草莓移栽機控制系統(tǒng)設計與試驗

胡建平 劉育彤 張永輝 徐華崗 劉偉 韓綠化

摘要：針對草莓高起壟定向移栽農(nóng)藝要求，設計一種機械打穴、人工識別草莓苗弓背方向后定向穴栽的移栽機。基于可編程控制器（PLC）設計整機控制系統(tǒng)，包括移栽機定速行走控制系統(tǒng)、前輪轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)、打穴控制系統(tǒng)等任務模塊。整機采用直流無刷電機作為底盤的驅(qū)動元件，根據(jù)電機自帶編碼器的輸出值進行行走速度、栽植株距和打穴頻率的協(xié)調(diào)控制，采用步進電機作為打穴機構(gòu)的驅(qū)動元件，由接近開關對打穴機構(gòu)進行定位，通過二者配合完成打穴過程，在人機協(xié)同作業(yè)下，完成草莓苗移栽。試驗結(jié)果表明：當單行移栽效率為15株/min，株距為150 mm、200 mm、250 mm時，株距合格率、孔深合格率、孔徑合格率均在95%以上，其變異系數(shù)均小于5%，打穴成功率均大于95%，符合移栽機行業(yè)標準，打穴移栽效果滿足農(nóng)藝要求。

關鍵詞：草莓移栽機；控制系統(tǒng)；打穴機構(gòu)；種植機械

中圖分類號：S223.9

文獻標識碼：A

文章編號：20955553 （2024） 02010106

收稿日期：2022年5月26日 ?修回日期：2022年7月18日

基金項目：江蘇省現(xiàn)代農(nóng)機裝備與技術示范推廣項目（NJ2021—09）

第一作者：劉育彤，男，1996年生，甘肅天水人，碩士研究生；研究方向為農(nóng)業(yè)機械。Email： 2222016041@stmail.ujs.edu.cn

通訊作者：胡建平，男，1964年生，江蘇鎮(zhèn)江人，博士，教授，博導；研究方向為農(nóng)業(yè)機械。Email： hujp@ujs.edu.cn

Design and experiment on control system of strawberry transplanter

Hu Jianping1， Liu Yutong1， Zhang Yonghui2， Xu Huagang2， Liu Wei1， Han Lühua1

（1. Jiangsu University， Zhenjiang， 212013， China；

2. Jiangsu Xintian Machinery Manufacturing Co.， Ltd.， Zhenjiang， 212013， China）

Abstract：

Aiming at the agronomic requirements for directional transplanting of strawberries with high ridges， a transplanting machine is designed， which can make holes mechanically and manually identify the direction of the back of the strawberry seedlings. Based on PLC， the whole machine control system is designed， including the constant speed walking control system of the transplanter， the front wheel steering control system， the hole drilling control system and other task modules. The whole machine adopts a DC brushless motor as the driving element of the chassis. According to the output value of the motor's own encoder， the walking speed， the planting distance and the punching frequency of drilling are coordinated and controlled. The stepping motor is used as the driving element of the drilling mechanism. The switch positions the hole punching mechanism， and the hole punching process is completed through the cooperation of the two， and the strawberry seedling transplanting is completed under the cooperative operation of man and machine. The test results show that when the single row transplanting efficiency is 15 plants /min， with plant spacing of 150 mm， 200 mm， and 250 mm， the qualified rates of plant spacing， hole depth， and aperture are all above 95%， with a coefficient of variation of less than 5%. The success rate of hole drilling is also above 95%， which is in line with the industry standard of transplanting machine， the effect of hole drilling and transplanting meets agronomic requirements.

