第 30 卷 第 5 期 農(nóng) 業(yè) 工 程 學(xué) 報(bào) Vol 30 No 5 28 2014 年 3月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Mar 2014 面向立柱栽培的機(jī)器人移栽苗序與路徑分析 劉繼展 1 劉 煒 1 毛罕平 1 李萍萍 2 1 江蘇大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 鎮(zhèn)江 212013 2 南京林業(yè)大學(xué)森林資源與環(huán)境學(xué)院 南京 210037 摘 要 為有效提高穴盤苗向立柱自動(dòng)移栽的作業(yè)效率 以自主開發(fā)的螺旋式栽培立柱及其配套移栽機(jī)器人系統(tǒng) 為對(duì)象 進(jìn)行了無碰撞最短路徑設(shè)計(jì) 進(jìn)而對(duì)不同取苗 栽植方案的路徑長(zhǎng)度差異及其影響因素進(jìn)行了分析 研 究表明 面向立柱移栽時(shí) 單穴盤對(duì) 1 m 立柱移栽的累計(jì)路徑長(zhǎng)度差異在 25 以上 取苗順序?qū)β窂介L(zhǎng)度具有重 要影響 其中 讓苗 現(xiàn)象是造成累計(jì)路徑長(zhǎng)度差異的主要因素 立柱栽植順序?qū)β窂介L(zhǎng)度的影響隨立柱高度增 加而顯著增大 對(duì) 3 m 立柱移栽時(shí) 16 類取苗方案的自上至下植苗平均累計(jì)路徑長(zhǎng)度比自下至上高 9 83 穩(wěn)定最 優(yōu)方案分別為最近相鄰法和近端開始同向逐行或逐列取苗 自下至上栽植方案 研究成果對(duì)實(shí)現(xiàn)高效的立柱自動(dòng) 移栽具有積極意義 關(guān)鍵詞 農(nóng)業(yè)機(jī)械 機(jī)器人 栽培 移栽 立柱 苗序 路徑 doi 10 3969 j issn 1002 6819 2014 05 004 中圖分類號(hào) TP242 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A 文章編號(hào) 1002 6819 2014 05 0028 08 劉繼展 劉 煒 毛罕平 等 面向立柱栽培的機(jī)器人移栽苗序與路徑分析 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 2014 30 5 28 35 Liu Jizhan Liu Wei Mao Hanping et al Analysis on picking plant sequence and route of transplanting robotic for column cultivation J Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Transactions of the CSAE 2014 30 5 28 35 in Chinese with English abstract 0 引 言 立柱式栽培因其可以充分利用豎直空間以大 大提高單位土地面積產(chǎn)出 1 7 而得到了持續(xù)的研究 與推廣 但是豎直高大立柱的人工栽培管理難度極 大 已成為嚴(yán)重影響其進(jìn)一步推廣普及的關(guān)鍵瓶頸 問題 而立柱栽培的移栽等作業(yè)自動(dòng)化技術(shù)成為其 未來發(fā)展的必然選擇 劉繼展等 8 11 提出了立柱移 栽自動(dòng)化生產(chǎn)模式 并進(jìn)行了立柱栽培配套移栽機(jī) 器人系統(tǒng)的開發(fā) 無碰撞最短路徑規(guī)劃是機(jī)器人 加工 物流等 領(lǐng)域提高作業(yè)效率的重要課題 12 15 對(duì)于穴盤苗自 動(dòng)移栽中路徑始末點(diǎn)不斷變化下的頻繁重復(fù)作業(yè) 移栽機(jī)器人取苗 栽植順序的合理設(shè)計(jì)與無碰撞最 短作業(yè)路徑規(guī)劃對(duì)提高移栽作業(yè)成功率和效率具 有決定性的作用 16 17 Ting K C 等 18 20 對(duì)移栽機(jī) 器人與育苗穴盤 栽植穴盤的布局關(guān)系和作業(yè)流程 進(jìn)行了比較選優(yōu) Kutz L J 等 21 也對(duì)不同穴盤的布 局模式進(jìn)行了比較分析 錢中方等 17 對(duì)機(jī)器人移栽 收稿日期 2013 09 27 修訂日期 2013 12 23 基金項(xiàng)目 中國(guó)博士后科學(xué)基金項(xiàng)目 2012M521013 江蘇省高校優(yōu) 勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目 PAPD 作者簡(jiǎn)介 劉繼展 1976 男 河北衡水人 博士 副研究員 主 要從事農(nóng)業(yè)機(jī)器人方面的研究 鎮(zhèn)江 江蘇大學(xué)農(nóng)業(yè)工程研究院 212013 Email liujizhan 中取苗和栽植的苗序進(jìn)行了規(guī)劃分析 