小麦精密播种机器人研究和实验

文摘

小麦精密播种技术提供了一个先进的农业支持小麦的高产。但是缺乏有效的农业机器使这种技术难以应用广泛。摘要轮式移动机器人实现小麦精密播种技术设计。建立了机器人的运动学模型和模拟。和实验研究在不同操作条件下拍摄。由于多种因素,二次正交旋转组合设计方法应用在实验中,通过分析识别的主要因素。然后进行了现场试验的主要因素。实验结果表明,不同播种的合格的播种率超过93%的速度。达到了小麦精密播种的农艺要求。

1。介绍

随着农业的发展在中国,传统的密集和细致的农业已经无法满足当前的农业和农业发展的要求。使用农业机械代替传统的人力资源已经成为世界上主要趋势(1,2]。和农业机器人已经成为研究和开发的一个重要目标的农业机械工程(3,4]。在农业机器人的研究中,日本、美国和其他国家的领导(5,6]。在这些年来在中国开始,有一个与发达国家的技术差距比较(7,8]。

小麦是中国的主要粮食作物之一。2013年中国的小麦种植面积为2400万公顷。小麦产量的增加对中国的粮食安全具有重要意义。院士Songlie从山东农业大学提出了小麦精密播种农艺技术来提高小麦产量。使用Lumai-5作为实验性的小麦种子,实验结果表明,精密播种技术的收益率是7.5%到22.3%大于传统的播种技术(9]。然而,由于小麦种子颗粒几何形状的特点,现在小麦精密播种的机械化技术仍处于研究阶段。自动从1920年代农业车辆收到关注10]。特别是在近20年来,随着计算机和传感器技术的发展,许多研究这个问题时,尤其是农业机器人,已报告(11- - - - - -15]。在这篇文章中,一个轮子移动机器人设计开发了小麦精密播种。运动学模型建立了四轮驱动的机器人,和一些实验使用这台机器。它提供了一个参考设计和产品的小麦精密播种的机器人。

2。设计精密播种的机器人

根据机器人的工作环境和小麦精密播种的农艺要求的技术,这个机器人设计与四轮驱动,使用伺服电机驱动系统和转向系统使用步进电机(16]。为了确保机器人的承载能力和鲁棒性,框架是由矩形钢焊接在一起,如图1。图2是小麦精密播种的系统框图的机器人。机器人主要是分为三个部分:机器人移动身体,控制系统,传感器系统。,机器人移动机构分为移动平台和精密播种机制。控制系统的核心是机器人,如图2。它可以处理传感器信号和接收到的信息在工作时间。通过调整相干驱动电机,控制系统可以精确地控制机器人的运动,捡和小麦的种子,和真空室的压力的调整,实现小麦精密播种的农艺要求。

3所示。运动学模型和仿真

移动机器人的模型反映了状态变量之间的关系和控制参数的机器人。因此,很有必要设计一个有效的跟踪控制律的模型机器人轨迹跟踪小错误或没有错误。摘要精密播种机器人平台设计了4轮驱动和4轮转向。四个轮子的旋转和转向独立控制,有四个伺服马达来控制每个轮子旋转,引导,也有四个步进电机。一个中央控制器协调八汽车一起工作得很好。从理论上讲,四轮转向方案中的所有自由度平面(17]。但是,有多种形式,在实际应用并不实用。图3展示了一些基本操作模式。考虑工作的特点和实际情况,选择模式(c)在小麦精密播种的设计机器人。

(一)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

(g)

本文两个假设进行了机器人的运动学模型:()机器人的平台视为刚体,车轮视为刚性轮;这是车轮和地面的弹性变形是忽略;(机器人没有考虑垂直和俯仰运动,包括轧辊的影响。

在本文中,我们讨论了移动机器人的运动学模型在前面和后轮转向相反的方向,显示在图3 (c)。通过分析对面的四轮转向模式中,有一些特定的关系之间后轮,前轮转向角和速度之间的轮子和轮子。

图4四轮转向的原理图模式。是移动机器人平台的瞬心;移动机器人的坐标系统;是后轮的轴中心;是一个通过点线的交点垂直于体轴和车轮轴线的延伸线;是精密播种的参考点。左前轮胎的转向角;rear-left轮的转向角;左前轮胎的速度;rear-left轮的速度;参考点的速度吗;的速度;之间的距离和前轮的轴。

鉴于左前轮胎的转向角,rear-left轮的转向角,可以从三角形获得以下关系: rear-left轮的速度,机器人的角速度在瞬时中心可以获得作为的速度是系统的运动学模型可以建立的为参考点从点之间的关系和,(5)可以推导出: 通过推导两侧(5),运动学模型为参考点这是在(7),,,可以获得和。和左边的轮子和轮子之间的关系从这些方程,当、前轮转向能获得机器人的运动学模型。

