西瓜移栽机的自动送苗装置研究_朱海勇.pdf

西瓜移栽机的自动送苗装置研究 朱海勇 鹤壁职业技术学院 河南 鹤壁 458030 摘 要 为了提高西瓜移栽成功率 实现自动化移栽 设计了瓜苗自动转移系统 主要包括育苗盘移动系统和取 苗机械手 建立了不同含水量土壤从育苗盘提取瓜苗时夹持力和竖直提取力的模型 为机械手提取瓜苗提供实 验基础 为育苗盘移动系统实现竖直和水平方向移动 采用模糊PID方式 实现驱动电机控制 防止发生冲击 建立系统工作流程 实现育苗盘移动系统和取苗机械手逻辑控制 对系统进行测试 结果表明 苗盘移动系统和 取苗机械手均具有良好精度 关键词 西瓜移栽机 移栽力学分析 PID模糊控制 中图分类号 S233 92 文献标识码 A文章编号 1003 188X 2023 01 0118 05 0 引言 西瓜口感甘甜 深受群众喜爱 是我国夏季的主 流水果 西瓜在我国种植范围广泛 目前通常采用育 苗移栽种植方式 1 2 但在移栽过程中容易出现瓜苗 根系损伤 造成秧苗恢复慢 甚至死亡现象 3 4 因 此 移栽成功率直接影响西瓜的生长及产量 5 目 前 传统移栽方式为人工脱苗移栽 对于农民技术要 求较高 成功率不能得到有效保证 机械化移栽采用 下部顶出机构 在转运过程中 没有考虑顶出力大小 对于秧苗土壤的影响 易出现瓜苗土壤破损现象 损 伤根系 6 本系统采用育苗盘移动系统和瓜苗转移 机械手 模仿手在脱离瓜苗土壤方式 提高了瓜苗土 壤完整性 测试表明 本系统具有较高的移栽成功率 1 系统组成 系统主要包括育苗盘移动系统和取苗机械手 如 图1所示 育苗盘移动系统如图1 a 所示 可实现水 平方向移动和竖直方向移动 竖直方向采用带轮同 步带机构 动力为同步电机 光电检测器用于检测竖 直方向位置 水平方向移动采用丝杠螺母副 步进电 机带动丝杠转动 进而实现育苗盘整体移动 光电传 感器用于检测水平方向位置 工作过程 首先 竖直 移动机构工作 实现整排定位 其次 水平移动工作 将待取苗移动到机械手位置 机械手结构如图1 b 收稿日期 2020 11 13 基金项目 河南省科技厅项目 9412011Y1078 作者简介 朱海勇 1981 男 河南鹤壁人 讲师 硕士 E mail tianjiao8694181 163 com 所示 1 光电检测器 2 丝杠螺母副 3 光电传感器 4 机械手 5 光电传感器 6 电机 a 育苗盘移动系统 1 机械手外壳 2 弹簧 3 偏心轴 4 后连杆 5 后偏心轴 6 连接销 7 连杆 8 取苗针 9 滑块控制杆 10滑块 b 机械手结构 图1 系统组成 Fig 1 Structure of system 齿轮机构带动偏心轴和后偏心轴 作为系统动力 输入 偏心轴通过连接销带动连杆移动 连杆和滑块 811 2023年1月 农 机 化 研 究 第1期 DOI 10 13427 ki njyi 2023 01 031 控制杆连接 滑块和滑块控制杆固定连接 当偏心轴 转动时 滑块控制杆带动滑块移动 进而实现取苗针 开合 后连杆和机械手外壳刚性连接 后偏心轴通过 后连杆带动机械手整体移动 通过两个齿轮传动比 实现机械手移动和取苗针开合逻辑关系 2 瓜苗移栽力学分析 西瓜秧苗在栽种过程中 需要完成从育苗盘到投 苗口的转移 由运输机械手完成 在工作过程中 首 先 机械手苗针插入育苗盘 抓住瓜苗土壤 期间会对 土壤产生挤压力 其次 机械手提起瓜苗及其土壤 土 壤脱离育苗盘时会产生纵向拉力 挤压和纵向拉力 对于实现瓜苗转移至关重要 现对其最大值进行研 究 7 8 2 1 瓜苗挤压力分析 机械手实现瓜苗转移 首先要抓住瓜苗土壤 分 别选用含水量为45 55 65 的土壤进行测试 由 机械手结构可知 取苗针开度控制滑块向后移动 取 苗针开始加紧 产生夹持力 夹持力太小 不能抓住 瓜苗土壤 太大将挤压瓜苗土壤 造成散落 瓜苗损 伤 9 现讨论苗针控制滑块向后移动距离与夹持力 之间的关系 如图2所示 