超級(jí)稻精密播種點(diǎn)位控制技術(shù)研究

梁秋艷，周海波,2，馬曉君，朱世偉，李洪波

(1.佳木斯大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，黑龍江 佳木斯　154007；2.天津理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津　300384)

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超級(jí)稻精密播種點(diǎn)位控制技術(shù)研究

梁秋艷1，周海波1,2，馬曉君1，朱世偉1，李洪波1

(1.佳木斯大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，黑龍江 佳木斯154007；2.天津理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津300384)

摘要：設(shè)計(jì)了機(jī)械臂式點(diǎn)位控制補(bǔ)種機(jī)構(gòu)，并基于LabVIEW提取空穴坐標(biāo)，確定空穴位置。對(duì)種頭運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行組合優(yōu)化算法研究，對(duì)窮舉法、最近鄰點(diǎn)策略及最短鏈接策略3種算法進(jìn)行了3種軌跡優(yōu)化試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：3種算法各自繪制出的運(yùn)動(dòng)圖形軌跡與給出的空穴位置相吻合，均能夠完成精密播種的點(diǎn)位控制；且窮舉法運(yùn)行時(shí)間短，編程簡(jiǎn)單，結(jié)果精確，輸出距離短，確定為最優(yōu)運(yùn)動(dòng)軌跡算法。

關(guān)鍵詞：補(bǔ)種；精密播種；空穴坐標(biāo)；運(yùn)動(dòng)軌跡；點(diǎn)位控制；超級(jí)稻

0引言

超級(jí)稻種植要求機(jī)械化育秧播種具有播種精度高及空穴率少的特點(diǎn)[1]。目前，優(yōu)良的水稻秧盤精密育秧生產(chǎn)線的播種空穴率均在1%～5%不等，且有些播種裝置在長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)中會(huì)出現(xiàn)故障，空穴率還會(huì)有所上升[2-3]，尤其對(duì)播種量要求較少的超級(jí)稻，因其播種量小必然導(dǎo)致空穴量增加。因此，在播種過(guò)程中要對(duì)空穴進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，并沿著最優(yōu)運(yùn)動(dòng)軌跡找到空穴位置，實(shí)現(xiàn)精密播種的點(diǎn)位控制，為后續(xù)的補(bǔ)種工作打下良好基礎(chǔ)。

對(duì)于漏播補(bǔ)償問(wèn)題的解決，我國(guó)多數(shù)地方是以人工補(bǔ)種為主，隨著勞動(dòng)力成本的增加，人工費(fèi)用越來(lái)越高，解決空穴問(wèn)題最有效的途徑是實(shí)現(xiàn)補(bǔ)種機(jī)械化[4]。機(jī)械補(bǔ)種系統(tǒng)由兩部分組成：一是傳感器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，安裝在排種器出口用于檢測(cè)是否有漏播情況；二是完成補(bǔ)種功能的補(bǔ)種執(zhí)行機(jī)構(gòu)。機(jī)械補(bǔ)種裝置不僅能夠減少勞動(dòng)強(qiáng)度，還能增加播種質(zhì)量，提高生產(chǎn)率[5-6]。該文將機(jī)器視覺(jué)與機(jī)械補(bǔ)種相結(jié)合，快速有效地判斷空穴位置，使種頭在尋找空穴位置時(shí)走過(guò)最優(yōu)路徑，提高補(bǔ)種的精確性，實(shí)現(xiàn)超級(jí)稻精密播種的點(diǎn)位控制。

1機(jī)械臂式點(diǎn)位控制補(bǔ)種機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1　設(shè)計(jì)原理及仿真驗(yàn)證

