蔣素琴 吳婷婷 謝宗楚 楊晨 朱燕

摘要：當今中國農(nóng)業(yè)的主要播種方式還是傳統(tǒng)的人工播種，人工播種耗費了大量的人力和時間，更重要的是可能還會延誤播種的最佳時期，影響植物的生長。同時移栽技術(shù)可以促使蔬菜再生新根，提高產(chǎn)量和品質(zhì)及土地利用率，在清除雜草、早期苗水施肥和病蟲防治方面也有著重要的作用。育苗移栽過程復雜，且人工成功率小，成本高，引入PLC 系統(tǒng)的自動穴盤苗移栽技術(shù)，可以克服上述缺點。PLC 控制系統(tǒng)具有可靠性高、穩(wěn)定性強的特點，在農(nóng)業(yè)機械中發(fā)揮這越來越大的優(yōu)勢。本問采用可編程控制器來實現(xiàn)，完成整個全自動的移栽過程，PLC 是能夠進行數(shù)字邏輯運算的電子裝置，操作時將先前輸入存儲的指令通過數(shù)字式或者模擬式輸出，進行機械運轉(zhuǎn)或生產(chǎn)流程操作。工作時，攝像頭采集，確定穴盤苗位置信息，并將采集的信息輸送至PLC系統(tǒng)，經(jīng)電腦端處理后，再輸出相應(yīng)的指令，PLC系統(tǒng)完成取送苗的任務(wù)，實現(xiàn)穴盤苗的全自動移栽。

關(guān)鍵詞：PLC；圖像采集；全自動移栽

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）07-0214-02

1 可編程控制器概述

可編程控制器（PLC）的定義是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運算操作的電子裝置。它的組成包括中央處理單元（CPU），存儲器，輸入輸出接口（I/O模塊），通信接口，電源。數(shù)據(jù)存儲器是用來存儲PLC執(zhí)行的程序的信息，其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術(shù)運算等一系列操作的指令，輸入模塊將電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號進入PLC系統(tǒng)，輸出模塊相反，從而實現(xiàn)數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。

2 設(shè)計原理

基于PLC系統(tǒng)的穴盤苗移栽技術(shù)自動控制系統(tǒng)由四部分組成，從末端至首端依次為取苗機構(gòu)（送苗機構(gòu)），植苗器， PLC 控制系統(tǒng)和計算機硬盤。在 PLC 控制系統(tǒng)中輸入取苗、植苗和送苗的指令并存儲在存儲器中，通過PLC系統(tǒng)發(fā)布指令，機械手就會執(zhí)行相應(yīng)取苗、植苗和送苗的任務(wù)，完成任務(wù)后系統(tǒng)就會自動刷新，重復整個過程，從而實現(xiàn)穴盤苗自動移栽控制的技術(shù)。

基于PLC系統(tǒng)的穴盤苗移栽技術(shù)自動控制系統(tǒng)中取苗、送苗步驟是移栽機成功與否的關(guān)鍵，這也是我們區(qū)分全自動移栽機與半自動移栽機的很重要的一個因素。半自動穴盤苗移栽機準確性比較低，需要人工補苗，而且容易損壞穴苗基質(zhì)。本文采用抓取式取苗，是通過坐標轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)機械手的X，Y，Z軸方向的操作，將苗體從穴盤取出；再根據(jù)事先計算出的運動軌跡，計算機系統(tǒng)精確地計算出移栽的正確位置，由此設(shè)置移動夾持苗體的機械手，完成送苗任務(wù)。細致地抓取穴苗以及準確地移植穴盤，從而能夠成功實現(xiàn)穴盤苗移栽技術(shù)自動控制過程。

3 機構(gòu)組成和取送苗定位控制

3.1操作機構(gòu)

基于PLC穴盤苗移植自動控制系統(tǒng)配備的硬件設(shè)備有Delta并聯(lián)機構(gòu)的移栽補苗機器人，V2.4.7 20160223相機軟件和信捷編程軟件。PLC 系統(tǒng)中輸入的指令主要有關(guān)于坐標轉(zhuǎn)換時機械手的在X，Y，Z方向的變化指令，其中涵蓋上升，下降，左右移動，前后進退；機械手取苗力度指令，防止過大損壞穴苗基質(zhì)，過小無法抓取穴苗； 氣缸的控制指令等。不過這些都是可以通過信捷PLC編程軟件進行寫入上傳，下載，與電腦端進行同步控制，這樣也方便了觀察和操作。

3.2 Delta并聯(lián)機構(gòu)

我們可以通過建立Delta并聯(lián)機構(gòu)的單支鏈約束方程，計算出Delta并聯(lián)機構(gòu)的移栽補苗機器人的最大的工作范圍； 根據(jù)Delta并聯(lián)機構(gòu)的移栽補苗機器人設(shè)備中不同規(guī)格穴盤之間的移栽、和補苗的作業(yè)要求，從而確定Delta并聯(lián)機構(gòu)的移栽補苗機器人的系統(tǒng)設(shè)計的工作空間； 在此基礎(chǔ)上，我們進一步對Delta并聯(lián)機構(gòu)的移栽補苗機器人進行尺度綜合，使得可達工作空間和設(shè)計工作空間盡可能的接近，并保證使用的時候具有良好的運動學性能，上升，下降，左右移動，前后進退都可以做到靈活自如。

