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基于视觉引导的瓜类嫁接砧木种子定向播种装置设计与试验 姜 凯1 2 3 陈 朋1 2 张若愚2 3 裴 帆2 3 苗 妍2 3 陈立平1 2 3 1 江苏大学农业工程学院 镇江 212013 2 北京市农林科学院智能装备技术研究中心 北京 100097 3 国家农业智能装备工程技术研究中心 北京 100097 摘 要 针对瓜类嫁接用砧木人工定向播种存在作业效率低 芽点定位精度不足等突出问题 该研究研发了一种基于视 觉引导的精准定向播种装置 该装置集成振动供种机构 吸种调向执行器 搬运机构及视觉识别系统 通过机器视觉技 术实现白籽南瓜种子外形特征的精准提取 引导执行器完成种子拾取 角度调向与穴孔摆放作业 达成一行5粒种子同 步定向播种的作业模式 首先提出基于机器视觉的种子轮廓提取算法 实现种子芽点位置 几何中心坐标及偏转角度的 高精度检测 其次 设计负压吸附 伺服旋转一体化调向执行器 构建吸嘴气流场动力学模型并完成吸嘴结构参数优化 同步开发振动供种机构以实现种子均匀平铺与稳定供种 最后 集成各功能模块研制定向播种装置样机 以搬运速度 吸种负压及吸种高度为试验变量 采用三因素五水平二次旋转组合设计方法 系统考核播种合格率 漏播率 播种效率 及定向精度等核心性能指标 试验结果表明 各试验因素对播种合格率的影响显著性由大到小为吸种负压 搬运速度 吸种高度 在最优参数组合搬运速度1 057 mm s 吸种负压58 kPa 吸种高度 0 5 mm下 定向播种合格率达96 67 漏播率为3 33 实际合格率较模型预测值降低2 11个百分点 播种性能满足工程应用要求 装置播种效率达3 123粒 h 定向播种精度为92 24 满足瓜类机械嫁接砧木定向播种的技术规范 该研究可为园艺作物定向播种装备的智能化升 级提供重要理论依据与技术支撑 关键词 瓜类砧木 定向播种 机器视觉 偏转角度 芽点位置 doi 10 11975 j issn 1002 6819 202509270 中图分类号 S233 74 文献标志码 A 文章编号 1002 6819 2026 02 0094 11 姜凯 陈朋 张若愚 等 基于视觉引导的瓜类嫁接砧木种子定向播种装置设计与试验 J 农业工程学报 2026 42 2 94 104 doi 10 11975 j issn 1002 6819 202509270 http www tcsae org JIANG Kai CHEN Peng ZHANG Ruoyu et al Design and experiment of the vision guided directional seeding device for cucurbit grafting rootstock seeds J Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Transactions of the CSAE 2026 42 2 94 104 in Chinese with English abstract doi 10 11975 j issn 1002 6819 202509270 http www tcsae org 0 引 言 据统计 2024年全国蔬菜播种面积达2 287 3万hm2 总产量达86 113 98万t 1 3 中国每年蔬菜种苗需求量 逾7 000亿株 而集约化育苗量仅3 500亿株 其中各类 嫁接苗超过500亿株 种苗生产供不应求 4 5 瓜类嫁接 砧木育苗需将种子精确定向播种于穴盘穴孔中心 以确 保萌发后子叶展开方向趋于一致 提升穴盘空间利用率 保障子叶受光均匀性并提高种苗整齐度 6 砧木定向播 种不仅为全自动嫁接机自动供苗作业提供必要前提 也 为人工嫁接操作创造了便利条件 7 常规穴盘播种机仅 能实现形状规则或丸粒化种子的精量播种 8 9 由于瓜类 砧木种子体积大 质量大 现有穴盘播种机播种砧木种 子时漏播率高 无法完成定向播种 10 11 育苗企业采用 人工定向摆种完成砧木播种 存在劳动强度大 作业效 率低和定向精度低等问题 12 13 同时 由于基质覆盖厚 度不均导致出苗整齐度差 育苗市场对高效精准定向播 种装备的需求极为迫切 14 16 因此 定向播种装备研发 对提升机械嫁接作业效率和播种精度具有重要意义 国内外研发机构和学者对白籽南瓜等种子的定向播 种方法与装备开展了大量研究 日本Yanmar公司 17 18 开发的SF70型定向播种机 将白籽南瓜种子置入圆柱形 调向杯内 通过调向杯的往复移动 使种子接触其内部 弧形结构并产生相对位移 实现种子长轴方向与调向杯 移动方向的垂直定位 利用吸嘴吸取种子并投入穴盘 韩国Helper Robotech 公司 19 20 设计出一种V型槽调向 机构 利用吸嘴吸取黑籽南瓜种子放入V型槽调向机构 使其沿长轴方向有序排列 继而V型槽的一侧向外旋转 开启 种子滑落进入穴孔完成播种 该方法定向播种精 度低 易出现漏播 崔永杰等 21 22 依据白籽南瓜种子首 端尖锐 末端圆钝的形态特征 采用等尺寸矩形切分种 子首尾区域 计算矩形区域内种子像素面积以判别芽点 朝向 设计了定向排种机构 定位成功率为97 1 94 7 的种子芽点分布于穴孔中心半径10 mm的圆周内 95 9 的种子偏转角度小于15 杨艳丽等 23 24 利用电 磁振动原理设计定向送种机构 使种子沿长轴方向定向 输送 开发了分种与吸排种机构 实现了瓠瓜种子沿长 轴方向的定向播种 播种效率5 000粒 h 95 的种子偏 转角度小于15 俞亚新等 25 开发了集成限位清种板 导向板及导种管的定向排种器 单粒率达94 7 定向 收稿日期 2025 09 29 修订日期 2025 12 18 基金项目 国家自然科学基金面上项目 32171898 国家重点研发计划项 目 2024YFD2000602 国家现代农业产业技术体系项目 CARS 25 07 农业智能装备技术北京市重点实验室 PT2025 44 作者简介 姜凯 博士 正高级工程师 研究方向为设施园艺智能装备研 究 Email jiangk 通信作者 陈立平 研究员 博士生导师 研究方向为农业智能装备技 术与应用 Email chenlp 第 42 卷 第 2 期农 业 工 程 学 报Vol 42 No 2 94 2026 年 1 月Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Jan 2026 成功率为82 7 种子落入穴盘的偏转角度为 18 5 在 玉米 大蒜和生姜等定向播种研究方面 邢洁洁等 26 27 设计了玉米种子定向播种推送装置 通过传感器识别玉 米种子尖端朝向 经单片机控制旋转种槽完成尖端定向 具备定向接收 移动及推送功能 尖端朝前玉米种子的 保留率达93 8 许洪振等 28 针对蔗芽识别与蔗种位姿 调控的技术需求 提出了一套蔗芽识别与位姿调整算法 该算法通过提取蔗芽的位置与形态特征 构建空间位姿 模型并完成蔗芽位姿解算 实现了93 75 的蔗芽识别准 确率与94 5 的蔗种定向成功率 史方青等 29 针对马铃 薯芽眼识别面临的多视角遮挡 芽眼重叠等干扰问题 提出了基于卷积神经网络的识别方法 结合图像预处理 与数据增广技术扩充训练样本库 达成了芽眼的快速精 准识别 王侨等 30 基于机器视觉技术 通过图像检测准 确获取种粒的胚芽正反面和尖端朝向 设计了玉米种粒 定向定位摆放装置 胚芽正反面检测准确率为98 定 位吸取准确率为94 张东兴等 31 研究了基于振动排序 的玉米种子胚面定向装置 设计螺旋轨道选向与定向机 构 胚面定向成功率达94 82 排料速度达85粒 min 耿爱军等 32 等采用链勺式大蒜单粒取种方法 利用三级 锥型料斗实现定向 罗昌志等 33 等通过机器视觉提取蒜 种轮廓 识别计算蒜种质心和朝向 李天华等 34 利用漫反射激光传感器检测取种情况 判断取种勺是否 漏取种 并通过EDEM单因素仿真试验验证了装置设计 合理性 侯加林等 35 提出了改进YOLO v3模型对生姜 种芽快速识别并朝向判定 识别准确率94 以上 判定 芽点朝向误差控制在5 以内 上述研究定向播种成功率 虽达90 左右 但未实现种子芽点的精准定位播种 导 致出苗后苗茎偏离穴孔中心 影响后续机械嫁接 移栽 自动取苗作业 玉米 大蒜等定向技术和识别方法可为 本研究提供借鉴参考 综上 现有瓜类砧木种子定向播种设备仅依赖机械 结构实现了种子长轴方向调整 缺乏机器视觉引导的智 能识别与定位 无法通过播种执行机构完成种子芽点方 向的精准定向 导致种子芽点不在穴孔中心且漏播率高 等问题 基于此 本文提出融合机器视觉技术的种子芽 点精准识别定位与姿态快速调整的一体化解决方案 通 过视觉系统实时获取种子芽点位置与偏转角度信息 驱 