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为探究高湿玉米穗脱粒时籽粒破损机制，研究人员设计模拟电子玉米穗（SECE）。经多测试，其动态冲击力检测平均误差 0.91 N、精度 98.15% 等。该研究为分析玉米脱粒参数、研究破损原理提供新方法。
在农业生产的大舞台上，玉米占据着举足轻重的地位，它是我国产量最高的谷物作物，其产量直接关系到国家的粮食安全。然而，在玉米收获的关键环节，高湿度玉米却十分 “脆弱”。在机械化收割过程中，这些高湿度玉米穗极易受损，不仅影响了玉米的品质，还导致产量降低。
以往，科研人员采用高速摄影、离散元模拟以及台架试验等方法来检测玉米的损伤情况。但这些传统方法在复杂环境下，很难精确捕捉和描述玉米穗的运动学和动力学参数。随着微机电系统（MEMS）技术的兴起，各类模拟电子水果应运而生，像 IRD、Smart Spud 等。它们虽然能检测水果在收获和加工过程中的冲击加速度，却无法测量水果的空间位置、运动轨迹、动态冲击力和静态力等参数。而玉米脱粒过程发生在复杂且动态的环境中，脱粒装置对玉米穗施加强烈的冲击、碰撞，还会产生挤压和摩擦。在脱粒滚筒的转动下，玉米穗高速旋转，位置和方向不断变化。要想深入探究玉米脱粒时籽粒破损的原理，就必须全面了解玉米穗在脱粒装置中的受力情况，这就需要同时检测和分析多种运动学和动力学参数，现有电子水果显然无法满足这一需求。
为了攻克这些难题，国内研究人员开展了一项意义重大的研究。他们设计了一种模拟电子玉米穗（SECE），这个 “特殊的玉米穗” 内部嵌入了超宽带（UWB）模块、惯性测量单元（IMU）模块以及柔性薄膜压力传感器。研究人员通过结合室内定位技术和卡尔曼滤波算法，实现了对玉米脱粒过程中空间位置、运动轨迹、冲击力和静态力的全面检测。该研究成果发表在《Computers and Electronics in Agriculture》上，为探索玉米穗脱粒过程提供了全新的技术手段，相关实验结果也能为分析谷物破损原理提供重要参考。
在这项研究中，研究人员主要运用了以下关键技术方法：首先，通过在模拟电子玉米穗中嵌入 UWB 模块、IMU 模块和柔性薄膜压力传感器，实现多参数检测；其次，提出 UWB/IMU 耦合定位算法、UWB 测距异常值去除算法以及基于 IMU 的冲击力检测算法，提高检测精度；最后，进行动态冲击力检测、静态力检测、空间定位以及玉米脱粒等多项实验，获取相关参数。
下面来看具体的研究结果：
- 冲击力检测测试结果：通过实验计算得出 SECE 的冲击力检测结果。当 SECE 从 0.50 m 高度落下时，先自由落体约 0.32 s 后与不锈钢板碰撞，产生最大约 24.04 N 的冲击力，碰撞后反弹，在空中停留约 0.31 s，随后多次碰撞反弹。经检测，SECE 能通过 IMU 模块准确检测动态冲击力，平均检测误差为 0.91 N，最大误差为 2.25 N，检测精度达 98.15%。
- 静态力检测测试结果：SECE 在静态力检测方面也表现出色，平均检测误差为 2.47 N，最大平均检测误差为 7.25 N，平均R2为 0.9874 。这表明 SECE 能有效检测静态力。
- 空间定位测试结果：UWB 测距异常值去除算法有效降低了非视距（NLOS）对 SECE 定位精度的影响，UWB - IMU 耦合定位算法进一步提高了定位精度。其中，无迹卡尔曼滤波（UKF）紧密耦合算法定位精度最高，扩展卡尔曼滤波（EKF）紧密耦合算法次之，卡尔曼滤波（KF）松散耦合算法相对较低。使用 UKF 算法时，SECE 在X、Y、Z轴位置的均方根误差（RMSE）都能在 0.12 m 以内，误差小于 0.15 m 的概率超过 85%。
- 玉米脱粒测试结果：SECE 在玉米脱粒测试中表现良好，能够有效检测脱粒装置内的运动轨迹、动态冲击力和静态力。
综合上述研究结果，研究人员成功开发出基于多传感器信息融合的模拟电子玉米穗（SECE），并通过一系列实验验证了其优异性能。SECE 能够准确检测动态冲击力和静态力，在空间定位方面也具有较高精度，在玉米脱粒过程中可有效获取多种运动学和动力学参数。这项研究为分析玉米穗在脱粒条件下的运动学和动力学参数提供了新的技术手段，为研究谷物破损原理开辟了新途径，对优化玉米收割机机械参数、减少高湿度玉米在收获过程中的损失具有重要意义，有望推动农业机械化收获技术的进一步发展，保障粮食产量和质量。
