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第38卷 第1期 农 业 工 程 学 报 Vol 38 No 1 266 2022年 1月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Jan 2022 植物工厂立体栽培系统多功能作业平台优化与试验 于畅畅1 高振铭2 徐丽明1 王庆杰1 牛 丛1 曹鑫鹏1 1 中国农业大学工学院 北京 100083 2 南水北调中线信息科技有限公司 北京 100061 摘 要 植物工厂中多采用立体栽培架进行育苗与栽培 立体栽培架上的栽培床搬运是其中重要一环 目前 栽培床多 为人工搬运 存在劳动强度大 自动化水平低等问题 针对此问题 该研究研制了一种多功能作业平台 可实现自主循 迹 定位和栽培床的自动搬运和输送 根据栽培床质量和立体栽培架高度要求 设计了升降机构 并确定了关键参数 研究了栽培床自动对接和自动输送机构 实现了栽培床的自动装卸 确定了基于RFID Radio Frequency Identification 传 感器的定位系统方案 采用STM32单片机作为自动控制系统的主控制器 自动控制系统主要包括导航系统 定位系统 通信系统 行走系统 升降系统 自动对接系统和自动输送系统等部分 并基于Android平台设计了人机交互界面 通 过设置相应指令实时监控多功能作业平台的运动状态和作业参数 为评价多功能作业平台作业效果 以升降机构高度范 围 前后定位偏差 高度定位偏差和平台与立体栽培架对接成功率为试验指标 进行了性能试验 试验结果表明 多功 能作业平台升降高度范围为833 2 460 mm 前后定位偏差小于9 mm 高度定位偏差小于5 mm 对接成功率不小于96 满足作业要求 该研究为进一步提高植物工厂立体栽培自动化水平提供了参考 关键词 种植 自动化 植物工厂 立体栽培 多功能作业平台 RFID自动定位 自动对接 doi 10 11975 j issn 1002 6819 2022 01 030 中图分类号 S229 1 文献标志码 A 文章编号 1002 6819 2022 01 0266 10 于畅畅 高振铭 徐丽明 等 植物工厂立体栽培系统多功能作业平台优化与试验 J 农业工程学报 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 设施农业是采用先进农业工程技术手段进行动植物 高效生产的一种现代农业方式 是提高耕地产出率 保 障粮食安全的重要手段 1 2 植物工厂是设施农业发展的 高级阶段 是一种高投入 高技术 精装备的生产体系 具有单位产量高 生产自动化程度高 资源利用率高和 绿色健康等优点 3 5 种苗生产 作物管理和物流运输的 自动化是实现植物工厂智能化 提高作物生产效率的重 要工程技术手段 6 其中 自动化物流运输系统能实现移 栽和收获过程中栽培床的自动搬运 有效减少劳动人员 工作强度 提高生产效率 降低劳动力成本 同时 自 动化物流系统能减少作业人员进出温室 减少病菌对作 物的污染 7 9 因此 无人化 自动化的物流运输系统是 实现植物工厂生产自动化的关键 根据导引方式不行 植物工厂中物流运输系统中采 用的搬运车主要分为测距定位导引 视觉导引和固定路 径导引 10 11 测距定位导引方式通过采用激光雷达和超 声波传感器测距确定位置 激光雷达导引定位准确 适 收稿日期 2021 11 12 修订日期 2021 12 29 基金项目 国家高技术研究发展项目 2013AA103002 1 作者简介 于畅畅 博士生 研究方向为生物生产自动化技术与装备 Email yuchang 通信作者 徐丽明 教授 博士生导师 研究方向为生物生产自动化技术 与装备 Email xlmoffice 应性强 但成本较高 并且抗光干扰能力弱 超声波传 感器方向性好 抗电磁干扰强 