动调向执行器完成智能化定向播种 研究结果拟为瓜类 嫁接砧木种子的定向播种装置研发提供理论依据 1 定向播种装置总体结构设计 1 1 整机结构 砧木定向播种装置由振动供种机构 吸种调向执行 器 搬运机构 视觉识别系统和穴盘输送带等组成 如 图1所示 振动供种机构和穴盘输送带并排安装于机架 平台上 二者分别完成白籽南瓜种子的平铺供种和穴盘 间歇定位输送作业 视觉识别系统位于振动供种机构的 正上方 利用工业相机拍摄散落平铺的种子图像 获取 种子芽点 几何中心和偏转角度等信息 吸种调向执行 器通过搬运机构横跨振动供种机构和穴盘输送带安装于 平台上 基于路径规划算法搬运机构带动吸种调向执行 器完成多粒种子的精准定位取种 可一次完成5粒种子 的取种 调向和摆种作业 1 2 3 4 5 1 吸种调向执行器 2 穴盘输送带3 振动供种机构 4 搬运机构 5 视觉识别 系统 1 Seed suction orientation actuator 2 Conveyor of plug tray 3 Vibration seed supply mechanism 4 Packing mechanism 5 Visual recognition system 图1 定向播种装置总体结构 Fig 1 Overall structural of the directional sowing device 1 2 工作过程 定向播种需要依次完成振动供种 视觉识别 吸种 调向 搬运以及摆种等工序 首先 种子在直线振动器 的持续激振力作用下从种箱均匀排出 落到设置在种箱 下部的输送带上 形成散落平铺的种子群 接着 视觉 识别系统拍摄种子图像 利用图像处理算法获取种子轮 廓和芽点位置 并识别几何中心 偏转角度等信息 然 后 吸种执行器接通负压 拾取吸附多粒种子并按照预 设角度完成种子偏转角度的一致性调向 最后 搬运机 构将吸种执行器从吸种工位运送至排种工位 吸种执行 器向下移动将种子放置于穴孔中心 同时切断吸种执行 器负压完成播种 搬运机构将其运回至吸种工位 完成 一个定向播种作业循环 2 种子特征视觉识别方法 利用工业相机获取种子图像 识别并提取种子轮廓 计算其长短轴 几何中心 芽点位置和偏转角度 以及 种子像素面积用于筛选大小异常的种子 36 长短轴与偏 转角度用于计算芽点坐标 芽点位置判断种子朝向 偏 转角度是种子调向依据 几何中心为吸附位置 以便规 划取种路径 确保吸嘴与种子精准对位 2 1 识别方法 视觉识别流程 通过摄像头获取种子原始图像 对 图像进行预处理以提升数据质量 进行视觉运算识别种 子芽点等特征信息 根据识别结果输出决策信号 驱动 控制吸种执行器作业 该流程构建了从数据采集到智能 决策的完整处理链 如图2所示 2 1 1 图像处理 工业相机拍摄的图片为RGB彩色图像 为便于图像 处理与分析 将彩色图像转换为单通道的灰度图像 在 灰度直方图中图像背景与种子像素分布集中于0 70 200 250之间 使用阈值进行分割 如图3所示 通过高斯滤波过滤图像高频部分保留低频部分 去 除图像细节干扰保留平滑边缘 对滤波后图像二值化处 理 使种子与背景产生明显差异 利用形态学开运算对 图像进行腐蚀 膨胀操作 消除图像轮廓毛刺以及与目 标无关的微小边缘 使轮廓线条变得更加平滑 便于识 第 2 期姜 凯等 基于视觉引导的瓜类嫁接砧木种子定向播种装置设计与试验95 别种子轮廓 处理结果如图4所示 运算单元算法 原始图像目标检测视觉运算决策输出 工业相机 特征提取 拟合椭圆 判断匹配 芽点位置长短轴 几何中心偏转角度 灰度化 平滑处理 二值化 图 像 预 处 理 目 标 识 别 图2 视觉识别流程图 Fig 2 Visual recognition flowchart 800 700 600 500 400 300 200 100 0 50 像素数量 Pixel count 灰度值Gray value 100 150 200 250 图3 种子灰度直方图 Fig 3 Seed gray scale histogram a 原始图像b 处理结果 a Original image b Processed result 图4 预处理前后对比图 Fig 4 Comparison chart before and after preprocessing 2 1 2 视觉运算与决策输出 L1 L2 1 图像预处理可有效分离种子和背景 获得种子的轮 廓信息 