穴盘水稻钵苗自动送秧机构及控制系统设计与试验-华南农业大学学报.pdf
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华南农业大学学报樊元君马瑞峻黄倩等穴盘水稻钵苗自动送秧机构及控制系统设计与试验华南农业大学学报穴盘水稻钵苗自动送秧机构及控制系统设计与试验樊元君马瑞峻黄倩黄木水张亚莉华南农业大学工程学院广东广州摘要目的提高水稻钵苗有序抛秧机中自动输送进给钵苗行的输送精度及可靠性减少送秧环节的漏秧问题方法提出了钵苗行到位自动检测方案和程序实现方法通过样机试验分别获得基于直接在线检测秧苗茎秆穴盘钵体和铁盘磁性凸起种表征钵苗行到位的特征信号概括出钵苗行到位信号的综合测量属性确立钵苗行到位较佳的监测方案及其控制电路设计
华南农业大学学报２０１６，３７（４）：１１７１２３ ｈｔｔｐ： ｘｕｅｂａｏ．ｓｃａｕ．ｅｄｕ．ｃｎ ∥ ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｏｕｔｈＣｈｉｎａＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｄｏｉ：１０．７６７１／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１４１１Ｘ．２０１６．０４．０１９ 樊元君，马瑞峻，黄倩，等．穴盘水稻钵苗自动送秧机构及控制系统设计与试验［Ｊ］．华南农业大学学报，２０１６，３７（４）：１１７１２３． 穴盘水稻钵苗自动送秧机构及控制系统设计与试验 樊元君，马瑞峻，黄倩，黄木水，张亚莉 （华南农业大学工程学院，广东广州５１０６４２） 摘要：【目的】提高水稻钵苗有序抛秧机中自动输送进给钵苗行的输送精度及可靠性，减少送秧环节的漏秧问题。 【方法】提出了钵苗行到位自动检测方案和程序实现方法，通过样机试验，分别获得基于直接在线检测秧苗茎秆、穴 盘钵体和铁盘磁性凸起３种表征钵苗行到位的特征信号，概括出钵苗行到位信号的综合测量属性，确立钵苗行到 位较佳的监测方案及其控制电路；设计集钵苗行到位检测及输送进给一体的皮带式自动送秧机构及控制系统。 【结果】选用塑料穴盘钵体为检测对象时，皮带式自动送秧机构送秧到位检测成功率最高，为９９７８％；铁盘磁性凸 起的次之，为９６６４％；秧苗茎秆最差。以塑料穴盘钵体和铁盘磁性凸起为检测对象时，穴盘类型对钵苗行到位检 测成功率的影响不显著（Ｐ＞００５）；但以秧苗茎秆为检测对象时，则影响极显著（Ｐ＜００１）。在３种钵苗行到位检 －１ 测方案中，输送电机转速在３０～６０ｒ·ｍｉｎ 范围内变动时，对钵苗行到位检测效果的影响均不显著（Ｐ＞００５）。 【结论】所设计的皮带式自动送秧机构及其钵苗行到位的自动检测控制系统能够满足钵苗有序自动抛秧机对钵苗 行输送进给的性能要求。 关键词：水稻；钵苗；自动进给机构；行到位检测；设计与试验 中图分类号：Ｓ２２３．９４文献标志码：Ａ文章编号：１００１４１１Ｘ（２０１６）０４０１１７０７ Ｄｅｓｉｇｎａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｏｆａｕｔｏｍａｔｉｃｆｅｅｄｉｎｇｓｅｅｄｌｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｆｏｒｒｉｃｅｐｏｔｓｅｅｄｌｉｎｇｓ ＦＡＮＹｕａｎｊｕｎ，ＭＡＲｕｉｊｕｎ，ＨＵＡＮＧＱｉａｎ，ＨＵＡＮＧＭｕｓｈｕｉ，ＺＨＡＮＧＹａｌｉ （ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｏｕｔｈＣｈｉｎａＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ５１０６４２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：【Ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ】Ｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅａｃｃｕｒａｃｙａｎｄｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｏｆａｕｔｏｍａｔｉｃｆｅｅｄｉｎｇｒｉｃｅｓｅｅｄｌｉｎｇｓｉｎｔｈｅ ｏｒｄｅｒｌｙｔｈｒｏｗｉｎｇｔｒａｎｓｐｌａｎｔｅｒ，ａｎｄｒｅｄｕｃｅｔｈｅｓｅｅｄｌｉｎｇｌｏｓｓｉｎｔｈｅｓｅｅｄｌｉｎｇｆｅｅｄｉｎｇｌｉｎｋ．【Ｍｅｔｈｏｄ】Ａｒｉｃｅ ｓｅｅｄｌｉｎｇｒｏｗｉｎｐｏｓｉｔｉｏｎｄｅｔｅｃｔｉｎｇｓｃｈｅｍｅａｎｄｉｔｓｐｒａｃｔｉｃａｌｐｒｏｇｒａｍｍｅｔｈｏｄｗｅｒｅｐｒｏｐｏｓｅｄ，ｗｈｉｌｅａｂｅｌｔ ｔｙｐｅａｕｔｏｍａｔｉｃｓｅｅｄｌｉｎｇｆｅｅｄｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍ （ＢＡＳＦＭ）ａｎｄｒｅｌａｔｅｄｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｗｅｒｅｄｅｖｅｌｏｐｅｄ． Ｔｈｒｏｕｇｈｐｒｏｔｏｔｙｐｅｔｅｓｔ，ｔｈｒｅｅｋｉｎｄｓｏｆｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｉｇｎａｌｓｒｅｐｒｅｓｅｎｔｉｎｇｔｈｅｐｌｕｇｓｅｅｄｌｉｎｇｒｏｗｉｎｐｏｓｉｔｉｏｎ ｓｔａｔｕｓｗｅｒｅｒｅｃｅｉｖｅｄｂａｓｅｄｏｎｄｉｒｅｃｔｏｎｌｉｎｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎｏｆｓｅｅｄｌｉｎｇｓｔａｌｋ，ｐｌａｓｔｉｃｔｒａｙａｎｄｍａｇｎｅｔｉｃｂｕｌｇｅｏｆ ｆｅｒｒｉｃｔｒａｙｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅｓｙｎｔｈｅｔｉｃａｌｍｅａｓｕｒｅａｔｔｒｉｂｕｔｅｏｆｐｌｕｇｓｅｅｄｌｉｎｇｒｏｗｉｎｐｏｓｉｔｉｏｎｓｉｇｎａｌｗａｓｓｕｍ ｍａｒｉｚｅｄ．Ａｎｏｐｔｉｍａｌｓｃｈｅｍｅｔｏｍｏｎｉｔｏｒｐｌｕｇｓｅｅｄｌｉｎｇｒｏｗｉｎｐｏｓｉｔｉｏｎａｎｄａｓｓｏｃｉａｔｅｄｃｏｎｔｒｏｌｃｉｒｃｕｉｔｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．ＴｈｅＢＡＳＦＭｗｉｔｈｆｕｎｃｔｉｏｎｓｏｆｄｅｔｅｃｔｉｎｇｓｅｅｄｌｉｎｇｒｏｗ，ｔｒａｎｓｐｏｒｔｉｎｇａｎｄｆｅｅｄｉｎｇｓｅｅｄｌｉｎｇｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．【Ｒｅｓｕｌｔ】Ｗｈｅｎｂｏｄｙｏｆｐｌａｓｔｉｃｔｒａｙｗａｓｃｈｏｓｅｎａｓａｄｅｔｅｃｔｅｄｔａｒｇｅｔ，ｔｈｅｓｕｃｃｅｓｓｄｅｔｅｃｔｒａｔｅｗａｓ ｔｈｅｈｉｇｈｅｓｔ（９９７８％），ｍａｇｎｅｔｉｃｂｕｌｇｅｓａｓｉｄｅｆｅｒｒｉｃｔｒａｙｗａｓｈｉｇｈｅｒ（９６６４％）ａｎｄｓｅｅｄｌｉｎｇｓｔａｌｋｗａｓ 收稿日期：２０１５１１１６优先出版时间：２０１６０６０１ 优先出版网址：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｅｔａｉｌ／４４．