王 超 李永磊 宋建農(nóng) 馬榮華 劉彩玲 李方林

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 北京 100083； 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部土壤-機(jī)器-植物系統(tǒng)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100083)

0 引言

目前我國(guó)蔬菜移栽機(jī)作業(yè)時(shí)仍需人工完成供盤、取投苗等操作，勞動(dòng)力強(qiáng)度大，人工成本較高，受人工操作速度限制，作業(yè)效率低[1-2]，影響了蔬菜生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益和產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展[3]。研發(fā)自動(dòng)化裝置代替人工完成有序供盤和高速取苗作業(yè)，可提高栽植效率、降低人工依賴[4-7]，推進(jìn)蔬菜生產(chǎn)機(jī)械化、自動(dòng)化發(fā)展[8]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)供盤、取苗裝置及其控制系統(tǒng)進(jìn)行了廣泛研究[9-23]。梁高震等[21]設(shè)計(jì)了一種穴盤苗移栽機(jī)自動(dòng)送盤機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)穴盤自動(dòng)化送入取苗輸送裝置。HUANG等[24]提出了兩種在移栽機(jī)應(yīng)用的供盤方法，但作業(yè)效率有限。意大利Ferrari公司移栽機(jī)采用機(jī)電氣技術(shù)結(jié)合的成排頂夾式取苗和兩級(jí)分投苗裝置，整機(jī)結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)較復(fù)雜，價(jià)格昂貴。魏新華等[25]研制的全自動(dòng)移栽機(jī)運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了送苗、取苗和栽植動(dòng)作驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分離后協(xié)調(diào)同步配合，但當(dāng)作業(yè)速度高于40株/min時(shí)，機(jī)械手取/放苗速度跟不上栽植速度，投苗成功率明顯降低。胡建平等[26]基于可編程控制器(PLC)設(shè)計(jì)了一種整排取苗間隔投苗控制系統(tǒng)，但隨著栽植頻率從40株/min增至70株/min，投苗失敗率升高，取投苗綜合成功率下降。文永雙等[27]設(shè)計(jì)了缽苗檢測(cè)與缺苗補(bǔ)償系統(tǒng)，降低投苗失敗對(duì)漏栽率影響，提高了移栽作業(yè)質(zhì)量，單行栽植頻率達(dá)80株/min。

取苗作業(yè)高速化是實(shí)現(xiàn)高速移栽關(guān)鍵和前提，筆者設(shè)計(jì)了氣動(dòng)下壓式高速取苗裝置及配套組合式穴盤[28]，實(shí)現(xiàn)了120株/min高速取苗作業(yè)。為實(shí)現(xiàn)有序供盤自動(dòng)化作業(yè)，研發(fā)了供盤機(jī)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上集成有序供盤、連續(xù)送盤、高速取苗、栽植鎮(zhèn)壓等作業(yè)工序，研制了氣動(dòng)下壓式高速移栽機(jī)。

針對(duì)氣動(dòng)下壓式高速移栽機(jī)有序供盤和高速取苗自動(dòng)控制需求，本文基于Arduino微控制器設(shè)計(jì)該移栽機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)，以苗盤位置和苗盤位移為主要控制條件，根據(jù)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)參數(shù)匹配關(guān)系確定供盤速度、取苗間隔控制方法，建立有序供盤、高速取投苗兩個(gè)有限狀態(tài)機(jī)，基于動(dòng)態(tài)時(shí)間片輪詢算法設(shè)計(jì)控制流程，以期實(shí)現(xiàn)高速移栽機(jī)有序供盤、高速取投苗作業(yè)過程自動(dòng)控制。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 氣動(dòng)下壓式高速移栽機(jī)

氣動(dòng)下壓式高速移栽機(jī)(以下簡(jiǎn)稱高速移載機(jī))主要由供盤機(jī)構(gòu)、送盤機(jī)構(gòu)、取投苗機(jī)構(gòu)、栽植機(jī)構(gòu)、地輪、控制系統(tǒng)等組成(圖1)。其中供盤機(jī)構(gòu)、送盤機(jī)構(gòu)、取投苗機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)有序供盤、高速取投苗關(guān)鍵裝置(圖2)。

