[發(fā)明專利]一種智能花生播種裝置及方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110601006.4
• 申請(qǐng)日: 2021-05-31
• 公開（公告）號(hào): CN113207372B
• 公開（公告）日: 2022-05-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 鄒志勇;陳杰;龍濤;王粒;鄒兵;吳清松;周曼
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 四川農(nóng)業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): A01C7/20
• 分類號(hào): A01C7/20;A01C7/00;G06N20/20;G06Q10/04;G06Q50/02
• 代理公司: 北京正華智誠(chéng)專利代理事務(wù)所(普通合伙) 11870
• 代理人: 何凡

1.一種智能花生播種裝置，其特征在于，包括支撐架，所述支撐架的兩端設(shè)置有行走輪，所述支撐架上設(shè)置有播種器，所述播種器的上方設(shè)置有送料斗，所述送料斗內(nèi)設(shè)置有挑選發(fā)芽種子的挑選器，所述送料斗的下端設(shè)置有排出發(fā)芽種子的出料口，所述送料斗的側(cè)面設(shè)置有排出未發(fā)芽種子的廢棄種子出口；所述出料口位于播種器的進(jìn)料口的上方，所述支撐架上設(shè)置有LCD顯示屏，所述LCD顯示屏與FPGA控制器電連接；

所述送料斗為中空的錐形結(jié)構(gòu)，所述出料口設(shè)置在送料斗的下端，所述廢棄種子出口為設(shè)置在送料斗側(cè)面的C形槽口，所述C形槽口上固定設(shè)置有半圓形的支撐平臺(tái)，所述支撐平臺(tái)的上方活動(dòng)設(shè)置有半圓形的選料板，所述選料板和支撐平臺(tái)圍成一個(gè)整圓，所述選料板的中部固定在旋轉(zhuǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上，所述旋轉(zhuǎn)電機(jī)安裝在支撐平臺(tái)上，所述選料板的上方設(shè)置有光譜相機(jī)，所述光譜相機(jī)和旋轉(zhuǎn)電機(jī)與Raspberry Pi控制器電連接；

所述送料斗上設(shè)置有輸送花生的送料口，所述送料口上設(shè)置有傳送帶，所述傳送帶位于選料板的上方，所述C形槽口的兩側(cè)設(shè)置有掛鉤；

所述送料斗內(nèi)設(shè)置有擋料板，所述擋料板從送料斗的側(cè)壁延伸到選料板中心，且擋料板與選料板間隙設(shè)置，且擋料板與送料斗的直徑邊平齊。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能花生播種裝置，其特征在于，所述播種器包括環(huán)形的外殼體，所述外殼體固定在支撐架上，所述外殼體內(nèi)設(shè)置有環(huán)形的轉(zhuǎn)輪，所述轉(zhuǎn)輪的一側(cè)通過轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)置在外殼體上，另一側(cè)與轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸連接，所述轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)安裝在外殼體上，所述轉(zhuǎn)輪的外圓周上均勻設(shè)置有若干儲(chǔ)料腔，所述儲(chǔ)料腔的上端開口，且儲(chǔ)料腔與外殼體間隙設(shè)置；所述進(jìn)料口設(shè)置在外殼體的上端，所述外殼體的下端設(shè)置有兩個(gè)播種口，所述轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)與FPGA控制器電連接。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的智能花生播種裝置，其特征在于，每個(gè)所述播種口和進(jìn)料口上均設(shè)置有弧形的擋板，所述擋板上設(shè)置有若干平行的齒棱，且齒棱與轉(zhuǎn)輪的旋轉(zhuǎn)方向垂直，若干所述齒棱均勻排布形成齒板，所述齒板與齒輪嚙合，所述齒輪安裝在開口電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上，所述開口電機(jī)安裝在外殼體上，所述擋板的大小與儲(chǔ)料腔上端的開口大小相同，所述開口電機(jī)與FPGA控制器電連接。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的智能花生播種裝置，其特征在于，所述播種口的下端設(shè)置有播種腔，所述播種腔的上端和下端均開口，所述播種腔內(nèi)設(shè)置有紅外檢測(cè)傳感器，所述播種腔上設(shè)置有播種電磁感應(yīng)器，所述儲(chǔ)料腔上設(shè)置有出料電磁傳感器，所述出料電磁傳感器、紅外檢測(cè)傳感器和電磁感應(yīng)器均與FPGA控制器電連接。

5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的智能花生播種裝置，其特征在于，所述轉(zhuǎn)輪的轉(zhuǎn)軸上設(shè)置有若干大小不等的主動(dòng)鏈輪，所述主動(dòng)鏈輪通過鏈條與行走輪上設(shè)置的從動(dòng)鏈輪連接。

6.一種采用權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述的智能花生播種裝置播種花生的方法，其特征在于，包括以下步驟：

S1：通過傳送帶將待播種的花生種子傳送到送料斗內(nèi)，并落入選料板上，光譜相機(jī)拍攝花生種子的圖像上傳給Raspberry Pi控制器；

S2：Raspberry Pi控制器識(shí)別圖像中的花生種子，并判定是否為已經(jīng)發(fā)芽的種子；若是，旋轉(zhuǎn)電機(jī)帶動(dòng)選料板朝著擋料板的方向旋轉(zhuǎn)，在擋料板的阻擋作用下，發(fā)芽的種子通過出料口落入儲(chǔ)料腔內(nèi)；

S3：否則，旋轉(zhuǎn)電機(jī)帶動(dòng)選料板朝著擋料板相反的方向移動(dòng)，選料板帶動(dòng)未發(fā)芽的種子移動(dòng)到支撐平臺(tái)，并在擋料板的阻擋作用下，未發(fā)芽的種子落入支撐平臺(tái)上；