图2 控制滑块移动距离与夹持力 Fig 2 The relationship between control the moving distance of the slider and clamping force 随着控制滑块移动距离的提高 夹持力成增长趋 势 其增长速度表现为先快 后慢 又加速趋势的高次 多项式变化规律 现对控制滑块移动距离和夹持力 进行拟合 结果如式 1 所示 拟合决定系数R2达到 0 98 y 0 0122x2 0 6511x 0 2327 1 对含水量为45 55 65 的土壤进行最大抗压 测试 结果如图2所示 利用式 1 进行插值计算 含 水量为45 最大抗压为3 32N 对应控制滑块移动 距离为4 25mm 含水量为55 最大抗压为4 7N 对 应控制滑块移动距离为5 8mm 含水量为65 最大 抗压为3 27N 对应控制滑块移动距离为4 1mm 2 2 瓜苗纵向拉力分析 西瓜苗连同土壤被成功抓住后 机械手要实现向 上拉拔 实现土壤和育苗盘的分离 10 11 向上拉拔距 离和土壤与育苗盘分离所需力大小如图3所示 3种 含水量土壤拉拔力变化曲线随竖直位移变化趋势相 似 在开始拉拔初期 拉拔力快速增加 当达到顶峰 后 随着位移的增加呈现快速下降趋势 当竖直距离 达到30mm后 拉拔力趋于平稳 此时瓜苗土壤和育苗 盘分离 其中 当含水量为45 竖直位移为6 5mm 时 拉拔力达到最大值2 25N 含水量为55 竖直位 移为5mm时 拉拔力达到最大值2 95N 含水量为 65 竖直位移为4 6mm 拉拔力时达到最大值 2 32N 图3 瓜苗竖直位移和拉拔力之间的关系 Fig 3 The relationship between control the vertical moving distance and drawing force 3 育苗盘转移控制 由于机械手取苗的位置固定 需要通过整体移动 育苗盘 将待取瓜苗移动到机械手的取苗位置 整个 育苗盘移动系统需要实现水平方向移动和竖直方向 移动 水平方向采用丝杠螺母副 实现移动 竖直方 向采用电机带动同步带 进而实现竖直移动 为了在 精确运动过程中防止冲击 需要对两个驱动电机进行 调速 3 1 育苗盘电机控制模型 育苗盘需要将待移栽瓜苗移动到机械手取苗位 911 2023年1月 农 机 化 研 究 第1期 置 整个过程需要快速 稳定 且不发生冲击 需要进 行精准调速控制 系统采用PID控制 控制框图如图 4所示 采用PID调速器实现对于步进电机的调 速 12 13 通过编码器反馈速度与位置信息 图4 电机调速控制 Fig 4 The speed control drive motor 系统理论位置值r k c k 为实际位置 系统输 入量为位置误差e k 及其变化率 e k 系统输出量 为U k 进而实现对于步进电机控制 则系统输出量 表示如式 2 所示 其中 KP为比例增益 KI为积分 增益 KD为微分增益 现以系统输入量为位置误差 e k 及其变化率 e k 为模糊系统输入量 以KP KI KD为模糊系统输出量 建立模糊控制系统 即 U k KPe k KI k i 0 e i KD e k 2 3 2 育苗盘电机PID模糊控制 育苗盘将待移栽苗移动到机械手抓取位置 采用 2个步进电机驱动 实现育苗盘的上下左右移动 采 用PID模糊控制的方法 完成对于驱动步进电机的调 速 模糊系统输入量为位置误差e k 变化率 e k 其实际变化范围分别为 6000 6000 3600 3600 将其转化到 3 3 论域 系统输出为 KP KI KD 实际变化范围分别为 18 18 6 6 1 2 1 2 将其转化到 1 2 1 2 论域 则系统 输入和输出的隶属度函数如图5所示 以位置误差e k 及其变化率 e k 隶属度中心 值作为系统输入 以 KP KI KD隶属度函数中心 值作为系统输出 依据经验调整法 建立规则 