对种子轮廓内部区域进行填充 并根据预设的 种子像素面积进行筛选 由于标准白籽南瓜种子的长宽 比约2 1近似为椭圆 可利用最小二乘法拟合种子轮廓 为椭圆描述其形态 获得椭圆的几何中心 长短轴等参 数用于计算芽点位置与偏转角度 根据OpenCV的坐标 系特性 将左上角作为坐标轴原点 横向轴作为X轴 纵向轴作为Y轴 X轴正向顺时针方向为角度正方向 建立如图5a 所示坐标轴 根据拟合出的椭圆绘制长轴 与短轴 二者交点为几何中心O 计算长轴与X轴之 间的夹角 各特征点标定如图5b E1 E2根据三角函数求出椭圆长轴端点 的坐标 E1 x1 L12 cos 1 y1 L12 sin 1 1 E2 x1 L12 cos 1 y1 L12 sin 1 2 x1 y1式中 为几何中心像素坐标 进一步分析长轴两端点附近的轮廓曲率 曲率较大 的一端更尖 为芽点 另一端曲率较小相对圆钝 曲率 为 d ds 3 d ds式中为曲线切线方向角 为弧长 mm a 坐标轴定义 a Axis b 特征标定 b Feature calibration X Y E2 E1 L1 L2 1o 1 注 L1为长轴 L2为短轴 E1 E2为长轴两个端点 O为几何中心 1为 偏转角度 Note L1 is major axis L2 is minor axis E1 E2 are the endpoints of the major axis O is geometric center 1 is the deflection angle 图5 坐标轴与种子特征数据 Fig 5 Axis v2 Ei 1 Ei 4 cos v1 v2jjv 1jjjjv2jj 5 i 1 2 jjv1jjjjv2jj 6 v1 v2式中 为像素坐标差值 为提高鲁棒性 使用窗口内多点计算平均曲率 i为 i 1M n j 1 i j 7 式中M为选取点数 单粒种子的识别结果如图6所示 通过对白籽南瓜 种子图像轮廓的边缘识别提取 利用最小二乘法拟合轮 廓椭圆 确定出其几何中心和长短轴等信息 并以轮廓 最大曲率判定芽点位置 该方法能够清晰获得单粒种子 几何中心和芽点位置像素坐标以及偏转角度 609 400 750 588 a 边缘识别a Edge recognition b 长短轴b Long yi ji2f1 2 Ng xi2 0 W yi2 0 H 8 式中S表示种集 W和H为图像宽与高 xi yi 为第i 个种子坐标 N为识别到的种子数 S sortedk 对种子集中的坐标针对X方向进行排序 排序后的 种集为 S sortedk s 1 s 2 s n s t x 1 x 2 x n 9 式中s 1 s n 为种集S中第n个种子 对视觉识别系统获取的种子坐标进行变换 相机光 轴垂直于作业平面 图像平面与世界平面平行 无需考 虑透视畸变 相机与作业平面距离固定 也无需考虑深 度信息 因此 选择仿射变换将图像像素坐标变换为世 界坐标 X Y cos sin sin cos s x 0 0 sy u u 0 v v0 t x ty 10 X Y sx sy 式中 为世界坐标 为微小偏转角以实现旋转补 偿 为X和Y方向上的比例因子 u v为像素坐 u0 v0 tx ty标 为参考点像素坐标 为世界坐标系的平 移偏移量 标定板选用阵列7 7高精度实心黑色圆点 圆点直 径20 mm 精度 0 01 mm 中心距30 mm 吸种调向执 行器由5个单体并排组合 将取种作业平面划分为3个 区域 并添加约束条件 1号执行器无法在区域三作业 5号执行器无法在区域一作业 如图9所示 区域一区域二区域三 Zone 1 Zone 2 Zone 3 图9 区域划分 Fig 9 Regionalism 图像内种子根据区域进行归类 Zone z xi yi z W3 xi f0 1g k 1 f1 2g k 5 f0 1 2g k 2 3 4 12 Zk式中为第k个执行器的工作区域 执行器k有效种子集为 Sk z2Zk Zone z S 13 Sk式中为第k个执行器工作的种集 2 2 2 取种路径规划 使用贪心算法生成路径 满足以两点间距离优先 Y轴约束下的局部最优 贪心算法选出的种集P为 P s j 2S sortedk js j argmin s2C jjs Plastjj2 14 s j S sortedk Plast 式中为候选种子坐标 为经过排序的预选种集 保证执行器将按照从左到右顺序移动 