船用蔬菜種植機(jī)器人的營養(yǎng)液飛濺控制研究

劉宏升，孫守遷，任明天，黃道沛

(1.溫州理工學(xué)院設(shè)計(jì)藝術(shù)學(xué)院，浙江溫州 325035；2.浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,浙江杭州 310007；3.南烏拉爾大學(xué)機(jī)械與技術(shù)學(xué)院，俄羅斯南烏拉爾州車?yán)镅刨e斯克 454080;4.舟山技師學(xué)院，浙江舟山 316011)

船舶航行期間由于遠(yuǎn)離陸地，新鮮蔬菜供應(yīng)不及時(shí)，已成為影響船員飲食營養(yǎng)和身體健康的突出問題[1]。在船舶上種植蔬菜的想法由來已久，同時(shí)考慮到船上載重受限、可利用空間狹小等條件限制，目前已開展的研究工作幾乎都采用無土栽培技術(shù)[2]。所謂無土栽培，就是將營養(yǎng)素化合物溶解于水而制備成營養(yǎng)液，使蔬菜根系從營養(yǎng)液吸取硝酸鈣、硝酸銨、硝酸鉀、重過磷酸鈣、硫酸鎂、硼酸等養(yǎng)分，在合適的營養(yǎng)液濃度及溫度、濕度、光照條件下使植物生長，因此營養(yǎng)液檢測與控制至關(guān)重要[3-5]。最近十幾年來，基于無土栽培的船用蔬菜種植技術(shù)和產(chǎn)品已得到快速發(fā)展。據(jù)報(bào)道，2011 年浙江省湖州市德清人工林的技術(shù)人員，依托海水去飽和無土蔬菜試驗(yàn)項(xiàng)目，為解決海島漁民蔬菜供給難題進(jìn)行了初步嘗試[6]；2015 年，我國科考人員在“遠(yuǎn)望六號(hào)”基于無土栽培技術(shù)搭建了“大洋農(nóng)場”，培育出了生菜、空心菜等多種蔬菜[7]；2017 年，我國科研人員在正執(zhí)行科考任務(wù)的“向陽紅三號(hào)”科考船甲板上，成功實(shí)現(xiàn)了小白菜、紅油菜等新鮮蔬菜種植[8]。目前已報(bào)道的船用無土栽培蔬菜種植設(shè)備，已取得實(shí)際效果，但主要缺陷是設(shè)備體積大，仍然需要過多的人工維護(hù)，而且操作不夠便利。實(shí)際上，船上可利用的空間不大，船員工作繁忙也難以專門抽出時(shí)間種植蔬菜，因此需要研制體積小且自動(dòng)化程度高的新型船用蔬菜種植機(jī)器人。

為滿足上述要求，船用蔬菜種植機(jī)器人必須具有3 項(xiàng)功能，即營養(yǎng)液檢測與控制、蔬菜生長環(huán)境檢測與控制、蔬菜自動(dòng)采摘控制[9]。其中，營養(yǎng)液檢測包括檢測營養(yǎng)液液面高低、營養(yǎng)液濃度和純度，可分別通過液位傳感器、pH 傳感器和TDS 傳感器完成檢測。在蔬菜生長過程，營養(yǎng)液不斷消耗，液面高度會(huì)出現(xiàn)起伏，而且船舶運(yùn)動(dòng)會(huì)進(jìn)一步加劇液面起伏。如果液面太高，會(huì)造成種植籃被侵蝕、青苔孳生、菜苗根莖接觸不到空氣而腐爛等后果；如果液面太低，蔬菜根系則無法從營養(yǎng)液吸收養(yǎng)分而影響生長。另外，不合適的營養(yǎng)液純度和pH，會(huì)導(dǎo)致葉菜根系壞死、植株柔弱，甚至生長停滯。因此，營養(yǎng)液檢測與控制是蔬菜種植機(jī)器人最關(guān)鍵的任務(wù)。本文在前人研究和實(shí)船調(diào)研基礎(chǔ)上，進(jìn)行船用蔬菜種植機(jī)器人的設(shè)計(jì)探索，重點(diǎn)研究營養(yǎng)液液面飛濺控制的有效方法。