胡敏娟等 22 對(duì)移栽機(jī)器人取苗動(dòng)作方式和移栽路徑進(jìn)行了分 析 楊麗等 23 24 則對(duì)組培苗移植機(jī)器人的末端軌跡 進(jìn)行了規(guī)劃 但是當(dāng)穴盤秧苗向豎直方向伸展的立 柱移栽作業(yè)時(shí) 由平面路徑規(guī)劃變?yōu)?3D 空間的路 徑規(guī)劃問題 并呈現(xiàn)與立柱特征的緊密相關(guān)性 目 前尚未見相關(guān)研究 為此 本文在自主開發(fā)的螺旋式栽培立柱及其配 套移栽機(jī)器人系統(tǒng)基礎(chǔ)上 進(jìn)行了穴盤苗立柱移栽的 無碰撞最短路徑設(shè)計(jì) 進(jìn)而對(duì)不同取苗 栽植方案的 路徑長(zhǎng)度進(jìn)行了比較 并對(duì)其影響因素進(jìn)行了分析 1 系統(tǒng)介紹 螺旋式栽培立柱結(jié)構(gòu)如圖 1 所示 與常見的疊 盆式栽培立柱不同 螺旋栽培立柱具有連續(xù)的螺旋 栽培槽 25 從而由少數(shù)栽植孔拓展為連續(xù)栽培空 間 在大大提高空間利用率的同時(shí) 也極大得方便 了自動(dòng)化作業(yè) 螺旋栽培立柱配套的移栽機(jī)器人由 PRRR 式機(jī) 械手 電磁鐵驅(qū)動(dòng)插針式末端執(zhí)行器 翻轉(zhuǎn)式自動(dòng) 供苗裝置和軌道式自主移動(dòng)平臺(tái)構(gòu)成 穴盤苗向螺 旋栽培立柱的自動(dòng)移栽作業(yè)時(shí) 自主移動(dòng)平臺(tái)沿軌 移動(dòng)并定位于待栽植立柱位置 立柱通過周期性間 歇轉(zhuǎn)動(dòng)將螺旋栽培槽的對(duì)應(yīng)栽苗位調(diào)整至面對(duì)穴 第 5 期 劉繼展等 面向立柱栽培的機(jī)器人移栽苗序與路徑分析 29 盤和機(jī)械手方位 機(jī)械手完成穴孔 栽植位定位與 穴孔 栽植位間的秧苗移送 并由末端執(zhí)行器完成 取苗與栽植任務(wù) 每一穴盤秧苗取畢 自動(dòng)供苗裝 置將空穴盤翻轉(zhuǎn)至后側(cè) 同時(shí)下一穴盤到達(dá)作業(yè)位 置 每一立柱栽植完畢 自主移動(dòng)平臺(tái)沿導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng) 至下一立柱位置繼續(xù)栽培作業(yè) 通過上述多部件的 協(xié)同作業(yè) 實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室立柱群的自動(dòng)移栽管理 1 軌道式自主移動(dòng)平臺(tái) 2 翻轉(zhuǎn)式自動(dòng)供苗裝置 3 電磁鐵驅(qū)動(dòng)插針 式末端執(zhí)行器 4 螺旋式栽培立柱 5 滑軌臂式移栽機(jī)械手 1 Rail mounted autonomous vehicle 2 Turning seedling supply device 3 Double needle electromagnet driven end effector 4 Spiral cultivation column 5 Slide arm type manipulator 圖 1 螺旋栽培立柱與配套移栽機(jī)器人樣機(jī) Fig 1 Prototype of spiral cultivation column and matched transplanting robot 2 移栽路徑構(gòu)成及優(yōu)化原則 穴盤苗向立柱的自動(dòng)移栽作業(yè)時(shí) 由于取苗位 和栽植位的不斷變換 末端路徑亦不斷變化 頻繁 往復(fù)移栽中末端的累計(jì)路徑長(zhǎng)度對(duì)其作業(yè)效率具 有決定性的影響 而累計(jì)路徑長(zhǎng)度不僅取決于取苗 位與栽植位之間的路徑最優(yōu)化 還與取苗和植苗順 序直接相關(guān) 2 1 自動(dòng)移栽動(dòng)作流程與路徑構(gòu)成 完成穴盤苗對(duì)立柱的自動(dòng)移栽作業(yè) 每一周期 末端執(zhí)行器應(yīng)順序完成下述動(dòng)作流程 1 從穴盤相應(yīng)穴孔夾持苗坨上升 2 運(yùn)送苗 坨到立柱螺旋栽培槽內(nèi)的栽植位 3 將苗坨栽入 4 上升離開 5 返回下一取苗位 6 下降取苗 每周期末端的移栽行程包括步驟 1 3 返 回行程包括步驟 4 6 二者均分別由取苗升降 路徑 a 植苗升降路徑 b 和取苗位與栽苗位之間的 輸送路徑 c 所構(gòu)成 圖 2 路徑關(guān)鍵點(diǎn) 各步驟及 路徑組成的關(guān)系為 注 A ij 為取苗底點(diǎn) B ij 為取苗頂點(diǎn) C ij k 為中間點(diǎn) D k 為植苗頂點(diǎn) 高 于 B ij E k 為植苗底點(diǎn) D k 為植苗頂點(diǎn) 低于 B ij E k 為植苗底點(diǎn) a 為取苗升降路徑 b 為植苗升降路徑 c 為取苗位與栽苗位之間的輸送 路徑 p 為螺距 s 為安全距離 h 為秧苗高度 Note A ij is