C为Y轴约束后 的种集 确保执行器不会上下移动过多 为上一个 执行选择的种子坐标 鉴于吸种执行器受限于严格的Y轴移动约束 可能 无法在其允许区域内获取充足数量且满足约束条件的Y 向连续种子 此处引入跨区补充规则 当jPj jPkj m xj 1 xj y j 1 yj ymax Zone sj 2Zk m 5 8j2f1 m 1g 8j2f1 m 1g 8sj2Pk s t min K k 1 m 1 j 1 skj 1 skj 2 16 skj式中K为总路径数 为第k条路径的第j个种子 由于贪心策略选择的局限性 不能保证全局最优只 是局部最优的结果 路径规划效果如图10所示 根据每 次取5粒种子作业要求 规划出4条合理高效的取种路 径 取种顺序为1 4组 该方案舍弃了全局最优解以增 强系统实时性 满足吸种调向执行器取种作业实用性 3 5003 0002 5002 0001 500 X Y 1 0005000 3 500 3 000 2 500 2 000 1 500 1 000 500 第1组 第2组 第3组 第4组 图10 取种路径规划结果 Fig 10 Result of seed retrieval path planning 3 关键部件设计 3 1 振动供种机构 为保证视觉识别系统能够精准快速的识别出种子外 形特征参数 供种效果需达到种子均匀平铺分布 互相 无重叠或黏连 采用种箱振动落种与输送带接种相结合 的供种方案 供种机构由种箱 直线振动器和输送带等 组成 如图11所示 1 2 3 4 5 1 直线振动器 2 种箱 3 出料隔板 4 出料挡板 5 输送带 1 Linear vibrator 2 Seed box 3 Discharge partition 3 Discharge baffle 5 Conveyor 图11 振动供种机构 Fig 11 Vibrating seed supply mechanism 种箱与直线振动器上下固定安装 输送带位于种箱 出料口正下方 通过振动器的激振力使种箱内种子从出 料口排出 落至输送带表面并随之向前移动 达到种子 平铺散落的效果 在种箱出料口内侧设有9个出料隔板 和出料挡板 确保种子在出料口处分开 调整出料挡板 高度实现排种量的控制 数字调压振动送料控制器型号 为SDVC20 S 可调控振动器的振动频率 输送带由42 步进电机驱动 供种工作过程 直线振动器通电产生激 振力使种子向出料口移动 通过出料隔板和挡板的分离 作用 种子被均匀排出下落至输送带 输送带向前移动 使种子达到连续散落平铺的供种效果 完整一次供种作 业 其中 振动器和输送带需同步间歇控制启停 达到 落料和接料速度匹配 种子分离率 排种区域单粒分离程度 可评价供种 效果 其影响因素包括挡板高度 振动频率和输送速度 根据预试验结果 选取挡板高度5 7 5和10 mm 振动 频率120 180和240 Hz 输送速度60 70和80 mm s 进行种子分离率单因素试验 结果如图12所示 a Baffle height 70 80 90 100 5 0 7 5 10 0 分离率 Separability 挡板高度Baffle height mm 60 70 80 90 100 120 180 240 分离性 Separability 振动频率Vibration frequency Hz 60 70 80 90 100 60 70 80 分离性 Separability a 挡板高度b 振动频率c 输送速度 b Vibration frequency c Conveyor belt speed 输送速度Conveyor belt speed mm s 1 图12 各单因素对分离率的影响 Fig 12 Effects of single factor on separability 根据图12a可知 种子分离率随挡板高度的增加呈 递减趋势 当挡板高度为5 mm时 仅允许单层种子通 过 虽分离效果好 但供种量不足需高频次补种 挡板 高度增至10 mm时 振动供种量显著提升 但存在双粒 粘连现象不利于视觉识别 相比之下 7 5 mm挡板高度 既可保障充足供种量 又能维持优良分离率 综合分析 7 5 mm为较优挡板高度 根据图12b可知 种子分离率 随振动频率变化呈单峰趋势 120 Hz振动频率下激振力 不足 种子迁移迟缓导致种箱内滞留 分离与输送效率 降低 180 