穴盤缺苗氣吸式基質(zhì)剔除裝置設(shè)計與試驗

崔永杰 朱玉桃 馬 利 丁辛亭,3 曹丹丹 何 智

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)機械與電子工程學(xué)院，陜西楊凌 712100；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)重點實驗室，陜西楊凌 712100；3.陜西省農(nóng)業(yè)信息感知與智能服務(wù)重點實驗室，陜西楊凌 712100)

0 引言

穴盤育苗是20世紀(jì)80年代引入我國的一種適合于工廠化生產(chǎn)的幼苗培育技術(shù)，我國蔬菜育苗產(chǎn)業(yè)約有2/3采用穴盤育苗方式種植[1-3]。穴盤育苗時由于種子品質(zhì)、播種精度等因素形成5%～20%的缺苗穴孔，導(dǎo)致穴孔利用率低，影響后續(xù)機械化批量移栽和成品苗質(zhì)量[4-5]。為提高穴盤苗品質(zhì)，需要剔除缺苗穴孔內(nèi)缽體基質(zhì)，補入健康的幼苗。目前，穴盤育苗剔補苗工作主要由人工完成，工作效率低，幼苗損傷率高，移栽質(zhì)量差[6]。近年來，國內(nèi)外學(xué)者針對剔補苗移栽機械開展了大量研究[2,7-11]。隨著取苗末端執(zhí)行器的不斷改進和優(yōu)化，移栽補入健康幼苗時缽體破碎率已小于1%[12]，是因為有苗缽體根莖包絡(luò)基質(zhì)在穴孔內(nèi)形成根土復(fù)合體，在補苗作業(yè)中可以保持良好的缽體完整性。

然而，缺苗穴孔內(nèi)缽體基質(zhì)沒有幼苗根莖，具有松散易碎的特性，一般夾持式和插入式取苗末端執(zhí)行器剔除基質(zhì)時都會造成缽體破碎導(dǎo)致基質(zhì)殘留問題。為了提高缺苗基質(zhì)的剔凈率，童俊華等[13]設(shè)計了一種指鏟式末端執(zhí)行器，通過增大指鏟與穴孔內(nèi)基質(zhì)的接觸面積，減少穴孔內(nèi)基質(zhì)的殘留，平均剔凈率達到70.8%。然而，剔除缺苗基質(zhì)質(zhì)量小于原缽體質(zhì)量70%時，殘留基質(zhì)會阻礙健康幼苗的補入，不利于后期生長管理[9]。氣吸式基質(zhì)剔除過程中受到穴盤不透明的因素影響，難以可視化氣流與顆粒間相互作用和剔除效果[14]?；贒EM-CFD氣固耦合仿真的試驗方法被廣泛應(yīng)用于研究顆粒與氣流場間相互作用及農(nóng)業(yè)機械的優(yōu)化設(shè)計中[15]。

針對上述問題，結(jié)合工廠化穴盤育苗的實際農(nóng)藝要求，本文設(shè)計一種氣吸式基質(zhì)剔除裝置，以實現(xiàn)穴盤苗中松散易碎的缺苗穴孔內(nèi)基質(zhì)剔除，為開發(fā)高效省力的剔補苗移栽機械提供參考。

1 整機結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機結(jié)構(gòu)

穴盤缺苗氣吸式基質(zhì)剔除裝置由輸送模塊、圖像檢測模塊、基質(zhì)剔除模塊和控制系統(tǒng)組成，如圖1所示。輸送模塊由機架、鏈傳動機構(gòu)和輸送帶組成，用于輸送穴盤苗到達指定作業(yè)模塊；圖像檢測模塊包括圖像采集箱、相機、燈帶和光電開關(guān)Ⅰ，用于采集穴盤苗圖像信息，進行缺苗穴孔識別與定位；基質(zhì)剔除模塊包括穴盤固定架、光電開關(guān)Ⅱ、直線模組、氣吸端口、真空發(fā)生器、輸送軟管和收集桶，穴盤固定架安裝在機架上，通過兩側(cè)限位桿輔助定位穴盤，保證每一排穴孔限位平齊，利于基質(zhì)剔除作業(yè)，氣吸端口安裝在直線模組上，由直線模組移位到達缺苗穴孔位置處剔除穴孔內(nèi)基質(zhì)，已吸出基質(zhì)經(jīng)輸送軟管進入收集桶。