圖1 氣動(dòng)下壓式高速移栽機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of pneumatic ejecting type high-speed transplanter1.供盤機(jī)構(gòu) 2.送盤機(jī)構(gòu) 3.取投苗機(jī)構(gòu) 4.控制柜 5.地輪 6.栽植機(jī)構(gòu) 7.鎮(zhèn)壓輪

圖2 供盤、送盤與取投苗機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖(機(jī)架隱藏)Fig.2 Structure diagram of devices of orderly tray supplying, tray feeding, and seedling ejecting and dropping (rack hidden)1.步進(jìn)電機(jī)M1 2.供盤鏈 3.托盤 4.吊線 5.推盤氣缸 6.供盤位置傳感器SQ3 7.托盤堆積架 8.托盤初始位置傳感器SQ1 9.苗盤脫離位置傳感器SQ2 10.送盤鏈 11.送盤鏈輪 12.取苗單體 13.送盤底板 14.第1取苗位置傳感器SQ4 15.投苗斗 16.空盤架 17.旋轉(zhuǎn)編碼器RE

供盤機(jī)構(gòu)主要包括步進(jìn)電機(jī)、供盤鏈、托盤、推盤氣缸等。送盤機(jī)構(gòu)主要包括送盤鏈輪、送盤鏈和送盤底板，其動(dòng)力來源于地輪轉(zhuǎn)動(dòng)。取投苗機(jī)構(gòu)主要包括安裝架、6組取苗單體和投苗斗等，取苗單體由取苗氣缸和頂苗器組成，每個(gè)氣缸由單獨(dú)電磁閥控制。栽植機(jī)構(gòu)主要包括偏心圓盤驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和吊杯栽植器?？刂葡到y(tǒng)包括苗盤位移監(jiān)測(cè)、有序供盤、高速取苗等任務(wù)模塊，供盤送盤有序銜接、送盤取苗精準(zhǔn)配合是自動(dòng)控制系統(tǒng)主要控制內(nèi)容?？刂葡到y(tǒng)采用4個(gè)光電接近開關(guān)傳感器SQ1～SQ4和1個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼器RE實(shí)時(shí)獲取托盤位置、苗盤位置和苗盤位移等信息。

1.2 工作原理

作業(yè)前自動(dòng)控制系統(tǒng)初始化并復(fù)位托盤至初始位置，人工將一批次(3個(gè))無底苗盤[28]逐個(gè)放置到托盤上，按下啟動(dòng)按鈕，高速移栽機(jī)由動(dòng)力機(jī)械牽引前進(jìn)，地輪驅(qū)動(dòng)栽植機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)送盤鏈輪旋轉(zhuǎn)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)送盤鏈連續(xù)運(yùn)動(dòng)，地輪、栽植機(jī)構(gòu)、送盤機(jī)構(gòu)三者同步運(yùn)動(dòng)。

高速移栽機(jī)按有序供盤、連續(xù)送盤、高速取投苗、栽植和鎮(zhèn)壓等作業(yè)工序完成高速移栽作業(yè)，工作流程如圖3所示。有序供盤：推盤氣缸伸出推送苗盤至送盤機(jī)構(gòu)，當(dāng)苗盤最后一穴孔即將脫離托盤時(shí)，M1驅(qū)動(dòng)供盤鏈帶動(dòng)托盤下降，下一托盤及時(shí)到達(dá)供盤位置(對(duì)齊送盤底板位置)并定位保持，開始下次供盤。連續(xù)送盤：送盤鏈帶動(dòng)苗盤連續(xù)移向取苗位置。高速取投苗：苗盤某列穴孔到達(dá)第1取苗位置時(shí)，各行取苗單體針對(duì)連續(xù)運(yùn)動(dòng)的穴孔逐行間隔伸出，帶動(dòng)頂苗器下壓推出穴盤苗后復(fù)位；穴盤苗在慣性和重力作用下經(jīng)投苗斗導(dǎo)向快速下落投入栽植機(jī)構(gòu)吊杯。栽植鎮(zhèn)壓：栽植機(jī)構(gòu)在地輪驅(qū)動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)完成栽植作業(yè)，鎮(zhèn)壓輪完成鎮(zhèn)壓。

