胡建平 劉育彤 張永輝 徐華崗 劉偉 韓綠化

摘要：針對(duì)草莓高起壟定向移栽農(nóng)藝要求，設(shè)計(jì)一種機(jī)械打穴、人工識(shí)別草莓苗弓背方向后定向穴栽的移栽機(jī)?；诳删幊炭刂破鳎≒LC）設(shè)計(jì)整機(jī)控制系統(tǒng)，包括移栽機(jī)定速行走控制系統(tǒng)、前輪轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)、打穴控制系統(tǒng)等任務(wù)模塊。整機(jī)采用直流無(wú)刷電機(jī)作為底盤的驅(qū)動(dòng)元件，根據(jù)電機(jī)自帶編碼器的輸出值進(jìn)行行走速度、栽植株距和打穴頻率的協(xié)調(diào)控制，采用步進(jìn)電機(jī)作為打穴機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)元件，由接近開(kāi)關(guān)對(duì)打穴機(jī)構(gòu)進(jìn)行定位，通過(guò)二者配合完成打穴過(guò)程，在人機(jī)協(xié)同作業(yè)下，完成草莓苗移栽。試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)單行移栽效率為15株/min，株距為150 mm、200 mm、250 mm時(shí)，株距合格率、孔深合格率、孔徑合格率均在95%以上，其變異系數(shù)均小于5%，打穴成功率均大于95%，符合移栽機(jī)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，打穴移栽效果滿足農(nóng)藝要求。

關(guān)鍵詞：草莓移栽機(jī)；控制系統(tǒng)；打穴機(jī)構(gòu)；種植機(jī)械

中圖分類號(hào)：S223.9

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：20955553 （2024） 02010106

收稿日期：2022年5月26日 ?修回日期：2022年7月18日

基金項(xiàng)目：江蘇省現(xiàn)代農(nóng)機(jī)裝備與技術(shù)示范推廣項(xiàng)目（NJ2021—09）

第一作者：劉育彤，男，1996年生，甘肅天水人，碩士研究生；研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)機(jī)械。Email： 2222016041@stmail.ujs.edu.cn

通訊作者：胡建平，男，1964年生，江蘇鎮(zhèn)江人，博士，教授，博導(dǎo)；研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)機(jī)械。Email： hujp@ujs.edu.cn

Design and experiment on control system of strawberry transplanter

Hu Jianping1， Liu Yutong1， Zhang Yonghui2， Xu Huagang2， Liu Wei1， Han Lühua1

（1. Jiangsu University， Zhenjiang， 212013， China；

2. Jiangsu Xintian Machinery Manufacturing Co.， Ltd.， Zhenjiang， 212013， China）

Abstract：

Aiming at the agronomic requirements for directional transplanting of strawberries with high ridges， a transplanting machine is designed， which can make holes mechanically and manually identify the direction of the back of the strawberry seedlings. Based on PLC， the whole machine control system is designed， including the constant speed walking control system of the transplanter， the front wheel steering control system， the hole drilling control system and other task modules. The whole machine adopts a DC brushless motor as the driving element of the chassis. According to the output value of the motor's own encoder， the walking speed， the planting distance and the punching frequency of drilling are coordinated and controlled. The stepping motor is used as the driving element of the drilling mechanism. The switch positions the hole punching mechanism， and the hole punching process is completed through the cooperation of the two， and the strawberry seedling transplanting is completed under the cooperative operation of man and machine. The test results show that when the single row transplanting efficiency is 15 plants /min， with plant spacing of 150 mm， 200 mm， and 250 mm， the qualified rates of plant spacing， hole depth， and aperture are all above 95%， with a coefficient of variation of less than 5%. The success rate of hole drilling is also above 95%， which is in line with the industry standard of transplanting machine， the effect of hole drilling and transplanting meets agronomic requirements.

