第38卷 第1期 農(nóng) 業(yè) 工 程 學(xué) 報 Vol 38 No 1 266 2022年 1月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Jan 2022 植物工廠立體栽培系統(tǒng)多功能作業(yè)平臺優(yōu)化與試驗 于暢暢1 高振銘2 徐麗明1 王慶杰1 牛 叢1 曹鑫鵬1 1 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院 北京 100083 2 南水北調(diào)中線信息科技有限公司 北京 100061 摘 要 植物工廠中多采用立體栽培架進行育苗與栽培 立體栽培架上的栽培床搬運是其中重要一環(huán) 目前 栽培床多 為人工搬運 存在勞動強度大 自動化水平低等問題 針對此問題 該研究研制了一種多功能作業(yè)平臺 可實現(xiàn)自主循 跡 定位和栽培床的自動搬運和輸送 根據(jù)栽培床質(zhì)量和立體栽培架高度要求 設(shè)計了升降機構(gòu) 并確定了關(guān)鍵參數(shù) 研究了栽培床自動對接和自動輸送機構(gòu) 實現(xiàn)了栽培床的自動裝卸 確定了基于RFID Radio Frequency Identification 傳 感器的定位系統(tǒng)方案 采用STM32單片機作為自動控制系統(tǒng)的主控制器 自動控制系統(tǒng)主要包括導(dǎo)航系統(tǒng) 定位系統(tǒng) 通信系統(tǒng) 行走系統(tǒng) 升降系統(tǒng) 自動對接系統(tǒng)和自動輸送系統(tǒng)等部分 并基于Android平臺設(shè)計了人機交互界面 通 過設(shè)置相應(yīng)指令實時監(jiān)控多功能作業(yè)平臺的運動狀態(tài)和作業(yè)參數(shù) 為評價多功能作業(yè)平臺作業(yè)效果 以升降機構(gòu)高度范 圍 前后定位偏差 高度定位偏差和平臺與立體栽培架對接成功率為試驗指標 進行了性能試驗 試驗結(jié)果表明 多功 能作業(yè)平臺升降高度范圍為833 2 460 mm 前后定位偏差小于9 mm 高度定位偏差小于5 mm 對接成功率不小于96 滿足作業(yè)要求 該研究為進一步提高植物工廠立體栽培自動化水平提供了參考 關(guān)鍵詞 種植 自動化 植物工廠 立體栽培 多功能作業(yè)平臺 RFID自動定位 自動對接 doi 10 11975 j issn 1002 6819 2022 01 030 中圖分類號 S229 1 文獻標志碼 A 文章編號 1002 6819 2022 01 0266 10 于暢暢 高振銘 徐麗明 等 植物工廠立體栽培系統(tǒng)多功能作業(yè)平臺優(yōu)化與試驗 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 2022 38 1 266 275 doi 10 11975 j issn 1002 6819 2022 01 030 http www tcsae org Yu Changchang Gao Zhenming Xu Liming et al Optimization and experiment of the multifunctional operation platform of the stereo cultivation system for plant factory J Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Transactions of the CSAE 2022 38 1 266 275 in Chinese with English abstract doi 10 11975 j issn 1002 6819 2022 01 030 http www tcsae org 0 引 言 設(shè)施農(nóng)業(yè)是采用先進農(nóng)業(yè)工程技術(shù)手段進行動植物 高效生產(chǎn)的一種現(xiàn)代農(nóng)業(yè)方式 是提高耕地產(chǎn)出率 保 障糧食安全的重要手段 1 2 植物工廠是設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展的 高級階段 是一種高投入 高技術(shù) 精裝備的生產(chǎn)體系 具有單位產(chǎn)量高 生產(chǎn)自動化程度高 資源利用率高和 綠色健康等優(yōu)點 3 5 種苗生產(chǎn) 作物管理和物流運輸?shù)?