果蔬類種子自動分選機控制系統(tǒng)的設(shè)計

潘雪峰， 張文愛， 趙學(xué)觀， 王 秀， 蔡吉晨

(1.太原理工大學(xué)信息工程學(xué)院，山西太原 030024； 2.北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心，北京 100097； 3.北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心，北京 100097； 4.國家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心，北京 100097)

通信作者：王 秀，博士，研究員，主要從事農(nóng)業(yè)智能裝備研究。E-mail：wangx@nercita.org.cn。

種子精選是農(nóng)作物生產(chǎn)流程中不可缺少的重要環(huán)節(jié)。一直以來，種子是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中重要的基本生產(chǎn)資料，國內(nèi)外研究表明，在糧食增產(chǎn)中優(yōu)質(zhì)良種所起的作用占1/3以上[1-3]。隨著精細(xì)農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，種子精選分級系統(tǒng)逐漸向自動化、在線化的方向發(fā)展，既可以避免重播或補苗造成物力和人力上的消耗，又可以保證農(nóng)作物產(chǎn)量。

目前，國內(nèi)外在種子質(zhì)量檢測算法方面有大量研究，但關(guān)于種子分級裝置的研究比較少，如Wan研制了一套谷物動態(tài)分級系統(tǒng)，通過機器視覺獲取谷物的數(shù)字化信息并發(fā)送給可編程邏輯控制器(programmable logic controller，簡稱PLC)，通過PLC控制對應(yīng)電磁閥和高壓氣的通斷，將谷物吹入對應(yīng)的6級通道，系統(tǒng)的處理速度為0.045粒/s，合格率為97%[4]。Pearson開發(fā)了一套低成本的線掃描系統(tǒng)，該系統(tǒng)在赤霉病小麥的檢測中從每粒谷物相對側(cè)采集雙色圖像，并進行實時處理，正確率達(dá)95%[5]。蔡衛(wèi)國基于形態(tài)學(xué)信息并結(jié)合計算機視覺技術(shù)的精選種子實時分級裝置可將種子分為4級，采用傳感器對種子位置進行實時跟蹤，并采用氣動吹離的方式達(dá)到分級目的，準(zhǔn)確率可達(dá)90%以上[6]。但以上分級裝置的研究尚存在一些不足，比如啟動吹離方式的準(zhǔn)確性比較差等。

針對上述研究的不足，本研究設(shè)計1種應(yīng)用于種子分選的3自由度機械臂控制系統(tǒng)，以直角坐標(biāo)機械臂為運行單元進行精確定位，以PLC為整個裝置的控制單元編寫人機交互界面，達(dá)到自動化、在線化、精準(zhǔn)化的種子分選效果。

1 種子分選機結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 種子分選機結(jié)構(gòu)

分級裝置主要有三大組成部分：一是種子輸送單元；二是圖像采集和處理系統(tǒng)，包括光源、攝像頭等，通過種子輸送單元的運動將種子傳送到圖像采集位置，由圖像采集裝置采集種子圖像，并將采集的數(shù)字圖像傳遞到計算機中進行圖像處理，得到種子數(shù)字化信息；三是種子分選控制系統(tǒng)，主要包括PLC、直角坐標(biāo)機械臂、電感式接近傳感器、上位機、電磁閥、真空發(fā)生器、真空吸管、分離器等，主要作用是控制整個分級裝置對種子的精確定位分選(圖1)。

1.2 工作原理

將填滿種子的種盤放在傳送帶的始端，等待系統(tǒng)啟動，系統(tǒng)上電后，打開上位機，將種子輸送到圖像采集區(qū)域，傳感器觸發(fā)攝像頭進行種子圖像采集，采集到的圖像由上位機進行圖像處理，得到種子2個等級的坐標(biāo)，分別保存至文檔。由上位機讀取第1級種子坐標(biāo)，并轉(zhuǎn)換成指令發(fā)送給PLC，進而控制直角坐標(biāo)機械臂的X、Y軸運行至待分級種子坐標(biāo)的上方，種子吸取準(zhǔn)確率的決定性過程就是3自由度機械臂能夠移動至指定位置并完成精確定位，同時打開該等級對應(yīng)的電磁閥和真空發(fā)生器，真空吸管隨Z軸滑塊的下降覆蓋種子，利用真空將種子吸入對應(yīng)分離器，重復(fù)該過程直至完成第1級種子的分選；第2級的分選過程與第1級的相同。