不受光线烟雾影响 但 在较复杂的室内环境中无法保证较高的定位精度 12 13 视觉导引是采用CCD相机摄取行驶路径周围环境的颜色 和深度信息 经图像处理后得到导航参数 并采用模糊 PID等算法使搬运车按照规划的路线行走 不需要预先设 置任何物理路径 具有较高的行走自由度 但是由于图 像数据计算量大 导致实时性较差 并且易受周围环境 光线的影响 14 16 固定路径导引方式主要有轨道式导引 电磁感应导引和磁感应导引等 轨道式导引需要预先铺 设一条轨道 能实现高精度定位 但前期轨道建设成本 较高 同时占用温室较大面积 并且轨道铺设完成后路 线更改较难 11 17 电磁感应导引通过识别预设电缆上交变 电流产生的磁场实现导引 具有不易污染或破坏 制造成 本低的优点 但当导引路径复杂交错排列时难以实现且线 路埋好后很难改变 18 磁感应导引是通过检测地表上粘贴 的磁带线上的磁信号进行引导 相较电磁感应导引方式更 灵活 并且便于改变路径 但易受地上金属干扰且磁带易 损坏 可靠性不高 由于植物工厂内影响和破坏磁带因素 不多 并且考虑成本 后期维护和更改路线方便等因素 已有的植物工厂移动作业平台多采用磁导引 19 20 针对植物工厂立体栽培架栽培床人工搬运存在劳动 强度大 自动化水平低等问题 本文在已研究的基于磁 导航的植物工厂移动平台基础上 21 拟对植物工厂多功 能作业平台上的栽培床自动搬运和装卸装置进行研究 第1期 于畅畅等 植物工厂立体栽培系统多功能作业平台优化与试验 267 并对整机定位精度不高的问题进行优化 通过理论分析 与计算 确定升降机构 自动装卸装置的关键参数和定 位系统方案 对控制系统硬件和软件进行设计 实现多 功能作业平台循迹导航 精准定位与栽培床的自动搬运 和装卸 并设计人机交互界面 便于对多功能作业平台 的作业参数进行实时监控 对多功能作业平台样机进行 性能试验 以期为植物工厂立体栽培的全面自动化和智 能化生产提供基础 1 多功能作业平台整体结构与工作原理 1 1 植物工厂立体栽培模式与作业要求 本文所研究的植物工厂多功能作业平台工作环境如 图1所示 植物工厂温室内安装有立体栽培架 立体栽培 架长度为9 200 mm 宽度为1 900 mm 共有3层 距离 地面的高度分别为1 121 1 718和2 315 mm 两个立体栽 培架之间的间隙为830 mm 立体栽培架与温室玻璃墙距 离为2 000 mm 温室门宽度为1 550 mm 多功能作业平 台在立体栽培架和温室玻璃墙之间移动 正常工作时 多 功能作业平台首先将移栽好秧苗的栽培床搬运到植物工 厂温室 通过温室内预留的移动通道到达目标立体栽培 架 再将栽培床抬升到一定高度 利用多功能作业平台栽 培床推送装置将栽培床沿立体栽培架上的导轨推送到立 体栽培架上 立体栽培架上的接近开关检测到栽培床时 启动立体栽培架上的栽培床移动装置 将栽培床搬运到立 体栽培架上 a 主视图 a Front view b 俯视图 b Top view 1 立体栽培架 2 栽培床 3 温室墙 4 作业平台 5 温室门 6 栽培床导轨 1 Stereo cultivation rack 2 Cultivation bed 3 Greenhouse wall 4 Operation platform 5 Greenhouse door 6 Cultivation bed guide 图1 多功能作业平台作业环境示意图 Fig 1 Schematic diagram of the working environment of the multifunctional operation platform 待栽培床上的作物成熟后 多功能作业平台根据工 作指令自动到达目标立体栽培架并与立体栽培架上的栽 培床导轨进行对接 对接完成后 打开立体栽培架上的 栽培床移动装置将栽培床沿导轨移动到立体栽培架一 端 当多功能作业平台检测到被推送来的栽培床时 启 