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蔬菜缽苗穴盤間移栽CAMOZZI執(zhí)行器設計規(guī)劃 
溫室穴盤苗培育技術已在*范圍內(nèi)廣泛應用,移栽作業(yè)是育苗后期的重要環(huán)節(jié)。開發(fā)缽苗移栽機器人代替?zhèn)鹘y(tǒng)手工作業(yè),可大大提高作業(yè)效率,減輕作業(yè)者勞動強度,解決勞動力短缺問題,且使苗的移栽*性比率高。

蔬菜缽苗穴盤間移栽CAMOZZI執(zhí)行器設計規(guī)劃 
我國是以蔬菜栽培為主體的世界設施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國,采用機械化移栽將產(chǎn)生較好的經(jīng)濟和社會效益。基于此本論文以溫室蔬菜番茄、黃瓜穴盤苗為研究對象,開展了溫室缽苗機械化移栽作業(yè)的缽苗可移栽狀態(tài)研究、移栽末端CAMOZZI執(zhí)行器的創(chuàng)新設計和試驗、缽苗健康信息機器視覺獲取方法和機構(gòu)創(chuàng)新、移栽作業(yè)路徑控制策略和優(yōu)化四個方面的研究。主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下：基于萬能試驗機平臺設計了可調(diào)指針夾持壓縮苗坨的力學測試系統(tǒng),用于測量抓苗指針水平向心擠壓苗坨時抗壓力的變化。進一步研究指針夾持角度、夾持指針數(shù)、苗坨含水率、缽苗長勢和苗坨基質(zhì)配比五個因素對抗壓力的影響,以提高末端CAMOZZI執(zhí)行器抓苗可靠性。指針夾持角7°和10°時苗坨抗壓力隨壓縮量增加逐漸上升,相比4°和13°穩(wěn)定性要好,且7°指針相同壓縮位置能獲得更大抗壓力；四指對稱式指針對苗坨的向心夾持壓縮變形比三指式更穩(wěn)定,能產(chǎn)生更大的抗壓力；所測四個含水率水平(65%,75%,85%,88%)苗坨抗壓力對比中,85%水平苗坨抗壓力隨擠壓增加更多,其基質(zhì)間的粘結(jié)力和可塑性綜合性能好；主根系發(fā)達可使苗坨結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性更好,小苗、中苗和大苗苗坨的指針夾持抗壓力隨平均根系長度增長而增加,大中苗(根系大于87mm)苗坨可得到穩(wěn)定上升的夾持壓縮力學特性；基質(zhì)配比(泥炭：蛭石：珍珠巖)中硬物料蛭石的適量增加可減少苗坨可壓縮空間,使抗壓力得到增強。圍繞穩(wěn)定抓取和主動分離的功能要求,設計雙氣缸驅(qū)動的插入夾取式末端CAMOZZI執(zhí)行器,通過插入苗缽、夾緊、提升、釋放、苗針分離的動作,可實現(xiàn)缽苗移栽作業(yè)。末端CAMOZZI執(zhí)行器關鍵參數(shù)可調(diào)整滿足不同大小缽苗夾取尺寸和角度要求,實現(xiàn)穩(wěn)定抓取；同時指針管與指針的相對位置調(diào)節(jié)可實現(xiàn)苗坨與指針主動分離。基于可獲較大抗壓力研究,即指針夾持角7°-10°,苗坨基質(zhì)配比6：3：1(泥炭：蛭石：珍珠巖),苗缽含水率85%左右時,開展對番茄、黃瓜穴盤苗的移栽試驗,結(jié)果表明：三針或四針插入夾取式末端CAMOZZI執(zhí)行器移栽成功率在95.8%以上,其中對大、中苗的移栽成功率達到100%的效果；四針式末端CAMOZZI執(zhí)行器移栽成功率均為100%,比3針式更穩(wěn)定；傷苗率均在3%以內(nèi),滿足移缽作業(yè)需求。通過機器視覺技術測量葉面積實現(xiàn)穴盤中缽苗生長狀態(tài)和位置信息的檢測。灰度增強、閾值分割、噪聲過濾等圖像處理技術將幼苗從背景中提取出來。針對穴盤苗葉片跨界重疊導致識別難的問題提出兩種解決方案：一是葉片重疊不嚴重時,采用改進型分水嶺算法分割,包括形態(tài)學梯度增強、重構(gòu)、標記提取和分割,相比標準分水嶺算法圖像中單連通域減少45%-55%,過分割現(xiàn)象得以緩解,且所有跨界重疊的葉片均得以分割,基于此對番茄和黃瓜苗健康狀況的判別準確率分別達98.9%和98.6%；二是葉片繁茂、跨界重疊葉片面積較大時,繼續(xù)采用分水嶺算法分割判別準確率會下降,設計了輔助機器視覺識別的間苗機構(gòu),改變?nèi)~片自然伸展重疊狀態(tài),通過比較各像素分量值的方法將藍色分隔片從穴盤苗圖像中去除,繼而進行目標提取、面積計算和健康質(zhì)量判別,對番茄和黃瓜苗質(zhì)量判別的準確率均為100%,進一步延長了穴盤苗的自動化移栽周期。通過單末端CAMOZZI執(zhí)行器移栽系統(tǒng)進行稀植移栽和補苗作業(yè)實現(xiàn)一機多用的功能時,作業(yè)路徑需要規(guī)劃。對路徑選擇問題進行建模與分析,發(fā)現(xiàn)此問題類似為NP問題,運用窮盡算法獲取*路徑方法不可行。采用貪心算法對四種固定順序方案的稀植移栽路徑分別優(yōu)化,統(tǒng)計對10組穴盤稀植移栽總路徑,相比優(yōu)化前路徑長度可縮短4.4m至9.55m,優(yōu)化幅度達19.4%至40.8%,總體貪心算法優(yōu)化后方案比固定順序方案要好。采用遺傳算法對空穴補苗路徑進行規(guī)劃,對遺傳算子的選擇、交叉、變異、重插入操作和算法終止條件進行了改進,優(yōu)化運算在第25代左右可得到收斂。

蔬菜缽苗穴盤間移栽CAMOZZI執(zhí)行器設計規(guī)劃 
對10組穴盤進行補苗試驗,所得路徑總長度比常規(guī)固定順序路徑長度縮短3.7m以上,優(yōu)化幅度8.5%以上,可穩(wěn)定得到整體優(yōu)化路徑,算法平均運算時間0.65s,說明可以快速得到移缽路徑的優(yōu)化解,滿足移缽作業(yè)實時性的要求。以上研究成果為開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權的、適合我國國情的、能實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的溫室內(nèi)缽苗自動移栽機器人打下重要的理論和研究基礎。