圖3 高速移栽機(jī)工作流程圖Fig.3 Working flow chart of high-speed transplanter

1.3 控制方案

控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。控制系統(tǒng)以Arduino控制器為處理核心，完成信號(hào)實(shí)時(shí)檢測(cè)、處理，實(shí)現(xiàn)作業(yè)過程自動(dòng)控制。送盤鏈輪軸隨地輪轉(zhuǎn)動(dòng)同步旋轉(zhuǎn)，苗盤位移監(jiān)測(cè)模塊采用1個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼器RE連接在送盤鏈輪軸端監(jiān)測(cè)其轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)時(shí)獲取苗盤位移脈沖信息。有序供盤模塊采用2個(gè)按鈕(SBW、SBS)獲取啟停狀態(tài)信息SWS，3個(gè)光電接近開關(guān)傳感器SQ1～SQ3分別獲取托盤初始位置信息S1、苗盤脫離信息S2和供盤位置信息S3。供盤位置處苗盤和托盤觸發(fā)SQ2和SQ3，S2、S3置1，執(zhí)行供盤指令：M1定位保持，推盤氣缸伸出延時(shí)2 s后復(fù)位，推送苗盤至送盤機(jī)構(gòu)。當(dāng)苗盤隨送盤鏈前移即將脫離托盤時(shí)SQ2復(fù)位，S2置0，執(zhí)行托盤下降指令：根據(jù)供盤速度與送盤速度協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)關(guān)系控制器實(shí)時(shí)計(jì)算并輸出脈沖，實(shí)時(shí)控制供盤速度驅(qū)動(dòng)下一個(gè)托盤下降至供盤位置并定位保持，再次執(zhí)行供盤指令，實(shí)現(xiàn)有序供盤作業(yè)。高速取苗模塊采用1個(gè)微動(dòng)行程開關(guān)傳感器SQ4獲取第1取苗位置信息S4，與旋轉(zhuǎn)編碼器RE實(shí)時(shí)獲取的苗盤位移脈沖信息配合，根據(jù)取苗間隔-苗盤位移參數(shù)匹配關(guān)系實(shí)現(xiàn)各取苗單體逐行對(duì)應(yīng)最佳取苗位置間隔高速取苗，最終實(shí)現(xiàn)有序供盤和高速取苗作業(yè)過程自動(dòng)控制。適配電源模塊為各電氣元件供電(DC 24 V、7 V和5 V)，空氣壓縮機(jī)經(jīng)減壓閥為氣動(dòng)部件提供高壓氣體(0.3 MPa)。

圖4 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram of control system

控制系統(tǒng)綜合各信息判斷當(dāng)前供盤和取苗作業(yè)狀態(tài)，根據(jù)控制策略執(zhí)行相關(guān)指令控制步進(jìn)電機(jī)、推盤氣缸和取苗氣缸動(dòng)作，控制策略如表1所示。

表1 有序供盤與高速取苗作業(yè)狀態(tài)與控制策略Tab.1 Working states and control strategy of orderly supply and high-speed seedling ejecting

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

Arduino Mega 2560微控制器具有54路數(shù)字輸入/輸出端口，其中15個(gè)端口可以輸出PWM脈沖，工作頻率為16 MHz，單周期指令執(zhí)行時(shí)間達(dá)到微秒級(jí)別，能夠滿足多任務(wù)自動(dòng)控制系統(tǒng)搭建需求?？刂葡到y(tǒng)硬件組成如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)硬件組成Fig.5 Hardware composition of control system

