穴盤苗自動移栽機苗缽夾持力檢測系統設計與試驗

王 俊 張海洋 金 鑫 姬江濤 高 頌

(1.河南科技大學農業裝備工程學院， 洛陽 471003； 2.機械裝備先進制造河南省協同創新中心， 洛陽 471003)

0 引言

旱作穴盤苗自動移栽取、投苗過程中苗缽損傷程度直接影響穴盤苗后期成活率，苗缽夾持力是評判苗缽損傷程度的關鍵[1-3]。夾持力可調式穴盤苗自動移栽機由取苗爪插入苗缽取苗，并將穴盤苗投入栽植機構中完成投苗[4]。取、投苗過程中，移栽機的穩定性不可避免會產生變化，導致取苗爪對苗缽的夾持力發生改變。如夾持力變小，則無法成功取出穴盤苗；夾持力變大，則易造成苗缽散坨與破損，嚴重影響穴盤苗移栽成功率和后期成活率，導致移栽質量下降、產量降低。實時監測自動移栽機取、投苗過程中苗缽夾持力大小對提升移栽質量至關重要[5-7]。

夾持力可調式自動移栽機一般分為氣缸式與機械式。氣缸式力調節精度高，但結構復雜、成本高，如張麗華等[8]設計的指針夾取式取苗爪機構，采用氣缸驅動單元實現夾持力調節與取苗爪驅動；機械式具有成本低廉、可靠性高等優點，如趙勻等[9]設計的一種通過凸輪調節夾持力大小的蔬菜穴盤苗移栽機構。目前機械式仍是夾持力調節的主要方式。

20世紀90年代，美國伊利諾伊大學TING等[10]探索采用電容式力傳感器檢測苗缽夾持力，但檢測靈敏度差、精度低。目前，苗缽夾持力檢測仍處于試驗室測量階段，繆小花等[11]以黃瓜穴盤苗為對象，利用電子萬能試驗機和質地分析儀，運用正交試驗分析填充量、基質成分體積比、含水率對拉拔力及缽體抗壓性能的影響；王英等[12]以西蘭花穴盤苗為對象，采用電子萬能試驗機，分析穴盤規格、苗齡和含水率對土缽抗壓強度的影響。試驗室苗缽夾持力檢測設備測量準確，但成本高、體積大，無法應用于田間在線測量。

苗缽夾持力檢測為接觸力測量，其受力范圍小、數值動態變化、受環境噪聲影響大。近年來，國內外學者在接觸力檢測方面做了大量研究工作[13-14]，其敏感元件主要有導電橡膠、壓敏電阻、壓電陶瓷及PVDF壓電薄膜等，徐菲等[15]研究了一種基于導電橡膠的三維力觸覺傳感器，實現對三維力信息的檢測；周俊等[16]以壓敏電阻作為敏感材料設計一種觸覺傳感器，感知果蔬抓取過程中的接觸力；COTTON等[17]把壓電陶瓷雙壓電晶片作為敏感元件，檢測執行機構對果蔬的夾持力；陶鏞汀等[18]設計了一種PVDF觸覺傳感器，通過觸覺信號處理分析，檢測果蔬的表面粗糙度特性。導電橡膠具有良好的柔韌性、耐磨性，但導電穩定性差，存在弛豫現象，易影響傳感器的精度、響應速度；壓敏電阻具有價格低廉、響應時間快、抗沖擊能力強等優點，而其抗老化性能低，不適用于田間惡劣環境；壓電陶瓷壓電效應好、靈敏度高，但柔韌性偏低，安裝條件受限；PVDF壓電薄膜具有靈敏性高、厚度薄、頻響寬、柔順性好及動態特性優異等優點[19-21]，更適合于柔性、微弱低頻夾持力信號檢測裝置，但其輸出為電荷信號，且信號微弱，需經信號調理電路進行處理。

針對夾持力可調取苗機構中取苗爪安裝空間狹小、檢測裝備布置不當易傷苗或回帶缽苗基質等問題，本文以辣椒穴盤苗為作業對象，研究一種穴盤苗自動移栽機苗缽夾持力檢測系統，用于監測移栽機取、投苗過程中取苗爪對苗缽的夾持力。