圖1 氣吸式基質(zhì)剔除裝置結(jié)構(gòu)簡圖

1.2 工作原理

氣吸式基質(zhì)剔除裝置工作原理如圖2所示。工作步驟為：①輸送帶啟動輸送穴盤苗。②光電開關(guān)Ⅰ檢測到穴盤，將信號傳給控制系統(tǒng)，輸送帶停止運動等待。③圖像檢測箱內(nèi)相機采集穴盤苗圖像信息，PC機基于深度學(xué)習(xí)模型識別缺苗穴孔并計算缺苗穴孔位置坐標(biāo)。④輸送帶輸送穴盤苗到達基質(zhì)剔除模塊，光電開關(guān)Ⅱ檢測到穴盤信號，輸送帶停止運動等待。⑤控制系統(tǒng)根據(jù)PC機給出的待剔除缺苗穴孔位置坐標(biāo)，控制直線模組帶動氣吸端口到達缺苗穴孔正上方位置，真空發(fā)生器產(chǎn)生負(fù)壓剔除穴孔內(nèi)基質(zhì)，直至完成當(dāng)前穴盤苗所有缺苗穴孔基質(zhì)剔除任務(wù)。⑥輸送帶輸送穴盤苗進入補苗模塊。⑦重復(fù)上述步驟，進行下一盤穴盤苗缺苗檢測與基質(zhì)剔除作業(yè)。

圖2 氣吸式基質(zhì)剔除裝置作業(yè)原理圖

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 基質(zhì)剔除模塊設(shè)計

基質(zhì)剔除模塊是整個裝置核心部件，圖3為基質(zhì)剔除模塊氣流輸送系統(tǒng)，該氣流輸送系統(tǒng)由空氣壓縮機、調(diào)壓閥、電磁閥、時間繼電器、安全閥、輸送軟管、收集桶、真空發(fā)生器和氣吸端口等組成。空氣壓縮機產(chǎn)生的高速氣流經(jīng)調(diào)壓閥調(diào)節(jié)氣壓并穩(wěn)壓，電磁閥和時間繼電器控制氣路通斷和氣吸時長，氣流經(jīng)過真空發(fā)生器時在收集桶和氣吸端口處產(chǎn)生負(fù)壓，缺苗穴孔內(nèi)基質(zhì)在負(fù)壓剪切力和拖曳力的作用下破碎吸起，由氣吸端口加速抽吸隨氣流經(jīng)輸送軟管進入收集桶。

圖3 氣流輸送系統(tǒng)示意圖

2.1.1氣吸輸送原理

如圖4所示，真空發(fā)生器負(fù)壓是根據(jù)文丘里效應(yīng)產(chǎn)生的。由氣體連續(xù)性方程

圖4 負(fù)壓產(chǎn)生原理圖

A1v1=A2v2

(1)

式中A1、A2——進、出口截面面積，m2

v1、v2——進、出口氣體流速，m/s

可知，壓縮氣流經(jīng)截面A1流入至截面A2流出時，氣流由于管道橫截面顯著縮減變化，致使氣體流速迅速增大。由伯努利方程

(2)

式中p1、p2——進、出口氣體壓力，Pa

ρq——空氣密度，kg/m3

可知，隨著氣體流速增加，氣體壓力減小，當(dāng)v2增加到一定值，p2將小于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，在擴散腔內(nèi)形成負(fù)壓，擴散腔連通收集桶，使收集桶和氣吸端口處產(chǎn)生負(fù)壓吸附力。

基質(zhì)顆粒懸浮速度是影響吸附和輸送效率的重要因素，計算基質(zhì)顆粒懸浮速度，可以得到基質(zhì)剔除和輸送所要求的最低氣流速度。穴盤育苗基質(zhì)主要成分為泥炭，在自然堆積狀態(tài)下，基質(zhì)顆粒不密實，顆粒與顆粒之間存在孔隙，研究基質(zhì)顆粒的運動特性需要以真實密度作為參考。真實密度與堆積密度二者之間的轉(zhuǎn)換公式為

ρd=ρz(1-ε)

(3)

式中ρd——基質(zhì)顆粒堆積密度，kg/m3

ρz——基質(zhì)顆粒真實密度，kg/m3

ε——孔隙率，基質(zhì)取60%～90%

當(dāng)顆粒在垂直管中呈懸浮狀態(tài)，氣流上升的速度等于顆粒的沉降速度[16]，此時氣流速度為顆粒懸浮速度vs。計算式為

(4)

式中CD——阻力系數(shù)，取0.44

d——顆粒直徑，m

g——重力加速，m/s2

計算得顆粒懸浮速度為7.81 m/s。由顆粒起動理論可知，具有黏結(jié)性的顆粒輸送氣流速度需比顆粒懸浮速度大3～10倍，顆粒才能被吸起[17]。經(jīng)計算，雷諾數(shù)Re遠大于紊流流動的臨界值，整個氣流輸送過程氣體的運動形態(tài)為紊流。雷諾數(shù)計算式為

(5)