pick bottom point B ij is pick top point C ij k is middle point D k is plant top point higher than B ij E k is plant bottom point D k is plant top point lower than B ij E k plant bottom point a is pick up down route b is plant up down route c is transport route from pick top point to plant top point p is screw pitch s is safe distance h is height of seedlings 圖 2 末端軌跡的構(gòu)成與軌跡關(guān)鍵點(diǎn) 水平視圖 Fig 2 Path constitution of end effector with key points level view 2 2 無碰撞最短路徑設(shè)計(jì)原則 在移栽作業(yè)動(dòng)作流程中 每周期的植苗位升降 路徑 b 不變 而取苗位升降路徑 a 取決于機(jī)械手和 夾持苗坨的末端執(zhí)行器是否與其他待取秧苗發(fā)生 碰撞 取苗位與栽苗位之間的輸送路徑 c 則隨取苗 位 植苗位的坐標(biāo)變化和輸送路徑設(shè)計(jì)而不斷變 化 因而無碰撞最短輸送路徑的設(shè)計(jì) 取決于取苗 位升降路徑 a 和輸送路徑 c 的優(yōu)化 2 2 1 避障空間與輸送路徑最優(yōu)原則 每一移栽周期的植苗位水平位置固定而豎直 位置不斷變化 如圖 3 當(dāng)植苗頂點(diǎn) D k 高于取苗頂 點(diǎn) B ij 時(shí) 2 點(diǎn)間的直線輸送路徑為最短 當(dāng)植苗頂 點(diǎn) D k 的位置低于取苗頂點(diǎn) B ij 時(shí) 輸送路徑必須在 避免末端執(zhí)行器與穴盤的碰撞的可行空間內(nèi)選取 圖 2 因此需在該空間內(nèi)確定一路徑中間點(diǎn) C ij k 根據(jù)路徑最短原則 1 中間點(diǎn) C ij k 與取苗頂點(diǎn) B ij 高度一致 并距 穴盤右側(cè)邊緣安全距離 s 2 中 間點(diǎn) C ij k 位于距穴盤右側(cè)邊緣安全距離 s 的 豎直平面與經(jīng)過 B ij D k 的豎直平面的交線上 圖 3 注 C ij k 為輸送路徑的中間點(diǎn) R 為植苗頂點(diǎn) D k 距中心軸線的距離 e 為穴盤穴孔距 A 11 為起始取苗底點(diǎn) Note C ij k is the middle point of transport route R is the distance from plant top point D k to the central axis e is the pitch of plug holes A 11 is the initial pick bottom point 圖 3 立柱移栽布局俯視示意圖 Fig 3 Layout diagram of seedling transplanting to column 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 2014 年 30 2 2 2 讓苗 問題與升降路徑 如圖 2 3 所示 當(dāng)每一周期的輸送路徑 c 中 不存在秧苗時(shí) 按照自穴孔內(nèi)取苗所需的末端最短 位移確定取苗位升降路徑 a 0 而當(dāng)輸送路徑 c 中需 途徑其他有苗穴孔 則需考慮秧苗高度 h 決定取苗 位升降路徑長(zhǎng)度 a 0 h 以避免末端與秧苗的碰撞 3 系統(tǒng)布局與路徑長(zhǎng)度 3 1 布局與坐標(biāo)關(guān)系 3 1 1 立柱植苗位坐標(biāo) 由圖 2 每相鄰 2 個(gè)栽苗位的高度差為 22 2 pRplh 1 式中 h 為每相鄰兩栽苗位的高度差 mm p 為 螺旋栽培立柱螺距 mm R 為植苗頂點(diǎn) D k 距中心 軸線的距離 mm l 為沿螺旋線栽植的苗距 mm 以立柱底部中心位置為坐標(biāo)原點(diǎn) 以螺旋立柱 最低植苗定點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn) D 1 則第 k 個(gè)栽苗位 D k 的 坐標(biāo)為 0 1 x yz R k h 2 根據(jù)樣機(jī)規(guī)格 p 300 mm R 100 mm 同時(shí) l 150 mm 如每立柱可栽植株數(shù)為 w 則由式 1 及式 2 可得 h 64 7 mm D k 的坐標(biāo)為 100 0 64 7 k 1 其中 1 k w 3 1 2 穴盤取苗位坐標(biāo) 由圖 3 以 A 11 的穴孔中心為基準(zhǔn)點(diǎn) 則無讓苗 和有讓苗情況下的各取苗頂點(diǎn) B ij 坐標(biāo)分別為 1 1 0000 azejyeixzyx 3 00 00 1 1 