1 穴盤苗自動取苗夾持檢測試驗臺

1.1 試驗臺組成及工作原理

穴盤苗自動取苗夾持檢測試驗臺主要由夾持力檢測系統、苗盤輸送機構、取苗機構、栽植機構等組成，如圖1所示，用于實時監測苗缽夾持力。

穴盤苗自動取苗夾持檢測試驗臺工作過程如下：由步進電機驅動機械連桿轉動，進而驅動凸輪和取苗機構主架尾端滑軸轉動。凸輪做有規律的往復運動，取苗機構尾端滑軸在滑槽里沿軌跡曲線做自上而下、自下而上的往復運動，驅動取苗爪由豎直狀態變為前伸狀態，在取苗機構尾端滑軸沿著滑槽自上而下運動時，取苗機構夾爪由豎直投苗狀態變為前伸取苗狀態，當取苗機構尾端由滑槽低端向上運動的同時，取苗機構夾爪由前伸夾苗狀態轉換為豎直投苗狀態。每個取投苗周期內，固定于取苗爪內側的PVDF壓電薄膜感知夾持力的變化，經信號調理電路處理后，無線發送至數據采集終端，實現夾持力數據的處理、記錄與分析。

圖1 穴盤苗自動取苗夾持檢測試驗臺Fig.1 Test-bed for automatic picking up and clamping of seedlings in acupoints1.機架 2.栽植機構 3.取苗機構主架 4.取苗爪 5.滑槽 6.螺旋彈簧 7.凸輪 8.機械連桿 9.齒輪箱 10.PVDF壓電薄膜 11.步進電機 12.信號采集裝置 13.計算機 14、15.無線通信模塊 16.信號調理電路

1.2 PVDF壓電薄膜布置分析

分析取苗爪夾持苗缽基質的受力特性，合理確定PVDF壓電薄膜布置位置是可靠、精準檢測夾持力的關鍵。

取苗時，苗缽受力分析如圖2a所示，苗缽受取苗爪在接觸面產生的靜摩擦力F1、F2，取苗爪對苗缽的夾持力F3、F4，苗缽重力及苗缽與穴盤的黏附力豎直分力的合力F0。苗缽對取苗爪的反作用力大小與F3、F4相等，方向與F3、F4相反，且垂直于取苗爪，該反作用力即為所需檢測的夾持力信號。因取苗爪對稱分布，在單側取苗爪內表面貼敷PVDF壓電薄膜，令夾持力垂直作用于其柔性表面，可靈敏檢測夾持力變化。此時，PVDF壓電薄膜表面受力情況如圖2b所示。

圖2 PVDF壓電薄膜布置分析Fig.2 Analysis of PVDF piezoelectric film arrangement1、3.取苗爪 2.穴盤苗 4.苗缽 5.穴盤 6.銅箔 7.PVDF

分析可知，取苗爪插入缽體深度約為28 mm，安裝時，將尺寸為10 mm×5 mm的PVDF壓電薄膜(壓電應變常數-33 pC/N，厚度110 μm)通過環氧樹脂粘結劑粘貼于右取苗爪內側表面，距取苗爪尖端23 mm，可保證取苗爪插入苗缽時，PVDF壓電薄膜表面與苗缽基質完全接觸，圖3為PVDF壓電薄膜布置示意圖。此外，與PVDF壓電薄膜正負極連接的導線經串線孔由布線槽引出，通過涂抹熱熔膠方式將其固定在布線槽里并壓平，防止回帶苗缽基質。

圖3 PVDF壓電薄膜布置示意圖Fig.3 Schematic of PVDF piezoelectric film arrangement1.取苗爪 2.布線槽 3.導線 4.固定孔 5.串線孔 6.PVDF壓電薄膜

