【某移栽机整机协同及自适应喂苗控制设计案例分析7800字】

VII某移栽机整机协同及自适应喂苗控制设计案例分析在育苗过程中，不可避免的会出现所育钵苗出现坏苗空穴等现象，同时采用专用取苗铲一次取多颗穴盘苗也会出现漏取的现象，因此喂苗过程中，如果喂苗机构喂苗杯出现无苗的情况，那么喂入栽植器的仍为空苗，将会导致漏栽，影响移栽的质量。本章设计移栽机整机协同控制系统，满足移栽的株距不变，设计自适应喂苗控制系统，实现对喂苗机构有苗的喂苗杯准确高效喂苗，同时能够“跳”过无苗喂苗杯保证每一次都能喂入钵苗到栽植器，解决喂苗作业过程中因缺苗而导致的漏栽问题。1.1整机协同及自适应喂苗控制设计要求协调控制部分主要包括自适应喂苗系统、株距可调控制系统以及二者的协调匹配，其中自适应补偿控制系统主要包含钵苗识别与喂苗补偿控制，株距可调控制系统主要是栽植电机与行走电机匹配控制。1.1.1整机协同控制设计要求为了减小移栽机体积，相比于国内移栽机采用纯机械方式进行植苗，本文采用机电结合的方式，通过对栽植电机和行走电机的匹配来达到稳定株距的目的，通过协同控制两个电机，达到株距可调的目的，系统设计目标及方案如下所示：给定株距快速准确的完成作业，移栽作业时，信号采集器实时测量移栽机器行走速度，通过对行走速度的测量实时的改变栽植电机的转速进而改变栽植频率，保证株距不变。设计多种株距的移栽。在控制系统中，设置多种株距以及多个栽植频率的移栽，完成其协同控制。具有一定的故障检测及判断能力，当行走轮测量速度速度时出现偏差很大时，控制系统应具有诊断功能，具体方法为给定阈值来限定，当超出范围内，数据应当舍去，防止栽植频率波动幅度过大。具体工作过程为：首先选择合适株距，按下株距开关按钮，启动移栽机，调节行走电机速度调节器改变行走速度，霍尔传感器实时测量移栽机行走速度并将信号传递给控制器，控制器根据行走速度计算出栽植电机转速，通过电机控制器改变栽植电机转速从而改变栽植频率，确保株距不变。1.1.2自适应喂苗控制设计要求针对半自动移栽机喂苗效率低、漏栽率高的问题，自适应喂苗系统设计应满足如下要求：（1）具有较高喂苗效率，人工通过专用取苗铲一次取多颗穴盘钵苗放入喂苗机构中，减少取苗次数，提高喂苗效率，从而提高移栽效率；（2）具有缺苗检测的功能，通过设置钵苗检测系统对喂苗杯中钵苗进行识别，判断喂苗杯中有无钵苗，从而进行喂苗补偿控制。（3）具有可靠性和抗干扰性，移栽作业环境复杂多变，自适应喂苗控制需要适应这种环境。（4）具有状态监测功能，喂苗过程中应该实时检测系统运行状态，对出现的问题进行及时反馈，包括错误状态、缺苗状态等判断。（5）具有较强的通用性，喂苗系统应适应不同的钵苗，对不同钵苗都能准确识别并作出判断。通过对自适应控制系统的分析，自适应控制系统应该包括钵苗检测系统以及喂苗补偿控制，通过钵苗检测系统的分析判断连续缺苗苗杯的个数，进行相应的喂苗补偿控制，达到高效准确喂苗。1.2整机协同控制设计本文小型半自动移栽机主要用于设施、大棚内，为了减少移栽机的体积，栽植器电机和行走电机没有采用目前国内大多数使用变速箱实现固定传动比，而是通过采用机电结合的方式，通过测量移栽机前进速度调节栽植器电机的栽植频率来改变株距、实现栽植株距稳定。本章主要介绍小型半自动移栽机株距可调控制方案，搭建控制系统并在沙土上进行了实际试验。π1.2.1协同控制理论分析与推导在保证株距不变的前提下，移栽机在作业过程中栽植器的移栽距离等于行走轮移动的距离。