2 種子分選控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 控制系統(tǒng)總方案設(shè)計

種子分選控制系統(tǒng)的核心處理器PLC選用西門子公司生產(chǎn)的S7-200系列CPU224XP型，它具有14個IO/10DO接口，2個RS-485通信口，可靠性高且易于擴展、使用，其硬件接線如圖2所示。控制系統(tǒng)采用PLC控制3個步進電機驅(qū)動器，分別驅(qū)動3自由度的直角坐標(biāo)機械臂X、Y、Z等3個方向的電機轉(zhuǎn)動，進而控制機械臂運動，另外通過繼電器控制電磁閥的通斷。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.2 種子分選控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.2.1 步進電機驅(qū)動模塊 步進電機可以將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰?，脈沖數(shù)與位移量成正比，具有精度高、可靠性高等優(yōu)點。通過設(shè)置脈沖數(shù)控制步進電機的步長，進而控制3自由度直角坐標(biāo)機械臂的移動，對準(zhǔn)待分選的種子，保證分選的準(zhǔn)確率。本研究的X、Y軸步進電機選用57HS21A的兩相混合式步進電機，步距角為1.8°，保持轉(zhuǎn)矩為2.2 N·m，驅(qū)動電壓為24 V；配有型號為2DM542的細(xì)分驅(qū)動器，輸出電流為1.0～4.2 A，輸入電壓為24 V，本研究細(xì)分選擇1 600步/轉(zhuǎn)。Z軸步進電機選用57J1880—830的兩相步進電機，其步距角為1.8°，保持轉(zhuǎn)矩為2.1 N·m，由于Z軸步進電機控制的是垂直方向的移動，所以要加剎車，驅(qū)動器選擇2DM556，輸出電流為0.1～5.6 A，細(xì)分選擇1 600步/轉(zhuǎn)。

2.2.2 3自由度直角坐標(biāo)機械臂執(zhí)行模塊 3自由度直角坐標(biāo)機械臂主要由同步帶直線模組和末端操作器組成[7-9]，具有運動控制簡單且易于實現(xiàn)高精度定位等優(yōu)點。由各個同步帶直線模組搭建成直角坐標(biāo)機械臂的X、Y、Z軸，其中X、Y軸在水平方向運行，Z軸在垂直方向運行。帶寬15 mm，導(dǎo)程 75 mm，直線速度0～2 m/s，重復(fù)定位精度≤0.05 mm，適用扭矩<3 N·m。3自由度直角坐標(biāo)機械臂通過上位機向PLC發(fā)送指令，控制步進電機驅(qū)動器驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動，使X、Y軸水平移動，Z軸上下移動。在實際分選種子時，X、Y軸先水平移動至待分揀種子上方，Z軸再帶動真空吸管下移吸取種子進入旋風(fēng)分離器。

2.2.3 氣動控制模塊 由圖4可知，氣動模塊主要包括真空泵、電磁閥、真空吸管和旋風(fēng)分離器，該模塊采用的是負(fù)壓吸種技術(shù)，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低等特點，關(guān)鍵是氣流在吸取的過程中不會對種子造成損傷。真空泵為負(fù)壓吸種提供動力，通過控制電磁閥的通斷來控制真空泵中氣流的通斷。旋風(fēng)分離器采用立式圓筒結(jié)構(gòu)，氣體入口設(shè)計可分為上部進氣、中部進氣、下部進氣等3種形式，其中干氣常采用中部進氣或上部進氣的形式，本研究采用中部進氣的方式，以降低設(shè)備高度和造價。真空吸管選用內(nèi)徑為6 mm的聚氨酯(polyurethane tubing，簡稱PU)氣管。最底部為便于吸附種子，在真空吸管的端部設(shè)計有邊長為16 mm的正方形吸頭固定于直角坐標(biāo)機械臂的Z軸上，隨Z軸上下移動吸取種子。