基于运动学模型,建立了轨迹跟踪控制器和仿真是在控制律。小麦精密播种机器人的误差方程首先,直线轨迹跟踪模拟。设置线性方程如下: 在直线运动,,速度是常数,并设置,。所以机器人的微分方程如下: 机器人的初始位置的初始位置所需的轨迹,图5是直线的误差曲线跟踪。图6是机器人的实际运动跟踪一条直线。

从仿真的错误和,3.5秒后角变成了0。实际的路径和预期路径重叠后3 s。

然后,圆形轨迹跟踪模拟。圆的方程是机器人的初始位置和预期路径的初始位置。预期的线速度和角速度。控制器参数。机器人的位置的微分方程如下: 数据7和8显示模拟的结果。

从图中,错误的和和角度3 s后变成了0。运动图,转2圈之前实际的路径曲线符合预期路径,所以错误设在应该更好的得到改善。

4所示。播种实验设计

工作期间,为机器人,影响播种质量的主要因素有三个:播种盘的孔隙大小,真空室的压力(负面),和播种盘的速度18]。真空室的压力和孔隙大小的种植托盘直接影响了泄漏率和重播率。较小的尺寸需要更大的压力,如果孔径太小,它会导致吸收力太弱,拿起种子,导致泄漏现象。如果压力太大,这将导致增加的重播。同时在播种过程中,如果播种盘的速度超过一定的限制,没有足够的填充时间,可能导致严重的渗漏现象(19- - - - - -21]。

因为这些因素对合格率的影响不是简单的线性关系,二次正交旋转组合设计方法是本文安排实验。回归分析是用来分析因素之间的联系和确定主要和次要的关系。

根据二次正交旋转组合设计方法,测试点是由3种组合(22,23];这是和是测试的因素,测试数量的星点,测试数量的零级中心点。因素的数量是3,所以测试数据都是23。

根据测试和经验,最佳组合的因素被选为零水平的实验,种植托盘的孔隙大小是2.4毫米,播种盘的速度是30 r / min,真空室的压力是−2.3 kPa。每个层次的价值观和代码表的3因素确定根据零水平,如表所示1和2。


水平

价值


水平	孔隙大小 /毫米	速度 / (r / min)	压力 / kPa

表3正交旋转设计结构矩阵和播种合格率的计算表。


数量

1	1	1	1	1	1	1	1	0.406	0.406	0.406	85.780
2	1	1	1	−1	1	−1	−1	0.406	0.406	0.406	82.370
3	1	1	−1	1	−1	1	−1	0.406	0.406	0.406	94.650
4	1	1	−1	−1	−1	−1	1	0.406	0.406	0.406	93.270
5	1	−1	1	1	−1	−1	1	0.406	0.406	0.406	87.560
6	1	−1	1	−1	−1	1	−1	0.406	0.406	0.406	80.350
7	1	−1	−1	1	1	−1	−1	0.406	0.406	0.406	93.420
8	1	−1	−1	−1	1	1	1	0.406	0.406	0.406	83.380
9	1	1.682	0	0	0	0	0	2.234	−0.594	−0.594	92.830
10	1	−1.682	0	0	0	0	0	2.234	−0.594	−0.594	84.620
11	1	0	1.682	0	0	0	0	−0.594	2.234	−0.594	85.220
12	1	0	−1.682	0	0	0	0	−0.594	2.234	−0.594	95.360
13	1	0	0	1.682	0	0	0	−0.594	−0.594	2.234	93.830
14	1	0	0	−1.682	0	0	0	−0.594	−0.594	2.234	90.430
15	1	0	0	0	0	0	0	−0.594	−0.594	−0.594	94.600
16	1	0	0	0	0	0	0	−0.594	−0.594	−0.594	92.140
17	1	0	0	0	0	0	0	−0.594	−0.594	−0.594	90.230
18	1	0	0	0	0	0	0	−0.594	−0.594	−0.594	92.600
19	1	0	0	0	0	0	0	−0.594	−0.594	−0.594	95.120
20.	1	0	0	0	0	0	0	−0.594	−0.594	−0.594	92.460
21	1	0	0	0	0	0	0	−0.594	−0.594	−0.594	94.340
22	1	0	0	0	0	0	0	−0.594	−0.594	−0.594	93.280
23	1	0	0	0	0	0	0	−0.594	−0.594	−0.594	95.640
	2083.48	25.169	−45.715	27.759	−10.880	−12.460	−0.800	−34.979	−26.127	−15.720
	23.000	13.660	13.660	13.660	8.000	8.000	8.000	15.890	15.890	15.890
	90.586	1.843	−3.347	2.032	−1.360	−1.558	−0.100	−2.201	−1.644	−0.989
		46.376	152.995	56.409	14.797	19.406	0.080	76.998	42.959	15.552

