穴盤(pán)水稻缽苗自動(dòng)送秧機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

樊元君， 馬瑞峻， 黃　倩， 黃木水， 張亞莉

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，廣東 廣州 510642)

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穴盤(pán)水稻缽苗自動(dòng)送秧機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

樊元君， 馬瑞峻， 黃倩， 黃木水， 張亞莉

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，廣東 廣州 510642)

摘要：【目的】提高水稻缽苗有序拋秧機(jī)中自動(dòng)輸送進(jìn)給缽苗行的輸送精度及可靠性，減少送秧環(huán)節(jié)的漏秧問(wèn)題?！痉椒ā刻岢隽死徝缧械轿蛔詣?dòng)檢測(cè)方案和程序?qū)崿F(xiàn)方法，通過(guò)樣機(jī)試驗(yàn)，分別獲得基于直接在線檢測(cè)秧苗莖稈、穴盤(pán)缽體和鐵盤(pán)磁性凸起3種表征缽苗行到位的特征信號(hào)，概括出缽苗行到位信號(hào)的綜合測(cè)量屬性，確立缽苗行到位較佳的監(jiān)測(cè)方案及其控制電路；設(shè)計(jì)集缽苗行到位檢測(cè)及輸送進(jìn)給一體的皮帶式自動(dòng)送秧機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)?！窘Y(jié)果】選用塑料穴盤(pán)缽體為檢測(cè)對(duì)象時(shí)，皮帶式自動(dòng)送秧機(jī)構(gòu)送秧到位檢測(cè)成功率最高，為99.78%；鐵盤(pán)磁性凸起的次之，為96.64%；秧苗莖稈最差。以塑料穴盤(pán)缽體和鐵盤(pán)磁性凸起為檢測(cè)對(duì)象時(shí)，穴盤(pán)類(lèi)型對(duì)缽苗行到位檢測(cè)成功率的影響不顯著(P>0.05)；但以秧苗莖稈為檢測(cè)對(duì)象時(shí)，則影響極顯著(P<0.01)。在3種缽苗行到位檢測(cè)方案中，輸送電機(jī)轉(zhuǎn)速在30～60 r·min-1范圍內(nèi)變動(dòng)時(shí)，對(duì)缽苗行到位檢測(cè)效果的影響均不顯著(P>0.05)?！窘Y(jié)論】所設(shè)計(jì)的皮帶式自動(dòng)送秧機(jī)構(gòu)及其缽苗行到位的自動(dòng)檢測(cè)控制系統(tǒng)能夠滿(mǎn)足缽苗有序自動(dòng)拋秧機(jī)對(duì)缽苗行輸送進(jìn)給的性能要求。

關(guān)鍵詞：水稻；缽苗；自動(dòng)進(jìn)給機(jī)構(gòu)；行到位檢測(cè)；設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

水稻缽苗有序拋秧機(jī)是工廠化穴盤(pán)育秧技術(shù)[1]與有序拋秧種植新模式[2-3]有機(jī)結(jié)合的產(chǎn)物。相比以毯狀苗移栽為主的插秧機(jī)，水稻缽苗有序拋秧機(jī)栽植水稻具有不傷根、根系發(fā)達(dá)、返青快、低節(jié)位有效分蘗多等特點(diǎn)[4]?；诓煌圃苑桨冈O(shè)計(jì)的缽苗有序拋秧機(jī)種類(lèi)繁多[5- 6]，但均圍繞自動(dòng)進(jìn)給缽苗、缽苗有序脫離穴盤(pán)和缽苗有序拋栽3個(gè)主要問(wèn)題。自動(dòng)進(jìn)給缽苗有帶穴盤(pán)進(jìn)給和脫離穴盤(pán)排序進(jìn)給2種方式[7- 8]。純機(jī)械式拋秧機(jī)通過(guò)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)送秧[9-16]，但送秧環(huán)節(jié)漏秧是導(dǎo)致這類(lèi)拋秧機(jī)漏栽率增加的重要原因之一[17-19]。帶有光電開(kāi)關(guān)或機(jī)器視覺(jué)定位并結(jié)合步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)送秧的方式也被用于實(shí)現(xiàn)缽苗的自動(dòng)輸送，控制精度高，通過(guò)補(bǔ)償可減少機(jī)械累計(jì)誤差，目前主要用于蔬菜或者花卉等穴缽體積較大的穴盤(pán)輸送進(jìn)給[20-22]，有關(guān)水稻穴盤(pán)的研究和應(yīng)用鮮有報(bào)道。本研究在前期研究[23]的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)集缽苗行到位檢測(cè)及輸送進(jìn)給于一體的皮帶式自動(dòng)送秧機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)，提出了以秧苗莖稈、穴盤(pán)缽體以及鐵盤(pán)磁性凸起3種不同檢測(cè)對(duì)象的缽苗行到位檢測(cè)方案，概括出缽苗行到位的綜合測(cè)量屬性，并通過(guò)試驗(yàn)考證3種方案對(duì)缽苗行到位檢測(cè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響。