2.3 種子分選控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的控制程序分為上位機軟件設(shè)計和PLC軟件設(shè)計等2個部分。

2.3.1 PLC軟件設(shè)計 PLC軟件使用西門子S7-200專用的編程軟件STEP 7-Micro/WIN V4.0 SP9進行程序設(shè)計，該軟件支持3種模式：梯形圖(ladder logic programming language，簡稱LAD)、功能塊圖(function block diagram，簡稱FBD)和語句表(statement list，簡稱STL)，本研究使用LAD編寫程序，將初始化、保存解讀上位機指令、直角坐標(biāo)機械臂控制指令、信息反饋指令及電磁閥控制指令模塊化到子程序中，主程序根據(jù)上位機指令來調(diào)用這些子程序，從而達(dá)到控制整個系統(tǒng)精確、快速運轉(zhuǎn)的目的，主程序流程如圖5所示。

分級系統(tǒng)在直線導(dǎo)軌起點處等待上位機指令，系統(tǒng)上電后，PLC主程序首先調(diào)用初始化子程序，包括通信口參數(shù)設(shè)置、自由口通信格式設(shè)置、進入中斷事件等，初始化完成后開始執(zhí)行程序，PLC將接收到的上位機指令中的數(shù)據(jù)和控制字節(jié)存儲到V和M存儲區(qū)，存儲完成后電機通過控制字節(jié)、脈沖數(shù)和脈沖周期來控制X、Y、Z軸同時運行，使真空吸管覆蓋于種子上方，運行完成后，向上位機反饋信息，同時打開電磁閥。當(dāng)PLC接收到上位機指令后，系統(tǒng)控制直角坐標(biāo)機械臂啟動并運行至種子位置，同時Z軸將真空吸管下降到預(yù)定義的高度覆蓋種子，并打開對應(yīng)的電磁閥，種子的位置坐標(biāo)由上位機轉(zhuǎn)換為X、Y軸電機對應(yīng)的脈沖數(shù)后放入指令中發(fā)送給下位機PLC，然后驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動，控制直角坐標(biāo)機械臂運行至種子的位置處，吸取種子完成分選。

在系統(tǒng)運行過程中，下位機會實時將X、Y、Z軸的運動狀態(tài)反饋至上位機中。另外，系統(tǒng)也具有一鍵復(fù)位的功能，在斷電等意外情況下，重新上電后可通過人機交互界面對PLC發(fā)送復(fù)位指令，PLC會按順序?qū)、Y、Z軸復(fù)位至起點，準(zhǔn)備下一次的動作。

2.3.2 上位機軟件設(shè)計 上位機人機交互界面是基于C#.NET平臺和Visual Studio 2010工具開發(fā)的，通過RS-485與PLC進行自由口通信，可實現(xiàn)串口控制、模式選擇、參數(shù)設(shè)定、接收反饋數(shù)據(jù)等功能。軟件界面如圖6所示。圖像處理后，可得到種子2個等級的位置坐標(biāo)，并保存至txt文檔，當(dāng)選擇自動控制模式下的自動采集時，上位機會讀取txt文檔中的坐標(biāo)，分別將X、Y坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為對應(yīng)電機的脈沖數(shù)。3個步進電機驅(qū)動器的細(xì)分均設(shè)為1 600步/轉(zhuǎn)，即電機轉(zhuǎn)1圈的脈沖數(shù)為1 600個，通過標(biāo)定得知電機每轉(zhuǎn)1圈，X軸同步帶行進76 mm，Y軸同步帶行進30 mm，Z軸同步帶行進75 mm。設(shè)已知的種子坐標(biāo)為(x，y)，固定于Z軸真空吸管的管口距離種子的高度為h，則機械臂從原點運行并吸取種子時每個軸電機所需的脈沖數(shù)公式如下：

