果蔬類種子自動分選機控制系統的設計

潘雪峰， 張文愛， 趙學觀， 王 秀， 蔡吉晨

(1.太原理工大學信息工程學院，山西太原 030024； 2.北京農業信息技術研究中心，北京 100097； 3.北京農業智能裝備技術研究中心，北京 100097； 4.國家農業信息化工程技術研究中心，北京 100097)

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

種子精選是農作物生產流程中不可缺少的重要環節。一直以來，種子是農業生產中重要的基本生產資料，國內外研究表明，在糧食增產中優質良種所起的作用占1/3以上[1-3]。隨著精細農業的快速發展，種子精選分級系統逐漸向自動化、在線化的方向發展，既可以避免重播或補苗造成物力和人力上的消耗，又可以保證農作物產量。

目前，國內外在種子質量檢測算法方面有大量研究，但關于種子分級裝置的研究比較少，如Wan研制了一套谷物動態分級系統，通過機器視覺獲取谷物的數字化信息并發送給可編程邏輯控制器(programmable logic controller，簡稱PLC)，通過PLC控制對應電磁閥和高壓氣的通斷，將谷物吹入對應的6級通道，系統的處理速度為0.045粒/s，合格率為97%[4]。Pearson開發了一套低成本的線掃描系統，該系統在赤霉病小麥的檢測中從每粒谷物相對側采集雙色圖像，并進行實時處理，正確率達95%[5]。蔡衛國基于形態學信息并結合計算機視覺技術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到分級目的，準確率可達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確性比較差等。

針對上述研究的不足，本研究設計1種應用于種子分選的3自由度機械臂控制系統，以直角坐標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，達到自動化、在線化、精準化的種子分選效果。

1 種子分選機結構與工作原理

1.1 種子分選機結構

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，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，并將采集的數字圖像傳遞到計算機中進行圖像處理，得到種子數字化信息；三是種子分選控制系統，主要包括PLC、直角坐標機械臂、電感式接近傳感器、上位機、電磁閥、真空發生器、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，等待系統啟動，系統上電后，打開上位機，將種子輸送到圖像采集區域，傳感器觸發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，分別保存至文檔。由上位機讀取第1級種子坐標，并轉換成指令發送給PLC，進而控制直角坐標機械臂的X、Y軸運行至待分級種子坐標的上方，種子吸取準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的電磁閥和真空發生器，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分離器，重復該過程直至完成第1級種子的分選；第2級的分選過程與第1級的相同。

2 種子分選控制系統設計

2.1 控制系統總方案設計

種子分選控制系統的核心處理器PLC選用西門子公司生產的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。控制系統采用PLC控制3個步進電機驅動器，分別驅動3自由度的直角坐標機械臂X、Y、Z等3個方向的電機轉動，進而控制機械臂運動，另外通過繼電器控制電磁閥的通斷。控制系統結構如圖3所示。

2.2 種子分選控制系統硬件設計

2.2.1 步進電機驅動模塊 步進電機可以將電脈沖信號轉變為角位移，脈沖數與位移量成正比，具有精度高、可靠性高等優點。通過設置脈沖數控制步進電機的步長，進而控制3自由度直角坐標機械臂的移動，對準待分選的種子，保證分選的準確率。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°，保持轉矩為2.2 N·m，驅動電壓為24 V；配有型號為2DM542的細分驅動器，輸出電流為1.0～4.2 A，輸入電壓為24 V，本研究細分選擇1 600步/轉。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，驅動器選擇2DM556，輸出電流為0.1～5.6 A，細分選擇1 600步/轉。

2.2.2 3自由度直角坐標機械臂執行模塊 3自由度直角坐標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高精度定位等優點。由各個同步帶直線模組搭建成直角坐標機械臂的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，導程 75 mm，直線速度0～2 m/s，重復定位精度≤0.05 mm，適用扭矩<3 N·m。3自由度直角坐標機械臂通過上位機向PLC發送指令，控制步進電機驅動器驅動步進電機轉動，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、真空吸管和旋風分離器，該模塊采用的是負壓吸種技術，具有結構簡單、成本低等特點，關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。旋風分離器采用立式圓筒結構，氣體入口設計可分為上部進氣、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，以降低設備高度和造價。真空吸管選用內徑為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計有邊長為16 mm的正方形吸頭固定于直角坐標機械臂的Z軸上，隨Z軸上下移動吸取種子。