2 夾持力信號監測系統設計

苗缽夾持力信號監測系統由夾持力檢測傳感器、信號調理電路、無線通信模塊、信號采集軟件系統、計算機等組成。夾持力檢測傳感器采集取苗爪對苗缽的夾持力信號，首先通過信號調理電路進行電荷電壓信號轉換、放大及低通濾波，其次經編程控制微處理器將信號進行A/D轉換，并通過無線通信模塊發送到計算機信號采集軟件系統，然后運用卡爾曼濾波器進行軟件濾波，最后進行圖形顯示及信號存儲。夾持力信號監測系統結構框圖如圖4所示，系統實物圖如圖5所示。

無線通信模塊采用成都億佰特公司生產的E32-TTL-100(433T20DC)型無線串口模塊，載波頻率為410～441 MHz，采用透明傳輸方式、 LoRa擴頻技術，具有抗干擾能力強、保密性高等優點；微處理器采用香港宏晶科技公司生產的STC12C5A60S2型單片機，具有高速、低功耗、超強抗干擾等優點。

圖4 夾持力信號監測系統結構框圖Fig.4 Block diagram of clamping force signal monitoring system

圖5 夾持力信號監測系統實物圖Fig.5 Physical chart of clamping force signal monitoring system1.信號調理電路 2.電池 3、4.無線通信模塊 5.信號采集軟件系統 6.PVDF壓電薄膜

信號采集軟件系統由LabVIEW軟件平臺開發，通過卡爾曼濾波器對夾持力信號進行軟件濾波，具有實時顯示信號輸出電壓波形、信號回放及存儲的功能。另外，軟件系統增加報警功能，若苗缽夾持力超過夾持力設定上限值時，可進行報警提示，夾持力信號采集軟件系統界面如圖6所示。

2.1 夾持力檢測信號調理電路設計

為有效處理PVDF壓電薄膜采集的微弱電荷信號，設計了信號調理電路，具體包含電荷放大電路、電壓放大電路、基線漂移抑制電路、工頻陷波電路、二階低通濾波電路。

PVDF壓電薄膜是一種新型的高分子聚合物型壓電材料，壓電常數大、頻響寬、柔順性好、靈敏度高、機械韌性強，將其運用于穴盤苗自動移栽苗缽夾持力檢測中具有以下優勢：壓電常數大，夾持力檢測靈敏性高；頻響寬(0.1～107Hz)，滿足苗缽夾持力信號的低頻特性；柔順性好，制成不同形狀時，夾持力信號不失真；機械韌性強，田間惡劣環境下工作不易損壞[22-23]。

PVDF壓電薄膜不置于電場時，壓電方程為

Dm=dnjTj(m、n=1,2,3;j=1,2,…,6)

(1)

式中Dm——電位移，即所產生的電荷密度，pC/m2

T——應力，Pa

dnj——壓電應變常數矩陣元素，pC/N

m、n——受力方向

j——極化方向

厚度方向受均勻的力時有

D3=d33T3

(2)

式中d33——壓電應變常數

PVDF壓電薄膜產生的電荷量Q為

Q=D3S=d33T3S

(3)

式中S——PVDF壓電薄膜表面積

式(3)表明，PVDF薄膜表面輸出的電荷量與垂直表面的壓力呈線性關系。利用PVDF壓電效應，可以將薄膜上的壓力變化轉換為電荷量的變化。

電荷放大電路如圖7所示。首先選擇電荷放大器作為前置放大電路，其主要作用是將高阻抗輸入轉變為低阻抗輸出，并將PVDF壓電薄膜輸出的電荷信號轉變為電壓信號。忽略前端輸入電阻與輸入電容，可得電荷放大電路輸出電壓與傳感器表面施加的力、反饋電容的關系為

(4)

式中C1——反饋電容

F——苗缽基質對PVDF壓電薄膜表面施加的力

UO0——電荷放大器輸出電壓

由式(4)可知，輸出電壓與所受應力呈線性關系。

采用集成元件LF356M運算放大器作為電荷放大器的核心元件。反饋電阻R1與反饋電容C1的選擇決定了電路的放大效果、穩定性以及電路的低頻響應能力，選擇R1阻值為100 MΩ,C1電容值為10 000 pF,計算得其低頻響應截止頻率為0.16 Hz，可獲得較好的低頻響應能力。

