基于交替取投苗方式的双行自动移栽机取投苗系统运动控制设计与参数优化

《Agronomy》：Motion Control Design and Parameter Optimization of an Alternating Seedling Picking and Dropping System for a Two-Row Automatic Transplanter

　　

针对现有双行自动移栽机采用步进式苗盘输送、多爪整排取苗及回转式分苗所导致的作业工序多、结构复杂等问题，研究人员研制了一种交替式取投苗系统。该系统融合了取苗过程中苗盘保持静止、左右两组取苗爪交替取投苗、以及固定式分苗装置交替向栽植器供苗的工作方式。苗盘安装于双工位回转平台上，取苗过程中保持静止；直线运动模组驱动两组取苗爪（每组含两个取苗爪）在纵向和横向上运动，完成取苗和投苗；两组固定式分苗管承接钵苗并依序喂入鸭嘴式栽植器。为实现精准高效的取苗作业，研究人员基于苗盘穴孔排列规划了取苗路径，并采用S曲线加减速策略确定了不同苗位对应的运动时序参数。基于栽植机构的接苗窗口，建立了取苗、投苗与栽植过程之间的时空匹配关系，计算了整盘连续作业时序，确定了各取苗位置的作业参数与时间裕量。通过试验与参数优化，研究了分苗管开启时刻、栽植频率及接苗高度对接苗偏差的影响，选定作业参数为分苗管开启时刻0.56 s、栽植频率51株·行^?1·min^?1、接苗高度约49 mm。整机台架试验表明，在选定作业条件下，取投苗成功率为96.48%，接苗成功率为100%。上述结果验证了所提系统在评价条件下的可行性。

**论文解读：基于交替取投苗方式的双行自动移栽机取投苗系统运动控制设计与参数优化**

**一、研究背景与问题提出**

中国是全球最大的设施蔬菜生产国，蔬菜钵苗机械化移栽具有作业效率高、操作精准、栽植质量一致等优势。随着设施蔬菜种植规模扩大和连续化移栽需求增长，蔬菜钵苗移栽装备正朝着高速化、自动化和精准化方向发展。甘蓝及茄果类蔬菜普遍采用一畦双行种植模式，这对连续供苗、协调取投及可靠接苗提出了更高要求。钵苗作为移栽过程中的主要载体，其苗盘尺寸和穴孔排列直接影响供苗方式、取苗路径和作业周期。钵苗个体小、基质易散碎、姿态易改变，要求机械移栽在取苗、投苗、供苗和接苗各环节中保持协调配合，同时尽可能减少对幼苗及基质的损伤，并保证连续作业各阶段稳定性。然而，现有双行自动移栽机普遍采用步进式苗盘输送、多爪整排取苗和回转式分苗的工作方式，对定位精度和制造装配精度要求严苛，且供苗、取苗、投苗和栽植之间的时序协调与运动匹配关系复杂，作业步骤多、结构复杂，制约了移栽装备连续性和可靠性的提升。因此，研制结构简洁、功能可靠、协调连续作业的取投苗系统对提高蔬菜钵苗自动移栽的连续性和可靠性具有重要意义。

**二、研究内容与结论**

针对上述问题，研究人员开发了一套交替式取投苗系统，集成取苗时苗盘静止、左右取苗爪组交替取投苗、固定式分苗装置交替供苗，消除了取苗过程中的步进式苗盘输送和回转式分苗机构。以128穴苗盘为例，基于穴盘排列规划了取苗路径，运用S曲线加减速控制策略优化运动过程，建立了取苗、投苗与栽植过程的时空匹配关系，计算了整盘连续作业时序和不同取苗位置的时间裕量。通过RecurDyn运动仿真结合单因素及Box-Behnken多因素试验，优化了分苗管开启时刻、栽植频率和接苗高度三个关键参数。整机台架试验表明，在选定参数下取投苗成功率达96.48%，接苗成功率达100%，验证了系统在评价条件下的可行性。

**三、主要关键技术方法**

研究采用的主要技术方法包括：基于S曲线加减速的运动轨迹规划方法，引入加加速度约束确保加速度连续变化，根据取苗行程不同分为六段式S曲线（行程≥135 mm时含匀加速和匀减速段）和短行程S曲线（行程<135 mm时无匀速段）；基于RecurDyn 2024的多体动力学仿真建模，模拟钵苗从分苗管释放后与鸭嘴栽植器的空间配合关系，以落点偏差为响应指标；采用Box-Behnken响应面试验设计，以分苗管开启时刻、栽植频率和接苗高度为因素进行三因素三水平优化试验；以及整机台架试验验证。样本为128穴标准硬质塑料育苗盘，甘蓝苗苗龄35天、株高110~130 mm，育苗基质为泥炭、蛭石和珍珠岩按体积比3:1:1混合，含水率约60%，试验于江苏省苏州市和扬州市进行。

