崔永杰 朱玉桃 馬 利 丁辛亭,3 曹丹丹 何 智

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，陜西楊凌 712100；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西楊凌 712100；3.陜西省農(nóng)業(yè)信息感知與智能服務(wù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西楊凌 712100)

0 引言

穴盤育苗是20世紀(jì)80年代引入我國(guó)的一種適合于工廠化生產(chǎn)的幼苗培育技術(shù)，我國(guó)蔬菜育苗產(chǎn)業(yè)約有2/3采用穴盤育苗方式種植[1-3]。穴盤育苗時(shí)由于種子品質(zhì)、播種精度等因素形成5%～20%的缺苗穴孔，導(dǎo)致穴孔利用率低，影響后續(xù)機(jī)械化批量移栽和成品苗質(zhì)量[4-5]。為提高穴盤苗品質(zhì)，需要剔除缺苗穴孔內(nèi)缽體基質(zhì)，補(bǔ)入健康的幼苗。目前，穴盤育苗剔補(bǔ)苗工作主要由人工完成，工作效率低，幼苗損傷率高，移栽質(zhì)量差[6]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)剔補(bǔ)苗移栽機(jī)械開展了大量研究[2,7-11]。隨著取苗末端執(zhí)行器的不斷改進(jìn)和優(yōu)化，移栽補(bǔ)入健康幼苗時(shí)缽體破碎率已小于1%[12]，是因?yàn)橛忻缋忬w根莖包絡(luò)基質(zhì)在穴孔內(nèi)形成根土復(fù)合體，在補(bǔ)苗作業(yè)中可以保持良好的缽體完整性。

然而，缺苗穴孔內(nèi)缽體基質(zhì)沒有幼苗根莖，具有松散易碎的特性，一般夾持式和插入式取苗末端執(zhí)行器剔除基質(zhì)時(shí)都會(huì)造成缽體破碎導(dǎo)致基質(zhì)殘留問(wèn)題。為了提高缺苗基質(zhì)的剔凈率，童俊華等[13]設(shè)計(jì)了一種指鏟式末端執(zhí)行器，通過(guò)增大指鏟與穴孔內(nèi)基質(zhì)的接觸面積，減少穴孔內(nèi)基質(zhì)的殘留，平均剔凈率達(dá)到70.8%。然而，剔除缺苗基質(zhì)質(zhì)量小于原缽體質(zhì)量70%時(shí)，殘留基質(zhì)會(huì)阻礙健康幼苗的補(bǔ)入，不利于后期生長(zhǎng)管理[9]。氣吸式基質(zhì)剔除過(guò)程中受到穴盤不透明的因素影響，難以可視化氣流與顆粒間相互作用和剔除效果[14]?；贒EM-CFD氣固耦合仿真的試驗(yàn)方法被廣泛應(yīng)用于研究顆粒與氣流場(chǎng)間相互作用及農(nóng)業(yè)機(jī)械的優(yōu)化設(shè)計(jì)中[15]。

針對(duì)上述問(wèn)題，結(jié)合工廠化穴盤育苗的實(shí)際農(nóng)藝要求，本文設(shè)計(jì)一種氣吸式基質(zhì)剔除裝置，以實(shí)現(xiàn)穴盤苗中松散易碎的缺苗穴孔內(nèi)基質(zhì)剔除，為開發(fā)高效省力的剔補(bǔ)苗移栽機(jī)械提供參考。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

穴盤缺苗氣吸式基質(zhì)剔除裝置由輸送模塊、圖像檢測(cè)模塊、基質(zhì)剔除模塊和控制系統(tǒng)組成，如圖1所示。輸送模塊由機(jī)架、鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和輸送帶組成，用于輸送穴盤苗到達(dá)指定作業(yè)模塊；圖像檢測(cè)模塊包括圖像采集箱、相機(jī)、燈帶和光電開關(guān)Ⅰ，用于采集穴盤苗圖像信息，進(jìn)行缺苗穴孔識(shí)別與定位；基質(zhì)剔除模塊包括穴盤固定架、光電開關(guān)Ⅱ、直線模組、氣吸端口、真空發(fā)生器、輸送軟管和收集桶，穴盤固定架安裝在機(jī)架上，通過(guò)兩側(cè)限位桿輔助定位穴盤，保證每一排穴孔限位平齊，利于基質(zhì)剔除作業(yè)，氣吸端口安裝在直線模組上，由直線模組移位到達(dá)缺苗穴孔位置處剔除穴孔內(nèi)基質(zhì)，已吸出基質(zhì)經(jīng)輸送軟管進(jìn)入收集桶。

圖1 氣吸式基質(zhì)剔除裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.2 工作原理

氣吸式基質(zhì)剔除裝置工作原理如圖2所示。工作步驟為：①輸送帶啟動(dòng)輸送穴盤苗。②光電開關(guān)Ⅰ檢測(cè)到穴盤，將信號(hào)傳給控制系統(tǒng)，輸送帶停止運(yùn)動(dòng)等待。③圖像檢測(cè)箱內(nèi)相機(jī)采集穴盤苗圖像信息，PC機(jī)基于深度學(xué)習(xí)模型識(shí)別缺苗穴孔并計(jì)算缺苗穴孔位置坐標(biāo)。④輸送帶輸送穴盤苗到達(dá)基質(zhì)剔除模塊，光電開關(guān)Ⅱ檢測(cè)到穴盤信號(hào)，輸送帶停止運(yùn)動(dòng)等待。⑤控制系統(tǒng)根據(jù)PC機(jī)給出的待剔除缺苗穴孔位置坐標(biāo)，控制直線模組帶動(dòng)氣吸端口到達(dá)缺苗穴孔正上方位置，真空發(fā)生器產(chǎn)生負(fù)壓剔除穴孔內(nèi)基質(zhì)，直至完成當(dāng)前穴盤苗所有缺苗穴孔基質(zhì)剔除任務(wù)。⑥輸送帶輸送穴盤苗進(jìn)入補(bǔ)苗模塊。⑦重復(fù)上述步驟，進(jìn)行下一盤穴盤苗缺苗檢測(cè)與基質(zhì)剔除作業(yè)。