1皮帶式自動(dòng)送秧機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和工作原理

皮帶式自動(dòng)送秧機(jī)構(gòu)(BASFM)主要由鏈輪、主動(dòng)軸、從動(dòng)軸、皮帶、張緊板等組成(圖1)。BASFM工作時(shí)，檢測(cè)缽苗行的傳感器通過(guò)定位板安裝在水平支架的單側(cè)(或雙側(cè))，并能隨定位板調(diào)整移動(dòng)選擇缽苗行停止的位置，以確保與其配合并完成拔拋秧移栽的兩自由度機(jī)械手秧夾的夾持面與缽苗行到位平面相重合，達(dá)到機(jī)械手最佳的夾持拔秧狀態(tài)。

1：從動(dòng)輥軸；2：皮帶張緊調(diào)節(jié)板；3：傳感器定位板；4：秧盤(pán)限位裝置；5：水平鋁型材支架；6：PVC傳送皮帶；7：鏈條；8：主動(dòng)輥軸；9：大鏈輪；10：小鏈輪；11,12：交流伺服電機(jī)及其安裝板；13：豎直鋁型材支架。

圖1皮帶式自動(dòng)送秧機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)組成

Fig.1Mechanical compositions of a belt-type automatic seedling feeding mechanism

BASFM控制電路由51系列單片機(jī)(STC89C52)、到位傳感器、電阻分壓電路、交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊(YZ-ACSD608)、開(kāi)關(guān)電源(S-360-36)和免維護(hù)鉛酸蓄電池(NP7-12)組成，其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　皮帶式自動(dòng)送秧機(jī)構(gòu)控制電路硬件結(jié)構(gòu)框圖

Fig.2Hardware structure diagram of control circuit for a belt-type automatic seedling feeding mechanism

控制電路運(yùn)行時(shí)，到位傳感器反饋的12 V開(kāi)關(guān)電壓信號(hào)在電阻分壓電路作用下轉(zhuǎn)換成5 V的TTL高低電平信號(hào)[24]，單片機(jī)根據(jù)程序設(shè)計(jì)從接收的電平信號(hào)中提取秧苗到位信息，并發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)到交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制伺服電機(jī)帶動(dòng)皮帶式自動(dòng)送秧機(jī)構(gòu)工作。試驗(yàn)過(guò)程中，BASFM根據(jù)不同方案輸送不同的檢測(cè)對(duì)象，控制電路提供端口并根據(jù)試驗(yàn)要求可以實(shí)時(shí)改變皮帶輸送速度。

2缽苗行到位檢測(cè)方案和試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1試驗(yàn)設(shè)備及材料

皮帶式自動(dòng)送秧機(jī)構(gòu)樣機(jī)1臺(tái)，配套單片機(jī)控制試驗(yàn)電路硬件1套。白色穴盤(pán)和紅色穴盤(pán)育秧的穴盤(pán)苗各1盤(pán)，水稻品種為華航31號(hào)，由2SJB-500精密播種流水線完成水稻穴盤(pán)播種，經(jīng)過(guò)30 d的溫室育秧獲得，苗高平均約14 cm，每穴平均2～3株秧苗，苗莖稈平均直徑2 mm，用于秧苗莖稈行檢測(cè)試驗(yàn)，其中，白色穴盤(pán)育出的秧苗如圖3所示；另備白色和紅色空穴盤(pán)各2盤(pán)，用于塑料穴盤(pán)缽體行檢測(cè)試驗(yàn)；與白色穴盤(pán)和紅色穴盤(pán)相配套的鐵盤(pán)各1個(gè)，用于磁性凸起檢測(cè)試驗(yàn)。