式中D0——輸送管道當(dāng)量直徑，m

uq——氣體流速，m/s

μ——空氣動力粘度系數(shù)，取1.84×10-5Pa·s

2.1.2氣吸端口設(shè)計

氣吸端口的截面結(jié)構(gòu)影響氣流速度、壓力及流量變化，其內(nèi)部空腔結(jié)構(gòu)參數(shù)直接影響端口的抽吸性能。以育苗常用72穴盤為例進行設(shè)計，氣吸端口結(jié)構(gòu)如圖5所示。氣吸端口形狀設(shè)計與穴孔相適應(yīng)，包括收縮管和圓管兩部分，收縮管下端為方形，與穴孔密封接觸，上端收縮為圓形，與圓管通過卡箍連接輸送軟管。氣吸端口與錐形穴孔接觸形成類文丘里管的空腔結(jié)構(gòu)，這類結(jié)構(gòu)從壁面至中心，從入口至出口的壓力梯度都比較明顯，有利于育苗基質(zhì)的剔除和輸送[18]。

圖5 氣吸端口結(jié)構(gòu)示意圖

影響氣吸端口抽吸性能的結(jié)構(gòu)參數(shù)為收縮管下邊長、收縮管高度、收縮角和圓管直徑。

(1)收縮管下邊長L

收縮管與穴孔密封接觸，增大負(fù)壓吸附力，考慮穴孔定位誤差，收縮管下邊長L應(yīng)大于穴孔上邊長，且要求小于相鄰兩穴孔距離，以免影響相鄰穴孔內(nèi)基質(zhì)和幼苗，即

l2≤L

(6)

式中l(wèi)1——相鄰兩穴孔間距，mm

l2——穴孔上邊長，mm

由文獻[19]及實際測量可得，72穴盤相鄰兩穴孔間距l(xiāng)1為44 mm，穴孔上邊長l2為40 mm，穴孔下邊長l3為22 mm，穴孔高度h為40 mm，棱邊傾角α為11.2°；本文收縮管下邊長L取42 mm。

(2)圓管直徑D

根據(jù)伯努利方程，收縮結(jié)構(gòu)有利于基質(zhì)抽吸及輸送，則圓管直徑小于收縮管下邊長。同時，依據(jù)預(yù)試驗現(xiàn)象分析得到，穴孔內(nèi)基質(zhì)因其粘接性，會以顆粒聚團的形式被抽吸進入管道，存在圓管直徑過小形成堵塞的問題，因此圓管直徑D應(yīng)滿足

l3

(7)

(3)收縮管高度H和收縮角θ

收縮管高度和收縮角主要影響收縮管段氣流壓差和速度，為降低氣固兩相流動能轉(zhuǎn)化為壓力能的損失，收縮角一般取4°～12°[20]。收縮管高度H計算式為

(8)

聯(lián)立式(7)、(8)，得圓管直徑D取22～42 mm，收縮管高度H取30～50 mm。

2.1.3氣吸端口對壓損的影響

氣吸式剔除基質(zhì)過程中，輸送氣流的壓力損失主要在穴孔和氣吸端口處，分析氣吸端口結(jié)構(gòu)對氣流壓損的影響，指導(dǎo)優(yōu)化氣吸端口結(jié)構(gòu)參數(shù)。根據(jù)伯努利方程，氣流在穴孔和氣吸端口內(nèi)壓降方程[21]為

(9)

式中 Δpab——穴孔至氣吸端口壓損，Pa

pa——穴孔底部入口壓力，Pa

pb——氣吸端口出口壓力，Pa

va——穴孔底部入口氣流速度，m/s

vb——氣吸端口出口氣流速度，m/s

ξab——穴孔至氣吸端口壓損系數(shù)

Δpgb——基質(zhì)顆粒流動的加速壓損，Pa

λb——基質(zhì)顆粒與輸送氣流的流量比

ub——基質(zhì)顆粒速度，m/s

由式(9)計算得穴孔底部至氣吸端口出口處壓損為

(10)

由式(10)可知，穴孔至氣吸端口壓損與壓損系數(shù)、基質(zhì)顆粒與輸送氣流的流量比、氣吸端口出口氣流速度和基質(zhì)顆粒速度正相關(guān)，與穴孔底部入口氣流速度負(fù)相關(guān)，氣吸端口結(jié)構(gòu)參數(shù)影響壓損系數(shù)。因此，設(shè)計合適的氣吸端口結(jié)構(gòu)參數(shù)有利于降低作業(yè)過程中壓力損失。

2.2 氣吸端口仿真優(yōu)化

為分析不同氣吸端口結(jié)構(gòu)參數(shù)對氣流場和基質(zhì)顆粒運動特性的影響，本文利用DEM-CFD耦合仿真的方法對氣吸端口進行優(yōu)化設(shè)計，確定基質(zhì)剔除效果最優(yōu)的氣吸端口結(jié)構(gòu)參數(shù)組合[22]。本文應(yīng)用EDEM 2020和ANSYS Fluent 2020軟件開展耦合仿真試驗，研究基質(zhì)顆粒在剔除過程中的運動特性以及氣流壓力變化和速度分布情況。

