植物工廠立體栽培系統(tǒng)多功能作業(yè)平臺(tái)優(yōu)化與試驗(yàn).pdf

第38卷 第1期 農(nóng) 業(yè) 工 程 學(xué) 報(bào) Vol 38 No 1 266 2022年 1月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Jan 2022 植物工廠立體栽培系統(tǒng)多功能作業(yè)平臺(tái)優(yōu)化與試驗(yàn) 于暢暢1 高振銘2 徐麗明1 王慶杰1 牛 叢1 曹鑫鵬1 1 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院 北京 100083 2 南水北調(diào)中線信息科技有限公司 北京 100061 摘 要 植物工廠中多采用立體栽培架進(jìn)行育苗與栽培 立體栽培架上的栽培床搬運(yùn)是其中重要一環(huán) 目前 栽培床多 為人工搬運(yùn) 存在勞動(dòng)強(qiáng)度大 自動(dòng)化水平低等問題 針對(duì)此問題 該研究研制了一種多功能作業(yè)平臺(tái) 可實(shí)現(xiàn)自主循 跡 定位和栽培床的自動(dòng)搬運(yùn)和輸送 根據(jù)栽培床質(zhì)量和立體栽培架高度要求 設(shè)計(jì)了升降機(jī)構(gòu) 并確定了關(guān)鍵參數(shù) 研究了栽培床自動(dòng)對(duì)接和自動(dòng)輸送機(jī)構(gòu) 實(shí)現(xiàn)了栽培床的自動(dòng)裝卸 確定了基于RFID Radio Frequency Identification 傳 感器的定位系統(tǒng)方案 采用STM32單片機(jī)作為自動(dòng)控制系統(tǒng)的主控制器 自動(dòng)控制系統(tǒng)主要包括導(dǎo)航系統(tǒng) 定位系統(tǒng) 通信系統(tǒng) 行走系統(tǒng) 升降系統(tǒng) 自動(dòng)對(duì)接系統(tǒng)和自動(dòng)輸送系統(tǒng)等部分 并基于Android平臺(tái)設(shè)計(jì)了人機(jī)交互界面 通 過設(shè)置相應(yīng)指令實(shí)時(shí)監(jiān)控多功能作業(yè)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和作業(yè)參數(shù) 為評(píng)價(jià)多功能作業(yè)平臺(tái)作業(yè)效果 以升降機(jī)構(gòu)高度范 圍 前后定位偏差 高度定位偏差和平臺(tái)與立體栽培架對(duì)接成功率為試驗(yàn)指標(biāo) 進(jìn)行了性能試驗(yàn) 試驗(yàn)結(jié)果表明 多功 能作業(yè)平臺(tái)升降高度范圍為833 2 460 mm 前后定位偏差小于9 mm 高度定位偏差小于5 mm 對(duì)接成功率不小于96 滿足作業(yè)要求 該研究為進(jìn)一步提高植物工廠立體栽培自動(dòng)化水平提供了參考 關(guān)鍵詞 種植 自動(dòng)化 植物工廠 立體栽培 多功能作業(yè)平臺(tái) RFID自動(dòng)定位 自動(dòng)對(duì)接 doi 10 11975 j issn 1002 6819 2022 01 030 中圖分類號(hào) S229 1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A 文章編號(hào) 1002 6819 2022 01 0266 10 于暢暢 高振銘 徐麗明 等 植物工廠立體栽培系統(tǒng)多功能作業(yè)平臺(tái)優(yōu)化與試驗(yàn) J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 2022 38 1 266 275 doi 10 11975 j issn 1002 6819 2022 01 030 http www tcsae org Yu Changchang Gao Zhenming Xu Liming et al Optimization and experiment of the multifunctional operation platform of the stereo cultivation system for plant factory J Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Transactions of the CSAE 2022 38 1 266 275 in Chinese with English abstract doi 10 11975 j issn 1002 6819 2022 01 030 http www tcsae org 0 引 言 設(shè)施農(nóng)業(yè)是采用先進(jìn)農(nóng)業(yè)工程技術(shù)手段進(jìn)行動(dòng)植物 高效生產(chǎn)的一種現(xiàn)代農(nóng)業(yè)方式 是提高耕地產(chǎn)出率 保 障糧食安全的重要手段 1 2 植物工廠是設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展的 高級(jí)階段 是一種高投入 高技術(shù) 精裝備的生產(chǎn)體系 具有單位產(chǎn)量高 生產(chǎn)自動(dòng)化程度高 資源利用率高和 綠色健康等優(yōu)點(diǎn) 3 5 種苗生產(chǎn) 作物管理和物流運(yùn)輸?shù)?自動(dòng)化是實(shí)現(xiàn)植物工廠智能化 提高作物生產(chǎn)效率的重 要工程技術(shù)手段 6 其中 自動(dòng)化物流運(yùn)輸系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)移 栽和收獲過程中栽培床的自動(dòng)搬運(yùn) 有效減少勞動(dòng)人員 工作強(qiáng)度 提高生產(chǎn)效率 降低勞動(dòng)力成本 同時(shí) 自 動(dòng)化物流系統(tǒng)能減少作業(yè)人員進(jìn)出溫室 減少病菌對(duì)作 物的污染 7 9 因此 無人化 自動(dòng)化的物流運(yùn)輸系統(tǒng)是 實(shí)現(xiàn)植物工廠生產(chǎn)自動(dòng)化的關(guān)鍵 根據(jù)導(dǎo)引方式不行 植物工廠中物流運(yùn)輸系統(tǒng)中采 用的搬運(yùn)車主要分為測(cè)距定位導(dǎo)引 視覺導(dǎo)引和固定路 徑導(dǎo)引 10 11 測(cè)距定位導(dǎo)引方式通過采用激光雷達(dá)和超 聲波傳感器測(cè)距確定位置 激光雷達(dá)導(dǎo)引定位準(zhǔn)確 適 收稿日期 2021 11 12 修訂日期 2021 12 29 基金項(xiàng)目 