丘陵山區多功能移栽施肥農作小車設計與試驗

任金波,陳思怡,林 昕,池哲溫,林 婷,鄭書河

(福建農林大學 機電工程學院,福州 350002)

0 引言

南方丘陵山區幅員遼闊,地形多種多樣,是我國重要的糧食、蔬菜瓜果、青飼料等農作物生產基地,在我國農業生產中占有重要的地位[1]。然而,丘陵山區的農機化發展緩慢,丘陵地帶應用的多為功能單一、通用性差的農機裝備,特別是蔬菜生產的機械化水平遠低于大宗糧食作物,影響著蔬菜的種植效率和質量,嚴重制約了蔬菜產業的發展[2]。目前,國內外眾多學者已針對大田塊的蔬菜類移栽種植機器開展了大量研究。胡建平等人通過可編程控制器PLC設計的控制系統,可提高自動移栽機取苗的控制精度和協調配合程度,并實現了整排取苗和間隔投苗的種植功能[3]。張開興等人針對番茄半自動移栽機效率低、傷苗漏苗、人工成本高昂等問題,設計出彈性指針夾緊式取苗機構[4]。田素博等人針對當前人工喂苗工作效率低、漏苗率高等問題設計的蔬菜移栽機自動喂苗裝置,具有體積小、安裝方便等優點[5]。朱興亮等設計了茄果缽苗自動移栽機,可滿足新疆地區茄果類蔬菜缽苗的自動移栽需求,栽植合格率為97.50%[6]。石河子大學王寧等人設計了整排取投苗的控制系統,通過三點定位的取投控制方法,可控制步進電機和氣缸協同工作[7]。南方丘陵地區地塊小,坡道陡,設備體積過大和操作復雜的農機裝備不適宜在該地區使用,而體積小且可同時完成移栽和定量施肥的農作小車裝備較少,嚴重影響了蔬菜移栽和定量施肥環節的種植效率。針對此問題,本文設計了一種可滿足大部丘陵地區種植需求的跨壟式移栽施肥農作小車,可保證在較小的裝備結構體積和質量下,降低使用者操作難度,只需通過更換功能模塊即可實現不同作物的移栽、施肥生產需求,從而提高機器的通用性和利用率。

1 結構設計方案

1.1 整體結構及工作原理

丘陵多功能移栽施肥農作小車由跨壟式行進底盤、可拆卸上層結構、避障與視覺系統組成,如圖1所示。

圖1 丘陵多功能移栽施肥農作小車整機結構Fig.1 Structure of multifunctional transplanting and fertilizing farm trolley on hills

農耕作業前,使用者根據不同農作要求更換所需模塊,在控制面板選擇當前種植的蔬菜株距,裝填耕作所用的材料;將多功能移栽施肥農作小車放置在田地里的恰當位置,啟動小車。工作時,小車以設定的速度橫跨田壟前進,通過超聲波和紅模塊來實現田壟自動循跡功能;當小車運行到既定耕種位置時,小車停止并實現當前植株的農作任務。當選擇移栽模塊時,單片機發送指令控制舵機旋轉,利用螺旋式的結構將苗種推到出苗口,苗種通過下方輔助裝置完成當次補苗任務;當選擇施肥模塊時,通過OpenMV機器視覺模塊進行目標耕作位置的識別,判斷識別到施肥對象后,發送指令控制舵機旋轉帶動施肥裝置,定量施肥給蔬菜,完成當次施肥任務。完成當前農作任務后,控制系統發送信號使小車繼續前進完成后續植株的農作任務。

1.2 跨壟式行進底盤設計

根據丘陵地區小田塊的作業要求,設計了可在田地里穩定行使的跨壟式行進底盤。機架由寬度(mm)×高度(mm)×厚度(mm)分別為15×15×2和50×10×2的鋁方管通過鉚釘固定。底盤的中間部分離地間隙高度為250mm,車架總長為640mm,總寬為300mm,符合丘陵地區小田塊種植模式與農藝要求。底盤輪組由4個M2006 P36直流無刷減速電機來驅動4個直徑為75mm的麥克納姆輪行走,左右輪距為400mm,前后軸距為200mm。小車無需進行轉向即可實現前行、左右橫移等動作,很好地適應丘陵地區不規則形狀壟形狀,大大縮短行進的時間,提高工作效率,如圖2所示。

1.超聲波模塊 2 .底盤支架 3.電源模塊放置倉 4.電調 5.輪組驅動電機 6. 麥克納姆輪圖2 跨壟式行進底盤示意圖Fig.2 Schematic diagram of Cross Ridge traveling chassis

1.3 可拆卸上層結構

由于可適應丘陵地區的機器的底盤體積小,可同時裝載的功能模塊少,因此為丘陵多功能移栽施肥農作小車設計輕量化的“可拆卸上層結構”,分為移栽補苗模塊、施肥模塊和精確作業輔助裝置。工作時,用戶可以根據使用場景需求更換裝載在底盤上的模塊,整體機構拆裝方便且總體積小。

