CN114271183A - 一种适用于植物工厂的自动化立体密集栽植系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及智能农业装备领域，尤其涉及一种植物工厂自动化立体密集栽植系统，包括：电气控制系统、栽培架、设于栽培架上的营养液循环装置、气体循环装置、人造光源装置以及栽培架的外围搬运设备；外围搬运设备，包括：多层穿梭车、提升机、移载车；电气控制系统分别与营养液循环装置、气体循环装置、人造光源装置、多层穿梭车、提升机及移载车连接。本系统可动态规划栽培架的栽植区域、营养液循环装置可实现营养液的分区输送，人造光源装置可实现光源的分区调节，从而实现了不同种类或不同成长期的作物分层栽植。外围搬运设备实现了作物的全生命周期智能化、无人化、工厂化生产。本系统具有柔性高、空间利用率高、作业效率高、可维护性强的特点。

Description

一种适用于植物工厂的自动化立体密集栽植系统

技术领域

本发明涉及智能农业装备领域，尤其涉及一种植物工厂自动化立体密集栽植系统。

背景技术

植物工厂是一种通过设施内高精度的环境控制，实现农作物周年连续生产的高效农业系统，是由计算机对植物生长过程的温度、湿度、光照、二氧化碳浓度以及营养液等环境条件进行自动控制，不受或很少受自然条件制约的全新生产方式。在植物工厂中，作物生长所需光照由人工光源提供，所需营养由营养液提供，实现了可控环境下的高效生产。

目前，植物工厂大多依赖于立体层架栽培，同一层架只能种植同种且生长阶段相同的作物，经济效益低。栽植作业普遍依赖于人工。劳动强度大，作业效率低、均一性差、可靠性低，栽培器具在搬运过程中容易跌落，安全性不高。此外，生产过程中有人为因素干扰，对作物的品质、卫生均有一定程度的不利影响。在二氧化碳浓度过高的栽培区长期工作，也会对人体健康造成风险。

发明内容

为了满足植物工厂立体多层密集化栽植，实现物流自动化、智能化高效作业和无菌化生产，本发明提供了一种适用于植物工厂的自动化立体密集栽植系统。

实现本发明目的的技术方案是：一种适用于植物工厂的自动化立体密集栽植系统，包括：电气控制系统、栽培架、设于栽培架上的营养液循环装置、气体循环装置、人造光源装置、以及栽培架的外围搬运设备；

所述外围搬运设备，包括：多层穿梭车、提升机、移载车；

所述移载车在栽培架一侧的轨道上，用于搬运栽培架至各个栽培架的提升机接驳位；

所述电气控制系统分别与营养液循环装置、气体循环装置、人造光源装置、多层穿梭车、提升机及移载车连接。

所述栽培架为多层横梁式架体；且设有多个；相邻两个栽培架相互连接，共用一台多层穿梭车和一台提升机。

所述营养液循环装置，包括：营养液输送管路、营养液槽、营养液收集管路、蓄液池、溶氧增强装置；

其中，每层栽培架的中部均设有连通式的营养液槽；

所述蓄液池依次通过营养液输送管路、并联的多条营养液输送支路、连入至营养液槽的后端底部；

所述营养液输送管路上依次设有输液泵、压力调节阀以及流量计，所述多条营养液输送支路上分别设有电磁阀B；

在压力调节阀与输液泵之间的营养液输送管路上还安装有安全泄压阀和手动阀门；

每个所述营养液槽前端侧壁均连有营养液收集支路，以限定营养液槽的液位高度，当液位高于营养液收集支路时，将营养液通过营养液收集管路回流至蓄液池内；所述营养液收集管路上还设有手动阀门；

输液压力由所述压力调节阀手动设定，所述输液泵、流量计、电磁阀B均与电气控制系统连接，电气控制系统按照参数设定，控制营养液的分区供给量和循环周期；

所述溶氧增强装置，包括：依次设于供气管路上的电磁阀A、气压调节阀(210)以及流量计；

溶氧增强装置其输入端与气源连接，输出端连入蓄液池底部；供气压力由所述气压调节阀手动设定，电磁阀A、流量计均与电气控制系统连接，电气控制系统按照参数设定，控制营养液中的溶解氧浓度。

所述气体循环装置包括：依次设于供气主管路上的电磁阀C、调速阀、流量计以及多个供气支路；供气主管路输入端与二氧化碳气源连接，每个供气支路对应营养液槽布置，供气支路的排气口布设于营养液槽侧上方；

气体流速由所述调速阀手动设定，所述电磁阀C和流量计均与电气控制系统连接，电气控制系统按照参数设定，控制二氧化碳的供给量和循环周期。

在每层营养液槽的上方，以及顶层的栽培架的底部，沿营养液槽的延伸方向密集设置多个人造光源装置；多个所述人造光源装置均与电气控制系统连接；

所述人造光源装置为LED灯，电气控制系统按照参数设定，通过PWM方式分区调节LED灯的电压，动态调节红、蓝光的光强以及配比，以满足不同类别作物，或作物在不同生长阶段的需要。