自動化是實現(xiàn)植物工廠智能化 提高作物生產(chǎn)效率的重 要工程技術(shù)手段 6 其中 自動化物流運輸系統(tǒng)能實現(xiàn)移 栽和收獲過程中栽培床的自動搬運 有效減少勞動人員 工作強度 提高生產(chǎn)效率 降低勞動力成本 同時 自 動化物流系統(tǒng)能減少作業(yè)人員進出溫室 減少病菌對作 物的污染 7 9 因此 無人化 自動化的物流運輸系統(tǒng)是 實現(xiàn)植物工廠生產(chǎn)自動化的關(guān)鍵 根據(jù)導(dǎo)引方式不行 植物工廠中物流運輸系統(tǒng)中采 用的搬運車主要分為測距定位導(dǎo)引 視覺導(dǎo)引和固定路 徑導(dǎo)引 10 11 測距定位導(dǎo)引方式通過采用激光雷達和超 聲波傳感器測距確定位置 激光雷達導(dǎo)引定位準確 適 收稿日期 2021 11 12 修訂日期 2021 12 29 基金項目 國家高技術(shù)研究發(fā)展項目 2013AA103002 1 作者簡介 于暢暢 博士生 研究方向為生物生產(chǎn)自動化技術(shù)與裝備 Email yuchang 通信作者 徐麗明 教授 博士生導(dǎo)師 研究方向為生物生產(chǎn)自動化技術(shù) 與裝備 Email xlmoffice 應(yīng)性強 但成本較高 并且抗光干擾能力弱 超聲波傳 感器方向性好 抗電磁干擾強 不受光線煙霧影響 但 在較復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境中無法保證較高的定位精度 12 13 視覺導(dǎo)引是采用CCD相機攝取行駛路徑周圍環(huán)境的顏色 和深度信息 經(jīng)圖像處理后得到導(dǎo)航參數(shù) 并采用模糊 PID等算法使搬運車按照規(guī)劃的路線行走 不需要預(yù)先設(shè) 置任何物理路徑 具有較高的行走自由度 但是由于圖 像數(shù)據(jù)計算量大 導(dǎo)致實時性較差 并且易受周圍環(huán)境 光線的影響 14 16 固定路徑導(dǎo)引方式主要有軌道式導(dǎo)引 電磁感應(yīng)導(dǎo)引和磁感應(yīng)導(dǎo)引等 軌道式導(dǎo)引需要預(yù)先鋪 設(shè)一條軌道 能實現(xiàn)高精度定位 但前期軌道建設(shè)成本 較高 同時占用溫室較大面積 并且軌道鋪設(shè)完成后路 線更改較難 11 17 電磁感應(yīng)導(dǎo)引通過識別預(yù)設(shè)電纜上交變 電流產(chǎn)生的磁場實現(xiàn)導(dǎo)引 具有不易污染或破壞 制造成 本低的優(yōu)點 但當(dāng)導(dǎo)引路徑復(fù)雜交錯排列時難以實現(xiàn)且線 路埋好后很難改變 18 磁感應(yīng)導(dǎo)引是通過檢測地表上粘貼 的磁帶線上的磁信號進行引導(dǎo) 相較電磁感應(yīng)導(dǎo)引方式更 靈活 并且便于改變路徑 但易受地上金屬干擾且磁帶易 損壞 可靠性不高 由于植物工廠內(nèi)影響和破壞磁帶因素 不多 并且考慮成本 后期維護和更改路線方便等因素 已有的植物工廠移動作業(yè)平臺多采用磁導(dǎo)引 19 20 針對植物工廠立體栽培架栽培床人工搬運存在勞動 強度大 自動化水平低等問題 本文在已研究的基于磁 導(dǎo)航的植物工廠移動平臺基礎(chǔ)上 21 擬對植物工廠多功 能作業(yè)平臺上的栽培床自動搬運和裝卸裝置進行研究 第1期 于暢暢等 植物工廠立體栽培系統(tǒng)多功能作業(yè)平臺優(yōu)化與試驗 267 并對整機定位精度不高的問題進行優(yōu)化 通過理論分析 與計算 確定升降機構(gòu) 自動裝卸裝置的關(guān)鍵參數(shù)和定 位系統(tǒng)方案 對控制系統(tǒng)硬件和軟件進行設(shè)計 實現(xiàn)多 功能作業(yè)平臺循跡導(dǎo)航 精準定位與栽培床的自動搬運 和裝卸 并設(shè)計人機交互界面 便于對多功能作業(yè)平臺 的作業(yè)參數(shù)進行實時監(jiān)控 對多功能作業(yè)平臺樣機進行 性能試驗 以期為植物工廠立體栽培的全面自動化和智 能化生產(chǎn)提供基礎(chǔ) 1 多功能作業(yè)平臺整體結(jié)構(gòu)與工作原理 1 1 植物工廠立體栽培模式與作業(yè)要求 本文所研究的植物工廠多功能作業(yè)平臺工作環(huán)境如 圖1所示 植物工廠溫室內(nèi)安裝有立體栽培架 立體栽培 架長度為9 200 mm 寬度為1 900 mm 共有3層 距離 地面的高度分別為1 121 1 718和2 315 mm 兩個立體栽 培架之間的間隙為830 mm 立體栽培架與溫室玻璃墻距 離為2 000 mm 溫室門寬度為1 550 mm 多功能作業(yè)平 臺在立體栽培架和溫室玻璃墻之間移動 正常工作時 多 功能作業(yè)平臺首先將移栽好秧苗的栽培床搬運到植物工 廠溫室 通過溫室內(nèi)預(yù)留的移動通道到達目標立體栽培 架 再將栽培床抬升到一定高度 利用多功能作業(yè)平臺栽 培床推送裝置將栽培床沿立體栽培架上的導(dǎo)軌推送到立 體栽培架上 立體栽培架上的接近開關(guān)檢測到栽培床時 啟動立體栽培架上的栽培床移動裝置 將栽培床搬運到立 體栽培架上 a 主視圖 a Front view b 俯視圖 b Top view 1 立體栽培架 2 栽培床 3 溫室墻 4 作業(yè)平臺 5 溫室門 6 栽培床導(dǎo)軌 1 Stereo cultivation rack 2 Cultivation bed 3 Greenhouse wall 4 Operation platform 5 Greenhouse door 6 Cultivation bed guide 圖1 多功能作業(yè)平臺作業(yè)環(huán)境示意圖 Fig 1 Schematic diagram of the working environment of the multifunctional operation platform 待栽培床上的作物成熟后 多功能作業(yè)平臺根據(jù)工 作指令自動到達目標立體栽培架并與立體栽培架上的栽 