基于视觉伺服的多品种育秧钵制造系统研究

　　摘要:育秧钵制造系统是用来制造林业和农业生产中所应用的育秧钵的系统。为保证种子的发芽率和成活率且移栽方便，并能提高生产率和自动化水平，设计了一种基于视觉伺服的多品种育秧钵制造系统，该系统可通过机器视觉自动识别不同种类的种子，从而制造出不同型号的育秧钵，且该农机能够满足不同种子对育秧钵土壤紧实度的要求。系统在此基础上增加了播种功能及可拓展配置钵体仓储自动化生产线，实现钵体的保湿存储。

　　关键词:视觉伺服;多品种育秧钵制造系统

　　1前言

　　20世纪70年代，我国开始了对育秧制钵机机械化研究，截至目前，已开发并研制了许多种类的制钵机。“七五”期间，我国首次引进了国外先进的自动化育秧生产线，该生产线主要负责农作物的育秧制钵工作。“八五”期间，通过对“盘苗设备及配套技术”的研究，使得“精密播种生产线”等先进设备得以发展，这批设备主要用于农作物育秧钵的制造。

　　“九五”期间，国家科委将“机械化制钵机的研制”这一课题列为主要攻关项目，在这一期间研制出了ZB50型机械化制钵机。该款制钵机所制造的营养钵能够大大地满足云杉等植物及玉米、瓜果等经济农作物的种植移栽要求，逐步使钵体的制造达到机械化水平。目前，我国涉猎这方面的研究越来越多，但对于育秧钵自动化系统的设计仍处于发展阶段。

　　基于视觉伺服的多品种育秧钵制造系统能够根据不同的作物种子制造出不同规格的育秧钵并进行播种和覆土，效果很好。为实现作物种子的分类，该系统采用带光线补偿的摄像头获取作物种子图像，通过树莓派嵌入式微处理器进行图像处理。采用atmega328P嵌入式微处理器与树莓派通信，进而控制下层伺服机构动作。制成的成品育秧钵可直接移栽培育幼苗，无须人力进行播种和覆土，可满足实际生产中对钵体规格的灵活要求。

　　2机械结构设计

　　2.1对执行机构运动要求

　　通过对多种制钵机的机械结构、工序及其各自的优缺点进行分析，以满足农作物育秧和秧苗成长环境的基本要求作为最基本的出发点，得出最符合要求的工序为:填料加底土———压紧并打出播种凹坑———播种———覆土———再压实———钵体脱模。此种工序最明显的优点是:在先后两次压实土壤的工序之间进行了先播种后覆土的工作，这样，第二次覆土操作对种子起到了保护作用，有效避免了种子受到机械损伤。

　　更加重要的是，两次覆土工作为种子的发芽和秧苗的培育创造了优良的成长环境。凹坑下端的营养土受到两次压实而变得比较结实，有利于钵体的冲出、移动和移栽等。而凹坑上端的营养土只经历了一次压实，土壤比较松软，有利于种子的发芽与成长。

　　2.2拌料、填料

　　将已经配好肥料的土壤倒入填料搅拌箱和覆土搅拌箱内，利用搅拌器对其进行继续搅拌，并通过搅拌流入模孔中，然后把多余的土壤刮平。搅拌器所做的连续旋转运动阻止了营养土的停歇状态，使土壤不断地被搅动，该制钵机的模孔转盘凭借齿轮的啮合实现连续的回转运动。

　　2.3物料输送和工序转移

　　根据育秧钵的加工工序，模孔转盘上的模孔数要设为9个，其作用和用途分别为待料模孔、填料模孔、冲压成型模孔、播种模孔、覆土模孔、二次冲压模孔、冲出模孔等等，其中，冲压成型、二次冲压和冲出动作都是冲头在跟随转盘转动过程中同时实现的，工序的转换也是通过转盘的转动来实现的。

　　2.4钵体的成型和冲出

　　为简化设备结构，将两次冲压冲头和冲出冲头由同一个机构来带动，3个冲头在偏心轮的带动下做上下的往复运动及随着转盘转动的周向转动，从而实现钵体的冲压成型和冲出。由于冲压和冲出所需要的行程不同，所以3个冲头虽然运动轨迹类似，但长度不同，其长度和钵体的大小与转盘的尺寸及土壤压缩比有关。

　　2.5播种和覆土

　　钵体的第一次冲压成型和第二次冲压之间应设有播种和覆土机构，播种机构和连杆紧固在一起，随着冲头的运动规律进行运动。第一次冲压成型后，钵体退出模孔升高的过程中带动播种机构中的推杆一起升高，推杆底端设有可漏过1颗丸粒化种子的孔眼，当连杆运动到最高点时，就会漏过一颗种子，直接落入钵体凹坑内。覆土机构与填料搅拌器的结构一致，都是通过搅拌器的回转、土壤的重力及流动性来完成。