设栽植频率f（株/min）、行走轮直径D（mm）、行走电机转速nz（r/min）、栽植株距L（mm）,则上述关系可以表示为：（4.1）因此，栽植频率f（株/min）可表示为：（4.2）根据设计要求，移栽机栽植频率选定48（株/min）、50（株/min）、54（株/min）、58（株/min）、60（株/min），栽植电机通过齿轮传动驱动鸭嘴栽植器，移栽一次由于栽植器中心轮转动N圈，因此栽植频率f（株/min）与栽植器驱动转速nQ（r/min）关系为：（4.3）根据本移栽机的特点，给定行走速度和不同的栽植频率，测定株距的实际值，计算株距变异系数来进行分析。1.2.1整机协同控制方案设计株距可调控制主要是栽植电机和行走电机可变传动比来实现，结合本移栽机的特点选用两相直流电机分别驱动栽植器和行走轮，运用霍尔传感器采集刹车盘转速后根据传动比计算出行走轮轮速，选择合适的株距后，由控制器计算出栽植电机所需要的转速。栽植电机转速的控制方法为通过控制器输出模拟电压至栽植电机控制器再有电机控制器控制转速，模拟电压与转速的关系由试验的方法得出。整体控制框图如图4.1所示。图4.1整机控制框图1.2.3驱动电机转速测量与控制测量转速的方法主要有M法测速、T法测速、M/T法测速，其中M法适合测量较高速度准确性高，T法在较低速度的测量有良好的分辨率，而M/T法即适合测量高速也适合测量低速。1.2.1.1行走电机的测速本文采用T法测速，因移栽机在作业工程中前进速度较慢，具体方法为：霍尔传感器安装在刹车盘旁，如图4.2所示，主动轮的刹车片均匀放上八块磁铁，刹车片上的磁铁经过一次霍尔传感器，将输出一次脉冲信号，行走轮每转一圈，控制器接收8次脉冲信号。控制器采集相邻两次的信号时间T（s），则主动轮nz（r/min）可表示为：（4.4）行走轮的前进速度vt（mm/s）为：（4.5）图4.2刹车盘1.2.1.2栽植电机的转速控制栽植器执行栽植动作需要栽植电机驱动，栽植电机转速的控制方法为通过控制器输出模拟电压至栽植电机控制器再有电机控制器控制转速，模拟电压与转速的关系由试验的方法得出，对栽植电机进行标定，不同电压下的栽植频率分别为多少，然后选择合适电压，进而选择；模拟电压与栽植频率对应关系如表4.1所示。模拟电压与转速的关系由试验的方法得出，采用控制器输出给定模拟电压输入电机控制器，用计数器测量每分钟栽植频率。表4.1模拟电压与栽植电机频率的关系。模拟电压栽植频率1.9482.0502.1522.2542.3562.4601.2.4移栽机驱动电机的选型本文设计的整机控制方案主要实现行走电机和栽植电机的协同控制，从而达到株距稳定以及方便调节的目的，下面对两个电机进行参数的选型。（1）行走电机选型行走电机在作业地面行走时，忽略风阻等影响小的因素，其输出的功率应该大于移栽机前进的最大速度所消耗的功率。则其输出额定功率应满足如下条件：（4.6）式中：Pu—轮毂电机的额定功率，kw；η—传动系效率，取0.9；m—移栽机重量，kg；g—重力加速度，m/s2；f一滚动阻力系数，取0.35；vm—电动底盘最高行驶速度，km/h。由公式（4.6）计算得到Pu>=0.2160W，考虑到移栽机后备功率应大一点，因此选用48V，500W的直流电机，型号为，参数如表4.2所示。表4.2行走电机主要参数（2）栽植电机选型鸭嘴栽植器由栽植电机进过内置齿轮驱动，变速比为1:35，要求栽植器的栽植速度能达到60株/分钟，因此转速需达到n=35*60=2100转/分因此选择电机转速需要大于2100转，综合考虑选择转速为2800r/min、额定功率为500W的型号，参数如表4.3所示，符合设计要求。