１１１０．ｓ１６３１．０５８．ｈｔｍｌ 作者简介：樊元君（１９８９—），男，硕士研究生，Ｅｍａｉｌ：ｙｕａｎｊｕｎ＿８９＠１６３．ｃｏｍ；通信作者：马瑞峻（１９７０—），男，教授，博士， Ｅｍａｉｌ：ｍａｒｕｉｊｕｎ＿ｍｒｊ＠１６３．ｃｏｍ 基金项目：国家自然科学基金；广东省公益研究与能力建设项目（２０１４Ａ０２０２０８１０５，２０１４Ａ０２０２０８０１８） １１８ 华南农业大学学报 第３７卷 ｔｈｅｌｏｗｅｓｔ．Ｗｈｅｎｐｌａｓｔｉｃｔｒａｙｏｒｍａｇｎｅｔｉｃｂｕｌｇｅｏｆｆｅｒｒｉｃｔｒａｙｗａｓｃｈｏｓｅｎａｓａｒｏｗｄｅｔｅｃｔｅｄｔａｒｇｅｔ，ｔｒａｙ ｔｙｐｅｓｈｏｗｅｄｎｏｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｅｆｆｅｃｔｏｎｓｕｃｃｅｓｓｄｅｔｅｃｔｒａｔｅ，ｂｕｔｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｗｈｉｌｅｓｅｅｄｌｉｎｇｓｔａｌｋｗａｓｃｈｏｓｅｎａｓ ａｒｏｗｄｅｔｅｃｔｅｄｔａｒｇｅｔ．Ｆｏｒｔｈｒｅｅｓｅｅｄｌｉｎｇｒｏｗｉｎｐｏｓｉｔｉｏｎｄｅｔｅｃｔｉｎｇｓｃｈｅｍｅｓ，ｔｈｅｖａｒｉａｎｃｅｏｆｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｍｏｔｏｒｓｐｅｅｄａｌｓｏｓｈｏｗｅｄｎｏｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｉｍｐａｃｔｏｎｔｈｅｓｅｅｄｌｉｎｇｒｏｗｉｎｐｏｓｉｔｉｏｎｄｅｔｅｃｔｉｎｇｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ －１ ｂｅｔｗｅｅｎ３０－６０ｒ·ｍｉｎ ．【Ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ】ＴｈｉｓｄｅｓｉｇｎｏｆＢＡＳＦＭａｎｄａｆｆｉｌｉａｔｅｄｓｅｅｄｌｉｎｇｒｏｗｉｎｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｕｔｏｍａｔｉｃｄｅｔｅｃｔｉｎｇａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｃａｎｍｅｅｔｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｆｏｒｐｏｔｓｅｅｄｌｉｎｇｒｏｗｔｒａｎｓ ｐｏｒｔｉｎｇａｎｄｆｅｅｄｉｎｇｉｎｔｈｅｒｉｃｅｓｅｅｄｌｉｎｇｏｒｄｅｒｌｙｔｈｒｏｗｉｎｇｔｒａｎｓｐｌａｎｔｅｒ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｒｉｃｅ；ｐｏｔｓｅｅｄｌｉｎｇ；ａｕｔｏｍａｔｉｃｆｅｅｄｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍ；ｒｏｗｉｎｐｏｓｉｔｉｏｎｄｅｔｅｃｔｉｏｎ；ｄｅｓｉｇｎａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ 水稻钵苗有序抛秧机是工厂化穴盘育秧技术［１］ ［２３］ 与有序抛秧种植新模式 有机结合的产物。相比 以毯状苗移栽为主的插秧机，水稻钵苗有序抛秧机 栽植水稻具有不伤根、根系发达、返青快、低节位有 ［４］ 效分蘖多等特点 。基于不同移栽方案设计的钵苗 ［５６］ 有序抛秧机种类繁多 ，但均围绕自动进给钵苗、 钵苗有序脱离穴盘和钵苗有序抛栽３个主要问题。 自动进给钵苗有带穴盘进给和脱离穴盘排序进给２ ［７８］ 种方式 。