x yz x i ey j ez a h 4 式中 x 0 y 0 z 0 為 A 11 為穴孔中心坐標(biāo) mm e 為穴 盤穴孔距 mm 以穴盤規(guī)格為 8 行 16 列 e 33 5 mm A 11 的 坐標(biāo)為 430 110 450 a 0 為 30 mm h 為 150 mm 則由式 3 式 4 各取苗頂點(diǎn) B ij 的不讓苗和讓 苗坐標(biāo)分別為 430 33 5 i 1 110 33 5 j 1 480 和 430 33 5 i 1 110 33 5 j 1 630 其中 1 i 8 1 j 16 3 2 路徑長(zhǎng)度 每一移栽周期的移栽行程與返回行程路徑長(zhǎng) 度分別為取苗升降路徑 a 植苗升降路徑 b 和輸送 路徑 c 之和 Labc 5 由式 2 和式 3 式 4 分別當(dāng) 00 1 z ahkw 6 或 00 1 z ah hkw 7 時(shí) 無讓苗和有讓苗情況下的輸送路徑分別為相應(yīng) 取苗頂點(diǎn) B ij 和植苗頂點(diǎn) D k 的直線距離 ij k cBD 1 i 8 1 j 16 8 而分別當(dāng) 00 11 kzah 9 或 00 11 kzahh 10 時(shí) 無讓苗和有讓苗情況下的輸送路徑分別為相應(yīng) 取苗頂點(diǎn) B ij 中間點(diǎn) C ij k 和植苗頂點(diǎn) D k 之間的折 線距離 ij ij k ij k k cBC CD 1 i 8 1 j 16 11 其中無讓苗和有讓苗情況下的中間點(diǎn) C ij k 的坐 標(biāo)分別為 00 0 0 1 1 yjexsR x yz x s z a xieR 1 i 8 1 j 16 12 00 0 0 1 1 yjexsR x yz x s z a h xieR 1 i 8 1 j 16 13 根據(jù)樣機(jī)規(guī)格 式中安全距離 s 取為 88 mm 根據(jù)式 5 式 13 和取苗 栽植的順序 分別計(jì)算得到每一移栽周期的移栽行程與返回行 程路徑長(zhǎng)度 進(jìn)而得到不同取苗 栽植方案下的累計(jì) 路徑長(zhǎng)度 4 取苗 栽植順序方案 4 1 逐次取苗 栽植方案 分別以穴盤不同端為起始點(diǎn) 逐列與逐行進(jìn)行 蛇形與同向逐次取苗 建立穴盤取苗的 16 類取苗 方案 圖 4 圖 5 各方案的標(biāo)號(hào)與圖號(hào)對(duì)應(yīng) 分 別取沿立柱自下至上或自上至下逐次植苗順序 則 共得到 32 類逐次取苗 栽植的苗序方案 4 2 最近相鄰法 旅行商問題 travelling salesman problem TSP 最自然 直觀的求解方法是最近相鄰法 在穴盤苗 對(duì)立柱的移栽問題中 在到達(dá)每個(gè)穴孔時(shí) 搜尋找 出路徑最短的立柱植苗點(diǎn) 在到達(dá)每個(gè)穴孔立柱植 苗點(diǎn)后 則搜尋找出下個(gè)路徑最短的穴孔 對(duì)依最近相鄰法所確定的取苗 栽植方案 按照 上述最短路徑設(shè)計(jì)原則進(jìn)行移栽累計(jì)路徑長(zhǎng)度的 計(jì)算 第 5 期 劉繼展等 面向立柱栽培的機(jī)器人移栽苗序與路徑分析 31 起始取苗穴孔 Initial pick point 取苗順序 Pick sequence 讓苗 Avoidance 不讓苗 Non avoidance a 取苗方案 4a a Pick sequence 4a b 取苗方案 4b b Pick sequence 4b c 取苗方案 4c c Pick sequence 4c d 取苗方案 4d d Pick sequence 4d e 取苗方案 4e e Pick sequence 4e f 取苗方案 4f f Pick sequence 4f g 取苗方案 4g g Pick sequence 4g h 取苗方案 4h h Pick sequence 4h 圖 4 蛇形取苗順序及其讓苗情況 Fig 4 S shape seedling pick sequence and corresponding seedling avoidance 起始取苗穴孔 Initial pick point 取苗順序 Pick sequence 讓苗 Avoidence 不讓苗 Non avoidance a 取苗方案 5a a Pick sequence 5a b 取苗方案 5b b Pick sequence 5b c 取苗方案 5c c Pick sequence 5c d 取苗方案 5d d Pick sequence 5d e 取苗方案 5e e Pick sequence 5e f 取苗方案 5f f Pick sequence 5f g 取苗方案 5g g Pick sequence 5g h 取苗方案 5h h Pick sequence 5h 圖 5 同向取苗順序及其讓苗情況 Fig 5 Equidirectional seedling picked sequence and corresponding seedling avoidance 5 結(jié)果與分析 5 1 最近相鄰法 