1 船用蔬菜種植機(jī)器人設(shè)計(jì)需求調(diào)研

本文設(shè)計(jì)的蔬菜種植機(jī)器人，主要應(yīng)用對(duì)象是長期在外海作業(yè)的遠(yuǎn)洋漁船。作者在浙普遠(yuǎn)98 號(hào)等遠(yuǎn)洋漁船進(jìn)行了實(shí)地調(diào)研(圖1)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在外海作業(yè)的遠(yuǎn)洋漁船，通常2 個(gè)月由運(yùn)輸船補(bǔ)給1 次，主要補(bǔ)給土豆、洋蔥、胡蘿卜等耐放的根莖類蔬菜，還有少量白菜、包心菜等，船上葉類蔬菜十分匱乏；船上存放蔬菜的冷藏柜空間不大，一般只有2～3 m3，烹飪冷藏后的蔬菜口感很差；船員通常很忙，難有閑暇時(shí)間用來管理蔬菜種植。調(diào)研結(jié)論是：船用蔬菜種植機(jī)器人要求自動(dòng)化程度高，盡量減少人工參與；由于船舶受風(fēng)浪影響橫搖最劇烈，而且大部分時(shí)間橫搖角在15°以下，因此，要求機(jī)器人必須具有適應(yīng)15°以下橫搖的能力；機(jī)器人布放可以考慮艙內(nèi)墻角或樓梯下方，每個(gè)艙內(nèi)墻角有大約1.5 m2的閑置區(qū)域可供利用，樓梯下方也有大約2 m2的矩形閑置區(qū)域可供利用，而且在這些空間放置機(jī)器人不會(huì)影響船員工作和消防安全。

圖1 遠(yuǎn)洋漁船可利用的閑置位置Fig.1 Available idle position of deep ocean fishing vessels

2 蔬菜種植機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文根據(jù)需求調(diào)研設(shè)計(jì)的蔬菜種植機(jī)器人，采用長方體框架結(jié)構(gòu)，長寬高設(shè)計(jì)為1 000 mm×700 mm×800 mm。3D 設(shè)計(jì)效果如圖2，分為電控區(qū)、生長區(qū)和存放區(qū)。存放區(qū)用來臨時(shí)存放機(jī)器人采摘的蔬菜。生長區(qū)是最主要的部分，包括一個(gè)箱體和橫跨箱體上方的滑軌，箱體內(nèi)壁鋪上塑料薄膜以盛放營養(yǎng)液，如圖2 右側(cè)所示。箱體上內(nèi)嵌30 個(gè)種植籃，最多可供30 株菜苗同時(shí)生長?；壣习惭b1 個(gè)六自由度機(jī)械臂，其末端機(jī)械手用來采摘成熟的蔬菜?？蚣芙Y(jié)構(gòu)底部設(shè)計(jì)了3 個(gè)電磁閥，分別控制進(jìn)水、排水和營養(yǎng)液補(bǔ)給。上述部件的電控線路為安全起見均獨(dú)立設(shè)置，放于左側(cè)的電控區(qū)。

圖2 蔬菜種植機(jī)器人3D 設(shè)計(jì)效果圖Fig.2 3D design rendering of the vegetable planting robot

3 蔬菜種植機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蔬菜種植機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3 所示，包括上位機(jī)和下位機(jī)。圖中央為上位機(jī)，圖左側(cè)和圖右側(cè)均屬于下位機(jī)。上位機(jī)以工控觸摸屏[10]為核心，對(duì)外擴(kuò)展六自由度機(jī)械臂[11]，以及溫度、濕度、光強(qiáng)、二氧化碳濃度傳感器等；下位機(jī)以單片機(jī)為核心，擴(kuò)展了液位傳感器、pH 傳感器、TDS 傳感器，以及電磁閥、增氧泵、換氣扇等執(zhí)行機(jī)構(gòu)。上位機(jī)通過下位機(jī)控制機(jī)械臂及末端機(jī)械手。蔬菜生長所需的溫度等環(huán)境參數(shù)由上位機(jī)直接檢測，所需的營養(yǎng)液參數(shù)則由下位機(jī)檢測后再向上位機(jī)報(bào)告?？刂粕L參數(shù)的命令由上位機(jī)發(fā)出，下位機(jī)執(zhí)行。另外，下位機(jī)電磁閥用繼電器控制，以擴(kuò)大單片機(jī)的驅(qū)動(dòng)能力。

