电动自动移栽机苗盘输送与栽植的控制关键技术研究
作者单位：江苏大学
学位级别：硕士
导师姓名：胡建平
授予年度：2022年
摘 要：蔬菜是我国除粮食作物外栽植面积最广、经济地位最重要的产物。自动移栽机是解决蔬菜移栽种植的重要机械,其通过栽植机构取代人工弯腰种植动作,通过苗盘输送装置和取苗装置取代人工取投苗动作,解决了人工种植劳动强度大的问题,也解决了半自动移栽机省力不省工的难题,同时还提高了半自动移栽机的工作效率。但是现有的自动移栽机仍存在苗盘输送定位不准确、机械式栽植机构参数固化难以调节、栽植株距及栽插深度调整机构复杂等问题。为此,本文基于一款新型的电动栽植自动移栽机开展了苗盘输送和栽植控制关键技术研究,主要研究工作内容如下:(1)电动栽植自动移栽机工作原理及关键技术。介绍了一款新型的电动栽植自动移栽机,阐述了苗盘输送部件、取苗部件、导苗分苗部件和电动栽植部件的机械结构及其工作原理,分析了这款自动移栽机从移盘、取苗、分苗、投苗、栽植、覆土、苗盘回收的工作流程,初步确定该款自动移栽机的关键技术有苗盘精准定位、苗盘精准输送、高效低损取投苗、电驱精准取投苗、导苗筒依次分苗、电驱栽植运动、栽插深度自适应等。(2)双传感器信息融合的苗盘输送定位控制方法研究。针对普通硬塑穴盘材质软易变形、苗盘外表光反射量不稳定、差异大,单个光电传感器识别苗盘位置信息误差大、控制苗盘输送定位不准确的问题,设计了一种链条平移输送、双传感器精确定位的苗盘输送定位装置,建立了精确定位控制方法。该方法首先基于第一传感器识别的苗盘到位信息、第二传感器识别的推杆到位信息,融合双传感器信息和输送装置结构信息,采用区间算法判断苗盘在输送链上的放置类别;然后通过区间范围分析方法建立苗盘从起始位置输送至取苗指定位置的计算模型,最后通过伺服控制驱动电机实现苗盘输送的精确控制。在此基础上,完成了苗盘精准定位控制系统的软硬件设计和台架性能试验,验证苗盘定位的精准性和稳定性,试验结果表明:最大定位偏差为1.51mm,平均偏差最高达1.05mm,定位准确率均为100%。(3)电动栽植机构的运动控制方法研究。针对机械式栽植机构只能通过手动调节机械结构来改变栽植株距和栽植深度的问题,设计了一种能实现株距和栽植深度任意调整的电动栽植部件,介绍了栽植部件结构及工作原理,分析了栽植运动过程,确定了栽植过程的各个关键节点:零点、减速点、入土点、鸭嘴张开点、栽植点和鸭嘴闭合点,根据栽植株距和前进速度确定了栽植频率。研究了栽植运动控制曲线,确定了基于与电机升降频最符合的直线+抛物线型运行曲线的加减速运动规律,并设计了栽植过程运动曲线,通过运动学仿真验证其栽植运动轨迹。在此基础上,完成了电动栽植运动过程控制系统的软硬件设计和台架性能试验,试验表明:平均栽植个数每分钟达63.3个,平均栽插深度达56.9mm,作业参数指标符合要求。并且能完成循环栽植动作,运动控制过程性能符合要求。(4)栽插深度定深控制方法研究。针对垄面高低起伏将造成栽插深度或深或浅,从而影响秧苗成活率的问题,采用超声波测距方法,设计了栽插深度定深控制系统,确定了采样频率方案。研究了垄面高度测量方法,选用束波角较小的超声波检测传感器,建立了垄面高度测量回归模型,并针对土垄上土块大小各异的特殊环境,设计了一种基于差值校验的滤波算法,用来剔除土垄上土块对测量精度的影响。对栽插深度定深控制系统进行软硬件设计并搭建控制系统,通过设计了纠偏策略来缓解实时测量与变化对栽植电机带来的耗能影响。在此基础上,完成了栽插深度定深控制系统的软硬件设计和台架性能试验,试验结果表明:平均栽插深度合格率为91.25%,且电机下行距离在垄面高度测量值差距小时不会发生变化,但始终保持栽插深度不变,满足设计要求。(5)电动栽植自动移栽机控制系统设计与试验。设计了自动移栽机整体控制系统,完成硬件电路设计、气路设计和软件设计调试,试制了原理样机,为后期的田间试验做准备。进行了自动移栽机田间性能试验,对该机器进行苗盘输送精准性试验、栽植株距一致性试验、栽插深度一致性试验,并对整机控制系统进行评估。通过整机运动过程中的取苗成功率来间接验证苗盘输送精准性,试验表明:苗盘输送定位精准,取苗成功率达97.27%,能与取苗机构配合完成送盘、取苗、投苗的整个过程;通过整机运动过程中的株距变异系数来验证栽植株距一致性,试验表明:株距变异系数为3.5%,保证栽植过程中株距保持一致;通过整机运动过程中的栽插深度合格率和栽插深度变异系数来验证栽插深度一致性,试验表明:栽插深度合格率为94.4%,栽插深度变异系数为3.5%,保证栽植过程中栽插深度保持一致。
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