S4：轉(zhuǎn)輪帶動(dòng)儲(chǔ)存有發(fā)芽的花生種子的儲(chǔ)料腔轉(zhuǎn)動(dòng)到第一個(gè)播種口，出料電磁感應(yīng)器感應(yīng)到電磁傳感器，開口電機(jī)帶動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)使擋板打開第一個(gè)播種口，發(fā)芽的花生通過播種腔落在地上的種植窩內(nèi)；

S5：紅外傳感器檢測(cè)是否有發(fā)芽的種子經(jīng)過播種腔，若是，則第二個(gè)播種口移動(dòng)到該種植窩上方時(shí)，擋板不打開；否則，第二個(gè)播種口移動(dòng)到該種植窩上方時(shí)，擋板打開。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的采用智能花生播種裝置播種花生的方法，其特征在于，所述步驟S2識(shí)別花生種子是否發(fā)芽的方法包括：

S21：提取圖像上花生種子的輪廓特征，并將輪廓特征設(shè)定為感興趣區(qū)域；

S22：提取感興趣區(qū)域的波長(zhǎng)及對(duì)應(yīng)的反射率的ASCII數(shù)據(jù)信息；

S23：將ASCII數(shù)據(jù)信息進(jìn)行中值濾波處理，去除ASCII數(shù)據(jù)信息中的噪聲信號(hào)；其中濾波處理的方法包括：

S231：獲得ASCII數(shù)據(jù)信息序列的首地址及數(shù)據(jù)寬度；

S232：設(shè)置一塊內(nèi)存緩沖區(qū)，用以暫存結(jié)果數(shù)據(jù)，內(nèi)存緩沖區(qū)內(nèi)存放光譜相機(jī)掃描出的花生種子的256個(gè)波段的反射率值，并初始化為0；

S233：逐個(gè)掃描ASCII數(shù)據(jù)信息序列中的數(shù)據(jù)值，將其鄰域各元素的數(shù)據(jù)值從小到大進(jìn)行排序，求數(shù)據(jù)值的中間值，并將中間值賦值給目標(biāo)序列中與當(dāng)前點(diǎn)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)點(diǎn)，形成新的ASCII數(shù)據(jù)信息序列；

S234：利用新的ASCII數(shù)據(jù)信息序列執(zhí)行步驟S233，直到處理完數(shù)據(jù)信息序列中的全部數(shù)據(jù)點(diǎn)，得到輸出結(jié)果；

S235：將輸出結(jié)果從內(nèi)存緩沖區(qū)復(fù)制到源ASCII數(shù)據(jù)序列的數(shù)據(jù)區(qū)，完成ASCII數(shù)據(jù)信息中的噪聲信號(hào)去除過程；

S24：去除噪聲后的ASCII數(shù)據(jù)信息利用Xgboost算法對(duì)花生種子是否發(fā)芽進(jìn)行預(yù)測(cè)，包括：

S241：定義Xgboost算法中樹的復(fù)雜度：

f_t(x_i)＝ω_q(x)，ω∈R^T，q:R^D→{1,2，…，T}

其中，ω表示花生葉子的向量，包含預(yù)測(cè)結(jié)果發(fā)芽花生與預(yù)測(cè)結(jié)果不發(fā)芽花生，q表示樹的結(jié)構(gòu)，將輸入映射到葉子的索引號(hào)上面，其中預(yù)測(cè)結(jié)果發(fā)芽花生索引號(hào)為1，預(yù)測(cè)結(jié)果不發(fā)芽花生索引號(hào)為2；

S242：將樹拆分為結(jié)構(gòu)部分和權(quán)重部分：

其中，γT代表樹的結(jié)構(gòu)部分，γ為葉子個(gè)數(shù)，T為葉子的權(quán)重，包含花生完整度、花生褶皺程度和花生含水量；為樹的權(quán)重部分，λ為節(jié)點(diǎn)，為輸出值的平方，包含花生的完整度、褶皺程度和含水量，花生褶皺程度的權(quán)重占比最大；

S243：定義花生種子發(fā)芽在訓(xùn)練中出現(xiàn)訓(xùn)練集準(zhǔn)確率下降時(shí)的訓(xùn)練殘差：

其中，為誤差函數(shù)，為誤差函數(shù)，為花生發(fā)芽預(yù)測(cè)值，y_i為花生發(fā)芽真值，為花生復(fù)雜度，Ω(f)為每?；ㄉN子復(fù)雜度，為回歸殘差代表預(yù)測(cè)與真值差；

S244：利用訓(xùn)練殘差定義損失度函數(shù)：

其中，Ω(f_t)+constant為常數(shù)項(xiàng)目，Obj^(t)代表訓(xùn)練損失度函數(shù)作為評(píng)判模型訓(xùn)練的重要指標(biāo)；為花生發(fā)芽預(yù)測(cè)值，y_i為花生發(fā)芽真值，f_t(x_i)為模型預(yù)測(cè)值，即花生的完整度、褶皺程度和花含水量參數(shù)的預(yù)測(cè)值；

S245：將損失函數(shù)用泰勒公式展開：

S246：定義對(duì)數(shù)損失度函數(shù)，來預(yù)測(cè)花生發(fā)芽準(zhǔn)確誤差，得到預(yù)測(cè)花生發(fā)芽率的公式：

將權(quán)重部分和復(fù)雜度

f_t(x_i)＝ω_q(x)

帶入公式，得到：

進(jìn)而得到預(yù)測(cè)花生發(fā)芽率的公式：

S247：將去除噪音后的ASCII數(shù)據(jù)信息輸入預(yù)測(cè)花生發(fā)芽率的公式中，識(shí)別出種子是否發(fā)芽。