Keywords：

strawberry transplanter; control system; punching mechanism; planting machinery

0 引言

我國是世界上最大的草莓生產(chǎn)國，草莓種植面積呈現(xiàn)出持續(xù)增長的市場態(tài)勢［12］。隨著設施農(nóng)業(yè)的發(fā)展，江蘇地區(qū)大部分采用設施內(nèi)高起壟、裸根苗的栽培模式［3］；這是一種在高30 cm左右的壟上進行移栽的種植方式，具有土壤保濕性好、能夠降低病蟲害發(fā)生率、進一步提高產(chǎn)量等優(yōu)點［4］。然而，因草莓移栽的復雜農(nóng)藝要求：苗弓背向外、深不埋心、淺不漏根等，我國的草莓移栽仍采用人工作業(yè)為主，尤其針對高起壟、裸根苗移栽的情形，國內(nèi)外市場上未見特制的草莓移栽機及相關報道［57］。目前，草莓移栽主要依靠人工，但人工栽植勞動強度大、生產(chǎn)效率低、移栽質(zhì)量不穩(wěn)定，根據(jù)果農(nóng)經(jīng)驗，在理想狀態(tài)下，單人移栽草莓苗約300株/h。

基于上述問題，本文在自主研發(fā)的草莓移栽機基礎上，設計一種基于可編程控制器（PLC）的整機控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)高效、穩(wěn)定的打穴移栽目的，對該系統(tǒng)工作流程進行解析，并通過試驗驗證自研系統(tǒng)工作的可靠性。

1 草莓移栽機整機結(jié)構(gòu)

基于PLC的草莓移栽機控制系統(tǒng)，主要針對設施高起壟草莓裸根苗的移栽。整機由轉(zhuǎn)向機構(gòu)、打穴機構(gòu)、后橋傳動機構(gòu)、機架、苗盤架及控制柜等組成，移栽機主要工作部件按照機具前進方向左右對稱布置，可同時完成雙行作業(yè)［8］，采用人機協(xié)同方式，即自走式底盤間歇式打穴、人工識別草莓苗弓背方向后定向穴栽，從而完成草莓苗的移栽，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.控制柜

2.后橋傳動機構(gòu)

3.座椅

4.機架

5.轉(zhuǎn)向機構(gòu)

6.打穴機構(gòu)

整機由底盤結(jié)構(gòu)、打穴結(jié)構(gòu)組成，采用后輪驅(qū)動、前輪轉(zhuǎn)向的設計方案。底盤采用邊梁式布局形式，單電機整體驅(qū)動［9］的驅(qū)動類型，通過差速器與鏈傳動結(jié)合的形式將動力傳遞至后輪。前輪轉(zhuǎn)向利用阿克曼定理［1011］，設計平面多連桿轉(zhuǎn)向機構(gòu)［12］，如圖2所示，通過步進電機、減速器與限位傳感器，對轉(zhuǎn)向機構(gòu)的極限位置進行定位。打穴機構(gòu)采用曲柄滑塊式連桿機構(gòu)驅(qū)動打穴頭上下運動的方案。

工作原理：草莓移栽機采用雙行作業(yè)模式、人工識別草莓苗弓背方向后定向穴栽的人機協(xié)同作業(yè)方案。按照單行移栽效率為15株/min，不同的株距要求：150 mm、200 mm、250 mm，移栽機底盤匹配不同的速度做勻速運動，打穴機構(gòu)協(xié)同人工栽植速度做間歇式雙行打穴，當自走式底盤前進規(guī)定株距，打穴機構(gòu)動作，配合人工完成移栽作業(yè)，工作時序圖如圖3所示。

1.直線模塊

2.齒輪齒條傳動機構(gòu)

3.限位塊

4.轉(zhuǎn)向拉桿

5.碰撞傳感器

6.減速器

7.轉(zhuǎn)向電機

2 整機控制系統(tǒng)

2.1 控制方案設計

整個控制系統(tǒng)以可編程控制器PLC為核心，PLC內(nèi)部存儲順序控制、定時、計數(shù)等指令，通過輸出數(shù)字量控制草莓移栽機運動過程［13］。控制系統(tǒng)以信捷XD3-32T-C為主控制器，輸入信號包括：前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)方向控制信號，株距選擇信號（150 mm、200 mm及250 mm），2個轉(zhuǎn)向機構(gòu)限位信號、1個打穴機構(gòu)定位信號，急停開關信號；輸出信號包括行走電機、打穴電機、轉(zhuǎn)向電機方向。