2.2 Arduino主控制系統(tǒng)

Arduino主控制系統(tǒng)配電原理如圖6所示，SBE指急停開關(guān)，KA指中間繼電器，HL指電源指示燈，SBP指電源按鈕，OR1～OR8指光耦隔離繼電器，IN1～I(xiàn)N8為對(duì)應(yīng)光耦隔離繼電器控制輸入端，YV1～YV6、YVT為二位五通電磁閥，HG為啟動(dòng)狀態(tài)指示燈，LR為暫停狀態(tài)指示燈，MA860C為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，M1指步進(jìn)電機(jī)。電路原理如圖7所示?？刂葡到y(tǒng)通過實(shí)時(shí)檢測(cè)并處理按鈕、各傳感器和旋轉(zhuǎn)編碼器信息，根據(jù)控制策略完成步進(jìn)電機(jī)M1、推盤氣缸、各取苗氣缸等部件的運(yùn)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)有序供盤和高速取苗作業(yè)。

圖6 控制系統(tǒng)配電原理圖Fig.6 Power distribution diagram of control system

圖7 控制系統(tǒng)電路原理圖Fig.7 Electrical schematic of control system

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 控制流程

為實(shí)現(xiàn)苗盤位移檢測(cè)、有序供盤和高速取苗多任務(wù)在不同時(shí)間尺度上“并發(fā)”執(zhí)行自動(dòng)控制和建立清晰靈活程序結(jié)構(gòu)[29]，本文將苗盤位移監(jiān)測(cè)任務(wù)模塊設(shè)置為中斷任務(wù)，對(duì)有序供盤和高速取苗任務(wù)模塊建立有限狀態(tài)機(jī)，并按邏輯順序排成隊(duì)列，基于動(dòng)態(tài)時(shí)間片輪詢算法設(shè)計(jì)控制流程(圖8)，減少任務(wù)進(jìn)程切換次數(shù)和空閑等待時(shí)間，提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)響應(yīng)性能[30]。

圖8 融合有限狀態(tài)機(jī)和中斷任務(wù)動(dòng)態(tài)時(shí)間片輪詢算法控制流程圖Fig.8 Control flow chart of polling algorithm based on dynamic time-slicing integrated with FSMs and interrupt task

3.2 苗盤位移監(jiān)測(cè)模塊

根據(jù)旋轉(zhuǎn)編碼器RE的B相信號(hào)判斷旋轉(zhuǎn)方向，A相脈沖下降沿觸發(fā)中斷，在中斷任務(wù)中對(duì)A相脈沖累積計(jì)數(shù)實(shí)時(shí)獲取苗盤位移信息，控制流程圖如圖9所示。

圖9 苗盤位移監(jiān)測(cè)任務(wù)模塊控制流程Fig.9 Control flow chart of seedling tray distance monitoring task module

3.3 有序供盤任務(wù)模塊

3.3.1供盤速度控制方法

為實(shí)現(xiàn)有序供盤與連續(xù)送盤銜接，根據(jù)供盤速度vgp與送盤速度vsp的協(xié)調(diào)關(guān)系，可得供盤速度vgp計(jì)算式為

(1)

其中

式中Hjj——托盤間距，取210 mm

Ltl——苗盤脫離位置到留出下次供盤空間的距離，取65 mm

nsp——送盤鏈輪軸轉(zhuǎn)速，r/min

Dsp——送盤鏈輪分度圓直徑，取76.35 mm

Nzl——旋轉(zhuǎn)編碼器RE脈沖計(jì)數(shù)值增量

RRE——旋轉(zhuǎn)編碼器RE分辨率，取1 000 P/r

p1——ts1結(jié)束時(shí)旋轉(zhuǎn)編碼器RE脈沖計(jì)數(shù)值

p0——ts1開始時(shí)旋轉(zhuǎn)編碼器RE脈沖計(jì)數(shù)值

根據(jù)式(1)可得

(2)

M1實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速nm計(jì)算式為

(3)

式中imt——步進(jìn)電機(jī)到供盤鏈輪軸的傳動(dòng)比，取1

Dgp——供盤鏈輪分度圓直徑，取73.14 mm

M1實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)頻率fm(Hz)計(jì)算式為

(4)