圖3　白色穴盤(pán)育秧秧苗

2.2缽苗行到位檢測(cè)方案

在工廠化穴盤(pán)水稻育秧中，選用穴孔矩形排列布置的機(jī)用穴盤(pán)育秧可以降低后續(xù)拋秧機(jī)械的設(shè)計(jì)難度[25]。本試驗(yàn)中選用2種育秧穴盤(pán)、3種檢測(cè)方案。穴盤(pán)缽體行側(cè)面結(jié)構(gòu)如圖4所示，其規(guī)格如下：1)白色穴盤(pán)：長(zhǎng)×寬=585 mm×290 mm，穴孔孔型為倒梯形圓臺(tái)孔，孔開(kāi)口直徑上部22.0 mm、下部12.0 mm、穴高20.0 mm，穴盤(pán)為23行×12列，共276穴，行中心距為25.5 mm；2)紅色穴盤(pán)：長(zhǎng)×寬=590 mm×285 mm，穴孔孔型為倒四棱臺(tái)孔，上邊寬17.0 mm、下邊寬10.0 mm、穴高15.0 mm，穴盤(pán)為29行×14列，共406穴，行中心距為20.0 mm。

圖4　2種不同規(guī)格穴盤(pán)缽體行截面結(jié)構(gòu)

Fig.4Sectional dimension of two different kinds of cell-trays

方案1： 檢測(cè)秧苗莖稈。穴盤(pán)培育水稻秧苗至適齡拋秧期，雖然每穴生長(zhǎng)的缽苗株數(shù)不同，但由于穴孔矩形排列，且穴孔邊緣間有3.0～3.5 mm的間隔，通常絕大部分秧苗具有直立生長(zhǎng)的特點(diǎn)，因此，沿著穴盤(pán)行方向觀察，缽苗行與行的秧苗莖稈之間形成了清晰的分界線。根據(jù)以上特點(diǎn)，選擇檢測(cè)尺寸達(dá)到毫米級(jí)別的傳感器，通過(guò)側(cè)面直接檢測(cè)秧苗莖稈來(lái)識(shí)別缽苗行的到位。選用紅外線反射式接近開(kāi)關(guān)作為到位傳感器，型號(hào)為E3X-NA11，光纖探頭直徑為1 mm，試驗(yàn)標(biāo)定的傳感器有效檢測(cè)的最大距離為8 mm，響應(yīng)時(shí)間為400 μs。

方案2：檢測(cè)塑料穴盤(pán)缽體。用于育秧的塑料穴盤(pán)是吹塑成型工藝制造的標(biāo)準(zhǔn)件，穴盤(pán)缽體行側(cè)面投影是等腰梯形，缽體行間形成規(guī)則的空隙(圖4)，而缽體行與缽苗行是一一對(duì)應(yīng)的，因此,可通過(guò)側(cè)面檢測(cè)塑料穴盤(pán)缽體行來(lái)識(shí)別缽苗行。選用紅外線對(duì)射式光電開(kāi)關(guān)作為到位傳感器，型號(hào)為E3F-5L(發(fā)射器)和E3F-5DN1(接收器)，透鏡直徑為12 mm，響應(yīng)時(shí)間為1 ms。

方案3：檢測(cè)鐵盤(pán)磁性凸起。田間人工搬運(yùn)穴盤(pán)苗時(shí)，將塑料穴盤(pán)放到一個(gè)鐵盤(pán)中實(shí)現(xiàn)輔助搬運(yùn)，通過(guò)在鐵盤(pán)側(cè)面焊接與塑料穴盤(pán)中的缽體行一一對(duì)應(yīng)的磁性凸起，采用間接檢測(cè)鐵盤(pán)側(cè)面的磁性凸起實(shí)現(xiàn)缽苗行到位檢測(cè)。本研究設(shè)計(jì)了2種鐵盤(pán)，其磁性凸起間距分別與上述2種穴盤(pán)的行中心距相等，凸起高度則根據(jù)電感式傳感器的有效檢測(cè)距離確定，鐵盤(pán)側(cè)面凸起實(shí)物見(jiàn)圖5。鐵盤(pán)長(zhǎng)×寬×高為610 mm×290 mm×22 mm，凸起形狀為半球形，凸起間距分別為25.5和20.0 mm，半徑分別為8和5 mm。選用電感式接近開(kāi)關(guān)作為到位傳感器，型號(hào)為L(zhǎng)J18A3-8-Z/BZ和LJ12A3-4-Z/BZ，分別用于檢測(cè)白色穴盤(pán)的磁性凸起(半徑8 mm)和紅色穴盤(pán)的磁性凸起(半徑5 mm)。2種傳感器的探頭直徑分別為16和10 mm，試驗(yàn)標(biāo)定傳感器有效檢測(cè)的最大距離分別為8和4 mm，響應(yīng)時(shí)間均為5 ms。

圖5　鐵盤(pán)側(cè)面磁性凸起實(shí)物圖

2.3缽苗行到位綜合測(cè)量屬性及程序?qū)崿F(xiàn)