圖7 電荷放大電路、電壓放大電路及基線漂移抑制電路原理圖Fig.7 Schematic of charge amplifying circuit, voltage amplifying circuit and baseline drift suppression circuit

為了防止電荷放大電路放大倍數過高導致波形失真，設計二級電壓放大電路(圖7)。電壓放大電路由LF356M運算放大器U2、電阻R3、滑動變阻器RW1(1～1 000 kΩ)構成。電壓放大電路是反比例運算放大，放大倍數Au1為RW1阻值與R3阻值之比的負數。其中，R3阻值為1 kΩ，則電壓放大器的放大倍數Au1范圍為1～1 000倍。

基線漂移抑制電路是由2個OP27G運算放大器組成的閉環回路，其原理是U3運放的輸出通過R8對C2進行充電，若該運放反相輸入端輸入信號的電平出現漂移、波動，則充電結果會使U3的同相輸入端輸入出現等同于其反向輸入端輸入信號基線電平變化的電位，U3將二者相減后得到一個基線較穩定的輸出UO2。根據所設計的閉環回路固有的性質能夠抑制取投苗機構振動干擾和噪聲引起的基線漂移現象。

工頻陷波電路與低通濾波電路如圖8所示，50 Hz工頻陷波電路采用具有正反饋的有源雙T型帶阻濾波器，由低通濾波電路和高通濾波電路并聯構成。

自動移栽機在田間作業時，由移栽機運轉和地面激勵產生的噪聲信號為高頻信號，故采用二階低通濾波電路進行信號濾除。低通濾波電路(圖8)由運算放大器U5，電阻R14、R15、R16、R17，電容C6、C7組成。設R14、R15為10 kΩ，C6、C7為0.33 μF，則截止頻率fH=48.23 Hz。取R16、R17為10 kΩ，計算得電壓放大倍數Au4=2。

夾持力檢測傳感器測得的苗缽所受夾持力F經信號調理電路轉換為電壓UO4，兩者之間的轉換關系為

(5)

可得夾持力F為

(6)

式中C1=10 000 pF，d33=-33 pC/N，Au4=2。

調節滑動變阻器RW1阻值為151.52 kΩ，則F=UO4，信號調理電路輸出的電壓即為苗缽所受夾持力。開發的信號調理電路實物圖如圖9所示。

圖9 信號調理電路實物圖Fig.9 Physical diagram of signal conditioning circuit1.信號輸入端口 2.電荷放大電路 3.電壓放大電路 4.基線漂移抑制電路 5.工頻陷波電路 6.低通濾波電路 7.無線通信模塊接口 8.程序燒錄端口 9.微處理器 10.5 V電壓轉±15 V電壓電路 11.開關 12.電源

2.2 軟件濾波方法

針對自動移栽機在田間作業時，硬件濾波無法保證完全濾除移栽機自身振動及外界復雜環境引起的振動噪聲，進一步采用卡爾曼濾波器對夾持力信號進行軟件濾波。基本思想為：以最小協方差為最優估計準則，采用夾持力信號與振動噪聲的狀態空間模型，利用前一時刻的最優估計夾持力和當前時刻的測量夾持力來更新對狀態變量的估計，包括預測夾持力的協方差和卡爾曼增益等，并求出當前時刻的最優估計夾持力。根據建立的狀態方程和觀測方程對需要處理的夾持力信號做出滿足最小協方差的估計，即是對夾持力信號進行濾波處理過程[24-26]。

3 試驗與結果分析

3.1 標定系統構建與試驗

標定系統主要由9部分組成，包括函數信號發生器、功率放大器、激振器、夾持力檢測傳感器、石英動態力傳感器、數據采集卡、信號調理電路、無線通信模塊、計算機，標定系統構成如圖10所示。

圖10 標定系統構成Fig.10 Calibration system constitution1.函數信號發生器 2.功率放大器 3.數據采集卡 4、9.無線通信模塊 5.信號調理電路 6.激振器 7.夾持力檢測傳感器 8.石英動態力傳感器 10.信號采集軟件系統 11.計算機