控制系統(tǒng)工作電壓分為兩種，分別為48 V以及24 V，其中行走電機、打穴電機由48 V鋰電池供電，打穴限位傳感器、PLC、轉(zhuǎn)向電機由直流電源降壓器（48 V降24 V）轉(zhuǎn)換得到。各驅(qū)動電機以及部件相互銜接，完成草莓移栽機的打穴過程，其中，打穴電機采用內(nèi)部調(diào)速的方式，即依靠外部旋鈕調(diào)節(jié)模擬量輸入的方式改變電機轉(zhuǎn)速；行走電機采用外部調(diào)速的方式，即通過脈寬調(diào)制技術（PWM）改變電機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)打穴速度與前進速度的控制，整體控制方案如圖4所示。

將執(zhí)行程序?qū)隤LC，電機驅(qū)動器受PLC直接控制［14］。底盤結(jié)構(gòu)運動控制方案如下，通過控制直流無刷電機正反轉(zhuǎn)實現(xiàn)自走式底盤的前進后退，PLC發(fā)送不同占空比的PWM，調(diào)節(jié)電機驅(qū)動器轉(zhuǎn)速控制口電壓實現(xiàn)底盤運動速度的控制；腳踏開關控制步進電機的正反轉(zhuǎn)實現(xiàn)自走式底盤的轉(zhuǎn)向控制，通過發(fā)送脈沖的頻率和個數(shù)，實現(xiàn)轉(zhuǎn)向機構(gòu)的定位及轉(zhuǎn)向速率的控制，兩個NPN常開型光電傳感器用于檢測左右轉(zhuǎn)向的極限位置。通過直流無刷電機為打穴結(jié)構(gòu)提供力矩。為了提高草莓苗移栽合格率，啟動瞬間，轉(zhuǎn)向機構(gòu)自復位至中心位置，打穴機構(gòu)自復位至機械結(jié)構(gòu)最高點位置。移栽作業(yè)過程中，每個周期底盤運動固定株距，打穴機構(gòu)協(xié)調(diào)動作，通過人機協(xié)同作業(yè)完成草莓苗移栽。

2.2 硬件系統(tǒng)設計

草莓移栽機劃分為定速行走控制系統(tǒng)、前輪轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)、打穴控制系統(tǒng)等任務模塊。各機構(gòu)動作依靠動力元件，步進電機和直流無刷電機實現(xiàn)，步進電機、直流無刷電機通過對應的電機驅(qū)動器控制，電機驅(qū)動器通過PLC直接控制。為便于PLC選型和整個控制系統(tǒng)的程序設計，現(xiàn)將電機個數(shù)、種類及實現(xiàn)的動作進行細分。整個系統(tǒng)共有2種電機，直流無刷電機數(shù)量為2個，控制移栽機的行走和打穴，步進電機數(shù)量為1個，控制移栽機的轉(zhuǎn)向，3個對應的電機驅(qū)動器、1個栽植啟動開關、1個株距選擇開關、1個前進后退選擇開關、1個左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)腳踏開關、1個急停開關、2個光電傳感器、1個接近開關與信捷可編程控制器PLC一起組成草莓移栽機控制系統(tǒng)的硬件部分。

整體輸入輸出地址表及控制說明如表1所示。

常開型光電傳感器、接近開關、栽植啟動開關、株距選擇開關、前進后退選擇開關、左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)腳踏開關、急停開關作為輸入部分，電機驅(qū)動器作為輸出部分，步進電機、直流無刷電機作為動力元件，驅(qū)動對應的執(zhí)行部件動作。通過對整機動作的系統(tǒng)分析和PLC輸入輸出地址分配后，設計信捷PLC在草莓移栽機控制系統(tǒng)下的接線圖如圖5所示。根據(jù)表1輸入輸出地址分配，選用結(jié)構(gòu)緊湊、可擴展性強、成本低等優(yōu)點的信捷PLC，型號為XD3-32T-C作為草莓移栽機的主控制元件，它具有高速計數(shù)功能、脈沖輸出功能、采用DC供電等特點。