的取苗 栽植方案 分別對(duì) 1 2 和 3 m 高度的立柱移栽 利用最 近相鄰法搜尋得到了相應(yīng)的取苗 栽植順序 其中 1 m立柱的穴盤取苗和立柱植苗順序分別如圖 6a和 表 1 所示 2 和 3 m 立柱的穴盤取苗順序則分別如 圖 6b 和圖 6c 所示 5 2 取苗順序及 讓苗 的影響 讓苗 會(huì)造成周期路徑長(zhǎng)度的增加 由圖 4 與圖 5 可以看出 不同取苗方案對(duì)于 讓苗 問題 的出現(xiàn)頻率具有決定性的影響 以對(duì) 1 m 高立柱的 移栽為例 最近相鄰法 取苗方案始終保證與下 一植苗位的最短路徑 因而不存在讓苗 在逐次取 苗各方案中 5a 和 5e 2 類取苗方案不存在讓苗 而 取苗方案 4c 4g 5d 5h 則除基準(zhǔn)穴孔 a 11 外 全 部出現(xiàn)讓苗 在圖 7 所示讓苗次數(shù)與累計(jì)路徑長(zhǎng)度關(guān)系圖 中 32 類取苗 栽植方案集中分布于 3 個(gè)不同區(qū)域 其中 區(qū)各方案無讓苗現(xiàn)象 累計(jì)路徑長(zhǎng)度在 200 m 左右 區(qū)各方案出現(xiàn) 56 60 次的讓苗 累 計(jì)路徑長(zhǎng)度在 220 m 左右 區(qū)各方案絕大部分穴 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 2014 年 32 孔均需讓苗 累計(jì)路徑長(zhǎng)度上升為 240 m 左右 a 對(duì) 1 m 立柱移栽 a Transplanted to one meter high column b 對(duì) 2 m 立柱移栽 b Transplanted to two meter high column c 對(duì) 3 m 立柱移栽 c Transplanted to three meter high column 注 圖中正文數(shù)字為立柱號(hào) 下標(biāo)為對(duì)每一立柱移栽的穴盤取苗順序號(hào) Note The regular figures are column numbers and the subscript figures are seedling picking ordinals to certain column 圖 6 最近相鄰法搜尋的穴盤取苗順序 Fig 6 Seedling picked sequence by nearest neighbor algorithm 表 1 最近相鄰法搜尋的立柱栽植順序 1 m 立柱 Table 1 Planting sequence on column by nearest neighbor algorithm one meter high column 立柱號(hào) Column no 植苗頂點(diǎn)編號(hào) Plant top point 1 2 3 4 5 6 7 8 D 16 15 14 14 13 13 13 13 13 D 15 13 12 12 12 11 11 11 11 D 14 11 10 10 10 10 10 9 9 D 13 9 9 8 8 8 8 8 8 D 12 7 7 7 7 6 6 6 6 D 11 5 5 5 5 5 5 5 5 D 10 3 3 3 3 3 3 3 3 D 9 1 2 2 1 1 1 1 1 D 8 2 1 1 2 2 2 2 2 D 7 4 4 4 4 4 4 4 4 D 6 6 6 6 6 7 7 7 7 D 5 8 8 9 9 9 9 10 10 D 4 10 11 11 11 12 12 12 12 D 3 12 13 13 14 14 14 14 14 D 2 14 15 15 15 15 15 15 15 D 1 16 16 16 16 16 16 16 16 注 表中數(shù)字為立柱栽植順序號(hào) Note Figures in this table are planting ordinals on certain column 注 圖中 為 32 類取苗 栽植方案所集中分布的 3 個(gè)不同區(qū)域 Note in this figure represent three different distribution areas of thirty two pick plant sequences 圖 7 單穴盤的讓苗次數(shù)與累計(jì)路徑長(zhǎng)度關(guān)系 Fig 7 Relation between seedling avoidance times and accumulated route length 5 3 植苗順序的影響 對(duì)逐次移栽各方案 分別沿立柱自上至下與自 下至上進(jìn)行栽植 對(duì)累計(jì)路徑長(zhǎng)度的影響隨立柱高 度的增加而變大 如表 2 對(duì) 1 和 2 m 高立柱移栽 時(shí) 16 類取苗方案的平均相對(duì)偏差分別僅為 0 73 和 1 41 而對(duì) 3m 立柱移栽時(shí) 16 類取苗方案的 平均相對(duì)偏差達(dá)到 9 83 自上至下植苗的路徑長(zhǎng) 度明顯高于自下至上的植苗順序 表 2 