果蔬類種子自動(dòng)分選機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

潘雪峰， 張文愛(ài)， 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(guó)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(lái)，種子是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中重要的基本生產(chǎn)資料，國(guó)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(jí)系統(tǒng)逐漸向自動(dòng)化、在線化的方向發(fā)展，既可以避免重播或補(bǔ)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(guó)內(nèi)外在種子質(zhì)量檢測(cè)算法方面有大量研究，但關(guān)于種子分級(jí)裝置的研究比較少，如Wan研制了一套谷物動(dòng)態(tài)分級(jí)系統(tǒng)，通過(guò)機(jī)器視覺(jué)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(jiǎn)稱PLC)，通過(guò)PLC控制對(duì)應(yīng)電磁閥和高壓氣的通斷，將谷物吹入對(duì)應(yīng)的6級(jí)通道，系統(tǒng)的處理速度為0.045粒/s，合格率為97%[4]。Pearson開(kāi)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(cè)中從每粒谷物相對(duì)側(cè)采集雙色圖像，并進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，正確率達(dá)95%[5]。蔡衛(wèi)國(guó)基于形態(tài)學(xué)信息并結(jié)合計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的精選種子實(shí)時(shí)分級(jí)裝置可將種子分為4級(jí)，采用傳感器對(duì)種子位置進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，并采用氣動(dòng)吹離的方式達(dá)到分級(jí)目的，準(zhǔn)確率可達(dá)90%以上[6]。但以上分級(jí)裝置的研究尚存在一些不足，比如啟動(dòng)吹離方式的準(zhǔn)確性比較差等。

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

1 種子分選機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 種子分選機(jī)結(jié)構(gòu)

分級(jí)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(guò)種子輸送單元的運(yùn)動(dòng)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(jì)算機(jī)中進(jìn)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(jī)械臂、電感式接近傳感器、上位機(jī)、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(gè)分級(jí)裝置對(duì)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(pán)放在傳送帶的始端，等待系統(tǒng)啟動(dòng)，系統(tǒng)上電后，打開(kāi)上位機(jī)，將種子輸送到圖像采集區(qū)域，傳感器觸發(fā)攝像頭進(jìn)行種子圖像采集，采集到的圖像由上位機(jī)進(jìn)行圖像處理，得到種子2個(gè)等級(jí)的坐標(biāo)，分別保存至文檔。由上位機(jī)讀取第1級(jí)種子坐標(biāo)，并轉(zhuǎn)換成指令發(fā)送給PLC，進(jìn)而控制直角坐標(biāo)機(jī)械臂的X、Y軸運(yùn)行至待分級(jí)種子坐標(biāo)的上方，種子吸取準(zhǔn)確率的決定性過(guò)程就是3自由度機(jī)械臂能夠移動(dòng)至指定位置并完成精確定位，同時(shí)打開(kāi)該等級(jí)對(duì)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(duì)應(yīng)分離器，重復(fù)該過(guò)程直至完成第1級(jí)種子的分選；第2級(jí)的分選過(guò)程與第1級(jí)的相同。

2 種子分選控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)總方案設(shè)計(jì)

種子分選控制系統(tǒng)的核心處理器PLC選用西門(mén)子公司生產(chǎn)的S7-200系列CPU224XP型，它具有14個(gè)IO/10DO接口，2個(gè)RS-485通信口，可靠性高且易于擴(kuò)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(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，分別驅(qū)動(dòng)3自由度的直角坐標(biāo)機(jī)械臂X、Y、Z等3個(gè)方向的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而控制機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)，另外通過(guò)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(jì)