因为设计因素的功能规范变量无因次线性编码,证实了这些在第一项回归系数和交互条款是不相关的。因此,直接播种合格率的感情是通过比较来判断准则变量回归系数的绝对值。所以影响秩序在一定的范围内。其中,速度对播种性能的影响最大,压力少,孔隙大小是最小的。

基于上述分析,机器人的播种试验的条件列在表中4。不同速度下的实验来验证机器人的性能。


项	价值	单位

孔隙大小	2.5	毫米
压力	−2.4	kPa
种子空间	6	厘米
速度	0.7,0.9,1.1	米/秒

5。结果分析

100年三个速度,邻近种子空间为例从每个速度选择实验。表5- - - - - -7所选数据的速度0.7米/秒,0.9 m / s, 1.1 m / s。数据9- - - - - -11是衡量种子空间的统计图在每个速度。


100年邻种子空间速度为0.7米/秒(cm)

6.1	7.7	7.9	6.8	5.9	5.8	3所示。9	7.2	6.0	7.0
6.5	6.1	14.8	5.9	5.6	4.8	5.0	6.4	5.6	4.8
5.0	5.7	7.4	5.6	5.6	3所示。0	6.8	8.0	0.5	3所示。0
4.9	5.8	6.1	7.2	4.8	6.2	15.9	8.7	6.8	8.0
6.5	6.2	5.5	6.0	6.4	7.3	7.6	8.9	5.4	6.8
6.7	7.0	5.9	8.1	6.5	8.5	8.4	6.4	9.0	3所示。9
5.0	6.4	7.4	9.2	6.0	6.3	8.0	5.8	8.4	6.5
4.4	6.0	4.6	8.4	7.2	6.4	7.4	6.0	8.9	5.4
6.8	9.3	5.2	6.0	8.1	6.0	4.6	6.5	7.2	6.0
6.0	9.0	3所示。9	5.4	5.4	9.3	5.2	7.5	8.6	5.4


100年邻种子空间速度为0.9米/秒(cm)

6.4	8.4	6.5	6.6	7.6	6.8	5.8	7.9	5.0	6.6
6.2	8.9	5.4	6.8	5.7	6.0	6.4	6.5	4.0	6.8
6.2	7.2	6.0	8.0	3所示。8	7.4	9.2	7.2	7.0	6.0
6.3	5.9	5.8	7.5	6.5	4.6	8.4	5.9	7.3	8.1
7.0	6.0	7.6	7.3	7.1	16.7	6.5	6.0	4.5	7.9
7.3	1.0	5.1	8.4	8.4	9.0	7.6	8.5	8.1	5.6
4.5	7.9	6.3	9.1	6.3	8.0	5.1	7.9	5.1	8.4
8.1	5.6	4.8	7.0	5.1	5.5	6.3	8.1	6.3	9.0
7.5	6.1	2.0	6.8	3所示。5	5.9	4.8	5.9	6.7	7.8
6.5	8.0	5.9	8.4	6.1	7.4	6.0	6.9	6.1	6.8


100年邻种子空间速度为1.1米/秒(cm)

6.0	5.7	6.9	6.9	8.9	8.3	7.5	8.4	7.2	6.0
6.0	6.0	8.0	7.9	6.0	9.0	5.8	6.0	8.1	7.4
5.4	6.8	9.2	9.4	7.0	8.0	4.6	5.4	5.4	5.4
4.9	6.3	5.4	5.6	7.5	6.1	6.7	6.5	7.0	6.6
7.3	5.1	5.0	6.0	6.8	6.4	5.0	3所示。4	8.4	6.8
6.5	8.0	5.8	4.7	6.0	8.1	6.0	4.6	6.5	7.6
7.8	7.4	6.0	9.8	5.4	5.4	16.3	5.2	7.5	7.6
7.2	4.6	6.5	1.2	6.6	7.6	6.8	5.8	15.5	5.2
5.2	5.2	7.5	6.0	6.9	8.6	6.0	8.0	5.4	6.8
6.2	5.8	8.1	5.4	5.4	5.4	5.6	6.3	6.2	7.0

根据标准GB / t6973 - 2005(测试方法的单个种子演习(精密演习)),泄漏是种子空间大于设定距离的1.5倍。和重新播种,种子空间设置的距离小于0.5倍。因此,种子空间被划分为几个范围:,,,,;是一组种子空间。考虑定义泄漏数量合格的数量,补播区间数如下: 以下的公式计算补播率,泄漏率,合格率: 表8利率在不同速度的计算结果。


速度(米/秒)	合格率(%)	补播率(%)	泄漏率(%)

0.7	94.81	0.96	4.80
0.9	95.15	0.97	3.88
1.1	93.33	0.95	5.71

从表8,可以得出结论:合格的利率在不同速度都超过93%。

6。总结

通过以上实验,结果可以验证小麦精密播种性能的机器人在实际工作环境中。但有差异在不同的速度。和速度的主要因素在小麦精密播种。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

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