圖2 氣吸式基質(zhì)剔除裝置作業(yè)原理圖

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 基質(zhì)剔除模塊設(shè)計(jì)

基質(zhì)剔除模塊是整個(gè)裝置核心部件，圖3為基質(zhì)剔除模塊氣流輸送系統(tǒng)，該氣流輸送系統(tǒng)由空氣壓縮機(jī)、調(diào)壓閥、電磁閥、時(shí)間繼電器、安全閥、輸送軟管、收集桶、真空發(fā)生器和氣吸端口等組成。空氣壓縮機(jī)產(chǎn)生的高速氣流經(jīng)調(diào)壓閥調(diào)節(jié)氣壓并穩(wěn)壓，電磁閥和時(shí)間繼電器控制氣路通斷和氣吸時(shí)長(zhǎng)，氣流經(jīng)過(guò)真空發(fā)生器時(shí)在收集桶和氣吸端口處產(chǎn)生負(fù)壓，缺苗穴孔內(nèi)基質(zhì)在負(fù)壓剪切力和拖曳力的作用下破碎吸起，由氣吸端口加速抽吸隨氣流經(jīng)輸送軟管進(jìn)入收集桶。

圖3 氣流輸送系統(tǒng)示意圖

2.1.1氣吸輸送原理

如圖4所示，真空發(fā)生器負(fù)壓是根據(jù)文丘里效應(yīng)產(chǎn)生的。由氣體連續(xù)性方程

圖4 負(fù)壓產(chǎn)生原理圖

A1v1=A2v2

(1)

式中A1、A2——進(jìn)、出口截面面積，m2

v1、v2——進(jìn)、出口氣體流速，m/s

可知，壓縮氣流經(jīng)截面A1流入至截面A2流出時(shí)，氣流由于管道橫截面顯著縮減變化，致使氣體流速迅速增大。由伯努利方程

(2)

式中p1、p2——進(jìn)、出口氣體壓力，Pa

ρq——空氣密度，kg/m3

可知，隨著氣體流速增加，氣體壓力減小，當(dāng)v2增加到一定值，p2將小于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，在擴(kuò)散腔內(nèi)形成負(fù)壓，擴(kuò)散腔連通收集桶，使收集桶和氣吸端口處產(chǎn)生負(fù)壓吸附力。

基質(zhì)顆粒懸浮速度是影響吸附和輸送效率的重要因素，計(jì)算基質(zhì)顆粒懸浮速度，可以得到基質(zhì)剔除和輸送所要求的最低氣流速度。穴盤育苗基質(zhì)主要成分為泥炭，在自然堆積狀態(tài)下，基質(zhì)顆粒不密實(shí)，顆粒與顆粒之間存在孔隙，研究基質(zhì)顆粒的運(yùn)動(dòng)特性需要以真實(shí)密度作為參考。真實(shí)密度與堆積密度二者之間的轉(zhuǎn)換公式為

ρd=ρz(1-ε)

(3)

式中ρd——基質(zhì)顆粒堆積密度，kg/m3

ρz——基質(zhì)顆粒真實(shí)密度，kg/m3

ε——孔隙率，基質(zhì)取60%～90%

當(dāng)顆粒在垂直管中呈懸浮狀態(tài)，氣流上升的速度等于顆粒的沉降速度[16]，此時(shí)氣流速度為顆粒懸浮速度vs。計(jì)算式為

(4)

式中CD——阻力系數(shù)，取0.44

d——顆粒直徑，m

g——重力加速，m/s2

計(jì)算得顆粒懸浮速度為7.81 m/s。由顆粒起動(dòng)理論可知，具有黏結(jié)性的顆粒輸送氣流速度需比顆粒懸浮速度大3～10倍，顆粒才能被吸起[17]。經(jīng)計(jì)算，雷諾數(shù)Re遠(yuǎn)大于紊流流動(dòng)的臨界值，整個(gè)氣流輸送過(guò)程氣體的運(yùn)動(dòng)形態(tài)為紊流。雷諾數(shù)計(jì)算式為

(5)

式中D0——輸送管道當(dāng)量直徑，m

uq——?dú)怏w流速，m/s

μ——空氣動(dòng)力粘度系數(shù)，取1.84×10-5Pa·s

2.1.2氣吸端口設(shè)計(jì)