Keywords：

strawberry transplanter; control system; punching mechanism; planting machinery

0 引言

我國(guó)是世界上最大的草莓生產(chǎn)國(guó)，草莓種植面積呈現(xiàn)出持續(xù)增長(zhǎng)的市場(chǎng)態(tài)勢(shì)［12］。隨著設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展，江蘇地區(qū)大部分采用設(shè)施內(nèi)高起壟、裸根苗的栽培模式［3］；這是一種在高30 cm左右的壟上進(jìn)行移栽的種植方式，具有土壤保濕性好、能夠降低病蟲(chóng)害發(fā)生率、進(jìn)一步提高產(chǎn)量等優(yōu)點(diǎn)［4］。然而，因草莓移栽的復(fù)雜農(nóng)藝要求：苗弓背向外、深不埋心、淺不漏根等，我國(guó)的草莓移栽仍采用人工作業(yè)為主，尤其針對(duì)高起壟、裸根苗移栽的情形，國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上未見(jiàn)特制的草莓移栽機(jī)及相關(guān)報(bào)道［57］。目前，草莓移栽主要依靠人工，但人工栽植勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低、移栽質(zhì)量不穩(wěn)定，根據(jù)果農(nóng)經(jīng)驗(yàn)，在理想狀態(tài)下，單人移栽草莓苗約300株/h。

基于上述問(wèn)題，本文在自主研發(fā)的草莓移栽機(jī)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種基于可編程控制器（PLC）的整機(jī)控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的打穴移栽目的，對(duì)該系統(tǒng)工作流程進(jìn)行解析，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證自研系統(tǒng)工作的可靠性。

1 草莓移栽機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)

基于PLC的草莓移栽機(jī)控制系統(tǒng)，主要針對(duì)設(shè)施高起壟草莓裸根苗的移栽。整機(jī)由轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、打穴機(jī)構(gòu)、后橋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、機(jī)架、苗盤架及控制柜等組成，移栽機(jī)主要工作部件按照機(jī)具前進(jìn)方向左右對(duì)稱布置，可同時(shí)完成雙行作業(yè)［8］，采用人機(jī)協(xié)同方式，即自走式底盤間歇式打穴、人工識(shí)別草莓苗弓背方向后定向穴栽，從而完成草莓苗的移栽，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.控制柜

2.后橋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

3.座椅

4.機(jī)架

5.轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)

6.打穴機(jī)構(gòu)

整機(jī)由底盤結(jié)構(gòu)、打穴結(jié)構(gòu)組成，采用后輪驅(qū)動(dòng)、前輪轉(zhuǎn)向的設(shè)計(jì)方案。底盤采用邊梁式布局形式，單電機(jī)整體驅(qū)動(dòng)［9］的驅(qū)動(dòng)類型，通過(guò)差速器與鏈傳動(dòng)結(jié)合的形式將動(dòng)力傳遞至后輪。前輪轉(zhuǎn)向利用阿克曼定理［1011］，設(shè)計(jì)平面多連桿轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)［12］，如圖2所示，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)、減速器與限位傳感器，對(duì)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的極限位置進(jìn)行定位。打穴機(jī)構(gòu)采用曲柄滑塊式連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)打穴頭上下運(yùn)動(dòng)的方案。

工作原理：草莓移栽機(jī)采用雙行作業(yè)模式、人工識(shí)別草莓苗弓背方向后定向穴栽的人機(jī)協(xié)同作業(yè)方案。按照單行移栽效率為15株/min，不同的株距要求：150 mm、200 mm、250 mm，移栽機(jī)底盤匹配不同的速度做勻速運(yùn)動(dòng)，打穴機(jī)構(gòu)協(xié)同人工栽植速度做間歇式雙行打穴，當(dāng)自走式底盤前進(jìn)規(guī)定株距，打穴機(jī)構(gòu)動(dòng)作，配合人工完成移栽作業(yè)，工作時(shí)序圖如圖3所示。

1.直線模塊

2.齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

3.限位塊

4.轉(zhuǎn)向拉桿

5.碰撞傳感器

6.減速器

7.轉(zhuǎn)向電機(jī)