函數信號發生器產生正弦輸入信號，經功率放大器放大并使其具有帶負載的能力，對激振器進行驅動控制，激振器接收放大的激勵信號，并與激勵信號同頻振動，然后將力加載于夾持力檢測傳感器，固定在激振臺上的石英動態力傳感器測量激振器輸出的力，并輸入數據采集卡，由數據采集卡傳輸到信號采集軟件系統；同時，信號調理電路將夾持力檢測傳感器受機械力后輸出的電荷電壓信號轉換、放大和濾波，經無線通信模塊將夾持力信號發送到計算機串口，并輸入信號采集軟件系統，然后通過信號采集軟件系統記錄的壓力信號和電壓信號，實現夾持力檢測傳感器的標定。

函數信號發生器采用上海廣信友達實業有限公司生產的AFG1022任意函數發生器；功率放大器采用無錫世熬科技有限公司生產的SA-PA010型功率放大器；激振器采用無錫世熬科技有限公司生產的SA-JZ002型電動式激振器，最大激振力為20 N，最大行程為6 mm；石英動態力傳感器采用揚州英邁克測控技術有限公司生產的502F01型動態力傳感器，靈敏度為20.29 mV/N，測量范圍為0～200 N；數據采集卡采用上海澄科電子科技有限公司生產的MCC USB-1608G型數據采集卡。

夾持力檢測傳感器的標定試驗于2018年7月12—20日進行。分別設置函數信號發生器頻率為0.5、1.0、1.5 Hz，代表自動移栽機栽植頻率分別設定為30、60、90株/min，通過逐漸增大功率放大器的功率以增大夾持力檢測傳感器表面壓力，使用石英動態力傳感器測量該壓力，并通過數據采集卡讀取記錄，各頻率采集20組數據，共采集60組數據。采用最小二乘法擬合得到夾持力檢測傳感器標定曲線如圖11所示，夾持力檢測傳感器所受的壓力與輸出電壓的線性決定系數分別為0.991 9、0.991 3、0.990 9，平均線性決定系數為0.991 4，可以看出，夾持力檢測傳感器所受壓力與輸出電壓呈現高度的線性關系。

3.2 夾持力檢測傳感器性能測試

(1)夾持力檢測傳感器的測量范圍

夾持力檢測傳感器的測量范圍包括輸出電壓測量范圍和壓力測量范圍。夾持力檢測傳感器的輸出電壓測量范圍為0～5 V，壓力測量范圍為0～5 N。

(2)夾持力檢測傳感器的靈敏度

圖11 夾持力檢測傳感器標定曲線Fig.11 Calibration curves of clamping force detection sensor

夾持力檢測傳感器的靈敏度表示傳感器輸出電壓的變化Δy與引起輸出電壓變化的壓力變化Δx之比。其計算公式為

(7)

運用式(7)求得夾持力檢測傳感器在頻率為0.5、1.0、1.5 Hz時的靈敏度分別為0.991 9、0.985 0、1.031 2，平均靈敏度為1.002 7。

(3)夾持力檢測傳感器的精度

夾持力檢測傳感器的精度表示測量結果的可靠程度，即測量范圍內的最大絕對誤差與滿量程的百分比。其表達式為

(8)

式中 ΔA——測量范圍內的最大絕對誤差

YFS——滿量程夾持力

夾持力檢測傳感器在頻率為0.5、1.0、1.5 Hz時的最大絕對誤差分別為0.206 4、0.243 3、0.301 2 V，夾持力檢測傳感器的滿量程為5 V，通過式(8)計算出傳感器精度分別為4.128%、4.866%、6.024%，則夾持力檢測傳感器的精度為6.024%。

3.3 室內驗證試驗

為了驗證夾持力檢測傳感器的可靠性，于2018年8月1—10日在實驗室進行驗證試驗，試驗中以辣椒穴盤苗為作業對象，試驗現場如圖12所示。

圖12 試驗現場Fig.12 Testing site1.辣椒穴盤苗 2.信號調理電路 3.夾持力檢測傳感器 4.取苗機構 5.無線通信模塊 6.計算機 7.自動移栽機控制箱

