夏廣寶，韓長杰，郭 輝，張 靜，葛 鵬，徐 陽

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，烏魯木齊 830052)

0 引言

自20世紀(jì)30年代至今，育苗移栽技術(shù)在經(jīng)濟(jì)作物種植方面應(yīng)用日趨廣泛，優(yōu)勢(shì)明顯，相比露地直播、覆膜播種產(chǎn)量分別提高20.8%和16.5%[1]。作物移栽技術(shù)可以使秧苗生育期提前15天，避開倒春寒、霜凍等惡劣天氣狀況，有效提高種苗成活率，縮短緩苗期，延長作物生長時(shí)間，增加作物復(fù)種指數(shù)及產(chǎn)量。相比播種種植方式，提前育苗可以減少不確定因素的影響，通過對(duì)土壤施肥量、光照補(bǔ)償量、水分含量和溫度的科學(xué)調(diào)控，提高種子的發(fā)芽率，保證種苗幼苗期間的健康生長，確保苗齊、苗全和苗壯，推動(dòng)精細(xì)農(nóng)業(yè)技術(shù)的推廣[2]。

全自動(dòng)移栽機(jī)械的研發(fā)與改進(jìn)是推動(dòng)育苗移栽技術(shù)發(fā)展的有力保障。目前，國內(nèi)外全自動(dòng)移栽機(jī)械向著智能化、專業(yè)化方向發(fā)展，針對(duì)不同土壤結(jié)構(gòu)、不同作物品種和不同農(nóng)藝要求的種植方式，對(duì)應(yīng)的移栽機(jī)機(jī)型都已被研發(fā)和應(yīng)用。本文重點(diǎn)對(duì)全自動(dòng)移栽機(jī)械的栽植系統(tǒng)、供苗系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)方面開展研究。其中，栽植系統(tǒng)是移栽機(jī)核心部件，其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠性直接影響秧苗栽植質(zhì)量；供苗系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)移栽機(jī)械全自動(dòng)栽植的關(guān)鍵部件，其空間布局的合理性和結(jié)構(gòu)原理的可行性是實(shí)現(xiàn)機(jī)械投苗替代人工投苗的重要保障；電氣控制系統(tǒng)是保證栽植系統(tǒng)和供苗系統(tǒng)協(xié)同工作的重要部分，其控制時(shí)序的準(zhǔn)確性和控制系統(tǒng)自身的穩(wěn)定性能夠保證自動(dòng)移栽機(jī)械協(xié)調(diào)工作，使移栽機(jī)實(shí)時(shí)、高效、可靠運(yùn)行。

1 國內(nèi)外栽植系統(tǒng)關(guān)鍵部件研究現(xiàn)狀

1.1 國內(nèi)外栽植系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

國外移栽機(jī)械的研發(fā)與應(yīng)用始于20世紀(jì)30年代，早期主要以手工栽植工具為主，以實(shí)現(xiàn)秧苗入土、固定和覆土等功能為主要目的，結(jié)構(gòu)簡單；50年代，多種形式栽植器相繼問世，采用人工投苗、機(jī)械開穴喂苗方式的半自動(dòng)移栽機(jī)械被廣泛應(yīng)用；80年代以后，半自動(dòng)移栽機(jī)械的結(jié)構(gòu)逐步完善，功能適應(yīng)性更強(qiáng)。經(jīng)過多年對(duì)作物移栽技術(shù)的研究，西方發(fā)達(dá)國家已形成一套集穴盤制造、培育秧苗和栽植技術(shù)于一體的機(jī)械化作業(yè)系統(tǒng)。目前，歐、美、日等發(fā)達(dá)國家已相繼將PLC、單片機(jī)和Fuzzy-PID復(fù)合控制等技術(shù)應(yīng)用于移栽機(jī)械，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)供苗系統(tǒng)替代人工投苗的供苗方式，有效降低了人工勞動(dòng)強(qiáng)度，經(jīng)濟(jì)效益顯著[3-4]。