培床導(dǎo)軌進行對接 對接完成后 打開立體栽培架上的 栽培床移動裝置將栽培床沿導(dǎo)軌移動到立體栽培架一 端 當(dāng)多功能作業(yè)平臺檢測到被推送來的栽培床時 啟 動自動裝載裝置 從而將栽培床從立體栽培架上轉(zhuǎn)移到 多功能作業(yè)平臺上 裝有成熟作物的栽培床自行導(dǎo)航至 集中采摘點 由人工將栽培床上的成熟作物采收和打包 空出來的栽培床再進行下一輪作物的種植 該作業(yè)平臺 實現(xiàn)了作物從育苗車間到成熟裝車整個生產(chǎn)過程物流運 輸?shù)淖詣踊?1 2 多功能作業(yè)平臺整體結(jié)構(gòu) 根據(jù)植物工廠立體栽培的作業(yè)要求 該多功能作業(yè)平臺 主要包括行走系統(tǒng) 導(dǎo)航系統(tǒng) 定位系統(tǒng) 供電系統(tǒng) 控制 盒 人機交互界面 升降裝置和自動裝卸裝置 如圖2所示 1 減速器 2 控制盒 3 RFID 4 自動對接機構(gòu) 5 自動輸送機構(gòu) 6 紅 外傳感器 7 剪叉式升降機構(gòu) 8 液壓缸 9 行走輪 10 驅(qū)動電機 11 蓄電 池 12 RFID 13 磁導(dǎo)航傳感器 1 Reducer 2 Controller box 3 RFID Radio Frequency Identification RFID 4 Automatic docking mechanism 5 Automatic conveying mechanism 6 Infrared sensor 7 Scissor lifting mechanism 8 Hydraulic cylinder 9 Walking wheel 10 Driving motor 11 Battery 12 RFID 13 Magnetic guidance sensor 圖2 多功能作業(yè)平臺整體結(jié)構(gòu)示意圖 Fig 2 Structure diagram of multifunctional operation platform 行走系統(tǒng)主要由行走輪和驅(qū)動電機組成 行走輪與 驅(qū)動電機之間安裝有減速器 行走系統(tǒng)整體安裝在機架 上 通過控制盒內(nèi)的單片機與驅(qū)動器控制行走系統(tǒng)運動 導(dǎo)航系統(tǒng)通過磁導(dǎo)航傳感器實時檢測固定在溫室地面上 的磁條 實現(xiàn)按已規(guī)劃路徑運動 高振銘等 21 研究的路 徑校正控制方法能實現(xiàn)將直線行駛誤差控制在5 mm以 內(nèi) 本文是基于此導(dǎo)航系統(tǒng)的進一步研究 定位系統(tǒng)由2 個射頻識別 RFID 傳感器組成 當(dāng)檢測到立體栽培架 和地面上的電子標簽時 RFID傳感器會產(chǎn)生信號 從而 實現(xiàn)定位信號的采集 其中RFID 和RFID 分別識別 多功能移動平臺的前后位置和高度位置 供電系統(tǒng)由 24 V蓄電池提供 為整個多功能作業(yè)平臺提供能量 控 制盒由單片機 電機驅(qū)動器和藍牙模塊等電路模塊組成 實現(xiàn)位置 路徑等信號的檢測和電機 液壓缸的控制 人機交互界面是基于Android開發(fā)了用戶遠程控制APP 通過藍牙通訊協(xié)議實現(xiàn)人機交互界面與控制盒的連接 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 http www tcsae org 2022年 268 實現(xiàn)對多功能作業(yè)平臺作業(yè)參數(shù)的的實時監(jiān)控 升降裝 置主要由剪叉式升降機構(gòu)和液壓缸組成 通過控制液壓 缸的伸縮實現(xiàn)多功能作業(yè)平臺的高度調(diào)節(jié) 自動裝卸裝 置由自動對接機構(gòu) 自動推送機構(gòu)和紅外傳感器組成 紅外傳感器用于檢測多功能作業(yè)平臺上是否有栽培床 從而控制自動對接機構(gòu)和自動推送機構(gòu)進行工作 1 3 多功能作業(yè)平臺工作原理 根據(jù)已研究內(nèi)容 21 多功能作業(yè)平臺已實現(xiàn)通過植 物工廠地面上預(yù)先粘貼的磁條導(dǎo)引下進行移動 且能實 現(xiàn)較高的導(dǎo)航精度 根據(jù)上述作業(yè)要求 首先 裝載栽 培床的多功能作業(yè)平臺沿磁條移動到立體栽培架旁 當(dāng) RFID 傳感器檢測到預(yù)先布置在地表上的電子標簽時 多功能作業(yè)平臺停止移動 之后 剪叉式升降機構(gòu)在液 壓缸的驅(qū)動下向上抬升 當(dāng)RFID 傳感器檢測到預(yù)先 布置在立體栽培架上的電子標簽時 剪叉式升降機構(gòu)停 止上升 此時自動對接機構(gòu)工作 實現(xiàn)與立體栽培架導(dǎo) 軌的自動對接 對接完畢后 自動輸送裝置將栽培床裝 載到立體栽培架上 立體栽培架檢測到栽培床時 在栽 培床移動裝置的作用下將栽培床有序擺放在立體栽培架 上 栽培床被移動到立體栽培架后 紅外傳感器檢測不 到栽培床信號 此時 多功能作業(yè)平臺使自動對接機構(gòu) 和剪叉液壓平臺恢復(fù)到初始位置并移動到充電區(qū) 自動 進行充電 當(dāng)作物成熟后 需要將裝載成熟作物的栽培 床移動到溫室門口統(tǒng)一進行的人工采摘和打包 因此多 