CN103688630A - 一种立柱栽培的高效无碰撞自动移栽苗序与路径 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种立柱栽培的高效自动移栽苗序与路径，涉及农业装备领域。移栽作业中，当输送路径不经过或经过其他秧苗时分别取最短升降路径或增加安全提升高度以避免碰撞。当植苗顶点高于取苗顶点时输送路径取两点间直线，当植苗顶点低于取苗顶点时则在穴盘边缘安全距离外增加一中间点，以折线路径为输送路径。由矩形穴盘靠栽培立柱的下右端开始同向逐行或逐列取苗，沿栽培立柱自下至上顺序栽植时，达到移栽作业的累计路径最短。通过让苗与非让苗植苗位升降路径、直线与折线输送路径的区分和取苗与栽植苗序的优化，实现无碰撞的高效立柱自动移栽，有效提高移栽作业效率。本发明可应用于立柱栽培的高效自动移栽作业。

Description

一种立柱栽培的高效无碰撞自动移栽苗序与路径
所属技术领域
本发明涉及农业机器人领域，特别涉及一种立柱栽培的高效无碰撞自动移栽苗序与路径。
背景技术
立柱式栽培因其可以充分利用竖直空间以大大提高单位土地面积产出，而得到了持续的研究与推广。但是竖直高大立柱的人工栽培管理难度极大，已成为严重影响其进一步推广普及的关键瓶颈问题，而立柱栽培的移栽等作业自动化技术成为其未来发展的必然选择。刘继展等提出了立柱移栽自动化生产模式，并进行了立柱栽培配套移栽机器人系统的开发（发明专利：自动化叶菜螺旋立柱生产系统，专利公开号CN102696323A；发明专利：立柱栽培配套的移栽机器人，专利公开号CN102823365A；发明专利：一种用于立柱栽培的机器人移栽控制系统及控制方法，专利申请号2013101885614）。
对于穴盘苗自动移栽中路径起始点不断变化下的频繁重复作业，寻找移栽机器人取苗/栽植的合理顺序与无碰撞最短作业路径对提高移栽作业成功率和效率具有决定性的作用。Ting K C、KutzLJ、钱中方等分别对平面移栽中的布局、苗序与最短路径问题进行了研究（TingK C,Giacomelli G A,and Shen S J.Robot workcell for transplanting of seedlings part Ⅰ-layoutand materials flow.Transactigns of the ASAE,1990,33(3):1005－1010；Kutz L J,Miles G E,Hammer P A,and Krutz G W.Robotic transplanting of bedding plants.Transactions of the ASAE,1987,30(3):586－590；錢中方,林達德.穴盤種苗移植手端之路徑規劃與分析[J].農業工程學報,1996,42(3):69－81.）。但是当穴盘秧苗向竖直方向伸展的立柱，而非平面布置的穴盘进行移栽作业时，其移栽作业路径由平面变为3D空间路径。目前尚未见针对立柱移栽最短路径的相关研究结果。
发明内容
为了解决穴盘苗对立柱自动移栽的无碰撞高效率作业问题，本发明的目的在于提供一种立柱栽培的高效无碰撞自动移栽苗序与路径，从而达到无碰撞的移栽作业累计路径最短。
为了解决以上技术问题，本发明采用的具体技术方案如下：
一种立柱栽培的高效自动移栽苗序与路径，其特征在于所述移栽路径如下：
每一周期的输送路径c中不存在秧苗（6）时，根据秧苗（6）移出所需最短位移确定取苗位最小升降路径a0；当输送路径c中需途经其它有秧苗（6）的穴孔时，根据秧苗（6）高度确定安全提升高度h，取苗位升降路径取a0+h以避免末端执行器（3）与秧苗（6）的碰撞；
当植苗顶点Dk不低于取苗顶点Bij时，选择植苗顶点Dk与取苗顶点Bij间的直线路径为输送路径c；
当植苗顶点Dk低于取苗顶点Bij时，确定一中间点Cij-k（1≤i≤8，1≤j≤16，1≤k≤16），中间点Cij-k与取苗顶点Bij高度一致并距穴盘（2）右侧边缘安全距离s，中间点Cij-k的y轴坐标取为取苗顶点Bij与植苗顶点Dk的y轴坐标的线性分割点。以植苗顶点Dk→中间点Cij-k→取苗顶点Bij间的折线路径为输送路径c。
所述穴盘（2）下右端开始同向逐行取苗，沿栽培立柱（5）自下至上栽植。