所述多层穿梭车可在每层栽培架上平层移动，包括：救援装置、车载控制器及其连接的穿梭车行走装置、抬升装置；

所述穿梭车行走装置为皮带传动机构，用于驱动多层穿梭车前进或后退；

抬升装置有两个，且对称设于穿梭车车体两侧，用于装载或卸载栽培板；

救援装置由车体前后两端分别对称布置的对接钩和对接槽组成，用于搭接另一车体并相互牵引，以实现车体的应急救援作业；

所述车载控制器设于穿梭车车体内；所述车载控制器由上位机控制指令控制运行。

所述提升机为往复式提升机，包括：与电气控制系统连接的提升装置、平移装置、货叉装置、保护装置、营养液收集装置；

所述提升装置为同步带牵引机，提升装置上设有载货台，提升装置用于牵引载货台升降；

所述保护装置A有多个，为电控式限位缓冲器，且分别设于所述货叉装置两侧的上部；

所述营养液收集装置A有两个，分别设于平移装置沿滑台移动方向的两侧，包括：驱动电机、翻转式导流板、储液箱以及排液阀；

所述驱动电机的输出端与翻转式导流板固接；所述驱动电机与电气控制系统连接，以驱动翻转式导流板转动翻出后收集滴落的营养液；

所述储液箱设于提升装置下方，所述储液箱底部设有排液阀。

所述移载车为往复式穿梭车，包括：与电气控制系统连接的行走装置、输送装置、保护装置B、营养液收集装置B；

所述行走装置为同步带牵引机，以牵引移载车车体沿轨道行走；

所述输送装置为皮带输送机，以实现对栽培板的输送；

所述保护装置B为机械翻转式限位缓冲器，设于移载车与提升机接驳一侧，以防止多层穿梭车坠落；

所述营养液收集装置B，设于移载车车体底部，包括储液槽、排液管；

所述储液槽底部设有排液管，用于收集、回收滴落的废液。

一种适用于植物工厂的自动化立体密集栽植系统的控制方法，栽培板上、下架流程包括以下步骤：

1)电气控制系统根据上位机下达的任务指令，控制移载车水平移动并与间苗移栽工位接驳；移载车的输送装置和间苗移栽工位的输送机同向运行，栽培板被送入移载车上；移载车水平搬运栽培板并与目标提升机接驳；

2)电气控制系统根据上位机下达的任务指令，控制提升机通过货叉装置从移载车上取回栽培板，垂直提升并与栽培架目标层接驳；提升机通过货叉装置将栽培板放置在栽培架目标层的接驳位上；

3)上位机依据LIFO原则，按照栽培架深度方向由远及近地分配目标栽培位，电气控制系统根据上位机下达的任务指令，控制穿梭车行走至接驳位装载栽培板，转运多层穿梭车行走至目标栽培位卸载栽培板。

转运多层穿梭车包括两种作业形式：

1)层间转运作业：当多层穿梭车需要在同一或相邻栽培架的不同层执行搬运作业，通过提升机转运；

2)架间转运作业：当多层穿梭车需要在不同的栽培架间执行搬运作业或救援作业，提升机和移载车共同参与转运；

所述架间转运作业，包括以下步骤：

1)由上位机确定起始架和起始层、目标架和目标层；

2)电气控制系统根据上位机下达的任务指令，控制起始架提升机垂直提升并与栽培架起始层的轨道高度齐平，然后货叉装置伸出，触发栽培架的限位缓冲器翻转收回，同时与起始层轨道对接；

3)根据上位机下达的任务指令，多层穿梭车首先驶入起始架提升机的载货台，起始架提升机再收回货叉装置；

4)电气控制系统根据上位机下达的任务指令，同时控制起始架提升机和移载车移动至栽培架起始架接驳位，多层穿梭车由起始架提升机驶入移载车；

5)电气控制系统根据上位机下达的任务指令，同时控制目标架提升机和移载车移动至栽培架目标架接驳位，多层穿梭车由移载车驶入目标架提升机；

6)电气控制系统根据上位机下达的任务指令，控制目标架提升机垂直提升并与栽培架的轨道高度齐平，然后货叉装置伸出，触发栽培架目标层的限位缓冲器翻转收回，同时与轨道对接；

7)根据上位机下达的任务指令，多层穿梭车首先驶入栽培架目标层轨道，目标架提升机再收回货叉装置；

所述层间转运作业中起始架提升机和目标架提升机为同一台设备，转运流程为执行步骤1)～3)和步骤6)～7)。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明提出的系统使用栽培板作为作物载具。通过栽培板在营养液槽上的无缝密集摆放实现了作物的密集栽植，最大限度地利用了有限的栽植空间；

2.本发明提出的系统使用多层穿梭车作为栽培板的搬运设备，使用作物上方的狭小空间作为其运行通道，大大提高了栽植空间的利用率；多层穿梭车相较于传统搬运设备，搬运效率更高，能耗更低；