式中Rmd——M1驅(qū)動(dòng)器細(xì)分?jǐn)?shù)，取1 600

3.3.2有序供盤任務(wù)模塊有限狀態(tài)機(jī)

有序供盤任務(wù)模塊控制流程如圖10所示。圖中pj記錄最后一個(gè)苗盤即將脫離托盤時(shí)刻脈沖計(jì)數(shù)值。

圖10 有序供盤任務(wù)模塊控制流程圖Fig.10 Control flow chart of orderly tray supplying task module

根據(jù)作業(yè)原理，有序供盤任務(wù)模塊5個(gè)狀態(tài)及對(duì)應(yīng)子任務(wù)見表2，執(zhí)行相應(yīng)子任務(wù)指令控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)和供盤氣缸動(dòng)作。表3給出了該任務(wù)模塊有限狀態(tài)機(jī)事件，建立有序供盤任務(wù)模塊有限狀態(tài)機(jī)(圖11)。

圖11 有序供盤任務(wù)模塊有限狀態(tài)機(jī)狀態(tài)遷移圖Fig.11 State transition diagram of FSM model of orderly tray supplying task module

表2 有序供盤任務(wù)模塊狀態(tài)及對(duì)應(yīng)子任務(wù)Tab.2 States and corresponding sub-tasks of orderly tray supplying task module

表3 有序供盤任務(wù)模塊中的事件Tab.3 Events in orderly tray supplying task module

3.4 高速取苗任務(wù)模塊

3.4.1取苗間隔控制方法

當(dāng)某列穴盤側(cè)筋觸發(fā)SQ4時(shí)，S4置1，該列第1行穴孔到達(dá)第1取苗位置，第1行取苗單體驅(qū)動(dòng)頂苗器下壓推出穴盤苗(圖12a)；從該位置起苗盤位移等于B時(shí)，該列第2行穴孔到達(dá)第2取苗位置，第2行取苗單體下壓推出穴盤苗(圖12b)；以此類推至第6行取苗單體取苗結(jié)束后，S4置0，等待下一列穴盤側(cè)筋觸發(fā)SQ4，以消除苗盤連續(xù)運(yùn)動(dòng)累積誤差，開始下一列穴孔逐行高速取苗作業(yè)。相鄰行取苗位置之間苗盤位移為固定值，即其對(duì)應(yīng)脈沖增量是固定值，故實(shí)現(xiàn)高速取苗間隔與苗盤位移同步，關(guān)鍵在于實(shí)時(shí)精準(zhǔn)獲取各行穴孔到達(dá)對(duì)應(yīng)行取苗位置時(shí)機(jī)。從第1取苗位置開始，苗盤位移等于相鄰行取苗位置縱向間距時(shí)對(duì)應(yīng)脈沖設(shè)定值Npul計(jì)算式為

圖12 高速取苗原理圖Fig.12 Schematics of high-speed seedling ejecting sequence mechanism1.安裝板 2.當(dāng)前作業(yè)取苗單體取苗氣缸 3.當(dāng)前作業(yè)取苗單體頂苗器 4.當(dāng)前作業(yè)被下壓推出穴盤苗 5.無底穴盤 6.第1取苗位置傳感器SQ4 7.穴盤側(cè)筋

(5)

式中d——相鄰行取苗位置縱向間距，取7.5 mm

每到達(dá)一個(gè)取苗位置，控制系統(tǒng)重新判斷苗盤位移對(duì)應(yīng)脈沖增量是否超過該設(shè)定值，以獲取下一行取苗位置到達(dá)和取苗單體作業(yè)時(shí)機(jī)，控制取苗間隔隨送盤速度變化而變化，以適應(yīng)不同的移栽機(jī)前進(jìn)速度。圖12中j為當(dāng)前取苗位置頂苗器后端與穴孔內(nèi)壁間距，理論值(3±2) mm；r為相鄰取苗位置橫向間距，45 mm。

3.4.2高速取苗任務(wù)模塊有限狀態(tài)機(jī)

