小型智能移栽機的設計與實現

張明容,葉佐鎮,程清偉

(華南理工大學廣州學院 汽車與交通工程學院,廣州 510800)

0 引言

隨著城鎮化的高速進展,越來越多的農村人口涌向城市,農村的勞動人口越來越少。而我國在蔬菜、玉米、花卉等移栽方面,主要以人工為主,機械為輔,勞動強度大,效率低[1-3]。

國家“十三五”規劃已把“智能農機裝備”納入了國家重點研發計劃。在自動移栽技術方面,歐、美、日等國家的移栽機械雖然較成熟,但存在價格較貴、設計產品與國內農藝有脫節等特點[4-6],在國內很難推廣。國內移栽機械研究較晚,但一些大學、科研單位和農機企業進行了研究,并取得了一定成果:山東農業大學的崔嵬等研制了2ZFS-1A型多功能煙草移栽機的研制[7];黑龍江省農機研究院的石鐵研制了全自動玉米秧苗移栽機[8];中國農科院與現代農裝科技股份公司共同研制出了旱地缽苗自動移栽機[9]。目前,國內外移栽機大部分與大型拖拉機配套使用[10-12],存在體積大、通用性差、成本高及無法大規模使用的問題。因此,本文設計了一小型智能移栽機,集運輸、投苗、種植、壓實及澆水等功能于一體,并能實現坑深、株距等的調整。

1 移栽機的整體結構及工作原理

小型智能移栽機由小車、移栽裝置和控制系統3大部分組成,如圖1所示。

1.移栽裝置 2.智能車 3.控制系統

工作時,種植人員首先將需移栽的植物苗裝在儲苗器內,利用手持遙控器,通過WiFi模塊發送指令將移栽機開至種植地;然后,根據移栽作物的情況通過人機交互界面設定合適的行間距、株間距及種植的深度;通過車載傳感器檢測土壤的溫度、濕度,判斷是否對環境給予改造,并控制機器澆水的量以保證作物的成活率;最后,啟動移栽機工作,通過移栽裝置實現自動挖坑、投苗、覆土、鎮壓及澆水等種植流程。

該機器適用于土地的大、小面積移栽作業,解決了人工移栽存在勞動強度大、智能化低的問題,可大大降低種植過程的勞動強度,提高工作效率。

2 移栽機主要裝置設計

2.1 小車的設計

由于移栽機工作在野外,地面起伏不平,速度較低,工作時振動較大,發動機在這些工況燃燒較差、耗油多,而電驅動車剛好彌補了燃油車的缺點。因此,小車選用電機作為動力,四輪驅動,輪式行駛系[13],搭配空氣避震器,具有環境適應能力強、靈活性高及所需動力相對于拖拉機少等特點,其結構如圖2所示。

1.支架 2.空氣減震器 3.輪邊電機 4. 車輪 5.拉桿 6.底架

根據車子的使用要求:最高車速35km/h,最大爬坡度20°,20km/h勻速行駛的續航里程最大為120km,四輪驅動。因此,選用了無刷永磁直流電機,電機安裝在車輪邊直接驅動車輪,本小車選了4個電機;電池選用4個鉛酸電池。表1和表2分別展示了電機與電池的參數。

表1 電機參數

表2 電池參數

2.2 移栽裝置的設計

為了提高成活率,保證移栽的順利完成,對移栽過程有以下要求:①有足夠深和大的坑,且土壤回流少,利于植物苗入坑;②保證植物苗豎直向上,便于生長;③保證植物苗間一定的株距。

移栽裝置是移栽機最重要的部分,用于實現挖坑、擴坑、投苗、壓實和澆水過程,主要由種植機構、自動投苗裝置和澆水裝置組成。

2.2.1 種植和壓實機構

本文選用導苗管式種植形式[14-15],保證苗在坑里垂直。為了減小結構尺寸,把導苗管和挖土槍設計為一體,導苗管出口為鶴嘴型,可以起到挖坑和擴坑雙重作用。種植機構由鶴嘴式種植槍、鶴嘴蓋板、壓土板、滑軌、種植氣缸、鶴嘴開合控制氣缸和壓土氣缸組成,如圖3所示。該機構布置在設備的中部核心位置實現苗圃的種植、覆土和壓實工作。為了增加車子的續航,種植和壓實機構的動力采用氣動形式。