3.本发明提出的系统实现了作物从栽培、间苗、采收的全生命周期智能化、无人化、工厂化生产。

4.本发明提出的系统通过综合运用立体栽植区域动态规划、营养液分区输送、人造光源分区调节等方法，实现了不同种类或不同成长期的作物分层栽植。进而实现了定制化生产、多元化栽植。

5.本发明提出的系统通过多层穿梭车的动态分配和灵活转运，实现了柔性化生产的功能，同时提高了设备利用率和可维护性。

附图说明

图1是自动化立体密集栽植系统设备布置图；

图2是作物栽培营养循环系统；

图3是多层穿梭车总体结构示意图；

图4是提升机总体结构示意图；

图5是提升机部件结构示意图；

图6是高速移载车总体结构示意图；

图7是移载车部件结构示意图；

其中，1为栽培架，2为营养液循环装置，201为营养液输送管路，202为流量计，203为压力调节阀，204为输液泵，205为营养液槽，206为营养液收集管路，207为蓄液池，208为溶氧增强装置，209为电磁阀A，210为气压调节阀，211为流量计，212为电磁阀B，3为气体循环装置，301为电磁阀C，302为调速阀，303为流量计，4为人造光源装置，5为多层穿梭车，501为穿梭车行走装置，502为抬升装置，503为救援装置，504为车载控制器，6为提升机，601为提升装置，602为平移装置，603为货叉装置，604为保护装置A，605为营养液收集装置A，606为载货台，607为导向轮，608为同步带，609为滑台，610为直线模组，7为移载车，701为行走装置，702为输送装置，703为保护装置B，704为营养液收集装置B，705为行走轮，706为移载车导向轮，707为移载车同步带，708为行走轨道，10为栽培板。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，如图1所示，本发明公开的一种适用于植物工厂的自动化立体密集栽植系统，由栽培架1、营养液循环装置2、气体循环装置3、人造光源装置4、多层穿梭车5、提升机6、移载车7组成，其中每两列栽培架1配置一台多层穿梭车5和一台提升机6，系统共用一台移载车7。其中，除了多层穿梭车5由独立的车载控制器控制外，其他装置和设备均由地面电气控制系统统一控制。

栽培架1采用多层横梁式货架，采用钢制立柱，铝合金横梁。在提供足够强度和稳定性的前提下，减轻了货架自重，现有场地无需大规模改造即可适用。

栽培架1采用穿梭式货架实现密集栽植，每层均居中布置有营养液槽205，沿营养液槽205无间隙连续分配栽培位，可最大化栽培架1驶入方向的栽植密度。相邻栽培架1紧密贴合安装，可最大化栽培架1深度方向的栽植密度。

所述的营养液循环装置2，沿营养液流动方向，由营养液输送管路201、营养液槽205、营养液收集管路206、蓄液池207组成。其中：

营养液输送管路201上依次设有输液泵204、压力调节阀203以及流量计202，主管路在栽培架1后侧竖直布置，由主管路向每层营养液槽205水平延伸多条并联的营养液输送支管。支管上设有电磁阀B212用于控制管路的开闭，以实现不同配比营养液的定制化分区供给。支管连入至营养液槽205的后端底部；

在压力调节阀203与输液泵204之间的营养液输送管路201上还安装有安全泄压阀和手动阀门；

每个所述营养液槽205前端侧壁均连有营养液收集支路，同时发挥营养液槽205液位限位和溢流作用，当液位高于营养液收集支路时，将营养液通过营养液收集管路206回流至蓄液池207内；所述营养液收集管路206上还设有手动阀门；

输液泵204是营养液输送的动力源，输液压力由排液口侧安装的压力调节阀203手动设定，输液泵204、流量计202、电磁阀B212均与电气控制系统连接，电气控制系统按照参数设定，控制营养液的分区供给量和循环周期。

蓄液池207位于地下一层，营养液的PH值、EC值在此检测和调节。营养液收集管路206的主管通至蓄液池207上方，蓄液池207底部通过管路与输液泵204的进液口连接，蓄液池207底部与溶氧增强装置208连通；

溶氧增强装置208，包括：依次设于供气管路213上的电磁阀A209、气压调节阀210以及流量计211。供气压力由所述气压调节阀210手动设定，电磁阀A209、流量计211均与电气控制系统连接，电气控制系统按照参数设定，控制营养液中的溶解氧浓度。

蓄液池207中的营养液经成分调节和增氧后，经由输液泵204加压后，通过营养液输送管路201送入营养液槽205。营养液槽205中的废液，受压流入营养液收集管路206，再流回蓄液池207，从而完成了营养液的循环流动。

气体循环装置3包括：依次设于供气主管路上的电磁阀C301调速阀302、流量计303以及多个供气支路；供气主管路输入端与二氧化碳气源连接，每个供气支路对应营养液槽205布置，供气支路的排气口布设于营养液槽205侧上方，面向作物的方向；