采用1個(gè)微動(dòng)行程開關(guān)SQ4獲取各列穴孔第1取苗位置，以旋轉(zhuǎn)編碼器RE實(shí)時(shí)獲取苗盤位移脈沖，通過二者配合完成各取苗單體逐行在最佳取苗位置間隔取苗，實(shí)現(xiàn)取苗間隔隨送盤速度變化而變化，適應(yīng)不同移栽機(jī)前進(jìn)速度下高速取苗作業(yè)，控制流程如圖13所示。Nqm記錄當(dāng)前取苗位置瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)編碼器RE脈沖計(jì)數(shù)值p，nqm為取苗單體行序數(shù)。

圖13 高速取苗任務(wù)模塊控制流程圖Fig.13 Control flow chart of high-speed seedling ejecting task

該任務(wù)3個(gè)作業(yè)狀態(tài)及對(duì)應(yīng)子任務(wù)如表4所示。表5給出了該任務(wù)控制過程中的事件，建立高速取苗任務(wù)模塊有限狀態(tài)機(jī)狀態(tài)遷移圖(圖14)。

圖14 高速取苗任務(wù)模塊有限狀態(tài)機(jī)狀態(tài)遷移圖Fig.14 State transition diagram of FSM model of high-speed seedling ejecting task

表4 高速取苗任務(wù)模塊狀態(tài)及對(duì)應(yīng)子任務(wù)Tab.4 Sates and corresponding sub-tasks of high-speed seedling ejecting task module

表5 高速取苗任務(wù)模塊有限狀態(tài)機(jī)中事件Tab.5 Events in FSM model of high-speed seedling ejecting task module

4 控制系統(tǒng)準(zhǔn)確性試驗(yàn)

為了在送盤速度均勻穩(wěn)定情況下開展控制準(zhǔn)確性試驗(yàn)，斷開栽植機(jī)構(gòu)與送盤機(jī)構(gòu)之間鏈傳動(dòng)，由送盤步進(jìn)電機(jī)(86CM45)驅(qū)動(dòng)送盤鏈輪軸，如圖15所示，在供盤機(jī)構(gòu)上橫架安裝激光傳感器(TM60型，精度1 mm)，測(cè)量托盤3(最上層托盤)從上一個(gè)定位保持位置運(yùn)動(dòng)到供盤位置位移。用高速攝像機(jī)(Phantom V9.1型)拍攝6個(gè)時(shí)序取苗位置，之后在PCC軟件內(nèi)使用“Measurement”功能測(cè)量從第1時(shí)序到第2～6時(shí)序取苗位置位移。以取苗頻率為試驗(yàn)因素，取90、120、150株/min 3個(gè)水平，設(shè)置對(duì)應(yīng)送盤步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速，評(píng)價(jià)其對(duì)供盤位置和取苗位置控制準(zhǔn)確性的影響，允許相對(duì)誤差和相對(duì)誤差計(jì)算式為

圖15 供盤及取苗位置準(zhǔn)確性試驗(yàn)Fig.15 Accuracy test of tray supplying and seedling ejecting positions1.激光傳感器 2.高速攝像機(jī) 3.補(bǔ)光燈 4.控制系統(tǒng)柜 5.計(jì)算機(jī) 6.送盤電機(jī)啟停按鈕 7.送盤電機(jī) 8.高速移栽機(jī) 9.空壓機(jī)

(6)

(7)

式中 [E]——允許相對(duì)誤差，%

[e]——允許誤差，mm

x——測(cè)量位移，mm

x0——理論位移，mm

E——相對(duì)誤差，%

4.1 供盤位置控制準(zhǔn)確性試驗(yàn)

如圖16所示，供盤位置上、下極限允許誤差[egp]為3 mm，單次供盤理論位移等于托盤間距Hjj，由式(6)計(jì)算供盤位置允許相對(duì)誤差為1.43%。采用激光位移傳感器，測(cè)量托盤從上一個(gè)定位保持位置運(yùn)動(dòng)到供盤位置位移，根據(jù)式(7)計(jì)算相對(duì)誤差。每個(gè)取苗頻率每批有序供盤試驗(yàn)重復(fù)3次，試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。供盤位置相對(duì)誤差最大1.27%，滿足供盤位置控制準(zhǔn)確性要求。