Hz振动频率可实现种子均匀分散与稳定供给 分离率达到峰值 240 Hz时激振力过强 引发种子非定 向弹跳 分离效能反呈下降 综合分析180 Hz为较优振 动频率 根据图12c可知 种子分离率随输送带速度提 升而单调递增 60 mm s低速条件下 种子滞留时间延 98农业工程学报 http www tcsae org 2026 年 长 前端未及时输送的种子与后续落种形成堆叠 显著 削弱分离性能 80 mm s输送速度可有效缩短滞留时 间 避免种子堆积 综合分析确定80 mm s为适宜输送 速度 在挡板高度7 5 mm 振动频率180 Hz 输送速度 80 mm s以及供种时间4 s条件下 测得种子分离率达 87 82 可提升视觉识别系统的识别精度及作业效率 3 2 吸种调向执行器 吸附调向执行器用于完成种子吸附拾取与旋转调向 作业 由吸嘴 真空发生器 调向电机 滑轨滑块和吸 种移动电机以及电机驱动器等组成 如图13所示 吸嘴 前端设有10 mm机械缓冲结构 可缓解吸嘴下移吸种对 种子的冲击 调向电机为中空轴步进电机 型号 8HY30N H 其中空轴下部与吸嘴螺纹连接 上部通 过回转气动接头与真空发生器相连 为吸嘴提供吸种负 压 吸嘴与调向电机通过固定板 导轨滑块单元 同步 带等滑动连接于主板 通过吸种移动电机驱动二者上下 移动完成吸种和排种 作业时 利用视觉识别系统提供 的种子几何中心和偏转角度等信息 吸种移动电机驱动 吸嘴下移至种子几何中心实施吸种 调向电机基于种子 偏转角度实施定向调整 完成吸种执行器中5粒种子朝 向一致性调整 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 2 3 4 5 50 mm a 单体 a Monomer b 5组集成 b Sets of five groups 1 吸种移动电机 2 固定板 3 旋转接头 4 调向电机 5 吸嘴 6 传感器 7 主板 8 导轨滑块单元 9 感应片 1 Seed suction movement motor 2 Fixed plate 3 Rotary joint 4 Direction adjustment motor 5 Nozzle 6 Sensor 7 Motherboard 8 Guide rail slider unit 9 Sensing piece 图13 吸附调向执行器 Fig 13 Adsorption orientation effector 吸嘴的吸种性能受其形状 孔径及深度影响 依据 预试验结果选定倒T形 圆盘形及阶梯3种吸嘴构型 孔径参数设定为0 8 1 2 1 6 mm 深度参数设定为2 3 4 mm 进行单因素仿真试验 建立孔径1 2 mm 深 度3 mm的倒T形吸嘴三维模型并进行网格离散化处理 采用标准 k 湍流模型 设定空气为不可压缩流体 动 力粘度1 789 4 10 5Pa s 入口边界条件为 2 kPa静压 出口边界条件为大气压 选用二阶迎风格式 经500次 迭代完成数值求解 仿真结果如图14所示 根据图14a所示 倒T形吸嘴内部流速分布最为稳 定 平均气流速度为27 2 mm s 圆盘形吸嘴在通道下游 区域出现显著流速衰减 不利于种子吸附 阶梯形吸嘴 流场均匀性较差 其最大气体流速较倒T形结构降低 14 吸附效能进一步减弱 综合流场特性分析 确定 倒T形为最优吸嘴构型 根据图14b所示 孔径0 8 mm 吸嘴的高速流区分布范围有限 峰值流速为58 8 mm s 孔径1 2 mm与1 6 mm吸嘴的高速流区分布范围相近 但前者的峰值流速达62 1 mm s 显著高于1 6 mm吸嘴 的59 8 mm s 鉴于气体流速与吸附力呈正相关 选定孔 径1 2 mm为最优参数 根据图14c所示 吸嘴孔深变化 对入口流速影响不显著 孔深3 mm时峰值流速达 77 8 mm s 分别较2 mm与4 mm深吸嘴提高7 2 和 1 0 基于流速最大化原则 确定3 mm为最优孔深 速度Velocity mm s 1 速度Velocity mm s 1 速度Velocity mm s 1 4 53e 01 速度Velocity mm s 1 速度Velocity mm s 1 速度Velocity mm s 1 速度Velocity mm s 1 5 88e 01 速度Velocity mm s 1 6 21e 01 速度Velocity mm s 1 5 98e 01 5 38e 