2.3 軟件設計

2.3.1 時序控制流程說明

草莓移栽機的控制系統(tǒng)主要由三部分組成，即：移栽機定速行走控制系統(tǒng)、前輪轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)、打穴控制系統(tǒng)。本程序主要采用順序控制、流程控制、定位控制、定時、高速計數(shù)等操作指令，實現(xiàn)定距打穴作業(yè)。

移栽機定速行走控制系統(tǒng)是為了草莓移栽機能夠沿壟行走，在人機協(xié)同作業(yè)下，完成草莓苗的移栽。通過觸發(fā)前進、后退信號控制行走電機轉(zhuǎn)向，經(jīng)過減速器、后橋傳動，驅(qū)動后輪實現(xiàn)自走式底盤的前進與后退；前輪轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)是為了草莓移栽機能夠進行方向調(diào)整，左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)信號控制轉(zhuǎn)向電機轉(zhuǎn)向，經(jīng)過減速器、齒輪齒條傳動機構(gòu)，帶動轉(zhuǎn)向機構(gòu)實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。為了提高移栽效率，減少人為對方向干預，提出一種轉(zhuǎn)向機構(gòu)自復位回零以及自動回正的控制策略，即移栽機上電的瞬間，轉(zhuǎn)向電機工作，通過機架上安裝的限位傳感器以及信捷PLC定位控制功能中的絕對單段定位指令，它采用目標位置相對于原點坐標位置的定位方式，屬于絕對驅(qū)動方式，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)向機構(gòu)的自復位回零調(diào)整以及自動回正，其控制原理，將左限位傳感器作為轉(zhuǎn)向機構(gòu)自復位第一個零點，當傳感器信號觸發(fā)時，給轉(zhuǎn)向電機發(fā)送數(shù)目固定、方向相反脈沖，從而帶動齒輪齒條傳動機構(gòu)，實現(xiàn)轉(zhuǎn)向機構(gòu)的自復位回零調(diào)整，同時，將此位置設為轉(zhuǎn)向機構(gòu)自動回正的零點，當人為對方向進行干預后，利用絕對單段定位指令，轉(zhuǎn)向機構(gòu)自動實現(xiàn)回正功能。

打穴控制系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的主控制程序，為保證草莓移栽機能夠正常工作，在移栽機上電瞬間，會進行打穴機構(gòu)自復位調(diào)整，即打穴電機帶動曲柄滑塊機構(gòu)運動，實現(xiàn)打穴結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)的定位，即曲柄停留在最高點的位置。進行草莓移栽作業(yè)時，利用信捷PLC高速計數(shù)功能，讀取行走電機編碼器輸出脈沖量，當讀取值與預設對應株距脈沖值相等時，進行打穴作業(yè)。草莓移栽機控制系統(tǒng)流程圖，如圖6所示。

1） 在整機通電瞬間，輸出繼電器Y5置為SET，打穴電機動作，帶動曲柄滑塊機構(gòu)運動，直至觸發(fā)接近開關，延時60 ms，曲柄達到最高點的位置，打穴結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)完成自復位。輸出繼電器Y2和Y3置為SET，轉(zhuǎn)向電機動作，帶動齒輪齒條傳動機構(gòu)運動，與限位傳感器協(xié)同作用，轉(zhuǎn)向機構(gòu)完成自復位，上電自復位完成。

2） ?轉(zhuǎn)向踏板開關信號觸發(fā)時，輸出繼電器Y3和Y4置為SET，分別觸發(fā)左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)開關時，利用信捷PLC的可變頻率脈沖輸出，分別輸出正脈沖頻率和負脈沖頻率，轉(zhuǎn)向電機經(jīng)過齒輪齒條傳動機構(gòu)，帶動轉(zhuǎn)向機構(gòu)實現(xiàn)轉(zhuǎn)向功能。當觸發(fā)左右兩邊的限位傳感器時，輸出繼電器Y3停止發(fā)送脈沖，轉(zhuǎn)向電機停止動作；當轉(zhuǎn)向踏板開關下降沿信號觸發(fā)時，輸出繼電器Y3停止發(fā)送脈沖，此時，利用信捷PLC的絕對單段定位指令，控制轉(zhuǎn)向電機，帶動轉(zhuǎn)向機構(gòu)，重新回到零點位置。