圖3 蔬菜種植機(jī)器人的控制方案Fig.3 Control scheme of the vegetable planting robot

3.1 控制任務(wù)梳理

3.1.1 營養(yǎng)液檢測與更換

營養(yǎng)液控制是實(shí)現(xiàn)無土栽培的核心任務(wù)。為了降低生產(chǎn)成本和提高效率，本文通過測控營養(yǎng)液電導(dǎo)率和pH 來代替營養(yǎng)素含量的檢測，通過電磁閥、隔膜泵等執(zhí)行設(shè)備進(jìn)行營養(yǎng)液補(bǔ)充和更換，為蔬菜生長提供充足養(yǎng)分。

3.1.2 溫度和濕度控制

溫度是影響葉類蔬菜生長的重要因素，溫度控制主要有加熱、保溫和冷卻等方面。加熱方式有熱空氣加熱、土壤加熱和水加熱等，其中熱空氣加熱又分為蒸汽熱交換和熱風(fēng)供暖等；土壤加熱分為電熱供暖、暖水加溫、熱物加溫3 種方式。降溫常用通風(fēng)、流水、蒸發(fā)等方式，保溫即減少溫室內(nèi)外熱量交換。本文受限于船內(nèi)空間狹小、空氣流通不便等特點(diǎn)，結(jié)合蔬菜種植的實(shí)際場景，采用電阻絲加溫、排風(fēng)降溫、封閉保溫等方式。具體措施為，在種植室墻壁上安裝電熱絲和排風(fēng)扇，通過控制電熱絲和排放扇的通電來精準(zhǔn)控制溫度，同時(shí)種植室被放置于密閉箱體內(nèi)，箱體周圍用遮光保溫材料覆蓋，從而最大程度地防止熱交換，實(shí)現(xiàn)節(jié)能保溫。濕度控制分為加濕和除濕2 種情況，其中加濕包括噴霧加濕、頂噴霧系統(tǒng)加濕、濕簾加濕等方式。本文針對(duì)船舶環(huán)境易濕的特點(diǎn)，兼用加溫除濕與通風(fēng)換氣除濕方式實(shí)現(xiàn)濕度控制。

3.1.3 二氧化碳濃度控制

蔬菜種植箱內(nèi)二氧化碳濃度隨著光合作用而不斷降低，為維持作物正常生長，需要對(duì)種植箱及時(shí)補(bǔ)充二氧化碳?xì)怏w。目前常用方法有：（1）燃燒法：通過燃燒增大二氧化碳濃度，在歐美應(yīng)用廣泛；（2）化學(xué)反應(yīng)法：利用碳酸鹽和酸性化學(xué)品混合生成二氧化碳，這是我國現(xiàn)階段廣泛應(yīng)用的方法；（3）有機(jī)生物氣肥法：在一定條件下，由土壤微生物發(fā)酵有機(jī)氣肥而產(chǎn)生二氧化碳。比較而言，燃燒法反應(yīng)迅速，但可控性、環(huán)保性和安全性較低，且需要一系列大型裝置方能實(shí)現(xiàn)，不太適合船舶的蔬菜種植；化學(xué)反應(yīng)法簡單有效、實(shí)施容易、成本低廉且可以通過氣閥方便地對(duì)二氧化碳排放進(jìn)行控制。本文選用化學(xué)反應(yīng)法控制二氧化碳濃度，具體采用帶氣閥的簡易反應(yīng)裝置，通過氣閥開度大小控制二氧化碳排放。

3.1.4 機(jī)械臂控制

本文采用六自由度機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)蔬菜采摘。購置小型標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)械臂，使其沿滑臺(tái)的運(yùn)動(dòng)由單片機(jī)通過步進(jìn)電機(jī)來控制，機(jī)械臂末端機(jī)械手采摘蔬菜的動(dòng)作也由單片機(jī)直接控制。

3.2 傳感器選型

針對(duì)營養(yǎng)液測量與控制，本文選用配有溫度補(bǔ)償電極的S290C 型高精度pH 傳感器來檢測氫離子濃度，選用TDS 傳感器檢測營養(yǎng)液電導(dǎo)率并依此判斷營養(yǎng)液養(yǎng)分的消耗量。溫度、濕度及二氧化碳濃度，我們選用集成度較高的農(nóng)用多合一傳感器進(jìn)行集中測量，傳感器外觀及主要參數(shù)指標(biāo)，如圖4 所示。

圖4 檢測營養(yǎng)液的農(nóng)用多功能傳感器Fig.4 Agricultural multi-function sensor for nutrient solution detection

3.3 控制算法與流程設(shè)計(jì)