圖16 供盤位置允許誤差示意圖Fig.16 Schematics of the allowable error of tray supplying position1.托盤 2.無底穴盤 3.撥桿 4.穴盤側(cè)筋 5.送盤鏈 6.送盤底板 7.送盤從動(dòng)鏈輪

表6 供盤位置相對(duì)誤差Tab.6 Relative error of tray supplying position of each pallet

4.2 取苗位置控制準(zhǔn)確性試驗(yàn)

如圖17所示，取苗位置前、后極限允許誤差[eqm]為2 mm，第1時(shí)序至第2時(shí)序取苗位置苗盤理論位移為相鄰行取苗位置縱向間距d，至第3時(shí)序取苗位置苗盤理論位移為2d，以此類推，至第6時(shí)序取苗位置苗盤理論位移為5d，由式(6)計(jì)算各時(shí)序取苗位置允許相對(duì)誤差為26.66%，第2～6時(shí)序取苗位置累積允許相對(duì)誤差分別為26.66%、13.33%、8.89%、6.67%和5.33%。采用高速攝像拍攝高速取苗作業(yè)過程，在PCC軟件中測(cè)量相鄰時(shí)序取苗位置苗盤位移，根據(jù)式(7)計(jì)算相對(duì)誤差。每個(gè)取苗頻率高速取苗試驗(yàn)重復(fù)3次，試驗(yàn)結(jié)果如表7所示，取苗位置相對(duì)誤差最大為12.85%，第2～6時(shí)序取苗位置最大累積相對(duì)誤差分別為11.85%、5.63%、4.25%、1.94%和2.44%(表8)，滿足取苗位置控制準(zhǔn)確性要求。

圖17 取苗位置允許誤差示意圖Fig.17 Schematic of allowable error of seedling ejecting position1.無底穴盤 2.穴盤苗 3.頂苗器

表7 各時(shí)序取苗位置相對(duì)誤差Tab.7 Relative errors of each seedling ejecting position

表8 第2～6時(shí)序取苗位置累積相對(duì)誤差Tab.8 Cumulative relative errors of 2nd to 6th seedling ejecting position

5 高速移栽機(jī)性能試驗(yàn)

5.1 試驗(yàn)條件

為了綜合考察高速移栽機(jī)在自動(dòng)控制系統(tǒng)作用下有序供盤、高速取苗作業(yè)效果，在中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部土壤-機(jī)器-植物系統(tǒng)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室土槽開展綜合性能試驗(yàn)。試驗(yàn)前土槽經(jīng)過旋耕作業(yè)處理，表面平整無雜物。試驗(yàn)材料為“國(guó)福419”辣椒苗，采用有機(jī)營(yíng)養(yǎng)育苗基質(zhì)培育，泥炭、珍珠巖和蛭石體積配比為3∶1∶1，苗齡45 d，苗高為(141±11) mm，展寬為(110±12) mm，真葉數(shù)為(9±1)葉，如圖18所示，基質(zhì)含水率為63.37%～75.63%。

圖18 試驗(yàn)用苗盤Fig.18 Bottomless tray with pepper seedlings for test

5.2 試驗(yàn)方案

根據(jù)有序供盤高速取苗作業(yè)動(dòng)作流程，將供盤成功率Y1、取苗成功率Y2、投苗成功率Y3和綜合成功率Y4作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，計(jì)算式為

(8)

(9)

(10)

Y4=Y1Y2Y3

(11)

式中N1——供盤次數(shù)，次

N2——供盤成功次數(shù)，次

N3——單次試驗(yàn)缽苗株數(shù)，株

N4——取苗成功株數(shù)，株

N5——投苗入杯成功株數(shù)，株

高速移栽機(jī)如圖19所示，托盤復(fù)位到初始位置后，選取3個(gè)苗盤依次放入供盤機(jī)構(gòu)托盤。按下啟動(dòng)按鈕，對(duì)應(yīng)3種不同取苗頻率(90、120、150株/min)設(shè)定土槽車牽引速度(1.62、2.16、2.70 km/h)牽引高速移栽機(jī)前進(jìn)。因土槽有效測(cè)試長(zhǎng)度限制，連續(xù)取完一盤苗為一次試驗(yàn)，每次試驗(yàn)重復(fù)3次，共計(jì)108株穴盤苗。