功能作業(yè)平臺要完成將裝有成熟作物的栽培床從立體栽 培架自動移動到作業(yè)平臺并運輸?shù)綔厥议T口 具體過程 為 多功能作業(yè)平臺從充電區(qū)到達目標立體栽培架 提 升到相應(yīng)層高并與立體栽培架的栽培床導(dǎo)軌進行對接 對接完畢后進入等待狀態(tài) 此時啟動立體栽培架上的栽 培床移動裝置 栽培床在立體栽培架栽培床移動裝置的作 用下沿導(dǎo)軌緩慢移動到自動對接機構(gòu)上 當(dāng)多功能作業(yè) 平臺上的紅外傳感器檢測到栽培床時 關(guān)閉立體栽培架 上的栽培床移動裝置 多功能作業(yè)平臺的自動輸送機構(gòu) 開始工作 栽培床在自動輸送機構(gòu)的作用下自動移動到 多功能作業(yè)平臺上 當(dāng)另一端紅外傳感器檢測到栽培床 時 自動輸送機構(gòu)停止工作 自動對接機構(gòu)和剪叉液壓 平臺恢復(fù)到初始位置后 多功能作業(yè)平臺在磁條的導(dǎo)航 下自動移動到植物工廠出口 待栽培床作物打包運走后 自動返回到充電區(qū) 從而實現(xiàn)作物生產(chǎn)過程物流自動化 1 4 主要技術(shù)參數(shù) 根據(jù)植物工廠立體栽培架空間布置和具體尺寸 確 定多功能作業(yè)平臺的主要技術(shù)參數(shù) 如表1所示 表1 多功能作業(yè)平臺的主要技術(shù)參數(shù) Table 1 Main technical parameters of multifunctional operation platform 參數(shù) Parameters 數(shù)值 Values 外形尺寸 長 寬 高 Dimension length width height mm mm mm 1 900 1 100 832 最大承載質(zhì)量Max load weight kg 90 提升高度范圍Lifting height mm 833 2 460 前后定位偏差Front and rear positioning deviation mm 9 高度定位偏差Height positioning deviation mm 5 對接成功率Docking success rate 96 2 關(guān)鍵部件設(shè)計與選型 2 1 升降機構(gòu) 為了使多功能移動平臺滿足不同高度立體栽培架栽 培床的裝卸 需設(shè)計合適的升降機構(gòu) 當(dāng)前 剪叉式液 壓升降平臺是常用的升降機構(gòu) 根據(jù)不同數(shù)量的剪叉臂 和液壓缸 常見的有單液壓缸推動兩幅剪叉和雙液壓缸 三幅剪叉等機構(gòu) 22 本研究中 立體栽培架第3層高度 為2 315 mm 根據(jù)升降行程及平臺安裝尺寸 選用單液 壓缸推動兩幅剪叉升降機構(gòu) 剪叉臂長度確定為 1 300 mm 組數(shù)為2 栽培床與作物總質(zhì)量不大于90 kg 在剪叉臂長度和液壓缸布置方式確定后 需要計算 液壓缸的最大推力 從而選擇合適的液壓缸型號 根據(jù) 剪叉運動特點 本文采用虛位移原理計算液壓缸推力 虛位移原理是指在某瞬間 質(zhì)點系在約束情況允許的條 件下 有可能發(fā)生任何無限小的位移 即為虛位移 假 如在質(zhì)點系的任一虛位移中 所有約束力所做功的代數(shù) 和為0 稱這種約束為理想約束 23 剪叉式升降機構(gòu)如圖 3所示 注 Pg為平臺負載 N l為剪叉臂長度 mm h為升降機構(gòu)高度 mm l1 為液壓缸下端耳環(huán)長度 mm l2為固定點O到滑動點A的距離 mm l3 為液壓缸上端耳環(huán)長度 mm l4為液壓缸上端鉸接點C與剪叉臂鉸接點的 距離 mm l5為液壓缸下端鉸接點D與剪叉中點的距離 mm 為剪叉臂 與水平面的夾角 為剪叉臂與液壓缸上端耳環(huán)的夾角 為剪叉 臂與液壓缸下端耳環(huán)的夾角 Note P g is the load of platform kg l is the length of scissor arm mm h is the height of scissor lift mechanism mm l 1 is the length of the lower earring of hydraulic cylinder mm l 2 is the distance between the fixed point O and sliding point A mm l 3 is the length of the upper earring of hydraulic cylinder mm l4 is the distance between the upper hinge point C of hydraulic cylinder and the hinge point of scissor arm mm l5 is the distance between the lower hinge point D of hydraulic cylinder and the midpoint of scissor arm mm is the angle between the scissor arm and horizontal plane is the angle between the scissor arm and lower earring of hydraulic cylinder is the angle