補(bǔ)種機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。該機(jī)構(gòu)是為了配合2CYL-450型水稻育秧精密播種機(jī)的結(jié)構(gòu)而設(shè)計(jì)，主要由機(jī)構(gòu)支架平臺(tái)、兩軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、步進(jìn)電機(jī)、同步帶和同步帶輪，以及機(jī)械臂等組成。其中，機(jī)械臂包括Z軸方向氣缸(負(fù)責(zé)播種)，Y軸方向氣缸(負(fù)責(zé)供種盤中取種)，結(jié)構(gòu)形式為龍門式；X軸放在龍門的下方，Y軸放置在X軸下方與龍門垂直；X軸滑軌長(zhǎng)度為400mm，Y軸為200mm，機(jī)構(gòu)尺寸為800mm×700mm×600mm(長(zhǎng)×寬×高)；驅(qū)動(dòng)方式為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。為了方便與2CYL-450型水稻育秧精密播種機(jī)相連，設(shè)計(jì)了支座，使得整個(gè)補(bǔ)種機(jī)構(gòu)方便又穩(wěn)固。

圖1　補(bǔ)種機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

為驗(yàn)證此補(bǔ)種機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，運(yùn)用Pro/E三維模擬軟件的TOP-DOWN設(shè)計(jì)方式對(duì)補(bǔ)種機(jī)構(gòu)及其零部件進(jìn)行三維實(shí)體模型運(yùn)動(dòng)仿真。在Pro/E裝配模塊下，把帶動(dòng)機(jī)械臂的4個(gè)運(yùn)動(dòng)部件設(shè)置為滑動(dòng)桿，同時(shí)限制其自由度，添加伺服電機(jī)，并設(shè)置起始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間、速度大小和方向，運(yùn)動(dòng)仿真圖如圖2所示。

運(yùn)行仿真結(jié)果顯示：氣缸取種與播種位置的行程非常準(zhǔn)確，且氣缸運(yùn)動(dòng)時(shí)，與其它零件沒(méi)有碰撞，說(shuō)明機(jī)械臂的三維實(shí)體設(shè)計(jì)是合理的。按此設(shè)計(jì)研制的機(jī)械臂式點(diǎn)位控制補(bǔ)種機(jī)構(gòu)實(shí)物圖如圖3所示。

圖2　補(bǔ)種機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真圖

圖3　補(bǔ)種機(jī)構(gòu)實(shí)物圖

1.2　補(bǔ)種機(jī)構(gòu)性能

計(jì)算補(bǔ)種速度時(shí)，利用PCI7334運(yùn)動(dòng)控制卡，首先使用MAX調(diào)試，然后在視覺(jué)軟件LabVIEW里來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速設(shè)定。測(cè)得實(shí)際帶負(fù)載時(shí)，轉(zhuǎn)速為600 r/min工作很穩(wěn)定。單軸運(yùn)動(dòng)速度為

v=π·D·n

(1)

式中D—運(yùn)動(dòng)直徑(cm)，D=3；

n—工作穩(wěn)定時(shí)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min)。

經(jīng)計(jì)算可知，補(bǔ)種時(shí)單軸運(yùn)動(dòng)速度為942mm/s。如果兩軸同時(shí)以942mm/s的速度運(yùn)行，其合成速度為

(2)

在補(bǔ)種過(guò)程中，為了不影響缽體盤的運(yùn)行速度，要在下一個(gè)補(bǔ)種區(qū)域到來(lái)之前完成對(duì)空穴的補(bǔ)種。因此，補(bǔ)種時(shí)間不能超過(guò)缽體盤走過(guò)一個(gè)補(bǔ)種區(qū)域的時(shí)間。最長(zhǎng)補(bǔ)種時(shí)間為

t=l/vb

(3)

式中l(wèi)—每次補(bǔ)種缽體盤走過(guò)長(zhǎng)度(mm)，l=120；

vb—缽體盤速度(mm/ s)，vb=76。

該補(bǔ)種機(jī)構(gòu)最長(zhǎng)補(bǔ)種時(shí)間為1.58s。

2空穴坐標(biāo)的提取

2.1　空穴率

補(bǔ)種機(jī)構(gòu)將對(duì)2CYL-450型水稻秧盤育秧精密播種機(jī)漏播進(jìn)行補(bǔ)種，其缽體盤具有375(25×15)穴的播種性能。其中，(2±1)粒/穴(或取秧面積)的播種合格率為90%，空穴率小于5%；當(dāng)生產(chǎn)率為450盤/h，整個(gè)秧盤的空穴數(shù)不多于20穴。視覺(jué)檢測(cè)拍攝的視窗為缽體秧盤5行×15列的范圍，每次補(bǔ)種區(qū)域也是這個(gè)范圍。因此，補(bǔ)種區(qū)域只是缽體盤的1/5，且視覺(jué)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示拍攝區(qū)域內(nèi)空穴數(shù)不超過(guò)5穴[7]。