表4.3栽植电机主要参数1.3自适应喂苗机构控制系统设计1.1.1自适应喂苗机构控制系统总体方案设计自适应喂苗系统包括钵苗识别系统和喂苗补偿系统，通过两种方案的配合，检测出喂苗杯钵苗的有无以及喂苗杯中出现无苗的情况时，自适应喂苗控制系统如何进行喂苗补偿，保证每一次都能准确喂入钵苗到栽植器。1.1.1.1钵苗识别方案设计随着农业精细化的发展，钵苗检测技术成为当下重点，目前，采用的钵苗检测的方法主要有以下两种方法，首先是机器视觉检测法，机器视觉检测法通过摄像头采集钵苗生长照片，经过图像处理，提取钵苗的形态，分析钵苗生长状态等信息，可以实现钵苗检测、健康苗判断等多种功能，但需要比较稳定的作业环境，且成本较高、结构复杂；另一种是光电传感器检测法，通过光电检测装置检测钵苗的茎叶，分析有无钵苗，这种检测方法是一种成本较低的方法，主要用于钵苗有无的判断，合理运用传感器就能获得较高的精度。本文在光电传感器检测法的基础上，通过设置多个光电传感器对喂苗杯钵苗茎叶来进行钵苗的检测。移栽机工作时，穴盘钵苗在喂苗机构喂苗杯中运动，通过在待喂苗位置前第四个苗杯出设置多个漫反射式光电传感器来对喂苗杯是否存在钵苗进行判断，判断方法为一个喂苗杯运动时，一组光电传感器是否有信号，如果存在信号，认为喂苗杯中存在钵苗，反之，认为不存在，多个传感器检测有利于减小误差。钵苗识别检测原理图如图1.1所示。图1.1钵苗识别检测原理图1.1.1.2喂苗补偿方案设计（图参考文献1）钵苗补偿一般需要建立在钵苗识别的前提下，通过来识别钵苗的是否存在或者健康来进行钵苗的补偿，目前钵苗补偿方法主要有以下几种，第一种是在育苗完成时，通过机器视觉技术，运用机械手对钵苗的分选，主要应用于温室的移栽，第二种是在移栽过程中，在钵苗识别的情况下，运用机械爪有选择的取苗或者添加补苗机构对未取到的钵苗进行补苗。结合本文研究移栽机以及喂苗机构的作业特点，在钵苗检测装置检测完钵苗后，通过喂苗机构、钵苗检测系统以及栽植器协调控制的基础上，在无苗的喂苗杯到达待喂苗位置且当栽植器上升至指定位置时，喂苗机构的动力装置——喂苗步进电机加速转动，带动同步带上的无苗的喂苗杯快速通过，此时有苗的喂苗杯的钵苗准确喂入栽植器中。如图1.2所示。图1.2自适应喂苗系统作业原理图1.1.2穴盘钵苗检测系统设计钵苗检测系统由检测支架和漫反射式光电传感器组成，本文检测传感器为漫反射光电传感器固定在喂苗机构上，与苗杯水平距离为30mm，设置检测高度为90mm，如图1.3所示，用于检测苗杯中有无穴盘苗，其工作原理为苗杯计数传感器接收到信号时，对经过传感器的钵苗进行检测，钵苗的茎秆或茎叶遮挡产生信号来判断是否有苗，为了增加钵苗识别成功率，同时采用多个传感器。图1.3钵苗检测系统安装位置1.1.2.1钵苗检测系统要求①有较高的检测精度，选择钵苗经过传感器较大面积的时候进行检测，对于不同作物选择茎秆或者枝叶来进行检测；②适应不同作物穴盘钵苗，因不同钵苗适龄移栽时间不同，钵苗高度不同，增加钵苗检测装置的高度因提高检测的通用性；③因喂苗杯运转速度较快，需要钵苗检测系统具有较高的灵敏性；④降低相邻枝叶的干扰，准确的识别喂苗杯中是否缺苗；⑤钵苗检测装置应便于安装，具备体积小，质量小等特征；1.1.2.2钵苗识别传感器选择采用光电传感器作为钵苗检测装置的传感器，光电传感器常用的类型主要有以下三种，对射式光电传感器在当中是最准确的传感器，可靠性较高，感应范围最长，由于需要成对安装一个发射器和接收器，安装精度和成本较高，在本文中影响一次多颗钵苗放入喂苗机构中而且需要增加一个传感器固定装置，因此排除此类传感器；光纤传感器具备灵敏度高，适应恶劣环境等特征，由于价格较高，本文暂不选用此类传感器；漫反射式光电传感器的发射器和接收器集成一体，是利用被检测物体对光束的漫反射来进行判断，检测距离长，响应快等特点，所以本文选择漫反射式光电传感器作为检测传感器。