2.2.1仿真模型和參數(shù)設(shè)置

根據(jù)育苗基質(zhì)的物理特性，建立缺苗基質(zhì)的離散元仿真模型。設(shè)置顆粒半徑為0.5 mm、顆粒間接觸模型為Hertz-Mindlin with bonding模型。根據(jù)濕顆粒土壤接觸力學(xué)模型[23]，計算得到基質(zhì)顆粒黏結(jié)半徑為0.72 mm。在穴孔頂部建立虛擬平面作為顆粒工廠，顆粒生成總數(shù)為25 000個。在EDEM軟件中依次完成基質(zhì)顆粒模型、幾何模型、接觸模型、顆粒工廠和仿真參數(shù)等前處理設(shè)置[24]。仿真時首先生成基質(zhì)顆粒，然后通過仿真模擬基質(zhì)顆粒沉降過程形成顆粒間黏結(jié)鍵，最終生成的穴孔基質(zhì)離散元仿真模型如圖6所示。

圖6 基質(zhì)仿真模型

在氣相方面，建立氣吸端口和穴孔組合形成的流域模型。采用四面體非結(jié)構(gòu)化方法劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格單元尺寸為2 mm，設(shè)置穴孔底部為壓力入口，值為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，圓管出口為壓力出口，為-1.0 kPa。氣固兩相的材料屬性和相互間力學(xué)特性參數(shù)見表1。

表1 仿真參數(shù)

由于基質(zhì)顆粒在氣流場中局部所占體積分?jǐn)?shù)高于10%，因此氣固耦合仿真接口模型選擇基于稠密離散相模型(Dense discrete phase model, DDPM)的計算框架。仿真計算過程中，EDEM軟件計算基質(zhì)顆粒的實時運動狀態(tài)和接觸信息，將該信息通過耦合接口傳遞到Fluent軟件中，F(xiàn)luent軟件根據(jù)顆粒場對氣流場的影響情況進行迭代計算，將所獲得的流場信息返回到EDEM軟件中，模擬流場對顆粒體的影響情況，更新基質(zhì)顆粒運動狀態(tài)和接觸信息，氣固雙向耦合仿真中上述過程依次循環(huán)。仿真設(shè)置EDEM時間步長為5×10-6s，每0.01 s保存一次數(shù)據(jù)，F(xiàn)luent時間步長為1×10-3s，間隔0.1 s保存一次數(shù)據(jù)。

2.2.2耦合仿真方法

根據(jù)前文結(jié)構(gòu)設(shè)計要求，考慮與氣吸端口相連的輸送軟管規(guī)格，其國標(biāo)管徑在22～42 mm以內(nèi)的無芯成型塑料軟管包括Φ25、Φ30、Φ32、Φ35、Φ40等規(guī)格[22]，由于圓管直徑為40 mm的氣吸端口不滿足最小收縮角的設(shè)計要求[20]，氣吸端口對穴孔內(nèi)基質(zhì)的卷吸作用不明顯。因此，本文對管徑Φ40規(guī)格的輸送軟管不做仿真試驗。同時，為了便于氣吸端口與輸送軟管相匹配，通過均勻取值法在仿真試驗中設(shè)置氣吸端口圓管直徑D為25、30、35 mm 3個水平，收縮管高度H為30、40、50 mm 3個水平，組合成9種氣吸端口，如表2所示。

表2 氣吸端口結(jié)構(gòu)參數(shù)

基質(zhì)剔凈率計算式為

(11)

式中T——基質(zhì)剔凈率，%

N——基質(zhì)總質(zhì)量，g

Na——殘余基質(zhì)質(zhì)量，g

最大基質(zhì)團體積比計算式為

(12)

式中y——最大基質(zhì)團體積比，%

Q——基質(zhì)顆?？倲?shù)

Qb——最大基質(zhì)團顆粒數(shù)

2.2.3仿真結(jié)果分析

針對9種氣吸端口結(jié)構(gòu)進行基質(zhì)剔除氣固耦合仿真試驗，主要分析討論氣吸端口結(jié)構(gòu)對基質(zhì)顆粒運動特性、輸送氣流壓力分布、顆粒間黏結(jié)鍵斷裂以及基質(zhì)剔除性能的影響，選擇剔除效果好且輸送更均勻的氣吸端口結(jié)構(gòu)。

(1)氣吸端口結(jié)構(gòu)對基質(zhì)顆粒運動特性的影響

由于基質(zhì)顆粒間黏結(jié)作用，在負(fù)壓氣流拖曳力和旋轉(zhuǎn)升力的作用下，穴孔基質(zhì)被破碎成不同大小的顆粒團，以單顆粒和顆粒團的形式輸送進入圓管。截取9組基質(zhì)剔除過程中最大基質(zhì)團進入圓管且處于穩(wěn)定輸送狀態(tài)的顆粒運動分布圖，如圖7所示。首先，針對不同圓管直徑的氣吸端口，結(jié)果顯示，最大基質(zhì)團體積隨著圓管直徑的增大明顯變大。其次，基于相同圓管直徑不同收縮管高度的氣吸端口進行分析，結(jié)果顯示，破碎形成的最大基質(zhì)團體積相差不大，且隨著收縮管高度增加，穴孔內(nèi)殘余的基質(zhì)顆粒逐漸減少。同時，收縮管高度為30、40 mm的氣吸端口內(nèi)基質(zhì)顆粒輸送狀態(tài)表現(xiàn)為沿圓管壁面螺旋式上升，基質(zhì)顆粒容易粘附在管壁上，而收縮管高度為50 mm的氣吸端口內(nèi)基質(zhì)顆粒處在圓管中部運動上升，輸送更均勻。