1.種植氣缸 2.滑軌 3.種植槍 4.鶴嘴蓋板 5.壓土板

移栽時,首先控制繼電器導通,種植氣缸帶動鶴嘴式種植槍沿著滑軌向下移動,使種植槍插入已松的土壤中,完成挖種植坑的流程;然后,鶴嘴開合氣缸帶動鶴嘴打開,同時對種植坑進行擴大,擋住土壤回流,植物苗從鶴嘴式種植槍管里滑落到種植坑中;種植氣壓缸帶動種植槍上升,鶴嘴慢慢覆土;最后,由壓實氣壓缸帶動壓土板進行覆土壓實,同時鶴嘴式開合氣壓缸將種植槍口關閉。

移栽菜苗、玉米苗、煙草苗、小樹苗等所要求的坑的深度一般在100mm以內,因此設定種植槍的最大插入深度為100mm,疏松土的單位壓實力為0.5～1.5kg/cm3,通過壓力p與下陷深度的關系[16]式(1),可以求出種植槍的壓力,即

q=q0·h

(1)

其中,q為單位面積的壓力,q0為單位面積壓實力,h為壓入深度。可以計算出單位面積的壓力為5～15kg/cm2。

本設計采用最大的壓力p為15kg/cm2或150N/cm2,進行氣缸的選型。種植槍就是導苗管,一般移栽缽苗的形狀為圓錐形,尺寸為φ40mm×60mm(底部直徑×高度)[15]。為了方便挖坑,種植槍設計為方形(45mm×45mm),底部設計為楔形的鶴嘴形,楔角為35°。

因氣缸的推力與挖坑力相等,由力平衡方程可得

pA=ηp1A1

(2)

其中,p為挖坑100mm需要的壓力(150N/cm2);A為種植槍與土壤的接觸面積,由于種植槍下端是楔形的,這里采用中間值30mm×30mm進行計算;η為氣缸的效率85%,氣桿作用力傳遞到種植槍滑動距離短,散熱少,可以忽略;p1、A1分別為氣缸的壓力和氣缸內徑減去推桿直徑的面積。

氣缸的壓力由供氣設備提供,為了減輕質量,供氣機采用便攜式充氣泵和氣瓶相結合進行供氣。由于充入氣瓶的氣體與充氣結束后氣瓶里氣體的質量相等,由質量守恒方程可得

p0V=p2V2

(3)

其中,p0、V為充入氣體的壓力(大氣壓)和體積,p2、V2為充氣結束后氣瓶里的壓力和氣瓶體積。

氣瓶用于向3個氣缸充氣,為了不讓氣缸的直徑和氣瓶的體積太大,氣缸氣體的壓力設為0.3MPa,氣瓶的體積V2設計為4L,聯立式(2)和式(3),可以計算出種植氣缸的內徑D。由于挖坑深度是變化的,所以種植氣缸選用可調雙向作用氣缸,尺寸為φ80mm×125mm(內徑×行程),充入氣體的體積為12L。

充氣泵的選用優利特YD-S007,氣壓流量為50L/min。

同理,鶴嘴開合氣缸和壓實氣缸的均為雙向作用氣缸,尺寸分別為φ25mm×100mm和φ25mm×100mm。

2.2.2 供苗機構

供苗機構的主要作用是向種植機構的投苗口自動投苗,主要由齒輪、齒條、步進電機、滑軌和放置苗圃的架子組成,如圖4所示。工作時,控制系統控制步進電機運轉,當步進電機正向轉動時,與轉子銜接的齒輪嚙合齒條攜帶放置苗圃的架子前進,在滑軌的約束下,往前移動;當苗圃到達投苗口時,投下苗圃至種植槍,與此同時,步進電機停止轉動,完成投苗的流程,等待下一投苗工作流程。