國家高技術(shù)研究發(fā)展項(xiàng)目 2013AA103002 1 作者簡(jiǎn)介 于暢暢 博士生 研究方向?yàn)樯锷a(chǎn)自動(dòng)化技術(shù)與裝備 Email yuchang 通信作者 徐麗明 教授 博士生導(dǎo)師 研究方向?yàn)樯锷a(chǎn)自動(dòng)化技術(shù) 與裝備 Email xlmoffice 應(yīng)性強(qiáng) 但成本較高 并且抗光干擾能力弱 超聲波傳 感器方向性好 抗電磁干擾強(qiáng) 不受光線煙霧影響 但 在較復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境中無法保證較高的定位精度 12 13 視覺導(dǎo)引是采用CCD相機(jī)攝取行駛路徑周圍環(huán)境的顏色 和深度信息 經(jīng)圖像處理后得到導(dǎo)航參數(shù) 并采用模糊 PID等算法使搬運(yùn)車按照規(guī)劃的路線行走 不需要預(yù)先設(shè) 置任何物理路徑 具有較高的行走自由度 但是由于圖 像數(shù)據(jù)計(jì)算量大 導(dǎo)致實(shí)時(shí)性較差 并且易受周圍環(huán)境 光線的影響 14 16 固定路徑導(dǎo)引方式主要有軌道式導(dǎo)引 電磁感應(yīng)導(dǎo)引和磁感應(yīng)導(dǎo)引等 軌道式導(dǎo)引需要預(yù)先鋪 設(shè)一條軌道 能實(shí)現(xiàn)高精度定位 但前期軌道建設(shè)成本 較高 同時(shí)占用溫室較大面積 并且軌道鋪設(shè)完成后路 線更改較難 11 17 電磁感應(yīng)導(dǎo)引通過識(shí)別預(yù)設(shè)電纜上交變 電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)引 具有不易污染或破壞 制造成 本低的優(yōu)點(diǎn) 但當(dāng)導(dǎo)引路徑復(fù)雜交錯(cuò)排列時(shí)難以實(shí)現(xiàn)且線 路埋好后很難改變 18 磁感應(yīng)導(dǎo)引是通過檢測(cè)地表上粘貼 的磁帶線上的磁信號(hào)進(jìn)行引導(dǎo) 相較電磁感應(yīng)導(dǎo)引方式更 靈活 并且便于改變路徑 但易受地上金屬干擾且磁帶易 損壞 可靠性不高 由于植物工廠內(nèi)影響和破壞磁帶因素 不多 并且考慮成本 后期維護(hù)和更改路線方便等因素 已有的植物工廠移動(dòng)作業(yè)平臺(tái)多采用磁導(dǎo)引 19 20 針對(duì)植物工廠立體栽培架栽培床人工搬運(yùn)存在勞動(dòng) 強(qiáng)度大 自動(dòng)化水平低等問題 本文在已研究的基于磁 導(dǎo)航的植物工廠移動(dòng)平臺(tái)基礎(chǔ)上 21 擬對(duì)植物工廠多功 能作業(yè)平臺(tái)上的栽培床自動(dòng)搬運(yùn)和裝卸裝置進(jìn)行研究 第1期 于暢暢等 植物工廠立體栽培系統(tǒng)多功能作業(yè)平臺(tái)優(yōu)化與試驗(yàn) 267 并對(duì)整機(jī)定位精度不高的問題進(jìn)行優(yōu)化 通過理論分析 與計(jì)算 確定升降機(jī)構(gòu) 自動(dòng)裝卸裝置的關(guān)鍵參數(shù)和定 位系統(tǒng)方案 對(duì)控制系統(tǒng)硬件和軟件進(jìn)行設(shè)計(jì) 實(shí)現(xiàn)多 功能作業(yè)平臺(tái)循跡導(dǎo)航 精準(zhǔn)定位與栽培床的自動(dòng)搬運(yùn) 和裝卸 并設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面 便于對(duì)多功能作業(yè)平臺(tái) 的作業(yè)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控 對(duì)多功能作業(yè)平臺(tái)樣機(jī)進(jìn)行 性能試驗(yàn) 以期為植物工廠立體栽培的全面自動(dòng)化和智 能化生產(chǎn)提供基礎(chǔ) 1 多功能作業(yè)平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)與工作原理 1 1 植物工廠立體栽培模式與作業(yè)要求 本文所研究的植物工廠多功能作業(yè)平臺(tái)工作環(huán)境如 圖1所示 植物工廠溫室內(nèi)安裝有立體栽培架 立體栽培 架長(zhǎng)度為9 200 mm 寬度為1 900 mm 共有3層 距離 地面的高度分別為1 121 1 718和2 315 mm 兩個(gè)立體栽 培架之間的間隙為830 mm 立體栽培架與溫室玻璃墻距 離為2 000 mm 溫室門寬度為1 550 mm 多功能作業(yè)平 臺(tái)在立體栽培架和溫室玻璃墻之間移動(dòng) 正常工作時(shí) 多 功能作業(yè)平臺(tái)首先將移栽好秧苗的栽培床搬運(yùn)到植物工 廠溫室 通過溫室內(nèi)預(yù)留的移動(dòng)通道到達(dá)目標(biāo)立體栽培 架 再將栽培床抬升到一定高度 利用多功能作業(yè)平臺(tái)栽 培床推送裝置將栽培床沿立體栽培架上的導(dǎo)軌推送到立 體栽培架上 立體栽培架上的接近開關(guān)檢測(cè)到栽培床時(shí) 啟動(dòng)立體栽培架上的栽培床移動(dòng)裝置 將栽培床搬運(yùn)到立 體栽培架上 a 主視圖 a Front view b 俯視圖 b Top view 1 立體栽培架 2 栽培床 3 溫室墻 4 作業(yè)平臺(tái) 5 溫室門 6 栽培床導(dǎo)軌 1 Stereo cultivation rack 2 Cultivation bed 3 Greenhouse wall 4 Operation platform 5 Greenhouse door 6 Cultivation bed guide 圖1 多功能作業(yè)平臺(tái)作業(yè)環(huán)境示意圖 Fig 1 Schematic diagram of the working environment of the multifunctional operation platform 待栽培床上的作物成熟后 多功能作業(yè)平臺(tái)根據(jù)工 作指令自動(dòng)到達(dá)目標(biāo)立體栽培架并與立體栽培架上的栽 培床導(dǎo)軌進(jìn)行對(duì)接 對(duì)接完成后 打開立體栽培架上的 栽培床移動(dòng)裝置將栽培床沿導(dǎo)軌移動(dòng)到立體栽培架一 端 當(dāng)多功能作業(yè)平臺(tái)檢測(cè)到被推送來的栽培床時(shí) 啟 動(dòng)自動(dòng)裝載裝置 從而將栽培床從立體栽培架上轉(zhuǎn)移到 多功能作業(yè)平臺(tái)上 裝有成熟作物的栽培床自行導(dǎo)航至 