本文蔬菜種植機(jī)器人的控制功能，包括營養(yǎng)液及蔬菜是否成熟等生長監(jiān)控、機(jī)械手采摘控制，還有營養(yǎng)液濃度、液面高度、溫度、濕度、二氧化碳濃度、光強(qiáng)等環(huán)境參數(shù)控制，軟件程序概括為生長監(jiān)控子程序、采摘控制子程序、環(huán)境參數(shù)控制子程序，控制流程如圖5 所示。

圖5 機(jī)器人控制流程Fig.5 Flow of the robot control system

各控制子程序采用PID 閉環(huán)控制算法，如式(1)所示。

式中：P(n)、Kp、e(n)、TI、TD、T 分別為PID 控制器輸出信號(hào)、比例系數(shù)、偏差信號(hào)、積分時(shí)間、微分時(shí)間和控制時(shí)間。由于單片機(jī)只處理數(shù)字量，還需對(duì)公式(1)進(jìn)行離散化處理，得到PID 差分公式(2)：

式中：TS為采樣周期；e(k)和e(k-1)分別為第k 次和第k-1 次偏差；u(k)為第k 次輸出值。

3.4 觸摸屏控制界面設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人可視化控制，本文應(yīng)用工控組態(tài)軟件和MCGS 觸摸屏，設(shè)計(jì)蔬菜種植機(jī)器人的控制界面。首先：應(yīng)用MCGS 組態(tài)軟件開發(fā)控制程序；然后：應(yīng)用USB 把代碼下載至工控觸摸屏，使后續(xù)操作在工控觸摸屏上實(shí)現(xiàn)。觸摸屏設(shè)計(jì)了參數(shù)設(shè)置、自動(dòng)控制、手動(dòng)控制3 個(gè)界面，可以通過主界面按鈕實(shí)現(xiàn)界面切換。在參數(shù)設(shè)置界面，可以根據(jù)不同蔬菜的生長情況，設(shè)置箱內(nèi)溫濕度上下限、二氧化碳濃度上下限、營養(yǎng)液pH 范圍等，設(shè)置完畢即進(jìn)入自動(dòng)控制界面，在自動(dòng)控制界面能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)箱內(nèi)環(huán)境參數(shù)以適應(yīng)蔬菜生長。在手動(dòng)控制界面右側(cè)(圖6)，點(diǎn)擊部件控制按鈕，可以在運(yùn)行狀態(tài)和關(guān)閉狀態(tài)之間切換，并由指示燈顏色顯示切換后的狀態(tài)，指示燈為綠色表示切換到了運(yùn)行狀態(tài)，為紅色表示關(guān)閉狀態(tài)；在手動(dòng)控制界面的中央，能夠顯示各參數(shù)值，包括機(jī)械臂在滑臺(tái)停放的當(dāng)前位置等；在手動(dòng)控制界面的左側(cè)，點(diǎn)擊按鈕能夠顯示溫度、二氧化碳濃度的變化曲線等。為便于軟件的規(guī)范管理，還在軟件界面設(shè)計(jì)了密碼登錄權(quán)限。

圖6 觸摸屏手動(dòng)控制界面Fig.6 Touch screen interface with the style of manual control

4 營養(yǎng)液液面飛濺控制實(shí)驗(yàn)研究

本文在上述機(jī)械、電氣及控制界面設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，首先制作了木制結(jié)構(gòu)的簡易樣機(jī)，在完成模塊功能實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步制作了鈑金結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)樣機(jī)，如圖7所示。圖7 中央是蔬菜種植箱，在蔬菜種植箱中央導(dǎo)軌上左右滑行的采摘機(jī)械臂，能夠把采摘到的蔬菜擺放到右側(cè)平臺(tái)上；蔬菜種植箱底部設(shè)置了3 個(gè)控制閥用以控制進(jìn)水、排水和營養(yǎng)液補(bǔ)給；蔬菜種植箱上方左右兩側(cè)有電風(fēng)扇、排風(fēng)口，左側(cè)還有電阻絲加熱裝置，這些裝置的目的是為了調(diào)節(jié)溫度和濕度；種植箱頂部設(shè)置了2 組補(bǔ)光燈管，能夠根據(jù)蔬菜種類不同發(fā)出不同頻段的可見光，能夠根據(jù)白天黑夜環(huán)境光的不同進(jìn)行補(bǔ)光，以滿足蔬菜生長所需的最佳光照條件。