所述安全距离s为当栽培立柱（5）的植苗顶点低于穴盘（2）的取苗顶点高度时，为避免末端执行器（3）与穴盘（2）碰撞而要求中间点Cij-k让开穴盘（2）的距离。
本发明具有有益效果。本发明通过让苗与非让苗植苗位升降路径、直线与折线输送路径的区分和取苗与栽植苗序的优化，实现无碰撞的高效立柱自动移栽，有效提高移栽作业效率。
附图说明
图1为栽培立柱及配套移栽机器人示意图。
图2为立柱自动移栽末端路径的构成与关键点。
图3为立柱自动移栽布局俯视示意图。
图4为下近端开始同向逐列取苗顺序。
图5为近端开始蛇形逐行取苗顺序。
图中：1.移动平台，2.穴盘，3.末端执行器，4.机械手，5.栽培立柱，6.秧苗。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，立柱移栽机器人包括移动平台1、机械手4和末端执行器3，机械手4安装于移动平台1上，末端执行器3安装于机械手4的腕部。若干栽培立柱5均匀排列于立柱移栽机器人的一侧。穴盘2内的秧苗6向栽培立柱5自动移栽作业时，移动平台1移动并定位于待栽植立柱位置，机械手4运动完成末端执行器3对穴盘2穴孔与栽培立柱5的栽植位的定位、穴孔与栽植位间的末端执行器3及秧苗6移送，并由末端执行器3完成取苗与栽植任务。
如图4所示，取苗底点与取苗顶点的编号分别为Aij和Bij，其中1≤i≤8，1≤j≤16，并分别以靠机械手4的下近端取苗底点与取苗顶点为A11和B11。植苗顶点Dk与植苗底点Ek，其中1≤k≤16，并以立柱最低栽植位置的植苗顶点与植苗底点为D1和E1。
每一移栽周期内末端执行器3的移栽行程和返回行程均分别由取苗升降路径a、植苗升降路径b和取苗位与栽苗位之间的输送路径c所构成。由图4，取苗升降路径a为取苗底点Aij与取苗顶点Bij之间的路径段，植苗升降路径b为植苗顶点Dk与植苗底点Ek之间的路径段，输送路径c为取苗顶点Bij与植苗顶点Dk之间的路径段。
移栽作业动作流程中，根据秧苗6植入所需最短位移确定植苗位升降路径b。
由图3，每一周期的输送路径c中不存在秧苗6时，根据秧苗6移出所需最短位移确定取苗位最小升降路径a0；当输送路径c中需途径其他有秧苗6的穴孔，根据秧苗6高度确定安全提升高度h，取苗位升降路径取a0+h以避免末端执行器3与秧苗6的碰撞。
输送路径c的长度取决于取苗—植苗顺序和无碰撞最短输送路径的设计。无碰撞最短输送路径为：
（1）当植苗顶点Dk不低于取苗顶点Bij时，选择植苗顶点Dk与取苗顶点Bij间的直线路径为输送路径c，如图2所示；
（2）当植苗顶点Dk低于取苗顶点Bij时，确定一中间点Cij-k（1≤i≤8，1≤j≤16，1≤k≤16），中间点Cij-k与取苗顶点Bij高度一致并距穴盘2右侧边缘安全距离s，如图2所示，中间点Cij-k的y轴坐标取为取苗顶点Bij与植苗顶点Dk的y轴坐标的线性分割点，如图3所示。以植苗顶点Dk→中间点Cij-k→取苗顶点Bij间的折线路径为输送路径c。
实施例2
穴盘2规格为8行×16列，相邻穴孔间距离33.5mm，取苗位最小升降路径a0为30mm，植苗位升降路径b为30mm，根据秧苗6高度确定的安全提升高度h为180mm，安全距离s取为88mm。螺旋式的栽培立柱5高度1m，螺距300mm，植苗顶点Dk距中心轴线的距离100mm，沿螺旋线栽植的苗距150mm，每栽培立柱5可栽植秧苗6的数量为16株。分别计算得到每一移栽周期的移栽行程与返回行程路径长度，进而累加得到不同取苗-植苗顺序下的累计路径长度。
（1）穴盘2下右端开始同向逐列取苗、沿栽培立柱5自下至上栽植，如图4所示：
第一根立柱5：
移栽行程1： L 1 = a 0 + B 11 C 11 - 1 ‾ + C 11 - 1 D 1 ‾ + b
返回行程1： L 1 , = a 0 + B 21 C 21 - 1 ‾ + C 21 - 1 D 1 ‾ + b
移栽行程2： L 2 = a 0 + B 21 C 21 - 2 ‾ + C 21 - 2 D 2 ‾ + b
返回行程2： L 1 , = a 0 + B 31 C 31 - 2 ‾ + C 31 - 2 D 2 ‾ + b
移栽行程9： L 9 = a 0 + B 12 D 9 ‾ + b