集中采摘點(diǎn) 由人工將栽培床上的成熟作物采收和打包 空出來的栽培床再進(jìn)行下一輪作物的種植 該作業(yè)平臺(tái) 實(shí)現(xiàn)了作物從育苗車間到成熟裝車整個(gè)生產(chǎn)過程物流運(yùn) 輸?shù)淖詣?dòng)化 1 2 多功能作業(yè)平臺(tái)整體結(jié)構(gòu) 根據(jù)植物工廠立體栽培的作業(yè)要求 該多功能作業(yè)平臺(tái) 主要包括行走系統(tǒng) 導(dǎo)航系統(tǒng) 定位系統(tǒng) 供電系統(tǒng) 控制 盒 人機(jī)交互界面 升降裝置和自動(dòng)裝卸裝置 如圖2所示 1 減速器 2 控制盒 3 RFID 4 自動(dòng)對(duì)接機(jī)構(gòu) 5 自動(dòng)輸送機(jī)構(gòu) 6 紅 外傳感器 7 剪叉式升降機(jī)構(gòu) 8 液壓缸 9 行走輪 10 驅(qū)動(dòng)電機(jī) 11 蓄電 池 12 RFID 13 磁導(dǎo)航傳感器 1 Reducer 2 Controller box 3 RFID Radio Frequency Identification RFID 4 Automatic docking mechanism 5 Automatic conveying mechanism 6 Infrared sensor 7 Scissor lifting mechanism 8 Hydraulic cylinder 9 Walking wheel 10 Driving motor 11 Battery 12 RFID 13 Magnetic guidance sensor 圖2 多功能作業(yè)平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)示意圖 Fig 2 Structure diagram of multifunctional operation platform 行走系統(tǒng)主要由行走輪和驅(qū)動(dòng)電機(jī)組成 行走輪與 驅(qū)動(dòng)電機(jī)之間安裝有減速器 行走系統(tǒng)整體安裝在機(jī)架 上 通過控制盒內(nèi)的單片機(jī)與驅(qū)動(dòng)器控制行走系統(tǒng)運(yùn)動(dòng) 導(dǎo)航系統(tǒng)通過磁導(dǎo)航傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)固定在溫室地面上 的磁條 實(shí)現(xiàn)按已規(guī)劃路徑運(yùn)動(dòng) 高振銘等 21 研究的路 徑校正控制方法能實(shí)現(xiàn)將直線行駛誤差控制在5 mm以 內(nèi) 本文是基于此導(dǎo)航系統(tǒng)的進(jìn)一步研究 定位系統(tǒng)由2 個(gè)射頻識(shí)別 RFID 傳感器組成 當(dāng)檢測(cè)到立體栽培架 和地面上的電子標(biāo)簽時(shí) RFID傳感器會(huì)產(chǎn)生信號(hào) 從而 實(shí)現(xiàn)定位信號(hào)的采集 其中RFID 和RFID 分別識(shí)別 多功能移動(dòng)平臺(tái)的前后位置和高度位置 供電系統(tǒng)由 24 V蓄電池提供 為整個(gè)多功能作業(yè)平臺(tái)提供能量 控 制盒由單片機(jī) 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和藍(lán)牙模塊等電路模塊組成 實(shí)現(xiàn)位置 路徑等信號(hào)的檢測(cè)和電機(jī) 液壓缸的控制 人機(jī)交互界面是基于Android開發(fā)了用戶遠(yuǎn)程控制APP 通過藍(lán)牙通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互界面與控制盒的連接 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) http www tcsae org 2022年 268 實(shí)現(xiàn)對(duì)多功能作業(yè)平臺(tái)作業(yè)參數(shù)的的實(shí)時(shí)監(jiān)控 升降裝 置主要由剪叉式升降機(jī)構(gòu)和液壓缸組成 通過控制液壓 缸的伸縮實(shí)現(xiàn)多功能作業(yè)平臺(tái)的高度調(diào)節(jié) 自動(dòng)裝卸裝 置由自動(dòng)對(duì)接機(jī)構(gòu) 自動(dòng)推送機(jī)構(gòu)和紅外傳感器組成 紅外傳感器用于檢測(cè)多功能作業(yè)平臺(tái)上是否有栽培床 從而控制自動(dòng)對(duì)接機(jī)構(gòu)和自動(dòng)推送機(jī)構(gòu)進(jìn)行工作 1 3 多功能作業(yè)平臺(tái)工作原理 根據(jù)已研究?jī)?nèi)容 21 多功能作業(yè)平臺(tái)已實(shí)現(xiàn)通過植 物工廠地面上預(yù)先粘貼的磁條導(dǎo)引下進(jìn)行移動(dòng) 且能實(shí) 現(xiàn)較高的導(dǎo)航精度 根據(jù)上述作業(yè)要求 首先 裝載栽 培床的多功能作業(yè)平臺(tái)沿磁條移動(dòng)到立體栽培架旁 當(dāng) RFID 傳感器檢測(cè)到預(yù)先布置在地表上的電子標(biāo)簽時(shí) 多功能作業(yè)平臺(tái)停止移動(dòng) 之后 剪叉式升降機(jī)構(gòu)在液 壓缸的驅(qū)動(dòng)下向上抬升 當(dāng)RFID 傳感器檢測(cè)到預(yù)先 布置在立體栽培架上的電子標(biāo)簽時(shí) 剪叉式升降機(jī)構(gòu)停 止上升 此時(shí)自動(dòng)對(duì)接機(jī)構(gòu)工作 實(shí)現(xiàn)與立體栽培架導(dǎo) 軌的自動(dòng)對(duì)接 對(duì)接完畢后 自動(dòng)輸送裝置將栽培床裝 載到立體栽培架上 立體栽培架檢測(cè)到栽培床時(shí) 在栽 培床移動(dòng)裝置的作用下將栽培床有序擺放在立體栽培架 上 栽培床被移動(dòng)到立體栽培架后 紅外傳感器檢測(cè)不 到栽培床信號(hào) 此時(shí) 多功能作業(yè)平臺(tái)使自動(dòng)對(duì)接機(jī)構(gòu) 和剪叉液壓平臺(tái)恢復(fù)到初始位置并移動(dòng)到充電區(qū) 自動(dòng) 進(jìn)行充電 當(dāng)作物成熟后 需要將裝載成熟作物的栽培 床移動(dòng)到溫室門口統(tǒng)一進(jìn)行的人工采摘和打包 因此多 功能作業(yè)平臺(tái)要完成將裝有成熟作物的栽培床從立體栽 培架自動(dòng)移動(dòng)到作業(yè)平臺(tái)并運(yùn)輸?shù)綔厥议T口 具體過程 為 多功能作業(yè)平臺(tái)從充電區(qū)到達(dá)目標(biāo)立體栽培架 