氣吸端口的截面結(jié)構(gòu)影響氣流速度、壓力及流量變化，其內(nèi)部空腔結(jié)構(gòu)參數(shù)直接影響端口的抽吸性能。以育苗常用72穴盤為例進(jìn)行設(shè)計(jì)，氣吸端口結(jié)構(gòu)如圖5所示。氣吸端口形狀設(shè)計(jì)與穴孔相適應(yīng)，包括收縮管和圓管兩部分，收縮管下端為方形，與穴孔密封接觸，上端收縮為圓形，與圓管通過(guò)卡箍連接輸送軟管。氣吸端口與錐形穴孔接觸形成類文丘里管的空腔結(jié)構(gòu)，這類結(jié)構(gòu)從壁面至中心，從入口至出口的壓力梯度都比較明顯，有利于育苗基質(zhì)的剔除和輸送[18]。

圖5 氣吸端口結(jié)構(gòu)示意圖

影響氣吸端口抽吸性能的結(jié)構(gòu)參數(shù)為收縮管下邊長(zhǎng)、收縮管高度、收縮角和圓管直徑。

(1)收縮管下邊長(zhǎng)L

收縮管與穴孔密封接觸，增大負(fù)壓吸附力，考慮穴孔定位誤差，收縮管下邊長(zhǎng)L應(yīng)大于穴孔上邊長(zhǎng)，且要求小于相鄰兩穴孔距離，以免影響相鄰穴孔內(nèi)基質(zhì)和幼苗，即

l2≤L

(6)

式中l(wèi)1——相鄰兩穴孔間距，mm

l2——穴孔上邊長(zhǎng)，mm

由文獻(xiàn)[19]及實(shí)際測(cè)量可得，72穴盤相鄰兩穴孔間距l(xiāng)1為44 mm，穴孔上邊長(zhǎng)l2為40 mm，穴孔下邊長(zhǎng)l3為22 mm，穴孔高度h為40 mm，棱邊傾角α為11.2°；本文收縮管下邊長(zhǎng)L取42 mm。

(2)圓管直徑D

根據(jù)伯努利方程，收縮結(jié)構(gòu)有利于基質(zhì)抽吸及輸送，則圓管直徑小于收縮管下邊長(zhǎng)。同時(shí)，依據(jù)預(yù)試驗(yàn)現(xiàn)象分析得到，穴孔內(nèi)基質(zhì)因其粘接性，會(huì)以顆粒聚團(tuán)的形式被抽吸進(jìn)入管道，存在圓管直徑過(guò)小形成堵塞的問(wèn)題，因此圓管直徑D應(yīng)滿足

l3

(7)

(3)收縮管高度H和收縮角θ

收縮管高度和收縮角主要影響收縮管段氣流壓差和速度，為降低氣固兩相流動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力能的損失，收縮角一般取4°～12°[20]。收縮管高度H計(jì)算式為

(8)

聯(lián)立式(7)、(8)，得圓管直徑D取22～42 mm，收縮管高度H取30～50 mm。

2.1.3氣吸端口對(duì)壓損的影響

氣吸式剔除基質(zhì)過(guò)程中，輸送氣流的壓力損失主要在穴孔和氣吸端口處，分析氣吸端口結(jié)構(gòu)對(duì)氣流壓損的影響，指導(dǎo)優(yōu)化氣吸端口結(jié)構(gòu)參數(shù)。根據(jù)伯努利方程，氣流在穴孔和氣吸端口內(nèi)壓降方程[21]為

(9)

式中 Δpab——穴孔至氣吸端口壓損，Pa

pa——穴孔底部入口壓力，Pa

pb——?dú)馕丝诔隹趬毫?，Pa

va——穴孔底部入口氣流速度，m/s

vb——?dú)馕丝诔隹跉饬魉俣?，m/s

ξab——穴孔至氣吸端口壓損系數(shù)

Δpgb——基質(zhì)顆粒流動(dòng)的加速壓損，Pa

λb——基質(zhì)顆粒與輸送氣流的流量比

ub——基質(zhì)顆粒速度，m/s

由式(9)計(jì)算得穴孔底部至氣吸端口出口處壓損為

(10)

由式(10)可知，穴孔至氣吸端口壓損與壓損系數(shù)、基質(zhì)顆粒與輸送氣流的流量比、氣吸端口出口氣流速度和基質(zhì)顆粒速度正相關(guān)，與穴孔底部入口氣流速度負(fù)相關(guān)，氣吸端口結(jié)構(gòu)參數(shù)影響壓損系數(shù)。因此，設(shè)計(jì)合適的氣吸端口結(jié)構(gòu)參數(shù)有利于降低作業(yè)過(guò)程中壓力損失。

2.2 氣吸端口仿真優(yōu)化

為分析不同氣吸端口結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)氣流場(chǎng)和基質(zhì)顆粒運(yùn)動(dòng)特性的影響，本文利用DEM-CFD耦合仿真的方法對(duì)氣吸端口進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定基質(zhì)剔除效果最優(yōu)的氣吸端口結(jié)構(gòu)參數(shù)組合[22]。本文應(yīng)用EDEM 2020和ANSYS Fluent 2020軟件開展耦合仿真試驗(yàn)，研究基質(zhì)顆粒在剔除過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)特性以及氣流壓力變化和速度分布情況。

