王哲禄，程向娇，尤文生

(温州职业技术学院，浙江温州 325035)

蔬菜嫁接机是由机电工程技术、自动化技术、蔬菜农艺技术相结合而产生的设施农业装置。自动嫁接机能取代人的手工作业，用机械臂快速地完成夹取、切削和接合动作，实现砧木和接穗的嫁接动作，而且嫁接速度快、成活率高。在农业设施比较发达的地区和国家，自动嫁接机具有广阔的市场应用前景[1-4]。

日本、韩国较早开发了嫁接机，嫁接自动化程度较高，相应的装备已经在企业得到了推广应用。在中国自动嫁接机的研究主要是由中国农业大学、华南农业大学等高校率先进行，目前已先后开发出了2JSZ-600、2JC-350等样机，但是主要还是半自动化状态，靠人工上苗。笔者以蔬菜嫁接机自动上苗为研究对象，采用机器视觉采集、提取嫁接苗的参数特征，引导机械臂进行嫁接苗的抓取实现自动上苗，有利于提高蔬菜嫁接自动化水平[5-8]。

1 系统构成工作原理

典型的蔬菜嫁接机自动上苗装置的工作过程如图1所示，假设穴盘有3株苗，如a、b和c，依次按照顺序进行自动取苗和上苗[9-10]。基于视觉的自动上苗控制系统的要求是在满足嫁接苗木农艺参数的条件下，进行筛选配对取苗和上苗。系统设计要求如下：依靠视觉进行嫁接苗定位、子叶方向识别等，并通过视觉软件分析测量嫁接苗苗径，实现配对上苗嫁接，提高嫁接效率和成活率。

图1 典型自动上苗工作路径Fig.1 Typical automatic seedling working path

蔬菜嫁接机自动上苗控制系统由视觉采集模块、图像处理模块和运动控制模块组成，系统总体框架如图2所示。视觉采集模块包括光源控制、工业相机、镜头和光源；图像处理模块包括PC工控机、图像处理软件；运动控制模块包括主控软件、PLC、机械臂和取苗手爪等。其主要的工作原理是工业相机分别采集砧木和接穗穴盘苗的参数信息，将图像数据传递给PC工控机中图像软件进行图像处理，计算机将图像处理的数据结果传递给PLC，经过数据处理引导机械臂进行嫁接苗的配对筛选和劣质苗的筛选剔除。

图2 系统总体框架Fig.2 General framework of the system

2 自动上苗控制系统设计

2.1机器视觉采集系统的构建控制系统中机器视觉采集系统主要采用双目视觉，即穴盘苗上端和前端采集，如图3所示分别对砧木和接穗进行视觉采集，嫁接苗上端相机主要采集苗木俯视图像进行嫁接苗有无及子叶方向的判别，前端相机主要采集嫁接苗株高和苗径信息。

图3 机器视觉采集系统构建Fig.3 The construction of machine vision acquisition system

由于葫芦苗和西瓜苗的截面形状并非圆形而是椭圆形，如图4所示，因此摄像头采集实测投影(A)和子叶角度(β)，将测得的数据进行分析求得长轴(Dl)和短轴(DS)的值，为此需建立数学模型还原嫁接苗长轴和短轴的真实值。

F(x，y)为椭圆逆时针转过角β后苗茎椭圆曲线上任意一点，F′(x′,y′)为F点在原X0Y坐标中的值，于是F′(x′,y′)和F(x，y)可建立以下参数关系

图4 嫁接苗截面轮廓Fig.4 Grafted seedling cross-section profile

(1)

设椭圆方程为：

(2)

(3)

将式(1)代入式(2)，同时由图4所示的几何关系映射出的值A是椭圆轮廓的2条切线，因此x的解唯一，求得：

(4)

根据椭圆长轴、短轴和椭圆率之间的关系得到长轴(Dl)和短轴(DS)的数值。

Dl=

(5)

DS=ρDl

(6)

式(5)、(6)即为已知量实测投影距离(A)、子叶旋转角(β)和苗茎椭圆率(ρ)与未知量长轴(Dl)和短轴(DS)之间的数学模型，通过以上数据构建视觉采集系统的参数，同时西瓜苗与葫芦苗检测时只需改变预置的椭圆率值即可求得苗茎长轴(Dl)和短轴(DS)的数值。

2.2PLC控制系统的设计自动上苗控制系统硬件的组成主要包括LED光源、工业相机、镜头、PC工控机、FX3U系列PLC、机械臂、末端执行器和位置传感器等。其中视觉和PLC主要的硬件选型：恒新科技公司HX-U300系列的CMOS彩色相机、镜头焦距6～10 mm；PLC选择三菱FX3U-48MT PLC带晶体管进行伺服机械手控制。

PLC控制系统是蔬菜嫁接机自动上苗装置控制系统的核心，首先按照自动上苗的动作任务分解和农艺要求，制定自动上苗系统的控制方案和控制方式，并进行相关参数的设定，按照视觉检测和农艺要求完成控制任务。整个PLC系统控制包括图像采集和PLC机械手取苗动作，控制流程如图5所示。首先，机器视觉摄影头采集嫁接苗前视图和俯视图，然后进行图像处理，获取前视直径(D)和旋转角(β)，计算砧木和接穗椭圆长短轴值。经过计算机进行砧木和接穗匹配，获取配对苗木位置信息，发出信息进行取苗，机械手完成取苗动作，对不合格苗木进行筛选处理。

图5 PLC系统控制流程Fig.5 PLC system control flow chart

2.3人机界面的设计为了使嫁接机自动上苗的操作更为直观、方便，控制系统的人机界面采用VS2016环境下设计的机器视觉软件系统界面，该系统主要包括图像的采集、图像处理和计算结果3个功能。系统界面包括接穗砧木2个实时画面窗口，以及采集的砧木和接穗经计算处理得到的2组苗径参数窗口，并创建采集、确定、配对和上苗4个功能(图6)。主视图摄像头实时显示接穗和砧木的前视图监控画面，计算机根据前方信号采集图片进行处理，根据实测投影(A)和子叶角度(β)进行苗径的计算，并进行配对上苗给下位机PLC指导机械手进行取苗。同时软件以.txt文本的格式保留处理结果，如苗茎数据、植株高度、子叶展开角等信息，以便试验后的统计分析。

图6 机器视觉苗径采集系统Fig.6 Machine vision seedling diameter acquisition system

3 系统验证试验

为了测试视觉系统和上苗控制系统的功能特性，选用5×10穴盘对接穗和砧木进行培育，其中接穗采用京欣1号，砧木采用浙蒲2号，并对穴盘苗人工尺寸参数进行测量(图7)和自动上苗控制系统进行上苗的控制(图8)。

图7 嫁接苗参数的测量Fig.7 Measurement of grafting seedling parameters

图8 自动取苗机械手Fig.8 Automatic seedling extraction manipulator

4 结论

该系统以VS2016环境下设计的机器视觉软件系统界面为上位机、三菱FX3U-48MT PLC为下位机，利用机器视觉采集嫁接苗的参数信息进行图像处理，引导PLC完成机械手进行取苗控制。研究结果证明，该系统视觉检测能引导机械进行上苗动作，且砧木、接穗椭圆长轴和人工检测长轴的误差率大概在6.9%和6.6%，自动上苗控制系统工作速度稳定，可满足农艺设计的要求。