气体流速由所述调速阀302手动设定，电磁阀C301和流量计303均与电气控制系统连接，电气控制系统按照参数设定，控制二氧化碳的供给量和循环周期。

人造光源装置4，为一组可独立调节亮度的红色、蓝色可见光LED灯。电气控制系统按照参数设定，通过PWM方式分区调节LED灯的电压，动态调节红、蓝光的光强以及配比，以满足不同类别作物，或作物在不同生长阶段的需要。

多层穿梭车5可在栽培架1上往复移动，以先入后出的方式，将栽培板10在接驳位和营养液槽205上指定的栽培位之间往复搬运，从而实现栽培板10的上架或下架流程；

提升机3一侧与栽培架1接驳，另一侧与移载车7接驳，提升机6作为栽培架,1和移载车7间转运的中间设备，其搬运对象包括栽培板10和多层穿梭车5，可实现沿垂直方向的搬运。提升机上布置有伸缩式货叉装置，货叉可作为装载机构从接驳位取、放栽培板10；也可作为多层穿梭车5的行走轨道，用于接驳多层穿梭车5驶入或驶出提升机6的载货台。

移载车7与提升机6、间苗移栽工位、采收工位接驳，实现栽培板10或多层穿梭车5沿水平方向的搬运。移载车7上布置有皮带输送机，可用于栽培板10的装载和卸载。移载车7同时布置有多层穿梭车5的行走轨道,用于接驳多层穿梭车5驶入或驶出。

图3为本发明的多层穿梭车5结构示意图，由穿梭车行走装置501、抬升装置502、救援装置503、车载控制器504组成。

穿梭车行走装置501，由车体两侧对称布置的4个行走轮驱动，4个行走轮均为主动轮，通过同步带牵引实现四轮同步驱动。车体一侧的行走轮上有轮缘，嵌入栽培架1的轨道导槽中，在穿梭车行走过程中起导向作用。其行走认址反馈包括车载激光测距仪和编码器，前者用于基于环境定位基准的绝对位置全闭环定位，后者用于在环境定位基准缺失条件下的半闭环定位和速度环控制。根据车载控制器504下达的控制指令，穿梭车行走装置501驱动车体在栽培架1的轨道上水平移动和定位，完成栽培板10沿穿梭车行走方向的堆栈式上架和下架；

抬升装置502，由车体两侧对称布置的两组偏心机构驱动。根据车载控制器504下达的控制指令，抬升装置502抬起或放下栽培板10，以完成栽培板10的装载或卸载作业；

救援装置503，由车体前后两端分别对称布置的对接钩和对接槽组成。该装置用于搭接另一车体并相互牵引，以实现车体的应急救援作业。当某台穿梭车因故障无法自动运行时，另外一台穿梭车根据车载控制器504下达的控制指令，进入其所在层与其搭接并牵引拖动，以实现应急救援；

车载控制器504负责多层穿梭车5的运动控制和逻辑控制，实现车体在栽培架上的移动，栽培板10的搬运，以及应急救援作业控制。

图4为本发明的提升机结构示意图，提升机6为往复式提升机，由电气控制系统及其控制的提升装置601、平移装置602、货叉装置603、保护装置A604、营养液收集装置A605组成。

如图5,所述提升装置601为同步带牵引机，提升装置601上设有载货台606，提升装置601用于牵引载货台606升降；

所述提升装置601是双立柱结构，两侧立柱分别对称布置一组同步带607。载货台606由其两侧的同步带607同步牵引升降。在载货台606两侧，沿载货台606机架上、下方各布置一组导向轮608，一组导向轮608包括1个水平纵向导向轮，2个水平横向导向轮。其中，水平横向导向轮滚动面与立柱前后侧壁相抵，水平纵向导向轮滚动面与立柱的外侧壁相抵，在载货台606提升过程中起限制载货台606在水平横向、水平纵向的晃动，以及防倾斜作用。提升装置601使用激光测距仪和提升电机编码器做认址反馈，激光测距仪安装于提升机6上横梁上，反光板安装于载货台606上方，两者配合用于基于环境定位基准的绝对位置全闭环定位。根据电气控制系统下达的控制指令，载货台606被垂直提升至指定高度，既可与一侧栽培架1接驳，又可与另一侧的移载车7接驳，用于装载和卸载栽培板10或多层穿梭车5。

与栽培架1接驳时，根据搬运对象的不同，其定位高度也不同。当搬运栽培板10时，按照目标营养液槽205对应的装载高度和卸载高度进行定位；当转运多层穿梭车5时，按照目标栽培架1的行走轨道高度进行定位。

与移载车7接驳时，根据搬运对象的不同，其定位高度也不同。当搬运栽培板10时，按照移载车7输送装置702对应的装载高度和卸载高度进行定位；当转运多层穿梭车5时，按照移载车7的行走轨道高度进行定位。