圖7 基質(zhì)剔除過程

(2)氣吸端口結(jié)構(gòu)對輸送氣流壓力分布的影響

依據(jù)前文分析，選取收縮管高度為50 mm的3種不同圓管直徑氣吸端口在對應(yīng)時刻的輸送氣流壓力分布云圖，如圖8所示。結(jié)果顯示，最大基質(zhì)團所在位置會造成氣流呈現(xiàn)明顯壓差，3種類型氣吸端口的最大基質(zhì)團所在位置壓差分別為541.80、628.55、916.57 Pa。因此，隨著圓管直徑的增大，最大基質(zhì)團體積明顯變大，最大基質(zhì)團在圓管內(nèi)形成的壓差也會增大，這與前文壓損理論計算結(jié)果一致，顆粒物的量越大，氣流壓損越大。

圖8 氣流壓力分布云圖

(3)氣吸端口結(jié)構(gòu)對顆粒間黏結(jié)鍵斷裂的影響

圖9為基質(zhì)顆粒黏結(jié)鍵斷裂數(shù)隨時間變化曲線，圖中黏結(jié)鍵斷裂過程可反映基質(zhì)破碎過程，可分為破碎初期、破碎中期和破碎后期3個階段。破碎初期，基質(zhì)在穴孔內(nèi)受到氣流拖曳力作用黏結(jié)鍵斷裂，顆粒開始啟動，基質(zhì)顆粒黏結(jié)鍵斷裂數(shù)隨時間變化逐漸增大；破碎中期，基質(zhì)上升到收縮管，由于受到氣流和壁面擠壓作用，顆粒黏結(jié)鍵斷裂數(shù)增大到頂峰，基質(zhì)破碎成大小不一的顆粒團，進入圓形管道；破碎后期，基質(zhì)團在圓管中處于穩(wěn)定輸送狀態(tài)，黏結(jié)鍵斷裂數(shù)逐漸減少。由于氣吸端口結(jié)構(gòu)參數(shù)不同，各組穴孔基質(zhì)破碎過程表現(xiàn)出差異性。破碎初期，類型3和類型6黏結(jié)鍵斷裂數(shù)迅速增大至頂峰，且最大鍵斷裂數(shù)遠高于其他類型氣吸端口，表明類型3和類型6的氣吸端口在剔除基質(zhì)時，基質(zhì)在穴孔內(nèi)受到氣流拖曳力和強旋轉(zhuǎn)升力作用，破碎劇烈，在氣吸端口處堵塞的可能性更小。

圖9 基質(zhì)鍵斷裂數(shù)變化曲線

(4)氣吸端口結(jié)構(gòu)對基質(zhì)剔除性能的影響

基質(zhì)剔除仿真結(jié)果如表3所示。依據(jù)前文分析，選取最大基質(zhì)團體積比小于穴孔基質(zhì)的一半，基質(zhì)剔凈率高于90%且收縮管高度為50 mm的氣吸端口類型。結(jié)果表明，滿足上述條件的類型為3和6。同時，在基質(zhì)剔除過程中，最大基質(zhì)團體積比越小表明基質(zhì)破碎程度越劇烈，在氣吸端口處形成堵塞的可能性越小，但基質(zhì)顆粒處于過于離散的分布狀態(tài)反而會加長基質(zhì)剔除時間，造成氣源能量浪費。因此，類型6對應(yīng)的氣吸端口在氣吸式基質(zhì)剔除過程中表現(xiàn)最優(yōu)。其中，最大基質(zhì)團體積比為47.89%，基質(zhì)剔凈率為92.30%，基質(zhì)剔除時間為0.72 s。

表3 基質(zhì)剔除仿真結(jié)果

2.3 缺苗穴孔識別與定位

缺苗穴孔識別系統(tǒng)如圖10所示，主要包括圖像采集箱、PC機和PLC控制器。圖像采集箱內(nèi)RGB-D相機采集穴盤圖像，相機通過USB3.0將穴盤圖像傳輸給PC機識別穴盤缺苗穴孔。PC機通過RS232與PLC控制器進行通訊，輸出缺苗穴孔位置信息。相機為英特爾 RealSense D435i，最高分辨率為1 280像素×720像素；PLC控制器為臺達DVP-SA2型；PC機為艮泰SP16HDIET，該平臺為Ubuntu 16.04 LTS 64位操作系統(tǒng)環(huán)境，處理器為Intel Xeon E5-1650，32 GB內(nèi)存，顯卡為Nvidia TITAN XP，12 GB 顯存。

