摘要
新疆南疆地区是我国商品棉的种植与加工基地，其已成为当地的支柱产业。棉花产业体系中，产前棉种(“棉籽”又称“棉种”，在南疆地区所谓“产前棉种”是指棉花生产种植前的种子)筛选与产后机采棉清杂两环节极其重要。针对南疆地区自然环境复杂、棉种品质低、机采棉杂质成分复杂、含杂量高的现实问题，以一师垦区棉种与机采棉为研究对象，重点围绕棉种内部生命活力信息检测、棉种外部指征信息检测、残地膜和机采棉荷电特性、不同等级残地膜静电分离、机采棉杂质分离装置及系统优化开展研究。利用光谱技术实现棉种出芽时间和生命强度信息的检测，基于机器视觉技术开展棉种外部指征信息检测研究并以此为基础研发棉种分选样机,筛选出优质棉种为棉花生产提供重要保障;采用静电吸附技术开展机采棉和残地膜分离研究，最后研发机采棉杂质清理装置，高效清理出机采棉内杂质提高棉花产品的品质，旨在解决新疆地区棉花生产的瓶颈问题。具体研究内容如下: (1)棉种内部生命活力的光学检测 衡量棉种的内部生命活力指标主要有出芽时间和生命强度(棉种出芽15天后棉株高度、叶片数和叶片总面积)。为了检测上述指标，本文根据棉种的物料特性，搭建了棉种光谱反射数据采集系统，采集四个品种的棉种光谱反射数据，并利用多项式回归分析法建立了棉种光学反射特性与其出芽时间之间的回归方程。结果表明,脱绒棉种的光学反射特性与其种系存在相关关系。新陆种系的棉种外壳颜色较深，中棉种系的棉种外壳颜色较浅，在450～990nm内，新陆种系光反射率0.2≤Re≤0.6,中棉种系光反射率0.5≤Re≤0.9,当波长大于600nm时，中棉种系反射率大于新陆种系;建立的脱绒棉种光学反射特性与出芽时间的回归方程分选正确率最高达到94％。搭建了棉种高光谱数据采集系统采集棉种的高光谱数据，并提取其光谱数据，使用PCR和LS-SVM算法建立了棉种光谱数据与棉种生命强度之间的回归模型。LS-SVM算法建立的回归模型对棉种的预测效果最好，RMSE值为0.7536、R2为0.7588、R为0.8711;利用光谱技术可以实现脱绒棉种生命活力信息快速无损鉴定。 (2)棉种外部指征信息视觉快速检测技术与装置研究 棉种的外部指征信息主要是指棉种的破损状况，其对棉种的出芽和生长具有重要影响，因此在产前必须筛选剔除。本文以新疆新陆中66号酸脱绒棉种为研究对象,搭建了群体棉种图像采集系统，采集了两种摆放状态(均匀摆放和随机摆放)下的群体棉种图像。针对均匀摆放的群体棉种图像，通过提取其V分量将其转换为二值图像，再进行背景去除，将单粒棉种图像提取出来。再利用改进小波降噪实现单粒棉种图像增强，增强后实现棉种的破损识别，120粒单粒棉种图像的最终正确判别的棉种粒数为101,判别正确率为84.17％。针对随机摆放的群体棉种图像，利用改进YOLOV5S网络对棉种是否破损进行识别，改进后的YOLOV5S网络对完整棉种的识别平均精度为0.96,较改进前提升了4个百分点。对破损棉种的识别平均精度改进前后分别为0.87和0.93,所有类别棉种的综合识别平均精度改进前后分别为0.903和0.946。说明改进后的YOLOV5S网络的性能显著优于改进前，且两者均能够很好地检测棉种的破损信息。最后根据棉种的物料特性，设计了一种基于双摄像头的轮盘式棉种分选样机，包括上料装置、输送装置、视觉采集模块和下料装置。棉种分选样机对50粒完整棉种错判了7粒，正确率为86％;50粒破损棉种错判了5粒，正确率为90％,总的检测正确率为88％,单粒棉种检测速度为0.24粒/s,为相关产业研发棉种分选装备提供了重要的理论支撑和技术参考。 (3)机采棉中残地膜与机采棉的荷电特性分析 分析残地膜和机采棉的荷电特性对利用静电方法分离残膜具有重要的理论价值。本文利用残地膜静电分离装置设计了机采棉和残地膜分离的CFD仿真方案，仿真了机采棉和残地膜以不同飞入速度进入电场时，施加不同的电场力机采棉和残地膜的飞行轨迹以及两者的分离效果。施加电场力后，当机采棉的飞入电场区的速度为4m/s,机采棉中残地膜分离的条件是棉花受到的电场力在0.01N～0.017N之间，且残地膜受到的电场力须大于0.13N。当机采棉的飞入电场区的速度为5m/s,机采棉中残地膜分离的条件是棉花受到的电场力在0.006N～0.018N之间，且残地膜受到的电场力须大于0.2N。当机采棉的飞入电场区的速度为6m/s,机采棉中残地膜分离的条件是棉花受到的电场力小于0.019N,且残地膜受到的电场力须大于0.29N。当飞入速度为4m/s、5m/s、6m/s,荷电时间为10s、20s、30s时，残地膜的单位荷电量大部分呈现负值，呈现正值的比例很低。机采棉的单位荷电量均呈现正值。荷电时间越长，残地膜的单位荷电量越大。飞行速度越大残地膜荷电量减小越多，原因为速度增加后残地膜电量流失增加。试验证明，机采棉和残地膜能够很好地分离。 (4)基于分形理论的机采棉和残地膜静电分离最佳参数研究 为了更好地实现机采棉和残地膜的静电分离，为生产实际提供一种行之有效的技术方案。本研究利用分形理论实现了不同等级的残地膜分类，并利用静电吸附装置进行了残地膜去除试验。确定了Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级残地膜的最佳静电去除参数以及所有等级残地膜最佳静电除杂参数。三个不同等级的残地膜分形维数区间明显不同,Ⅰ级残地膜的分形维数分布范围为1.86～1.94、Ⅱ级为1.73～1.86、Ⅲ级为1.53～1.75。以此范围为判别残地膜等级标准，判别准确率高达94.67％。结果表明，使用分形维数理论可以很好地将残地膜等级分类。当v=5m/秒、t=24s、U=41KV时，为Ⅰ级残地膜除杂的最佳参数，除杂率为97.05％;当v=6m/s、t=27s、U=42KV时，为Ⅱ级残地膜除杂的最佳参数，除杂率为98.03％;当v=3.5m/s,t=29s,U=46KV时，为Ⅲ级残地膜除杂的最佳参数,除杂率为98.21％;所有等级残地膜最佳静电除杂参数为v=5.5m/s、t=27s、U=44KV。 (5)机采棉植物性杂质分离装置设计及系统优控 不同于残地膜等非植物性杂质，机采棉中的植物性杂质对后续棉花加工具有重要影响，有效清除势在必行。本文通过测试机采棉的物料特性，分析了机采棉与杂质之间属性差异，确定气力式除杂为机采棉除杂方式。机采棉的纤维团絮约为0.636g,常见机采棉的杂质为单瓣棉铃壳、棉杆，其质量约为0.325g、0.175g,其主体长度约为31.9mm、39.8mm。实验表明机采棉的悬浮风速设定为2.6～5.6m/s,可实现气力输送。设计了机采棉除杂自动化装置，装置主要包括籽棉输送部分、机采棉上料输送机构、第一道机采棉除杂装置、烘干装置、第二道机采棉除杂装置和第三道机采棉除杂装置。与以往的机采棉除杂装置相比，本文设计的除杂装置增加了节能控制系统和静电吸附机构，其除杂效率高、节能降耗、可清理化学杂质。除杂输送装置增设节能控制单元后，其输送功耗比等时恒速输送模式节能达34％。
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