旱田移栽機(jī)機(jī)械手自動(dòng)喂苗系統(tǒng)

陳志超 馬國超 唐鈺璇 朱俊華 果莉

摘 要：旱田移栽機(jī)機(jī)械手自動(dòng)喂苗系統(tǒng)主要由育秧盤傳送帶，機(jī)械手，MSP430單片機(jī)，電動(dòng)機(jī)等組成。其在當(dāng)前半自動(dòng)移栽機(jī)的基礎(chǔ)上融入了電子技術(shù)，走機(jī)電一體化的路線，研究和開發(fā)全自動(dòng)移栽機(jī)。該系統(tǒng)采用了可伸縮并有拾取功能的機(jī)械手和卡位式輪回傳送帶，并用微控制器MSP430對其進(jìn)行反饋控制，使該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確拾取秧苗，及時(shí)對移栽機(jī)進(jìn)行“喂”苗，同時(shí)避免了育秧盤下滑或者遮擋住了旱田秧苗移栽機(jī)的入苗口而造成的機(jī)械手不能正?！拔埂泵绲那闆r，保證了秧苗的成活率。該研究對促進(jìn)我國農(nóng)業(yè)自動(dòng)化水平的進(jìn)展，保障我國農(nóng)村種植行業(yè)持續(xù)發(fā)展有重要意義。

關(guān)鍵詞：機(jī)械手 全自動(dòng) 喂苗 成活率

中圖分類號：S223.9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）12（b）-0137-02

我國是農(nóng)業(yè)大國，隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展，耕作機(jī)械行業(yè)為我國種植業(yè)發(fā)展提供了大量的機(jī)具裝備。新型耕種機(jī)械作為農(nóng)業(yè)實(shí)用技術(shù)的載體，有力地促進(jìn)了農(nóng)業(yè)耕種新技術(shù)的發(fā)展，旱地移栽機(jī)就是其中一種。旱地移栽機(jī)取代了手工種植，減少種植的時(shí)間，提高了工作效率?，F(xiàn)階段研制和使用多為半自動(dòng)移栽機(jī)，每臺機(jī)械需2～3名喂苗人員，人工喂苗速度有限，且作業(yè)效率低，不適合短時(shí)間內(nèi)完成大面積移栽，不符合當(dāng)前我國農(nóng)村勞動(dòng)力缺乏的現(xiàn)狀。勞動(dòng)強(qiáng)度大、移栽速度慢和勞動(dòng)力緊張是半自動(dòng)移栽機(jī)較為突出的問題。為了解決這嚴(yán)重的問題，以促進(jìn)我國農(nóng)業(yè)自動(dòng)化水平的進(jìn)展，該系統(tǒng)研究和開發(fā)全自動(dòng)移栽機(jī)，提高勞動(dòng)效率，提高育苗的成活率。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由機(jī)械部分和控制部分構(gòu)成。其中機(jī)械部分由育秧盤傳送帶、機(jī)械手等組成。育秧盤傳送帶將育秧盤準(zhǔn)確地送到指定位置供機(jī)械手進(jìn)行操作。機(jī)械手自動(dòng)定位育秧盤的位置，將盤中的秧苗拾取并送入秧苗入苗口。控制部分由單片機(jī)、觸力傳感器、交流伺服電機(jī)等組成。單片機(jī)負(fù)責(zé)處理整個(gè)系統(tǒng)采集到的信號，并按照預(yù)置的指令控制系統(tǒng)內(nèi)其他部分進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作。觸力傳感器監(jiān)測機(jī)械手是否拾取到秧苗并將信號反饋回單片機(jī)。直流電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)育秧盤循環(huán)滾動(dòng)進(jìn)行送苗工作。圖1為系統(tǒng)流程圖。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)械部分硬件設(shè)計(jì)

育秧盤是栽苗機(jī)必不可少的一部分，而帶動(dòng)育秧盤的傳送帶則承擔(dān)著連續(xù)不斷的運(yùn)送任務(wù)。傳送帶設(shè)備選擇具有牽引件的傳送帶，該設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：被運(yùn)送物料裝在與牽引件連結(jié)在一起的承載構(gòu)件內(nèi)，或直接裝在牽引件（如傳送帶）上，牽引件繞過各滾筒或鏈輪首尾相連，形成包括運(yùn)送物料的有載分支和不運(yùn)送物料的無載分支的閉合環(huán)路，利用牽引件的連續(xù)運(yùn)動(dòng)輸送物料。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)十分符合栽苗機(jī)所需的物理結(jié)構(gòu)。其運(yùn)行可靠、動(dòng)力消耗低、適應(yīng)性強(qiáng)且十分靈活。傳送帶采用卡位式輪回傳送帶，能有效的保證機(jī)械手準(zhǔn)確拾取秧苗，同時(shí)也防止了育秧盤下滑或者遮擋住了栽苗機(jī)的入苗口而造成的機(jī)械手不能正常喂苗。

該系統(tǒng)采用4自由度機(jī)械手進(jìn)行工作。在該系統(tǒng)中，采用平面固定機(jī)構(gòu)，配合軸承進(jìn)行緩沖。機(jī)械手的金屬結(jié)構(gòu)支架采用硬鋁合金制成，該材料重量輕、強(qiáng)度高，完全能夠適應(yīng)栽苗時(shí)機(jī)械手的快速移動(dòng)。在機(jī)械臂的重要受力關(guān)節(jié)，采用大扭力的金屬齒輪數(shù)字舵機(jī)。該數(shù)字舵機(jī)響應(yīng)快、扭力大、噪音小。故此機(jī)械手可以勝任各種取苗以及喂苗動(dòng)作。