提 升到相應(yīng)層高并與立體栽培架的栽培床導(dǎo)軌進(jìn)行對(duì)接 對(duì)接完畢后進(jìn)入等待狀態(tài) 此時(shí)啟動(dòng)立體栽培架上的栽 培床移動(dòng)裝置 栽培床在立體栽培架栽培床移動(dòng)裝置的作 用下沿導(dǎo)軌緩慢移動(dòng)到自動(dòng)對(duì)接機(jī)構(gòu)上 當(dāng)多功能作業(yè) 平臺(tái)上的紅外傳感器檢測(cè)到栽培床時(shí) 關(guān)閉立體栽培架 上的栽培床移動(dòng)裝置 多功能作業(yè)平臺(tái)的自動(dòng)輸送機(jī)構(gòu) 開始工作 栽培床在自動(dòng)輸送機(jī)構(gòu)的作用下自動(dòng)移動(dòng)到 多功能作業(yè)平臺(tái)上 當(dāng)另一端紅外傳感器檢測(cè)到栽培床 時(shí) 自動(dòng)輸送機(jī)構(gòu)停止工作 自動(dòng)對(duì)接機(jī)構(gòu)和剪叉液壓 平臺(tái)恢復(fù)到初始位置后 多功能作業(yè)平臺(tái)在磁條的導(dǎo)航 下自動(dòng)移動(dòng)到植物工廠出口 待栽培床作物打包運(yùn)走后 自動(dòng)返回到充電區(qū) 從而實(shí)現(xiàn)作物生產(chǎn)過程物流自動(dòng)化 1 4 主要技術(shù)參數(shù) 根據(jù)植物工廠立體栽培架空間布置和具體尺寸 確 定多功能作業(yè)平臺(tái)的主要技術(shù)參數(shù) 如表1所示 表1 多功能作業(yè)平臺(tái)的主要技術(shù)參數(shù) Table 1 Main technical parameters of multifunctional operation platform 參數(shù) Parameters 數(shù)值 Values 外形尺寸 長(zhǎng) 寬 高 Dimension length width height mm mm mm 1 900 1 100 832 最大承載質(zhì)量Max load weight kg 90 提升高度范圍Lifting height mm 833 2 460 前后定位偏差Front and rear positioning deviation mm 9 高度定位偏差Height positioning deviation mm 5 對(duì)接成功率Docking success rate 96 2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與選型 2 1 升降機(jī)構(gòu) 為了使多功能移動(dòng)平臺(tái)滿足不同高度立體栽培架栽 培床的裝卸 需設(shè)計(jì)合適的升降機(jī)構(gòu) 當(dāng)前 剪叉式液 壓升降平臺(tái)是常用的升降機(jī)構(gòu) 根據(jù)不同數(shù)量的剪叉臂 和液壓缸 常見的有單液壓缸推動(dòng)兩幅剪叉和雙液壓缸 三幅剪叉等機(jī)構(gòu) 22 本研究中 立體栽培架第3層高度 為2 315 mm 根據(jù)升降行程及平臺(tái)安裝尺寸 選用單液 壓缸推動(dòng)兩幅剪叉升降機(jī)構(gòu) 剪叉臂長(zhǎng)度確定為 1 300 mm 組數(shù)為2 栽培床與作物總質(zhì)量不大于90 kg 在剪叉臂長(zhǎng)度和液壓缸布置方式確定后 需要計(jì)算 液壓缸的最大推力 從而選擇合適的液壓缸型號(hào) 根據(jù) 剪叉運(yùn)動(dòng)特點(diǎn) 本文采用虛位移原理計(jì)算液壓缸推力 虛位移原理是指在某瞬間 質(zhì)點(diǎn)系在約束情況允許的條 件下 有可能發(fā)生任何無限小的位移 即為虛位移 假 如在質(zhì)點(diǎn)系的任一虛位移中 所有約束力所做功的代數(shù) 和為0 稱這種約束為理想約束 23 剪叉式升降機(jī)構(gòu)如圖 3所示 注 Pg為平臺(tái)負(fù)載 N l為剪叉臂長(zhǎng)度 mm h為升降機(jī)構(gòu)高度 mm l1 為液壓缸下端耳環(huán)長(zhǎng)度 mm l2為固定點(diǎn)O到滑動(dòng)點(diǎn)A的距離 mm l3 為液壓缸上端耳環(huán)長(zhǎng)度 mm l4為液壓缸上端鉸接點(diǎn)C與剪叉臂鉸接點(diǎn)的 距離 mm l5為液壓缸下端鉸接點(diǎn)D與剪叉中點(diǎn)的距離 mm 為剪叉臂 與水平面的夾角 為剪叉臂與液壓缸上端耳環(huán)的夾角 為剪叉 臂與液壓缸下端耳環(huán)的夾角 Note P g is the load of platform kg l is the length of scissor arm mm h is the height of scissor lift mechanism mm l 1 is the length of the lower earring of hydraulic cylinder mm l 2 is the distance between the fixed point O and sliding point A mm l 3 is the length of the upper earring of hydraulic cylinder mm l4 is the distance between the upper hinge point C of hydraulic cylinder and the hinge point of scissor arm mm l5 is the distance between the lower hinge point D of hydraulic cylinder and the midpoint of scissor arm mm is the angle between the scissor arm and horizontal plane is the angle between the scissor arm and lower earring of hydraulic cylinder is the angle between the scissor arm and upper earring of hydraulic cylinder 圖3 剪叉式升降機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖 Fig 3 Schematic diagram of the scissor lift mechanism 以點(diǎn)O為原點(diǎn) 建立坐標(biāo)系xOy 則重要坐標(biāo)點(diǎn)的 坐標(biāo)如下所示 C點(diǎn)坐標(biāo)為 l4cos l3cos 12h l4sin l3sin D點(diǎn)坐標(biāo)為 12l2 l5cos l1cos 12h