3.3.1試驗對象與試驗設備

試驗對象為辣椒穴盤苗。育苗盤是128穴倒方錐形苗盤，穴格深度為41.5 mm，穴格間距為36.5 mm，穴口尺寸為30.5 mm×30.5 mm，穴底尺寸為15 mm×15 mm，穴格容積約21 mL；育苗基質主要是珍珠巖、泥炭、蛭石，體積比為2∶1∶1，基質含水率約為55%。

試驗設備為穴盤苗自動取苗夾持檢測試驗臺。

3.3.2試驗指標

選擇單株穴盤苗取投過程中最大的夾持力為每株穴盤苗夾持力測量值，以夾持力測量值的均值、標準差、最大值為指標，分析夾持力檢測傳感器的工作穩定性。

3.3.3試驗方法

通過PLC編程控制移栽機栽植頻率為單行60株/min，共進行24組試驗，每組栽植50株穴盤苗，通過LabVIEW上位機軟件記錄試驗數據并按照試驗指標進行分類統計。經多次測試對比分析，設置卡爾曼濾波器參數為：噪聲驅動矩陣和測量矩陣為1，輸入白噪聲的協方差和測量噪聲協方差為0.25。

3.3.4試驗結果

記錄每株穴盤苗的夾持力測量值，并將24組試驗中夾持力測量值的均值、標準差、最大值采用箱形圖統計，如圖13所示，24組試驗夾持力測量值的均值在2.31～2.63 N之間，每組夾持力測量值的標準差均小于0.076 N，夾持力測量值的最大值范圍為2.40～2.67 N，表明單株穴盤苗夾持力測量值的波動范圍較小，夾持力檢測傳感器具有較好的工作穩定性，適用于監測移栽作業過程中的夾持力信號。

圖13 夾持力測量值的均值、標準差、最大值的箱形圖Fig.13 Box diagrams of mean value, standard deviation and maximum value of holding force measurement value

從試驗中選取3 s數據的波形如圖14所示，取苗爪插入缽體過程中(AB階段)，缽體對夾持力檢測傳感器的壓力較小，夾持力測量值較小；BC階段，取苗爪夾取穴盤苗，夾持力測量值逐漸增大，在C點處，缽體克服最大粘附力，夾持力測量值達最大值，約為2.56 N；CD階段，缽體與穴盤逐漸分離，夾持力測量值逐漸減小；DE階段，夾持力測量值基本恒定，此過程僅克服缽體重力。分析可知，夾持力檢測傳感器的輸出電壓與取、投苗過程中夾持力的變化規律一致。

圖14 夾持力信號輸出電壓波形圖Fig.14 Output voltage waveform of clamping force signal

4 結論

(1)設計了苗缽夾持力檢測系統，該系統集成PVDF壓電薄膜、信號調理電路、無線通信模塊、信號采集軟件系統，能夠對苗缽夾持力信號進行采集、放大、濾波、存儲及顯示。

(2)設計了信號調理電路，用于對苗缽夾持力電荷信號進行信號轉換、放大、工頻信號濾除以及振動噪聲削弱；通過卡爾曼濾波器能夠對苗缽夾持力信號進行軟件濾波，有效降低了移栽機自身振動與地面激勵產生的振動噪聲對夾持力信號的影響。

(3)標定試驗結果表明，設計的夾持力檢測傳感器平均線性決定系數為0.991 4，平均靈敏度為1.002 7，精度為6.024%，滿足移栽作業過程中夾持力測量準確性的要求；室內驗證試驗結果表明，夾持力測量值的均值、最大值波動范圍小，夾持力檢測傳感器的輸出電壓值與室內驗證試驗夾持力的變化規律一致，表明夾持力檢測系統具有較好的穩定性和一致性。該夾持力檢測系統測量準確性高、靈敏性好，可為夾持力可調式自動移栽苗缽受力檢測提供參考。