2.3 種子分選控制系統軟件設計

本系統的控制程序分為上位機軟件設計和PLC軟件設計等2個部分。

2.3.1 PLC軟件設計 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，主程序根據上位機指令來調用這些子程序，從而達到控制整個系統精確、快速運轉的目的，主程序流程如圖5所示。

分級系統在直線導軌起點處等待上位機指令，系統上電后，PLC主程序首先調用初始化子程序，包括通信口參數設置、自由口通信格式設置、進入中斷事件等，初始化完成后開始執行程序，PLC將接收到的上位機指令中的數據和控制字節存儲到V和M存儲區，存儲完成后電機通過控制字節、脈沖數和脈沖周期來控制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PLC接收到上位機指令后，系統控制直角坐標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定義的高度覆蓋種子，并打開對應的電磁閥，種子的位置坐標由上位機轉換為X、Y軸電機對應的脈沖數后放入指令中發送給下位機PLC，然后驅動電機轉動，控制直角坐標機械臂運行至種子的位置處，吸取種子完成分選。

在系統運行過程中，下位機會實時將X、Y、Z軸的運動狀態反饋至上位機中。另外，系統也具有一鍵復位的功能，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發送復位指令，PLC會按順序將X、Y、Z軸復位至起點，準備下一次的動作。

2.3.2 上位機軟件設計 上位機人機交互界面是基于C#.NET平臺和Visual Studio 2010工具開發的，通過RS-485與PLC進行自由口通信，可實現串口控制、模式選擇、參數設定、接收反饋數據等功能。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，并保存至txt文檔，當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，分別將X、Y坐標轉換為對應電機的脈沖數。3個步進電機驅動器的細分均設為1 600步/轉，即電機轉1圈的脈沖數為1 600個，通過標定得知電機每轉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。設已知的種子坐標為(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公式如下：

3 種子分選系統試驗及結果

為驗證種子分選控制系統的分選效率和精度，根據控制原理搭建實際系統，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直角坐標機械臂的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。將坐標紙置于搭建的平臺上并將激光筆置于真空吸管內一起固定于Z軸滑塊上，隨滑塊上下運行，以激光筆發射紅外光斑的中心為中心，將種子撒在選定的坐標紙(25 cm×25 cm)單元上進行測量。直角坐標機械臂X軸調試速度分別為 19 mm/s(v1)和95 mm/s(v2)，Y軸調試速度分別為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的定點運行，Z軸根據種子分選控制系統設計要求，在每粒種子被吸取后都須要進行復位，調試1種速度即可。真空吸管最底部呈正方形，邊長為16 mm。

為檢測直角坐標機械臂定點運行的重復性，選擇15粒黃瓜種子進行多次測量。記錄實際坐標值和每次測量中各個坐標點測量值的誤差，并計算標準偏差，結果如表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定點移動會造成誤差的累積，可通過系統復位的功能來減小誤差。由結果可知，X軸誤差的標準偏差 ≤1.5 mm，Y軸誤差的標準偏差≤1.0 mm，Z軸誤差的標準偏差≤0.4 mm。在不同電機轉速下測得的坐標值相差不大，都在種子吸管的可覆蓋范圍內，因此本控制系統的測量精度能夠滿足種子分選的要求。

表1 直角坐標機械臂定位精度測試結果 mm

3.2 分選效率

對黃瓜種子的分選作業進行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，得到每粒種子的坐標及大小，大小閾值設定為500像素2，將種子分為大粒和小粒2類，將對應坐標分別保存在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，在控制系統控制的3自由度直角坐標機械臂的精確定位下，種子分選系統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 結論

整個裝置采用3自由度直角坐標機械臂和PLC設計種子分選控制系統，實現精確的位置控制。基于C#.NET平臺和Visual Studio2010工具開發了人機交互界面，可以實時顯示種子位置坐標值并控制裝置的分級動作。直角坐標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，根據試驗數據可知，本控制系統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。

參考文獻：

[1]黃佩民. 選育推廣農作物優良品種[J]. 種子世界，1983(4)：4-5.

[2]湯其林. 良種繁育推廣對糧食增產的作用[J]. 種業導刊，2009(1)：5，8.

[3]康 敏，余登苑，楊明毅，等. 復合式種子靜電清選分級機[J]. 糧油加工與食品機械，1998(4)：30-31.

[4]Wan Y N. Kernel handling performance of an automatic grain quality inspection system[J]. Transactions of the ASAE，2002，45(2)：369-377.

[5]Pearson T C. Low-cost bi-chromatic image sorting device for grains[C]//ASABE Meeting Presentation. Portland：American Society of Agricultural and Biological Engineers，2006：63-85.

[6]蔡衛國. 種子精選分級試驗臺機構與控制方法研究[D]. 北京：中國農業大學，2005.

[7]李 剛，周文寶. 直角坐標機器人簡述及其應用介紹[J]. 伺服控制，2008(9)：72-75.

[8]張志遠，李 琪，畢海深. 基于直角坐標機器人的軟袋再包裝自動上料系統[J]. 制造業自動化，2012，34(3)：11-14.

[9]李 博，林岳凌，譚振豪. 基于直角坐標機器人的計量封印自動化包裝裝置[J]. 輕工機械，2014，32(4)：77-79.