2.2　空穴坐標(biāo)

播種機(jī)穩(wěn)定工作時(shí)，秧盤前進(jìn)速度約為76mm/s，在此過(guò)程中，利用CCD攝像機(jī)和圖像采集卡對(duì)缽體秧盤圖像進(jìn)行連續(xù)拍攝?；贚abVIEW進(jìn)行圖像處理后得到二值掩模圖像，根據(jù)圖像處理結(jié)果，將每個(gè)掩模內(nèi)的灰度均值統(tǒng)計(jì)結(jié)果儲(chǔ)存在數(shù)組中[8-9]。種子灰度均值轉(zhuǎn)換為數(shù)組后，用LabVIEW提取空穴坐標(biāo)，其流程圖如圖4所示，基于LabVIEW提取空穴坐標(biāo)程序框圖如圖5(a)所示。利用For循環(huán)把數(shù)組中每個(gè)數(shù)與0.015作比較，小于0.015的存入容器中，最后在前面板輸出結(jié)果[10-11]，如圖5(b)所示，根據(jù)輸出結(jié)果可以清楚看出空穴的坐標(biāo)，其結(jié)果是從上到下分別是5個(gè)點(diǎn)的空穴坐標(biāo)，左邊一列代表第幾行(數(shù)值加1)，右邊一列代表第幾列(數(shù)值加1)。

圖4　提取空穴坐標(biāo)流程圖

(a)　提取空穴坐標(biāo)程序框圖

(b) 空穴坐標(biāo)輸出結(jié)果

3最優(yōu)運(yùn)動(dòng)軌跡算法及試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1　最優(yōu)運(yùn)動(dòng)軌跡算法

在種頭尋找空穴位置時(shí)，需要明確運(yùn)動(dòng)順序的問(wèn)題。顯然，最優(yōu)運(yùn)動(dòng)軌跡是每個(gè)點(diǎn)只走一次，同時(shí)總路程最短，這類問(wèn)題屬于組合優(yōu)化問(wèn)題。解決這類問(wèn)題通常有窮舉法、最近鄰點(diǎn)策略和最短鏈接策略。窮舉法的思路最簡(jiǎn)單，經(jīng)歷所有可能的情況后把符合條件(最短)的路徑找到并輸出，排列個(gè)數(shù)是N！個(gè)。最近鄰點(diǎn)策略是從任意點(diǎn)出發(fā)，每次在沒(méi)有到過(guò)的點(diǎn)中選擇最近的一個(gè)，直至經(jīng)過(guò)所有點(diǎn)最后回到出發(fā)地點(diǎn)。最短鏈接策略是每次在整個(gè)范圍內(nèi)選擇最短邊加入到集合中，同時(shí)保證加入解集合中的邊最終形成一個(gè)哈密頓回路[12]。

3.2　3種運(yùn)動(dòng)軌跡算法試驗(yàn)與結(jié)果分析

針對(duì)3種運(yùn)動(dòng)軌跡算法的試驗(yàn)應(yīng)該在2CYL-450水稻秧盤育秧精密播種機(jī)上進(jìn)行，但由于供種盤和吸針還處在調(diào)試階段，故本試驗(yàn)是在靜止的A4紙上畫出運(yùn)動(dòng)軌跡。該機(jī)的缽體盤是以速度76mm/s勻速運(yùn)動(dòng)的，所以試驗(yàn)并不困難?，F(xiàn)任意讀取3組空穴數(shù)組，分別使3種算法運(yùn)行各自的主程序，依次對(duì)3組空穴數(shù)組進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖6~圖8所示。