本研究選用的傳感器均屬于同一類(lèi)輸出開(kāi)關(guān)量電壓信號(hào)的常開(kāi)型傳感器，當(dāng)傳感器前端有效距離內(nèi)沒(méi)有物體遮擋時(shí)，信號(hào)線輸出高電平；反之，輸出低電平。上述3種方案中，當(dāng)檢測(cè)對(duì)象(缽苗行莖稈、穴盤(pán)缽體和磁性凸起)遮住了傳感器，即可認(rèn)為缽苗行到位；而缽苗行未到位期間，傳感器均處于無(wú)遮攔狀態(tài)(缽苗行莖稈間空隙、穴盤(pán)缽體間空隙和磁性凸起間空隙)。所以，當(dāng)不同檢測(cè)對(duì)象經(jīng)過(guò)傳感器前，就會(huì)形成不同占空比的矩形電壓信號(hào)，而缽苗行到位信號(hào)映射在電壓信號(hào)上的一個(gè)重要特征是電壓信號(hào)的下降沿，通過(guò)電壓信號(hào)下降沿觸發(fā)單片機(jī)中斷，即可識(shí)別缽苗行到位信息[26]。

單片機(jī)控制電路實(shí)際應(yīng)用中，外界電磁場(chǎng)或者電源噪聲等干擾會(huì)經(jīng)過(guò)傳感器信號(hào)線竄入單片機(jī)引腳[27]，這會(huì)影響單片機(jī)電路對(duì)缽苗行到位信號(hào)的判斷。為了提高缽苗行到位信號(hào)識(shí)別的可靠性和穩(wěn)定性，對(duì)單片機(jī)所接收到的下降沿信號(hào)進(jìn)行了篩選，篩選方法參考文獻(xiàn)[28-29]。

單片機(jī)在接收傳感器電壓信號(hào)的同時(shí)，按固定周期不斷實(shí)時(shí)存儲(chǔ)傳感器信號(hào)線的高低電平。當(dāng)下降沿觸發(fā)中斷時(shí)，則程序會(huì)提取當(dāng)前傳感器信號(hào)線的電平與前一周期存儲(chǔ)的電平進(jìn)行“或”邏輯的比較，如果前一周期存儲(chǔ)電平是高電平“1”(傳感器探頭處于檢測(cè)對(duì)象間隙)，由于當(dāng)前電平是低電平“0”(傳感器探頭受檢測(cè)對(duì)象遮擋)，則判斷所觸發(fā)中斷下降沿是“真實(shí)”的缽苗行到位信號(hào)，可經(jīng)過(guò)“或”邏輯進(jìn)入執(zhí)行中斷內(nèi)容，即停止輸送秧苗；而如果前一周期存儲(chǔ)電平是低電平“0”，由于當(dāng)前電平也是低電平“0”，則判斷所觸發(fā)中斷下降沿是竄入引腳瞬時(shí)噪聲干擾造成的，是“虛假”的缽苗行到位信號(hào)，這些中斷將無(wú)法通過(guò)“或”邏輯，同時(shí)程序?qū)⒑雎运鼈兎祷貓?zhí)行主程序，即繼續(xù)輸送秧苗。

2.4試驗(yàn)設(shè)計(jì)

針對(duì)3種缽苗行到位檢測(cè)方案，分別安排了試驗(yàn)加以驗(yàn)證。試驗(yàn)因素為輸送電機(jī)轉(zhuǎn)速和穴盤(pán)類(lèi)型，輸送電機(jī)轉(zhuǎn)速根據(jù)秧苗進(jìn)給效率的要求，設(shè)為30、40、50和60 r·min-1(對(duì)應(yīng)皮帶輸送速度為26.7、35.6、44.5和53.4 mm· s-1)。

首先，調(diào)整好秧盤(pán)限位裝置以及對(duì)應(yīng)不同檢測(cè)方案的傳感器在定位板上的安裝位置，以保證檢測(cè)對(duì)象處于傳感器的有效探測(cè)范圍內(nèi)：1)秧苗莖稈行檢測(cè)，傳感器光軸距離穴盤(pán)上表面高度15 mm(處于秧苗第1分蘗點(diǎn)下方，為莖稈部位，葉片干擾最少)，光纖探頭伸入穴盤(pán)內(nèi)部，其端面與穴盤(pán)穴孔外邊緣平齊；2)穴盤(pán)缽體行檢測(cè)，傳感器光軸與輸送皮帶上表面垂直距離為7 mm，發(fā)射器和接收器光軸重合；3)鐵盤(pán)磁性凸起檢測(cè)，傳感器光軸與皮帶上表面垂直距離10 mm。