國內(nèi)移栽機(jī)械研制起步較晚，早期主要是以水稻的育苗移栽技術(shù)研究為重點(diǎn)。20世紀(jì)50年代后期，南京農(nóng)機(jī)化所、浙江農(nóng)科院和浙江大學(xué)機(jī)械系聯(lián)合，對(duì)裸根苗移栽機(jī)及拔秧裝備開展研究[5]，并形成了批量的推廣應(yīng)用。改革開放后，國外移栽機(jī)大量進(jìn)口到國內(nèi)，受其影響，國內(nèi)針對(duì)水田移栽和旱地移栽的機(jī)型都投入大量的研究，并推廣應(yīng)用了幾種代表移栽機(jī)機(jī)型：富來威農(nóng)機(jī)公司自主研發(fā)的“富來威”2Z-455型手扶式機(jī)動(dòng)插秧機(jī)；中國農(nóng)業(yè)大學(xué)宋建農(nóng)等人設(shè)計(jì)的2ZPY-H530水稻缽苗行栽機(jī)，取投苗機(jī)構(gòu)性能穩(wěn)定，傷苗率低，結(jié)構(gòu)簡單；東北農(nóng)業(yè)大學(xué)與鑫華裕農(nóng)機(jī)裝備有限公司聯(lián)合研制的雙曲柄五桿機(jī)構(gòu)缽苗移栽機(jī)，取苗路徑優(yōu)化，作業(yè)效率高；東北農(nóng)業(yè)大學(xué)和浙江理工大學(xué)聯(lián)合研制的回轉(zhuǎn)式缽苗移栽機(jī)等[6-10]。國內(nèi)移栽機(jī)械的發(fā)展存在問題較多：農(nóng)機(jī)和農(nóng)藝有效結(jié)合程度不高，結(jié)構(gòu)功能單一、通用性較差；缺乏完善、科學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)價(jià)的方法；移栽成本較高，作業(yè)穩(wěn)定性、可靠性等性能與發(fā)達(dá)農(nóng)業(yè)國家相比仍然存在差距。至21世紀(jì)初，國內(nèi)半自動(dòng)移栽機(jī)械已廣泛應(yīng)用，但全自動(dòng)移栽機(jī)械研發(fā)應(yīng)用尚未實(shí)現(xiàn)。

1.2 栽植系統(tǒng)的關(guān)鍵部件

移栽機(jī)械栽植系統(tǒng)主要包括覆土機(jī)構(gòu)、開穴機(jī)構(gòu)、地輪及傳動(dòng)系統(tǒng)等。其中，開穴機(jī)構(gòu)是栽植系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。開穴機(jī)構(gòu)按成穴的工作方式可分為開溝式開穴機(jī)構(gòu)、鴨嘴式開穴機(jī)構(gòu)及鉆入式開穴機(jī)構(gòu)。

1.2.1 開溝式開穴機(jī)構(gòu)

開溝式開穴機(jī)構(gòu)是指在移栽作業(yè)過程中利用鏟形構(gòu)件開出一條溝壑，然后將秧苗輸送或投放到溝壑內(nèi)，最后利用覆土機(jī)構(gòu)對(duì)秧苗進(jìn)行掩埋固定。開溝移栽作業(yè)方式適用范圍較廣，可在水田、不覆膜旱地移栽作業(yè)中使用，其結(jié)構(gòu)簡單、制作成本較低且移栽效率較高；但開溝式開穴機(jī)構(gòu)開出的溝形不易控制，在開溝形狀較寬的位置，投放的秧苗周側(cè)固定不完全，容易造成秧苗的直立率低，出現(xiàn)埋苗現(xiàn)象。由于自身結(jié)構(gòu)限制，覆土過程中也會(huì)出現(xiàn)秧苗窩根現(xiàn)象，影響秧苗后期生長。目前，開溝式開穴機(jī)構(gòu)在國內(nèi)外移栽機(jī)械中廣泛應(yīng)用，在意大利Ferrari公司生產(chǎn)的FASTBLOCK自動(dòng)移栽機(jī)(見圖1)、澳大利亞Williames自動(dòng)移栽機(jī)(見圖2)及日本久保田半自動(dòng)大蔥移栽機(jī)等移栽機(jī)上都有使用。

1.2.2 鴨嘴式開穴機(jī)構(gòu)