纯机械式抛秧机通过机构实现送 １：从动辊轴；２：皮带张紧调节板；３：传感器定位板；４：秧盘限位装 ［９１６］ 置；５：水平铝型材支架；６：ＰＶＣ传送皮带；７：链条；８：主动辊轴；９：大 秧 ，但送秧环节漏秧是导致这类抛秧机漏栽率增 加的重要原因之一［１７１９］。带有光电开关或机器视觉 链轮；１０：小链轮；１１，１２：交流伺服电机及其安装板；１３：竖直铝型材支 架。 定位并结合步进电机或伺服电机驱动送秧的方式也 图１皮带式自动送秧机构的结构组成 被用于实现钵苗的自动输送，控制精度高，通过补偿 Ｆｉｇ．１Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓｏｆａｂｅｌｔｔｙｐｅａｕｔｏｍａｔｉｃ 可减少机械累计误差，目前主要用于蔬菜或者花卉 ｓｅｅｄｌｉｎｇｆｅｅｄｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍ 等穴钵体积较大的穴盘输送进给［２０２２］，有关水稻穴 ［２３］ ＢＡＳＦＭ 控 制 电路 由 ５１系 列 单 片 机 盘的研究和应用鲜有报道。本研究在前期研究 的 基础上，设计集钵苗行到位检测及输送进给于一体 （ＳＴＣ８９Ｃ５２）、到位传感器、电阻分压电路、交流伺服 的皮带式自动送秧机构及控制系统，提出了以秧苗 电机驱动模块（ＹＺＡＣＳＤ６０８）、开关电源（Ｓ３６０３６） 茎秆、穴盘钵体以及铁盘磁性凸起３种不同检测对 和免维护铅酸蓄电池（ＮＰ７１２）组成，其硬件结构如 象的钵苗行到位检测方案，概括出钵苗行到位的综 图２所示。 合测量属性，并通过试验考证３种方案对钵苗行到 位检测评价指标的影响。 １皮带式自动送秧机构的结构和工作 原理 皮带式自动送秧机构（ＢＡＳＦＭ）主要由链轮、主 动轴、从动轴、皮带、张紧板等组成（图１）。ＢＡＳＦＭ 图２皮带式自动送秧机构控制电路硬件结构框图 工作时，检测钵苗行的传感器通过定位板安装在水 Ｆｉｇ．２Ｈａｒｄｗａｒｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｉａｇｒａｍｏｆｃｏｎｔｒｏｌｃｉｒｃｕｉｔｆｏｒａ 平支架的单侧（或双侧），并能随定位板调整移动选 ｂｅｌｔｔｙｐｅａｕｔｏｍａｔｉｃｓｅｅｄｌｉｎｇｆｅｅｄｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍ 择钵苗行停止的位置，以确保与其配合并完成拔抛 控制电路运行时，到位传感器反馈的１２Ｖ开关 秧移栽的两自由度机械手秧夹的夹持面与钵苗行到 电压信号在电阻分压电路作用下转换成５Ｖ的ＴＴＬ ［２４］ 位平面相重合，达到机械手最佳的夹持拔秧状态。 高低电平信号 ，单片机根据程序设计从接收的电 第４期 樊元君，等：穴盘水稻钵苗自动送秧机构及控制系统设计与试验 １１９ 平信号中提取秧苗到位信息，并发出驱动信号到交 流伺服电机驱动器，交流伺服电机驱动器控制伺服 电机带动皮带式自动送秧机构工作。试验过程中， ＢＡＳＦＭ根据不同方案输送不同的检测对象，控制电 路提供端口并根据试验要求可以实时改变皮带输送 速度。 ２钵苗行到位检测方案和试验设计 ２．１试验设备及材料 皮带式自动送秧机构样机 １台，配套单片机控 制试验电路硬件１套。白色穴盘和红色穴盘育秧的 穴盘苗各 １盘，水稻品种为华航３１号，由２ＳＪＢ５００ 精密播种流水线完成水稻穴盘播种，经过３０ｄ的温 室育秧获得，苗高平均约１４ｃｍ，每穴平均２～３株秧 苗，苗茎秆平均直径２ｍｍ，用于秧苗茎秆行检测试 图４２种不同规格穴盘钵体行截面结构 验，其中，白色穴盘育出的秧苗如图３所示；另备白 Ｆｉｇ．