动自动装载装置 从而将栽培床从立体栽培架上转移到 多功能作业平台上 装有成熟作物的栽培床自行导航至 集中采摘点 由人工将栽培床上的成熟作物采收和打包 空出来的栽培床再进行下一轮作物的种植 该作业平台 实现了作物从育苗车间到成熟装车整个生产过程物流运 输的自动化 1 2 多功能作业平台整体结构 根据植物工厂立体栽培的作业要求 该多功能作业平台 主要包括行走系统 导航系统 定位系统 供电系统 控制 盒 人机交互界面 升降装置和自动装卸装置 如图2所示 1 减速器 2 控制盒 3 RFID 4 自动对接机构 5 自动输送机构 6 红 外传感器 7 剪叉式升降机构 8 液压缸 9 行走轮 10 驱动电机 11 蓄电 池 12 RFID 13 磁导航传感器 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 图2 多功能作业平台整体结构示意图 Fig 2 Structure diagram of multifunctional operation platform 行走系统主要由行走轮和驱动电机组成 行走轮与 驱动电机之间安装有减速器 行走系统整体安装在机架 上 通过控制盒内的单片机与驱动器控制行走系统运动 导航系统通过磁导航传感器实时检测固定在温室地面上 的磁条 实现按已规划路径运动 高振铭等 21 研究的路 径校正控制方法能实现将直线行驶误差控制在5 mm以 内 本文是基于此导航系统的进一步研究 定位系统由2 个射频识别 RFID 传感器组成 当检测到立体栽培架 和地面上的电子标签时 RFID传感器会产生信号 从而 实现定位信号的采集 其中RFID 和RFID 分别识别 多功能移动平台的前后位置和高度位置 供电系统由 24 V蓄电池提供 为整个多功能作业平台提供能量 控 制盒由单片机 电机驱动器和蓝牙模块等电路模块组成 实现位置 路径等信号的检测和电机 液压缸的控制 人机交互界面是基于Android开发了用户远程控制APP 通过蓝牙通讯协议实现人机交互界面与控制盒的连接 农业工程学报 http www tcsae org 2022年 268 实现对多功能作业平台作业参数的的实时监控 升降装 置主要由剪叉式升降机构和液压缸组成 通过控制液压 缸的伸缩实现多功能作业平台的高度调节 自动装卸装 置由自动对接机构 自动推送机构和红外传感器组成 红外传感器用于检测多功能作业平台上是否有栽培床 从而控制自动对接机构和自动推送机构进行工作 1 3 多功能作业平台工作原理 根据已研究内容 21 多功能作业平台已实现通过植 物工厂地面上预先粘贴的磁条导引下进行移动 且能实 现较高的导航精度 根据上述作业要求 首先 装载栽 培床的多功能作业平台沿磁条移动到立体栽培架旁 当 RFID 传感器检测到预先布置在地表上的电子标签时 多功能作业平台停止移动 之后 剪叉式升降机构在液 压缸的驱动下向上抬升 当RFID 传感器检测到预先 布置在立体栽培架上的电子标签时 剪叉式升降机构停 止上升 此时自动对接机构工作 实现与立体栽培架导 轨的自动对接 对接完毕后 自动输送装置将栽培床装 载到立体栽培架上 立体栽培架检测到栽培床时 在栽 培床移动装置的作用下将栽培床有序摆放在立体栽培架 上 栽培床被移动到立体栽培架后 红外传感器检测不 到栽培床信号 此时 多功能作业平台使自动对接机构 和剪叉液压平台恢复到初始位置并移动到充电区 自动 进行充电 当作物成熟后 需要将装载成熟作物的栽培 床移动到温室门口统一进行的人工采摘和打包 因此多 功能作业平台要完成将装有成熟作物的栽培床从立体栽 培架自动移动到作业平台并运输到温室门口 具体过程 为 多功能作业平台从充电区到达目标立体栽培架 提 升到相应层高并与立体栽培架的栽培床导轨进行对接 对接完毕后进入等待状态 此时启动立体栽培架上的栽 培床移动装置 栽培床在立体栽培架栽培床移动装置的作 用下沿导轨缓慢移动到自动对接机构上 当多功能作业 