基于Delta并聯(lián)機構(gòu)的移栽補苗機器人的尺度綜合與軌跡規(guī)劃，首先要根據(jù)機器人建立虛擬模型，選取機器人工作空間中距離相差最遠的兩條軌跡，進行虛擬仿真；那么就可以仿真出機器人移栽機械手的平均速度、平均加速度曲線，其變化規(guī)律符合移栽、補苗作業(yè)的運動要求，從而驗證了軌跡規(guī)劃的合理性。

模式選擇：一般選用普通移栽模式，另外方便用戶的選擇，還有健康苗識別移栽和補苗作業(yè)模式。

3、3 視覺識別

圖像采集：本文采用的是視覺圖像捕獲軟件Microsoft Visual C++ 6.0軟件平臺下的Video for Windows（VWF）自開發(fā)的圖像捕獲控制界面。

圖像處理環(huán)節(jié)是軟件控制平臺的核心之一，主要完成功能：穴盤與傳輸帶背景分割、苗與背景分割、穴盤框架提取、特征參數(shù)提取、缺苗壞苗識別。其中需解決的主要問題是苗與穴盤背景分割、苗根莖坐標提取和自適應(yīng)框架提取。

3.4取送苗定位控制

取送苗定位控制組成包括攝像頭和 PLC 系統(tǒng)。工作時，通過攝像頭采集圖像，參數(shù)提取，識別位置， 向 PLC系統(tǒng)輸送位置坐標；PLC 系統(tǒng)發(fā)送指令，控制機械手在正確的位置完成進行取苗和送苗任務(wù)。定位工作的進行可以借助攝像頭和圖形處理技術(shù)來完成，保證了取苗和送苗的準確性。

4 試驗及結(jié)果

4.1試驗條件

為了檢測采用基于PLC系統(tǒng)的穴盤苗移栽的自動控制系統(tǒng)的有效性，采用“農(nóng)博粉霸 30號”番茄苗進行移栽，Delta并聯(lián)機構(gòu)的移栽補苗機器人設(shè)備之后點擊回零按鈕，移栽機器人進行回零操作，回零完成后，在移栽速度輸入框中輸入移栽機器人加速度信息，一般輸入30為佳，既可以相對快速地得到實驗結(jié)果，而且能夠清晰地看到實驗結(jié)果。穴苗培育條件為 穴口直徑為28mm，穴底直徑為10mm，穴深為45mm的10×12規(guī)格的72穴的穴盤中， 育苗移栽期為45天。隨機取5盤番茄苗，將72穴的穴盤苗自動移植到50穴（8×10）的穴盤中，記錄10×12規(guī)格的整穴盤苗移植結(jié)束的時間、取苗成功率及送苗成功率。

4.2試驗設(shè)計結(jié)果及分析

將PLC控制系統(tǒng)安裝在穴盤苗移栽機械手上，按照要求設(shè)定好穴盤苗移植速度和模式等結(jié)構(gòu)參數(shù)后，便可以進行穴盤苗的移栽試驗，通過試驗來驗證系統(tǒng)的可行性和可靠性。

檢測數(shù)據(jù)結(jié)果見表1、表2所示：

由檢測結(jié)果可知：在其他條件不變的情況下，基于PLC的自動控制系統(tǒng)的穴盤苗移栽的Delta并聯(lián)機構(gòu)的移栽補苗機器人，平均移栽速度可以達30顆/min，取苗成功率位96.8%，送苗成功率位 97.4% ，具有非常高的存活率，取苗送苗操作程序均能達到實驗的要求，實際生活也是滿足的。

5 討論

原本穴盤苗的移栽作業(yè)需要人工補苗的重復性，現(xiàn)在基于PLC穴盤苗自動移栽面臨的環(huán)境的復雜性。所以在進一步研究中，我們還需要考慮到優(yōu)化移栽裝置的執(zhí)行末端， 使該裝置具有普遍適應(yīng)能力，在實際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中能夠做到對強風大雨，溫度濕度干擾下適應(yīng)，以在實際自動化育苗作業(yè)生產(chǎn)中進行推廣。

6 結(jié)論

基于PLC 系統(tǒng)的穴盤苗移栽的自動控制系統(tǒng)。試驗結(jié)果表明： 采用 PLC 系統(tǒng)控制的自動控制系統(tǒng)的移栽機移栽番茄苗， 在苗期45天時移苗，取苗成功率和送苗成功率都很高，移栽速度也很快，完全可以滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實際需求。試驗證明： 基于 PLC 系統(tǒng)的穴盤苗移栽的自動控制系統(tǒng)能夠很大程度得提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，提高產(chǎn)量和品質(zhì)及土地利用率，減少農(nóng)業(yè)種植戶的成本投入，在成片種植和養(yǎng)殖大戶的大棚養(yǎng)殖中有非常大的應(yīng)用價值。

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