢測結(jié)果實時地串行通信給下位機(jī)動力控制系統(tǒng)，同時保存于本地數(shù)據(jù)庫中。主要包括臺式計算機(jī)、相機(jī)、組合光源和光源箱。圖像處理選用配置Intel(R)Core(TM)i3-3240CPU、主頻3.40GHz、內(nèi)存8GB的臺式計算機(jī)。相機(jī)選用德國Basler公司生產(chǎn)的Basler A602fc高速彩色工業(yè)數(shù)字?jǐn)z像機(jī)，最大分辨率為651×496，最大幀率為100幀/s，焦距為8mm，視角為40°，圖像輸出接口為IEEE1394，安裝時，鏡頭光軸距輸送帶高度為93mm，采圖大小為640×480像素，實際范圍為83mm×62mm，圖像Y方向與輸送方向一致。光源選用2個1W的組合光源，每組光源由3個白光LED均勻排成一行，兩組光源對稱固定于相機(jī)兩側(cè)。

一般種粒外形特征如圖7所示，主要包括尖端點P_T、種粒形心P_o、長軸P_TP_c、短軸P_aP_b、輪廓線P_TP_bP_cP_a、長軸方向外接矩形R_aR_bR_cR_d、長軸上白色胚像素長P_TP_N(胚芽面朝下時)或者P_TP_P(胚芽面朝上時)。設(shè)種粒黃色區(qū)域輪廓線長度為L_w，黃色區(qū)域形心為P_y。

其中，所述的種粒尖端朝向信息的判斷方法包括以下步驟：

x1：將采集到的種粒圖像信息進(jìn)行二值化預(yù)處理，得到二值圖像，獲取種粒的外形特征，進(jìn)而判斷種粒尖端點P_T是否需要修正；

x2：當(dāng)種粒尖端點P_T判定明晰時，獲取到的種粒外形特征：種粒尖端點P_T和種粒形心P₀，則P_TP₀線偏離X軸的角度即為種粒尖端朝向；

x3：當(dāng)種粒尖端平坦或露出黑色胚部，如圖8所示，導(dǎo)致種粒白色區(qū)域出現(xiàn)兩個偽尖端點P和P'，需進(jìn)行種粒尖端點修正，根據(jù)獲取到的種粒外形特征的黃色區(qū)域形心P_y，則在白色區(qū)域輪廓線上距離黃色區(qū)域形心P_y最遠(yuǎn)的點即為其中一個偽尖端點，設(shè)該偽尖端點為偽尖端點P；

x4：在白色區(qū)域輪廓線上，由偽尖端點P起沿順時針方向間隔5個像素點后，建立新起點，并由該新起點起，順時針在白色區(qū)域輪廓線選取長度L_d＝L_W/5的待測輪廓線，在該段待測輪廓線上分別計算與黃色區(qū)域形心P_y距離最大的5個連續(xù)輪廓點P₁、P₂、…、P_i，設(shè)P_i與P_y的像素距離為L_i，記多個連續(xù)輪廓點之間的白色區(qū)域輪廓線上的中點為P_e，其中，P_e與P沿白色區(qū)域輪廓線的最短距離為L_ep，i為正整數(shù)；L_d滿足其長度大于白色區(qū)域輪廓線的長度的一半，且偽尖端點P不在待測輪廓線；

x5：如滿足│L_i-L_max│≤L_th1，且L_th2≤L_ep＜L_d，則判定順時針方向存在另一個偽尖端點，即P'＝P_e；

如不滿足│L_i-L_max│≤L_th1，且L_th2≤L_ep＜L_d，則在x4步驟中以逆時針方向，以同樣的方式尋找多個連續(xù)輪廓點P_i之間的白色區(qū)域輪廓線上的中點P_e'，如逆時針方向上的中點P_e'滿足│L_i-L_max│≤L_th1，且L_th2≤L_e'p＜L_d，則判定逆時針方向存在另一偽尖端點，即P'＝P_e'，

其中，L_max為P與P_y的像素距離，L_th1取值足夠小，進(jìn)而保證L_i趨近等于L_max，L_th2取值足夠大，進(jìn)而保證P_e和P不在種粒的同側(cè)，其L_i＝3像素，L_th2＝14像素；

x6：如在逆時針方向或順時針方向存在偽尖端點P'，則將偽尖端點P和P'之間的白色區(qū)域輪廓線中點作為尖端點P_T；如在逆時針方向或順時針方向均不存在偽尖端點P'，以偽尖端點P作為尖端點P_T。

關(guān)于修正胚芽正反面判斷方法，其種粒胚芽正反面檢測信息的判斷方法包括以下步驟：

z1：將采集到的種粒圖像信息進(jìn)行二值化預(yù)處理，得到二值圖像，獲取種粒的外形特征，如圖9、圖10所示，種粒的外形特征包括種粒尖端點P_T、種粒長軸P_TP_c、種粒短軸P_aP_b、白色區(qū)域輪廓線和種粒外接矩形R_aR_bR_cR_d，所述的種粒尖端點P_T位于種粒外接矩形的R_aR_b線上；

z2：設(shè)P_TR_d、P_TP_c線上的白色胚芽像素數(shù)為n₁和n₂，P_TP_c與白色區(qū)域輪廓線的交點為P_N，則對胚芽正反面進(jìn)行兩步判定檢測，其第一步判定為：當(dāng)0.6＜P_TP_N/P_TP_c＜1時，則判定胚芽面朝上；當(dāng)P_TP_N/P_TP_c≤0.6時，進(jìn)行第二步判定；