４Ｓｅｃｔｉｏｎａｌｄｉｍｅｎｓｉｏｎｏｆｔｗｏｄｉｆｆｅｒｅｎｔｋｉｎｄｓｏｆｃｅｌｌ 色和红色空穴盘各２盘，用于塑料穴盘钵体行检测 ｔｒａｙｓ 试验；与白色穴盘和红色穴盘相配套的铁盘各 １个， 方案１：检测秧苗茎秆。穴盘培育水稻秧苗至 用于磁性凸起检测试验。 适龄抛秧期，虽然每穴生长的钵苗株数不同，但由于 穴孔矩形排列，且穴孔边缘间有３０～３５ｍｍ的间 隔，通常绝大部分秧苗具有直立生长的特点，因此， 沿着穴盘行方向观察，钵苗行与行的秧苗茎秆之间 形成了清晰的分界线。根据以上特点，选择检测尺 寸达到毫米级别的传感器，通过侧面直接检测秧苗 茎秆来识别钵苗行的到位。选用红外线反射式接近 开关作为到位传感器，型号为Ｅ３Ｘ－ＮＡ１１，光纤探头 直径为１ｍｍ，试验标定的传感器有效检测的最大距 离为８ｍｍ，响应时间为４００ ｓ。 μ 方案２：检测塑料穴盘钵体。用于育秧的塑料穴 图３白色穴盘育秧秧苗 盘是吹塑成型工艺制造的标准件，穴盘钵体行侧面 Ｆｉｇ．３Ｒｉｃｅｓｅｅｄｌｉｎｇｓｒａｉｓｅｄｉｎｗｈｉｔｅｔｒａｙ 投影是等腰梯形，钵体行间形成规则的空隙（图４）， ２．２钵苗行到位检测方案 而钵体行与钵苗行是一一对应的，因此，可通过侧面 在工厂化穴盘水稻育秧中，选用穴孔矩形排列 检测塑料穴盘钵体行来识别钵苗行。选用红外线对 布置的机用穴盘育秧可以降低后续抛秧机械的设计 射式光电开关作为到位传感器，型号为Ｅ３Ｆ－５Ｌ（发 ［２５］ 射器）和Ｅ３Ｆ－５ＤＮ１（接收器），透镜直径为１２ｍｍ， 难度 。本试验中选用２种育秧穴盘、３种检测方 响应时间为１ｍｓ。 案。穴盘钵体行侧面结构如图４所示，其规格如下： 方案３：检测铁盘磁性凸起。田间人工搬运穴盘 １）白色穴盘：长 ×宽 ＝５８５ｍｍ×２９０ｍｍ，穴孔孔型 苗时，将塑料穴盘放到一个铁盘中实现辅助搬运，通 为倒梯形圆台孔，孔开口直径上部 ２２０ｍｍ、下部 过在铁盘侧面焊接与塑料穴盘中的钵体行一一对应 １２０ｍｍ、穴高２００ｍｍ，穴盘为２３行 ×１２列，共 的磁性凸起，采用间接检测铁盘侧面的磁性凸起实 ２７６穴，行中心距为２５５ｍｍ；２）红色穴盘：长×宽＝ 现钵苗行到位检测。本研究设计了２种铁盘，其磁 ５９０ｍｍ×２８５ｍｍ，穴孔孔型为倒四棱台孔，上边宽 性凸起间距分别与上述２种穴盘的行中心距相等， １７０ｍｍ、下边宽１００ｍｍ、穴高１５０ｍｍ，穴盘为２９ 凸起高度则根据电感式传感器的有效检测距离确 行×１４列，共４０６穴，行中心距为２００ｍｍ。 定，铁盘侧面凸起实物见图５。铁盘长 ×宽 ×高为 １２０ 华南农业大学学报 第３７卷 ６１０ｍｍ×２９０ｍｍ×２２ｍｍ，凸起形状为半球形，凸起 辑进入执行中断内容，即停止输送秧苗；而如果前一 间距分别为２５５和２００ｍｍ，半径分别为 ８和５ 周期存储电平是低电平“０”，由于当前电平也是低电 ｍｍ。选用电感式接近开关作为到位传感器，型号为 平“０”，则判断所触发中断下降沿是窜入引脚瞬时噪 ＬＪ１８Ａ３－８－Ｚ／ＢＸ和ＬＪ１２Ａ３－４－Ｚ／ＢＸ，分别用于 声干扰造成的，是“虚假”的钵苗行到位信号，这些中 检测白色穴盘的磁性凸起（半径８ｍｍ）和红色穴盘 断将无法通过“或”逻辑，同时程序将忽略它们返回 的磁性凸起（半径５ｍｍ）。２种传感器的探头直径 执行主程序，即继续输送秧苗。 分别为１６和１０ｍｍ，试验标定传感器有效检测的最 ２．４试验设计 大距离分别为８和４ｍｍ，响应时间均为５ｍｓ。 针对３种钵苗行到位检测方案，分别安排了试 验加以验证。试验因素为输送电机转速和穴盘类 型，输送电机转速根据秧苗进给效率的要求，设为 －１ ３０、４０、５０和 ６０ｒ·ｍｉｎ （对应皮带输送速度为
GB T 32610-2016_日常防护型口罩技术规范_高清版_可检索.pdf