01 4 78e 01 4 18e 01 3 59e 01 2 99e 01 2 39e 01 1 79e 01 1 20e 01 5 98e 00 0 5 59e 01 4 96e 01 4 34e 01 3 72e 01 3 10e 01 2 48e 01 1 86e 01 1 24e 01 6 21 e 00 0 5 30e 01 4 71e 01 4 12e 01 3 53e 01 2 94e 01 2 35e 01 1 77e 01 1 18e 01 5 88e 00 0 4 24e 01 3 90e 013 51e 01 3 12e 01 2 73e 01 2 34e 01 1 95e 01 1 56e 01 1 17e 01 7 79e 00 3 90e 00 0 3 82e 01 3 39e 01 2 97e 01 2 54e 01 2 12e 01 1 70e 01 1 27e 01 8 48e 00 4 24e 00 0 4 08e 01 3 63e 01 3 17e 01 2 72e 01 2 27e 01 1 81e 01 1 36e 01 9 07e 00 4 53e 00 0 7 26e 01 6 53e 01 5 81e 01 5 08e 01 4 35e 01 3 63e 01 2 90e 01 2 18e 01 1 45e 01 7 26e 00 0 7 78e 01 7 70e 016 93e 01 6 16e 01 5 39e 01 4 62e 01 3 85e 01 3 08e 01 2 31e 01 1 54e 01 7 70e 00 0 7 00e 01 6 22e 01 5 45e 01 4 67e 01 3 89e 01 3 11e 01 2 33e 01 1 56e 01 7 78e 00 0 倒T形 Inverted T shape 圆盘形 Disc shape a 形状 a Shape b 孔径 b Aperture c 孔深 阶梯形 Stepped shape 0 8 mm 1 2 mm 1 6 mm 2 mm 3 mm 4 mm c Depth 图14 吸嘴参数对内部气流速度影响 Fig 14 Influence of nozzle internal parameters on airflow velocity 3 3 搬运机构 搬运机构用于完成吸附调向执行器从吸种工位至排 种工位的往复移动 以及在吸种工位各吸嘴与待吸种子 之间的快速移动对位 其主体结构为XY直线模组 X方 向为吸种工位至排种工位之间横跨播种穴盘和供种输送 带 行程为600 mm Y方向为取种移动方向 行程为 400 mm 整体结构采用XY龙门组合并配备辅助导轨滑 块 确保搬运过程的稳定性和精确性 如图15所示 为保证搬运机构移动速度 选择同步带直线模组 移动速度400 1 200 mm s 需通过试验确定最优移动速 度 满足播种精度和效率的需求 吸种调向执行器总质 量约5 kg 经计算所需驱动转矩0 66 N m 选取X向和 Y向伺服电机功率分别为400和750W 第 2 期姜 凯等 基于视觉引导的瓜类嫁接砧木种子定向播种装置设计与试验99 1 2 3 4 5 6 XY Z 1 Y向电机 2 Y向模组 3 X向电机 4 吸附调向执行器 5 X向模组 6 辅助滑轨 滑块 1 Y axis motor 2 Y axis module 3 X axis motor 4 Adsorption and orientation actuator 5 X axis module 6 Auxiliary slide rail and slider 图15 搬运机构 Fig 15 Handling mechanism 3 4 视觉识别系统 视觉识别系统包括光源 工业相机 镜头等 如 图16所示 选用海康威视CS200 10GM工业相机 分 辨率为5 472 3 648 最大帧率5 9 帧 s 功耗2 4 W KF1628 12MP镜头 焦距16 mm 光圈范围F2 8 F16 畸变 1 3 研华MIC 7700工控机 CPU为i5 6500 运行内存8 G和固态硬盘256 G 有2个Giga LAN口 和8个USB接口 支持VGA和HDMI输出 相机安装 于接种输送带正上方420 mm 双条形光源设在相机两侧 补光 确保相机采集图像的清晰度 1 2 3 4 1 光源 2 镜头 3 