2 整機(jī)控制系統(tǒng)

2.1 控制方案設(shè)計(jì)

整個(gè)控制系統(tǒng)以可編程控制器PLC為核心，PLC內(nèi)部存儲(chǔ)順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)等指令，通過(guò)輸出數(shù)字量控制草莓移栽機(jī)運(yùn)動(dòng)過(guò)程［13］?？刂葡到y(tǒng)以信捷XD3-32T-C為主控制器，輸入信號(hào)包括：前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)方向控制信號(hào)，株距選擇信號(hào)（150 mm、200 mm及250 mm），2個(gè)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)限位信號(hào)、1個(gè)打穴機(jī)構(gòu)定位信號(hào)，急停開(kāi)關(guān)信號(hào)；輸出信號(hào)包括行走電機(jī)、打穴電機(jī)、轉(zhuǎn)向電機(jī)方向。

控制系統(tǒng)工作電壓分為兩種，分別為48 V以及24 V，其中行走電機(jī)、打穴電機(jī)由48 V鋰電池供電，打穴限位傳感器、PLC、轉(zhuǎn)向電機(jī)由直流電源降壓器（48 V降24 V）轉(zhuǎn)換得到。各驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及部件相互銜接，完成草莓移栽機(jī)的打穴過(guò)程，其中，打穴電機(jī)采用內(nèi)部調(diào)速的方式，即依靠外部旋鈕調(diào)節(jié)模擬量輸入的方式改變電機(jī)轉(zhuǎn)速；行走電機(jī)采用外部調(diào)速的方式，即通過(guò)脈寬調(diào)制技術(shù)（PWM）改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)打穴速度與前進(jìn)速度的控制，整體控制方案如圖4所示。

將執(zhí)行程序?qū)隤LC，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器受PLC直接控制［14］。底盤結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)控制方案如下，通過(guò)控制直流無(wú)刷電機(jī)正反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)自走式底盤的前進(jìn)后退，PLC發(fā)送不同占空比的PWM，調(diào)節(jié)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器轉(zhuǎn)速控制口電壓實(shí)現(xiàn)底盤運(yùn)動(dòng)速度的控制；腳踏開(kāi)關(guān)控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)自走式底盤的轉(zhuǎn)向控制，通過(guò)發(fā)送脈沖的頻率和個(gè)數(shù)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的定位及轉(zhuǎn)向速率的控制，兩個(gè)NPN常開(kāi)型光電傳感器用于檢測(cè)左右轉(zhuǎn)向的極限位置。通過(guò)直流無(wú)刷電機(jī)為打穴結(jié)構(gòu)提供力矩。為了提高草莓苗移栽合格率，啟動(dòng)瞬間，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)自復(fù)位至中心位置，打穴機(jī)構(gòu)自復(fù)位至機(jī)械結(jié)構(gòu)最高點(diǎn)位置。移栽作業(yè)過(guò)程中，每個(gè)周期底盤運(yùn)動(dòng)固定株距，打穴機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)動(dòng)作，通過(guò)人機(jī)協(xié)同作業(yè)完成草莓苗移栽。

2.2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

草莓移栽機(jī)劃分為定速行走控制系統(tǒng)、前輪轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)、打穴控制系統(tǒng)等任務(wù)模塊。各機(jī)構(gòu)動(dòng)作依靠動(dòng)力元件，步進(jìn)電機(jī)和直流無(wú)刷電機(jī)實(shí)現(xiàn)，步進(jìn)電機(jī)、直流無(wú)刷電機(jī)通過(guò)對(duì)應(yīng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器通過(guò)PLC直接控制。為便于PLC選型和整個(gè)控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)，現(xiàn)將電機(jī)個(gè)數(shù)、種類及實(shí)現(xiàn)的動(dòng)作進(jìn)行細(xì)分。整個(gè)系統(tǒng)共有2種電機(jī)，直流無(wú)刷電機(jī)數(shù)量為2個(gè)，控制移栽機(jī)的行走和打穴，步進(jìn)電機(jī)數(shù)量為1個(gè)，控制移栽機(jī)的轉(zhuǎn)向，3個(gè)對(duì)應(yīng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、1個(gè)栽植啟動(dòng)開(kāi)關(guān)、1個(gè)株距選擇開(kāi)關(guān)、1個(gè)前進(jìn)后退選擇開(kāi)關(guān)、1個(gè)左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)腳踏開(kāi)關(guān)、1個(gè)急停開(kāi)關(guān)、2個(gè)光電傳感器、1個(gè)接近開(kāi)關(guān)與信捷可編程控制器PLC一起組成草莓移栽機(jī)控制系統(tǒng)的硬件部分。