所述平移装置602，设于载货台606上，由滑台609、直线模组610组成。直线模组610由伺服电机驱动，通过同步带带动滑台609水平移动。根据电气控制系统下达的控制指令，滑台609可在两排栽培架1间水平移动，并选择与其中一排接驳。即一台提升机6可同时兼顾相邻两排栽培架1的搬运作业。该设计显著提升了提升机6的利用率，同时提高了多层穿梭车5在相邻两排栽培架1间的转运效率。

货叉装置603，设于滑台609上，为三层叉板结构，包括：内叉板、中叉板以及外叉板；

内叉板固设于平移装置602的滑台609上，中叉板两端设有同步带轮，内叉板两侧各固接一条同步带，绕经中叉板同步带轮后，与外叉板同侧固接；

所述中叉板的下表面为齿条形式，与齿形带啮合；齿形带由电机拖动，当齿形带运行时，推动中叉板伸缩，进而通过同步带拉动外叉板实现伸缩运行；

外叉板上平面为指叉形式，指叉内侧沿货叉伸缩方向的两侧对称设有定位销。在栽培板10搬运过程中，定位销插入栽培板10上的定位孔中，用于克服作物与营养液间的移动阻力，并限制栽培板10与指叉间的相对滑动。

外叉板外侧平面作为多层穿梭车5的行走轨道，轨道内侧开设有导槽，与栽培架1的轨道导槽对接，可为多层穿梭车5驶入、驶出载货台提供导向作用。根据电气控制系统下达的控制指令，货叉装置603可沿栽培架1深度方向伸缩，既可与一侧栽培架1接驳，又可与另一侧的移载车7接驳，用于搬运栽培板10或多层穿梭车5。

根据搬运对象的不同，货叉伸缩距离也不同。当搬运栽培板10时，按照栽培板10装卸的深度进行定位；当转运多层穿梭车5时，按照与栽培架1行走轨道的对接距离进行定位。

保护装置A604，用于防止多层穿梭车5坠落。包括栽培架1和载货台606上的限位保护装置。

栽培架1上的限位保护装置，为机械翻转式限位缓冲器，设置于与提升机6接驳侧的栽培架1行走轨道末端，以保证多层穿梭车5在栽培架1上的作业安全。当转运多层穿梭车5时，与目标栽培架1行走轨道平层接驳，货叉装置603伸出的过程中触发翻转装置，限位缓冲器翻转并收回至行走轨道平面以下；当货叉装置603收回时，装置的复位弹簧推动限位缓冲器伸出。

载货台606上的限位保护装置，为电控式限位缓冲器，且分别设于所述货叉装置603两侧的上部。当转运多层穿梭车5时，同侧的限位缓冲器收回。当多层穿梭车5完全驶入载货台606后，两侧的限位缓冲器伸出，以保证提升机6提升运行时，多层穿梭车5没有坠落或碰撞风险。

当货叉装置603由两侧装卸栽培板10时，作物根系上的营养液容易飞溅或滴落，造成设备和环境污染。所述营养液收集装置A605用于收集、储存并回收滴落的营养液。该装置有两个，分别设于平移装置602沿滑台609移动方向的两侧，包括：驱动电机、翻转式导流板、储液箱以及排液阀。所述驱动电机的输出端与翻转式导流板固接；所述驱动电机与电气控制系统连接，以驱动翻转式导流板转动翻出后收集滴落的营养液。所述储液箱设于提升装置601下方，所述储液箱底部设有排液阀。

在货叉装置603伸出前，导流板翻出；在货叉装置603收回后，导流板收回。

当货叉装置603伸缩一定次数后，电气控制系统控制载货台606降至低位并打开排液阀，将废液排入下方的营养液收集管路206中，直至排干储液箱。

图6为本发明的移载车结构示意图，移载车7为往复式直线轨道穿梭车，包括：由电气控制系统控制的行走装置701、输送装置702、保护装置B703、营养液收集装置B704。

如图7,所述行走装置701为同步带牵引机，由行走轮705、移载车导向轮706、移载车同步带707组成。行走电机在地面机架上固定安装，通过移载车同步带707牵引移载车7车体。车体两侧对称布置了2对行走轮705和2对移载车导向轮706，其中，行走轮705为随动轮，在辊道上运行。移载车导向轮706布置于行走轨道下方的凹槽中，并与凹槽的侧壁相抵，在行走过程中起导向作用。行走装置701的认址反馈包括固定安装的激光测距仪和行走电机编码器，激光测距仪安装于移载车7行走轨道的末端，反光板安装于移载车7车体上，两者配合实现基于环境定位基准的绝对位置全闭环定位。根据电气控制系统下达的控制指令，车体水平移动至指定位置，可与提升机6、间苗移栽工位、采收工位接驳，搬运栽培板10或多层穿梭车5。