between the scissor arm and upper earring of hydraulic cylinder 圖3 剪叉式升降機構(gòu)簡圖 Fig 3 Schematic diagram of the scissor lift mechanism 以點O為原點 建立坐標系xOy 則重要坐標點的 坐標如下所示 C點坐標為 l4cos l3cos 12h l4sin l3sin D點坐標為 12l2 l5cos l1cos 12h l5sin l1sin M點坐標為 12l2 h 其中 第1期 于暢暢等 植物工廠立體栽培系統(tǒng)多功能作業(yè)平臺優(yōu)化與試驗 269 2 cos 2sinlh l 1 根據(jù)虛位移原理 虛位移即為各點坐標的微分 則 各點的虛位移分別為 C點虛位移 4 3 4 3 sin sin cos cos cos Cx Cy l l l l l 2 式中 Cx和 Cy分別為C點在x和 y方向的虛位移 D點虛位移 5 1 5 1 1 sin sin sin 2 cos cos cos Dx Dy l l l l l l 3 式中 Dx和 Dy分別為D點在x和 y方向的虛位移 M點虛位移 1 sin 2 2 cos Mx My l l 4 式中 Mx和 My分別為M點在x和y方向的虛位移 設(shè)定C點和D點虛位移與x軸的夾角分別為 和 則可得 4 3 4 3 cos cos cos tan sin sin Cy Cx l l l l l 5 5 1 5 1 cos cos cos tan 1 sin sin sin 2 Dy Dx l l l l l l 6 根據(jù)虛位移原理 虛位移只與約束條件有關(guān) 對于理 想約束的質(zhì)點系 其平衡的充分必要條件是作用于質(zhì)點系 的所有主動力在任何虛位移中所做虛功的和等于0 23 由 于圖3點A和E處為滑動摩擦 使用時會添加潤滑油 摩擦系數(shù)很小 因此分析該系統(tǒng)的做工情況時忽略摩擦 力做功 最終可得 cos sincos sin 0g My Cx Cy Dx Dy P F F F F 7 式中F為液壓缸驅(qū)動力 N Pg為平臺負載 N 考慮到 實際工況中工作載荷的不同 平臺可能出現(xiàn)偏載現(xiàn)象 因此計算和校核都按照單側(cè)負重進行 平臺目標質(zhì)量G 約為90 kg 剪叉機構(gòu)的自身質(zhì)量G1約為400 kg 則單 側(cè)負載為Pg 0 5G 0 5G1 g 其中g(shù) 為重力加速度 m s2 計算可得Pg約為2 450 N 最終得液壓缸驅(qū)動力為 cos sin cos sin g My Cx Cy Dx Dy PF 8 由于在載重情況下 剪叉式升降機構(gòu)處于最低位置 時 液壓缸所受的推力最大 且剪叉臂與水平面的夾角 越小 所需要的初始液壓缸驅(qū)動力越大 為避免液壓缸 尺寸過大 本研究取 為10 剪叉式升降機構(gòu)其他參數(shù) 為 l 1 300 mm l1 100 mm l3 100 mm l4 120 mm l5 530 mm 32 32 h 452 mm 代入公式 8 可得液壓缸最大驅(qū)動力F約為15 443 9 N 為了得到液壓缸型號 根據(jù)液壓缸壓力與載荷的計 算關(guān)系 hc FP A 9 式中P為液壓缸工作壓力 MPa Ahc為液壓缸有效工作面 積 mm2 由于本應(yīng)用屬于中低壓等級 液壓缸工作壓力 一般為2 8 MPa 本文選用5 MPa 因此液壓缸直徑為 4hc FD P 10 式中Dhc為液壓缸直徑 mm 代入公式 10 計算可得 Dhc約為62 7 mm 預(yù)留出安全空間 參考液壓缸缸徑標 準 選擇液壓缸外徑直徑為63 mm 液壓桿內(nèi)徑為35 mm 根據(jù)剪叉式升降機構(gòu)安裝尺寸 確定液壓缸長度為 940 mm 液壓缸行程為360 mm 綜上 本研究選擇山東 省星睿液壓公司HSG 63 35型液壓缸 最大工作壓力為 21 MPa 2 2 自動裝卸裝置 為了實現(xiàn)栽培床的自動裝卸 需研究自動對接機構(gòu) 和自動輸送機構(gòu) 自動對接機構(gòu)實現(xiàn)多功能作業(yè)平臺上 栽培床移動軌道與立體栽培架的栽培床移動軌道的自動 對接 自動輸送機構(gòu)需要實現(xiàn)栽培床的雙向輸送 且能 保證栽培床輸送過程中平穩(wěn)無共振 2 2 1 自動對接機構(gòu) 栽培床結(jié)構(gòu)如圖4所示 栽培床下方安裝了八字形 輪和一字形輪 八字輪可用于保證栽培床在圓柱型導(dǎo)軌 上移動 且不會出現(xiàn)脫軌現(xiàn)象 另外 一端一字形輪相 較于兩端同為八字形輪的設(shè)計能減小兩條平行軌道間距 的精度要求 有效降低設(shè)計難度和成本 a 主視圖 a Front view b 俯視圖 b Top view 1 八 字輪 2 對接導(dǎo)軌 3 電動推桿 4 栽培床 5 止轉(zhuǎn)機構(gòu) 6 一 字輪 1 Wheel shaped like Chinese character of eight 2 Docking guide 3 Electric putter 4 Cultivation bed 5 Anti rotation mechanism 6 Wheel shaped like Chinese character of