2.2 控制部分硬件設(shè)計(jì)

在該系統(tǒng)中，作為控制器的單片機(jī)負(fù)責(zé)接收系統(tǒng)中觸力傳感器的信息，并控制機(jī)械手臂進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作。該系統(tǒng)選用MSP430單片機(jī)，它是一種超低功耗、高性能16位單片機(jī)。具有強(qiáng)大的處理能力、集成度高、可靠性強(qiáng)，具有極高的性價(jià)比[1]。

觸力傳感器鑲嵌在機(jī)械手上，其負(fù)責(zé)檢測機(jī)械手是否抓取到秧苗和抓取秧苗的力度并將信號反饋至單片機(jī)，從而單片機(jī)對機(jī)械手抓取的力度進(jìn)行控制。該系統(tǒng)選用的為FS系列觸力傳感器，該傳感器內(nèi)部的離子注入的壓敏電阻受壓彎曲時(shí)阻值發(fā)生變化，并正比于所施加的觸力，通過不銹鋼插桿直接作用于傳感器內(nèi)部的硅敏感芯片；傳感器內(nèi)置惠斯頓電橋，如圖2所示，通過橋路電阻阻值正比與觸力大小，從而檢測橋路各電阻的變化后就產(chǎn)生對應(yīng)的mV輸出信號；從而其能夠提供精確、可靠的觸力傳感功能，有效的避免了機(jī)械手抓取時(shí)對秧苗的損害。

電機(jī)采用一體化閉環(huán)交流伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)。由于電機(jī)帶動(dòng)傳送帶以及育秧盤轉(zhuǎn)動(dòng)并且需要與機(jī)械手進(jìn)行配合，所以對于電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)有很高的要求。采用帶編碼器的電機(jī)，使其具有伺服電機(jī)的閉環(huán)特性，從而實(shí)現(xiàn)精確控制。單片機(jī)對其進(jìn)行控制，適合應(yīng)用于短距離快速啟停的場合，使得系統(tǒng)具有極高動(dòng)態(tài)響應(yīng)，滿足了和機(jī)械手進(jìn)行配合的要求。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 PID算法

PID是比例（P）、積分（I）、微分（D）控制算法。比例，反應(yīng)系統(tǒng)的基本（當(dāng)前）偏差e（t），系數(shù)大，可以加快調(diào)節(jié)，減小誤差，但過大的比例使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。

積分，反應(yīng)系統(tǒng)的累計(jì)偏差，使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無差度，因?yàn)橛姓`差，積分調(diào)節(jié)就進(jìn)行，直至無誤差；微分，反映系統(tǒng)偏差信號的變化率e（t）-e（t-1），具有預(yù)見性，能預(yù)見偏差變化的趨勢，產(chǎn)生超前的控制作用，在偏差還沒有形成之前，已被微分調(diào)節(jié)作用消除，因此可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能[2]。PID控制原理圖如圖3所示。

該系統(tǒng)采用比例微分控制規(guī)律（PD）控制，微分具有超前作用，對于具有容量滯后的控制通道，引入微分參與控制，在微分項(xiàng)設(shè)置得當(dāng)?shù)那闆r下，對于提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，有著顯著效果。因此，對于控制通道的時(shí)間常數(shù)或容量滯后較大的場合，為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減小動(dòng)態(tài)偏差等可選用比例微分控制規(guī)律。

式中KP為比例放大系數(shù)；TD為微分時(shí)間。

通過傳感器采樣機(jī)械手的位置，與預(yù)定的位置比較得出偏差e（t），通過比例和微分調(diào)節(jié)PWM，使得機(jī)械手達(dá)到預(yù)期角度。通過多次實(shí)驗(yàn)，可以得出適合的KP和TD值，機(jī)械手準(zhǔn)確地拾取到秧苗并放入喂入器。

4 結(jié)語

旱田移栽機(jī)機(jī)械手自動(dòng)喂苗系統(tǒng)是一種運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低廉全自動(dòng)旱田移栽機(jī)。它的技術(shù)指標(biāo)能夠達(dá)到目前國內(nèi)先進(jìn)水平，并且在保證技術(shù)指標(biāo)及選種質(zhì)量的前提下，傳送帶不僅能夠?qū)⒀砻缤聜魉?，而且能夠?qū)⑵渫蠡蛲覀魉?，提高了該系統(tǒng)拔苗和喂苗的準(zhǔn)確度，保證了秧苗成活率。此外，該系統(tǒng)體積小，成本低，有利于產(chǎn)品使用以及推廣。旱田移栽機(jī)機(jī)械手自動(dòng)喂苗系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了旱田移栽機(jī)的自動(dòng)化，提高了耕種的效率，大大的緩解了農(nóng)村勞動(dòng)力短缺的問題。

參考文獻(xiàn)

[1]任保宏，徐克軍.MSP430單片機(jī)原理與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.

[2]歐艷華.基于PID的現(xiàn)代加工生產(chǎn)機(jī)械臂控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].輕工科技，2015.