输送装置702是窄皮带输送机，当移载车7与间苗移栽工位、采收工位接驳时，工位输送机与输送装置702同向运行，以实现对栽培板10的输送。

移载车7车体两侧对称设置一节行走轨道708，轨道内侧开设有导槽，用于接驳多层穿梭车5驶入驶出。

所述保护装置B703为机械翻转式限位缓冲器，设于移载车7与提升机6接驳一侧，以防止多层穿梭车5坠落；当转运多层穿梭车5时，提升机6的货叉装置603与行走轨道708平层接驳，货叉装置603伸出的过程中触发翻转装置，限位缓冲器翻转并收回至行走轨道708平面以下；当货叉装置603收回时，装置的复位弹簧推动限位缓冲器伸出。

所述营养液收集装置B704设于移载车7车体底部，用于收集、储存并回收滴落的废液。该装置由储液槽、排液管组成。所述储液槽底部设有排液管，储液槽收集的废液随时经排液管排入沿行走轨道布置的营养液收集管路206中。

本发明提出的立体密集栽植系统，通过栽培板10的堆栈式上架、下架作业，实现了作物全生命周期可控的密集栽植，即从栽培、间苗、采收的全流程智能化、无人化、工厂化生产。

本系统通过综合运用立体栽植区域动态规划、营养液分区输送、人造光源分区调节等方法，实现了不同种类或不同成长期的作物分层栽植。进而实现了定制化生产、多元化栽植。

本系统通过多层穿梭车5的动态分配和灵活转运，实现了柔性化生产的功能，同时提高了设备利用率和可维护性。

本发明上架流程包括以下步骤：

(1)电气控制系统根据上位机下达的任务指令，控制移载车7水平移动并与间苗移栽工位接驳。移载车7和间苗移栽工位的输送机同向运行，栽培板10被送入移载车7。然后，移载车7水平搬运栽培板10并与目标提升机6接驳。

(2)电气控制系统根据上位机下达的任务指令，控制提升机6首先使用货叉从移载车7上取回栽培板10，再垂直提升并与栽培架1目标层接驳。提升机(6)使用货叉将栽培板10放置在栽培架1目标层的接驳位上。

(3)上位机依据先入后出(LIFO)的原则，按照栽培架1深度方向由远及近地分配目标栽培位。电气控制系统根据上位机下达的任务指令，控制穿梭车行走至接驳位装载栽培板10，然后行走至目标栽培位卸载栽培板10。

在间苗或采收作业时，需执行下架流程，下架流程为上架的逆序过程。

转运多层穿梭车5可分为在栽培架1层间转运和架间转运两种类型。

层间转运作业：当多层穿梭车5需要在同一或相邻栽培架1的不同层执行搬运作业，通过提升机6转运。

架间转运作业：当多层穿梭车5需要在不同的栽培架1间执行搬运作业或救援作业，提升机6和移载车7共同参与转运。

所述架间转运作业流程包括以下步骤：

1)由上位机确定起始架和起始层多层穿梭车5起始所在的栽培架1架号、层号、目标架和目标层多层穿梭车5目标到达的栽培架1架号、层号；

2)电气控制系统根据上位机下达的任务指令，控制起始架提升机6垂直提升并与栽培架1起始层的轨道高度齐平，然后货叉装置603伸出，触发栽培架1起始层的限位缓冲器翻转收回，并与轨道对接。

3)根据上位机下达的任务指令，多层穿梭车5首先驶入起始架提升机6的载货台606，起始架提升机6再收回货叉。

4)电气控制系统根据上位机下达的任务指令，同时控制起始架提升机6和移载车7移动至栽培架1起始架接驳位，多层穿梭车5由起始架提升机6驶入移载车7。

5)电气控制系统根据上位机下达的任务指令，同时控制目标架提升机6和移载车7移动至栽培架1目标架接驳位，多层穿梭车5由移载车7驶入目标架提升机6。

6)电气控制系统根据上位机下达的任务指令，控制目标架提升机6垂直提升并与栽培架1的轨道高度齐平，然后货叉装置603伸出，触发栽培架1目标层的限位缓冲器翻转收回，并与轨道对接。

7)根据上位机下达的任务指令，多层穿梭车5首先驶入栽培架1目标层轨道，目标架提升机6再收回货叉装置603。

所述层间转运作业中起始架提升机6和目标架提升机6为同一台设备，转运流程为执行步骤1)～3)和步骤6)～7)。

以上，对本发明提出的一种适用于植物工厂的自动化立体密集栽植系统，及其实施例进行了详细介绍。本领域技术人员在本发明上做出的变型或延伸也属于本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种适用于植物工厂的自动化立体密集栽植系统，其特征在于，包括：电气控制系统、栽培架(1)、设于栽培架(1)上的营养液循环装置(2)、气体循环装置(3)、人造光源装置(4)、以及栽培架(1)的外围搬运设备；

所述外围搬运设备，包括：多层穿梭车(5)、提升机(6)、移载车(7)；

所述电气控制系统分别与营养液循环装置(2)、气体循环装置(3)、人造光源装置(4)、多层穿梭车(5)、提升机(6)及移载车(7)连接。

2.根据权利要求1所述的一种适用于植物工厂的自动化立体密集栽植系统，其特征在于，所述栽培架(1)为多层横梁式架体；且设有多个；相邻两个栽培架(1)相互连接，共用一台多层穿梭车(5)和一台提升机(6)。