one 圖4 自動對接機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖 Fig 4 Structure diagram of the automatic docking mechanism 自動對接機構(gòu)主要由對接導(dǎo)軌 止轉(zhuǎn)機構(gòu)和電動推 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 http www tcsae org 2022年 270 桿組成 如圖4所示 對接導(dǎo)軌兩端采用錐形結(jié)構(gòu) 能 夠更加方便地將對接導(dǎo)軌與立體栽培架導(dǎo)軌進行對接 根據(jù)栽培床尺寸 長為1 300 mm 寬為800 mm 確定 對接導(dǎo)軌總長為1 200 mm 直徑為40 mm 止轉(zhuǎn)機構(gòu)采 用半弧形圓環(huán) 每個對接導(dǎo)軌通過左右兩個半弧形圓環(huán) 防止對接導(dǎo)軌轉(zhuǎn)動 同時半弧形圓環(huán)具有引導(dǎo)作用 半 弧形圓環(huán)屬于半開放式設(shè)計 半弧形圓環(huán)與對接導(dǎo)軌具 有一定的空隙 當(dāng)定位精度有一定誤差時 對接導(dǎo)軌可 在半弧形圓環(huán)中自動調(diào)整 保證對接成功率 電動推桿 為自動對接機構(gòu)提供動力 通過電動推桿的伸縮 實現(xiàn) 對接導(dǎo)軌與立體栽培架栽培床導(dǎo)軌的自動對接 本研究 中 選用阿力德ST500型電動推桿 工作電壓為24 V 內(nèi)置限位開關(guān) 伸縮距離為500 mm 滿足多功能作業(yè)平 臺與立體栽培架之間的距離要求 工作時 當(dāng)定位系統(tǒng) 確定好前后和高度定位位置后 自動對接機構(gòu)中的電動 推桿工作 推動對接導(dǎo)軌與立體栽培架導(dǎo)軌對接 2 2 2 自動輸送機構(gòu) 工業(yè)上常用的輸送方案有滾珠絲杠 輸送帶和鏈條 三種形式 滾珠絲杠應(yīng)用于傳動距離短 對傳動距離要 求精度較高的場合 輸送帶主要應(yīng)用于輕載場景中 鏈 條多用于輸送線上 使用時須考慮鏈條本身的機械特性 并保證鏈條張緊度 在減速比較大的狀態(tài)下使用 機械 系統(tǒng)的移動速度小 24 考慮到栽培床輸送質(zhì)量大 速度 和傳動精度要求不高等特點 本文采用輸送帶和鏈條驅(qū) 動方式相結(jié)合的鏈輪滾筒結(jié)構(gòu) 主要由鏈輪滾筒 鏈條 步進電機和減速器等組成 如圖5所示 根據(jù)栽培床的外形尺寸 栽培床的總寬度為800 mm 設(shè)置滾筒間的距離為40 mm 滾筒直徑為60 mm 共需 要采用16個鏈輪 鏈輪布置在鉛垂面內(nèi) 并保持兩鏈輪 軸線相互平行 鏈輪中心連線呈水平或與水平線成60 以下的傾角 以保證鏈條緊邊在上 松邊在下 從而防 止卡鏈或松緊邊相碰 驅(qū)動單元為步進電機 通過減速 器加速后驅(qū)動鏈輪滾筒 雙排鏈輪通過鏈條交錯式連接 確保雙向傳動的同時并保證較大扭矩 本研究中 北京 時代超群電器科技有限公司的42BYG型步進電機和 2HD 318型步進電機驅(qū)動器 供電電壓24 V 工作扭矩 為0 5 N m 采用PWM信號控制轉(zhuǎn)速 將多功能作業(yè)平臺的左右兩側(cè)分別設(shè)定為近端裝卸 點和遠端裝卸點 根據(jù)工作時栽培床的裝卸位置以及裝 載 卸載兩種作業(yè)操作的不同 共分為4種模式 1 近 端裝載 遠端卸載 2 近端裝載 近端卸載 3 遠端 裝載 遠端卸載 4 遠端裝載 近端卸載 以近端裝載 圖5a 和遠端卸載 圖5c 為例 當(dāng)紅外傳感器檢測到 栽培床在鏈輪滾筒組一端時 步進電機帶動雙排鏈輪轉(zhuǎn) 動 整體向一側(cè)運動 直到栽培床完全移動到多功能作 業(yè)平臺上 當(dāng)多功能作業(yè)平臺到達對接定位點時 自動 對接機構(gòu)的電機推桿帶動對接導(dǎo)軌完成與立體栽培的對 接 對接完畢后 步進電機再次運轉(zhuǎn) 使栽培床沿對接 導(dǎo)軌移動到立體栽培架上 直到紅外傳感器檢測到栽培 床離開 步進電機停止工作 自動對接機構(gòu)的電機推桿 帶動對接導(dǎo)軌回到初始位置 圖5b a 近端裝載 a Near end loading state b 初始狀態(tài) b Initial state c 遠端卸載 c Remote unloading state 1 栽培床 2 鏈輪滾筒 3 鏈條 4 步進電機 5 減速器 1 Cultivation bed 2 Sprocket roller 3 Chain 4 Stepper motor 5 Reducer 圖5 自動輸送機構(gòu)作業(yè)示意圖 Fig 5 Operation diagram of the automatic conveying mechanism 2 3 定位系統(tǒng)傳感器選型 多功能作業(yè)平臺的定位系統(tǒng)是實現(xiàn)栽培床自動裝卸 功能的關(guān)鍵 要完成多功能作業(yè)平臺上的對接導(dǎo)軌與立 體栽培架上的栽培床導(dǎo)軌的對接工作 除了導(dǎo)航系統(tǒng)確 保對接導(dǎo)軌與栽培床導(dǎo)軌平行外 還需要保證平臺行走 