工业相机 4 固定板 1 Light source 2 Lens 3 Industrial camera 4 Fixing plate 图16 视觉识别系统构成 Fig 16 Composition of the visual recognition system 4 定向播种性能试验 4 1 试验材料与方法 随机选取瓜类嫁接用砧木 京欣砧2号 白籽南 瓜 种子50粒 测得种子参数平均值分别为 长度 17 54 1 05 mm 宽度 10 11 0 44 mm 厚度 3 95 0 34 mm 质量 0 23 0 02 g 前期预试验可知 定向播种性能取 决于吸种调向执行器性能与视觉识别精度 其影响因素 包括搬运速度 吸种负压及吸种高度 为精准记录定向 播种位置与播种精度 将双面胶粘贴于穴盘表面 以防 止播种后种子位置发生窜动 试验装置如图17所示 依据团体标准 T SAAMM 1026 2023 穴盘育苗播种 机作业质量 试验评价指标包括播种合格率Y1 漏播 率Y2 播种效率Y3和播种精度Y4 合格率是指定向播种 角度偏差 10 范围内播种数与实际播种数之比 漏播率 是指空穴数与理论播种数之比 播种效率是指单位时间 内定向播种种子数 播种精度是指实际定向播种角度与 预期定向播种角度之比 鉴于该试验装置不会出现重播 故重播率不纳入考量 Y1 2 1 100 17 Y2 3 1 100 18 Y3 1T 100 19 Y4 2 1 100 20 1 2 3 式中为实际播种数 为定向播种角度偏差 10 范围 内播种数 为漏播数 T为定向播种测试总耗时 s 1为预期定向角度 2为实际定向角度 1 2 3 4 5 1 吸种调向执行器 2 穴盘输送带3 振动供种机构 4 搬运机构5 视觉识别 系统 1 Seed suction orientation actuator 2 Conveyor of plug tray 3 Vibration seed supply mechanism 4 Packing mechanism 15 Visual recognition system 图17 试验装置 Fig 17 Test equipment 4 2 单因素试验 通过预试验初步确定各因素取值范围 搬运速度为 400 600 800 1 000 1 200 1 400 mm s 吸种负压 为10 20 30 40 50 60 70 kPa 吸种高度为 2 1 0 1 2 mm 开展播种合格率与漏播率单因素试验 每 组试验播种50粒并重复3次 统计分析播种合格率与漏 播率指标 试验结果如图18所示 a 搬运速度 a Handling speed 0 20 40 60 80 100 400 600 800 1 000 1 200 1 400 合格率 漏播率 Pass and miss rate 合格率Pass rate 漏播率Miss rate b 吸种负压 b Seed suction negative pressure 合格率Pass rate 漏播率Miss rate 0 20 40 60 80 100 10 20 30 40 50 60 70 合格率 漏播率 Pass and miss rate 吸种负压Negativepressure kPa c 吸种高度 c Seed suction height 合格率Pass rate 漏播率Miss rate 0 20 40 60 80 100 2 1 0 1 2 3 合格率 漏播率 Pass and miss rate 吸种高度Seed suction height mm搬运速度Handling speed mm s 1 图18 各因素对播种合格率及漏播率的影响 Fig 18 Impact of various factors on seeding qualification and missed seeding rate 100农业工程学报 http www tcsae org 2026 年 根据图18a所示 搬运速度增加播种合格率呈现下 降趋势 而漏播率升高 当搬运速度过高时 种子易受 离心力作用脱离吸附区域 或在吸嘴完成吸附前发生位 移 导致漏播现象 反之 搬运速度过低则显著降 低播种效率 综合考量 搬运速度宜控制在600 1 200 mm s 由图18b可知 吸种负压的增大显著提升 了播种合格率并显著降低了漏播率 负压增加增强了吸 附力 当负压接近70 kPa时