一种玉米定向导种装置

本发明属于播种设备，具体涉及一种玉米定向导种装置，尤其是一种能够实现玉米种子胚面朝上定向播种的装置及方法。

背景技术：

1、玉米是我国主要粮食作物之一，其播种质量直接影响出苗整齐度与最终产量。玉米种子在土壤中的胚面朝向会影响胚根下扎、胚芽出土路径和幼苗早期生长状态。当种子以适宜且一致的胚面朝向萌发时，胚根和胚芽的生长方向更加稳定，有利于缩短出苗路径、降低萌发过程中的能量消耗，提高出苗速度和群体整齐度，进而为构建均匀群体和提高光能、水肥利用效率提供基础。

2、然而，现有玉米播种机大多采用机械式或气力式排种器，其工作目标主要集中于单粒精播和粒距控制，对种子的空间姿态，特别是胚面朝向，缺乏有效的在线识别与调控能力。种子在排种、导种和投种过程中容易发生随机翻滚，落入种沟后胚面朝向和空间姿态不一致，导致胚根、胚芽生长路径差异增大，出苗时间和幼苗长势不一致，形成“大小苗”现象，制约玉米群体整齐建成和产量潜力发挥。

3、因此，研发一种能够在播种过程中自动识别玉米种子胚面朝向，并根据预设目标姿态对种子进行定向调控的装置与方法，对于提升玉米播种质量、提高出苗一致性和改善群体建成质量具有重要意义。

技术实现思路

1、针对背景技术中存在的问题，本发明提供了一种玉米定向导种装置，技术方案带有两个侧板的外框、导种带轮组、识别与翻面单元、覆土单元和开沟压平单元；其中，导种带轮组和识别与翻面单元分别安装在外框的两侧，与外框固定的开沟压平单元安装在识别与翻面单元的正下方，开沟压平单元中的护种圆弧面位于方向保持入土段的正下方；安装在外框两侧的覆土单元的覆土位置位于开沟压平单元的后方；

2、识别与翻面单元朝向导种带轮组的一侧设置平滑的重力导种作业面，导种带轮组的导种带外侧等间距固定有用于承托和运送单粒玉米种子的分隔板；导种带、分隔板、重力导种作业面和外框的两个侧板围成了上端开放的玉米竖直导种空间，重力导种作业面的出口正下方设有连续的护种圆弧面区；

3、导种带轮组和之间的玉米竖直导种空间的高度为第一间隙厚度h1，该厚度用于保证在玉米竖直导种空间中的玉米种子维持竖直状态；在投种前的玉米竖直导种空间中玉米始终受到分隔板托种面和护种弧面的共同限位，从而避免了随机滑移和二次翻面；第一间隙厚度h1=种子最小宽度wmin×k1，其中k1=0.8~1.1。

4、重力导种作业面由上至下依次设有喂入段、识别段、过渡运送段、翻面段和方向保持入土段，其中：

5、喂入段低于导种带轮组的上方，用于从上方的播种器等设备中导入种子，喂入段上端开口的高度通常与导种带的竖直段开始处齐平；

6、识别段处设有led照明装置和图像采集模块，其中，led照明装置发射的光线以低角度掠射方式照亮识别段的种子，以减少反光，图像被图像采集模块收集并发送至数据处理与控制模块中，数据处理与控制模块通过防尘防震的控制盒固定在识别与翻面单元中；数据处理与控制模块中判断玉米胚面的朝向，如果所设置好的第一面朝向识别段，则发送信号给脉冲式气嘴的电磁阀；

7、过渡运送段具有一定长度，以保证数据处理与控制模块的计算时间和安装空间，过渡运送段和识别段的外端面齐平，用于保证胚面方向和识别到的相同；

8、翻面段：重力导种作业面在翻面段设有种子旋转空间；所有脉冲式气嘴的电磁阀均与数据处理与控制模块电连接，脉冲式气嘴至少包括第一气嘴和第二气嘴，两个气嘴均以固定安装角度布置，由电磁阀控制，可喷射短促而有力的气流；在接收到信号后，脉冲式气嘴喷射气流使得玉米种子在种子旋转空间中翻面，使得所有玉米种子离开翻面段时，第一面均朝上；

9、玉米种子在方向保持入土段时姿态被限位保持，胚面在开沟压平单元的护种圆弧面时均维持朝上；其中，在方向保持入土段与护种圆弧面区之间时，护种圆弧面的前端提前延伸至方向保持入土段的下游位置，与导种带轮组的分隔板托种面形成连续的玉米圆弧导种空间，使玉米种子在可能发生导致姿态失稳的明显滑移之前进入土中平躺通道；在土中平躺通道中第一面维持朝上。