3.根据权利要求1所述的一种适用于植物工厂的自动化立体密集栽植系统，其特征在于，所述营养液循环装置(2)，包括：营养液输送管路(201)、营养液槽(205)、营养液收集管路(206)、蓄液池(207)、溶氧增强装置(208)；

其中，每层栽培架(1)的中部均设有连通式的营养液槽(205)；

所述蓄液池(207)依次通过营养液输送管路(201)、并联的多条营养液输送支路、连入至营养液槽(205)的后端底部；

所述营养液输送管路(201)上依次设有输液泵(204)、压力调节阀(203)以及流量计(202)，所述多条营养液输送支路上分别设有电磁阀B(212)；

在压力调节阀(203)与输液泵(204)之间的营养液输送管路(201)上还安装有安全泄压阀和手动阀门；

每个所述营养液槽(205)前端侧壁均连有营养液收集支路，以限定营养液槽(205)的液位高度，当液位高于营养液收集支路时，将营养液通过营养液收集管路(206)回流至蓄液池(207)内；所述营养液收集管路(206)上还设有手动阀门；

输液压力由所述压力调节阀(203)手动设定，所述输液泵(204)、流量计(202)、电磁阀B(212)均与电气控制系统连接，电气控制系统按照参数设定，控制营养液的分区供给量和循环周期；

所述溶氧增强装置(208)，包括：依次设于供气管路(213)上的电磁阀A(209)、气压调节阀(210)以及流量计(211)；

溶氧增强装置(208)其输入端与气源连接，输出端连入蓄液池(207)底部；供气压力由所述气压调节阀(210)手动设定，电磁阀A(209)、流量计(211)均与电气控制系统连接，电气控制系统按照参数设定，控制营养液中的溶解氧浓度。

4.根据权利要求1所述的一种适用于植物工厂的自动化立体密集栽植系统，其特征在于，所述气体循环装置(3)包括：依次设于供气主管路上的电磁阀C(301)、调速阀(302)、流量计(303)以及多个供气支路；供气主管路输入端与二氧化碳气源连接，每个供气支路对应营养液槽(205)布置，供气支路的排气口布设于营养液槽(205)侧上方；

气体流速由所述调速阀(302)手动设定，所述电磁阀C(301)和流量计(303)均与电气控制系统连接，电气控制系统按照参数设定，控制二氧化碳的供给量和循环周期。

5.根据权利要求1所述的一种适用于植物工厂的自动化立体密集栽植系统，其特征在于，在每层营养液槽(205)的上方，以及顶层的栽培架(1)的底部，沿营养液槽(205)的延伸方向密集设置多个人造光源装置(4)；多个所述人造光源装置(4)均与电气控制系统连接；

所述人造光源装置(4)为LED灯，电气控制系统按照参数设定，通过PWM方式分区调节LED灯的电压，动态调节红、蓝光的光强以及配比，以满足不同类别作物，或作物在不同生长阶段的需要。

6.根据权利要求1所述的一种适用于植物工厂的自动化立体密集栽植系统，其特征在于，所述多层穿梭车(5)可在每层栽培架(1)上平层移动，包括：救援装置(503)、车载控制器(504)及其连接的穿梭车行走装置(501)、抬升装置(502)；

所述穿梭车行走装置(501)为皮带传动机构，用于驱动多层穿梭车(5)前进或后退；

抬升装置(502)有两个，且对称设于穿梭车车体两侧，用于装载或卸载栽培板(10)；

救援装置(503)由车体前后两端分别对称布置的对接钩和对接槽组成，用于搭接另一车体并相互牵引，以实现车体的应急救援作业；

所述车载控制器(504)设于穿梭车车体内；所述车载控制器(504)由上位机控制指令控制运行。

7.根据权利要求1所述的一种适用于植物工厂的自动化立体密集栽植系统，其特征在于，所述提升机(6)为往复式提升机，包括：与电气控制系统连接的提升装置(601)、平移装置(602)、货叉装置(603)、保护装置A(604)、营养液收集装置A(605)；

所述提升装置(601)为同步带牵引机，提升装置(601)上设有载货台(606)，提升装置(601)用于牵引载货台(606)升降；

所述平移装置(602)为直线滑台模组，且设于载货台(606)上，平移装置(602)的滑台(609)上设有货叉装置(603)，货叉装置(603)两侧设有保护装置A(604)；

