蔬菜钵苗穴盘间移栽执行器设计、移栽信息检测与路径规划

【摘要】温室穴盘苗培育技术已在全世界范围内广泛应用,移栽作业是育苗后期的重要环节。开发钵苗移栽机器人代替传统手工作业,可大大提高作业效率,减轻作业者劳动强度,解决劳动力短缺问题,且使苗的移栽一致性比率高。我国是以蔬菜栽培为主体的世界设施农业生产大国,采用机械化移栽将产生较好的经济和社会效益。基于此本论文以温室蔬菜番茄、黄瓜穴盘苗为研究对象,开展了温室钵苗机械化移栽作业的钵苗可移栽状态研究、移栽末端执行器的创新设计和试验、钵苗健康信息机器视觉获取方法和机构创新、移栽作业路径控制策略和优化四个方面的研究。主要研究内容和结论如下：(1)基于万能试验机平台设计了可调指针夹持压缩苗坨的力学测试系统,用于测量抓苗指针水平向心挤压苗坨时抗压力的变化。进一步研究指针夹持角度、夹持指针数、苗坨含水率、钵苗长势和苗坨基质配比五个因素对抗压力的影响,以提高末端执行器抓苗可靠性。指针夹持角7°和10°时苗坨抗压力随压缩量增加逐渐上升,相比4°和13°稳定性要好,且7°指针相同压缩位置能获得更大抗压力；四指对称式指针对苗坨的向心夹持压缩变形比三指式更稳定,能产生更大的抗压力；所测四个含水率水平(65%,75%,85%,88%)苗坨抗压力对比中,85%水平苗坨抗压力随挤压增加更多,其基质间的粘结力和可塑性综合性能好；主根系发达可使苗坨结构稳定性更好,小苗、中苗和大苗苗坨的指针夹持抗压力随平均根系长度增长而增加,大中苗(根系大于87mm)苗坨可得到稳定上升的夹持压缩力学特性；基质配比(泥炭：蛭石：珍珠岩)中硬物料蛭石的适量增加可减少苗坨可压缩空间,使抗压力得到增强。(2)围绕稳定抓取和主动分离的功能要求,设计双气缸驱动的插入夹取式末端执行器,通过插入苗钵、夹紧、提升、释放、苗针分离的动作,可实现钵苗移栽作业。末端执行器关键参数可调整满足不同大小钵苗夹取尺寸和角度要求,实现稳定抓取；同时指针管与指针的相对位置调节可实现苗坨与指针主动分离。基于可获较大抗压力研究,即指针夹持角7°-10°,苗坨基质配比6：3：1(泥炭：蛭石：珍珠岩),苗钵含水率85%左右时,开展对番茄、黄瓜穴盘苗的移栽试验,结果表明：三针或四针插入夹取式末端执行器移栽成功率在95.8%以上,其中对大、中苗的移栽成功率达到100%的效果；四针式末端执行器移栽成功率均为100%,比3针式更稳定；伤苗率均在3%以内,满足移钵作业需求。(3)通过机器视觉技术测量叶面积实现穴盘中钵苗生长状态和位置信息的检测。灰度增强、阈值分割、噪声过滤等图像处理技术将幼苗从背景中提取出来。针对穴盘苗叶片跨界重叠导致识别难的问题提出两种解决方案：一是叶片重叠不严重时,采用改进型分水岭算法分割,包括形态学梯度增强、重构、标记提取和分割,相比标准分水岭算法图像中单连通域减少45%-55%,过分割现象得以缓解,且所有跨界重叠的叶片均得以分割,基于此对番茄和黄瓜苗健康状况的判别准确率分别达98.9%和98.6%；二是叶片繁茂、跨界重叠叶片面积较大时,继续采用分水岭算法分割判别准确率会下降,设计了辅助机器视觉识别的间苗机构,改变叶片自然伸展重叠状态,通过比较各像素分量值的方法将蓝色分隔片从穴盘苗图像中去除,继而进行目标提取、面积计算和健康质量判别,对番茄和黄瓜苗质量判别的准确率均为100%,进一步延长了穴盘苗的自动化移栽周期。(4)通过单末端执行器移栽系统进行稀植移栽和补苗作业实现一机多用的功能时,作业路径需要规划。对路径选择问题进行建模与分析,发现此问题类似为NP问题,运用穷尽算法获取最优路径方法不可行。采用贪心算法对四种固定顺序方案的稀植移栽路径分别优化,统计对10组穴盘稀植移栽总路径,相比优化前路径长度可缩短4.4m至9.55m,优化幅度达19.4%至40.8%,总体贪心算法优化后方案比固定顺序方案要好。采用遗传算法对空穴补苗路径进行规划,对遗传算子的选择、交叉、变异、重插入操作和算法终止条件进行了改进,优化运算在第25代左右可得到收敛。对10组穴盘进行补苗试验,所得路径总长度比常规固定顺序路径长度缩短3.7m以上,优化幅度8.5%以上,可稳定得到整体优化路径,算法平均运算时间0.65s,说明可以快速得到移钵路径的优化解,满足移钵作业实时性的要求。以上研究成果为开发具有自主知识产权的、适合我国国情的、能实现产业化的温室内钵苗自动移栽机器人打下重要的理论和研究基础。
【作者】童俊华；
【导师】蒋焕煜；
【作者基本信息】浙江大学，农业机械化工程，2014，博士
【关键词】移栽机器人；穴盘苗；末端执行器；机器视觉；图像处理；路径优化；

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