返回行程9： L 9 , = a 0 + B 22 D 9 ‾ + b
移栽行程16： L 16 = a 0 + B 82 D ( 16 ) ‾ + b
返回行程16： L 16 , = a 0 + B 13 D ( 16 ) ‾ + b
第二根立柱5：
移栽行程17： L 17 = a 0 + B 13 C 13 - 1 ‾ + C 13 - 1 D 1 ‾ + b
返回行程17： L 17 , = a 0 + B 23 C 23 - 1 ‾ + C 23 - 1 D 1 ‾ + b
移栽行程18： L 18 = a 0 + B 23 C 23 - 2 ‾ + C 23 - 2 D 2 ‾ + b
返回行程18： L 18 , = a 0 + B 33 C 33 - 2 ‾ + C 33 - 2 D 2 ‾ + b
移栽行程25： L 25 = a 0 + B 14 D 9 ‾ + b
返回行程25： L 25 , = a 0 + B 24 D 9 ‾ + b
移栽行程32： L 32 = a 0 + B 84 D ( 16 ) ‾ + b
返回行程32： L 32 , = a 0 + B 15 D ( 16 ) ‾ + b
依此类推得到穴盘2内的秧苗6继续向第三根栽培立柱5～第七根栽培立柱5移栽的移栽行程与返回行程。
第八根立柱5：
移栽行程113： L 113 = a 0 + B 17 C 17 - 1 ‾ + C 17 - 1 D 1 ‾ + b
返回行程113： L 113 , = a 0 + B 27 C 27 - 1 ‾ + C 27 - 1 D 1 ‾ + b
移栽行程114： L 114 = a 0 + B 27 C 27 - 2 ‾ + C 27 - 2 D 2 ‾ + b
返回行程114： L 114 , = a 0 + B 37 C 37 - 2 ‾ + C 37 - 2 D 2 ‾ + b
移栽行程121： L 121 = a 0 + B 18 D 9 ‾ + b
返回行程121： L 121 , = a 0 + B 28 D 9 ‾ + b
移栽行程128： L 128 = a 0 + B 88 D ( 16 ) ‾ + 6
返回行程128： L 128 , = a 0 + B 11 D ( 16 ) ‾ + b
则穴盘2内的秧苗6向栽培立柱5移栽完毕的累计路径长度为
L t = Σ m = 1 127 ( L m + L m , )
（2）穴盘2上右端开始蛇形逐行取苗，沿栽培立柱5自上至下栽植，如图5所示。第一根立柱2：
移栽行程1： L 1 = a 0 + h + B 81 D ( 16 ) ‾ + b
返回行程1： L 1 , = a 0 + h + B 82 D ( 16 ) ‾ + b
移栽行程1： L 2 = a 0 + h + B 82 D ( 15 ) ‾ + b
返回行程1： L 2 , = a 0 + h + B 83 D ( 15 ) ‾ + b
移栽行程9： L 17 = a 0 + h + B 78 C 78 - 8 ‾ + C 78 - 8 D 8 ‾ + b
返回行程9： L 17 , = a 0 + h + B 77 C 77 - 8 ‾ + C 77 - 8 D 8 ‾ + b
移栽行程16： L 17 = a 0 + h + B 71 C 71 - 1 ‾ + C 71 - 1 D 1 ‾ + b
返回行程16： L 17 , = a 0 + h + B 61 C 61 - 1 ‾ + C 61 - 1 D 1 ‾ + b
第二根立柱5：
移栽行程17： L 1 = a 0 + h + B 61 D ( 16 ) ‾ + b
返回行程17： L 1 , = a 0 + h + B 62 D ( 16 ) ‾ + b
移栽行程18： L 2 = a 0 + h + B 62 D ( 15 ) ‾ + b
返回行程18： L 2 , = a 0 + h + B 63 D ( 15 ) ‾ + b
移栽行程25： L 17 = a 0 + h + B 58 C 58 - 8 ‾ + C 58 - 8 D 8 ‾ + b