1.3.1移栽補苗模塊設計

目前,我國現有的移栽機械的設計方案很多,但通常借鑒發達國家的相關技術,標準化程度不足,機械化水平不高。小型移栽機械受限于機械本身體積大小,可采用的移栽裝置設計較少,多采用圓盤式結構,容易出現卡苗、傷苗、漏苗等情況[8]。為了避免由于圓盤式結構旋轉式對種苗的傷害,基于螺旋推進原理設計了“螺旋式推進機構”,如圖3所示。

1.驅動裝置 2.舵盤 3.苗補充盒 4.模擬種苗 5.螺旋體 6.出苗口圖3 螺旋式推進機構結構圖Fig.3 Mechanism structure of spiral propulsion

螺旋式推進機構主要由螺旋體、驅動舵機、法蘭及苗補充盒等結構組成。其中,螺旋體的螺距40mm,起始角度180°,順時針旋轉,厚度最大為8mm。舵機通過法蘭與螺旋體連接,控制該螺旋推進機構旋轉。種苗在自重和螺旋體螺旋葉片阻擋的作用下,立在苗補充盒內;螺旋體旋轉時,法向推力沿著苗補充盒軸向推動,將放置在螺旋體結構內的種苗依次推到苗補充盒出苗口,掉落進出苗口下方的精確作業輔助裝置;當小車上搭載的視覺攝像頭識別到落苗位時,單片機發送指令控制舵機旋轉360°。該螺旋體結構可做到1圈1苗,有效地實現了作物幼苗的補充、種子的輸送等功能,避免了漏種、多種的情況。

1.3.2施肥模塊設計

施肥模塊包括肥料補給盒和施肥可調節機構,如圖4所示。

1.電源模塊放置處 2.肥料出料口 3.施肥可調節機構 4.施肥模塊外殼 5.肥料補給盒圖4 施肥模塊示意圖Fig.4 Schematic diagram of fertilization module

肥料補給盒用來存放肥料,對施肥可調節機構進行肥料補給。施肥可調節機構由梅花手柄螺栓、調節轉板、施肥可調節機構外殼和底盤構成,如圖5所示。

1.柄固定螺母 2.調節轉板 3.手梅花手柄螺栓 4.施肥可調節機構底盤 5.施肥可調節機構外殼 6.刻度 7.施肥可調節機構外殼和底盤螺紋連接處 8.舵盤 9.肥料出料口圖5 施肥可調節機構結構簡圖Fig.5 Structure diagram of fertilizing adjustable mechanism

施肥可調節機構外殼外標有刻度,使用者只需調節機構里面的轉板位置,選擇所需要的肥料使用量,再用梅花手柄螺栓鎖緊即可。該結構分為施肥進料區域和出料區域,肥料補給盒對進料區域進行肥料裝填;當識別到施肥位時,單片機將信號傳遞給施肥可調節機構,機構底部舵機控制機構水平面旋轉,將已裝填好定量肥料的肥料塊旋轉到出料區域,進行當前施肥流程。該機構可調節肥料進給量,提高施肥的精準度,減少肥料浪費,且拆裝簡單方便清洗,可以裝填多種形態的肥料。

1.3.3精確作業輔助裝置

精確作業輔助裝置安裝在移栽補苗模塊主體下方,由落苗保護支架、舵機支架、舵機及其他標準零部件組合而成,如圖6所示。

1.落苗保護支架 2.落苗模塊下方板材 3.落苗出口 4.舵機擺臂 5.數字舵機 6.舵機支架圖6 精確作業輔助裝置示意圖Fig.6 Schematic diagram of precision operation AIDS

該裝置的作用在于移栽補苗作業時通過落苗保護支架輔助苗種下落至目標坑位不倒伏,減少種植過程中出現的苗倒伏的情況。當小車結束落苗作業時,舵機控制落苗保護支架水平旋轉180°,避免落苗保護支架撞到已種植完成的農作物。

2 避障與視覺系統設計

2.1 自動避障系統設計

超聲波不受色彩、磁場、光線等影響因素的干擾,測量與周圍物體的距離并將測距信息作為處理器輸入量;同時,超聲波模塊具有能夠在黑暗或灰塵多的環境里正常運行、硬件成本低等優點,在移動機器人設計領域被廣泛使用[9]。由于丘陵地區的田塊較小,超聲波的測距范圍足夠滿足丘陵多功能移栽施肥農作小車的工作需求,故小車的自動避障系統采用模糊控制技術,使用多個超聲波融合的方式來提高小車的定位準確度。在跨壟式行進底盤的前面、后面、內左、內右4個方向各安裝了1個HC-SR04超聲波模塊,用來測量與田塊邊緣距離和與壟道的距離。傳感器的位置分布如圖7所示。

圖7 超聲波傳感器分布圖Fig.7 Distribution of ultrasonic sensors

將4個傳感器的測距信息作為主機的輸入量,經過STM32F105R8T6處理器將處理輸出,控制小車的運動方向。在農耕作業過程中,小車整機動作分為壟道上方前進動作和更換壟道動作,故在算法上設計整機動作為前進模式和避障模式。前進模式是算法根據內左和內右的兩個超聲波對壟道邊緣的測距信息作為輸入,來控制小車車身平行于壟道行駛。小車從起始位置出發默認為前進模式,基于該模式小車在視覺識別的輔助下進行農耕作業活動。避障模式下,算法以前后的超聲波對壟道邊緣的距離作為輸入,當一方的距離小于40mm時小車停止前進,左邊或右邊移動適當距離。當避障模式結束后,小車切換回前進模式。在小車完成當前農耕作業任務過程中,根據4個傳感器的測距信息來切工作模式,直至完成作業任務。避障模式和前進模式切換的切換關系如圖8所示。