其次，將傳感器信號(hào)線接入控制電路，通過(guò)程序設(shè)計(jì)當(dāng)檢測(cè)到缽苗行到位信號(hào)時(shí)，停止輸送秧苗2 s，之后重新繼續(xù)輸送，直到檢測(cè)到下一行秧苗。以上調(diào)試完畢后，將試驗(yàn)對(duì)象(穴盤(pán)苗、空穴盤(pán)或鐵盤(pán))擺放到BASFM上進(jìn)行試驗(yàn)。評(píng)價(jià)指標(biāo)包括：1)重復(fù)檢測(cè)：某一缽苗行在傳感器正前方停留2次以上；2)遺漏檢測(cè)：某一缽苗行在傳感器正前方停留0次；3)成功檢測(cè)：某一缽苗行在傳感器正前方僅停留1次。重檢率(Rr)、漏檢率(Rm)和檢測(cè)成功率(Rs)的計(jì)算公式如下：

(1)

(2)

(3)

式中，Nf為單盤(pán)進(jìn)給行數(shù)；Nr為重復(fù)檢測(cè)行數(shù)；Nm為遺漏檢測(cè)行數(shù)。

秧苗莖稈行檢測(cè)試驗(yàn)：2種穴盤(pán)類(lèi)型的穴盤(pán)苗在4個(gè)輸送速度下分別重復(fù)輸送進(jìn)給5次，通過(guò)人工觀察，記錄每次試驗(yàn)的重復(fù)檢測(cè)行數(shù)、遺漏檢測(cè)行數(shù)和單盤(pán)進(jìn)給行數(shù)，取5次重復(fù)的平均值作為試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)。穴盤(pán)缽體行檢測(cè)試驗(yàn)和鐵盤(pán)磁性凸起檢測(cè)試驗(yàn)方法相同。

3結(jié)果與分析

3.1秧苗莖稈行檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果

圖6為2種穴盤(pán)類(lèi)型育秧?xiàng)l件下，4個(gè)輸送電機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的3個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。從圖6可以看出，隨著輸送電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，白色穴盤(pán)缽苗行的重檢率與紅色穴盤(pán)的相差不大，但漏檢率明顯高于紅色穴盤(pán)，平均高10個(gè)百分點(diǎn)，導(dǎo)致紅色穴盤(pán)缽苗行的檢測(cè)成功率均高于白色穴盤(pán)，且輸送電機(jī)轉(zhuǎn)速為50 r·min-1時(shí)，紅色穴盤(pán)缽苗行的檢測(cè)成功率達(dá)到最大值(約65%)。兩因素方差分析結(jié)果(表1)表明，3個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)中，穴盤(pán)類(lèi)型對(duì)缽苗行的漏檢率和檢測(cè)成功率影響達(dá)極顯著水平，對(duì)重檢率的影響不顯著；而輸送電機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)缽苗行的3個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)影響均不顯著。

造成檢測(cè)白色穴盤(pán)育出的秧苗漏檢率高于紅色穴盤(pán)的原因是白色穴盤(pán)穴孔尺寸比紅色穴盤(pán)的大，同等播種密度條件下，白色穴盤(pán)秧苗莖稈生長(zhǎng)比紅色穴盤(pán)稀疏，導(dǎo)致秧苗莖稈與光纖探頭端面的相對(duì)距離遠(yuǎn)近不一，出現(xiàn)某些秧苗莖稈超出傳感器的檢測(cè)范圍，致使無(wú)法檢測(cè)到秧苗，從而使漏檢率增加。

上述結(jié)果說(shuō)明，BASFM檢測(cè)對(duì)象為秧苗莖稈缽苗行時(shí)，選用紅色穴盤(pán)類(lèi)型育秧更有利于提高缽苗行檢測(cè)成功率，且在30～60 r·min-1范圍內(nèi)調(diào)節(jié)輸送電機(jī)轉(zhuǎn)速不會(huì)對(duì)缽苗行到位檢測(cè)效果造成顯著影響。

圖6　穴盤(pán)類(lèi)型和輸送電機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響

因素評(píng)價(jià)指標(biāo)平方和自由度均方F1)P穴盤(pán)類(lèi)型重檢率5.61815.6180.1170.731漏檢率1716.98611716.98610.844**0.003檢測(cè)成功率1919.04011919.04016.753**<0.01輸送電機(jī)轉(zhuǎn)速重檢率187.736362.5791.3750.277漏檢率98.979332.9930.1560.899檢測(cè)成功率485.8003161.9331.0080.241

