王哲祿，程向嬌，尤文生

(溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江溫州 325035)

蔬菜嫁接機(jī)是由機(jī)電工程技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、蔬菜農(nóng)藝技術(shù)相結(jié)合而產(chǎn)生的設(shè)施農(nóng)業(yè)裝置。自動(dòng)嫁接機(jī)能取代人的手工作業(yè)，用機(jī)械臂快速地完成夾取、切削和接合動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)砧木和接穗的嫁接動(dòng)作，而且嫁接速度快、成活率高。在農(nóng)業(yè)設(shè)施比較發(fā)達(dá)的地區(qū)和國(guó)家，自動(dòng)嫁接機(jī)具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景[1-4]。

日本、韓國(guó)較早開發(fā)了嫁接機(jī)，嫁接自動(dòng)化程度較高，相應(yīng)的裝備已經(jīng)在企業(yè)得到了推廣應(yīng)用。在中國(guó)自動(dòng)嫁接機(jī)的研究主要是由中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)、華南農(nóng)業(yè)大學(xué)等高校率先進(jìn)行，目前已先后開發(fā)出了2JSZ-600、2JC-350等樣機(jī)，但是主要還是半自動(dòng)化狀態(tài)，靠人工上苗。筆者以蔬菜嫁接機(jī)自動(dòng)上苗為研究對(duì)象，采用機(jī)器視覺(jué)采集、提取嫁接苗的參數(shù)特征，引導(dǎo)機(jī)械臂進(jìn)行嫁接苗的抓取實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上苗，有利于提高蔬菜嫁接自動(dòng)化水平[5-8]。

1 系統(tǒng)構(gòu)成工作原理

典型的蔬菜嫁接機(jī)自動(dòng)上苗裝置的工作過(guò)程如圖1所示，假設(shè)穴盤有3株苗，如a、b和c，依次按照順序進(jìn)行自動(dòng)取苗和上苗[9-10]?；谝曈X(jué)的自動(dòng)上苗控制系統(tǒng)的要求是在滿足嫁接苗木農(nóng)藝參數(shù)的條件下，進(jìn)行篩選配對(duì)取苗和上苗。系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求如下：依靠視覺(jué)進(jìn)行嫁接苗定位、子葉方向識(shí)別等，并通過(guò)視覺(jué)軟件分析測(cè)量嫁接苗苗徑，實(shí)現(xiàn)配對(duì)上苗嫁接，提高嫁接效率和成活率。

圖1 典型自動(dòng)上苗工作路徑Fig.1 Typical automatic seedling working path

蔬菜嫁接機(jī)自動(dòng)上苗控制系統(tǒng)由視覺(jué)采集模塊、圖像處理模塊和運(yùn)動(dòng)控制模塊組成，系統(tǒng)總體框架如圖2所示。視覺(jué)采集模塊包括光源控制、工業(yè)相機(jī)、鏡頭和光源；圖像處理模塊包括PC工控機(jī)、圖像處理軟件；運(yùn)動(dòng)控制模塊包括主控軟件、PLC、機(jī)械臂和取苗手爪等。其主要的工作原理是工業(yè)相機(jī)分別采集砧木和接穗穴盤苗的參數(shù)信息，將圖像數(shù)據(jù)傳遞給PC工控機(jī)中圖像軟件進(jìn)行圖像處理，計(jì)算機(jī)將圖像處理的數(shù)據(jù)結(jié)果傳遞給PLC，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理引導(dǎo)機(jī)械臂進(jìn)行嫁接苗的配對(duì)篩選和劣質(zhì)苗的篩選剔除。

圖2 系統(tǒng)總體框架Fig.2 General framework of the system

2 自動(dòng)上苗控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1機(jī)器視覺(jué)采集系統(tǒng)的構(gòu)建控制系統(tǒng)中機(jī)器視覺(jué)采集系統(tǒng)主要采用雙目視覺(jué)，即穴盤苗上端和前端采集，如圖3所示分別對(duì)砧木和接穗進(jìn)行視覺(jué)采集，嫁接苗上端相機(jī)主要采集苗木俯視圖像進(jìn)行嫁接苗有無(wú)及子葉方向的判別，前端相機(jī)主要采集嫁接苗株高和苗徑信息。

圖3 機(jī)器視覺(jué)采集系統(tǒng)構(gòu)建Fig.3 The construction of machine vision acquisition system

由于葫蘆苗和西瓜苗的截面形狀并非圓形而是橢圓形，如圖4所示，因此攝像頭采集實(shí)測(cè)投影(A)和子葉角度(β)，將測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析求得長(zhǎng)軸(Dl)和短軸(DS)的值，為此需建立數(shù)學(xué)模型還原嫁接苗長(zhǎng)軸和短軸的真實(shí)值。

F(x，y)為橢圓逆時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)角β后苗莖橢圓曲線上任意一點(diǎn)，F(xiàn)′(x′,y′)為F點(diǎn)在原X0Y坐標(biāo)中的值，于是F′(x′,y′)和F(x，y)可建立以下參數(shù)關(guān)系

圖4 嫁接苗截面輪廓Fig.4 Grafted seedling cross-section profile

(1)

設(shè)橢圓方程為：

(2)

(3)

將式(1)代入式(2)，同時(shí)由圖4所示的幾何關(guān)系映射出的值A(chǔ)是橢圓輪廓的2條切線，因此x的解唯一，求得：

(4)

根據(jù)橢圓長(zhǎng)軸、短軸和橢圓率之間的關(guān)系得到長(zhǎng)軸(Dl)和短軸(DS)的數(shù)值。

Dl=

(5)