(a)　給出的空穴坐標(biāo)1

(b)　繪制的軌跡1

(a)給出的空穴坐標(biāo)2

(b)　繪制的軌跡2

(a)　給出的空穴坐標(biāo)3

(b)　繪制的軌跡3

從圖6~圖8可以看出：3種算法各自繪制出的運(yùn)動(dòng)圖形軌跡與給出的空穴位置相吻合。分別對(duì)各算法的程序反應(yīng)時(shí)間(運(yùn)行程序時(shí)有一個(gè)停滯即運(yùn)算時(shí)間)、偏離中心最大距離及一直邊單軸運(yùn)行速度進(jìn)行3組測(cè)量，結(jié)果如表1所示。

表1　空穴位置1測(cè)量結(jié)果

從表1的測(cè)量結(jié)果可以看出：3種算法都符合要求，但從理論分析來(lái)看，窮舉法運(yùn)算次數(shù)為N！次，實(shí)際的組合次數(shù)只有(N-1)！/2次，實(shí)際程序運(yùn)行時(shí)間最短。此外，在最近鄰點(diǎn)策略和最短鏈接策略兩種算法中，當(dāng)空穴距離接近時(shí)會(huì)大大影響精度，而窮舉法不會(huì)出現(xiàn)這種問(wèn)題。因此，確定窮舉法為本試驗(yàn)最優(yōu)軌跡算法。

4結(jié)論

為了對(duì)超級(jí)稻精密播種中出現(xiàn)的補(bǔ)穴問(wèn)題進(jìn)行點(diǎn)位控制，設(shè)計(jì)了匹配2CYL-450型水稻育秧精密播種機(jī)的機(jī)械臂式點(diǎn)位控制補(bǔ)種機(jī)構(gòu)，并基于LabVIEW圖像處理技術(shù)提取空穴坐標(biāo)，確定空穴位置。應(yīng)用窮舉法、最近鄰點(diǎn)策略、最短鏈接策略3種算法進(jìn)行了3種運(yùn)動(dòng)軌跡優(yōu)化試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：3種算法各自繪制出的運(yùn)動(dòng)圖形軌跡與給出的空穴位置相吻合，均能夠完成對(duì)精密播種的點(diǎn)位控制。因窮舉法運(yùn)行時(shí)間短、編程簡(jiǎn)單、結(jié)果精確及輸出距離最短等優(yōu)點(diǎn)被確定為最優(yōu)運(yùn)動(dòng)軌跡算法。

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Research of Point to Point Motion Control Technology for Super Rice Precision Seeding

Liang Qiuyan1, Zhou Haibo1,2, Ma Xiaojun1, Zhu Shiwei1, Li Hongbo1

(1.College of Mechanical Engineering, Jiamusi University, Jiamusi 154007，China； 2.College of Mechanical Engineering, Tianjin University of Technology, Tianjin 300384，China)

Abstract：Designing of mechanical arm point to point motion control reseeding mechanism, and extracts the cavity coordinates successfully use LabVIEW to determine the location of cavities. Doing combination optimization algorithm research for seeding head trail, applying exhaustive method、nearest neighbor points strategy and the shortest link strategy for three trail optimization experiments and completed the algorithm programming based on LabVIEW software. Experimental results show that the movement trail graphics which plotted by each of the three algorithms can match the given cavities position, they are able to complete the point to point control of precision seeding, but the method of exhaustion has determined the optimal trail algorithm because of its advantages of simple programming, accurate results, and the running time is short, the output distance is short.

Key words：reseeding; precision seeding; cavity coordinates; trail optimization; point to point control; super rice

中圖分類號(hào)：S223.2+3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-188X(2016)11-0091-04

作者簡(jiǎn)介：梁秋艷(1981-)，女，黑龍江佳木斯人，講師，博士研究生，(E-mail)liangqiuyan81@qq.com。通訊作者：周海波(1973-)，男，黑龍江肇東人，教授，博士，(E-mail)haibo_zhou@163.com。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51275209)；黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(12531687)

收稿日期：2015-12-09