整體輸入輸出地址表及控制說(shuō)明如表1所示。

常開(kāi)型光電傳感器、接近開(kāi)關(guān)、栽植啟動(dòng)開(kāi)關(guān)、株距選擇開(kāi)關(guān)、前進(jìn)后退選擇開(kāi)關(guān)、左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)腳踏開(kāi)關(guān)、急停開(kāi)關(guān)作為輸入部分，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器作為輸出部分，步進(jìn)電機(jī)、直流無(wú)刷電機(jī)作為動(dòng)力元件，驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)的執(zhí)行部件動(dòng)作。通過(guò)對(duì)整機(jī)動(dòng)作的系統(tǒng)分析和PLC輸入輸出地址分配后，設(shè)計(jì)信捷PLC在草莓移栽機(jī)控制系統(tǒng)下的接線圖如圖5所示。根據(jù)表1輸入輸出地址分配，選用結(jié)構(gòu)緊湊、可擴(kuò)展性強(qiáng)、成本低等優(yōu)點(diǎn)的信捷PLC，型號(hào)為XD3-32T-C作為草莓移栽機(jī)的主控制元件，它具有高速計(jì)數(shù)功能、脈沖輸出功能、采用DC供電等特點(diǎn)。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

2.3.1 時(shí)序控制流程說(shuō)明

草莓移栽機(jī)的控制系統(tǒng)主要由三部分組成，即：移栽機(jī)定速行走控制系統(tǒng)、前輪轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)、打穴控制系統(tǒng)。本程序主要采用順序控制、流程控制、定位控制、定時(shí)、高速計(jì)數(shù)等操作指令，實(shí)現(xiàn)定距打穴作業(yè)。

移栽機(jī)定速行走控制系統(tǒng)是為了草莓移栽機(jī)能夠沿壟行走，在人機(jī)協(xié)同作業(yè)下，完成草莓苗的移栽。通過(guò)觸發(fā)前進(jìn)、后退信號(hào)控制行走電機(jī)轉(zhuǎn)向，經(jīng)過(guò)減速器、后橋傳動(dòng)，驅(qū)動(dòng)后輪實(shí)現(xiàn)自走式底盤的前進(jìn)與后退；前輪轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)是為了草莓移栽機(jī)能夠進(jìn)行方向調(diào)整，左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)信號(hào)控制轉(zhuǎn)向電機(jī)轉(zhuǎn)向，經(jīng)過(guò)減速器、齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。為了提高移栽效率，減少人為對(duì)方向干預(yù)，提出一種轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)自復(fù)位回零以及自動(dòng)回正的控制策略，即移栽機(jī)上電的瞬間，轉(zhuǎn)向電機(jī)工作，通過(guò)機(jī)架上安裝的限位傳感器以及信捷PLC定位控制功能中的絕對(duì)單段定位指令，它采用目標(biāo)位置相對(duì)于原點(diǎn)坐標(biāo)位置的定位方式，屬于絕對(duì)驅(qū)動(dòng)方式，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的自復(fù)位回零調(diào)整以及自動(dòng)回正，其控制原理，將左限位傳感器作為轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)自復(fù)位第一個(gè)零點(diǎn)，當(dāng)傳感器信號(hào)觸發(fā)時(shí)，給轉(zhuǎn)向電機(jī)發(fā)送數(shù)目固定、方向相反脈沖，從而帶動(dòng)齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的自復(fù)位回零調(diào)整，同時(shí)，將此位置設(shè)為轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)自動(dòng)回正的零點(diǎn)，當(dāng)人為對(duì)方向進(jìn)行干預(yù)后，利用絕對(duì)單段定位指令，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)回正功能。