2.2.1仿真模型和參數(shù)設(shè)置

根據(jù)育苗基質(zhì)的物理特性，建立缺苗基質(zhì)的離散元仿真模型。設(shè)置顆粒半徑為0.5 mm、顆粒間接觸模型為Hertz-Mindlin with bonding模型。根據(jù)濕顆粒土壤接觸力學(xué)模型[23]，計(jì)算得到基質(zhì)顆粒黏結(jié)半徑為0.72 mm。在穴孔頂部建立虛擬平面作為顆粒工廠，顆粒生成總數(shù)為25 000個(gè)。在EDEM軟件中依次完成基質(zhì)顆粒模型、幾何模型、接觸模型、顆粒工廠和仿真參數(shù)等前處理設(shè)置[24]。仿真時(shí)首先生成基質(zhì)顆粒，然后通過(guò)仿真模擬基質(zhì)顆粒沉降過(guò)程形成顆粒間黏結(jié)鍵，最終生成的穴孔基質(zhì)離散元仿真模型如圖6所示。

圖6 基質(zhì)仿真模型

在氣相方面，建立氣吸端口和穴孔組合形成的流域模型。采用四面體非結(jié)構(gòu)化方法劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格單元尺寸為2 mm，設(shè)置穴孔底部為壓力入口，值為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，圓管出口為壓力出口，為-1.0 kPa。氣固兩相的材料屬性和相互間力學(xué)特性參數(shù)見表1。

表1 仿真參數(shù)

由于基質(zhì)顆粒在氣流場(chǎng)中局部所占體積分?jǐn)?shù)高于10%，因此氣固耦合仿真接口模型選擇基于稠密離散相模型(Dense discrete phase model, DDPM)的計(jì)算框架。仿真計(jì)算過(guò)程中，EDEM軟件計(jì)算基質(zhì)顆粒的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和接觸信息，將該信息通過(guò)耦合接口傳遞到Fluent軟件中，F(xiàn)luent軟件根據(jù)顆粒場(chǎng)對(duì)氣流場(chǎng)的影響情況進(jìn)行迭代計(jì)算，將所獲得的流場(chǎng)信息返回到EDEM軟件中，模擬流場(chǎng)對(duì)顆粒體的影響情況，更新基質(zhì)顆粒運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和接觸信息，氣固雙向耦合仿真中上述過(guò)程依次循環(huán)。仿真設(shè)置EDEM時(shí)間步長(zhǎng)為5×10-6s，每0.01 s保存一次數(shù)據(jù)，F(xiàn)luent時(shí)間步長(zhǎng)為1×10-3s，間隔0.1 s保存一次數(shù)據(jù)。

2.2.2耦合仿真方法

根據(jù)前文結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，考慮與氣吸端口相連的輸送軟管規(guī)格，其國(guó)標(biāo)管徑在22～42 mm以內(nèi)的無(wú)芯成型塑料軟管包括Φ25、Φ30、Φ32、Φ35、Φ40等規(guī)格[22]，由于圓管直徑為40 mm的氣吸端口不滿足最小收縮角的設(shè)計(jì)要求[20]，氣吸端口對(duì)穴孔內(nèi)基質(zhì)的卷吸作用不明顯。因此，本文對(duì)管徑Φ40規(guī)格的輸送軟管不做仿真試驗(yàn)。同時(shí)，為了便于氣吸端口與輸送軟管相匹配，通過(guò)均勻取值法在仿真試驗(yàn)中設(shè)置氣吸端口圓管直徑D為25、30、35 mm 3個(gè)水平，收縮管高度H為30、40、50 mm 3個(gè)水平，組合成9種氣吸端口，如表2所示。

表2 氣吸端口結(jié)構(gòu)參數(shù)

基質(zhì)剔凈率計(jì)算式為

(11)

式中T——基質(zhì)剔凈率，%

N——基質(zhì)總質(zhì)量，g

Na——?dú)堄嗷|(zhì)質(zhì)量，g

最大基質(zhì)團(tuán)體積比計(jì)算式為

(12)

式中y——最大基質(zhì)團(tuán)體積比，%

Q——基質(zhì)顆?？倲?shù)

Qb——最大基質(zhì)團(tuán)顆粒數(shù)

2.2.3仿真結(jié)果分析

針對(duì)9種氣吸端口結(jié)構(gòu)進(jìn)行基質(zhì)剔除氣固耦合仿真試驗(yàn)，主要分析討論氣吸端口結(jié)構(gòu)對(duì)基質(zhì)顆粒運(yùn)動(dòng)特性、輸送氣流壓力分布、顆粒間黏結(jié)鍵斷裂以及基質(zhì)剔除性能的影響，選擇剔除效果好且輸送更均勻的氣吸端口結(jié)構(gòu)。

(1)氣吸端口結(jié)構(gòu)對(duì)基質(zhì)顆粒運(yùn)動(dòng)特性的影響

由于基質(zhì)顆粒間黏結(jié)作用，在負(fù)壓氣流拖曳力和旋轉(zhuǎn)升力的作用下，穴孔基質(zhì)被破碎成不同大小的顆粒團(tuán)，以單顆粒和顆粒團(tuán)的形式輸送進(jìn)入圓管。截取9組基質(zhì)剔除過(guò)程中最大基質(zhì)團(tuán)進(jìn)入圓管且處于穩(wěn)定輸送狀態(tài)的顆粒運(yùn)動(dòng)分布圖，如圖7所示。首先，針對(duì)不同圓管直徑的氣吸端口，結(jié)果顯示，最大基質(zhì)團(tuán)體積隨著圓管直徑的增大明顯變大。其次，基于相同圓管直徑不同收縮管高度的氣吸端口進(jìn)行分析，結(jié)果顯示，破碎形成的最大基質(zhì)團(tuán)體積相差不大，且隨著收縮管高度增加，穴孔內(nèi)殘余的基質(zhì)顆粒逐漸減少。同時(shí)，收縮管高度為30、40 mm的氣吸端口內(nèi)基質(zhì)顆粒輸送狀態(tài)表現(xiàn)為沿圓管壁面螺旋式上升，基質(zhì)顆粒容易粘附在管壁上，而收縮管高度為50 mm的氣吸端口內(nèi)基質(zhì)顆粒處在圓管中部運(yùn)動(dòng)上升，輸送更均勻。