返回行程25： L 17 , = a 0 + h + B 57 D 77 - 8 ‾ + C 57 - 8 D 8 ‾ + b
移栽行程32： L 17 = a 0 + h + B 51 C 51 - 1 ‾ + C 51 - 1 D 1 ‾ + b
返回行程32： L 17 , = a 0 + h + B 41 C 41 - 1 ‾ + C 41 - 1 D 1 ‾ + b
依此类推得到穴盘2内的秧苗6继续向第三根立柱5～第七根立柱5移栽的移栽行程与返回行程。
第八根立柱5：
移栽行程113： L 113 = a 0 + h + B 21 D ( 16 ) ‾ + b
返回行程113： L 113 , = a 0 + h + B 22 D ( 16 ) ‾ + b
移栽行程114： L 114 = a 0 + h + B 22 D ( 15 ) ‾ + b
返回行程114： L 114 , = a 0 + h + B 23 D ( 15 ) ‾ + b
移栽行程121： L 121 = a 0 + h + B 18 C 58 - 8 ‾ + C 58 - 8 D 8 ‾ + b
返回行程121： L 121 , = a 0 + h + B 17 C 17 - 8 ‾ + C 17 - 8 D 8 ‾ + b
移栽行程127： L 127 = a 0 + h + B 21 C 21 - 2 ‾ + C 51 - 1 D 2 ‾ + b
返回行程127： L 127 , = a 0 + B 11 C 11 - 1 ‾ + C 11 - 1 D 2 ‾ + b
移栽行程128： L 128 = a 0 + B 11 C 11 - 1 ‾ + C 11 - 1 D 1 ‾ + b
返回行程128： L 128 , = a 0 + h + B 81 D ( 16 ) ‾ + b
则穴盘2内的秧苗6向栽培立柱5移栽完毕的累计路径长度为
L t = Σ m = 1 128 ( L m + L m , )
如表1所示，128穴秧苗6“穴盘2下右端开始同向逐行取苗，沿栽培立柱5自下至上栽植”的累计路径长度199.2m为各类移栽苗序的最短，“穴盘2上左端开始同向逐行取苗，沿栽培立柱5自下至上栽植”的累计路径长度超过“穴盘2下右端开始同向逐行取苗，沿栽培立柱5自下至上栽植”的25%。“穴盘2下右端开始同向逐行取苗，沿栽培立柱5自下至上栽植”为立柱栽培的高效无碰撞自动移栽苗序。
表1穴盘苗向立柱自动移栽不同苗序的累计路径长度比较
Figure BDA0000440612930000074
Figure BDA0000440612930000081

Claims (3)

1.一种立柱栽培的高效自动移栽苗序与路径，其特征在于所述移栽路径如下： 
每一周期的输送路径c中不存在秧苗（6）时，根据秧苗（6）移出所需最短位移确定取苗位最小升降路径a 0；当输送路径c中需途经其它有秧苗（6）的穴孔时，根据秧苗（6）高度确定安全提升高度h，取苗位升降路径取a 0+h以避免末端执行器（3）与秧苗（6）的碰撞；
当植苗顶点D k 不低于取苗顶点B ij 时，选择植苗顶点D k 与取苗顶点B ij 间的直线路径为输送路径c；
当植苗顶点D k 低于取苗顶点B ij 时，确定一中间点C ij-k （1≤i≤8，1≤j≤16，1≤k≤16），中间点C ij-k 与取苗顶点B ij 高度一致并距穴盘（2）右侧边缘安全距离s，中间点C ij-k 的y轴坐标取为取苗顶点B ij 与植苗顶点D k 的y轴坐标的线性分割点；
以植苗顶点D k →中间点C ij-k →取苗顶点B ij 间的折线路径为输送路径c。
2.根据权利要求1所述的一种立柱栽培的高效自动移栽苗序与路径，其特征在于：穴盘（2）下右端开始同向逐行取苗，沿栽培立柱（5）自下至上栽植。
3.根据权利要求1所述的一种立柱栽培的高效自动移栽苗序与路径，其特征在于：所述安全距离s为当栽培立柱（5）的植苗顶点低于穴盘（2）的取苗顶点高度时，为避免末端执行器（3）与穴盘（2）碰撞而要求中间点C ij -k 让开穴盘（2）的距离。
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