1)**代表極顯著水平。

3.2穴盤(pán)缽體行檢測(cè)結(jié)果

穴盤(pán)缽體行檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，40次試驗(yàn)中，紅色穴盤(pán)的重檢行和漏檢行均為0，檢測(cè)成功率為100%；當(dāng)輸送電機(jī)轉(zhuǎn)速為50 r·min-1時(shí)，白色穴盤(pán)的單次試驗(yàn)中出現(xiàn)了2行缽苗行重復(fù)檢測(cè)現(xiàn)象，致使其平均檢測(cè)成功率降為99.56%(檢測(cè)總行數(shù)為460行)，整個(gè)試驗(yàn)的平均檢測(cè)成功率為99.78%。試驗(yàn)中用于檢測(cè)的空穴盤(pán)缽體完整無(wú)損、結(jié)構(gòu)無(wú)變形，出現(xiàn)2行缽苗行重復(fù)檢測(cè)的原因是控制電路傳感器信號(hào)受到干擾，無(wú)法被軟件程序過(guò)濾導(dǎo)致的意外結(jié)果。以塑料穴盤(pán)缽體為檢測(cè)對(duì)象時(shí)，缽苗行到位檢測(cè)效果不受輸送電機(jī)轉(zhuǎn)速以及育秧穴盤(pán)類(lèi)型的影響，完全能夠滿(mǎn)足缽苗有序自動(dòng)拋秧機(jī)對(duì)缽苗行輸送進(jìn)給的性能要求。

3.3鐵盤(pán)磁性凸起檢測(cè)結(jié)果

從表2可知，在鐵盤(pán)磁性凸起檢測(cè)中，白色穴盤(pán)的重檢率(平均為2.83%)比紅色穴盤(pán)的高；漏檢率比紅色穴盤(pán)(平均為2.59%)的低；兩者的檢測(cè)成功率相接近。白色穴盤(pán)重檢率高的原因是其凸起的半徑大于紅色穴盤(pán)，導(dǎo)致適用白色穴盤(pán)磁性凸起缽苗行到位信號(hào)的低電平占空比比紅色穴盤(pán)的大，在同等干擾環(huán)境以及軟件濾波措施下，白色穴盤(pán)電壓信號(hào)低電平被外部干擾瞬間拉高的概率增大，一旦外部干擾信號(hào)頻率大于軟件濾波采樣頻率，就會(huì)形成“虛假”的缽苗行到位信號(hào)，最終導(dǎo)致白色穴盤(pán)的重檢率比紅色穴盤(pán)的高。整個(gè)試驗(yàn)的平均重檢率和漏檢率均低于2%，平均檢測(cè)成功率為96.64%，基本滿(mǎn)足了缽苗有序自動(dòng)拋秧機(jī)對(duì)缽苗行輸送進(jìn)給的性能要求。方差分析結(jié)果(表3)表明，鐵盤(pán)類(lèi)型對(duì)缽苗行重檢率的影響極顯著(P<0.01)，對(duì)漏檢率和檢測(cè)成功率的影響不顯著；而輸送電機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)檢測(cè)鐵盤(pán)的3個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)影響均不顯著，說(shuō)明在30～60 r·min-1范圍內(nèi)調(diào)節(jié)輸送電機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)缽苗行到位檢測(cè)效果影響不大。

表2　鐵盤(pán)磁性凸起檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果

表3鐵盤(pán)磁性凸起檢測(cè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的兩因素方差分析結(jié)果

Tab.3Two-way ANOVA of evaluate indexes based on detection of magnetic bulge of ferric tray

因素評(píng)價(jià)指標(biāo)平方和自由度均方F1)P鐵盤(pán)類(lèi)型重檢率79.948179.94812.666**0.001漏檢率16.448116.4483.2820.079檢測(cè)成功率22.485122.4851.7370.196輸送電機(jī)轉(zhuǎn)速重檢率16.55735.5190.8740.464漏檢率10.34733.4490.6880.565檢測(cè)成功率11.82133.9400.3040.822

1)**代表極顯著水平。

4結(jié) 論

3種缽苗行到位檢測(cè)方案中，以塑料穴盤(pán)缽體為檢測(cè)對(duì)象的方案，皮帶式自動(dòng)送秧機(jī)構(gòu)(BASFM)平均檢測(cè)成功率最高(99.78%)，鐵盤(pán)磁性凸起的次之(96.64%)，秧苗莖稈的最差。以塑料穴盤(pán)缽體和鐵盤(pán)磁性凸起為檢測(cè)對(duì)象的2種缽苗行到位檢測(cè)方案，穴盤(pán)類(lèi)型均不會(huì)對(duì)缽苗行到位檢測(cè)的效果造成顯著影響；但以秧苗莖稈為檢測(cè)對(duì)象的缽苗行到位檢測(cè)方案中，穴盤(pán)類(lèi)型對(duì)缽苗行到位檢測(cè)的效果影響顯著，采用紅色穴盤(pán)育秧可以提高缽苗行的檢測(cè)成功率。輸送電機(jī)轉(zhuǎn)速在30～60 r·min-1范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，對(duì)缽苗行到位檢測(cè)的效果影響不顯著。