l5sin l1sin M點(diǎn)坐標(biāo)為 12l2 h 其中 第1期 于暢暢等 植物工廠立體栽培系統(tǒng)多功能作業(yè)平臺(tái)優(yōu)化與試驗(yàn) 269 2 cos 2sinlh l 1 根據(jù)虛位移原理 虛位移即為各點(diǎn)坐標(biāo)的微分 則 各點(diǎn)的虛位移分別為 C點(diǎn)虛位移 4 3 4 3 sin sin cos cos cos Cx Cy l l l l l 2 式中 Cx和 Cy分別為C點(diǎn)在x和 y方向的虛位移 D點(diǎn)虛位移 5 1 5 1 1 sin sin sin 2 cos cos cos Dx Dy l l l l l l 3 式中 Dx和 Dy分別為D點(diǎn)在x和 y方向的虛位移 M點(diǎn)虛位移 1 sin 2 2 cos Mx My l l 4 式中 Mx和 My分別為M點(diǎn)在x和y方向的虛位移 設(shè)定C點(diǎn)和D點(diǎn)虛位移與x軸的夾角分別為 和 則可得 4 3 4 3 cos cos cos tan sin sin Cy Cx l l l l l 5 5 1 5 1 cos cos cos tan 1 sin sin sin 2 Dy Dx l l l l l l 6 根據(jù)虛位移原理 虛位移只與約束條件有關(guān) 對(duì)于理 想約束的質(zhì)點(diǎn)系 其平衡的充分必要條件是作用于質(zhì)點(diǎn)系 的所有主動(dòng)力在任何虛位移中所做虛功的和等于0 23 由 于圖3點(diǎn)A和E處為滑動(dòng)摩擦 使用時(shí)會(huì)添加潤(rùn)滑油 摩擦系數(shù)很小 因此分析該系統(tǒng)的做工情況時(shí)忽略摩擦 力做功 最終可得 cos sincos sin 0g My Cx Cy Dx Dy P F F F F 7 式中F為液壓缸驅(qū)動(dòng)力 N Pg為平臺(tái)負(fù)載 N 考慮到 實(shí)際工況中工作載荷的不同 平臺(tái)可能出現(xiàn)偏載現(xiàn)象 因此計(jì)算和校核都按照單側(cè)負(fù)重進(jìn)行 平臺(tái)目標(biāo)質(zhì)量G 約為90 kg 剪叉機(jī)構(gòu)的自身質(zhì)量G1約為400 kg 則單 側(cè)負(fù)載為Pg 0 5G 0 5G1 g 其中g(shù) 為重力加速度 m s2 計(jì)算可得Pg約為2 450 N 最終得液壓缸驅(qū)動(dòng)力為 cos sin cos sin g My Cx Cy Dx Dy PF 8 由于在載重情況下 剪叉式升降機(jī)構(gòu)處于最低位置 時(shí) 液壓缸所受的推力最大 且剪叉臂與水平面的夾角 越小 所需要的初始液壓缸驅(qū)動(dòng)力越大 為避免液壓缸 尺寸過大 本研究取 為10 剪叉式升降機(jī)構(gòu)其他參數(shù) 為 l 1 300 mm l1 100 mm l3 100 mm l4 120 mm l5 530 mm 32 32 h 452 mm 代入公式 8 可得液壓缸最大驅(qū)動(dòng)力F約為15 443 9 N 為了得到液壓缸型號(hào) 根據(jù)液壓缸壓力與載荷的計(jì) 算關(guān)系 hc FP A 9 式中P為液壓缸工作壓力 MPa Ahc為液壓缸有效工作面 積 mm2 由于本應(yīng)用屬于中低壓等級(jí) 液壓缸工作壓力 一般為2 8 MPa 本文選用5 MPa 因此液壓缸直徑為 4hc FD P 10 式中Dhc為液壓缸直徑 mm 代入公式 10 計(jì)算可得 Dhc約為62 7 mm 預(yù)留出安全空間 參考液壓缸缸徑標(biāo) 準(zhǔn) 選擇液壓缸外徑直徑為63 mm 液壓桿內(nèi)徑為35 mm 根據(jù)剪叉式升降機(jī)構(gòu)安裝尺寸 確定液壓缸長(zhǎng)度為 940 mm 液壓缸行程為360 mm 綜上 本研究選擇山東 省星睿液壓公司HSG 63 35型液壓缸 最大工作壓力為 21 MPa 2 2 自動(dòng)裝卸裝置 為了實(shí)現(xiàn)栽培床的自動(dòng)裝卸 需研究自動(dòng)對(duì)接機(jī)構(gòu) 和自動(dòng)輸送機(jī)構(gòu) 自動(dòng)對(duì)接機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)多功能作業(yè)平臺(tái)上 栽培床移動(dòng)軌道與立體栽培架的栽培床移動(dòng)軌道的自動(dòng) 對(duì)接 自動(dòng)輸送機(jī)構(gòu)需要實(shí)現(xiàn)栽培床的雙向輸送 且能 保證栽培床輸送過程中平穩(wěn)無共振 2 2 1 自動(dòng)對(duì)接機(jī)構(gòu) 栽培床結(jié)構(gòu)如圖4所示 栽培床下方安裝了八字形 輪和一字形輪 八字輪可用于保證栽培床在圓柱型導(dǎo)軌 上移動(dòng) 且不會(huì)出現(xiàn)脫軌現(xiàn)象 另外 一端一字形輪相 較于兩端同為八字形輪的設(shè)計(jì)能減小兩條平行軌道間距 的精度要求 有效降低設(shè)計(jì)難度和成本 a 主視圖 a Front view b 俯視圖 b Top view 1 八 字輪 2 對(duì)接導(dǎo)軌 3 電動(dòng)推桿 4 栽培床 5 止轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 6 一 字輪 1 Wheel shaped like Chinese character of eight 2 Docking guide 3 Electric putter 4 Cultivation bed 5 Anti rotation mechanism 6 Wheel shaped like Chinese character of one 圖4 自動(dòng)對(duì)接機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖 Fig 4 Structure diagram of the automatic docking mechanism 自動(dòng)對(duì)接機(jī)構(gòu)主要由對(duì)接導(dǎo)軌 止轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和電動(dòng)推 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) http www tcsae org 2022年 270 桿組成 如圖4所示 對(duì)接導(dǎo)軌兩端采用錐形結(jié)構(gòu) 能 夠更加方便地將對(duì)接導(dǎo)軌與立體栽培架導(dǎo)軌進(jìn)行對(duì)接 根據(jù)栽培床尺寸 長(zhǎng)為1 300 mm 