一种基于编码器闭环控制的智能甘蔗预切种机

1.本实用新型涉及甘蔗预切种设备领域，尤其涉及一种基于编码器闭环控制的智能甘蔗预切种机。


背景技术：

2.食糖作为我国重要的糖料生产原料，90％来源于蔗糖。因此，甘蔗的生产力直接关系到我国糖类的供给能力。传统的甘蔗种植过程基本由人工完成，自动化程度很低，所耗费的人力物力很大，种植效率低。在种植过程中，蔗种的供给是极为关键的一部分，若供种不足或蔗芽破损过多，不仅会在种植阶段产生不良影响，还会影响发芽率和产量。目前，我国甘蔗的种植方式为主要是实时切种种植方式，其主要方法是在种植时通过人工将蔗种送入切割机器中切成等长段状，该方法容易损伤蔗芽，同时没有对切口进行处理，伤口易感染，降低发芽率。预切种式种植方法是将蔗种预先切割为段状后，用消毒药水浸泡进行消毒杀菌后再进行种植。预切种方法减少了蔗种切口的感染率，大大提高了发芽率，因此具有良好的应用价值。然而目前我国蔗种切种过程基本采用人工或半机械方式，人工切种不精准，切口不平整，成本高且效率低；半自动化切种的弊端在于采用定长切割，没有识别蔗节和避芽功能，因此伤芽率较高；其中发明专利“一种基于图像识别的横向甘蔗预切种机”(专利号：zl2017 2 0642807.4)虽然具有蔗节识别功能和定位切割功能，很大程度上提高了预切种的效率，但存在切刀切种后需要回到初始位置的“回零”状态才能进行下一次的切种工作，切种效率仍可进一步提高。对比人工切种，半机械化切种在效率上虽然有一定的提高，但对于大规模种植，依然不能满足蔗种量需求。因此，提供一种高效智能化甘蔗预切种机，对降低甘蔗种植成本、减少人工劳动强度、提高切种效率及提高我国蔗糖国际竞争力具有及其重要的意义。
3.目前，我国甘蔗种植方式主要为实时切种种植方式，其主要方法是在种植时直接将蔗种切成等长段状，该方法容易损伤蔗芽，同时没有对切口进行处理，容易使伤口感染，降低发芽率。预切种式种植方法，是将蔗种预先切割为段状后，用消毒药水浸泡进行消毒杀菌。预切种方法减少了蔗种切口的感染率，大大提高了发芽率，因此具有良好的应用价值。然而目前我国蔗种切种过程基本采用人工或半机械方式，人工切种不精准，切口不平整，成本高且效率低；半机械化切种的弊端在于采用定长切割，没有识别蔗节和避芽功能，因此伤芽率较高；其中发明专利“一种基于图像识别的横向甘蔗预切种机”(专利号：zl2017 2 0642807.4)虽然具有蔗节识别功能和定位切割功能，很大程度上提高了预切种的效率，但存在切刀切种后需要回到初始位置的“回零”状态才能进行下一次的切种工作，切种效率仍可进一步提高。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的在于提供一种基于编码器闭环控制的智能甘蔗预切种机，解决背景技术汇总提到的技术问题。
5.在甘蔗切种时可以准确快速规划出6把切刀同时行走的路径，完成蔗种切割动作，很大程度上提高切种机的切种效率，同时减少人工的劳动强度和甘蔗种植成本。
6.为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：
7.一种基于编码器闭环控制的智能甘蔗预切种机，包括甘蔗分拣传送装置、图像采集装置、切种平台和液压站，甘蔗分拣传送装置包括分拣机构和传送链，传送链设置在分拣机构的输出端，图像采集装置设置在传送链的上方，切种平台设置在传送链的输出端，液压站设置在切种平台的侧边。