平台上的红外传感器检测到栽培床时 关闭立体栽培架 上的栽培床移动装置 多功能作业平台的自动输送机构 开始工作 栽培床在自动输送机构的作用下自动移动到 多功能作业平台上 当另一端红外传感器检测到栽培床 时 自动输送机构停止工作 自动对接机构和剪叉液压 平台恢复到初始位置后 多功能作业平台在磁条的导航 下自动移动到植物工厂出口 待栽培床作物打包运走后 自动返回到充电区 从而实现作物生产过程物流自动化 1 4 主要技术参数 根据植物工厂立体栽培架空间布置和具体尺寸 确 定多功能作业平台的主要技术参数 如表1所示 表1 多功能作业平台的主要技术参数 Table 1 Main technical parameters of multifunctional operation platform 参数 Parameters 数值 Values 外形尺寸 长 宽 高 Dimension length width height mm mm mm 1 900 1 100 832 最大承载质量Max load weight kg 90 提升高度范围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 对接成功率Docking success rate 96 2 关键部件设计与选型 2 1 升降机构 为了使多功能移动平台满足不同高度立体栽培架栽 培床的装卸 需设计合适的升降机构 当前 剪叉式液 压升降平台是常用的升降机构 根据不同数量的剪叉臂 和液压缸 常见的有单液压缸推动两幅剪叉和双液压缸 三幅剪叉等机构 22 本研究中 立体栽培架第3层高度 为2 315 mm 根据升降行程及平台安装尺寸 选用单液 压缸推动两幅剪叉升降机构 剪叉臂长度确定为 1 300 mm 组数为2 栽培床与作物总质量不大于90 kg 在剪叉臂长度和液压缸布置方式确定后 需要计算 液压缸的最大推力 从而选择合适的液压缸型号 根据 剪叉运动特点 本文采用虚位移原理计算液压缸推力 虚位移原理是指在某瞬间 质点系在约束情况允许的条 件下 有可能发生任何无限小的位移 即为虚位移 假 如在质点系的任一虚位移中 所有约束力所做功的代数 和为0 称这种约束为理想约束 23 剪叉式升降机构如图 3所示 注 Pg为平台负载 N l为剪叉臂长度 mm h为升降机构高度 mm l1 为液压缸下端耳环长度 mm l2为固定点O到滑动点A的距离 mm l3 为液压缸上端耳环长度 mm l4为液压缸上端铰接点C与剪叉臂铰接点的 距离 mm l5为液压缸下端铰接点D与剪叉中点的距离 mm 为剪叉臂 与水平面的夹角 为剪叉臂与液压缸上端耳环的夹角 为剪叉 臂与液压缸下端耳环的夹角 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 图3 剪叉式升降机构简图 Fig 3 Schematic diagram of the scissor lift mechanism 以点O为原点 建立坐标系xOy 则重要坐标点的 坐标如下所示 C点坐标为 l4cos l3cos 12h l4sin l3sin D点坐标为 12l2 l5cos l1cos 12h l5sin l1sin M点坐标为 12l2 h 其中 第1期 于畅畅等 植物工厂立体栽培系统多功能作业平台优化与试验 269 2 cos 2sinlh l 1 根据虚位移原理 虚位移即为各点坐标的微分 则 各点的虚位移分别为 C点虚位移 4 3 4 3 sin sin cos cos cos Cx Cy l l l l l 2 式中 Cx和 Cy分别为C点在x和 y方向的虚位移 D点虚位移 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分别为D点在x和 y方向的虚位移 M点虚位移 1 sin 2 2 cos Mx My l l 4 式中 Mx和 