摘要:育秧缽制造系統是用來制造林業和農業生產中所應用的育秧缽的系統。為保證種子的發芽率和成活率且移栽方便，并能提高生產率和自動化水平，設計了一種基于視覺伺服的多品種育秧缽制造系統，該系統可通過機器視覺自動識別不同種類的種子，從而制造出不同型號的育秧缽，且該農機能夠滿足不同種子對育秧缽土壤緊實度的要求。系統在此基礎上增加了播種功能及可拓展配置缽體倉儲自動化生產線，實現缽體的保濕存儲。

　　關鍵詞:視覺伺服;多品種育秧缽制造系統

　　1前言

　　20世紀70年代，我國開始了對育秧制缽機機械化研究，截至目前，已開發并研制了許多種類的制缽機。“七五”期間，我國首次引進了國外先進的自動化育秧生產線，該生產線主要負責農作物的育秧制缽工作。“八五”期間，通過對“盤苗設備及配套技術”的研究，使得“精密播種生產線”等先進設備得以發展，這批設備主要用于農作物育秧缽的制造。

　　“九五”期間，國家科委將“機械化制缽機的研制”這一課題列為主要攻關項目，在這一期間研制出了ZB50型機械化制缽機。該款制缽機所制造的營養缽能夠大大地滿足云杉等植物及玉米、瓜果等經濟農作物的種植移栽要求，逐步使缽體的制造達到機械化水平。目前，我國涉獵這方面的研究越來越多，但對于育秧缽自動化系統的設計仍處于發展階段。

　　基于視覺伺服的多品種育秧缽制造系統能夠根據不同的作物種子制造出不同規格的育秧缽并進行播種和覆土，效果很好。為實現作物種子的分類，該系統采用帶光線補償的攝像頭獲取作物種子圖像，通過樹莓派嵌入式微處理器進行圖像處理。采用atmega328P嵌入式微處理器與樹莓派通信，進而控制下層伺服機構動作。制成的成品育秧缽可直接移栽培育幼苗，無須人力進行播種和覆土，可滿足實際生產中對缽體規格的靈活要求。

　　2機械結構設計

　　2.1對執行機構運動要求

　　通過對多種制缽機的機械結構、工序及其各自的優缺點進行分析，以滿足農作物育秧和秧苗成長環境的基本要求作為最基本的出發點，得出最符合要求的工序為:填料加底土———壓緊并打出播種凹坑———播種———覆土———再壓實———缽體脫模。此種工序最明顯的優點是:在先后兩次壓實土壤的工序之間進行了先播種后覆土的工作，這樣，第二次覆土操作對種子起到了保護作用，有效避免了種子受到機械損傷。

　　更加重要的是，兩次覆土工作為種子的發芽和秧苗的培育創造了優良的成長環境。凹坑下端的營養土受到兩次壓實而變得比較結實，有利于缽體的沖出、移動和移栽等。而凹坑上端的營養土只經歷了一次壓實，土壤比較松軟，有利于種子的發芽與成長。

　　2.2拌料、填料

　　將已經配好肥料的土壤倒入填料攪拌箱和覆土攪拌箱內，利用攪拌器對其進行繼續攪拌，并通過攪拌流入�？字�，然后把多余的土壤刮平。攪拌器所做的連續旋轉運動阻止了營養土的停歇狀態，使土壤不斷地被攪動，該制缽機的�？邹D盤憑借齒輪的嚙合實現連續的回轉運動。

　　2.3物料輸送和工序轉移

　　根據育秧缽的加工工序，�？邹D盤上的�？讛狄�設為9個，其作用和用途分別為待料�？�、填料�？住�沖壓成型模孔、播種模孔、覆土�？�、二次沖壓�？�、沖出�？椎鹊�，其中，沖壓成型、二次沖壓和沖出動作都是沖頭在跟隨轉盤轉動過程中同時實現的，工序的轉換也是通過轉盤的轉動來實現的。

　　2.4缽體的成型和沖出

　　為簡化設備結構，將兩次沖壓沖頭和沖出沖頭由同一個機構來帶動，3個沖頭在偏心輪的帶動下做上下的往復運動及隨著轉盤轉動的周向轉動，從而實現缽體的沖壓成型和沖出。由于沖壓和沖出所需要的行程不同，所以3個沖頭雖然運動軌跡類似，但長度不同，其長度和缽體的大小與轉盤的尺寸及土壤壓縮比有關。

　　2.5播種和覆土

　　缽體的第一次沖壓成型和第二次沖壓之間應設有播種和覆土機構，播種機構和連桿緊固在一起，隨著沖頭的運動規律進行運動。第一次沖壓成型后，缽體退出�？咨�高的過程中帶動播種機構中的推桿一起升高，推桿底端設有可漏過1顆丸�；�種子的孔眼，當連桿運動到最高點時，就會漏過一顆種子，直接落入缽體凹坑內。覆土機構與填料攪拌器的結構一致，都是通過攪拌器的回轉、土壤的重力及流動性來完成。