系統(tǒng)前后位置以及升降系統(tǒng)高度位置的定位準確 分別 采用2個射頻識別傳感器 RFID 和RFID 圖1 實 現(xiàn) RFID技術(shù)具有體積小 容量大 壽命長 不怕灰塵 污染等惡劣環(huán)境等特點 可支持非接觸式讀寫 非可視 識別 移動識別 定位及長期跟蹤管理 25 根據(jù)主動標 簽和被動標簽的區(qū)別 可分為2種識別方式 1 是主動 標簽主動發(fā)出信號 當(dāng)有閱讀器的天線接收到此信號時 信號通過電子耦合的方式傳遞到閱讀器 從而獲取相應(yīng) 電子標簽的信息 2 是當(dāng)被動電子標簽進入閱讀器的天 線讀取范圍時 自身的能量場被激活 將標簽上的信息 通過電磁場傳輸給閱讀器 標簽存有目標位置信息 從 而實現(xiàn)非接觸識別物體信息的功能 26 本文采用第2種識別方式 選用北京芯拓未來機器 人科技有限公司的CCF RFID 13M型RFID傳感器 感 應(yīng)距離為0 5 5 cm 供電電壓為9 30 V 支持RS232 和RS485接口輸出 RS232標準邏輯高電平為 3 15 V 邏輯低電平為 3 15V 此邏輯電平無法直接輸入到單 片機中 故需要進行電平轉(zhuǎn)換 將232電平轉(zhuǎn)換為TTL 電平 本文采用美信公司的芯片MAX3232將RS232電 第1期 于暢暢等 植物工廠立體栽培系統(tǒng)多功能作業(yè)平臺優(yōu)化與試驗 271 平轉(zhuǎn)換為TTL電平輸入到控制系統(tǒng)中 3 控制系統(tǒng)設(shè)計 3 1 控制系統(tǒng)總方案 多功能作業(yè)平臺的控制系統(tǒng)總方案主要包括行走系 統(tǒng) 導(dǎo)航系統(tǒng) 定位系統(tǒng) 通訊系統(tǒng) 升降系統(tǒng) 自動 對接與裝卸系統(tǒng)和供電系統(tǒng) 如圖6所示 圖6 控制系統(tǒng)總方案 Fig 6 Total scheme of the control system 本控制系統(tǒng)選用意法半導(dǎo)體公司STM32F103RET6 作為主控芯片 最大時鐘頻率為72 MHz 具有多個串口 ADC 定時器 通用I O等外設(shè)資源 主控制芯片負責(zé)對 導(dǎo)航系統(tǒng)的磁導(dǎo)航傳感器進行數(shù)據(jù)采集 經(jīng)運算處理后 向行走系統(tǒng)的直流無刷電機控制器發(fā)出指令 從而控制 直流無刷電機工作并完成路徑導(dǎo)航 磁導(dǎo)航傳感器信號 采用線性插值法進行獲取 行走系統(tǒng)采用模糊PID算法 進行控制 前期已進行了研究 21 通訊系統(tǒng)采用TELESKY公司的JDY 31型藍牙模 塊 工作頻率為2 4 GHz 藍牙版本為Bluetooth 3 0 SPP 傳輸距離30 m 通過串口UART與單片機進行數(shù)據(jù)交換 藍牙模塊與單片機的通信參數(shù) 波特率為9 600 bps 數(shù) 據(jù)位為8 停止位為1 無奇偶校驗位 外部設(shè)備可通過 藍牙協(xié)議與單片機進行連接 從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換 定位系統(tǒng)采用RFID傳感器 根據(jù)2 3中所述 RFID 傳感器在檢測到植物工廠溫室地面和立體栽培架上預(yù)先 粘貼的標簽時 會產(chǎn)生相應(yīng)信號 單片機檢測到定位信 號后 可通過控制行走系統(tǒng)和升降系統(tǒng)及時停止 從而 完成前后位置和高度位置的定位 標簽的具體位置需提 前進行標定與調(diào)試 對接系統(tǒng)采用電動推桿驅(qū)動 電動推桿在接通電源時 即開始工作 變換電源的正負極能夠改變電動推桿的工作 方向 本研究中通過單片機控制繼電器的開合 進而控制 電動推桿的啟停 從而實現(xiàn)對接機構(gòu)的對接導(dǎo)軌的移動 升降系統(tǒng)的液壓系統(tǒng)由電機驅(qū)動 當(dāng)需要抬升栽培 床時 單片機通過控制繼電器閉合使液壓系統(tǒng)電機開始 工作 直到定位系統(tǒng)檢測到作業(yè)平臺升高到目標高度并 發(fā)出信號 單片機接收到定位系統(tǒng)信號后控制繼電器斷 開 升降系統(tǒng)停止工作 當(dāng)需要作業(yè)平臺下降時 單片 機控制繼電器打開液壓系統(tǒng)的自鎖裝置 使升降機構(gòu)緩 慢下降 直至到達目標位置 裝卸裝置采用步進電機驅(qū)動 紅外傳感器檢測栽培 床位置 當(dāng)對接系統(tǒng)對接完成后 單片機根據(jù)2 2 2節(jié)的 4種不同模式命令 向步進電機控制器發(fā)出PWM和方向 控制信號 使裝卸裝置開始工作 此時4個紅外傳感器 會檢測當(dāng)前栽培床位置 當(dāng)紅外傳感器被遮擋時 紅外 傳感器發(fā)出低電平 否則發(fā)出高電平 單片機I O口通過 采集紅外傳感器的高低電平獲取當(dāng)前栽培床位置 根據(jù) 此信息控制裝卸系統(tǒng)中步進電機的工作狀態(tài) 根據(jù)系統(tǒng)各個模塊工作電壓的要求 行走系統(tǒng)的伺 服電機 磁導(dǎo)航傳感器 RFID傳感器 對接系統(tǒng)的直流 電機 升降系統(tǒng)的直流電機 裝卸系統(tǒng)的步進電機工作 電壓為24 V STM32F103RET6單片機 