My分别为M点在x和y方向的虚位移 设定C点和D点虚位移与x轴的夹角分别为 和 则可得 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 根据虚位移原理 虚位移只与约束条件有关 对于理 想约束的质点系 其平衡的充分必要条件是作用于质点系 的所有主动力在任何虚位移中所做虚功的和等于0 23 由 于图3点A和E处为滑动摩擦 使用时会添加润滑油 摩擦系数很小 因此分析该系统的做工情况时忽略摩擦 力做功 最终可得 cos sincos sin 0g My Cx Cy Dx Dy P F F F F 7 式中F为液压缸驱动力 N Pg为平台负载 N 考虑到 实际工况中工作载荷的不同 平台可能出现偏载现象 因此计算和校核都按照单侧负重进行 平台目标质量G 约为90 kg 剪叉机构的自身质量G1约为400 kg 则单 侧负载为Pg 0 5G 0 5G1 g 其中g 为重力加速度 m s2 计算可得Pg约为2 450 N 最终得液压缸驱动力为 cos sin cos sin g My Cx Cy Dx Dy PF 8 由于在载重情况下 剪叉式升降机构处于最低位置 时 液压缸所受的推力最大 且剪叉臂与水平面的夹角 越小 所需要的初始液压缸驱动力越大 为避免液压缸 尺寸过大 本研究取 为10 剪叉式升降机构其他参数 为 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 可得液压缸最大驱动力F约为15 443 9 N 为了得到液压缸型号 根据液压缸压力与载荷的计 算关系 hc FP A 9 式中P为液压缸工作压力 MPa Ahc为液压缸有效工作面 积 mm2 由于本应用属于中低压等级 液压缸工作压力 一般为2 8 MPa 本文选用5 MPa 因此液压缸直径为 4hc FD P 10 式中Dhc为液压缸直径 mm 代入公式 10 计算可得 Dhc约为62 7 mm 预留出安全空间 参考液压缸缸径标 准 选择液压缸外径直径为63 mm 液压杆内径为35 mm 根据剪叉式升降机构安装尺寸 确定液压缸长度为 940 mm 液压缸行程为360 mm 综上 本研究选择山东 省星睿液压公司HSG 63 35型液压缸 最大工作压力为 21 MPa 2 2 自动装卸装置 为了实现栽培床的自动装卸 需研究自动对接机构 和自动输送机构 自动对接机构实现多功能作业平台上 栽培床移动轨道与立体栽培架的栽培床移动轨道的自动 对接 自动输送机构需要实现栽培床的双向输送 且能 保证栽培床输送过程中平稳无共振 2 2 1 自动对接机构 栽培床结构如图4所示 栽培床下方安装了八字形 轮和一字形轮 八字轮可用于保证栽培床在圆柱型导轨 上移动 且不会出现脱轨现象 另外 一端一字形轮相 较于两端同为八字形轮的设计能减小两条平行轨道间距 的精度要求 有效降低设计难度和成本 a 主视图 a Front view b 俯视图 b Top view 1 八 字轮 2 对接导轨 3 电动推杆 4 栽培床 5 止转机构 6 一 字轮 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 图4 自动对接机构结构图 Fig 4 Structure diagram of the automatic docking mechanism 自动对接机构主要由对接导轨 止转机构和电动推 农业工程学报 http www tcsae org 2022年 270 杆组成 如图4所示 对接导轨两端采用锥形结构 能 够更加方便地将对接导轨与立体栽培架导轨进行对接 根据栽培床尺寸 长为1 300 mm 宽为800 mm 确定 对接导轨总长为1 200 mm 直径为40 mm 止转机构采 用半弧形圆环 每个对接导轨通过左右两个半弧形圆环 防止对接导轨转动 同时半弧形圆环具有引导作用 半 弧形圆环属于半开放式设计 