寬為800 mm 確定 對(duì)接導(dǎo)軌總長(zhǎng)為1 200 mm 直徑為40 mm 止轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)采 用半弧形圓環(huán) 每個(gè)對(duì)接導(dǎo)軌通過左右兩個(gè)半弧形圓環(huán) 防止對(duì)接導(dǎo)軌轉(zhuǎn)動(dòng) 同時(shí)半弧形圓環(huán)具有引導(dǎo)作用 半 弧形圓環(huán)屬于半開放式設(shè)計(jì) 半弧形圓環(huán)與對(duì)接導(dǎo)軌具 有一定的空隙 當(dāng)定位精度有一定誤差時(shí) 對(duì)接導(dǎo)軌可 在半弧形圓環(huán)中自動(dòng)調(diào)整 保證對(duì)接成功率 電動(dòng)推桿 為自動(dòng)對(duì)接機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力 通過電動(dòng)推桿的伸縮 實(shí)現(xiàn) 對(duì)接導(dǎo)軌與立體栽培架栽培床導(dǎo)軌的自動(dòng)對(duì)接 本研究 中 選用阿力德ST500型電動(dòng)推桿 工作電壓為24 V 內(nèi)置限位開關(guān) 伸縮距離為500 mm 滿足多功能作業(yè)平 臺(tái)與立體栽培架之間的距離要求 工作時(shí) 當(dāng)定位系統(tǒng) 確定好前后和高度定位位置后 自動(dòng)對(duì)接機(jī)構(gòu)中的電動(dòng) 推桿工作 推動(dòng)對(duì)接導(dǎo)軌與立體栽培架導(dǎo)軌對(duì)接 2 2 2 自動(dòng)輸送機(jī)構(gòu) 工業(yè)上常用的輸送方案有滾珠絲杠 輸送帶和鏈條 三種形式 滾珠絲杠應(yīng)用于傳動(dòng)距離短 對(duì)傳動(dòng)距離要 求精度較高的場(chǎng)合 輸送帶主要應(yīng)用于輕載場(chǎng)景中 鏈 條多用于輸送線上 使用時(shí)須考慮鏈條本身的機(jī)械特性 并保證鏈條張緊度 在減速比較大的狀態(tài)下使用 機(jī)械 系統(tǒng)的移動(dòng)速度小 24 考慮到栽培床輸送質(zhì)量大 速度 和傳動(dòng)精度要求不高等特點(diǎn) 本文采用輸送帶和鏈條驅(qū) 動(dòng)方式相結(jié)合的鏈輪滾筒結(jié)構(gòu) 主要由鏈輪滾筒 鏈條 步進(jìn)電機(jī)和減速器等組成 如圖5所示 根據(jù)栽培床的外形尺寸 栽培床的總寬度為800 mm 設(shè)置滾筒間的距離為40 mm 滾筒直徑為60 mm 共需 要采用16個(gè)鏈輪 鏈輪布置在鉛垂面內(nèi) 并保持兩鏈輪 軸線相互平行 鏈輪中心連線呈水平或與水平線成60 以下的傾角 以保證鏈條緊邊在上 松邊在下 從而防 止卡鏈或松緊邊相碰 驅(qū)動(dòng)單元為步進(jìn)電機(jī) 通過減速 器加速后驅(qū)動(dòng)鏈輪滾筒 雙排鏈輪通過鏈條交錯(cuò)式連接 確保雙向傳動(dòng)的同時(shí)并保證較大扭矩 本研究中 北京 時(shí)代超群電器科技有限公司的42BYG型步進(jìn)電機(jī)和 2HD 318型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 供電電壓24 V 工作扭矩 為0 5 N m 采用PWM信號(hào)控制轉(zhuǎn)速 將多功能作業(yè)平臺(tái)的左右兩側(cè)分別設(shè)定為近端裝卸 點(diǎn)和遠(yuǎn)端裝卸點(diǎn) 根據(jù)工作時(shí)栽培床的裝卸位置以及裝 載 卸載兩種作業(yè)操作的不同 共分為4種模式 1 近 端裝載 遠(yuǎn)端卸載 2 近端裝載 近端卸載 3 遠(yuǎn)端 裝載 遠(yuǎn)端卸載 4 遠(yuǎn)端裝載 近端卸載 以近端裝載 圖5a 和遠(yuǎn)端卸載 圖5c 為例 當(dāng)紅外傳感器檢測(cè)到 栽培床在鏈輪滾筒組一端時(shí) 步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)雙排鏈輪轉(zhuǎn) 動(dòng) 整體向一側(cè)運(yùn)動(dòng) 直到栽培床完全移動(dòng)到多功能作 業(yè)平臺(tái)上 當(dāng)多功能作業(yè)平臺(tái)到達(dá)對(duì)接定位點(diǎn)時(shí) 自動(dòng) 對(duì)接機(jī)構(gòu)的電機(jī)推桿帶動(dòng)對(duì)接導(dǎo)軌完成與立體栽培的對(duì) 接 對(duì)接完畢后 步進(jìn)電機(jī)再次運(yùn)轉(zhuǎn) 使栽培床沿對(duì)接 導(dǎo)軌移動(dòng)到立體栽培架上 直到紅外傳感器檢測(cè)到栽培 床離開 步進(jìn)電機(jī)停止工作 自動(dòng)對(duì)接機(jī)構(gòu)的電機(jī)推桿 帶動(dòng)對(duì)接導(dǎo)軌回到初始位置 圖5b a 近端裝載 a Near end loading state b 初始狀態(tài) b Initial state c 遠(yuǎn)端卸載 c Remote unloading state 1 栽培床 2 鏈輪滾筒 3 鏈條 4 步進(jìn)電機(jī) 5 減速器 1 Cultivation bed 2 Sprocket roller 3 Chain 4 Stepper motor 5 Reducer 圖5 自動(dòng)輸送機(jī)構(gòu)作業(yè)示意圖 Fig 5 Operation diagram of the automatic conveying mechanism 2 3 定位系統(tǒng)傳感器選型 多功能作業(yè)平臺(tái)的定位系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)栽培床自動(dòng)裝卸 功能的關(guān)鍵 要完成多功能作業(yè)平臺(tái)上的對(duì)接導(dǎo)軌與立 體栽培架上的栽培床導(dǎo)軌的對(duì)接工作 除了導(dǎo)航系統(tǒng)確 保對(duì)接導(dǎo)軌與栽培床導(dǎo)軌平行外 還需要保證平臺(tái)行走 系統(tǒng)前后位置以及升降系統(tǒng)高度位置的定位準(zhǔn)確 分別 采用2個(gè)射頻識(shí)別傳感器 RFID 和RFID 圖1 實(shí) 現(xiàn) RFID技術(shù)具有體積小 容量大 壽命長(zhǎng) 不怕灰塵 污染等惡劣環(huán)境等特點(diǎn) 可支持非接觸式讀寫 非可視 識(shí)別 移動(dòng)識(shí)別 定位及長(zhǎng)期跟蹤管理 25 根據(jù)主動(dòng)標(biāo) 簽和被動(dòng)標(biāo)簽的區(qū)別 可分為2種識(shí)別方式 1 