圖8 前進模式和避障模式間切換關系Fig.8 Switching relationship between forward mode and obstacle avoidance mode

2.2 機器視覺系統

機器視覺實時拍攝并處理當前圖像信息,獲取當前區域范圍的障礙物信息。相較于其他傳統傳感器,機器視覺所使用的攝像頭不發射信號影響外界環境,通過相機可以獲得更寬廣的視角,且價格更低,故作為農業機械的障礙物檢測和識別更具有優勢[10]。由于丘陵種植的大部分農作物顏色單一,植株顏色與周圍土壤環境的色差明細,因此采用色塊捕捉技術對攝像頭捕捉到的圖像進行色塊分析。機器視覺系統主要由openMV攝像頭、MT9M114感光元件、STM32F7處理器和LED燈帶組成。攝像頭安裝在小車的上層結構下方,并在其周圍粘貼LED燈帶,用來補充由于車身遮擋而減少攝像頭視野里的光源,避免攝像頭因環境光影響而降低識別率。當小車在田地里運行時,實時采集壟道上的圖像,利用Python語言將攝像頭捕捉到圖像進行二值化處理;當捕捉到農作物的圖像時,通過STM32F7處理器將結果輸出,控制小車停下;將信號傳遞給上層結構,控制模塊內的舵機旋轉,完成當前種植任務。計算機視覺系統的安裝位置如圖9所示。

圖9 計算機視覺系統Fig.9 Computer vision system

3 整機性能試驗

3.1 試驗方案

為驗證丘陵多功能移栽施肥農作小車的穩定性和準確性,設計了模擬丘陵地區小田塊種植的實際狀態的小田塊移栽和施肥試驗區,進而對小車整機系統的工作性能進行試驗。試驗區四周用高15cm的圍欄圍住,內場地設有5條長240cm、寬30cm、高12cm的模擬田壟,相鄰田壟之間、圍欄與田壟留有壟溝,壟溝寬30cm;在每條壟溝鋪放丙綸地毯,用來以模擬田地的松軟路面,如圖10所示。試驗使用ABS材料打印的RGB值為(0,255,0)仿真農作物進行移栽試驗,作業肥料使用直徑約4mm PP塑料小球模擬。

圖10 丘陵多功能移栽施肥農作小車現場測試Fig.10 On site test of multifunctional transplantation and fertilization of farm cars in hills

3.2 性能試驗

3.2.1移栽性能試驗

移栽功能試驗使用高度為5cm仿真種苗,如圖11所示。試驗時,將上層模塊更換為移栽補苗模塊,裝填仿真種苗,在控制面板上選擇株距,并在壟道對應位置放置圓形靶;每種間距進行不少于10次測試,取測試結果的平均值算出丘陵多功能移栽施肥農作小車在不同間距下移栽的成功率和準確率。在移栽過程中,模擬苗種落地后不倒伏即為移栽成功;模擬苗成功落地后苗底座完全落在圓形靶靶心內,即為準確移栽。選取10～25cm的5個間距進行多次移栽測試,結果如表1所示。

表1 移栽功能試驗Table 1 Seeding function test

3.2.2施肥功能測試

施肥功能試驗使用高度為20cm仿真植株,仿真植株下放設置底盤用來收集小車補給的肥料,如圖11所示。在每個田壟上沿中線根據已設置的株距放置好仿真植株,將上層模塊更換為施肥模塊,裝填模擬肥料,手動調節施肥模塊設置施肥量。取不同間距和不同的施肥量進行測試,結果如表2所示。

表2 施肥功能試驗Table 2 Fertilizing function test

4 結論

1)整機采用了跨壟式底盤結構設計,體積小,結構簡單輕便。小車使用麥克納姆輪,能夠在小田塊中實現高效移動,通過性良好。同時,搭載了輕量化的可拆卸上層結構,只需更換模塊即可實現多種蔬菜的移栽和施肥作業要求,滿足丘陵山區多功能農耕作業機的作業需求。

2)移栽補苗模塊利用螺旋式推進機構可有效地實現作物幼苗的補充、種子的輸送等功能,能夠明顯地改善卡苗、傷苗、漏苗的現象,提高移栽效率。

3)施肥模塊的施肥可調節模塊結構簡單,可手動選擇當前農耕活動所需要的肥料量,操作方便,有效地提高了肥料的利用率。

4)小車整機性能試驗表明:在設置間距10～25cm的株距下,移栽平均準確率在96.85%,施肥誤差在4%以內。上層結構的種補苗模塊和施肥模塊的運行性能良好,能夠高效完成丘陵地區小田塊的農耕作業活動,具有較高的通用性和利用率,市場前景廣闊。