1.步進電機 2.齒輪 3.齒條 4.儲苗容器

2.2.3 澆水裝置

澆水裝置主要是實現種植完成以后的澆水和對較干土壤的改善,主要由水箱、水管、噴頭、水泵和繼電器組成,如圖5所示。

1.可調節噴頭 2.水泵出水管 3.水泵吸水管 4.水泵

在壓實機構工作完成后,控制系統控制繼電器通斷電來控制水泵的工作狀態。通過繼電器來控制澆水,可以通過設置參數調節水的流量,滿足不同苗圃對水分的要求,提高了苗圃的存活率。

3 控制系統設計

目前,自動移栽機的控制方式主要有PLC、Fuzzy-PID和單片機控制[6,17-19]。根據移栽機的功能要求,采用STM32單片機進行控制,控制系統框架如圖6所示。對于小車,采用BLD-300B驅動器對輪邊電機的轉速進行控制,從而實現啟停、前進、倒退、轉彎和剎車。種植裝置主要通過控制繼電器來實現移栽的動作,通過壓力傳感器檢測充氣瓶的壓力,采用繼電器控制充氣泵的充氣。遠程控制系統是通過WIFI實現的,主要為人機交互平臺,操作人員可以設置種植行距、深度、澆水量,觀察移栽機的工資情況,還可以采用溫度傳感器和濕度傳感器感知土壤的情況,進行土壤改善的控制。

圖6 智能移栽機控制系統框架圖

4 試驗及分析

4.1 試驗條件

1)試驗環境:在疏松的土壤上面進行試驗,試驗地面積15m×20m。

2)試驗作物:小樹苗(10～12cm)和缽苗(菜苗)(6～7cm)。

3)檢測指標:①挖坑深度、珠距;②苗的直立度[15]:優秀為(90±20)°,允許傾斜(合格)為(90±60)°;嚴重傾斜(不合格)為<30°或>150°,埋沒(不合格)為被土壤埋沒。

4)種植參數:參數設計值如表3所示。

表3 種植參數設定值

4.2 試驗方法

首先,操作人員在人機交互面板上根據植物苗情況設置好挖坑深度、株距等,開啟移栽機進行工作。為了測量挖坑深度,在挖坑結束時,暫停工作,測量種植槍的插入深度,從而確定挖坑深度;株距為連續測量6棵小苗間的距離。

4.3 試驗結果及分析

試驗結果采用隨機取樣進行分析。對于挖坑深度,通過測量種植槍的挖坑深度,來確定實際挖坑深度和設定值的對比。取6組,將每組5個數據進行分析,分析結果如表4所示。

表4 挖坑深度的設定值和測量值對比

由表4可以看出:深度越小,偏差值越小;種植槍的挖人深度與設定深度的誤差在10%以內,基本在1cm內,滿足種植要求。

株距同樣取6組,每組長20m,每組中連續取5株測量,試驗結果如表5所示。

由表5可以看出:株距小,偏差大。因為株距是通過控制車輪轉動的圈數來控制的,所以距離越小,誤差越低;對于株距為100cm,誤差距離基本在100以內,滿足種植要求,而株距30cm的誤差距離在5cm以內,也滿足種植要求。

表5 株距的設定值和測量值對比

對于苗的直立度取6組,將每組10個數據測量進行分析,其中每種植物苗3組,各30株。試驗結果如表6所示。

表6 直立度的測試結果

從表6中可以看出:兩種植物苗的合格率一樣,但菜苗的優良率高一些。因為菜苗是缽苗,且苗矮、坑淺,入坑較穩,壓實力相對較小,所以苗的垂直度會好一些。樹苗不合格那株是壓實板邊緣壓到了樹苗,使樹苗過于傾斜;菜苗不合格那株是由于土壤較松,種植槍往上移動時,土壤回流把菜苗覆蓋,剩幾張葉子在外面。

5 結論

設計完成的集運輸、挖坑、種植、壓實和澆水為一體的小型智能移栽機,實現了植物苗的智能化遠程種植。試驗表明:挖坑深度和種植株距與設定值誤差較小,滿足種植的要求,且種植苗的合格率在96%以上。由于采用的氣泵較小,種植效率雖比人工高,但比市場上的移栽機低。目前,移栽機還處于試驗階段,存在不穩定性,后續將進一步完善。