鴨嘴式開穴機(jī)構(gòu)由兩片形如鴨嘴顎片的鐵皮對(duì)合構(gòu)成。開穴過程中，鴨嘴顎片閉合沖入地表內(nèi)部，到達(dá)指定深度后，鴨嘴顎片打開并向上移動(dòng)，仿形機(jī)構(gòu)將兩顎片打開，秧苗受自身重力作用，沿開口自由下落進(jìn)穴坑，鴨嘴回位后閉合，完成1次開穴周期。鴨嘴式開穴機(jī)構(gòu)廣泛應(yīng)用膜上移栽和旱地移栽作業(yè)中。這種開穴方式可以使種苗沿鴨嘴顎片完全進(jìn)入到穴坑中，同時(shí)在機(jī)構(gòu)回位過程中，覆土自動(dòng)將秧苗扶正，直立度好，但這種機(jī)構(gòu)對(duì)種苗高度和新鮮度的要求較高。秧苗的高度不能過高、不能打蔫，否則就容易出現(xiàn)掛苗現(xiàn)象，堵塞漏苗口，造成傷苗、漏苗、重苗等現(xiàn)象。目前，鴨嘴式開穴機(jī)構(gòu)在移栽機(jī)械上的應(yīng)用最為廣泛，如日本洋馬株式會(huì)社自動(dòng)移栽機(jī)栽植器(見圖3)和美國雷納多RTME1100半自動(dòng)移栽機(jī)(見圖4)等多桿機(jī)構(gòu)栽植器和吊籃式栽植器(見圖5)都是采用的鴨嘴式開穴機(jī)構(gòu)。

圖1 Ferrari公司FASTBLOCK自動(dòng)移栽機(jī)

圖2 Williames自動(dòng)移栽機(jī)

圖3 洋馬株式會(huì)社自動(dòng)移栽機(jī)栽植裝置

圖4 美國雷納多RTME1100半自動(dòng)移栽機(jī)

圖5 吊籃式移栽機(jī)上的栽植器

1.2.3 鉆入式開穴機(jī)構(gòu)

鉆入式開穴機(jī)構(gòu)是利用鉆削方式，將旋轉(zhuǎn)鉆頭鉆入地表以下，使其開穴成型孔，然后退出并清理鉆頭上的余土。鉆入式開穴機(jī)構(gòu)工作時(shí)，機(jī)械振動(dòng)小，穴坑形狀成形穩(wěn)定，且可以確保穴坑形狀與基質(zhì)形狀相似，使秧苗根部基質(zhì)能夠準(zhǔn)確、完全放進(jìn)穴坑中，保證栽植土壤狀況穩(wěn)定，提高移栽質(zhì)量；但該機(jī)構(gòu)作業(yè)必須與投苗機(jī)構(gòu)作業(yè)分開，并且兩者準(zhǔn)確、協(xié)同配合精度要求較高，對(duì)電氣控制程序的識(shí)別、補(bǔ)償運(yùn)算要求也高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。典型機(jī)型有以色列的履帶式主動(dòng)鉆孔移栽機(jī)，如圖6所示。

圖6 以色列的履帶式主動(dòng)鉆孔移栽機(jī)

該移栽機(jī)的開穴機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)理念新穎，開穴后的穴坑大小、形狀穩(wěn)定，但其開穴機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，供苗系統(tǒng)穩(wěn)定性較差，所以未在市場上推廣和應(yīng)用。