半弧形圆环与对接导轨具 有一定的空隙 当定位精度有一定误差时 对接导轨可 在半弧形圆环中自动调整 保证对接成功率 电动推杆 为自动对接机构提供动力 通过电动推杆的伸缩 实现 对接导轨与立体栽培架栽培床导轨的自动对接 本研究 中 选用阿力德ST500型电动推杆 工作电压为24 V 内置限位开关 伸缩距离为500 mm 满足多功能作业平 台与立体栽培架之间的距离要求 工作时 当定位系统 确定好前后和高度定位位置后 自动对接机构中的电动 推杆工作 推动对接导轨与立体栽培架导轨对接 2 2 2 自动输送机构 工业上常用的输送方案有滚珠丝杠 输送带和链条 三种形式 滚珠丝杠应用于传动距离短 对传动距离要 求精度较高的场合 输送带主要应用于轻载场景中 链 条多用于输送线上 使用时须考虑链条本身的机械特性 并保证链条张紧度 在减速比较大的状态下使用 机械 系统的移动速度小 24 考虑到栽培床输送质量大 速度 和传动精度要求不高等特点 本文采用输送带和链条驱 动方式相结合的链轮滚筒结构 主要由链轮滚筒 链条 步进电机和减速器等组成 如图5所示 根据栽培床的外形尺寸 栽培床的总宽度为800 mm 设置滚筒间的距离为40 mm 滚筒直径为60 mm 共需 要采用16个链轮 链轮布置在铅垂面内 并保持两链轮 轴线相互平行 链轮中心连线呈水平或与水平线成60 以下的倾角 以保证链条紧边在上 松边在下 从而防 止卡链或松紧边相碰 驱动单元为步进电机 通过减速 器加速后驱动链轮滚筒 双排链轮通过链条交错式连接 确保双向传动的同时并保证较大扭矩 本研究中 北京 时代超群电器科技有限公司的42BYG型步进电机和 2HD 318型步进电机驱动器 供电电压24 V 工作扭矩 为0 5 N m 采用PWM信号控制转速 将多功能作业平台的左右两侧分别设定为近端装卸 点和远端装卸点 根据工作时栽培床的装卸位置以及装 载 卸载两种作业操作的不同 共分为4种模式 1 近 端装载 远端卸载 2 近端装载 近端卸载 3 远端 装载 远端卸载 4 远端装载 近端卸载 以近端装载 图5a 和远端卸载 图5c 为例 当红外传感器检测到 栽培床在链轮滚筒组一端时 步进电机带动双排链轮转 动 整体向一侧运动 直到栽培床完全移动到多功能作 业平台上 当多功能作业平台到达对接定位点时 自动 对接机构的电机推杆带动对接导轨完成与立体栽培的对 接 对接完毕后 步进电机再次运转 使栽培床沿对接 导轨移动到立体栽培架上 直到红外传感器检测到栽培 床离开 步进电机停止工作 自动对接机构的电机推杆 带动对接导轨回到初始位置 图5b a 近端装载 a Near end loading state b 初始状态 b Initial state c 远端卸载 c Remote unloading state 1 栽培床 2 链轮滚筒 3 链条 4 步进电机 5 减速器 1 Cultivation bed 2 Sprocket roller 3 Chain 4 Stepper motor 5 Reducer 图5 自动输送机构作业示意图 Fig 5 Operation diagram of the automatic conveying mechanism 2 3 定位系统传感器选型 多功能作业平台的定位系统是实现栽培床自动装卸 功能的关键 要完成多功能作业平台上的对接导轨与立 体栽培架上的栽培床导轨的对接工作 除了导航系统确 保对接导轨与栽培床导轨平行外 还需要保证平台行走 系统前后位置以及升降系统高度位置的定位准确 分别 采用2个射频识别传感器 RFID 和RFID 图1 实 现 RFID技术具有体积小 容量大 寿命长 不怕灰尘 污染等恶劣环境等特点 可支持非接触式读写 非可视 识别 移动识别 定位及长期跟踪管理 25 根据主动标 签和被动标签的区别 可分为2种识别方式 1 是主动 标签主动发出信号 当有阅读器的天线接收到此信号时 信号通过电子耦合的方式传递到阅读器 