西瓜移栽機的自動送苗裝置研究_朱海勇.pdf

西瓜移栽機的自動送苗裝置研究 朱海勇 鶴壁職業(yè)技術學院 河南 鶴壁 458030 摘 要 為了提高西瓜移栽成功率 實現自動化移栽 設計了瓜苗自動轉移系統(tǒng) 主要包括育苗盤移動系統(tǒng)和取 苗機械手 建立了不同含水量土壤從育苗盤提取瓜苗時夾持力和豎直提取力的模型 為機械手提取瓜苗提供實 驗基礎 為育苗盤移動系統(tǒng)實現豎直和水平方向移動 采用模糊PID方式 實現驅動電機控制 防止發(fā)生沖擊 建立系統(tǒng)工作流程 實現育苗盤移動系統(tǒng)和取苗機械手邏輯控制 對系統(tǒng)進行測試 結果表明 苗盤移動系統(tǒng)和 取苗機械手均具有良好精度 關鍵詞 西瓜移栽機 移栽力學分析 PID模糊控制 中圖分類號 S233 92 文獻標識碼 A文章編號 1003 188X 2023 01 0118 05 0 引言 西瓜口感甘甜 深受群眾喜愛 是我國夏季的主 流水果 西瓜在我國種植范圍廣泛 目前通常采用育 苗移栽種植方式 1 2 但在移栽過程中容易出現瓜苗 根系損傷 造成秧苗恢復慢 甚至死亡現象 3 4 因 此 移栽成功率直接影響西瓜的生長及產量 5 目 前 傳統(tǒng)移栽方式為人工脫苗移栽 對于農民技術要 求較高 成功率不能得到有效保證 機械化移栽采用 下部頂出機構 在轉運過程中 沒有考慮頂出力大小 對于秧苗土壤的影響 易出現瓜苗土壤破損現象 損 傷根系 6 本系統(tǒng)采用育苗盤移動系統(tǒng)和瓜苗轉移 機械手 模仿手在脫離瓜苗土壤方式 提高了瓜苗土 壤完整性 測試表明 本系統(tǒng)具有較高的移栽成功率 1 系統(tǒng)組成 系統(tǒng)主要包括育苗盤移動系統(tǒng)和取苗機械手 如 圖1所示 育苗盤移動系統(tǒng)如圖1 a 所示 可實現水 平方向移動和豎直方向移動 豎直方向采用帶輪同 步帶機構 動力為同步電機 光電檢測器用于檢測豎 直方向位置 水平方向移動采用絲杠螺母副 步進電 機帶動絲杠轉動 進而實現育苗盤整體移動 光電傳 感器用于檢測水平方向位置 工作過程 首先 豎直 移動機構工作 實現整排定位 其次 水平移動工作 將待取苗移動到機械手位置 機械手結構如圖1 b 收稿日期 2020 11 13 基金項目 河南省科技廳項目 9412011Y1078 作者簡介 朱海勇 1981 男 河南鶴壁人 講師 碩士 E mail tianjiao8694181 163 com 所示 1 光電檢測器 2 絲杠螺母副 3 光電傳感器 4 機械手 5 光電傳感器 6 電機 a 育苗盤移動系統(tǒng) 1 機械手外殼 2 彈簧 3 偏心軸 4 后連桿 5 后偏心軸 6 連接銷 7 連桿 8 取苗針 9 滑塊控制桿 10滑塊 b 機械手結構 圖1 系統(tǒng)組成 Fig 1 Structure of system 齒輪機構帶動偏心軸和后偏心軸 作為系統(tǒng)動力 輸入 偏心軸通過連接銷帶動連桿移動 連桿和滑塊 811 2023年1月 農 機 化 研 究 第1期 DOI 10 13427 ki njyi 2023 01 031 控制桿連接 滑塊和滑塊控制桿固定連接 當偏心軸 轉動時 滑塊控制桿帶動滑塊移動 進而實現取苗針 開合 后連桿和機械手外殼剛性連接 后偏心軸通過 后連桿帶動機械手整體移動 通過兩個齒輪傳動比 實現機械手移動和取苗針開合邏輯關系 2 瓜苗移栽力學分析 西瓜秧苗在栽種過程中 需要完成從育苗盤到投 苗口的轉移 由運輸機械手完成 在工作過程中 首 先 機械手苗針插入育苗盤 抓住瓜苗土壤 期間會對 土壤產生擠壓力 其次 機械手提起瓜苗及其土壤 土 壤脫離育苗盤時會產生縱向拉力 擠壓和縱向拉力 對于實現瓜苗轉移至關重要 現對其最大值進行研 究 7 8 2 1 瓜苗擠壓力分析 機械手實現瓜苗轉移 首先要抓住瓜苗土壤 分 別選用含水量為45 55 65 的土壤進行測試 由 機械手結構可知 取苗針開度控制滑塊向后移動 取 苗針開始加緊 產生夾持力 夾持力太小 不能抓住 瓜苗土壤 太大將擠壓瓜苗土壤 造成散落 瓜苗損 傷 9 現討論苗針控制滑塊向后移動距離與夾持力 