圖10 穴盤缺苗識別系統(tǒng)

采用基于單階段深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)的缺苗穴孔檢測方法，該方法相較于傳統(tǒng)圖像處理方法具有更高的檢測準(zhǔn)確率和響應(yīng)速度[7]。用于模型訓(xùn)練和測試的圖像樣本，是使用深度相機在俯視圖下采集的分辨率為640像素×800像素的穴盤番茄苗圖像，總共獲得400幅圖像組成數(shù)據(jù)集，數(shù)據(jù)集以4∶1的比例分為訓(xùn)練集和測試集。通過亮度增減和高斯模糊的數(shù)據(jù)增強方式擴增訓(xùn)練集圖像，以提高深度學(xué)習(xí)模型的泛化能力，最終得到1 280幅圖像作為訓(xùn)練集。利用LabelImg工具將穴盤苗圖像中的穴盤和缺苗穴孔手動標(biāo)注為矩形。YOLO v4由骨干網(wǎng)絡(luò)CSPDarknet-53、空間金字塔池化層SPP和路徑聚合網(wǎng)絡(luò)PANet組成[25]，CSPDarknet-53是一種新穎的特征提取網(wǎng)絡(luò)，可以增強CNN學(xué)習(xí)能力，SSP增加感受野并融合不同尺度大小的特征圖，PANet通過融合自底向上和自頂向下兩個路徑增加模型表征能力。設(shè)置初始學(xué)習(xí)率為0.001，權(quán)重衰減率為0.000 5，迭代步數(shù)15 000，使用Darknet中的預(yù)訓(xùn)練模型初始化網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。將訓(xùn)練集圖像和標(biāo)注文件加載到深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)模型中進行迭代訓(xùn)練，生成模型權(quán)值文件，損失曲線呈現(xiàn)出收斂和低振蕩的特點，平均損失值最終保持在0.385 0左右。

為了度量模型的實際檢測性能，本文使用平均正確率均值mAP作為模型的評價指標(biāo)。測試集評估模型性能結(jié)果表明，該檢測模型的平均正確率均值為96.1%，穴盤和缺苗穴孔檢測平均正確率分別為95.3%和96.8%，檢測時間為0.11 s。

基于YOLO v4可以實現(xiàn)端到端的目標(biāo)檢測，深度相機在線采集的穴盤苗圖像輸入已訓(xùn)練模型中進行缺苗檢測，識別效果如圖11所示。結(jié)果顯示，該模型能夠有效識別出穴盤和缺苗穴孔。

圖11 缺苗穴孔識別與定位結(jié)果

實際作業(yè)過程中，完成圖像檢測后輸出穴盤檢測框坐標(biāo)和缺苗穴孔中心坐標(biāo)，用于定位缺苗穴孔的行列號，具體定位方法如下：首先計算得到穴孔平均橫向間距Δx和縱向間距Δy為

(13)

然后計算穴盤起始穴孔中心坐標(biāo)

(14)

最后以穴盤起始穴孔為基準(zhǔn)，計算缺苗穴孔的列號mi和行號ni，四舍五入方法取整，即

(15)

式中xmin、ymin——穴盤檢測框左上角坐標(biāo)

xmax、ymax——穴盤檢測框右下角坐標(biāo)

xi、yi——第i個缺苗穴孔中心坐標(biāo)

x0、y0——穴盤起始穴孔中心坐標(biāo)

Δx——穴孔平均橫向間距

Δy——穴孔平均縱向間距

mi——第i個缺苗穴孔列號

ni——第i個缺苗穴孔行號

〈〉——四舍五入取整運算符號

2.4 控制系統(tǒng)設(shè)計

穴盤缺苗氣吸式基質(zhì)剔除裝置控制系統(tǒng)原理如圖12所示，包括缺苗識別、穴盤輸送、直線模組移位和氣動控制4部分。其控制過程為：PLC控制器輸出信號控制輸送帶電機轉(zhuǎn)動；光電開關(guān)Ⅰ檢測到穴盤，將信號反饋給PLC控制器，控制輸送帶電機暫停延時等待，相機采集穴盤苗圖像并傳輸給PC機進行檢測定位，PC機將缺苗穴孔位置信息傳輸給PLC控制器；光電開關(guān)Ⅱ反饋信號，PLC控制器輸出信號控制直線模組電機帶動氣吸端口移位至缺苗穴孔位置；PLC控制電磁閥接通，氣吸端口處產(chǎn)生負(fù)壓剔除缺苗穴孔內(nèi)基質(zhì)；直線模組繼續(xù)移位到下一缺苗穴孔，直至完成當(dāng)前穴盤缺苗穴孔基質(zhì)剔除任務(wù)后復(fù)位至起始位置，準(zhǔn)備下一穴盤基質(zhì)剔除作業(yè)。