圖7 基質(zhì)剔除過(guò)程

(2)氣吸端口結(jié)構(gòu)對(duì)輸送氣流壓力分布的影響

依據(jù)前文分析，選取收縮管高度為50 mm的3種不同圓管直徑氣吸端口在對(duì)應(yīng)時(shí)刻的輸送氣流壓力分布云圖，如圖8所示。結(jié)果顯示，最大基質(zhì)團(tuán)所在位置會(huì)造成氣流呈現(xiàn)明顯壓差，3種類型氣吸端口的最大基質(zhì)團(tuán)所在位置壓差分別為541.80、628.55、916.57 Pa。因此，隨著圓管直徑的增大，最大基質(zhì)團(tuán)體積明顯變大，最大基質(zhì)團(tuán)在圓管內(nèi)形成的壓差也會(huì)增大，這與前文壓損理論計(jì)算結(jié)果一致，顆粒物的量越大，氣流壓損越大。

圖8 氣流壓力分布云圖

(3)氣吸端口結(jié)構(gòu)對(duì)顆粒間黏結(jié)鍵斷裂的影響

圖9為基質(zhì)顆粒黏結(jié)鍵斷裂數(shù)隨時(shí)間變化曲線，圖中黏結(jié)鍵斷裂過(guò)程可反映基質(zhì)破碎過(guò)程，可分為破碎初期、破碎中期和破碎后期3個(gè)階段。破碎初期，基質(zhì)在穴孔內(nèi)受到氣流拖曳力作用黏結(jié)鍵斷裂，顆粒開始啟動(dòng)，基質(zhì)顆粒黏結(jié)鍵斷裂數(shù)隨時(shí)間變化逐漸增大；破碎中期，基質(zhì)上升到收縮管，由于受到氣流和壁面擠壓作用，顆粒黏結(jié)鍵斷裂數(shù)增大到頂峰，基質(zhì)破碎成大小不一的顆粒團(tuán)，進(jìn)入圓形管道；破碎后期，基質(zhì)團(tuán)在圓管中處于穩(wěn)定輸送狀態(tài)，黏結(jié)鍵斷裂數(shù)逐漸減少。由于氣吸端口結(jié)構(gòu)參數(shù)不同，各組穴孔基質(zhì)破碎過(guò)程表現(xiàn)出差異性。破碎初期，類型3和類型6黏結(jié)鍵斷裂數(shù)迅速增大至頂峰，且最大鍵斷裂數(shù)遠(yuǎn)高于其他類型氣吸端口，表明類型3和類型6的氣吸端口在剔除基質(zhì)時(shí)，基質(zhì)在穴孔內(nèi)受到氣流拖曳力和強(qiáng)旋轉(zhuǎn)升力作用，破碎劇烈，在氣吸端口處堵塞的可能性更小。

圖9 基質(zhì)鍵斷裂數(shù)變化曲線

(4)氣吸端口結(jié)構(gòu)對(duì)基質(zhì)剔除性能的影響

基質(zhì)剔除仿真結(jié)果如表3所示。依據(jù)前文分析，選取最大基質(zhì)團(tuán)體積比小于穴孔基質(zhì)的一半，基質(zhì)剔凈率高于90%且收縮管高度為50 mm的氣吸端口類型。結(jié)果表明，滿足上述條件的類型為3和6。同時(shí)，在基質(zhì)剔除過(guò)程中，最大基質(zhì)團(tuán)體積比越小表明基質(zhì)破碎程度越劇烈，在氣吸端口處形成堵塞的可能性越小，但基質(zhì)顆粒處于過(guò)于離散的分布狀態(tài)反而會(huì)加長(zhǎng)基質(zhì)剔除時(shí)間，造成氣源能量浪費(fèi)。因此，類型6對(duì)應(yīng)的氣吸端口在氣吸式基質(zhì)剔除過(guò)程中表現(xiàn)最優(yōu)。其中，最大基質(zhì)團(tuán)體積比為47.89%，基質(zhì)剔凈率為92.30%，基質(zhì)剔除時(shí)間為0.72 s。

表3 基質(zhì)剔除仿真結(jié)果

2.3 缺苗穴孔識(shí)別與定位

缺苗穴孔識(shí)別系統(tǒng)如圖10所示，主要包括圖像采集箱、PC機(jī)和PLC控制器。圖像采集箱內(nèi)RGB-D相機(jī)采集穴盤圖像，相機(jī)通過(guò)USB3.0將穴盤圖像傳輸給PC機(jī)識(shí)別穴盤缺苗穴孔。PC機(jī)通過(guò)RS232與PLC控制器進(jìn)行通訊，輸出缺苗穴孔位置信息。相機(jī)為英特爾 RealSense D435i，最高分辨率為1 280像素×720像素；PLC控制器為臺(tái)達(dá)DVP-SA2型；PC機(jī)為艮泰SP16HDIET，該平臺(tái)為Ubuntu 16.04 LTS 64位操作系統(tǒng)環(huán)境，處理器為Intel Xeon E5-1650，32 GB內(nèi)存，顯卡為Nvidia TITAN XP，12 GB 顯存。