从而获取相应 电子标签的信息 2 是当被动电子标签进入阅读器的天 线读取范围时 自身的能量场被激活 将标签上的信息 通过电磁场传输给阅读器 标签存有目标位置信息 从 而实现非接触识别物体信息的功能 26 本文采用第2种识别方式 选用北京芯拓未来机器 人科技有限公司的CCF RFID 13M型RFID传感器 感 应距离为0 5 5 cm 供电电压为9 30 V 支持RS232 和RS485接口输出 RS232标准逻辑高电平为 3 15 V 逻辑低电平为 3 15V 此逻辑电平无法直接输入到单 片机中 故需要进行电平转换 将232电平转换为TTL 电平 本文采用美信公司的芯片MAX3232将RS232电 第1期 于畅畅等 植物工厂立体栽培系统多功能作业平台优化与试验 271 平转换为TTL电平输入到控制系统中 3 控制系统设计 3 1 控制系统总方案 多功能作业平台的控制系统总方案主要包括行走系 统 导航系统 定位系统 通讯系统 升降系统 自动 对接与装卸系统和供电系统 如图6所示 图6 控制系统总方案 Fig 6 Total scheme of the control system 本控制系统选用意法半导体公司STM32F103RET6 作为主控芯片 最大时钟频率为72 MHz 具有多个串口 ADC 定时器 通用I O等外设资源 主控制芯片负责对 导航系统的磁导航传感器进行数据采集 经运算处理后 向行走系统的直流无刷电机控制器发出指令 从而控制 直流无刷电机工作并完成路径导航 磁导航传感器信号 采用线性插值法进行获取 行走系统采用模糊PID算法 进行控制 前期已进行了研究 21 通讯系统采用TELESKY公司的JDY 31型蓝牙模 块 工作频率为2 4 GHz 蓝牙版本为Bluetooth 3 0 SPP 传输距离30 m 通过串口UART与单片机进行数据交换 蓝牙模块与单片机的通信参数 波特率为9 600 bps 数 据位为8 停止位为1 无奇偶校验位 外部设备可通过 蓝牙协议与单片机进行连接 从而实现数据交换 定位系统采用RFID传感器 根据2 3中所述 RFID 传感器在检测到植物工厂温室地面和立体栽培架上预先 粘贴的标签时 会产生相应信号 单片机检测到定位信 号后 可通过控制行走系统和升降系统及时停止 从而 完成前后位置和高度位置的定位 标签的具体位置需提 前进行标定与调试 对接系统采用电动推杆驱动 电动推杆在接通电源时 即开始工作 变换电源的正负极能够改变电动推杆的工作 方向 本研究中通过单片机控制继电器的开合 进而控制 电动推杆的启停 从而实现对接机构的对接导轨的移动 升降系统的液压系统由电机驱动 当需要抬升栽培 床时 单片机通过控制继电器闭合使液压系统电机开始 工作 直到定位系统检测到作业平台升高到目标高度并 发出信号 单片机接收到定位系统信号后控制继电器断 开 升降系统停止工作 当需要作业平台下降时 单片 机控制继电器打开液压系统的自锁装置 使升降机构缓 慢下降 直至到达目标位置 装卸装置采用步进电机驱动 红外传感器检测栽培 床位置 当对接系统对接完成后 单片机根据2 2 2节的 4种不同模式命令 向步进电机控制器发出PWM和方向 控制信号 使装卸装置开始工作 此时4个红外传感器 会检测当前栽培床位置 当红外传感器被遮挡时 红外 传感器发出低电平 否则发出高电平 单片机I O口通过 采集红外传感器的高低电平获取当前栽培床位置 根据 此信息控制装卸系统中步进电机的工作状态 根据系统各个模块工作电压的要求 行走系统的伺 服电机 磁导航传感器 RFID传感器 对接系统的直流 电机 升降系统的直流电机 装卸系统的步进电机工作 电压为24 V STM32F103RET6单片机 红外传感器 蓝牙模块 继电器工作电压为5 V 因此选用骆驼牌 6 QWLZ 60 型蓄电池 额定电压为12 V 额定容量为 60 Ah 采用两块串联得到24 V供电系统 为了得到5 V 电压 