1.1.2.3传感器安装位置分析传感器的安装位置需要以下几个方面来考虑，首先传感器安装位置应该不影响操作者驾驶移栽机并向喂苗机构喂入钵苗，需考虑使检测到是否有无钵苗后，控制器向步进电机发出信号需要有足够的预留时间，以及能检测连续无苗苗杯的个数，综合考虑选择传感器安装在待喂苗位置（喂苗机构末端位置）第四个苗杯长度的位置。传感器安装位置如图1.4所示。图1.4传感器安装位置通过试验与调研发现，在育苗和一次取多颗穴盘苗放入喂苗机构中时，可能会出现相邻的两颗钵苗相互交错，所以传感器安装应该避免此类问题的出现，以本文研究的黄瓜钵苗为例，育苗移栽时，钵苗茎叶约为105mm，此时传感器只对茎秆进行检测可以避免出现此类问题，第二章中钵苗检测装置设有高度检测装置来更好的实现检测的对象，传感器安装高度和位置如图1.4所示。1.1.3缺苗补偿方案设计喂苗补偿控制采用四个信号作为信号输入，分别是栽植器接近开关、旋转编码器、钵苗检测传感器和苗杯计数传感器，栽植器接近开关是栽植器上升到指定位置的完成信号，作为整个自适应喂苗系统的开始，正常工作时，分苗杯被步进电机驱动依次经过苗杯计数传感器，苗杯计数传感器闭合时，钵苗检测传感器开始工作检测，步进电机驱动的位移由旋转编码器测量。1.1.1.1喂苗补偿系统工作流程喂苗补偿控制系统实时的对喂苗杯中穴盘苗检测，通过改变喂苗速度进行喂苗补偿。苗杯计数传感器接收到信号时，漫反射传感器开始对经过的苗杯进行实时检测，判断苗杯中有无穴盘苗。当检测到苗杯中无苗时，综合判断相邻苗杯缺少穴盘苗的个数，协调钵苗检测系统、步进电机和扶苗部件，根据栽植器传感器信号，当无穴盘苗的苗杯到达待喂苗位置时，调整喂苗速度使步进电机加速“跳”过，保证有苗的苗杯中穴盘苗准确喂入栽植器，完成喂苗、扶苗动作，实现各部件的协调同步运行。1.1.1.2补偿控制策略喂苗补偿系统主要包括钵苗检测、检测连续的无苗苗杯个数和喂苗速度的控制，通过对以上内容的判断分析，完成喂苗补偿策略的实现。（1）喂苗补偿系统工作流程喂苗补偿系统包括钵苗检测、检测连续的无苗苗杯个数和喂苗速度的控制；控制系统的主程序流程如图4所示，系统开机之前，根据所要移栽的钵苗调节钵苗检测系统中的传感器的安装高度，设定栽植频率，当栽植器位置检测传感器检测到栽植器上升到指定位置时，整个系统开始运行。（2）钵苗检测系统设计本文检测传感器设置在距离待喂苗位置的第四个苗杯中，共检测距离待喂苗位置的四个苗杯的信号并用四个寄存器记录，当传感器检测到有无钵苗的信号后，存入到寄存器M50中，当下次苗杯计数传感器产生信号后，寄存器M50的数据复制到寄存器M51中，M50记录当前苗杯中是否有苗的信号，依次记录直到M53寄存器中，通过判断寄存器M52、M53的信号来判断连续的无苗苗杯个数如表1所示。表1无苗苗杯的判断寄存器是否有信号连续的无苗苗杯个数M53有信号、M52有信号两个M53有信号、M52无信号一个M53无信号、M52无信号零个（3）喂苗速度控制策略步进电机的运动由栽植器传感器来控制，当栽植器传感器接收到信号，步进电机运动一次，步进电机运行速度由根据连续的无苗苗杯个数来确定。运动速度控制策略为：当无苗苗杯为零个时，步进电机以给定脉冲数以一倍速运转，此时步进电机转动一个苗杯；当连续的无苗苗杯个数为一个时，步进电机以给定脉冲数以二倍速运转，此时步进电机转动两个苗杯；当连续的无苗苗杯个数为一个为两个时，步进电机以给定脉冲数以三倍速运转，此时步进电机转动三个苗杯如下表所示。