**四、研究结果**

**4.1 取苗运动规划与控制策略设计结果**

随着取苗行程从123.9 mm增加到350.0 mm，匀加速段时间从0逐渐增加至0.125 s，峰值速度从425.0 mm/s提升至824.1 mm/s，单程运动时间从0.583 s延长至0.849 s。第一行因行程小于临界值135 mm，采用无匀加速和匀减速段的短行程S曲线，峰值加速度保持在限定值以下；第2至第8行行程均超过临界值，采用含匀加速和匀减速段的完整六段式S曲线。MATLAB仿真曲线显示位移连续增加、速度在加减速阶段平滑变化、加速度在各相邻阶段之间连续过渡，验证了S曲线规划在避免加速度突变方面的有效性。该结果表明运动参数需针对不同取苗位置调整匀加速段时间，同时保证速度、加速度和加加速度均满足约束条件。

**4.2 取投苗系统时序配合分析结果**

以第一行16株苗为例，左右取苗模块按时间偏移交替作业，每个模块同时取两株苗并投入对应分苗管，一侧继续投苗和接苗时另一侧进行取苗和返回运动，实现了部分作业的时间重叠。连续处理完整行过程中，每次供苗均落在对应鸭嘴栽植器的接苗窗口内，表明交替式作业模式能够在单行内实现时序协调。对全部8行的时间裕量计算表明，随取苗行程增大，稳态循环时间从1.566 s增至2.098 s，在基准栽植频率51株·行^?1·min^?1下允许循环时间为2.353 s，时间裕量从0.787 s逐步递减至0.255 s，各行均为正值，说明取投苗机构能在每侧下一次作业开始前完成当前循环，满足整盘连续作业要求。理论频率上限约为57.2株·行^?1·min^?1。

**4.3 供苗接苗运动仿真与参数优化结果**

单因素试验表明，分苗管开启时刻早于0.53 s或晚于0.61 s时钵苗落出鸭嘴接苗有效区域；开启时刻在0.56~0.58 s范围内落点偏差较小。接苗高度50 mm、开启时刻0.57 s条件下，栽植频率在48~52株·行^?1·min^?1范围内落点偏差较小，超出该范围偏差增大。开启时刻0.57 s、栽植频率50株·行^?1·min^?1条件下，接苗高度在25~75 mm范围内偏差较小，且随接苗高度增加，落点相对鸭嘴中心从左侧偏移逐渐转为右侧偏移。三因素Box-Behnken试验方差分析表明，回归模型高度显著（p<0.0001），开启时刻（A）和接苗高度（C）的一次项分别显著和极显著，栽植频率（B）的一次项不显著但其二次项极显著，说明栽植频率对偏差呈非线性影响；交互项AB和AC高度显著，表明开启时刻与栽植频率及接苗高度之间存在明显耦合。模型R2=0.9851，调整R2=0.9659，预测R2=0.8089。经数值优化选定参数组合为：分苗管开启时刻0.56 s、栽植频率51株·行^?1·min^?1、接苗高度约49 mm。

**4.4 取投苗系统性能试验结果**

连续6盘共768株苗的取投苗试验中，共741株成功取投，总体取投苗成功率为96.48%，各盘成功率介于95.31%~97.66%之间。部分幼苗茎秆弯曲与邻苗重叠，导致取苗时带动相邻钵苗，可能干扰正常取投，说明苗盘内钵苗形态和生长状态是影响成功率的因素之一。整机动态试验中，在选定参数组合下，300株苗全部成功接苗，接苗成功率为100%；对照组（开启时刻0.56 s、栽植频率54株·行^?1·min^?1、接苗高度100 mm）300株中293株接苗成功，成功率为97.67%，优化组合比对照高2.33个百分点。与已有研究相比，所提系统在作业效率和取投苗成功率之间取得了良好平衡。

**五、总结讨论与结论**

讨论部分指出，分苗管开启时刻、栽植频率和接苗高度并非独立影响供苗接苗性能，而是共同决定钵苗到达接苗区域时与栽植机构运动状态的匹配关系。单因素试验确定了各参数的适宜范围，多因素分析进一步揭示了参数间的交互作用，为参数组合确定提供了依据。控制系统采用基于栽植完成状态驱动的动态时序协调机制，哪侧先完成栽植即先触发该侧取投苗作业，相比固定作业时序减少了等待时间，提高了作业连续性和时间利用率。研究也存在一定局限性：未独立表征中心点重复试验间的变异、未通过额外仿真验证预测的最小偏差、未建立接苗高度容差范围、未对72穴苗盘进行试验评价。结论为：（1）开发了融合取苗时苗盘静止、双模块各含两爪交替取投苗、固定式分苗管供苗的交替式取投苗系统，消除了步进式苗盘输送和回转式分苗，建立了运动学模型、规划了取苗路径并采用S曲线加减速控制优化了运动过程；（2）依据苗盘穴孔排列规划了取苗路径，针对不同取苗距离确定了S曲线运动参数，单程运动时间随取苗距离从123.9 mm增至350 mm而从0.583 s增至0.849 s，且满足速度、加速度和加加速度约束；（3）对128个穴位的时序计算表明，在栽植频率51株·行^?1·min^?1下，稳态取投苗循环时间为1.566~2.098 s，对应时间裕量约0.787~0.255 s，验证了时序可行性；（4）通过RecurDyn仿真、单因素及Box-Behnken多因素试验确定了分苗管开启时刻0.56 s、栽植频率51株·行^?1·min^?1、接苗高度约49 mm的优选参数组合，整机试验获得96.48%的取投苗成功率和300株样本中100%的接苗成功率，为双行自动移栽机的设计和参数优化提供了理论依据。