圖10 穴盤缺苗識(shí)別系統(tǒng)

采用基于單階段深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)的缺苗穴孔檢測(cè)方法，該方法相較于傳統(tǒng)圖像處理方法具有更高的檢測(cè)準(zhǔn)確率和響應(yīng)速度[7]。用于模型訓(xùn)練和測(cè)試的圖像樣本，是使用深度相機(jī)在俯視圖下采集的分辨率為640像素×800像素的穴盤番茄苗圖像，總共獲得400幅圖像組成數(shù)據(jù)集，數(shù)據(jù)集以4∶1的比例分為訓(xùn)練集和測(cè)試集。通過(guò)亮度增減和高斯模糊的數(shù)據(jù)增強(qiáng)方式擴(kuò)增訓(xùn)練集圖像，以提高深度學(xué)習(xí)模型的泛化能力，最終得到1 280幅圖像作為訓(xùn)練集。利用LabelImg工具將穴盤苗圖像中的穴盤和缺苗穴孔手動(dòng)標(biāo)注為矩形。YOLO v4由骨干網(wǎng)絡(luò)CSPDarknet-53、空間金字塔池化層SPP和路徑聚合網(wǎng)絡(luò)PANet組成[25]，CSPDarknet-53是一種新穎的特征提取網(wǎng)絡(luò)，可以增強(qiáng)CNN學(xué)習(xí)能力，SSP增加感受野并融合不同尺度大小的特征圖，PANet通過(guò)融合自底向上和自頂向下兩個(gè)路徑增加模型表征能力。設(shè)置初始學(xué)習(xí)率為0.001，權(quán)重衰減率為0.000 5，迭代步數(shù)15 000，使用Darknet中的預(yù)訓(xùn)練模型初始化網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。將訓(xùn)練集圖像和標(biāo)注文件加載到深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)模型中進(jìn)行迭代訓(xùn)練，生成模型權(quán)值文件，損失曲線呈現(xiàn)出收斂和低振蕩的特點(diǎn)，平均損失值最終保持在0.385 0左右。

為了度量模型的實(shí)際檢測(cè)性能，本文使用平均正確率均值mAP作為模型的評(píng)價(jià)指標(biāo)。測(cè)試集評(píng)估模型性能結(jié)果表明，該檢測(cè)模型的平均正確率均值為96.1%，穴盤和缺苗穴孔檢測(cè)平均正確率分別為95.3%和96.8%，檢測(cè)時(shí)間為0.11 s。

基于YOLO v4可以實(shí)現(xiàn)端到端的目標(biāo)檢測(cè)，深度相機(jī)在線采集的穴盤苗圖像輸入已訓(xùn)練模型中進(jìn)行缺苗檢測(cè)，識(shí)別效果如圖11所示。結(jié)果顯示，該模型能夠有效識(shí)別出穴盤和缺苗穴孔。

圖11 缺苗穴孔識(shí)別與定位結(jié)果

實(shí)際作業(yè)過(guò)程中，完成圖像檢測(cè)后輸出穴盤檢測(cè)框坐標(biāo)和缺苗穴孔中心坐標(biāo)，用于定位缺苗穴孔的行列號(hào)，具體定位方法如下：首先計(jì)算得到穴孔平均橫向間距Δx和縱向間距Δy為

(13)

然后計(jì)算穴盤起始穴孔中心坐標(biāo)

(14)

最后以穴盤起始穴孔為基準(zhǔn)，計(jì)算缺苗穴孔的列號(hào)mi和行號(hào)ni，四舍五入方法取整，即

(15)

式中xmin、ymin——穴盤檢測(cè)框左上角坐標(biāo)

xmax、ymax——穴盤檢測(cè)框右下角坐標(biāo)

xi、yi——第i個(gè)缺苗穴孔中心坐標(biāo)

x0、y0——穴盤起始穴孔中心坐標(biāo)

Δx——穴孔平均橫向間距

Δy——穴孔平均縱向間距

mi——第i個(gè)缺苗穴孔列號(hào)

ni——第i個(gè)缺苗穴孔行號(hào)

〈〉——四舍五入取整運(yùn)算符號(hào)

2.4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

穴盤缺苗氣吸式基質(zhì)剔除裝置控制系統(tǒng)原理如圖12所示，包括缺苗識(shí)別、穴盤輸送、直線模組移位和氣動(dòng)控制4部分。其控制過(guò)程為：PLC控制器輸出信號(hào)控制輸送帶電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)；光電開關(guān)Ⅰ檢測(cè)到穴盤，將信號(hào)反饋給PLC控制器，控制輸送帶電機(jī)暫停延時(shí)等待，相機(jī)采集穴盤苗圖像并傳輸給PC機(jī)進(jìn)行檢測(cè)定位，PC機(jī)將缺苗穴孔位置信息傳輸給PLC控制器；光電開關(guān)Ⅱ反饋信號(hào)，PLC控制器輸出信號(hào)控制直線模組電機(jī)帶動(dòng)氣吸端口移位至缺苗穴孔位置；PLC控制電磁閥接通，氣吸端口處產(chǎn)生負(fù)壓剔除缺苗穴孔內(nèi)基質(zhì)；直線模組繼續(xù)移位到下一缺苗穴孔，直至完成當(dāng)前穴盤缺苗穴孔基質(zhì)剔除任務(wù)后復(fù)位至起始位置，準(zhǔn)備下一穴盤基質(zhì)剔除作業(yè)。