2 國內(nèi)外供苗系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

供苗系統(tǒng)是全自動(dòng)移栽機(jī)械研究的關(guān)鍵部件[11]。目前，國外發(fā)達(dá)國家的全程機(jī)械化栽培技術(shù)已基本完善，從工廠化育苗的配套設(shè)備到田間移栽機(jī)械已經(jīng)形成了農(nóng)藝與農(nóng)機(jī)相結(jié)合的配套體系。例如，日、韓、美等國的全自動(dòng)移栽機(jī)供苗機(jī)構(gòu)的自動(dòng)化程度較高，且工作性能穩(wěn)定，替代了移栽過程中大部分繁重的體力勞動(dòng)。國內(nèi)移栽機(jī)的供苗機(jī)構(gòu)研究尚不成熟，用于田間作業(yè)的主要是半自動(dòng)移栽機(jī)械，即可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)打穴(開溝)、投苗、輸送秧苗和覆土等功能，但投取苗、分苗等部分需要人工輔助作業(yè)。半自動(dòng)移栽機(jī)的明顯缺點(diǎn)如下：移栽質(zhì)量不高，效率低，人工勞動(dòng)強(qiáng)度大；若投苗手較長時(shí)間工作，會(huì)產(chǎn)生視覺疲勞、手臂酸痛等問題，影響投苗質(zhì)量，導(dǎo)致重苗、漏苗和掛苗等現(xiàn)象[12-13]。全自動(dòng)移栽機(jī)械的供苗系統(tǒng)按結(jié)構(gòu)功能可分為自動(dòng)排苗機(jī)構(gòu)、自動(dòng)取苗機(jī)構(gòu)和自動(dòng)喂苗機(jī)構(gòu)。

2.1 自動(dòng)排苗機(jī)構(gòu)

自動(dòng)排苗機(jī)構(gòu)可以使苗盤中秧苗順次排布在預(yù)備取苗位置，為自動(dòng)取苗做好準(zhǔn)備。供苗過程中，自動(dòng)排苗機(jī)構(gòu)將苗盤排布到預(yù)備取苗的位置，自動(dòng)取苗機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)到秧苗附近取出秧苗；然后，自動(dòng)排苗機(jī)構(gòu)繼續(xù)移動(dòng)，將苗盤位置移動(dòng)到下次取苗的位置，準(zhǔn)備再次取苗[14]。自動(dòng)排苗系統(tǒng)的運(yùn)行是一個(gè)動(dòng)態(tài)的運(yùn)動(dòng)過程，對(duì)于運(yùn)動(dòng)時(shí)序控制、種苗位移精度和苗盤空間干涉的實(shí)時(shí)性控制要求較高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。日本洋馬自動(dòng)移栽機(jī)的自動(dòng)排苗機(jī)構(gòu)(見圖7)是純機(jī)械驅(qū)動(dòng)，橫、縱向進(jìn)給均采用凸輪軸控制，其縱向進(jìn)給附加棘輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)苗盤的間歇進(jìn)給，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊。新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)韓長杰等[15]設(shè)計(jì)的基于氣動(dòng)技術(shù)穴盤步進(jìn)移位機(jī)構(gòu)，利用步進(jìn)移位氣缸結(jié)合棘輪驅(qū)動(dòng)苗盤的縱向進(jìn)給，左右移位氣缸推動(dòng)苗盤的橫向移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)有序排苗供苗,如圖8所示。

2.2 自動(dòng)取苗機(jī)構(gòu)

自動(dòng)取苗機(jī)構(gòu)是指可以將秧苗從苗盤或載苗輸送帶等裝置上取出的機(jī)構(gòu)。根據(jù)取苗方式不同，可將取苗機(jī)構(gòu)分為頂出式、鉗夾式和針扎式。

2.2.1 頂出式取苗機(jī)構(gòu)

頂出式取苗機(jī)構(gòu)工作過程是：利用頂桿或氣流從苗盤底部將已經(jīng)排苗定位的秧苗快速頂出，秧苗在慣量的作用下，飛入導(dǎo)苗通道，然后沿導(dǎo)苗通道下滑至穴坑。該機(jī)構(gòu)作業(yè)生產(chǎn)效率較高，但秧苗被彈出后，靠重力下落，投苗的準(zhǔn)確性較低。浙江理工大學(xué)趙勻等[16]設(shè)計(jì)的杠桿頂出式有序丟秧機(jī)構(gòu)和秧盤復(fù)型裝置(見圖9)中，秧苗盤繞轉(zhuǎn)籠轉(zhuǎn)動(dòng)，喂入秧苗，在轉(zhuǎn)籠的中心軸線上安裝一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的“星”狀復(fù)型輪，復(fù)型輪轉(zhuǎn)動(dòng)按壓 “指”狀齒推動(dòng)頂桿使秧苗與苗盤分離落入導(dǎo)苗管。南京農(nóng)機(jī)化研究所設(shè)計(jì)的2ZU-6型水稻播秧機(jī)[17]采用頂出式分秧機(jī)構(gòu)完成供苗，秧苗盤通過棘輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)間歇送進(jìn)。意大利Ferrari公司生產(chǎn)的FUTURA旱田全自動(dòng)移栽機(jī)改進(jìn)了頂出式取苗機(jī)構(gòu)，附加了三爪接苗裝置，當(dāng)缽苗從缽盤底部頂出時(shí)，由三爪接住，翻轉(zhuǎn)后送入秧苗輸送系統(tǒng)，降低了秧苗拋落的不確定性。