是主動(dòng) 標(biāo)簽主動(dòng)發(fā)出信號(hào) 當(dāng)有閱讀器的天線接收到此信號(hào)時(shí) 信號(hào)通過電子耦合的方式傳遞到閱讀器 從而獲取相應(yīng) 電子標(biāo)簽的信息 2 是當(dāng)被動(dòng)電子標(biāo)簽進(jìn)入閱讀器的天 線讀取范圍時(shí) 自身的能量場(chǎng)被激活 將標(biāo)簽上的信息 通過電磁場(chǎng)傳輸給閱讀器 標(biāo)簽存有目標(biāo)位置信息 從 而實(shí)現(xiàn)非接觸識(shí)別物體信息的功能 26 本文采用第2種識(shí)別方式 選用北京芯拓未來機(jī)器 人科技有限公司的CCF RFID 13M型RFID傳感器 感 應(yīng)距離為0 5 5 cm 供電電壓為9 30 V 支持RS232 和RS485接口輸出 RS232標(biāo)準(zhǔn)邏輯高電平為 3 15 V 邏輯低電平為 3 15V 此邏輯電平無法直接輸入到單 片機(jī)中 故需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換 將232電平轉(zhuǎn)換為TTL 電平 本文采用美信公司的芯片MAX3232將RS232電 第1期 于暢暢等 植物工廠立體栽培系統(tǒng)多功能作業(yè)平臺(tái)優(yōu)化與試驗(yàn) 271 平轉(zhuǎn)換為TTL電平輸入到控制系統(tǒng)中 3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3 1 控制系統(tǒng)總方案 多功能作業(yè)平臺(tái)的控制系統(tǒng)總方案主要包括行走系 統(tǒng) 導(dǎo)航系統(tǒng) 定位系統(tǒng) 通訊系統(tǒng) 升降系統(tǒng) 自動(dòng) 對(duì)接與裝卸系統(tǒng)和供電系統(tǒng) 如圖6所示 圖6 控制系統(tǒng)總方案 Fig 6 Total scheme of the control system 本控制系統(tǒng)選用意法半導(dǎo)體公司STM32F103RET6 作為主控芯片 最大時(shí)鐘頻率為72 MHz 具有多個(gè)串口 ADC 定時(shí)器 通用I O等外設(shè)資源 主控制芯片負(fù)責(zé)對(duì) 導(dǎo)航系統(tǒng)的磁導(dǎo)航傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集 經(jīng)運(yùn)算處理后 向行走系統(tǒng)的直流無刷電機(jī)控制器發(fā)出指令 從而控制 直流無刷電機(jī)工作并完成路徑導(dǎo)航 磁導(dǎo)航傳感器信號(hào) 采用線性插值法進(jìn)行獲取 行走系統(tǒng)采用模糊PID算法 進(jìn)行控制 前期已進(jìn)行了研究 21 通訊系統(tǒng)采用TELESKY公司的JDY 31型藍(lán)牙模 塊 工作頻率為2 4 GHz 藍(lán)牙版本為Bluetooth 3 0 SPP 傳輸距離30 m 通過串口UART與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換 藍(lán)牙模塊與單片機(jī)的通信參數(shù) 波特率為9 600 bps 數(shù) 據(jù)位為8 停止位為1 無奇偶校驗(yàn)位 外部設(shè)備可通過 藍(lán)牙協(xié)議與單片機(jī)進(jìn)行連接 從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換 定位系統(tǒng)采用RFID傳感器 根據(jù)2 3中所述 RFID 傳感器在檢測(cè)到植物工廠溫室地面和立體栽培架上預(yù)先 粘貼的標(biāo)簽時(shí) 會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)信號(hào) 單片機(jī)檢測(cè)到定位信 號(hào)后 可通過控制行走系統(tǒng)和升降系統(tǒng)及時(shí)停止 從而 完成前后位置和高度位置的定位 標(biāo)簽的具體位置需提 前進(jìn)行標(biāo)定與調(diào)試 對(duì)接系統(tǒng)采用電動(dòng)推桿驅(qū)動(dòng) 電動(dòng)推桿在接通電源時(shí) 即開始工作 變換電源的正負(fù)極能夠改變電動(dòng)推桿的工作 方向 本研究中通過單片機(jī)控制繼電器的開合 進(jìn)而控制 電動(dòng)推桿的啟停 從而實(shí)現(xiàn)對(duì)接機(jī)構(gòu)的對(duì)接導(dǎo)軌的移動(dòng) 升降系統(tǒng)的液壓系統(tǒng)由電機(jī)驅(qū)動(dòng) 當(dāng)需要抬升栽培 床時(shí) 單片機(jī)通過控制繼電器閉合使液壓系統(tǒng)電機(jī)開始 工作 直到定位系統(tǒng)檢測(cè)到作業(yè)平臺(tái)升高到目標(biāo)高度并 發(fā)出信號(hào) 單片機(jī)接收到定位系統(tǒng)信號(hào)后控制繼電器斷 開 升降系統(tǒng)停止工作 當(dāng)需要作業(yè)平臺(tái)下降時(shí) 單片 機(jī)控制繼電器打開液壓系統(tǒng)的自鎖裝置 使升降機(jī)構(gòu)緩 慢下降 直至到達(dá)目標(biāo)位置 裝卸裝置采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng) 紅外傳感器檢測(cè)栽培 床位置 當(dāng)對(duì)接系統(tǒng)對(duì)接完成后 單片機(jī)根據(jù)2 2 2節(jié)的 4種不同模式命令 向步進(jìn)電機(jī)控制器發(fā)出PWM和方向 控制信號(hào) 使裝卸裝置開始工作 此時(shí)4個(gè)紅外傳感器 會(huì)檢測(cè)當(dāng)前栽培床位置 當(dāng)紅外傳感器被遮擋時(shí) 紅外 傳感器發(fā)出低電平 否則發(fā)出高電平 單片機(jī)I O口通過 采集紅外傳感器的高低電平獲取當(dāng)前栽培床位置 根據(jù) 此信息控制裝卸系統(tǒng)中步進(jìn)電機(jī)的工作狀態(tài) 根據(jù)系統(tǒng)各個(gè)模塊工作電壓的要求 行走系統(tǒng)的伺 服電機(jī) 磁導(dǎo)航傳感器 RFID傳感器 對(duì)接系統(tǒng)的直流 電機(jī) 升降系統(tǒng)的直流電機(jī) 裝卸系統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)工作 電壓為24 V STM32F103RET6單片機(jī) 紅外傳感器 藍(lán)牙模塊 繼電器工作電壓為5 V 因此選用駱駝牌 6 QWLZ 60 型蓄電池 額定電壓為12 V 額定容量為 