当 e k 的绝对值较大时 适当提高 KP 同时将 KI调 小 进而提高系统响应速度 降低阻尼系数 但 KP 过大会造成超调量升高 造成超过系统控制范围 因 此在调节时不能过量 当e k 的绝对值适中时 KP取较小值 降低超调量 同时适当增加 KD 最后 调节 KI 当e k 的绝对值较小时 KP和 KI取 较大值 提高系统响应速度 同时为了避免发生震荡 现象 调整 KD至中间值 误差变化率 e k 较大 时 KP值选择大值 KI选择小值 同时通过调整 KD 抑制超调量 缩短震荡时间 根据以上原则 建 立系统输出模糊规则 如表1 表3所示 图5 系统输入输出隶属度函数 Fig 5 The membership function for system input and output 表1 KP模糊规则 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模糊规则 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 农 机 化 研 究 第1期 续表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 通过模糊规则 根据查表得到模糊系统输出 KP KI KD 采用重心法进行去模糊处理 14 15 如式 3 所示 其中 Di 为第i个模糊量的隶属度函数值 Di 为第i个模糊量对应的中心值 进而得到调整量KP KI KD 实现育苗盘水平方向和竖直方向位置调控 D k n i 1 D i Di n i 1 D i 3 表3 KD模糊规则 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 系统工作流程 系统工作过程如图6所示 首先 开始育苗盘纵 向移动定位 目的是实现育苗盘的排定位 竖直位置 编码器读取竖直方向位置 采用模糊PID方式控制竖 直位移电机调速 竖直限位传感器检测育苗盘竖直位 置到位 到位进行水平方向调节 未到位 继续竖直方 向调节 进行水平位置转移 水平位置编码器读取水 平位置 采用模糊PID方式控制水平移动电机 水平 位置传感器检测育苗盘到位后 机械手取苗 转移到 投栽口 最后 完成后水平方向移动育苗盘到下一位 置 当整排完成移栽后 竖直位置电机运动 移动一下 排到竖直方向投苗位置 图6 系统工作流程 Fig 6 The working flow for system 5 系统测试 为了实现瓜苗移栽自动化 设计了瓜苗自动移栽 系统 本系统分为育苗盘转移定位系统和瓜苗转移机 械手 苗盘转移定位系统通过移动育苗盘 将待移栽 瓜苗移动到机械手移取位置 瓜苗转移机械手实现瓜 苗从育苗盘到移栽口位置转移 因此 育苗盘转移精 度和机械手取苗成功率 是本系统关键指标 分别对育苗盘转移精度和机械手取苗成功率进行 测试 结果如图7所示 对育苗盘转移精度测试分别 为两方面 对育苗盘移动精度进行测试 本系统选 用育苗盘间隔为40mm 结果如图7 a 所示 横向误 差分布范围为 0 83 0 76mm 竖直纵向误差分布范 围 0 97 0 65mm 水平和竖直方向产生误差均匀 进行单行和单列的取苗测试 单行投苗成功率控制 在97 99 7 之间 单列投苗成功率控制在 97 3 99 6 之间 总体上育苗盘移动具有较高精 度 满足设计要求 分别采用不同移栽速度 对本系 统机械手进行测试 当移栽速度为60株 min时 成功 率分布在88 9 95 37 当移栽速度为90株 min 时 成功率分布在85 5 89 8 当移栽速度为120 株 min时 成功率分布在76 8 78 7 总体上随 着移栽速度的升高 移栽成功会逐步降低 当移栽速 度在90株 min以下时 系统具有较高成功率 121 2023年1月 农 机 化 研 究 第1期 图7 系统测试 Fig 7 The test for system 