植苗順序?qū)塾?jì)路徑長(zhǎng)度的影響 Table 2 Effect of plant sequence on accumulated route length m 1 m 立柱 1 m column 2 m 立柱 2 m column 3 m 立柱 3 m column 起始取苗位 Initial location 取苗順序 Pick sequence 自上 至下 自下 至上 自上 至下 自下 至上 自上 至下 自下 至上 A 11 222 04 223 82 290 86 263 37 385 67 346 69 A 1 16 222 61 223 79 265 63 281 75 385 18 350 67 A 81 247 57 248 07 296 08 287 52 393 10 360 25 A 8 16 蛇形逐行 242 25 242 18 282 41 287 37 392 07 359 60 A 11 228 61 215 37 281 93 266 91 388 70 343 34 A 1 16 213 01 228 51 274 61 273 85 383 39 349 70 A 81 247 67 248 17 290 83 289 50 392 18 361 55 A 8 16 蛇形逐列 240 93 246 04 285 65 288 21 389 28 361 39 A 11 203 24 199 19 266 35 258 00 379 85 336 70 A 1 16 241 94 241 94 290 00 286 83 390 58 360 34 A 81 243 95 241 04 287 64 285 49 394 18 357 58 A 8 16 同向逐行 245 87 249 11 290 84 289 41 390 98 362 11 A 11 201 19 200 80 266 35 257 83 379 13 337 25 A 1 16 240 95 243 08 290 43 283 20 392 90 355 73 A 81 243 75 246 37 288 12 288 16 391 85 361 32 A 8 16 同向逐列 247 26 247 88 290 77 289 55 392 01 361 63 5 4 不同立柱的移栽路徑長(zhǎng)度 以每穴盤秧苗完成多立柱移栽時(shí) 隨取苗與栽 第 5 期 劉繼展等 面向立柱栽培的機(jī)器人移栽苗序與路徑分析 33 植順序的不同 完成不同立柱栽植的路徑長(zhǎng)度存在 明顯差異 如表 3 所示 逐行蛇形取苗向 1m 高立 柱移栽時(shí) 由于其逐列由遠(yuǎn)及近與由近及遠(yuǎn)的交替 出現(xiàn) 各立柱的總移栽路徑長(zhǎng)度呈現(xiàn)振蕩 而幾類 較優(yōu)方案則呈現(xiàn)各立柱的總移栽路徑長(zhǎng)度的相對(duì) 趨勢(shì)一致性 表 4 其中最近相鄰法與 5e 近端開 始逐列同向取苗方案的路徑長(zhǎng)度趨勢(shì)與數(shù)值非常 相近 表 3 逐行蛇形取苗的各立柱移栽路徑長(zhǎng)度 1 m 立柱 Table 3 Route length transplanting to different column for S shape line by line pick sequence 1m column m 立柱 Column 起始取 苗位 Initial location 栽植順序 Plant sequence 1 2 3 4 5 6 7 8 A 11 自上至下 24 84 28 78 25 30 29 35 25 96 30 10 26 79 30 92 A 11 自下至上 24 14 29 88 24 60 30 47 25 26 31 26 26 10 32 11 A 1 16 自上至下 28 57 25 18 29 04 25 74 29 70 26 49 30 54 27 34 A 1 16 自下至上 29 66 24 35 30 15 24 91 30 84 25 66 31 71 26 51 A 81 自上至下 33 04 31 19 32 11 30 37 31 35 29 72 30 78 29 00 A 81 自下至上 32 56 31 68 31 69 30 80 30 98 30 11 30 44 29 80 A 8 16 自上至下 32 18 32 11 31 22 31 31 30 43 30 69 29 95 24 28 A 8 16 自下至上 31 66 32 56 30 76 31 71 30 02 31 04 29 47 25 03 表 4 較優(yōu)方案的各立柱移栽路徑長(zhǎng)度 1 m 立柱 Table 4 Optimal route length transplanting to different column 1 m column m 立柱 Column 起始取 苗位 Initial location 取苗 順序 Pick sequence 栽植 順序 Plant sequence 1 2 3 4 5 6 7 8 同向逐行 自上 至下 24 35 24 56 24 82 25 13 25 48 25 88 