表2喂苗速度控制策略连续的无苗苗杯个数步进电机速度运转苗杯数两个三倍速三个一个二倍速二个零个一倍速一个1.1.4喂苗步进电机控制方案设计1.1.4.1控制方案选择步进电机运转设定距离，有两种控制方式具体如下：方法一：运用苗杯计数传感器参与步进电机的启停，苗杯计数传感器的应用主要是在其闭合状态下钵苗检测传感器检测喂苗杯中是否存在钵苗，在这里苗杯计数传感器可以在其由闭合到常开的时刻也就是在下降沿触发对步进电机进行启停控制。方法二：由于步进电机的运动是由控制器输出的脉冲信号的数量和频率来决定，为了实现步进电机的精确控制，自适应喂苗控制系统以PLC作为控制器，采用绝对位移指令来控制电机，编码器采集电机的输出量作为反馈信号实现闭环控制。虽然步进电机运转稳定，但在某些情况跳会步进电机存在失步和过冲现象，而自适应喂苗系统要求的是能准确喂苗，方法二是闭环控制电机，抗干扰等性能优于方法一，因此选择方法二作为喂苗步进电机的控制方法。1.1.4.2步进电机的参数设定步进电机的功能是驱动同步带带动喂苗杯中钵苗喂入到栽植器中，步进电机的运动是由脉冲信号的频率、数量以及方向确定，本文步进电机运动只考虑到一个方向，采用绝对位移指定控制步进电机的运动，下面介绍如何确定步进电机的型号以及参数。已知步进电机转一圈喂苗进给部分为（1）每一mm需要进给脉冲数：（2）其中步距角θS为1.8°运转一格进给脉冲数：（3）其中苗杯长度L=50mm,，细分脉冲数M=16运行脉冲频率的计算f2：（考虑加减速时间）设定一倍速喂苗运转时间为t0=0.8s，加减速时间为t1=0.8*0.25=0.2（4）电机转速的计算：（5）由（1）（2）（3）（4）（5）式得出，运转脉冲数n为425，电机正常转速为281.2r/min，已知PLC发出一格脉冲走1.8/16=0.1125°，转动一圈PLC发出脉冲数：360/0.01125=3200，满足编码器分辨率要求。电机选择型号为，如表1.1所示，步进电机驱动器选择，如表1.2所示。表1.1型步进电机表1.2型步进电机驱动器1.1.4.3电机定位闭环控制算法步进电机在运转1.4灰新息GM（1,1）自适应控制原理新息灰预测通过对原始数据的生成运算来建立灰模型，并用最新数据及时更新建模数据，使模型更能反映实际。由微分方程描述的灰模型能够较完整地描述被研究对象的运行行为，揭示系统内部事物的连续发展变化过程。GM（1,1）是灰预测的基础，预测原理框图如图6所示。图6新息灰预测原理框图图中，x(0)(k)+az(1)(k)=b为GM(1,1)的定义型。x(0)(k)->[AGO]->x(1)(k)表示从x(0)(k)到x(1)(k)，即x(1)(k)=∑x(0)(m)。x(1)(k)->[MEAN]->z(1)(k)表示从x(1)(k)到z(1)(k)，即z(1)(k)=0.5x(1)(k-1)+0.5x(1)(k)。x(0)(k)为系统行为，是可观的量，具有白信息覆盖，而且它是系统的“果”，故为白果。由于b为系统的输入且是灰作用量，具有灰信息覆盖，是灰因，因此GM(1,1)符合灰因白果律。表征运行状态的物理量随时间的变化而逐渐变化，具有惯性性质。灰预测的实质是全因素的，具有全信息性，符合惯性定律[7]。因此GM(1,1)能对反映系统运行状态的物理量做出科学定量的预测，且预报精度高。1.5自适应喂苗机构控制系统试验1.5.1穴盘钵苗识别传感器的选择为了检测选择的钵苗是被传感器能否满足要求，对所选择的漫反射式光电传感器进行测试，试验平台为喂苗机构固定在试验台架上如图