第二步判定檢測為：當(dāng)0.47≤P_TP_N/P_TP_c≤0.6時，其n₁/n₂＜0.8，則仍判定胚芽面朝上；當(dāng)0.47≤P_TP_N/P_TP_c≤0.6時，其n₁/n₂≤0.8時，則判定胚芽面朝下；當(dāng)P_TP_N/P_TP_c≤0.47時，則判定胚芽面朝下。

對于種粒粘連的檢測信息的檢測方法為：

s1：確定種粒幾何特性，選取種粒樣本，測量其長度和寬度的幾何尺寸的極限值，其長限值采用取大舍小方式，得出長度上限值L_lmax和寬度上限值L_wmax；

s2：將采集到的種粒圖像信息進(jìn)行二值化預(yù)處理，得到二值圖像，獲取種粒的外形特征，追蹤二值圖像中所有種粒的輪廓線，并找到距離定位凹槽最近的目標(biāo)輪廓線，確定該目標(biāo)輪廓線的外接矩形，設(shè)該外界矩形的長度為L_x和寬度為L_y；

s3：檢測判定：如L_x＞L_lmax或L_y＞L_wmax，則判定為種粒粘連，并以該定位凹槽區(qū)域作為處理區(qū)域，追蹤該區(qū)域內(nèi)的種粒輪廓線，將輪廓中心點設(shè)定為首粒種粒形心。

B、上位機(jī)圖像采集與處理系統(tǒng)下位機(jī)動力控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)根據(jù)圖像檢測結(jié)果，實現(xiàn)對裝置中運(yùn)動機(jī)構(gòu)的有序控制，其硬件主要包括1臺PLC控制器、4套步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動器(排種、輸送、分面、調(diào)向各1套)、4組繼電器和電磁閥(氣吹、升降、相機(jī)置復(fù)位、氣吸各1組)、2個氣缸(升降、相機(jī)置復(fù)位各1個)、3個光電開關(guān)(旋轉(zhuǎn)臂中間、左側(cè)和右側(cè)旋轉(zhuǎn)定位)、2套氣動系統(tǒng)(1套為氣吹、升降、相機(jī)置復(fù)位用的空壓氣源系統(tǒng)，另1套為氣吸用的微型真空泵系統(tǒng))以及一套5v/12v/24v的電源系統(tǒng)。另外，還包括1個通斷微型真空泵電源的繼電器。

在本申請中，其對裝置的試驗運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行如下設(shè)置：

①設(shè)置排種器的轉(zhuǎn)速為0.5次/s，即2s喂種一次，則各部分裝置運(yùn)行周期T為2s。

②輸送皮帶寬度為120mm，厚度為2mm，滾筒直徑為48mm。設(shè)置輸送帶單周期運(yùn)行距離為80mm，輸送電機(jī)采用3200細(xì)分，采取加減速運(yùn)行方式，設(shè)定目標(biāo)頻率為5876Hz，加減速時間均為194ms，單周期中運(yùn)行時間為460ms，間歇時間為1540ms。測得，種粒在無外物干擾下不發(fā)生相對滑動。

③單軸分面調(diào)向電機(jī)采取3200細(xì)分，測得從右側(cè)、左側(cè)光電開關(guān)處旋轉(zhuǎn)至中間光電開關(guān)處，分別需要712個和699個脈沖，若設(shè)右側(cè)、左側(cè)光電開關(guān)與中間光電開關(guān)所夾圓心角分別為θ₁₀、θ₁₁，則左分面時，需調(diào)向角右增θ₁₁，右分列時，需左增θ₁₀，則計算得θ₁₀≈80°，θ₁₁≈78°，由于升降過程中的輕微震動會略微改變旋轉(zhuǎn)臂先前的定位狀態(tài)，產(chǎn)生定位偏差，測得該偏差在2°(對應(yīng)18個脈沖)以內(nèi)，因此初步定位時，采取先加減速快速減小偏移量再緩慢勻速到達(dá)定位點的方式：右旋轉(zhuǎn)定位時，先加減速運(yùn)行694個脈沖，設(shè)定目標(biāo)頻率為2000Hz，加減速時間為270ms，然后以200Hz的頻率運(yùn)行至右側(cè)光電信號處；左旋轉(zhuǎn)定位時，加減速運(yùn)行671個脈沖，其他設(shè)置同右旋轉(zhuǎn)定位。旋轉(zhuǎn)臂精確定位時，設(shè)定運(yùn)行頻率為200Hz。調(diào)向電機(jī)采取1200細(xì)分，運(yùn)行頻率為4800Hz。實驗測試表明，采取上述措施后，旋轉(zhuǎn)臂的定位弧長偏差可控制在3mm 的范圍內(nèi)，從而滿足玉米種粒定向定位擺放的要求。

以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下本發(fā)明還會有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明的范圍內(nèi)。本發(fā)明要求的保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等同物界定。