圖7 蔬菜種植機(jī)器人的模型樣機(jī)Fig.7 Model prototype of the vegetable planting robot

船用蔬菜種植機(jī)器人需要在船舶晃蕩環(huán)境中運(yùn)行，營養(yǎng)液液面高度將伴隨船舶晃蕩而變化，其中受橫搖的影響最顯著。液面起伏將導(dǎo)致葉菜根部間歇性脫離營養(yǎng)液，劇烈時(shí)還將導(dǎo)致營養(yǎng)液飛濺而增加安全隱患。目前已報(bào)道的抑制液面晃蕩的研究，大多依托并聯(lián)六自由度平臺(tái)或簡化為三自由度主動(dòng)減振平臺(tái)，機(jī)械結(jié)構(gòu)一般包括動(dòng)平臺(tái)、靜平臺(tái)、柔性鉸鏈等，動(dòng)力結(jié)構(gòu)主要采用液壓或者“氣囊+電磁閥”，結(jié)構(gòu)都比較復(fù)雜而且造價(jià)高、體積大，有些減振設(shè)備的體積甚至遠(yuǎn)大于本文述及的機(jī)器人，因此已報(bào)道的方法不宜借鑒。為此，本文根據(jù)蔬菜種植機(jī)器人尺寸設(shè)計(jì)了長寬高為1 000 mm×700 mm×400 mm 的伺服控制平臺(tái)，3D 設(shè)計(jì)效果如圖8 所示，包括底座、凸輪、連桿、頂板、轉(zhuǎn)軸、伺服控制器、重力加速度傳感器等組成，重力加速度傳感器用來感知水平程度。在實(shí)驗(yàn)室測試時(shí)，底座固定在地板上，頂板跟蔬菜種植機(jī)器人的底座固定，當(dāng)重力加速度傳感器檢測到頂板偏離水平位置時(shí)，伺服控制器將通過凸輪、連桿和轉(zhuǎn)軸使頂板轉(zhuǎn)動(dòng)，最終恢復(fù)到水平位置，從而控制營養(yǎng)液的飛濺。

圖8 船舶橫搖模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)3D 效果圖Fig.8 3D rendering of ship rolling simulation experiment platform

實(shí)驗(yàn)步驟：第一步，調(diào)節(jié)平臺(tái)底座和連桿機(jī)構(gòu)，使機(jī)器人底面處在水平位置，同時(shí)使伺服控制系統(tǒng)處于空擋狀態(tài)；第二步，在外力作用下使機(jī)器人底座偏離平衡位置到一定角度，觀察伺服控制器能否恢復(fù)機(jī)器人底座的水平位置，以及恢復(fù)水平位置所用的時(shí)間；第三步，改變外力大小使機(jī)器人底座轉(zhuǎn)動(dòng)到不同偏離角，再重復(fù)第二步。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)偏離角低于15°時(shí)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠在3 s 內(nèi)恢復(fù)機(jī)器人的水平位置。根據(jù)調(diào)研，15°偏離角符合外海正常海浪引起的船舶橫搖實(shí)際。15°以上的大幅度橫搖角，一般發(fā)生在風(fēng)暴潮等極端天氣，此時(shí)已不太適宜蔬菜種植機(jī)器人工作，可以關(guān)閉蔬菜種植機(jī)器人電源暫停工作。

5 結(jié)語

本文針對(duì)遠(yuǎn)洋船舶葉類蔬菜供應(yīng)困難問題，設(shè)計(jì)了集種植、監(jiān)控、采摘功能于一體的船用蔬菜種植機(jī)器人，主要完成了蔬菜種植機(jī)器人及其模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)、電氣控制和模型樣機(jī)設(shè)計(jì)與制作，依靠模型樣機(jī)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境驗(yàn)證了溫度、濕度、光強(qiáng)自控等功能，以及成熟葉菜自動(dòng)采摘功能。本文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)是針對(duì)營養(yǎng)液液面飛濺的棘手問題，自制了橫搖模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)蔬菜種植機(jī)器人工作穩(wěn)定性問題進(jìn)行了研究探索。本文中營養(yǎng)液飛濺控制問題的研究，只局限于船舶運(yùn)動(dòng)中占主導(dǎo)的單自由度橫搖的影響，下一步將重點(diǎn)研究多自由度船舶運(yùn)動(dòng)引起營養(yǎng)液飛濺的復(fù)雜控制問題；另外，根據(jù)不同船型進(jìn)行個(gè)性化蔬菜種植機(jī)器人的外觀設(shè)計(jì)，也屬于下一步的研究計(jì)劃。