之間的關系 如圖2所示 圖2 控制滑塊移動距離與夾持力 Fig 2 The relationship between control the moving distance of the slider and clamping force 隨著控制滑塊移動距離的提高 夾持力成增長趨 勢 其增長速度表現為先快 后慢 又加速趨勢的高次 多項式變化規(guī)律 現對控制滑塊移動距離和夾持力 進行擬合 結果如式 1 所示 擬合決定系數R2達到 0 98 y 0 0122x2 0 6511x 0 2327 1 對含水量為45 55 65 的土壤進行最大抗壓 測試 結果如圖2所示 利用式 1 進行插值計算 含 水量為45 最大抗壓為3 32N 對應控制滑塊移動 距離為4 25mm 含水量為55 最大抗壓為4 7N 對 應控制滑塊移動距離為5 8mm 含水量為65 最大 抗壓為3 27N 對應控制滑塊移動距離為4 1mm 2 2 瓜苗縱向拉力分析 西瓜苗連同土壤被成功抓住后 機械手要實現向 上拉拔 實現土壤和育苗盤的分離 10 11 向上拉拔距 離和土壤與育苗盤分離所需力大小如圖3所示 3種 含水量土壤拉拔力變化曲線隨豎直位移變化趨勢相 似 在開始拉拔初期 拉拔力快速增加 當達到頂峰 后 隨著位移的增加呈現快速下降趨勢 當豎直距離 達到30mm后 拉拔力趨于平穩(wěn) 此時瓜苗土壤和育苗 盤分離 其中 當含水量為45 豎直位移為6 5mm 時 拉拔力達到最大值2 25N 含水量為55 豎直位 移為5mm時 拉拔力達到最大值2 95N 含水量為 65 豎直位移為4 6mm 拉拔力時達到最大值 2 32N 圖3 瓜苗豎直位移和拉拔力之間的關系 Fig 3 The relationship between control the vertical moving distance and drawing force 3 育苗盤轉移控制 由于機械手取苗的位置固定 需要通過整體移動 育苗盤 將待取瓜苗移動到機械手的取苗位置 整個 育苗盤移動系統(tǒng)需要實現水平方向移動和豎直方向 移動 水平方向采用絲杠螺母副 實現移動 豎直方 向采用電機帶動同步帶 進而實現豎直移動 為了在 精確運動過程中防止沖擊 需要對兩個驅動電機進行 調速 3 1 育苗盤電機控制模型 育苗盤需要將待移栽瓜苗移動到機械手取苗位 911 2023年1月 農 機 化 研 究 第1期 置 整個過程需要快速 穩(wěn)定 且不發(fā)生沖擊 需要進 行精準調速控制 系統(tǒng)采用PID控制 控制框圖如圖 4所示 采用PID調速器實現對于步進電機的調 速 12 13 通過編碼器反饋速度與位置信息 圖4 電機調速控制 Fig 4 The speed control drive motor 系統(tǒng)理論位置值r k c k 為實際位置 系統(tǒng)輸 入量為位置誤差e k 及其變化率 e k 系統(tǒng)輸出量 為U k 進而實現對于步進電機控制 則系統(tǒng)輸出量 表示如式 2 所示 其中 KP為比例增益 KI為積分 增益 KD為微分增益 現以系統(tǒng)輸入量為位置誤差 e k 及其變化率 e k 為模糊系統(tǒng)輸入量 以KP KI KD為模糊系統(tǒng)輸出量 建立模糊控制系統(tǒng) 即 U k KPe k KI k i 0 e i KD e k 2 3 2 育苗盤電機PID模糊控制 育苗盤將待移栽苗移動到機械手抓取位置 采用 2個步進電機驅動 實現育苗盤的上下左右移動 采 用PID模糊控制的方法 完成對于驅動步進電機的調 速 模糊系統(tǒng)輸入量為位置誤差e k 變化率 e k 其實際變化范圍分別為 6000 6000 3600 3600 將其轉化到 3 3 論域 系統(tǒng)輸出為 KP KI KD 實際變化范圍分別為 18 18 6 6 1 2 1 2 將其轉化到 1 2 1 2 論域 則系統(tǒng) 輸入和輸出的隸屬度函數如圖5所示 以位置誤差e k 及其變化率 e k 隸屬度中心 值作為系統(tǒng)輸入 以 KP KI KD隸屬度函數中心 