8.进一步地，分拣机构包括传送槽、二级耙和分拣直流电机，二级耙可旋转横跨在传送槽上，分拣直流电机与二级耙转动连接。
9.进一步地，图像采集装置包括黑箱、摄像头和白炽灯，黑箱横跨设在传送链上，白炽灯设置在黑箱的内部，摄像头设置在黑箱内部的正上方。
10.进一步地，切种平台包括切割台支架、平行导轨和若干个切割台，平行导轨设置在切割台支架上，切割台可移动设置在平行导轨上。
11.进一步地，切割台包括步进电机、连接板、联轴器、编码器、行星减速器、平行滑块、刀片、甘蔗凹槽、液压缸、位置连接钢板、传动齿轮和钢管，位置连接钢板固定在钢管上，平行滑块设置在钢管的两端底部，步进电机固定在位置连接钢板的底部，编码器通过联轴器与步进电机连接，连接板固定在步进电机与编码器，行星减速器与步进电机的转轴连接，传动齿轮与行星减速器连接，液压缸设置在位置连接钢板的顶端，刀片设置在液压缸的前端，甘蔗凹槽设置在与刀片相对位置，并固定在钢管上。
12.进一步地，甘蔗凹槽的侧边设置有塑料软管，液压站与液压缸之间设置有换向阀。
13.本实用新型由于采用了上述技术方案，具有以下有益效果：
14.(1)本实用新型基于编码器闭环控制的的智能化甘蔗预切种机，以编码器为切刀绝对位置检测机构，将切刀的实时位置反馈到控制中心，识别出可切位置并计算出应切位置，结合编码器反馈的切刀所在位置，规划出一条多把切刀同时移动的最优路径，进一步由光电传感器检测甘蔗是否到达指定位置，以此使控制单元发出切刀调节信号进行切刀位置调节，切刀调节完成后则由控制单元向液压系统发出信号，驱动液压缸使切刀产生推力进行甘蔗切割动作，最后由光电开关检测切割动作是否完成，从而使电磁阀换向收回切刀，用作下一次的切割准备；
15.(2)通过6个编码器与6把切刀分别对应，各编码器之间相互独立，不受彼此影响，安装方式方便可靠，检测精准度高，能降低安装条件和工作环境条件。通过闭环控制，去除了切刀“回零”过程，减少了切割台的调节时间，提高了甘蔗切种机的切种效率，在很大程度上提高了甘蔗切种机的切种速度和稳定性，同时减少了人工工作时间和劳动强度，弥补了当前农业上甘蔗切种机在速度、稳定性和自动化方面的不足，满足了其在实际应用中的需要。
附图说明
16.图1是本实用新型切种机结构示意图；
17.图2是本实用新型切种平台结构示意图；
18.图3是本实用新型切割台的结构示意图；
19.图4是本实用新型编码器与步进电机的连接结构示意图；
20.图5是本实用新型切种机立体结构示意图。
21.附图中，1-步进电机；2-连接板；3-联轴器；4-编码器；5-行星减速器；6-平行滑块；7-刀片；8-分拣机构；9-图像采集装置；10-切割台；11-液压站；12-传送链；13-甘蔗凹槽；14-液压缸；15-塑料软管；16-位置连接钢板；17-传动齿轮；18-摄像头；19-白炽灯；20-二级耙；21-第一光电传感器安装处；22-第二光电传感器安装处；23-液压管滑动挂板；24-液压管滑动板；25-换向阀；26-分拣直流电机；27-切种平台；28-平行导轨；29-切割台支架；30-第二直流电机。
具体实施方式
22.为使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举出优选实施例，对本实用新型进一步详细说明。然而，需要说明的是，说明书中列出的许多细节仅仅是为了使读者对本实用新型的一个或多个方面有一个透彻的理解，即便没有这些特定的细节也可以实现本实用新型的这些方面。