2.2.1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 步進(jìn)電機(jī)可以將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰疲}沖數(shù)與位移量成正比，具有精度高、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)設(shè)置脈沖數(shù)控制步進(jìn)電機(jī)的步長(zhǎng)，進(jìn)而控制3自由度直角坐標(biāo)機(jī)械臂的移動(dòng)，對(duì)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(jìn)電機(jī)選用57HS21A的兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，步距角為1.8°，保持轉(zhuǎn)矩為2.2 N·m，驅(qū)動(dòng)電壓為24 V；配有型號(hào)為2DM542的細(xì)分驅(qū)動(dòng)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(jìn)電機(jī)選用57J1880—830的兩相步進(jìn)電機(jī)，其步距角為1.8°，保持轉(zhuǎn)矩為2.1 N·m，由于Z軸步進(jìn)電機(jī)控制的是垂直方向的移動(dòng)，所以要加剎車，驅(qū)動(dòng)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(jī)械臂執(zhí)行模塊 3自由度直角坐標(biāo)機(jī)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(yùn)動(dòng)控制簡(jiǎn)單且易于實(shí)現(xiàn)高精度定位等優(yōu)點(diǎn)。由各個(gè)同步帶直線模組搭建成直角坐標(biāo)機(jī)械臂的X、Y、Z軸，其中X、Y軸在水平方向運(yùn)行，Z軸在垂直方向運(yùn)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(jī)械臂通過(guò)上位機(jī)向PLC發(fā)送指令，控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使X、Y軸水平移動(dòng)，Z軸上下移動(dòng)。在實(shí)際分選種子時(shí)，X、Y軸先水平移動(dòng)至待分揀種子上方，Z軸再帶動(dòng)真空吸管下移吸取種子進(jìn)入旋風(fēng)分離器。

2.2.3 氣動(dòng)控制模塊 由圖4可知，氣動(dòng)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(jiǎn)單、成本低等特點(diǎn)，關(guān)鍵是氣流在吸取的過(guò)程中不會(huì)對(duì)種子造成損傷。真空泵為負(fù)壓吸種提供動(dòng)力，通過(guò)控制電磁閥的通斷來(lái)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(jì)可分為上部進(jìn)氣、中部進(jìn)氣、下部進(jìn)氣等3種形式，其中干氣常采用中部進(jìn)氣或上部進(jìn)氣的形式，本研究采用中部進(jìn)氣的方式，以降低設(shè)備高度和造價(jià)。真空吸管選用內(nèi)徑為6 mm的聚氨酯(polyurethane tubing，簡(jiǎn)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(jì)有邊長(zhǎng)為16 mm的正方形吸頭固定于直角坐標(biāo)機(jī)械臂的Z軸上，隨Z軸上下移動(dòng)吸取種子。

2.3 種子分選控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的控制程序分為上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)和PLC軟件設(shè)計(jì)等2個(gè)部分。

2.3.1 PLC軟件設(shè)計(jì) PLC軟件使用西門(mén)子S7-200專用的編程軟件STEP 7-Micro/WIN V4.0 SP9進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，該軟件支持3種模式：梯形圖(ladder logic programming language，簡(jiǎn)稱LAD)、功能塊圖(function block diagram，簡(jiǎn)稱FBD)和語(yǔ)句表(statement list，簡(jiǎn)稱STL)，本研究使用LAD編寫(xiě)程序，將初始化、保存解讀上位機(jī)指令、直角坐標(biāo)機(jī)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(jī)指令來(lái)調(diào)用這些子程序，從而達(dá)到控制整個(gè)系統(tǒng)精確、快速運(yùn)轉(zhuǎn)的目的，主程序流程如圖5所示。

分級(jí)系統(tǒng)在直線導(dǎo)軌起點(diǎn)處等待上位機(jī)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(jìn)入中斷事件等，初始化完成后開(kāi)始執(zhí)行程序，PLC將接收到的上位機(jī)指令中的數(shù)據(jù)和控制字節(jié)存儲(chǔ)到V和M存儲(chǔ)區(qū)，存儲(chǔ)完成后電機(jī)通過(guò)控制字節(jié)、脈沖數(shù)和脈沖周期來(lái)控制X、Y、Z軸同時(shí)運(yùn)行，使真空吸管覆蓋于種子上方，運(yùn)行完成后，向上位機(jī)反饋信息，同時(shí)打開(kāi)電磁閥。當(dāng)PLC接收到上位機(jī)指令后，系統(tǒng)控制直角坐標(biāo)機(jī)械臂啟動(dòng)并運(yùn)行至種子位置，同時(shí)Z軸將真空吸管下降到預(yù)定義的高度覆蓋種子，并打開(kāi)對(duì)應(yīng)的電磁閥，種子的位置坐標(biāo)由上位機(jī)轉(zhuǎn)換為X、Y軸電機(jī)對(duì)應(yīng)的脈沖數(shù)后放入指令中發(fā)送給下位機(jī)PLC，然后驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，控制直角坐標(biāo)機(jī)械臂運(yùn)行至種子的位置處，吸取種子完成分選。