值作為系統(tǒng)輸出 依據經驗調整法 建立規(guī)則 當 e k 的絕對值較大時 適當提高 KP 同時將 KI調 小 進而提高系統(tǒng)響應速度 降低阻尼系數 但 KP 過大會造成超調量升高 造成超過系統(tǒng)控制范圍 因 此在調節(jié)時不能過量 當e k 的絕對值適中時 KP取較小值 降低超調量 同時適當增加 KD 最后 調節(jié) KI 當e k 的絕對值較小時 KP和 KI取 較大值 提高系統(tǒng)響應速度 同時為了避免發(fā)生震蕩 現象 調整 KD至中間值 誤差變化率 e k 較大 時 KP值選擇大值 KI選擇小值 同時通過調整 KD 抑制超調量 縮短震蕩時間 根據以上原則 建 立系統(tǒng)輸出模糊規(guī)則 如表1 表3所示 圖5 系統(tǒng)輸入輸出隸屬度函數 Fig 5 The membership function for system input and output 表1 KP模糊規(guī)則 Table 1 The fuzzy rule for KP e k e k NL NM NS O PS PM PL NL PL PL PM PM PS O O NM PL PL PM PS PS O NS NS PM PM PS PS O NS NS O PM PM PS O NS NS NM PS PS PS O NS NS NM NM PM PS O NS NM NM NM NL PL O O NS NM NM NL NL 表2 KI模糊規(guī)則 Table 2 The fuzzy rule for KI e k e k NL NM NS O PS PM PL NL BL BL NM NM NS O O NM BL NM NM NS NS O O NS BL NM NS NS O PS PS O NM NM NS O PS PM PM PS NM NS O PS PS PM PL 021 2023年1月 農 機 化 研 究 第1期 續(xù)表2 e k e k NL NM NS O PS PM PL PM O O PS PS PM PM PL PL O O PS PM PM PL PL 通過模糊規(guī)則 根據查表得到模糊系統(tǒng)輸出 KP KI KD 采用重心法進行去模糊處理 14 15 如式 3 所示 其中 Di 為第i個模糊量的隸屬度函數值 Di 為第i個模糊量對應的中心值 進而得到調整量KP KI KD 實現育苗盤水平方向和豎直方向位置調控 D k n i 1 D i Di n i 1 D i 3 表3 KD模糊規(guī)則 Table 3 The fuzzy rule for KD e k e k NL NM NS O PS PM PL NL PS PS NL NL NL NM NS NM PS NS NL NM NM NS O NS O NS NM NM NS NS O O O NS NS NS NS NS O PS O O O O O O O PM PM O O O PS PM PL PL PM PS PS PS PS PM PL 4 系統(tǒng)工作流程 系統(tǒng)工作過程如圖6所示 首先 開始育苗盤縱 向移動定位 目的是實現育苗盤的排定位 豎直位置 編碼器讀取豎直方向位置 采用模糊PID方式控制豎 直位移電機調速 豎直限位傳感器檢測育苗盤豎直位 置到位 到位進行水平方向調節(jié) 未到位 繼續(xù)豎直方 向調節(jié) 進行水平位置轉移 水平位置編碼器讀取水 平位置 采用模糊PID方式控制水平移動電機 水平 位置傳感器檢測育苗盤到位后 機械手取苗 轉移到 投栽口 最后 完成后水平方向移動育苗盤到下一位 置 當整排完成移栽后 豎直位置電機運動 移動一下 排到豎直方向投苗位置 圖6 系統(tǒng)工作流程 Fig 6 The working flow for system 5 系統(tǒng)測試 為了實現瓜苗移栽自動化 設計了瓜苗自動移栽 系統(tǒng) 本系統(tǒng)分為育苗盤轉移定位系統(tǒng)和瓜苗轉移機 械手 