DS=ρDl

(6)

式(5)、(6)即為已知量實(shí)測(cè)投影距離(A)、子葉旋轉(zhuǎn)角(β)和苗莖橢圓率(ρ)與未知量長(zhǎng)軸(Dl)和短軸(DS)之間的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)以上數(shù)據(jù)構(gòu)建視覺(jué)采集系統(tǒng)的參數(shù)，同時(shí)西瓜苗與葫蘆苗檢測(cè)時(shí)只需改變預(yù)置的橢圓率值即可求得苗莖長(zhǎng)軸(Dl)和短軸(DS)的數(shù)值。

2.2PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)自動(dòng)上苗控制系統(tǒng)硬件的組成主要包括LED光源、工業(yè)相機(jī)、鏡頭、PC工控機(jī)、FX3U系列PLC、機(jī)械臂、末端執(zhí)行器和位置傳感器等。其中視覺(jué)和PLC主要的硬件選型：恒新科技公司HX-U300系列的CMOS彩色相機(jī)、鏡頭焦距6～10 mm；PLC選擇三菱FX3U-48MT PLC帶晶體管進(jìn)行伺服機(jī)械手控制。

PLC控制系統(tǒng)是蔬菜嫁接機(jī)自動(dòng)上苗裝置控制系統(tǒng)的核心，首先按照自動(dòng)上苗的動(dòng)作任務(wù)分解和農(nóng)藝要求，制定自動(dòng)上苗系統(tǒng)的控制方案和控制方式，并進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的設(shè)定，按照視覺(jué)檢測(cè)和農(nóng)藝要求完成控制任務(wù)。整個(gè)PLC系統(tǒng)控制包括圖像采集和PLC機(jī)械手取苗動(dòng)作，控制流程如圖5所示。首先，機(jī)器視覺(jué)攝影頭采集嫁接苗前視圖和俯視圖，然后進(jìn)行圖像處理，獲取前視直徑(D)和旋轉(zhuǎn)角(β)，計(jì)算砧木和接穗橢圓長(zhǎng)短軸值。經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行砧木和接穗匹配，獲取配對(duì)苗木位置信息，發(fā)出信息進(jìn)行取苗，機(jī)械手完成取苗動(dòng)作，對(duì)不合格苗木進(jìn)行篩選處理。

圖5 PLC系統(tǒng)控制流程Fig.5 PLC system control flow chart

2.3人機(jī)界面的設(shè)計(jì)為了使嫁接機(jī)自動(dòng)上苗的操作更為直觀、方便，控制系統(tǒng)的人機(jī)界面采用VS2016環(huán)境下設(shè)計(jì)的機(jī)器視覺(jué)軟件系統(tǒng)界面，該系統(tǒng)主要包括圖像的采集、圖像處理和計(jì)算結(jié)果3個(gè)功能。系統(tǒng)界面包括接穗砧木2個(gè)實(shí)時(shí)畫面窗口，以及采集的砧木和接穗經(jīng)計(jì)算處理得到的2組苗徑參數(shù)窗口，并創(chuàng)建采集、確定、配對(duì)和上苗4個(gè)功能(圖6)。主視圖攝像頭實(shí)時(shí)顯示接穗和砧木的前視圖監(jiān)控畫面，計(jì)算機(jī)根據(jù)前方信號(hào)采集圖片進(jìn)行處理，根據(jù)實(shí)測(cè)投影(A)和子葉角度(β)進(jìn)行苗徑的計(jì)算，并進(jìn)行配對(duì)上苗給下位機(jī)PLC指導(dǎo)機(jī)械手進(jìn)行取苗。同時(shí)軟件以.txt文本的格式保留處理結(jié)果，如苗莖數(shù)據(jù)、植株高度、子葉展開角等信息，以便試驗(yàn)后的統(tǒng)計(jì)分析。

圖6 機(jī)器視覺(jué)苗徑采集系統(tǒng)Fig.6 Machine vision seedling diameter acquisition system

3 系統(tǒng)驗(yàn)證試驗(yàn)

為了測(cè)試視覺(jué)系統(tǒng)和上苗控制系統(tǒng)的功能特性，選用5×10穴盤對(duì)接穗和砧木進(jìn)行培育，其中接穗采用京欣1號(hào)，砧木采用浙蒲2號(hào)，并對(duì)穴盤苗人工尺寸參數(shù)進(jìn)行測(cè)量(圖7)和自動(dòng)上苗控制系統(tǒng)進(jìn)行上苗的控制(圖8)。

圖7 嫁接苗參數(shù)的測(cè)量Fig.7 Measurement of grafting seedling parameters

圖8 自動(dòng)取苗機(jī)械手Fig.8 Automatic seedling extraction manipulator

4 結(jié)論

該系統(tǒng)以VS2016環(huán)境下設(shè)計(jì)的機(jī)器視覺(jué)軟件系統(tǒng)界面為上位機(jī)、三菱FX3U-48MT PLC為下位機(jī)，利用機(jī)器視覺(jué)采集嫁接苗的參數(shù)信息進(jìn)行圖像處理，引導(dǎo)PLC完成機(jī)械手進(jìn)行取苗控制。研究結(jié)果證明，該系統(tǒng)視覺(jué)檢測(cè)能引導(dǎo)機(jī)械進(jìn)行上苗動(dòng)作，且砧木、接穗橢圓長(zhǎng)軸和人工檢測(cè)長(zhǎng)軸的誤差率大概在6.9%和6.6%，自動(dòng)上苗控制系統(tǒng)工作速度穩(wěn)定，可滿足農(nóng)藝設(shè)計(jì)的要求。