試驗(yàn)結(jié)果表明，所提出的檢測(cè)缽苗行到位的綜合測(cè)量屬性及其控制電路實(shí)現(xiàn)方法，能夠較好地檢測(cè)以塑料穴盤(pán)缽體和鐵盤(pán)磁性凸起為檢測(cè)對(duì)象的缽苗行到位情況，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，但不適合以秧苗莖稈為檢測(cè)對(duì)象的缽苗行到位情況。本研究所設(shè)計(jì)的BASFM及其控制系統(tǒng)可以滿(mǎn)足水稻缽苗有序拋秧機(jī)對(duì)缽苗行自動(dòng)輸送進(jìn)給的要求。

參考文獻(xiàn)：

[1] 周海波，馬旭，姚亞利．水稻秧盤(pán)育秧播種技術(shù)與裝備的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2008，24(4)：301-306．

[2]閆鳳宇，于鳳閣．水稻拋秧應(yīng)用現(xiàn)狀及技術(shù)要點(diǎn)[J]．現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2011(3)：99．

[3]馬瑞峻，區(qū)穎剛，王玉興，等．穴盤(pán)水稻秧苗機(jī)械拋栽的農(nóng)藝要求[J]．華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，22(1)：55-59．

[4]張冬梅，汪春．水稻缽育機(jī)械化栽培技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J]．長(zhǎng)春理工大學(xué)學(xué)報(bào)(高教版)，2009，4(7)：175-176．

[5]夏俊芳，王樹(shù)才，許綺川．水稻拋秧機(jī)械的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J]．農(nóng)業(yè)機(jī)械，2001(11)：35-36．

[6]李建橋，張國(guó)鳳，陳建能，等．缽苗有序移栽機(jī)構(gòu)的研究進(jìn)展及應(yīng)用展望[J]．農(nóng)機(jī)化研究，2008(2)：1-5．

[7]楊堅(jiān)，陽(yáng)潮聲，陳兆耀，等．2ZB- 8電磁振動(dòng)式小型水稻缽苗移栽機(jī)的研究[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2002，18(6)：84- 87．

[8]陳風(fēng). 缽苗移栽機(jī)輸送、分苗系統(tǒng)的研究[D]．石河子：石河子大學(xué)，2005．

[9]陳恒高，宋來(lái)田，田金和，等．水稻機(jī)制缽苗拋秧機(jī)的研究[J]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，1996，27(3)：47-51．

[10]陳恒高，田金和，宋來(lái)田，等．機(jī)械手式水稻拋秧機(jī)的研究[J]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，1998，29(3)：48-52．

[11]王瑞麗，李寶筏．水稻缽苗有序移栽試驗(yàn)裝置的研究[J]．農(nóng)機(jī)化研究，2007(9)：116-118．

[12]原新斌，張國(guó)鳳，陳建能，等．頂出式水稻缽苗有序移栽機(jī)的研究[J]．浙江理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，28(5)：749-752．

[13]韓長(zhǎng)杰，楊宛章，張學(xué)軍，等．穴盤(pán)苗移栽機(jī)自動(dòng)取喂系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013，29(8)：51- 61．

[14]包春江，李寶筏，包文育，等．水稻缽苗空氣整根氣吸式有序移栽機(jī)的研究[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2003，19(6)：130-134．

[15]高英武，任述光，湯興初，等．步進(jìn)式水稻缽苗擺植機(jī)送秧機(jī)構(gòu)的研究[J]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2003，34(2)：37-39．

[16]杜立恒，俞高紅，張國(guó)鳳，等．高速插秧機(jī)缽體毯狀苗縱向送秧裝置的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2014，30(14)：17-25．

[17]成永芳．日本RX- 6型水稻缽苗移栽機(jī)引進(jìn)試驗(yàn)簡(jiǎn)報(bào)[J]．糧油加工與食品機(jī)械，1999(3)：28-32．

[18]KUMAR G V P, RAHEMAN H. Automatic feeding mechanism of a vegetable transplanter[J]. IJABE, 2012, 5(2): 20-27.