3） ?前進后退信號觸發(fā)時，輸出繼電器Y1或Y2置為SET，控制行走電機轉(zhuǎn)向，沒有啟動栽植按鈕時，輸出繼電器Y0發(fā)送大占空比的PWM，此時行走速度較快，經(jīng)過減速器、后橋傳動，驅(qū)動后輪實現(xiàn)自走式底盤的前進和后退。

4） ?啟動栽植按鈕時，根據(jù)不同的株距要求以及15株/min的單行移栽效率，輸出繼電器Y0發(fā)送不同占空比的PWM，匹配不同株距下的速度。利用信捷PLC的高速計數(shù)功能，讀取行走電機編碼器輸出脈沖量，將不同株距對應脈沖量與讀取編碼器值進行比較，滿足條件時，進行打穴作業(yè)。

2.3.2 打穴自復位程序

本控制系統(tǒng)采用信捷PLC編程控制軟件進行程序的編寫，采用編程語言為梯形圖形式，其中打穴機構(gòu)上電自復位控制程序如圖7所示。移栽機上電時，輸出端Y5所控制的打穴電機帶動曲柄滑塊機構(gòu)開始運動，為了抵消打穴機構(gòu)的運動慣性，使打穴機構(gòu)曲柄停在最高點的位置，在最高點的下方安裝一個接近開關，當觸發(fā)接近開關信號時，經(jīng)過一個60 ms的延時，打穴機構(gòu)就可以實現(xiàn)上電自復位功能。程序編寫完成后，先檢查程序是否正確，然后連接硬件，控制樣機空載并進行調(diào)試。

3 試驗與分析

3.1 試驗條件

試驗于2021年9月19日在鎮(zhèn)江市句容白兔鎮(zhèn)草莓種植園區(qū)進行。起壟規(guī)格為壟高30 cm，壟底寬50～60 cm，壟頂寬45 cm，壟溝寬28～35 cm，滿足試驗要求。試驗設備包括草莓移栽機、游標卡尺（量程200 mm，精度0.02 mm）、常規(guī)卷尺（量程5 m）、秒表等。試驗材料：草莓裸根苗，培育時間8周左右，經(jīng)測量100組草莓裸苗根系的平均長度，符合正態(tài)分布，70～100 mm之間的占95.4%。

3.2 試驗方案

為驗證草莓移栽機打穴合格率，采用單因素三水平全析因試驗，試驗因子為打穴合格率，試驗水平為150 mm、200 mm、250 mm，試驗響應為株距合格率、孔徑合格率、孔深合格率。依照中華人民共和國機械行業(yè)標準（JB/T 10291—2013）［15］，測量株距、孔徑、孔深數(shù)據(jù)以合格率作為測試指標，并計算相應的變異系數(shù)［16］。

1） ?株距合格率：設理論間距為Lr，測量相鄰兩孔間距Li，若0.8Lr

2） ?孔徑合格率：設理論孔徑為Dr，測量穴孔端面直徑Di，若0.8Dr

3） ?孔深合格率：根據(jù)相關標準要求，穴孔的深度范圍在理論打穴深度的±10 mm內(nèi)認為孔徑合格，取理論穴孔深度為85 mm。將合格孔徑樣本與樣本總數(shù)的比值作為株距合格率。孔深變異系數(shù)定義為：在一定的栽植區(qū)間內(nèi)所測得的實際孔深的標準偏差與平均值的百分比。孔深合格率、孔深的變異系數(shù)是對穴形均勻度的評價。