紅外傳感器 藍牙模塊 繼電器工作電壓為5 V 因此選用駱駝牌 6 QWLZ 60 型蓄電池 額定電壓為12 V 額定容量為 60 Ah 采用兩塊串聯(lián)得到24 V供電系統(tǒng) 為了得到5 V 電壓 選用Risym公司的LM2596型DC DC可調(diào)降壓模 塊 最大工作電流為2 5 A 實現(xiàn)將電壓從24 V降到5 V 3 2 系統(tǒng)控制流程 控制系統(tǒng)主要包括導(dǎo)航任務(wù) 定位任務(wù) 平臺升降 任務(wù) 自動對接任務(wù) 自動輸送任務(wù) 避障任務(wù)與無線 藍牙通訊任務(wù) 采用定時器中斷模式來協(xié)調(diào)各個指令任 務(wù) 其中避障任務(wù)由外部中斷觸發(fā)驅(qū)動 一旦事件來臨 控制器立即響應(yīng) 保證植物工廠多功能作業(yè)平臺遇見障 礙物立刻停止 保證行駛安全 運動控制器以50 ms的定 時周期對導(dǎo)航傳感器進行掃描 同時讀取一次狀態(tài)值進 行校正 運動控制器以1 ms的周期判斷一次當(dāng)前驅(qū)動輪 速度是否已達到控制速度 進行力矩和速度的調(diào)整 確 保作業(yè)平臺能夠快速平穩(wěn)的控制運動速度 作業(yè)信息發(fā) 生變化時 將作業(yè)信息通過藍牙通訊實時發(fā)送至人機交 互界面APP上 控制流程圖如圖7所示 圖7 控制流程圖 Fig 7 Flow chart of controller 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 http www tcsae org 2022年 272 3 3 人機交互界面設(shè)計 為了方便監(jiān)控多功能作業(yè)平臺的作業(yè)參數(shù) 本文基 于Android系統(tǒng)開發(fā)了 智能多功能作業(yè)平臺 APP 如 圖8所示 圖8 人機交互界面 Fig 8 Human machine interaction interface 該人機交互界面采用藍牙通訊協(xié)議與單片機上的藍 牙模塊進行數(shù)據(jù)交換 智能多功能作業(yè)平臺 APP主 要分為自動和手動兩種模式 其中自動模式主要用于多 功能作業(yè)平臺自動化作業(yè) 不同編號分別代表立體栽培 架和層數(shù) 工作時只需要選擇不同編號 多功能作業(yè)平 臺就能自動的實現(xiàn)所有的作業(yè)流程 手動模式主要用于 前期調(diào)試和電子標簽位置的標定等 分別能夠控制升降 機構(gòu) 自動對接結(jié)構(gòu) 自動輸送機構(gòu)和循跡導(dǎo)航等 同 時設(shè)置了緊急制動模式 當(dāng)遇到障礙物時控制多功能作 業(yè)平臺緊急停止工作 為了實現(xiàn) 智能多功能作業(yè)平臺 APP與單片機之間的數(shù)據(jù)通訊 需要在上位機與下位機 之間指定數(shù)據(jù)指令格式 如表2所示 表2 數(shù)據(jù)指令 Table 2 Data instruction 序號 No 變量 Variable 編碼 Coding 傳遞信息 Information transmission 0 x00 停止 0 行駛狀態(tài) 0 x01 運動 0 x00 位置0 0 x01 位置1 1 行駛位置 0 x00 前進 2 行駛方向 0 x01 后退 0 x00 停止 0 x01 上升 3 升降平臺 0 x02 下降 0 x00 停止 0 x01 左 4 對接狀態(tài) 0 x02 右 0 x00 停止 0 x01 裝載 5 裝卸狀態(tài) 0 x02 卸載 4 性能試驗 為了評價多功能作業(yè)平臺的工作性能 對升降機構(gòu) 定位系統(tǒng) 自動對接機構(gòu)進行了性能試驗 4 1 試驗概況 試驗在北京市通州區(qū)京鵬植物工廠進行 主要試驗 儀器和設(shè)備包括多功能作業(yè)平臺 電子秤 拜杰TCS 100 量程為100 kg 卷尺 香港宏利萊有限公司 0 5 m 精度為1 mm 秒表 雷逸MB01 等 圖9為試驗現(xiàn)場 1 對接導(dǎo)軌 2 行走輪 3 電池 4 驅(qū)動電機 5 磁導(dǎo)航傳感器 6 電子標簽 7 RFID 8 RFID 9 電子標簽 10 栽培床 1 Docking guide 2 Walking wheel 3 Battery 4 Driving motor 5 Magnetic navigation sensor 6 Electronic label 7 RFID 8 RFID 9 Electronic label 10 Cultivation bed 圖9 試驗現(xiàn)場 Fig 9 Experiment site 4 2 試驗方法與指標 為了確保升降機構(gòu)滿足立體栽培架的各層高度要 求 采用卷尺分別測試剪叉式升降機構(gòu)距地面的最高位 置和最低位置的距離 為了實現(xiàn)多功能作業(yè)平臺與立體栽培架的準確對 接 對定位系統(tǒng)的前后和高度2個方向的定位偏差分別 進行了測試 為了研究多功能作業(yè)平臺在空載和滿載貨 物情況下對定位系統(tǒng)的前后定位偏差和高度定位偏差是 否有影響 分別進行了空載和90 kg負載的試驗 在前后 定位偏差試驗時 選擇10組不同的前后位置目標值分別 進行空載和90 kg負