打穴控制系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的主控制程序，為保證草莓移栽機(jī)能夠正常工作，在移栽機(jī)上電瞬間，會(huì)進(jìn)行打穴機(jī)構(gòu)自復(fù)位調(diào)整，即打穴電機(jī)帶動(dòng)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)打穴結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)的定位，即曲柄停留在最高點(diǎn)的位置。進(jìn)行草莓移栽作業(yè)時(shí)，利用信捷PLC高速計(jì)數(shù)功能，讀取行走電機(jī)編碼器輸出脈沖量，當(dāng)讀取值與預(yù)設(shè)對(duì)應(yīng)株距脈沖值相等時(shí)，進(jìn)行打穴作業(yè)。草莓移栽機(jī)控制系統(tǒng)流程圖，如圖6所示。

1） 在整機(jī)通電瞬間，輸出繼電器Y5置為SET，打穴電機(jī)動(dòng)作，帶動(dòng)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，直至觸發(fā)接近開(kāi)關(guān)，延時(shí)60 ms，曲柄達(dá)到最高點(diǎn)的位置，打穴結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)完成自復(fù)位。輸出繼電器Y2和Y3置為SET，轉(zhuǎn)向電機(jī)動(dòng)作，帶動(dòng)齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，與限位傳感器協(xié)同作用，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)完成自復(fù)位，上電自復(fù)位完成。

2） ?轉(zhuǎn)向踏板開(kāi)關(guān)信號(hào)觸發(fā)時(shí)，輸出繼電器Y3和Y4置為SET，分別觸發(fā)左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)時(shí)，利用信捷PLC的可變頻率脈沖輸出，分別輸出正脈沖頻率和負(fù)脈沖頻率，轉(zhuǎn)向電機(jī)經(jīng)過(guò)齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向功能。當(dāng)觸發(fā)左右兩邊的限位傳感器時(shí)，輸出繼電器Y3停止發(fā)送脈沖，轉(zhuǎn)向電機(jī)停止動(dòng)作；當(dāng)轉(zhuǎn)向踏板開(kāi)關(guān)下降沿信號(hào)觸發(fā)時(shí)，輸出繼電器Y3停止發(fā)送脈沖，此時(shí)，利用信捷PLC的絕對(duì)單段定位指令，控制轉(zhuǎn)向電機(jī)，帶動(dòng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，重新回到零點(diǎn)位置。

3） ?前進(jìn)后退信號(hào)觸發(fā)時(shí)，輸出繼電器Y1或Y2置為SET，控制行走電機(jī)轉(zhuǎn)向，沒(méi)有啟動(dòng)栽植按鈕時(shí)，輸出繼電器Y0發(fā)送大占空比的PWM，此時(shí)行走速度較快，經(jīng)過(guò)減速器、后橋傳動(dòng)，驅(qū)動(dòng)后輪實(shí)現(xiàn)自走式底盤的前進(jìn)和后退。

4） ?啟動(dòng)栽植按鈕時(shí)，根據(jù)不同的株距要求以及15株/min的單行移栽效率，輸出繼電器Y0發(fā)送不同占空比的PWM，匹配不同株距下的速度。利用信捷PLC的高速計(jì)數(shù)功能，讀取行走電機(jī)編碼器輸出脈沖量，將不同株距對(duì)應(yīng)脈沖量與讀取編碼器值進(jìn)行比較，滿足條件時(shí)，進(jìn)行打穴作業(yè)。