圖19 高速移栽機(jī)Fig.19 High-speed transplanter1.供盤機(jī)構(gòu) 2.送盤機(jī)構(gòu) 3.取投苗機(jī)構(gòu) 4.控制柜 5.栽植機(jī)構(gòu) 6.地輪 7.鎮(zhèn)壓輪

5.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

當(dāng)取苗頻率為90株/min時(shí)移栽作業(yè)效果如圖20所示，試驗(yàn)結(jié)果如表9所示。由表9可知，隨著栽植頻率從90株/min增至150株/min，綜合成功率從98.15%降至95.37%。主要影響因素是投苗成功率隨著栽植頻率提高而下降，其原因是吊杯運(yùn)動(dòng)速度越來越快，完成單次投苗入杯時(shí)間越來越短，投苗速度、時(shí)機(jī)、軌跡不變的情況下，投苗運(yùn)動(dòng)和吊杯運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)關(guān)系發(fā)生變化，造成高速運(yùn)動(dòng)吊杯經(jīng)過投苗斗下方時(shí)，部分穴盤苗未投入苗杯導(dǎo)致投苗失敗。

圖20 取苗頻率90株/min時(shí)移栽作業(yè)效果Fig.20 Transplanting effect at 90 plants/min1.土槽牽引臺(tái)車 2.高速移栽機(jī) 3.穴盤苗

表9 有序供盤和高速取苗時(shí)序綜合性能試驗(yàn)結(jié)果Tab.9 Results of performance test of high-speed transplanter at different frequencies of ejecting seedlings

6 結(jié)論

(1)提出了融合多有限狀態(tài)機(jī)和中斷任務(wù)的動(dòng)態(tài)時(shí)間片輪詢算法控制流程，基于Arduino設(shè)計(jì)了高速移栽機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)，包括苗盤位移監(jiān)測(cè)、有序供盤、高速取苗等任務(wù)模塊。

(2)自動(dòng)控制系統(tǒng)以苗盤位置和苗盤位移為主要控制條件，根據(jù)供盤速度-送盤速度、取苗間隔-苗盤位移協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)關(guān)系確定供盤速度和取苗間隔控制方法，建立有序供盤、高速取苗兩個(gè)有限狀態(tài)機(jī)，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)供盤、推盤氣缸推盤和取苗氣缸取苗動(dòng)作同步協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)供盤送盤有序銜接，送盤取苗精準(zhǔn)配合。

(3)以供盤位置準(zhǔn)確度和取苗位置準(zhǔn)確度為指標(biāo)開展控制系統(tǒng)運(yùn)行準(zhǔn)確性試驗(yàn)，結(jié)果表明高速取苗時(shí)(90～150株/min)，供盤位置最大相對(duì)誤差1.27%，取苗位置最大相對(duì)誤差12.85%，第2～6時(shí)序取苗位置最大累積相對(duì)誤差分別為11.85%、5.63%、4.25%、1.94%和2.44%，均在允許誤差范圍內(nèi)，滿足作業(yè)要求。

(4)采用45 d苗齡的無底穴盤辣椒苗為試驗(yàn)對(duì)象，在不同栽植頻率下進(jìn)行有序供盤和高速取苗性能試驗(yàn)，結(jié)果表明：該控制系統(tǒng)運(yùn)行正常，實(shí)現(xiàn)了有序供盤和高速取苗作業(yè)過程自動(dòng)控制，當(dāng)栽植頻率為90～150株/min時(shí)，供盤成功率、取苗成功率為100%，投苗成功率不小于94.44%，隨著栽植頻率增大綜合成功率從98.15%降至95.37%，滿足高速移栽機(jī)作業(yè)性能要求。