3 種子分選系統(tǒng)試驗及結(jié)果

為驗證種子分選控制系統(tǒng)的分選效率和精度，根據(jù)控制原理搭建實際系統(tǒng)，并用黃瓜種子在分選機上進行試驗。試驗所選的真空吸管管口大小與形狀對種子吸取的影響很大，管口太小，不適合大粒種子且容易堵塞，管口太大則需要更大的吸力。因此，管口選擇正方形，邊長為16 mm，種盤大小為6 cm×6 cm。

3.1 分選精度

通過試驗測試整個控制系統(tǒng)直角坐標(biāo)機械臂的X、Y、Z等3軸精確定點運行的精度以及真空吸管種子的覆蓋率。將坐標(biāo)紙置于搭建的平臺上并將激光筆置于真空吸管內(nèi)一起固定于Z軸滑塊上，隨滑塊上下運行，以激光筆發(fā)射紅外光斑的中心為中心，將種子撒在選定的坐標(biāo)紙(25 cm×25 cm)單元上進行測量。直角坐標(biāo)機械臂X軸調(diào)試速度分別為 19 mm/s(v1)和95 mm/s(v2)，Y軸調(diào)試速度分別為10 mm/s(v1)和100 mm/s(v2)，在這2種不同速度即不同的脈沖輸出周期下進行不同坐標(biāo)的定點運行，Z軸根據(jù)種子分選控制系統(tǒng)設(shè)計要求，在每粒種子被吸取后都須要進行復(fù)位，調(diào)試1種速度即可。真空吸管最底部呈正方形，邊長為16 mm。

為檢測直角坐標(biāo)機械臂定點運行的重復(fù)性，選擇15粒黃瓜種子進行多次測量。記錄實際坐標(biāo)值和每次測量中各個坐標(biāo)點測量值的誤差，并計算標(biāo)準(zhǔn)偏差，結(jié)果如表1所示。

由表1可知，誤差整體上隨移動距離的變大而增大，是由于測量過程中的連續(xù)定點移動會造成誤差的累積，可通過系統(tǒng)復(fù)位的功能來減小誤差。由結(jié)果可知，X軸誤差的標(biāo)準(zhǔn)偏差 ≤1.5 mm，Y軸誤差的標(biāo)準(zhǔn)偏差≤1.0 mm，Z軸誤差的標(biāo)準(zhǔn)偏差≤0.4 mm。在不同電機轉(zhuǎn)速下測得的坐標(biāo)值相差不大，都在種子吸管的可覆蓋范圍內(nèi)，因此本控制系統(tǒng)的測量精度能夠滿足種子分選的要求。

表1 直角坐標(biāo)機械臂定位精度測試結(jié)果 mm

3.2 分選效率

對黃瓜種子的分選作業(yè)進行3組試驗：每組36粒種子分別放入種盤，通過圖像采集和處理系統(tǒng)，得到每粒種子的坐標(biāo)及大小，大小閾值設(shè)定為500像素2，將種子分為大粒和小粒2類，將對應(yīng)坐標(biāo)分別保存在2個txt文檔中，通過上位機讀取并控制機械臂帶動真空吸管依次分選。分選結(jié)果如表2所示。

表2 分選成功率和效率

由表2可以看出，在控制系統(tǒng)控制的3自由度直角坐標(biāo)機械臂的精確定位下，種子分選系統(tǒng)的分選成功率和效率均較高，分選成功率≥94%，分選效率≥12粒/s。

4 結(jié)論

整個裝置采用3自由度直角坐標(biāo)機械臂和PLC設(shè)計種子分選控制系統(tǒng)，實現(xiàn)精確的位置控制?；贑#.NET平臺和Visual Studio2010工具開發(fā)了人機交互界面，可以實時顯示種子位置坐標(biāo)值并控制裝置的分級動作。直角坐標(biāo)機械臂的末端操作器即真空吸管的最底部呈正方形，邊長為16 mm，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)可知，本控制系統(tǒng)的定位精度滿足實際工作中種子分選的要求，可獲得較高的分選成功率和效率。

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