苗盤轉移定位系統(tǒng)通過移動育苗盤 將待移栽 瓜苗移動到機械手移取位置 瓜苗轉移機械手實現瓜 苗從育苗盤到移栽口位置轉移 因此 育苗盤轉移精 度和機械手取苗成功率 是本系統(tǒng)關鍵指標 分別對育苗盤轉移精度和機械手取苗成功率進行 測試 結果如圖7所示 對育苗盤轉移精度測試分別 為兩方面 對育苗盤移動精度進行測試 本系統(tǒng)選 用育苗盤間隔為40mm 結果如圖7 a 所示 橫向誤 差分布范圍為 0 83 0 76mm 豎直縱向誤差分布范 圍 0 97 0 65mm 水平和豎直方向產生誤差均勻 進行單行和單列的取苗測試 單行投苗成功率控制 在97 99 7 之間 單列投苗成功率控制在 97 3 99 6 之間 總體上育苗盤移動具有較高精 度 滿足設計要求 分別采用不同移栽速度 對本系 統(tǒng)機械手進行測試 當移栽速度為60株 min時 成功 率分布在88 9 95 37 當移栽速度為90株 min 時 成功率分布在85 5 89 8 當移栽速度為120 株 min時 成功率分布在76 8 78 7 總體上隨 著移栽速度的升高 移栽成功會逐步降低 當移栽速 度在90株 min以下時 系統(tǒng)具有較高成功率 121 2023年1月 農 機 化 研 究 第1期 圖7 系統(tǒng)測試 Fig 7 The test for system 6 結論 為了實現西瓜移栽自動化 設計了瓜苗自動轉移 系統(tǒng) 包括育苗盤移動機構和取苗機械手 控制滑塊 移動距離和夾持力成二次方關系 擬合決定系數R2 達到0 98 其中 含水量為45 時 最大抗壓為 3 32N 含水量為55 時 最大抗壓為4 7N 含水量為 65 時 最大抗壓為3 27N 對豎直方向提取力進行 分析 當含水量為45 豎直位移為6 5mm時 達到 最大值2 25N 當含水量為55 豎直位移為5mm時 達到最大值2 95N 當含水量為65 豎直位移為 4 6mm時 達到最大值2 32N 采用PID模糊控制方 法 對于育苗盤水平和豎直方向驅動電機進行控制 以位置誤差e k 及其變化率 e k 隸屬度中心值作 為系統(tǒng)輸入 以 KP KI KD隸屬度函數中心值作 為系統(tǒng)輸出 進行反模糊計算 實現控制 對育苗盤 移動機構和取苗機械手進行測試 單行投苗成功率控 制在97 99 7 之間 單列投苗成功率控制在97 3 99 6 之間 對取苗機械手進行測試 當移栽速度為 60株 min時 成功率分布在88 9 95 37 當移栽 速度為90株 min時 成功率分布在85 5 89 8 表明系統(tǒng)具有較高的可靠性 參考文獻 1 張軍 種植小西瓜鋪就致富路 J 農村新技術 2020 6 49 51 2 趙華東 西瓜高產種植技術初探 J 農業(yè)開發(fā)與裝備 2019 11 189 190 3 曾學軍 殷新娟 李文娟 嫁接西瓜甜瓜苗二次移栽技術 J 中國瓜菜 2019 32 8 139 140 4 劉武生 西瓜嫁接育苗移栽高產栽培技術 J 農村科 技 2018 10 28 31 5 許春林 解江濤 王宇杰 夾護式西瓜缽苗移栽機構設計 與試驗 J 東北農業(yè)大學學報 2020 51 2 69 77 6 韓長杰 徐陽 張靜 半自動壓縮基質型西瓜缽苗移栽機 設計與試驗 J 農業(yè)工程學報 2018 34 13 54 61 7 劉洋 楊傳華 劉明普 蔬菜缽苗自動取苗技術發(fā)展 J 中國科技信息 2019 21 42 44 8 趙勻 張衛(wèi)星 辛亮 探入式番茄缽苗移栽機構設計與試 驗 J 農業(yè)機械學報 2019 50 1 105 112 9 尹大慶 池相河 周脈樂 水稻缽苗夾秧式分秧裝置夾秧 片變形試驗 J 東北農業(yè)大學學報 2020 51 6 88 96 10 馬曉曉 李華 葛云 番茄缽苗莖稈力學特性試驗研究 J 農機化研究 2020 42 8 161 167 11 任志端 王衛(wèi)兵 馮靜安 穴盤苗基質力學特性試驗 J 中國農機化學報 2020 41 4 169 174 12 白克 張州 基于PLC模糊控制系統(tǒng)的純電動農機調速 