2.3.2 打穴自復(fù)位程序

本控制系統(tǒng)采用信捷PLC編程控制軟件進(jìn)行程序的編寫，采用編程語(yǔ)言為梯形圖形式，其中打穴機(jī)構(gòu)上電自復(fù)位控制程序如圖7所示。移栽機(jī)上電時(shí)，輸出端Y5所控制的打穴電機(jī)帶動(dòng)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，為了抵消打穴機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)慣性，使打穴機(jī)構(gòu)曲柄停在最高點(diǎn)的位置，在最高點(diǎn)的下方安裝一個(gè)接近開(kāi)關(guān)，當(dāng)觸發(fā)接近開(kāi)關(guān)信號(hào)時(shí)，經(jīng)過(guò)一個(gè)60 ms的延時(shí)，打穴機(jī)構(gòu)就可以實(shí)現(xiàn)上電自復(fù)位功能。程序編寫完成后，先檢查程序是否正確，然后連接硬件，控制樣機(jī)空載并進(jìn)行調(diào)試。

3 試驗(yàn)與分析

3.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)于2021年9月19日在鎮(zhèn)江市句容白兔鎮(zhèn)草莓種植園區(qū)進(jìn)行。起壟規(guī)格為壟高30 cm，壟底寬50～60 cm，壟頂寬45 cm，壟溝寬28～35 cm，滿足試驗(yàn)要求。試驗(yàn)設(shè)備包括草莓移栽機(jī)、游標(biāo)卡尺（量程200 mm，精度0.02 mm）、常規(guī)卷尺（量程5 m）、秒表等。試驗(yàn)材料：草莓裸根苗，培育時(shí)間8周左右，經(jīng)測(cè)量100組草莓裸苗根系的平均長(zhǎng)度，符合正態(tài)分布，70～100 mm之間的占95.4%。

3.2 試驗(yàn)方案

為驗(yàn)證草莓移栽機(jī)打穴合格率，采用單因素三水平全析因試驗(yàn)，試驗(yàn)因子為打穴合格率，試驗(yàn)水平為150 mm、200 mm、250 mm，試驗(yàn)響應(yīng)為株距合格率、孔徑合格率、孔深合格率。依照中華人民共和國(guó)機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（JB/T 10291—2013）［15］，測(cè)量株距、孔徑、孔深數(shù)據(jù)以合格率作為測(cè)試指標(biāo)，并計(jì)算相應(yīng)的變異系數(shù)［16］。

1） ?株距合格率：設(shè)理論間距為L(zhǎng)r，測(cè)量相鄰兩孔間距Li，若0.8Lr

2） ?孔徑合格率：設(shè)理論孔徑為Dr，測(cè)量穴孔端面直徑Di，若0.8Dr

3） ?孔深合格率：根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，穴孔的深度范圍在理論打穴深度的±10 mm內(nèi)認(rèn)為孔徑合格，取理論穴孔深度為85 mm。將合格孔徑樣本與樣本總數(shù)的比值作為株距合格率?？咨钭儺愊禂?shù)定義為：在一定的栽植區(qū)間內(nèi)所測(cè)得的實(shí)際孔深的標(biāo)準(zhǔn)偏差與平均值的百分比?？咨詈细衤?、孔深的變異系數(shù)是對(duì)穴形均勻度的評(píng)價(jià)。

X-=∑ni=1Xin

（1）

SX=1（n－1）∑ni=1（Xi－X-）2

（2）

CVX=SXX-×100%

（3）

式中：

n——實(shí)測(cè)缽苗數(shù)，株；

CVX——變異系數(shù)，%；

SX——標(biāo)準(zhǔn)差；

X-——平均值，mm；

Xi——合格株距（i=1，2，…，n），mm。

4） 打穴合格率：打穴合格是指移栽機(jī)打穴后穴孔株距、孔徑、孔深都合格，其合格率指實(shí)測(cè)穴孔合格株數(shù)與實(shí)測(cè)穴孔株數(shù)的百分比。

P=NAN×100%

（4）

式中：

NA——合格株數(shù)，株；

N——測(cè)定的總株數(shù)，株。

為保證試驗(yàn)精度，試驗(yàn)3次，每組試驗(yàn)20次，取平均值。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

