钵苗移栽机低损高速取投栽植一体化关键基础及控制研究

For the disadvantages of labor intensity, high cost, and low efficiency of manual dropping seed operations in mechanized transplanting of tomato and chili in Xinjiang region, combined with special requirements involving pot seedling, transplanting on the membrane, low-loss and high-speed, automatic feeding, and joint operation in large-scale transplanting, this proposal aims to innovatively propose a set of automatic transplant machine, which is able to implement “flat, drip irrigation, film, seedling, take seedlings, cast seedlings, planting and casing suppression” and to adapt to the operation speeds and spacing requirements. Focusing on three key scientific problems of "low loss, high speed, and joint planting" which satisfy the requirements of transplanting, this proposal comprehensively explores the key foundation and control problems in automatic transplanting by integrating agricultural machinery and agronomy, automatic control and robot technology. The main research contents are listed as follows: Firstly, we will study the damage characteristics of the substrate mechanics and establish the control model of the clamping force of the seedlings. Then, damage characteristics of the inertial mechanics of the seedlings and the vibration damage characteristics of the seedlings will be investigated and the end-motion control model will be presented. Thirdly, the multi-sensor fusion control as well as the adaptive control model will be established. On this basis, the experimental platform will be built on the basket type transplanter, and control models will be optimized. The results of this proposal will provide an important theoretical reference and technical support for the development of novel automatic transplanters.

针对新疆加工番茄、辣椒机械化移栽中人工取投苗劳动强度大、成本高、效率低的问题，结合新疆规模化移栽的特殊要求（穴盘钵苗、膜上移栽、低损高速、自动取投、联合作业），提出一种集平地、滴灌、铺膜、送苗、取苗、投苗、栽植及覆土镇压于一体，能够自适应作业速度、株距要求的自动移栽机。围绕满足移栽作业要求的“低损、高速、取投栽植一体化”三个关键科学问题，综合农机与农艺、自动控制与机器人技术，深入研究自动移栽中的关键基础及控制问题。主要研究内容包括：研究钵苗基质力学夹持损伤特性，建立钵苗夹持力控制模型；研究秧苗茎杆惯性力学损伤特性、钵苗基质振动损伤特性，建立钵苗夹持机构末端运动控制模型；研究多传感器协同控制，建立自动化取投系统时序协同控制模型；研究多传感器融合控制，建立投苗自适应控制模型；在此基础上，以吊篮式移栽机为基础，搭建实验平台，优化控制模型。项目成果将为自动移栽机的研制提供重要的理论基础和技术支撑。

项目结合新疆规模化移栽的特殊要求，针对新疆番茄、辣椒机械化移栽中人工取投苗劳动强度大、成本高、效率低的问题，设计一种集平地、滴灌、铺膜、送苗、取苗、投苗、栽植及覆土镇压于一体，能够自适应作业速度、株距要求的自动移栽机。围绕移栽作业要求的“低损、高速、取投栽植一体化”三个关键科学问题，综合农机与农艺、自动控制与机器人技术，深入研究自动移栽中的关键基础及控制问题。主要研究内容包括：研究钵苗基质力学夹持损伤特性，建立钵苗夹持力控制模型；研究秧苗茎杆惯性力学损伤特性、钵苗基质振动损伤特性，建立钵苗夹持机构末端运动控制模型；研究多传感器协同控制，建立自动化取投系统时序协同控制模型；研究多传感器融合控制，建立投苗自适应控制模型；在此基础上，以吊篮式移栽机为基础，搭建实验平台，优化控制模型。首先对钵苗基质夹持力学损伤特性进行了试验研究与分析，得出了取苗成功率及取苗效果主要和夹片倾角、夹持角度变化量、夹片与基质间摩擦系数、夹持面积四因素之间存在的关系，同时为提高所设计末端执行器对几种常用的不同规格穴盘的适应性，利用ADAMS软件对末端执行进行虚拟设计及优化仿真得出了满足设计需求的最优参数组合。此外，提出一种模糊PID自适应控制与经典PID控制相结合的复合控制方法，联合仿真的结果表明与模糊PID自适应控制相比较，该复合控制方法的超调量降低14.9%，响应时间降低31%，干扰信号作用下，跳动幅度降低50%。研制了高速低损取苗试验平台，探求出最高取苗成功率下不同基质配比、夹持角度、基质含水率之间的最优组合，在此基础上确定各装置最优的特征参数搭配，最终实现高效率、低成本、高成活率自动移栽机的研制。本项目研究具有一定的的理论价值和实用价值，为后续自动移栽机的研制提供参考。