圖7 日本洋馬自動(dòng)移栽機(jī)排苗機(jī)構(gòu)

圖8 自動(dòng)移栽機(jī)排苗機(jī)構(gòu)

圖9 杠桿頂出式有序丟秧機(jī)構(gòu)和秧盤復(fù)型裝置

2.2.2 鉗夾式取苗機(jī)構(gòu)

鉗夾式取苗機(jī)構(gòu)一般是運(yùn)用模仿手鉗夾緊方式，將旋轉(zhuǎn)或線性力轉(zhuǎn)換成鉗口夾緊力，夾持種苗主莖稈，然后將秧苗拔出穴盤的機(jī)構(gòu)，送入投苗機(jī)構(gòu)。這種機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，動(dòng)作迅捷，但鉗夾夾緊力大小不易控制，所以在莖稈強(qiáng)度較大的作物移栽作業(yè)中應(yīng)用較多。浙江大學(xué)流體動(dòng)力與機(jī)電系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室何雪軍等[18]人設(shè)計(jì)的自鎖式茶梗夾持器(見圖10)，主要由曲柄滑塊機(jī)構(gòu)和RRR桿組構(gòu)成，利用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)將旋轉(zhuǎn)動(dòng)力轉(zhuǎn)換成水平推、拉力，控制鉗口夾緊、松開秧苗，在茶葉等莖稈強(qiáng)度較大的移栽作業(yè)中廣泛應(yīng)用。

圖10 自鎖式茶梗夾持器設(shè)計(jì)

2.2.3 針式取苗機(jī)構(gòu)

針式取苗機(jī)構(gòu)以氣動(dòng)裝置、電動(dòng)裝置、電磁裝置為驅(qū)動(dòng)動(dòng)力，將針形針狀物插入缽苗根部基質(zhì)體內(nèi)，將秧苗從苗盤中取出，完成取苗動(dòng)作。針式取苗機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，但驅(qū)動(dòng)裝置復(fù)雜，設(shè)備體積大，不便于移動(dòng)作業(yè)，故主要在設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化機(jī)械中應(yīng)用。北京工業(yè)大學(xué)高國華等[19]設(shè)計(jì)了一種斜入式穴盤苗移栽手爪(見圖11)，利用單驅(qū)動(dòng)源下的聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)鋼針傾斜角度插取穴盤苗，降低了對(duì)秧苗基質(zhì)的損傷，且結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定。孫國祥等[20]設(shè)計(jì)了電機(jī)驅(qū)動(dòng)的針式取苗機(jī)構(gòu)，如圖12所示。

圖11 斜入式穴盤苗移栽手爪

1.抓緊放松步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 2.絲杠 3.斜楔塊 4.拉簧 5.機(jī)械手指圖12 電機(jī)驅(qū)動(dòng)的針式取苗機(jī)構(gòu)

電機(jī)驅(qū)動(dòng)的指針式取苗機(jī)構(gòu)主要包括抓緊放松步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、絲杠、斜楔塊、拉簧和機(jī)械手指。其中，手指在步進(jìn)電機(jī)正、反旋轉(zhuǎn)作用下實(shí)現(xiàn)入土、夾持及出土、釋放的動(dòng)作，電機(jī)驅(qū)動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)位置和速度的實(shí)時(shí)控制，但控制復(fù)雜，且質(zhì)量較大。臺(tái)灣的黃世欣等學(xué)者設(shè)計(jì)了電磁驅(qū)動(dòng)針式取苗夾具機(jī)構(gòu)(見圖13)，機(jī)構(gòu)利用電磁鐵驅(qū)動(dòng)推桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)4根夾緊指針同時(shí)刺出，夾緊秧苗基質(zhì)，套管內(nèi)置放壓縮彈簧；當(dāng)夾持指針刺到硬物時(shí)，取苗指針受力大于彈簧拉力，停止下插，以保護(hù)指針不產(chǎn)生變形、折斷。