60 Ah 采用兩塊串聯(lián)得到24 V供電系統(tǒng) 為了得到5 V 電壓 選用Risym公司的LM2596型DC DC可調(diào)降壓模 塊 最大工作電流為2 5 A 實(shí)現(xiàn)將電壓從24 V降到5 V 3 2 系統(tǒng)控制流程 控制系統(tǒng)主要包括導(dǎo)航任務(wù) 定位任務(wù) 平臺(tái)升降 任務(wù) 自動(dòng)對(duì)接任務(wù) 自動(dòng)輸送任務(wù) 避障任務(wù)與無線 藍(lán)牙通訊任務(wù) 采用定時(shí)器中斷模式來協(xié)調(diào)各個(gè)指令任 務(wù) 其中避障任務(wù)由外部中斷觸發(fā)驅(qū)動(dòng) 一旦事件來臨 控制器立即響應(yīng) 保證植物工廠多功能作業(yè)平臺(tái)遇見障 礙物立刻停止 保證行駛安全 運(yùn)動(dòng)控制器以50 ms的定 時(shí)周期對(duì)導(dǎo)航傳感器進(jìn)行掃描 同時(shí)讀取一次狀態(tài)值進(jìn) 行校正 運(yùn)動(dòng)控制器以1 ms的周期判斷一次當(dāng)前驅(qū)動(dòng)輪 速度是否已達(dá)到控制速度 進(jìn)行力矩和速度的調(diào)整 確 保作業(yè)平臺(tái)能夠快速平穩(wěn)的控制運(yùn)動(dòng)速度 作業(yè)信息發(fā) 生變化時(shí) 將作業(yè)信息通過藍(lán)牙通訊實(shí)時(shí)發(fā)送至人機(jī)交 互界面APP上 控制流程圖如圖7所示 圖7 控制流程圖 Fig 7 Flow chart of controller 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) http www tcsae org 2022年 272 3 3 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì) 為了方便監(jiān)控多功能作業(yè)平臺(tái)的作業(yè)參數(shù) 本文基 于Android系統(tǒng)開發(fā)了 智能多功能作業(yè)平臺(tái) APP 如 圖8所示 圖8 人機(jī)交互界面 Fig 8 Human machine interaction interface 該人機(jī)交互界面采用藍(lán)牙通訊協(xié)議與單片機(jī)上的藍(lán) 牙模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換 智能多功能作業(yè)平臺(tái) APP主 要分為自動(dòng)和手動(dòng)兩種模式 其中自動(dòng)模式主要用于多 功能作業(yè)平臺(tái)自動(dòng)化作業(yè) 不同編號(hào)分別代表立體栽培 架和層數(shù) 工作時(shí)只需要選擇不同編號(hào) 多功能作業(yè)平 臺(tái)就能自動(dòng)的實(shí)現(xiàn)所有的作業(yè)流程 手動(dòng)模式主要用于 前期調(diào)試和電子標(biāo)簽位置的標(biāo)定等 分別能夠控制升降 機(jī)構(gòu) 自動(dòng)對(duì)接結(jié)構(gòu) 自動(dòng)輸送機(jī)構(gòu)和循跡導(dǎo)航等 同 時(shí)設(shè)置了緊急制動(dòng)模式 當(dāng)遇到障礙物時(shí)控制多功能作 業(yè)平臺(tái)緊急停止工作 為了實(shí)現(xiàn) 智能多功能作業(yè)平臺(tái) APP與單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)通訊 需要在上位機(jī)與下位機(jī) 之間指定數(shù)據(jù)指令格式 如表2所示 表2 數(shù)據(jù)指令 Table 2 Data instruction 序號(hào) No 變量 Variable 編碼 Coding 傳遞信息 Information transmission 0 x00 停止 0 行駛狀態(tài) 0 x01 運(yùn)動(dòng) 0 x00 位置0 0 x01 位置1 1 行駛位置 0 x00 前進(jìn) 2 行駛方向 0 x01 后退 0 x00 停止 0 x01 上升 3 升降平臺(tái) 0 x02 下降 0 x00 停止 0 x01 左 4 對(duì)接狀態(tài) 0 x02 右 0 x00 停止 0 x01 裝載 5 裝卸狀態(tài) 0 x02 卸載 4 性能試驗(yàn) 為了評(píng)價(jià)多功能作業(yè)平臺(tái)的工作性能 對(duì)升降機(jī)構(gòu) 定位系統(tǒng) 自動(dòng)對(duì)接機(jī)構(gòu)進(jìn)行了性能試驗(yàn) 4 1 試驗(yàn)概況 試驗(yàn)在北京市通州區(qū)京鵬植物工廠進(jìn)行 主要試驗(yàn) 儀器和設(shè)備包括多功能作業(yè)平臺(tái) 電子秤 拜杰TCS 100 量程為100 kg 卷尺 香港宏利萊有限公司 0 5 m 精度為1 mm 秒表 雷逸MB01 等 圖9為試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng) 1 對(duì)接導(dǎo)軌 2 行走輪 3 電池 4 驅(qū)動(dòng)電機(jī) 5 磁導(dǎo)航傳感器 6 電子標(biāo)簽 7 RFID 8 RFID 9 電子標(biāo)簽 10 栽培床 1 Docking guide 2 Walking wheel 3 Battery 4 Driving motor 5 Magnetic navigation sensor 6 Electronic label 7 RFID 8 RFID 9 Electronic label 10 Cultivation bed 圖9 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng) Fig 9 Experiment site 4 2 試驗(yàn)方法與指標(biāo) 為了確保升降機(jī)構(gòu)滿足立體栽培架的各層高度要 求 采用卷尺分別測(cè)試剪叉式升降機(jī)構(gòu)距地面的最高位 置和最低位置的距離 為了實(shí)現(xiàn)多功能作業(yè)平臺(tái)與立體栽培架的準(zhǔn)確對(duì) 接 對(duì)定位系統(tǒng)的前后和高度2個(gè)方向的定位偏差分別 進(jìn)行了測(cè)試 為了研究多功能作業(yè)平臺(tái)在空載和滿載貨 物情況下對(duì)定位系統(tǒng)的前后定位偏差和高度定位偏差是 否有影響 分別進(jìn)行了空載和90 kg負(fù)載的試驗(yàn) 在前后 定位偏差試驗(yàn)時(shí) 選擇10組不同的前后位置目標(biāo)值分別 進(jìn)行空載和90 kg負(fù)