系統(tǒng)設計 J 農機化研究 2021 43 7 121 125 13 李虹飛 胡滿紅 基于模糊控制的農用蓄電池電機車調 速系統(tǒng)設計 J 農機化研究 2021 43 6 259 263 14 李章華 趙飛 模糊集重心法在綜合評價中的應用 J 北京聯合大學學報 1999 4 57 63 15 袁學海 鹿文慧 李洪興 重心法模糊系統(tǒng)及其概率表 示 J 遼寧工程技術大學學報 自然科學版 2010 29 5 795 798 下轉第127頁 221 2023年1月 農 機 化 研 究 第1期 and control of a miniature quadrotor C Springer Nether lands 2008 171 240 5 魯道夫 布羅克豪斯 飛行控制 M 北京 國防工業(yè)出 版社 1999 6 樊曉霞 陳佳品 李振波 基于DPS的微直升機控制電源 解決方案 J 微處理器 2004 4 75 78 7 李成 神經網絡系統(tǒng)理論 M 西安 西安電子科技大學 出版社 1990 8 S S GE J ZHANG T H LEE Adaptive MNN control for a class of non0afine NARMAX systems with disturbances J Systems hardware circuit neural network algorithm control system adaptive ability 上接第122頁 Abstract ID 1003 188X 2023 01 0118 EA Study on Automatic Seedling Delivery Device for W atermelon Transplantrer Zhu Haiyong Hebi Vocational and Technical College Hebi 458030 China Abstract In order to improving success rate of watermelon transplanting the automatic seedling delivery device was a chieved for automatic transplanting This system was composed of seedling tray moving system and seedling picking manip ulator The models for clamping force and extraction force of different water content soil were achieved for extraction of melon seedlings from seedling tray and experimental basis for extraction of melon seedlings by manipulator was achieved The drive motors were controlled by fuzzy PID to achieve the horizontal and vertical movement of seedling tray The con trol flow was designed to control seedling tray moving system and seedling picking manipulator The test was taken the result showed that the seedling tray moving system and seedling picking manipulator had high accuracy Key words watermelon transplanter transplanting mechanics analysis fuzzy PID control 721 2023年1月 農 機 化 研 究 第1期