所述货叉装置(603)为三层叉板结构，包括：内叉板、中叉板以及外叉板；

所述内叉板固设于平移装置(602)的滑台(609)上，中叉板两端设有同步带轮，内叉板两侧各固接一条同步带，绕经中叉板同步带轮后，与外叉板同侧固接；

所述中叉板的下表面为齿条形式，与齿形带啮合；齿形带由电机拖动，当齿形带运行时，推动中叉板伸缩，进而通过同步带拉动外叉板实现伸缩运行；

所述外叉板上平面为指叉形式，指叉内侧沿货叉伸缩方向的两侧对称设有定位销，在栽培板(10)搬运过程中，限制栽培板(10)与指叉间的相对滑动；

所述外叉板的外侧平面作为多层穿梭车(5)的行走轨道，轨道内侧开设有导槽；

所述保护装置A(604)有多个，为电控式限位缓冲器，且分别设于所述货叉装置(603)两侧的上部；

所述营养液收集装置A(605)有两个，分别设于平移装置(602)沿滑台(609)移动方向的两侧，包括：驱动电机、翻转式导流板、储液箱以及排液阀；

所述驱动电机的输出端与翻转式导流板固接；所述驱动电机与电气控制系统连接，以驱动翻转式导流板转动翻出后收集滴落的营养液；

所述储液箱设于提升装置(601)下方，所述储液箱底部设有排液阀。

8.根据权利要求1所述的一种适用于植物工厂的自动化立体密集栽植系统，其特征在于，所述移载车(7)为往复式穿梭车，包括：与电气控制系统连接的行走装置(701)、输送装置(702)、保护装置B(703)、营养液收集装置B(704)；

所述行走装置(701)为同步带牵引机，以牵引移载车(7)车体沿轨道行走；

所述输送装置(702)为皮带输送机，以实现对栽培板(10)的输送；

所述保护装置B(703)为机械翻转式限位缓冲器，设于移载车(7)与提升机(6)接驳一侧，以防止多层穿梭车(5)坠落；

所述营养液收集装置B(704)，设于移载车(7)车体底部，包括储液槽、排液管；

所述储液槽底部设有排液管，用于收集、回收滴落的废液。

9.根据权利要求1-8任一项所述的一种适用于植物工厂的自动化立体密集栽植系统的控制方法，其特征在于，栽培板(10)上、下架流程包括以下步骤：

1)电气控制系统根据上位机下达的任务指令，控制移载车(7)水平移动并与间苗移栽工位(8)接驳；移载车(7)的输送装置(702)和间苗移栽工位(8)的输送机同向运行，栽培板(10)被送入移载车(7)上；移载车(7)水平搬运栽培板(10)并与目标提升机(6)接驳；

2)电气控制系统根据上位机下达的任务指令，控制提升机(6)通过货叉装置(603)从移载车(7)上取回栽培板(10)，垂直提升并与栽培架(1)目标层接驳；提升机(6)通过货叉装置(603)将栽培板(10)放置在栽培架(1)目标层的接驳位上；

3)上位机依据LIFO原则，按照栽培架(1)深度方向由远及近地分配目标栽培位，电气控制系统根据上位机下达的任务指令，控制穿梭车(5)行走至接驳位装载栽培板(10)，转运多层穿梭车(5)行走至目标栽培位卸载栽培板(10)。

10.根据权利要求9所述的一种适用于植物工厂的自动化立体密集栽植系统的控制方法，其特征在于，转运多层穿梭车(5)包括两种作业形式：

1)层间转运作业：当多层穿梭车(5)需要在同一或相邻栽培架(1)的不同层执行搬运作业，通过提升机(6)转运；

2)架间转运作业：当多层穿梭车(5)需要在不同的栽培架(1)间执行搬运作业或救援作业，提升机(6)和移载车(7)共同参与转运；

所述架间转运作业，包括以下步骤：

1)由上位机确定起始架和起始层、目标架和目标层；

2)电气控制系统根据上位机下达的任务指令，控制起始架提升机(6)垂直提升并与栽培架(1)起始层的轨道高度齐平，然后货叉装置(603)伸出，触发栽培架(1)的限位缓冲器翻转收回，同时与起始层轨道对接；

3)根据上位机下达的任务指令，多层穿梭车(5)首先驶入起始架提升机(6)的载货台(606)，起始架提升机(6)再收回货叉装置(603)；

4)电气控制系统根据上位机下达的任务指令，同时控制起始架提升机(6)和移载车(7)移动至栽培架(1)起始架接驳位，多层穿梭车(5)由起始架提升机(6)驶入移载车(7)；

5)电气控制系统根据上位机下达的任务指令，同时控制目标架提升机(6)和移载车(7)移动至栽培架(1)目标架接驳位，多层穿梭车(5)由移载车(7)驶入目标架提升机(6)；

6)电气控制系统根据上位机下达的任务指令，控制目标架提升机(6)垂直提升并与栽培架(1)的轨道高度齐平，然后货叉装置(603)伸出，触发栽培架(1)目标层的限位缓冲器翻转收回，同时与轨道对接；

7)根据上位机下达的任务指令，多层穿梭车(5)首先驶入栽培架(1)目标层轨道，目标架提升机(6)再收回装置(603)；

所述层间转运作业中起始架提升机(6)和目标架提升机(6)为同一台设备，转运流程为执行步骤1)～3)和步骤6)～7)。

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