[19]SATPATHY S K, GARG I K. Effect of selected parameters on the performance of a semi-automatic vegetable transplanter[J]. AMA-Agr Mech Asia, Af， 2008, 39(2): 47-51.

[20]吳儉敏，顏華，金鑫，等．移栽機(jī)送盤(pán)裝置與定位控制系統(tǒng)研究[J]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2013，44(S1)：14-18．

[21]田素博，王榮華，邱立春．溫室穴盤(pán)苗自動(dòng)移栽輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，40(5)：620- 622．

[22]RYU K H, KIM G, HAN J S. AE：Automation and emerging technologies: Development of a robotic transplanter for bedding plants[J]. J Agr Eng Res， 2001, 78(2): 141-146.

[23]馬瑞峻，區(qū)穎剛，趙祚喜，等．水稻缽苗機(jī)械手取秧有序移栽機(jī)的改進(jìn)[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2003，19(1)：113-116．

[24]湯平波．單片機(jī)系統(tǒng)的電平轉(zhuǎn)換技術(shù)[J]．計(jì)算技術(shù)與自動(dòng)化，1996，15(4)：71-74．

[25]郞春，郎小飛，郎明飛．水稻缽體育苗擺栽機(jī)專(zhuān)用育秧盤(pán)：CN200920099436.5[P]． 2010- 03- 03．

[26]張小鳴．單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2014．

[27]王幸之，王雷，鐘愛(ài)琴，等．單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)電磁干擾與抗干擾技術(shù)[M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006．

[28]顧永紅．綜述單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)[J]．計(jì)算機(jī)自動(dòng)測(cè)量與控制，2000,8(1)：51-53．

[29]秦臻，田宏偉．單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)電磁干擾技術(shù)研究[J]．機(jī)械管理開(kāi)發(fā)，2011(5): 67- 68．

【責(zé)任編輯 周志紅】

Design and experiment of automatic feeding seedling mechanism and control system for rice pot seedlings

FAN Yuanjun, MA Ruijun, HUANG Qian, HUANG Mushui, ZHANG Yali

(College of Engineering, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China)

Abstract：【Objective】To improve the accuracy and reliability of automatic feeding rice seedlings in the orderly throwing transplanter, and reduce the seedling loss in the seedling feeding link. 【Method】A rice seedling-row-in-position detecting scheme and its practical program method were proposed，while a belt-type automatic seedling feeding mechanism (BASFM) and related control system were developed. Through prototype test, three kinds of characteristic signals representing the plug-seedling-row-in-position status were received based on direct-on-line detection of seedling stalk, plastic tray and magnetic bulge of ferric tray respectively. The synthetical measure attribute of plug-seedling-row-in-position signal was summarized. An optimal scheme to monitor plug-seedling-row-in-position and associated control circuit was established. The BASFM with functions of detecting seedling-row, transporting and feeding seedling was designed. 【Result】When body of plastic tray was chosen as a detected target, the success-detect rate was the highest (99.78%), magnetic bulges aside ferric tray was higher (96.64%) and seedling stalk was the lowest. When plastic tray or magnetic bulge of ferric tray was chosen as a row detected target, tray type showed no significant effect on success-detect rate, but significant while seedling stalk was chosen as a row detected target. For three seedling-row-in-position detecting schemes, the variance of transport motor speed also showed no significant impact on the seedling-row-in-position detecting performance between 30-60 r·min-1.【Conclusion】This design of BASFM and affiliated seedling-row-in-position automatic detecting and control system can meet the performance requirements for pot-seedling-row transporting and feeding in the rice seedling orderly throwing transplanter.

Key words：rice; pot seedling; automatic feeding mechanism; row-in-position detection; design and experiment

收稿日期：2015- 11- 16優(yōu)先出版時(shí)間：2016- 06- 01

作者簡(jiǎn)介：樊元君(1989—)，男，碩士研究生，E-mail：yuanjun_89@163.com；通信作者：馬瑞峻(1970—)，男，教授，博士，E-mail：maruijun_mrj@163.com

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(31471418)；廣東省公益研究與能力建設(shè)項(xiàng)目(2014A020208105，2014A020208018)

中圖分類(lèi)號(hào)：S223.94

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001- 411X(2016)04- 0117- 07

優(yōu)先出版網(wǎng)址：http://www.cnki.net/kcms/detail/44.1110.s.20160601.1631.058.html

樊元君， 馬瑞峻， 黃倩， 等.穴盤(pán)水稻缽苗自動(dòng)送秧機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2016,37(4):117- 123.