圖13 電磁驅(qū)動(dòng)針式末端執(zhí)行器夾具

2.3 自動(dòng)投苗機(jī)構(gòu)

自動(dòng)投苗機(jī)構(gòu)是供苗系統(tǒng)的重要部分，是實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)移栽作業(yè)的研究重點(diǎn)[21]。國內(nèi)外投苗機(jī)構(gòu)主要采用以下幾種基本方式：行星輪機(jī)構(gòu)，連桿機(jī)構(gòu)，行星齒輪+連桿機(jī)構(gòu)。浙江理工大學(xué)俞高紅等[22-23]設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)式橢圓-不完全非圓齒輪行星輪系水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)，如圖14所示。該機(jī)構(gòu)主要分為驅(qū)動(dòng)部分和移栽臂。其中，驅(qū)動(dòng)部分為非勻速間歇傳動(dòng)行星輪系機(jī)構(gòu)，移栽臂上安裝秧苗夾緊裝置，通過調(diào)整不同齒輪傳動(dòng)比來控制移栽臂擺動(dòng)的相位角，進(jìn)而規(guī)劃出取秧、推秧的運(yùn)動(dòng)軌跡。中國農(nóng)機(jī)院趙亮等[24]人采用雙曲柄的五桿機(jī)構(gòu)控制取苗爪，實(shí)現(xiàn)苗爪的取苗和投苗動(dòng)作，如圖15所示。曹衛(wèi)彬團(tuán)隊(duì)[25]設(shè)計(jì)的辣椒穴盤苗自動(dòng)取苗機(jī)構(gòu)(見圖16)，利用行星輪與曲柄搖桿結(jié)合使用，完成持苗運(yùn)動(dòng)軌跡的設(shè)計(jì)。

圖14 旋轉(zhuǎn)式橢圓-不完全非圓齒輪行星輪系水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)

圖15 齒輪-五桿投苗機(jī)構(gòu)

圖16 辣椒穴盤苗自動(dòng)取苗機(jī)構(gòu)

3 電氣控制系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

目前，全自動(dòng)移栽機(jī)供苗系統(tǒng)的控制方式主要有PLC程序控制、單片機(jī)程序控制和Fuzzy-PID控制。其中，PLC具有操作靈活性較好、可靠性高、擴(kuò)展接口豐富和便于改進(jìn)與修正等特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于移栽機(jī)械供苗系統(tǒng)的排苗機(jī)構(gòu)、取苗機(jī)構(gòu)和投苗機(jī)構(gòu)的協(xié)同作業(yè)中。單片機(jī)控制系統(tǒng)具有可靠性高、非易失性存儲(chǔ)、功耗低、價(jià)格低廉和無法解密等特點(diǎn)，主要應(yīng)用于智能儀表、實(shí)時(shí)工控、通訊設(shè)備及導(dǎo)航系統(tǒng)等方面。隨著移栽機(jī)控制逐漸向智能化、模塊化發(fā)展，單片機(jī)的開發(fā)應(yīng)用也開始被人們所重視。Fuzzy-PID模糊控制算法是一種利用模糊數(shù)學(xué)的基本思想和理論的控制方法，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)元件、液壓驅(qū)動(dòng)元件和氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)元件的實(shí)時(shí)控制，進(jìn)而提高系統(tǒng)的定位精度，減少外部環(huán)境干擾，使執(zhí)行部件的作業(yè)更加穩(wěn)定[26-28]。