X-=∑ni=1Xin

（1）

SX=1（n－1）∑ni=1（Xi－X-）2

（2）

CVX=SXX-×100%

（3）

式中：

n——實測缽苗數(shù)，株；

CVX——變異系數(shù)，%；

SX——標準差；

X-——平均值，mm；

Xi——合格株距（i=1，2，…，n），mm。

4） 打穴合格率：打穴合格是指移栽機打穴后穴孔株距、孔徑、孔深都合格，其合格率指實測穴孔合格株數(shù)與實測穴孔株數(shù)的百分比。

P=NAN×100%

（4）

式中：

NA——合格株數(shù)，株；

N——測定的總株數(shù)，株。

為保證試驗精度，試驗3次，每組試驗20次，取平均值。

3.3 試驗結(jié)果與分析

如表2～表5所示，當單行移栽效率為15株/min，理論株距為150 mm時，株距合格率為98.62%，株距變異系數(shù)為3.05，孔徑合格率為98.56%，孔徑變異系數(shù)為1.82，孔深合格率為97.74%，孔深變異系數(shù)為1.48，打穴成功率為96.46%；理論株距為200 mm時，株距合格率為98.62%，株距變異系數(shù)為3.05，孔徑合格率為97.66%，孔徑變異系數(shù)為1.57，孔深合格率為98.46%，孔深變異系數(shù)為1.37，打穴成功率為95.88%；理論株距為250 mm時，株距合格率為96.10%，株距變異系數(shù)為1.76，孔徑合格率為97.24%，孔徑變異系數(shù)為2.41，孔深合格率為97.22%，孔深變異系數(shù)為1.35，打穴成功率為95.26%。根據(jù)機械行業(yè)標準（JB/T 10291—2013）中移栽機性能指標，不同株距下，株距變異系數(shù)均小于20%，孔深合格率均大于75%，機構(gòu)運行穩(wěn)定、株距差異小；打穴成功率、孔徑合格率均大于95%，孔徑變異系數(shù)均小于20%；成型孔的質(zhì)量較好，符合行業(yè)標準，能夠滿足草莓移栽需求。

綜上分析可知，當單行移栽效率為15株/min，栽植株距分別為150 mm、200 mm、250 mm時，株距合格率、孔深合格率、孔徑合格率均在95%以上，株距變異系數(shù)均小于5%，打穴成功率均在95%以上，同時試驗中發(fā)現(xiàn)：（1）由于打穴機構(gòu)采用曲柄滑塊機構(gòu)，質(zhì)量大、運動時慣性大，造成曲柄停在最高點的位置不準確；（2）孔深不同造成實際株距與理論株距之間存在一定偏差；（3）移栽機前進速度與打穴速度的合速度方向與豎直方向存在夾角，導致了實際孔徑數(shù)據(jù)與理論孔徑數(shù)據(jù)之間存在一定的偏差；設施內(nèi)草莓移栽環(huán)境惡劣，移栽機會在凹凸不平的田地產(chǎn)生打滑現(xiàn)象。根據(jù)機械行業(yè)標準（JB/T 10291—2013）中移栽機性能指標，試驗值均大于指標值，符合栽植要求。

4 結(jié)論

1） ?本研究結(jié)合自主研發(fā)的草莓移栽機，設計了一種基于PLC的草莓移栽機控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)由定速行走、前輪轉(zhuǎn)向、打穴控制系統(tǒng)等任務模塊組成，可實現(xiàn)草莓移栽機打穴機構(gòu)自動定位、轉(zhuǎn)向機構(gòu)自動回零、等株距打穴等流程，通過機器打穴匹配人工識別草莓苗弓背后定向穴栽的方式完成草莓苗移栽作業(yè)，提高草莓移栽工作效率。

2） ?采用單因素試驗法，進行草莓移栽機田間試驗，其中試驗因子為打穴合格率，試驗水平為150 mm、200 mm、250 mm，試驗響應為株距合格率、孔徑合格率、孔深合格率。結(jié)果表明：當單行移栽效率為15株/min時，株距合格率、孔深合格率、孔徑合格率均在95%以上，其變異系數(shù)均小于5%，打穴成功率均在95%以上；整個系統(tǒng)達到了旱地裸根苗作物的移栽要求，且結(jié)構(gòu)簡單、可靠程度高。

參 考 文 獻

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