23.如图1-5所示，一种基于编码器闭环控制的智能甘蔗预切种机，包括甘蔗分拣传送装置、图像采集装置9、切种平台27和液压站11，甘蔗分拣传送装置包括分拣机构8和传送链12，传送链12设置在分拣机构8的输出端，图像采集装置9设置在传送链12的上方，切种平台27设置在传送链12的输出端，液压站11设置在切种平台27的侧边。
24.二级耙用于将整堆甘蔗分拣为单根有序的甘蔗连续输送到传送链，继而通过传送链将甘蔗输送到切种平台。甘蔗图像采集装置为安装于传送链上方的黑箱，用于采集甘蔗图像。甘蔗切种平台安装在传送链后方，通过移动6把切刀到对应位置，将甘蔗同时切断。液压站通过液压管与切割平台上的液压缸连接，为切刀完成切蔗动作提供动力。切种平台包含：6个切割台，其可以左右移动及往前切割；平行导轨，其用于切割台左右移动到指定位置；及底座，其用于安装切割台。
25.本实用新型实施例中，分拣机构8包括传送槽、二级耙20和分拣直流电机，二级耙20可旋转横跨在传送槽上，分拣直流电机与二级耙20转动连接。二级耙分拣结构，该结构由两级转动速度相同的滚耙结构组成，用于将整堆甘蔗分两次分拣出来，继而将甘蔗一根根传送到输送链；v型传送链，用于接收来自二级耙分拣出来的甘蔗，将其连续且有序地输送到切割平台。
26.本实用新型实施例中，图像采集装置9包括黑箱、摄像头18和白炽灯19，黑箱横跨设在传送链12上，白炽灯19设置在黑箱的内部，摄像头18设置在黑箱内部的正上方。黑箱，其内部安装了可调控亮度的数盏白炽灯，可用于机器在不同环境和时间段下调节亮度，使光线最适于图像采集。摄像头，其安装于黑箱顶端正中央，通过微调其位置和方向使图像采集最优化。
27.油缸，其用于储蓄液压油，为切种平台提供液压油。换向阀，其量为6个，分别对应6把切刀的液压缸，当进油方向不同时切刀运动方向也不一样。分拣传送装置，包含直流电机，其分别安装于二级耙左端及传送链下方，为二级耙和传送链提供动力。闭环控制甘蔗智能切种机，包括两个光电开关，第一光电开关用于检测甘蔗切割前是否达到指定位置，第二光电开关用于检测切割动作是否完成。
28.本实用新型实施例中，切种平台27包括切割台支架29、平行导轨28和若干个切割台10，平行导轨28设置在切割台支架29上，切割台10可移动设置在平行导轨28上。
29.本实用新型实施例中，如图2-4所示，切割台10包括步进电机1、连接板2、联轴器3、编码器4、行星减速器5、平行滑块6、刀片7、甘蔗凹槽13、液压缸14、位置连接钢板16、传动齿轮17和钢管，位置连接钢板16固定在钢管上，平行滑块6)设置在钢管的两端底部，步进电机1固定在位置连接钢板16的底部，编码器4通过联轴器3与步进电机1连接，连接板2固定在步进电机1与编码器4，行星减速器5与步进电机1的转轴连接，传动齿轮17与行星减速器5连接，液压缸14设置在位置连接钢板16的顶端，刀片7设置在液压缸14的前端，甘蔗凹槽13设置在与刀片7相对位置，并固定在钢管上。
30.编码器，用于检测切刀实时位置；步进电机，其为切种平台移动提供精准的位置；联轴器，用于连接步进电机和编码器，使编码器可以实时检测切刀的绝对位置；连接板，用于连接步进电机和编码器，使编码器和步进电机能始终保持在同一轴线上；液压缸，为切刀提供切割动力；切刀，将甘蔗切断。