26 32 26 70 同向逐行 自下 至上 23 84 24 05 24 31 24 62 24 98 25 38 25 82 26 20 同向逐列 自上 至下 18 75 20 49 22 29 24 16 26 06 28 01 29 98 31 45 A 11 同向逐列 自下 至上 18 63 20 39 22 21 24 09 26 01 27 97 29 95 31 55 最近相鄰法 18 33 20 38 22 25 24 11 26 04 27 99 29 98 31 49 5 5 立柱高度的影響 立柱高度對(duì)累計(jì)移栽路徑長(zhǎng)度具有重要影響 如表 5 對(duì)同一取苗 栽植方案 2 和 3 m 高立柱移 栽的累計(jì)路徑長(zhǎng)度分別是 1 m 高立柱移栽的 1 2 1 3 倍和 1 6 1 7 倍 同時(shí)對(duì)不同高度立柱進(jìn)行移 栽時(shí) 最近相鄰法均為最優(yōu)或近最優(yōu)方案 而各逐 次取苗 栽植方案則呈現(xiàn)較大變化 表 6 從對(duì)立 柱高度的適應(yīng)性角度 發(fā)現(xiàn)除最近相鄰法外 近 端開始同向逐行或逐列取苗 自下至上栽植為較 優(yōu)方案 表 5 不同高度立柱的移栽累計(jì)路徑長(zhǎng)度 Table 5 Accumulated route length for column of different height m 起始取苗位 Initial location 取苗順序 植苗順序 Pick sequence plant sequence 1 m 立柱 1 m column 2 m 立柱 2 m column 3 m 立柱 3 m column A 11 222 04 290 86 385 67 A 1 16 222 61 265 63 385 18 A 81 247 57 296 08 393 10 A 8 16 蛇形逐行 自上至下 242 25 282 41 392 07 A 11 228 61 281 93 388 70 A 1 16 213 01 274 61 383 39 A 81 247 67 290 83 392 18 A 8 16 蛇形逐列 自上至下 240 93 285 65 389 28 A 11 203 24 266 35 379 85 A 1 16 241 94 290 00 390 58 A 81 243 95 287 64 394 18 A 8 16 同向逐行 自上至下 245 87 290 84 390 98 A 11 201 19 266 35 379 13 A 1 16 240 95 290 43 392 90 A 81 243 75 288 12 391 85 A 8 16 同向逐列 自上至下 247 26 290 77 392 01 A 11 223 82 263 37 346 69 A 1 16 223 79 281 75 350 67 A 81 248 07 287 52 360 25 A 8 16 蛇形逐行 自下至上 242 18 287 37 359 60 A 11 215 37 266 91 343 34 A 1 16 228 51 273 85 349 70 A 81 248 17 289 50 361 55 A 8 16 蛇形逐列 自下至上 246 04 288 21 361 39 A 11 199 19 258 00 336 70 A 1 16 241 94 286 83 360 34 A 81 241 04 285 49 357 58 A 8 16 同向逐行 自下至上 249 11 289 41 362 11 A 11 200 80 257 83 337 25 A 1 16 243 08 283 20 355 73 A 81 246 37 288 16 361 32 A 8 16 同向逐列 自下至上 247 88 289 55 361 63 最近相鄰法 200 58 256 22 337 16 表 6 不同立柱高度移栽的取苗 栽植優(yōu)化方案 Table 6 Optimal pick plant sequence for column of different height 累計(jì)長(zhǎng)度遞增次序 Accumulated route length increasing sequence 立柱高度 Column height m 1 2 3 4 5 6 7 8 1 5a 最近相鄰 5e 5e 5a 4c 4e 4a 2 最近相鄰 5e 5a 4a 4b 5e 5a 4e 3 5a 最近相鄰 5e 4e 4a 4f 4b 5c 注 表中各方案編號(hào)與圖 4 圖 5 中的圖號(hào)相對(duì)應(yīng) 表示自下向上植 苗順序 表示自上向下植苗順序 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 2014 年 34 6 結(jié) 論 1 不同取苗方案對(duì)于 讓苗 問題的出現(xiàn)頻 率具有決定性的影響 而 讓苗 是造成累計(jì)路徑 長(zhǎng)度差異的主要因素 2 自上至下植苗的累計(jì)路徑長(zhǎng)度高于自下至 上的植苗順序 對(duì) 3 m 立柱移栽時(shí) 16 類取苗方案 的平均相對(duì)偏差達(dá)到 9 83 3 以每穴盤秧苗完成多立柱移栽時(shí) 最近相 鄰法和近端開始同向逐行或逐列取苗方案的路徑 長(zhǎng)度具有相對(duì)穩(wěn)定性 4 在對(duì)不同高度立柱進(jìn)行移栽時(shí) 最近相鄰 法和近端開始同向逐行或逐列取苗 自下至上栽植 為較優(yōu)方案 5 面向立柱移栽時(shí) 取苗與栽植順序?qū)β窂?