选用Risym公司的LM2596型DC DC可调降压模 块 最大工作电流为2 5 A 实现将电压从24 V降到5 V 3 2 系统控制流程 控制系统主要包括导航任务 定位任务 平台升降 任务 自动对接任务 自动输送任务 避障任务与无线 蓝牙通讯任务 采用定时器中断模式来协调各个指令任 务 其中避障任务由外部中断触发驱动 一旦事件来临 控制器立即响应 保证植物工厂多功能作业平台遇见障 碍物立刻停止 保证行驶安全 运动控制器以50 ms的定 时周期对导航传感器进行扫描 同时读取一次状态值进 行校正 运动控制器以1 ms的周期判断一次当前驱动轮 速度是否已达到控制速度 进行力矩和速度的调整 确 保作业平台能够快速平稳的控制运动速度 作业信息发 生变化时 将作业信息通过蓝牙通讯实时发送至人机交 互界面APP上 控制流程图如图7所示 图7 控制流程图 Fig 7 Flow chart of controller 农业工程学报 http www tcsae org 2022年 272 3 3 人机交互界面设计 为了方便监控多功能作业平台的作业参数 本文基 于Android系统开发了 智能多功能作业平台 APP 如 图8所示 图8 人机交互界面 Fig 8 Human machine interaction interface 该人机交互界面采用蓝牙通讯协议与单片机上的蓝 牙模块进行数据交换 智能多功能作业平台 APP主 要分为自动和手动两种模式 其中自动模式主要用于多 功能作业平台自动化作业 不同编号分别代表立体栽培 架和层数 工作时只需要选择不同编号 多功能作业平 台就能自动的实现所有的作业流程 手动模式主要用于 前期调试和电子标签位置的标定等 分别能够控制升降 机构 自动对接结构 自动输送机构和循迹导航等 同 时设置了紧急制动模式 当遇到障碍物时控制多功能作 业平台紧急停止工作 为了实现 智能多功能作业平台 APP与单片机之间的数据通讯 需要在上位机与下位机 之间指定数据指令格式 如表2所示 表2 数据指令 Table 2 Data instruction 序号 No 变量 Variable 编码 Coding 传递信息 Information transmission 0 x00 停止 0 行驶状态 0 x01 运动 0 x00 位置0 0 x01 位置1 1 行驶位置 0 x00 前进 2 行驶方向 0 x01 后退 0 x00 停止 0 x01 上升 3 升降平台 0 x02 下降 0 x00 停止 0 x01 左 4 对接状态 0 x02 右 0 x00 停止 0 x01 装载 5 装卸状态 0 x02 卸载 4 性能试验 为了评价多功能作业平台的工作性能 对升降机构 定位系统 自动对接机构进行了性能试验 4 1 试验概况 试验在北京市通州区京鹏植物工厂进行 主要试验 仪器和设备包括多功能作业平台 电子秤 拜杰TCS 100 量程为100 kg 卷尺 香港宏利莱有限公司 0 5 m 精度为1 mm 秒表 雷逸MB01 等 图9为试验现场 1 对接导轨 2 行走轮 3 电池 4 驱动电机 5 磁导航传感器 6 电子标签 7 RFID 8 RFID 9 电子标签 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 图9 试验现场 Fig 9 Experiment site 4 2 试验方法与指标 为了确保升降机构满足立体栽培架的各层高度要 求 采用卷尺分别测试剪叉式升降机构距地面的最高位 置和最低位置的距离 为了实现多功能作业平台与立体栽培架的准确对 接 对定位系统的前后和高度2个方向的定位偏差分别 进行了测试 为了研究多功能作业平台在空载和满载货 物情况下对定位系统的前后定位偏差和高度定位偏差是 否有影响 分别进行了空载和90 kg负载的试验 在前后 定位偏差试验时 选择10组不同的前后位置目标值分别 进行空载和90 kg负