6 结论 为了实现西瓜移栽自动化 设计了瓜苗自动转移 系统 包括育苗盘移动机构和取苗机械手 控制滑块 移动距离和夹持力成二次方关系 拟合决定系数R2 达到0 98 其中 含水量为45 时 最大抗压为 3 32N 含水量为55 时 最大抗压为4 7N 含水量为 65 时 最大抗压为3 27N 对竖直方向提取力进行 分析 当含水量为45 竖直位移为6 5mm时 达到 最大值2 25N 当含水量为55 竖直位移为5mm时 达到最大值2 95N 当含水量为65 竖直位移为 4 6mm时 达到最大值2 32N 采用PID模糊控制方 法 对于育苗盘水平和竖直方向驱动电机进行控制 以位置误差e k 及其变化率 e k 隶属度中心值作 为系统输入 以 KP KI KD隶属度函数中心值作 为系统输出 进行反模糊计算 实现控制 对育苗盘 移动机构和取苗机械手进行测试 单行投苗成功率控 制在97 99 7 之间 单列投苗成功率控制在97 3 99 6 之间 对取苗机械手进行测试 当移栽速度为 60株 min时 成功率分布在88 9 95 37 当移栽 速度为90株 min时 成功率分布在85 5 89 8 表明系统具有较高的可靠性 参考文献 1 张军 种植小西瓜铺就致富路 J 农村新技术 2020 6 49 51 2 赵华东 西瓜高产种植技术初探 J 农业开发与装备 2019 11 189 190 3 曾学军 殷新娟 李文娟 嫁接西瓜甜瓜苗二次移栽技术 J 中国瓜菜 2019 32 8 139 140 4 刘武生 西瓜嫁接育苗移栽高产栽培技术 J 农村科 技 2018 10 28 31 5 许春林 解江涛 王宇杰 夹护式西瓜钵苗移栽机构设计 与试验 J 东北农业大学学报 2020 51 2 69 77 6 韩长杰 徐阳 张静 半自动压缩基质型西瓜钵苗移栽机 设计与试验 J 农业工程学报 2018 34 13 54 61 7 刘洋 杨传华 刘明普 蔬菜钵苗自动取苗技术发展 J 中国科技信息 2019 21 42 44 8 赵匀 张卫星 辛亮 探入式番茄钵苗移栽机构设计与试 验 J 农业机械学报 2019 50 1 105 112 9 尹大庆 池相河 周脉乐 水稻钵苗夹秧式分秧装置夹秧 片变形试验 J 东北农业大学学报 2020 51 6 88 96 10 马晓晓 李华 葛云 番茄钵苗茎秆力学特性试验研究 J 农机化研究 2020 42 8 161 167 11 任志端 王卫兵 冯静安 穴盘苗基质力学特性试验 J 中国农机化学报 2020 41 4 169 174 12 白克 张州 基于PLC模糊控制系统的纯电动农机调速 系统设计 J 农机化研究 2021 43 7 121 125 13 李虹飞 胡满红 基于模糊控制的农用蓄电池电机车调 速系统设计 J 农机化研究 2021 43 6 259 263 14 李章华 赵飞 模糊集重心法在综合评价中的应用 J 北京联合大学学报 1999 4 57 63 15 袁学海 鹿文慧 李洪兴 重心法模糊系统及其概率表 示 J 辽宁工程技术大学学报 自然科学版 2010 29 5 795 798 下转第127页 221 2023年1月 农 机 化 研 究 第1期 and control of a miniature quadrotor C Springer Nether lands 2008 171 240 5 鲁道夫 布罗克豪斯 飞行控制 M 北京 国防工业出 版社 1999 6 樊晓霞 陈佳品 李振波 基于DPS的微直升机控制电源 解决方案 J 微处理器 2004 4 75 78 7 李成 神经网络系统理论 M 西安 西安电子科技大学 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页 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 农 机 化 研 究 第1期