長(zhǎng)度 進(jìn)而對(duì)移栽作業(yè)效率具有重要影響 分析發(fā) 現(xiàn)穩(wěn)定最優(yōu)方案分別為最近相鄰法和近端開始同 向逐行或逐列取苗 自下至上栽植方案 參 考 文 獻(xiàn) 1 李止正 龔頌福 簡(jiǎn)易柱式無土栽培法 J 應(yīng)用與環(huán)境 生物學(xué)報(bào) 2002 8 6 666 667 Li Zhizheng Gong Songfu A simple columnar soilless culture method J Chinese Journal of Applied and Environmental Biology 2002 8 6 666 667 in Chinese with English abstract 2 王久興 王子華 汪曉云 插管泡沫塑料柱立體無土 栽培系統(tǒng)的研制與應(yīng)用 J 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2003 4 50 52 3 龔頌福 李止正 花卉柱式無土栽培 J 植物學(xué)通報(bào) 2002 19 4 477 483 Gong Songfu Li Zhizheng The columnar soilless cultures CSC of flower plants J Chinese Bulletin of Botany 2002 19 4 477 483 in Chinese with English abstract 4 劉偉 劉增鑫 高效益立柱式無土栽培技術(shù) J 沈陽農(nóng) 業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) 2002 2 31 137 139 Liu Wei Liu Zengxin High efficiency column soilless culture technique J Journal of Shenyang Agricultural University 2002 2 31 137 139 in Chinese with English abstract 5 王法格 項(xiàng)延軍 花卉立柱式無土栽培模式及其應(yīng)用 前景 J 西南園藝 2005 33 2 50 51 6 Ziegler R The vertical aeroponic growing system R Synergy International Inc 2005 7 Wood J Fruitwise HyGro vertical growing system Z OL http testwww agrovista co uk Content TechnicalNews F ruitwise pdf 2013 12 08 8 劉繼展 李萍萍 王紀(jì)章 自動(dòng)化葉菜螺旋立柱生產(chǎn) 系統(tǒng) P 中國(guó)專利 CN102696323A 2012 10 03 9 劉繼展 李加利 李萍萍 立柱栽培配套的移栽機(jī)器 人 P 中國(guó)專利 CN102823365A 2012 12 19 10 劉繼展 馮上海 劉煒 一種用于立柱栽培的機(jī)器人 移栽控制系統(tǒng)及控制方法 P 中國(guó)專利 2013101885614 2013 05 21 11 劉煒 面向螺旋立柱栽培的移栽機(jī)械手運(yùn)動(dòng)規(guī)劃研究 D 鎮(zhèn)江 江蘇大學(xué) 2013 Liu Wei Study on Motion Planning of Transplanting Manipulator for Spiral Columnar Culture D Zhenjiang Jiangsu University 2013 in Chinese with English abstract 12 李莉 張立明 詹躍東 求解 AGV 路徑優(yōu)化問題的遺 傳算法參數(shù)優(yōu)化 J 昆明理工大學(xué)學(xué)報(bào) 理工版 2006 31 4 26 29 38 Li Li Zhang Liming Zhan Yuedong Optimization of parameters of genetic algorithm for agv path optimization J Journal of Kunming University of Science and Technology Science and Technology 2006 31 4 26 29 38 in Chinese with English abstrac