圖12 控制系統(tǒng)原理圖

3 臺架試驗

3.1 試驗材料與設(shè)備

試驗于2022年3—5月在西北農(nóng)林科技大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)重點實驗室進行。育苗穴盤和基質(zhì)均選自楊凌稷楊果蔬專業(yè)合作社育苗基地，育苗穴盤為72穴孔PVC材料，育苗基質(zhì)為有機活性基質(zhì)，由泥炭、蛭石、珍珠巖3種成分組成，總孔隙度60%～90%，相對含水率為51.90%～67.22%。試驗對象選擇苗齡為15～20 d的金鵬101穴盤番茄苗，根據(jù)前期調(diào)研及文獻[26-27]，該苗期番茄苗的真葉葉展主要分布區(qū)間為24～36 mm，苗葉越界及遮擋現(xiàn)象較少，有利于進行缺苗檢測及剔補苗作業(yè)，補苗后便于后期統(tǒng)一生長管理。

所用氣動回路中真空發(fā)生器為上海秦川船舶物料公司CV500型；空氣壓縮機為雷亞公司LY-M239-60型，容積流量350 L/min；調(diào)壓閥為亞德客公司AR2000型，調(diào)壓范圍為0.05～0.90 MPa；電磁閥為歐雷凱公司4V210-08型；時間繼電器為臺邦公司DH48S型，工作電壓24 V DC；風(fēng)速測速儀為?，敼続S806型，測速范圍為0.3～45 m/s?；|(zhì)稱量使用深圳飛亞衡精密電子天平(ZF-C6002型，精度為0.01 g)。采用未來8200Pro樹脂材料打印氣吸端口，通過卡箍將其固定在直線模組上，連接輸送軟管；氣吸端口底部選擇硬度為10 A的柔性硅膠墊。穴孔缺苗氣吸式基質(zhì)剔除裝置試驗平臺如 圖13 所示。

圖13 氣吸式基質(zhì)剔除試驗平臺

3.2 試驗方法

利用負(fù)壓吸附的方法剔除穴盤缺苗基質(zhì)，主要影響因素有基質(zhì)與穴孔壁的粘附力、基質(zhì)間內(nèi)聚力和作用于基質(zhì)的負(fù)壓吸附力?；|(zhì)含水率影響基質(zhì)間內(nèi)聚力和基質(zhì)與穴孔壁的粘附力，是缺苗基質(zhì)剔除作業(yè)中重要的可控影響因素[11]?；|(zhì)含水率由稱量法測量，將泥炭、蛭石、珍珠巖按6∶3∶1比例混合，制作相對含水率為50%～55%、55%～60%、60%～65%的3組缺苗基質(zhì)。為模擬溫室中基質(zhì)在穴盤中的沉降，將裝有基質(zhì)的穴盤放在室溫(25℃)的條件下靜置7 d，每天稱量基質(zhì)并補水。為探究氣吸式基質(zhì)剔除裝置的工作壓力，通過設(shè)計壓力調(diào)節(jié)閥將經(jīng)過真空發(fā)生器的壓力調(diào)節(jié)為0.3、0.4、0.5 MPa 3個水平。根據(jù)氣吸端口基質(zhì)剔除仿真試驗，基質(zhì)從穴孔到端口剔除時間在1 s以內(nèi)，考慮基質(zhì)輸送到收集桶時間和穴孔壁粘附力等其他因素，設(shè)計單孔氣吸時間為2.0、3.0、4.0 s 3個水平。氣流輸送系統(tǒng)中，為防止作業(yè)時漏氣降低剔除效率或影響周圍穴孔幼苗，氣吸端口底部增加硬度為10 A、厚度為5 mm的硅膠墊，主要用于增加氣吸端口與穴孔壁的接觸氣密性，同時實現(xiàn)對少部分越界苗葉的柔性接觸，分別測試有無硅膠氣墊兩種氣吸端口。

綜上所述，氣吸式剔除缺苗穴孔內(nèi)基質(zhì)試驗因素水平如表4所示，采用L9(21×33)正交表。共有9組試驗，每組試驗樣本量為每盤12個穴孔基質(zhì)，利用ZF-C6002型電子天平稱量每個空穴盤質(zhì)量、剔除前穴盤基質(zhì)和剔除后穴盤基質(zhì)質(zhì)量，以計算基質(zhì)剔凈率，剔凈率公式為

表4 試驗因素水平

(16)

式中m1——剔除前穴盤基質(zhì)質(zhì)量，g

m2——剔除后穴盤基質(zhì)質(zhì)量，g

M——空穴盤質(zhì)量，g

缺苗基質(zhì)氣吸剔除試驗如圖14所示。

圖14 氣吸式基質(zhì)剔除測試

3.3 試驗結(jié)果與分析

試驗方案與結(jié)果極差分析如表5所示。根據(jù)k確定優(yōu)組合為A1B3C2D1，即當(dāng)基質(zhì)含水率為50%～55%，氣動回路中經(jīng)過真空發(fā)生器的氣壓為0.5 MPa，單孔氣吸時間為3 s，氣吸端口有硅膠墊時氣吸式缺苗基質(zhì)剔除裝置剔凈率較高。據(jù)極差分析的R確定試驗因素的主次順序為氣壓、基質(zhì)含水率、氣吸時間、有無硅膠墊。