10、第一面被设置成胚面或非胚面。

11、开沟压平单元包括：开沟刃面、护种圆弧面、压平面和护种平面；

12、最前方的开沟刃面呈楔形，用于破土开沟；

13、开沟压平单元下端的压平面设置在开沟刃面后方，其下表面光滑平整，用于压实并刮平沟底；

14、护种圆弧面与导种带轮组下部的轮廓配合，开沟压平单元的上端延伸至运送入土段下游，并与导种带轮组的分隔板共同形成连续的护种圆弧面区，护种圆弧面区使经翻面段调姿后的种子在运移过程中逐渐转为第一面朝上的姿态；护种圆弧面区的高度大于待播玉米种子的最大厚度dmax，且小于种子完成翻转所需的高度，使种子能够随导种带轮组运动但不能在该区域内二次翻面；

15、护种平面是一块从压平面末端向后下方延伸的薄板，与水平面呈锐角；

16、识别段的最上方设有姿态调整斜面。

17、开沟压平单元还包括：清土毛刷，清土毛刷安装在护种圆弧面后方，其刷毛轻微压迫导种带轮组表面，以清理分隔板。

18、种子旋转空间的最大处是翻面段间隙高度h2，翻面段间隙高度；

19、护种平面505与沟底的距离为护种平面预留高度为h3，护种平面预留高度；

20、压平面的压平面宽度；

21、其中，k2、k3、k4为经验系数，取值范围分别为1.2~1.8、1.5~2.2、1.2~2.0；

22、护种圆弧面前端接入位置设置在分隔板托种面相对于水平面的夹角α为10°～25°处；护种圆弧面末端切线方向与种沟沟底之间的夹角可取0°～10°，以降低种子释放时的姿态扰动；

23、外框为整个单体的安装框架，导种带轮组中的导种带通过轴承和带轮近似垂直地安装在外框中，导种带轮组由伺服电机或液压马达驱动，导种带轮组中导种带的移动速度与播种机前进速度同步，确保零速投种；

24、分隔板与导种带轮组垂直。

25、覆土单元中的覆土轮为一对倾角可调的轮子，覆土单元中的覆土弹簧连接在外框与覆土轮支架之间，提供稳定的下压力；覆土轮支架的上端与外框铰接。

26、种子到达识别段时，图像采集模块在均匀照明下拍摄种子图像；

27、数据处理与控制模块运用训练好的胚面识别算法，实时分析图像中的胚面特征、背面特征、种尖特征、种基特征、侧缘特征和种子投影长宽比，将种子判定为胚面朝向图像采集模块的合格姿态、胚面背向图像采集模块的平躺反面姿态、侧立姿态、种尖端立姿态、种基端立姿态或不确定姿态；同时，系统记录该粒种子所在分隔板的编号、角度位置或到达翻面段的时间信息。

28、当对应种子随导种带轮组旋转进入翻面段时，控制系统根据姿态类别和喷气参数映射表触发对应位置的脉冲式气嘴303，在固定喷气方向下按照预设或标定的气嘴编号、喷气压力、喷气时长、脉冲次数和触发时刻喷出脉冲气流；

29、其中，对于第一面背向图像采集模块的合格姿态，不触发脉冲式气嘴303；对于第一面朝向图像采集模块的平躺反面姿态，采用0.14～0.22 mpa的喷气压力、80～120 ms的单次喷气时长和2～3次脉冲喷气，使种子发生翻面。

30、本发明的有益效果在于：

31、1.实现了精准的定向播种：通过“图像识别+姿态分类+固定角度脉冲气动调姿”的组合，能主动、在线地将玉米种子调控为出苗整齐度相同的理想播种姿态，解决了种子姿态随机的问题。能主动、在线地将玉米种子调控为出苗整齐度相同的理想播种姿态。

32、2.确保了投种姿态的稳定：通过导种带轮组分隔板承托、连续限位过渡段、护种圆弧面约束、近水平切向释放、零速投种和护种平面保护的多重保障，使种子在玉米竖直导种空间和护种圆弧面区运移时不会翻面，且最终转为“第一面朝上”的姿态，导致种子在落入种沟并覆土后仍然保持第一面朝上的定向播种姿态；避免了轻微随动滑移或贴靠滑移的条件下的种子翻面使得第二面朝上的问题。

33、3.具有良好的适应性与可靠性：装置的关键结构参数可根据不同品种玉米种子的尺寸进行适应性调整，通用性强。清土毛刷和自适应覆土压力设计提高了装置在复杂田间条件下的作业可靠性。

34、4.最终可以提高产量：通过实现出苗快、齐、匀、壮，有利于构建合理的作物群体，提高光热资源利用率，为玉米高产稳产奠定坚实基础。