如表2～表5所示，當(dāng)單行移栽效率為15株/min，理論株距為150 mm時(shí)，株距合格率為98.62%，株距變異系數(shù)為3.05，孔徑合格率為98.56%，孔徑變異系數(shù)為1.82，孔深合格率為97.74%，孔深變異系數(shù)為1.48，打穴成功率為96.46%；理論株距為200 mm時(shí)，株距合格率為98.62%，株距變異系數(shù)為3.05，孔徑合格率為97.66%，孔徑變異系數(shù)為1.57，孔深合格率為98.46%，孔深變異系數(shù)為1.37，打穴成功率為95.88%；理論株距為250 mm時(shí)，株距合格率為96.10%，株距變異系數(shù)為1.76，孔徑合格率為97.24%，孔徑變異系數(shù)為2.41，孔深合格率為97.22%，孔深變異系數(shù)為1.35，打穴成功率為95.26%。根據(jù)機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（JB/T 10291—2013）中移栽機(jī)性能指標(biāo)，不同株距下，株距變異系數(shù)均小于20%，孔深合格率均大于75%，機(jī)構(gòu)運(yùn)行穩(wěn)定、株距差異??；打穴成功率、孔徑合格率均大于95%，孔徑變異系數(shù)均小于20%；成型孔的質(zhì)量較好，符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，能夠滿足草莓移栽需求。

綜上分析可知，當(dāng)單行移栽效率為15株/min，栽植株距分別為150 mm、200 mm、250 mm時(shí)，株距合格率、孔深合格率、孔徑合格率均在95%以上，株距變異系數(shù)均小于5%，打穴成功率均在95%以上，同時(shí)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：（1）由于打穴機(jī)構(gòu)采用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，質(zhì)量大、運(yùn)動(dòng)時(shí)慣性大，造成曲柄停在最高點(diǎn)的位置不準(zhǔn)確；（2）孔深不同造成實(shí)際株距與理論株距之間存在一定偏差；（3）移栽機(jī)前進(jìn)速度與打穴速度的合速度方向與豎直方向存在夾角，導(dǎo)致了實(shí)際孔徑數(shù)據(jù)與理論孔徑數(shù)據(jù)之間存在一定的偏差；設(shè)施內(nèi)草莓移栽環(huán)境惡劣，移栽機(jī)會(huì)在凹凸不平的田地產(chǎn)生打滑現(xiàn)象。根據(jù)機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（JB/T 10291—2013）中移栽機(jī)性能指標(biāo)，試驗(yàn)值均大于指標(biāo)值，符合栽植要求。

4 結(jié)論

1） ?本研究結(jié)合自主研發(fā)的草莓移栽機(jī)，設(shè)計(jì)了一種基于PLC的草莓移栽機(jī)控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)由定速行走、前輪轉(zhuǎn)向、打穴控制系統(tǒng)等任務(wù)模塊組成，可實(shí)現(xiàn)草莓移栽機(jī)打穴機(jī)構(gòu)自動(dòng)定位、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)自動(dòng)回零、等株距打穴等流程，通過(guò)機(jī)器打穴匹配人工識(shí)別草莓苗弓背后定向穴栽的方式完成草莓苗移栽作業(yè)，提高草莓移栽工作效率。

2） ?采用單因素試驗(yàn)法，進(jìn)行草莓移栽機(jī)田間試驗(yàn)，其中試驗(yàn)因子為打穴合格率，試驗(yàn)水平為150 mm、200 mm、250 mm，試驗(yàn)響應(yīng)為株距合格率、孔徑合格率、孔深合格率。結(jié)果表明：當(dāng)單行移栽效率為15株/min時(shí)，株距合格率、孔深合格率、孔徑合格率均在95%以上，其變異系數(shù)均小于5%，打穴成功率均在95%以上；整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到了旱地裸根苗作物的移栽要求，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠程度高。

參 考 文 獻(xiàn)

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