表5 試驗方案與結(jié)果極差分析

在氣吸式剔除缺苗穴孔基質(zhì)試驗中，經(jīng)過真空發(fā)生器的氣壓顯著影響基質(zhì)剔凈率，氣壓越高，氣吸端口處負(fù)壓吸附力也越大，通過調(diào)壓閥調(diào)節(jié)氣壓為0.5 MPa時，基質(zhì)剔凈率均在80%以上?；|(zhì)含水率主要影響基質(zhì)間內(nèi)聚力和基質(zhì)與穴孔壁的粘附力，基質(zhì)含水率在50%～55%時，穴孔內(nèi)基質(zhì)松散，與穴孔壁的粘附力低，基質(zhì)剔凈率較高。柔性硅膠墊增加了氣吸端口與穴盤的接觸氣密性，可以有效避免氣流影響周圍穴孔內(nèi)基質(zhì)的問題。

對最優(yōu)組合下工作參數(shù)應(yīng)用到待剔苗的番茄穴盤苗中，開展性能驗證試驗，選擇3盤15～20 d苗齡的72孔穴盤番茄苗，試驗結(jié)果如表6所示。結(jié)果表明，缺苗穴孔平均定位成功率為95.45%，基質(zhì)平均剔凈率在90%以上，整機作業(yè)效率為57 s/盤，同時，在試驗過程中發(fā)現(xiàn)，部分缺苗穴孔由于周圍幼苗苗葉越界導(dǎo)致未成功識別定位缺苗穴孔(圖15a)，部分穴盤重復(fù)使用造成材質(zhì)偏軟，負(fù)壓吸附會將穴孔吸扁聚攏，穴孔底部基質(zhì)由于穴孔壁擠壓堵塞而殘留(圖15b)，圖15為氣吸式剔除缺苗穴孔基質(zhì)效果圖，整體剔除效果滿足剔補苗作業(yè)要求[9]?？偟膩碚f，針對缺苗穴孔內(nèi)基質(zhì)松散特性，通過氣吸剔除穴孔基質(zhì)提高剔凈率是一種可行的方法。

圖15 氣吸式缺苗穴孔基質(zhì)剔除效果

表6 氣吸式缺苗穴孔基質(zhì)剔除性能試驗結(jié)果

因此，本文所研究的穴盤缺苗氣吸式基質(zhì)剔除裝置，能有效提高基質(zhì)剔凈率。整體裝置可與現(xiàn)有高效取苗裝置組合配套使用，形成自動化剔補苗裝置，能顯著提高穴盤苗的剔補苗成功率。

4 結(jié)論

(1)針對缺苗缽體松散易碎導(dǎo)致基質(zhì)剔凈率低的問題，設(shè)計了一種氣吸式基質(zhì)剔除裝置。該裝置包括穴盤苗輸送模塊、圖像檢測模塊、基質(zhì)剔除模塊和控制系統(tǒng)，各部分配合自動完成缺苗穴孔基質(zhì)的剔除任務(wù)。

(2)利用DEM-CFD耦合仿真方法對比分析了9種氣吸端口結(jié)構(gòu)對基質(zhì)剔除性能的影響，結(jié)果表明：當(dāng)氣吸端口圓管直徑為30 mm、收縮管高度為 50 mm 時，表現(xiàn)出基質(zhì)剔除效果好且輸送更均勻的最優(yōu)性能，最大基質(zhì)團體積比為47.89%，基質(zhì)剔凈率為92.30%，基質(zhì)剔除時間為0.72 s。

(3)建立基于YOLO v4深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)的穴盤和缺苗穴孔檢測模型，實現(xiàn)端到端的目標(biāo)檢測任務(wù)，該檢測模型平均正確率均值為96.1%，提出結(jié)合目標(biāo)檢測框坐標(biāo)和穴盤規(guī)格計算缺苗穴孔行列號的定位方法。

(4)搭建氣吸式基質(zhì)剔除試驗平臺，開展基質(zhì)剔除多因素正交試驗研究，結(jié)果表明，影響基質(zhì)剔凈率的因素主次順序依次為氣壓、基質(zhì)含水率、氣吸時間和有無硅膠墊，當(dāng)氣壓0.5 MPa、基質(zhì)含水率50%～55%、氣吸時間3.0 s、有硅膠墊時，缺苗穴孔基質(zhì)平均剔凈率最高。開展性能驗證試驗，結(jié)果表明，缺苗穴孔平均定位成功率為95.45%，基質(zhì)平均剔凈率在90%以上，整機作業(yè)效率為57 s/盤，滿足實際剔補苗作業(yè)要求。