圖12 控制系統(tǒng)原理圖

3 臺(tái)架試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

試驗(yàn)于2022年3—5月在西北農(nóng)林科技大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。育苗穴盤和基質(zhì)均選自楊凌稷楊果蔬專業(yè)合作社育苗基地，育苗穴盤為72穴孔PVC材料，育苗基質(zhì)為有機(jī)活性基質(zhì)，由泥炭、蛭石、珍珠巖3種成分組成，總孔隙度60%～90%，相對(duì)含水率為51.90%～67.22%。試驗(yàn)對(duì)象選擇苗齡為15～20 d的金鵬101穴盤番茄苗，根據(jù)前期調(diào)研及文獻(xiàn)[26-27]，該苗期番茄苗的真葉葉展主要分布區(qū)間為24～36 mm，苗葉越界及遮擋現(xiàn)象較少，有利于進(jìn)行缺苗檢測(cè)及剔補(bǔ)苗作業(yè)，補(bǔ)苗后便于后期統(tǒng)一生長(zhǎng)管理。

所用氣動(dòng)回路中真空發(fā)生器為上海秦川船舶物料公司CV500型；空氣壓縮機(jī)為雷亞公司LY-M239-60型，容積流量350 L/min；調(diào)壓閥為亞德客公司AR2000型，調(diào)壓范圍為0.05～0.90 MPa；電磁閥為歐雷凱公司4V210-08型；時(shí)間繼電器為臺(tái)邦公司DH48S型，工作電壓24 V DC；風(fēng)速測(cè)速儀為?，敼続S806型，測(cè)速范圍為0.3～45 m/s?；|(zhì)稱量使用深圳飛亞衡精密電子天平(ZF-C6002型，精度為0.01 g)。采用未來(lái)8200Pro樹脂材料打印氣吸端口，通過(guò)卡箍將其固定在直線模組上，連接輸送軟管；氣吸端口底部選擇硬度為10 A的柔性硅膠墊。穴孔缺苗氣吸式基質(zhì)剔除裝置試驗(yàn)平臺(tái)如 圖13 所示。

圖13 氣吸式基質(zhì)剔除試驗(yàn)平臺(tái)

3.2 試驗(yàn)方法

利用負(fù)壓吸附的方法剔除穴盤缺苗基質(zhì)，主要影響因素有基質(zhì)與穴孔壁的粘附力、基質(zhì)間內(nèi)聚力和作用于基質(zhì)的負(fù)壓吸附力。基質(zhì)含水率影響基質(zhì)間內(nèi)聚力和基質(zhì)與穴孔壁的粘附力，是缺苗基質(zhì)剔除作業(yè)中重要的可控影響因素[11]?；|(zhì)含水率由稱量法測(cè)量，將泥炭、蛭石、珍珠巖按6∶3∶1比例混合，制作相對(duì)含水率為50%～55%、55%～60%、60%～65%的3組缺苗基質(zhì)。為模擬溫室中基質(zhì)在穴盤中的沉降，將裝有基質(zhì)的穴盤放在室溫(25℃)的條件下靜置7 d，每天稱量基質(zhì)并補(bǔ)水。為探究氣吸式基質(zhì)剔除裝置的工作壓力，通過(guò)設(shè)計(jì)壓力調(diào)節(jié)閥將經(jīng)過(guò)真空發(fā)生器的壓力調(diào)節(jié)為0.3、0.4、0.5 MPa 3個(gè)水平。根據(jù)氣吸端口基質(zhì)剔除仿真試驗(yàn)，基質(zhì)從穴孔到端口剔除時(shí)間在1 s以內(nèi)，考慮基質(zhì)輸送到收集桶時(shí)間和穴孔壁粘附力等其他因素，設(shè)計(jì)單孔氣吸時(shí)間為2.0、3.0、4.0 s 3個(gè)水平。氣流輸送系統(tǒng)中，為防止作業(yè)時(shí)漏氣降低剔除效率或影響周圍穴孔幼苗，氣吸端口底部增加硬度為10 A、厚度為5 mm的硅膠墊，主要用于增加氣吸端口與穴孔壁的接觸氣密性，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)少部分越界苗葉的柔性接觸，分別測(cè)試有無(wú)硅膠氣墊兩種氣吸端口。

綜上所述，氣吸式剔除缺苗穴孔內(nèi)基質(zhì)試驗(yàn)因素水平如表4所示，采用L9(21×33)正交表。共有9組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)樣本量為每盤12個(gè)穴孔基質(zhì)，利用ZF-C6002型電子天平稱量每個(gè)空穴盤質(zhì)量、剔除前穴盤基質(zhì)和剔除后穴盤基質(zhì)質(zhì)量，以計(jì)算基質(zhì)剔凈率，剔凈率公式為

表4 試驗(yàn)因素水平

(16)