在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，下位機(jī)會(huì)實(shí)時(shí)將X、Y、Z軸的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)反饋至上位機(jī)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(guò)人機(jī)交互界面對(duì)PLC發(fā)送復(fù)位指令，PLC會(huì)按順序?qū)、Y、Z軸復(fù)位至起點(diǎn)，準(zhǔn)備下一次的動(dòng)作。

2.3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì) 上位機(jī)人機(jī)交互界面是基于C#.NET平臺(tái)和Visual Studio 2010工具開(kāi)發(fā)的，通過(guò)RS-485與PLC進(jìn)行自由口通信，可實(shí)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(gè)等級(jí)的位置坐標(biāo)，并保存至txt文檔，當(dāng)選擇自動(dòng)控制模式下的自動(dòng)采集時(shí)，上位機(jī)會(huì)讀取txt文檔中的坐標(biāo)，分別將X、Y坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)電機(jī)的脈沖數(shù)。3個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分均設(shè)為1 600步/轉(zhuǎn)，即電機(jī)轉(zhuǎn)1圈的脈沖數(shù)為1 600個(gè)，通過(guò)標(biāo)定得知電機(jī)每轉(zhuǎn)1圈，X軸同步帶行進(jìn)76 mm，Y軸同步帶行進(jìn)30 mm，Z軸同步帶行進(jìn)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(jī)械臂從原點(diǎn)運(yùn)行并吸取種子時(shí)每個(gè)軸電機(jī)所需的脈沖數(shù)公式如下：

3 種子分選系統(tǒng)試驗(yàn)及結(jié)果

為驗(yàn)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(shí)際系統(tǒng)，并用黃瓜種子在分選機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)所選的真空吸管管口大小與形狀對(duì)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(zhǎng)為16 mm，種盤(pán)大小為6 cm×6 cm。

3.1 分選精度

通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試整個(gè)控制系統(tǒng)直角坐標(biāo)機(jī)械臂的X、Y、Z等3軸精確定點(diǎn)運(yùn)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(tái)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(yùn)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(jìn)行測(cè)量。直角坐標(biāo)機(jī)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(jìn)行不同坐標(biāo)的定點(diǎn)運(yùn)行，Z軸根據(jù)種子分選控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，在每粒種子被吸取后都須要進(jìn)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(zhǎng)為16 mm。

為檢測(cè)直角坐標(biāo)機(jī)械臂定點(diǎn)運(yùn)行的重復(fù)性，選擇15粒黃瓜種子進(jìn)行多次測(cè)量。記錄實(shí)際坐標(biāo)值和每次測(cè)量中各個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)測(cè)量值的誤差，并計(jì)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(dòng)距離的變大而增大，是由于測(cè)量過(guò)程中的連續(xù)定點(diǎn)移動(dòng)會(huì)造成誤差的累積，可通過(guò)系統(tǒng)復(fù)位的功能來(lái)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(jī)轉(zhuǎn)速下測(cè)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(cè)量精度能夠滿足種子分選的要求。

表1 直角坐標(biāo)機(jī)械臂定位精度測(cè)試結(jié)果 mm

3.2 分選效率

對(duì)黃瓜種子的分選作業(yè)進(jìn)行3組試驗(yàn)：每組36粒種子分別放入種盤(pán)，通過(guò)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(duì)應(yīng)坐標(biāo)分別保存在2個(gè)txt文檔中，通過(guò)上位機(jī)讀取并控制機(jī)械臂帶動(dòng)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(jī)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(gè)裝置采用3自由度直角坐標(biāo)機(jī)械臂和PLC設(shè)計(jì)種子分選控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)精確的位置控制。基于C#.NET平臺(tái)和Visual Studio2010工具開(kāi)發(fā)了人機(jī)交互界面，可以實(shí)時(shí)顯示種子位置坐標(biāo)值并控制裝置的分級(jí)動(dòng)作。直角坐標(biāo)機(jī)械臂的末端操作器即真空吸管的最底部呈正方形，邊長(zhǎng)為16 mm，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，本控制系統(tǒng)的定位精度滿足實(shí)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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