《Computers and Electronics in Agriculture》：Study on a real-time seeding flow detection method and device based on the seed flow spiral discretisation mechanism
编辑推荐：
•提出了一种适用于条播作物的实时播种流量检测方法。•揭示了种子流螺旋离散化的运动机制。•研制了一种多通道光电播种流量检测设备。•利用离散元（DEM）模拟和Box-Behnken实验优化了关键参数。•台架试验验证了设备性能，检测准确率达97.3%。引言播种过程的精度对播种质量和
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提出了一种适用于条播作物的实时播种流量检测方法。
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揭示了种子流螺旋离散化的运动机制。
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研制了一种多通道光电播种流量检测设备。
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利用离散元（DEM）模拟和Box-Behnken实验优化了关键参数。
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台架试验验证了设备性能，检测准确率达97.3%。
引言
播种过程的精度对播种质量和作物产量具有关键影响（Zhang等，2022）。种子流量检测是精量播种的重要组成部分，有助于防止种子浪费并提高农业生产效率（Zhang等，2020）。因此，开发高效可靠的种子流量检测技术已成为精量播种领域的重要研究方向（Rossi等，2023b）。
目前已开发出多种种子流量检测方法，包括光电法、电容法、压电法、成像法、声学法和微波法（Xie等，2021）。电容法通过监测电容变化来确定种子流量，但其精度受环境条件和种子排放速率的影响（Jiang等，2021；Zheng和Liu，2011）。压电法根据冲击产生的电信号来估算种子流量（Rossi等，2023a），然而在高频种子流量条件下可能发生重复计数。成像法提供种子识别的视觉信息（Chen等，2022），Mangus等（2017）集成了一套高速成像系统来测量种子流量并分析影响播种精度的因素，但成像法成本相对较高且效率有限，限制了其在大批量种子流量测量中的应用（Karayel等，2006）。声学和微波方法也被探索用于种子流量检测，Karimi等（2015）开发了一套声学系统来评估播种性能，但其应用受环境噪声限制（Jiang等，2021）。微波法通过分析种子与微波信号的相互作用来确定种子流量（Xie等，2022），Yang等（2020）提出了一种基于微波多普勒雷达的肥料质量检测方法，但其应用受高成本、环境敏感性和精度有限的限制。
与上述传感技术相比，光电检测因其响应迅速、非接触测量和系统集成简单而被广泛用于种子流量检测。Karimi等（2017）提出了一种非接触式红外光电种子流量检测设备。Zagainov等（2023）设计了一种基于线激光和光电晶体管的计数传感器，用于实时种子流量监测。这些系统在宽株距作物（如玉米和大豆）中表现良好，但在高通量小径种子条件下，由于粒子频繁重叠，其精度有所下降。Zhai等（2024）开发了一种基于近红外漫反射的玉米播种监测系统，并通过将设备安装在输种管末端来减少种子反弹效应，然而田间条件下进入检测区域的土壤颗粒和石头可能会产生虚假信号。Zhang等（2023）将光电传感器应用于评估大豆排种性能，发现种子大小影响检测精度。Wang等（2024）在带式指夹输种系统中应用了光电传感器，减少了环境干扰的影响。然而，这些系统仍不适合监测条播作物的密集连续种子流量。
在密集种子流量条件下，光电检测经常因种子重叠而出现识别错误。在条播作物高速播种过程中，聚集的种子流量会导致信号失真和漏检，难以实现实时响应和高精度。为了解决这一问题，一些研究人员研究了用于小麦、油菜和棉花等小径高通量种子的光电检测方法。Kumar和Raheman（2018）利用红外传感器在输种管内建立检测区，但该方法无法有效解决种子重叠问题，导致检测精度受限。Cay等（2017）开发了一种用于测量多种作物种子间距的光电系统，但在密集连续种子流量条件下其性能受限。为减少种子重叠引起的误差，一些研究引入了导流结构来分散密集种子流量后再进行检测。Liu等（2019）提出了一种种子流量重构方法，将聚集的种子流量分成若干平行检测通道，实现了95%的精度。Ding等（2020）开发了一种用于高通量小径种子流量的多通道光电平行检测设备，实现了95.7%的精度。Xu等（2022）设计了一种基于薄膜光折射的平行种子流量检测设备，精度超过95.28%。这些研究表明通过通道划分来降低流量密度的可行性。然而，这些方法主要将密集种子流量分成若干平行通道，而每个通道内的种子运动模式仍缺乏有效调控。在连续密集种子流量条件下，粒子重叠和信号干扰仍然存在，限制了检测精度的进一步提升。因此，一个关键的科学问题在于：如何调控密集种子的运动和分布，促进其分离，从而实现有序的单粒种子流量。
为克服上述局限性，提出了一种基于螺旋离散化机制的实时种子流量检测方法，并基于该机制研制了相应的检测设备。通过运动学分析确定了影响种子分散的关键因素，并结合离散元（DEM）模拟和实验设计确定了最优结构参数。此外，建立了一个测试平台来验证设备的检测性能并评估其可行性。该方法通过调控种子流量模式提高了检测精度，为小径种子流量检测提供了一种新方法。
章节摘要
种子流量检测方法
为实现条播作物中小径种子播种流量的精确检测，本研究专注于调控种子流量模式。最初采用多通道导流策略来降低种子流量密度，然而传统方法无法有效消除粒子的并排或重叠现象。为解决这一问题，引入了螺旋面结构和逐渐收敛的截面来建立螺旋离散化机制
种子运动特性的仿真分析
为分析检测设备内种子的运动和分散特性，在螺旋节距P = 148 mm、槽末端直径D = 5.5 mm、槽通道数N = 6的条件下对设备运行进行了仿真。仿真结果用于评估种子在设备不同结构区域中的行为。
结论
本研究开发了一种基于螺旋离散化的种子流量检测方法及其相应的检测设备。该设备致力于将密集连续的种子流量转化为有序的单粒排列，从而减少因种子重叠引起的检测误差。主要结论如下：
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开发了多通道螺旋离散化机制，用于在光电检测前调控密集种子流量。模块化设备由导流板、扰流锥和一个
CRediT作者贡献声明
郭松宝：撰写 – 审阅与编辑，撰写 – 原稿，方法论，形式化分析，概念构思。郝帅华：撰写 – 审阅与编辑，撰写 – 原稿，可视化。朱承天：项目管理，调查研究，数据整理。刘彩玲：监督，资源获取，资金获取，概念构思。王伟明：软件。霍巨鑫：验证。
利益冲突声明
作者声明不存在已知的可能影响本论文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。
致谢
本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号：52175261）的资助。
郭松宝|郝帅华|朱承天|刘彩玲|王伟明|霍巨鑫