式中m1——剔除前穴盤基質(zhì)質(zhì)量，g

m2——剔除后穴盤基質(zhì)質(zhì)量，g

M——空穴盤質(zhì)量，g

缺苗基質(zhì)氣吸剔除試驗(yàn)如圖14所示。

圖14 氣吸式基質(zhì)剔除測(cè)試

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)方案與結(jié)果極差分析如表5所示。根據(jù)k確定優(yōu)組合為A1B3C2D1，即當(dāng)基質(zhì)含水率為50%～55%，氣動(dòng)回路中經(jīng)過(guò)真空發(fā)生器的氣壓為0.5 MPa，單孔氣吸時(shí)間為3 s，氣吸端口有硅膠墊時(shí)氣吸式缺苗基質(zhì)剔除裝置剔凈率較高。據(jù)極差分析的R確定試驗(yàn)因素的主次順序?yàn)闅鈮?、基質(zhì)含水率、氣吸時(shí)間、有無(wú)硅膠墊。

表5 試驗(yàn)方案與結(jié)果極差分析

在氣吸式剔除缺苗穴孔基質(zhì)試驗(yàn)中，經(jīng)過(guò)真空發(fā)生器的氣壓顯著影響基質(zhì)剔凈率，氣壓越高，氣吸端口處負(fù)壓吸附力也越大，通過(guò)調(diào)壓閥調(diào)節(jié)氣壓為0.5 MPa時(shí)，基質(zhì)剔凈率均在80%以上。基質(zhì)含水率主要影響基質(zhì)間內(nèi)聚力和基質(zhì)與穴孔壁的粘附力，基質(zhì)含水率在50%～55%時(shí)，穴孔內(nèi)基質(zhì)松散，與穴孔壁的粘附力低，基質(zhì)剔凈率較高。柔性硅膠墊增加了氣吸端口與穴盤的接觸氣密性，可以有效避免氣流影響周圍穴孔內(nèi)基質(zhì)的問(wèn)題。

對(duì)最優(yōu)組合下工作參數(shù)應(yīng)用到待剔苗的番茄穴盤苗中，開展性能驗(yàn)證試驗(yàn)，選擇3盤15～20 d苗齡的72孔穴盤番茄苗，試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。結(jié)果表明，缺苗穴孔平均定位成功率為95.45%，基質(zhì)平均剔凈率在90%以上，整機(jī)作業(yè)效率為57 s/盤，同時(shí)，在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，部分缺苗穴孔由于周圍幼苗苗葉越界導(dǎo)致未成功識(shí)別定位缺苗穴孔(圖15a)，部分穴盤重復(fù)使用造成材質(zhì)偏軟，負(fù)壓吸附會(huì)將穴孔吸扁聚攏，穴孔底部基質(zhì)由于穴孔壁擠壓堵塞而殘留(圖15b)，圖15為氣吸式剔除缺苗穴孔基質(zhì)效果圖，整體剔除效果滿足剔補(bǔ)苗作業(yè)要求[9]。總的來(lái)說(shuō)，針對(duì)缺苗穴孔內(nèi)基質(zhì)松散特性，通過(guò)氣吸剔除穴孔基質(zhì)提高剔凈率是一種可行的方法。

圖15 氣吸式缺苗穴孔基質(zhì)剔除效果

表6 氣吸式缺苗穴孔基質(zhì)剔除性能試驗(yàn)結(jié)果

因此，本文所研究的穴盤缺苗氣吸式基質(zhì)剔除裝置，能有效提高基質(zhì)剔凈率。整體裝置可與現(xiàn)有高效取苗裝置組合配套使用，形成自動(dòng)化剔補(bǔ)苗裝置，能顯著提高穴盤苗的剔補(bǔ)苗成功率。

4 結(jié)論

(1)針對(duì)缺苗缽體松散易碎導(dǎo)致基質(zhì)剔凈率低的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種氣吸式基質(zhì)剔除裝置。該裝置包括穴盤苗輸送模塊、圖像檢測(cè)模塊、基質(zhì)剔除模塊和控制系統(tǒng)，各部分配合自動(dòng)完成缺苗穴孔基質(zhì)的剔除任務(wù)。

(2)利用DEM-CFD耦合仿真方法對(duì)比分析了9種氣吸端口結(jié)構(gòu)對(duì)基質(zhì)剔除性能的影響，結(jié)果表明：當(dāng)氣吸端口圓管直徑為30 mm、收縮管高度為 50 mm 時(shí)，表現(xiàn)出基質(zhì)剔除效果好且輸送更均勻的最優(yōu)性能，最大基質(zhì)團(tuán)體積比為47.89%，基質(zhì)剔凈率為92.30%，基質(zhì)剔除時(shí)間為0.72 s。

(3)建立基于YOLO v4深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)的穴盤和缺苗穴孔檢測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)端到端的目標(biāo)檢測(cè)任務(wù)，該檢測(cè)模型平均正確率均值為96.1%，提出結(jié)合目標(biāo)檢測(cè)框坐標(biāo)和穴盤規(guī)格計(jì)算缺苗穴孔行列號(hào)的定位方法。

(4)搭建氣吸式基質(zhì)剔除試驗(yàn)平臺(tái)，開展基質(zhì)剔除多因素正交試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，影響基質(zhì)剔凈率的因素主次順序依次為氣壓、基質(zhì)含水率、氣吸時(shí)間和有無(wú)硅膠墊，當(dāng)氣壓0.5 MPa、基質(zhì)含水率50%～55%、氣吸時(shí)間3.0 s、有硅膠墊時(shí)，缺苗穴孔基質(zhì)平均剔凈率最高。開展性能驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)果表明，缺苗穴孔平均定位成功率為95.45%，基質(zhì)平均剔凈率在90%以上，整機(jī)作業(yè)效率為57 s/盤，滿足實(shí)際剔補(bǔ)苗作業(yè)要求。