31.本实用新型实施例中，甘蔗凹槽13的侧边设置有塑料软管15，液压站11与液压缸14之间设置有换向阀25。步进电机1，编码器4，二者首先通过连接板2连接，以此保证在切割台在左右运动时二者始终处于相对静止状态，再通过联轴器3连接，使得切刀7的移动距离和编码器、步进电机转动距离成对应比例。切刀的移动由切割台带动，而切割台的移动则通过齿轮17与步进电机保持比例传动，该传动由行星减速器5产生，行星减速器的作用为将步进电机的转动力矩增大后传动到齿轮，继而带动切割台，从而实现切刀的移动。在齿轮的带动下，为了保证切割台能够更加平稳移动及减少齿轮的压力，在切割台两端还加入了滑块6。切刀的切割力由液压缸14提供，液压缸进油方向决定切刀的切割方向。切割台还包括凹槽13，凹槽的好处在于能够固定甘蔗，在切割的过程种起到固定作用；因为传送装置与切种平台有一定的高度差，所以当甘蔗从传送装置下落到切种平台时，容易滑出凹槽，因此加入了塑料软管15，其材质为塑料，具有在防止甘蔗滑出凹糟的同时不伤害甘蔗表面。
32.参见附图2，包括6个切割台29，每个切割台上均有一把切刀；三根导轨28，控制中心发出指令后，电机产生脉冲，继而带动切割台，切割台的运动即由齿轮带动，在导轨上滑行。
33.参见附图1，分拣装置由甘蔗放置区和二级耙20组成，二级耙通过直流电机26带动，按设定速度转动，以此将整堆甘蔗一根根分拣出来。甘蔗分拣机构主要由传送链12和直流电机30组成，传送链为v型结构，可以防止甘蔗在传送过程中滑动，影响切割精度；传送链通过直流电机的带动，将甘蔗从分拣出来后输送到切种平台。甘蔗图像采集装置由安装于传送链上方的黑箱9和摄像头18组成，黑箱内安装了可调控亮度的白炽灯19。当甘蔗从黑箱下方经过时，摄像头不断捕捉指定区域内的甘蔗图像，将图像信息传送到图像识别系统。液压站安装在切种平台的后方，该位置与切种平台相互独立，不影响切种平台的运行。切刀的切割动作与收刀动作由液压站上的电磁阀25控制，当电磁阀接通为正向时，进行切割动作，电磁阀换向时，切刀进行收刀动作，而收刀动作则由安装在切种平台上的光电传感器22控制。
34.使用时，先将成堆甘蔗放在甘蔗分拣装置8上，在直流电机的带动下，二级耙通过转动将一堆甘蔗分拣为有序的甘蔗，再传送到甘蔗传送装置。从分拣机构出来后，甘蔗会落
于位于其下方的v型传送链上，传送链在直流电机30的带动下将甘蔗送往切种平台。将甘蔗输送到切种平台的过程中，会经过黑箱9下方，此时安装在黑箱顶部正中央的摄像头实时拍摄经过其摄影区域的甘蔗图像，将甘蔗图像发送给图像识别系统，图像识别系统识别得出甘蔗蔗节的分布信息，进一步通过计算得到切割位置，最后将切割位置数据发送到控制中心处理。本发明中，控制中心采用单片机stm32f407芯片，其一方面接收来自图像识别系统的切割位置数据，另一方面接收来自编码器的切刀绝对位置数据，通过对比上述两种数据，得到各切刀移动的相对位移，再结合减速比、齿轮转动相关比例，最后计算出控制步进电机运动的脉冲数发送给步进电机驱动器。在控制中心发出切刀移动信号后，各切割台由各自对应的步进电机带动到指定位置。当甘蔗到达切种平台时切种平台还没完成位置调节，则由安装在指定位置的光电传感器21发信号到控制中心，让其控制传送带停止输送甘蔗，待切刀位置调节完成后继续传送。甘蔗从传送链12上滑下来时，在塑料软管15的作用下，落入到凹槽13内，此时控制中心发出信号控制液压站，令其为6把切刀提供切割动力，使6把切刀同步进行切割动作，将甘蔗切断。光电传感器22感应到切割动作完成后，发信号到控制中心，再由换向阀改变油路方向，完成收刀动作。至此，一根甘蔗切割完毕，以此循环。
35.以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。