　　2.6協調配合關系與整體設計

　　為使該機構實現設定的功能，要求各個機構(包括動力機構、傳動機構、執行機構以及其他輔助機構)之間滿足一定的運動協調關系，完成功能的同時還不能發生干涉。由于機構的�？邹D盤為連續回轉狀態，因此3個沖頭在缽體沖壓成型和缽體沖出的過程中要能夠與轉盤一起轉動，而且在完成沖壓和沖出的動作后，應能立即回到原始位置，繼續接下來的循環動作。

　　另外，沖頭在行程結束時(即沖頭在進行沖壓和沖出動作之前)，要能夠精準地與轉盤上的�？紫嗯浜�，從而使沖頭的沖壓與沖出工作準確進行。因此，要求帶動沖頭做上下往復運動的曲柄滑塊機構以及帶動模孔轉盤做連續轉動的齒輪機構，具有精準的速度比和傳動精度。

　　3硬件設計

　　3.1伺服控制模塊設計

　　目前開發所用的單片機種類繁多，其性能各有千秋。在選用單片機時，首先需要考慮其完成任務的復雜程度，并且根據任務的復雜程度，綜合分析所選單片機的數據總線寬度、尋址能力、中斷能力、指令系統和執行效率等功能，確保這些功能可使任務順利完成。在此育秧缽系統的設計中，采用atmega328P單片機。atmega328P的控制核心是AVR高速單片機ATmega8。AVR單片機是新一代基于架構的高速RISC微控制器，具有速度快、價格低、可靠性高、I/O口線驅動能力強和片內集成外設資源豐富等優點。

　　3.2串行通信

　　串行通信具有節省傳輸線的優點，特別是當數據位數很多及需要遠距離傳送時，這一優點更加突出。計算機與外界傳送數據大多數采用串行方式，其傳輸距離可從幾米～幾千米，因此該設計選用串行通信MAX232。RS-232在異步串行數字通信中被廣泛使用，由美國電子工業協會EIA公布并修訂而成，成為計算機與桌面設備之間最簡單、有效、通用的連接通道之一。

　　但近年來出現了許多單電源電平轉換芯片，其中最為流行的是MAXIM公司的MAX232芯片，它提供4路轉換通道，其中兩路用于將RS-232電平轉換為TTL電平，另外兩路用于將TTL電平轉換為RS-232信號。MAX232芯片具有完成電平轉換、實現串行通信的功能。該芯片外圍需接4個1μF/25V的電解電容，以滿足內部電源轉換所需。

　　4軟件設計

　　軟件設計方面:采用模塊化系統來提高開發效率。將軟件系統分成若干個程序子模塊，每1個子模塊都有著各自不同的功能，并且程序子模塊之間分別進行編程和調試。為有效提高軟件系統的設計效率，伺服控制系統仍采用模塊化的設計方法，開發軟件為arduino和Python，使用C語言和Python語言進行編寫。利用開發單片機系統，可使編程工作量大幅減少，還便于軟件的維護和修改。整體系統主要包括上層的圖像處理程序，下層的伺服控制程序。

　　圖像處理方面:首先要將攝像頭獲取的圖像進行濾波去噪，獲得較高質量的圖像。然后采用模板匹配方法，將獲取的圖像與事先制作好的圖像模板進行匹配。或采用獲取多幅不同條件的圖像進行主成分分析，獲得統計指標，判斷種子類別。伺服控制方案的確立是由Atmega328P系統通過串口與樹莓派圖像處理模塊相連接，獲取圖像處理的結果，實時處理獲取的種子類別信息，并驅動伺服電機動作，選擇和種子類別對應的執行機構進行育秧缽的制造。

　　5結語

　　采用機器視覺識別種子類型可提高生產效率和準確率。采用伺服控制可提高生產力、解放重復的人力勞動以及生產不同規格的缽體，從而在實際應用中提高生產效率和減少生產成本。在應用領域方面，可用于大型育苗生產基地的幼苗培育，也可用于小型農業生產大棚的幼苗培育，具有應用范圍廣、適應性強的優點。

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　　農業方向刊物推薦：《農機化研究》(月刊)創刊于1979年，由中國農業機械學會農業機械化分會、黑龍江省農業機械學會、黑龍江省農業機械工程科學研究院主辦。自創刊以來，歷屆編委及編審人員以交流大農業概念下(包括農、林、牧、副、漁)的機械化、電氣化、自動化的學術、科研成果以及與之相關的綜合性述評為辦刊宗旨，嚴把質量關，使本刊的知名度與學術地位日漸提高。