　　2.6协调配合关系与整体设计

　　为使该机构实现设定的功能，要求各个机构(包括动力机构、传动机构、执行机构以及其他辅助机构)之间满足一定的运动协调关系，完成功能的同时还不能发生干涉。由于机构的模孔转盘为连续回转状态，因此3个冲头在钵体冲压成型和钵体冲出的过程中要能够与转盘一起转动，而且在完成冲压和冲出的动作后，应能立即回到原始位置，继续接下来的循环动作。

　　另外，冲头在行程结束时(即冲头在进行冲压和冲出动作之前)，要能够精准地与转盘上的模孔相配合，从而使冲头的冲压与冲出工作准确进行。因此，要求带动冲头做上下往复运动的曲柄滑块机构以及带动模孔转盘做连续转动的齿轮机构，具有精准的速度比和传动精度。

　　3硬件设计

　　3.1伺服控制模块设计

　　目前开发所用的单片机种类繁多，其性能各有千秋。在选用单片机时，首先需要考虑其完成任务的复杂程度，并且根据任务的复杂程度，综合分析所选单片机的数据总线宽度、寻址能力、中断能力、指令系统和执行效率等功能，确保这些功能可使任务顺利完成。在此育秧钵系统的设计中，采用atmega328P单片机。atmega328P的控制核心是AVR高速单片机ATmega8。AVR单片机是新一代基于架构的高速RISC微控制器，具有速度快、价格低、可靠性高、I/O口线驱动能力强和片内集成外设资源丰富等优点。

　　3.2串行通信

　　串行通信具有节省传输线的优点，特别是当数据位数很多及需要远距离传送时，这一优点更加突出。计算机与外界传送数据大多数采用串行方式，其传输距离可从几米～几千米，因此该设计选用串行通信MAX232。RS-232在异步串行数字通信中被广泛使用，由美国电子工业协会EIA公布并修订而成，成为计算机与桌面设备之间最简单、有效、通用的连接通道之一。

　　但近年来出现了许多单电源电平转换芯片，其中最为流行的是MAXIM公司的MAX232芯片，它提供4路转换通道，其中两路用于将RS-232电平转换为TTL电平，另外两路用于将TTL电平转换为RS-232信号。MAX232芯片具有完成电平转换、实现串行通信的功能。该芯片外围需接4个1μF/25V的电解电容，以满足内部电源转换所需。

　　4软件设计

　　软件设计方面:采用模块化系统来提高开发效率。将软件系统分成若干个程序子模块，每1个子模块都有着各自不同的功能，并且程序子模块之间分别进行编程和调试。为有效提高软件系统的设计效率，伺服控制系统仍采用模块化的设计方法，开发软件为arduino和Python，使用C语言和Python语言进行编写。利用开发单片机系统，可使编程工作量大幅减少，还便于软件的维护和修改。整体系统主要包括上层的图像处理程序，下层的伺服控制程序。

　　图像处理方面:首先要将摄像头获取的图像进行滤波去噪，获得较高质量的图像。然后采用模板匹配方法，将获取的图像与事先制作好的图像模板进行匹配。或采用获取多幅不同条件的图像进行主成分分析，获得统计指标，判断种子类别。伺服控制方案的确立是由Atmega328P系统通过串口与树莓派图像处理模块相连接，获取图像处理的结果，实时处理获取的种子类别信息，并驱动伺服电机动作，选择和种子类别对应的执行机构进行育秧钵的制造。

　　5结语

　　采用机器视觉识别种子类型可提高生产效率和准确率。采用伺服控制可提高生产力、解放重复的人力劳动以及生产不同规格的钵体，从而在实际应用中提高生产效率和减少生产成本。在应用领域方面，可用于大型育苗生产基地的幼苗培育，也可用于小型农业生产大棚的幼苗培育，具有应用范围广、适应性强的优点。

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　　农业方向刊物推荐：《农机化研究》(月刊)创刊于1979年，由中国农业机械学会农业机械化分会、黑龙江省农业机械学会、黑龙江省农业机械工程科学研究院主办。自创刊以来，历届编委及编审人员以交流大农业概念下(包括农、林、牧、副、渔)的机械化、电气化、自动化的学术、科研成果以及与之相关的综合性述评为办刊宗旨，严把质量关，使本刊的知名度与学术地位日渐提高。