國內(nèi)作物移栽機(jī)械在栽植機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方面已有較多研究成果，而電氣控制系統(tǒng)在全自動(dòng)移栽作業(yè)方面的應(yīng)用仍處于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段。中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院楊傳華等[29]設(shè)計(jì)了一種基于PLC的蔬菜缽苗移栽機(jī)自動(dòng)輸送裝置，該裝置以日本松下FP-XC40T(NPN)型可編程控制器為控制核心，選用HT7700T型液晶屏為顯示終端，對(duì)送盤機(jī)構(gòu)、取苗機(jī)構(gòu)、送苗機(jī)構(gòu)及投苗機(jī)構(gòu)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)了缽苗的精準(zhǔn)定位和輸送。吳儉敏等[30]人設(shè)計(jì)了苗盤缽苗自動(dòng)識(shí)別及控制裝置，以PLC為控制核心，利用光電傳感器識(shí)別缽苗參數(shù)，并處理反饋信息，進(jìn)而控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)缽苗盤縱向和橫向移動(dòng)。此外，該系統(tǒng)還可以判別缺苗的缽苗格并快速跳過取苗爪，有效地提高取苗爪的抓取效率和降低漏栽率。河北農(nóng)業(yè)大學(xué)邵琰等[31]提出一種基于STC89C52RC單片機(jī)的移栽機(jī)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)以STC單片機(jī)為控制單元，以液壓馬達(dá)和氣壓泵為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，完成移栽機(jī)械的打孔、取苗、放苗協(xié)同工作過程，且可以實(shí)現(xiàn)20～99cm范圍內(nèi)調(diào)節(jié)株距，調(diào)節(jié)精度為1cm。石河子大學(xué)王僑[26]等人提出以自適應(yīng)Fuzzy-PID控制算法控制供苗系統(tǒng)的構(gòu)想，可以實(shí)現(xiàn)在PID算法的基礎(chǔ)上對(duì)PID控制參數(shù)的在線自整定，有效提高穴盤苗移栽機(jī)控制系統(tǒng)定位精度及智能化程度。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)室魏新華等[32]設(shè)計(jì)的穴盤苗全自動(dòng)移栽機(jī)運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，利用圖像采集和處理系統(tǒng)識(shí)別苗情，PLC讀取識(shí)別結(jié)果并控制氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行選擇性取、放苗動(dòng)作，最終實(shí)現(xiàn)供苗系統(tǒng)的同步、協(xié)調(diào)工作。

4 結(jié)論

栽植系統(tǒng)是移栽機(jī)械的核心部件。從育苗移栽技術(shù)開始推廣至今，已投入大量的科研經(jīng)費(fèi)用于栽植系統(tǒng)的研究，各種樣式的栽植器相繼問世，大大降低了人工移栽的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率；但現(xiàn)階段栽植系統(tǒng)仍存在一些問題亟待解決，如開穴形狀不穩(wěn)定、秧苗栽植深度不夠、秧苗直立度不高及窩根等現(xiàn)象。供苗系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)移栽的關(guān)鍵突破點(diǎn)，國內(nèi)外自動(dòng)移栽機(jī)械的供苗系統(tǒng)的穩(wěn)定性普遍較低，受機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方式不合理、秧苗形狀大小存在差異和作物種植生長特性不同的影響，移栽過程中容易出現(xiàn)供苗過程中漏苗、傷苗、喂苗不準(zhǔn)等缺陷。進(jìn)一步完善栽植系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，優(yōu)化供苗系統(tǒng)的排苗、取苗、供苗的運(yùn)動(dòng)軌跡和執(zhí)行策略，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、高效、準(zhǔn)確移栽作業(yè)，將成為未來全自動(dòng)移栽機(jī)械發(fā)展的方向。

5 展望

1)設(shè)計(jì)穩(wěn)定、可靠的栽植系統(tǒng)，為供苗系統(tǒng)協(xié)同供苗提供良好的入土空間。

2)減少秧苗在供苗系統(tǒng)中的傳遞次數(shù)，減少供苗過程中對(duì)種苗和種苗基質(zhì)的損壞，實(shí)現(xiàn)供苗系統(tǒng)全程持苗，降低投苗方式下秧苗靠重力自由下落的不確定性。

3)研究秧苗的力學(xué)特性，設(shè)計(jì)合理的持苗方式，規(guī)劃最優(yōu)化供苗系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)路徑。

4)開發(fā)基于電、氣、液控制系統(tǒng)，調(diào)試參數(shù)補(bǔ)償，使栽植系統(tǒng)和供苗系統(tǒng)更加穩(wěn)定、協(xié)調(diào)地工作。