全自动移栽机穴盘苗识别与控制系统的研究
发布时间：2020-12-13 23:05
穴盘育苗移栽是我国设施蔬菜花卉生产中的主要种植方式,随着种植量的增加和劳动力成本的提高,人工移栽已无法满足生产要求,现有的移栽机械多为人工喂苗的半自动移栽机,还无法从根本上解决劳动强度大、移栽效率低、移栽精度低等问题,而我国全自动移栽机还处于探索研究阶段,存在结构复杂、移栽效率低、漏苗率高等问题,针对这些问题,本文对全自动移栽机整体结构和关键机构进行了分析和设计,研究了基于机器视觉的穴盘苗识别方法,设计了全自动移栽机控制系统。主要研究内容和研究成果如下:(1)研制穴盘苗全自动移栽机。采用机械、电子、气动技术设计送苗机构、取苗机构、取苗机械手,以及机械式喂苗机构和栽植机构,移栽机以移栽计数器的计数值为基本时序,在移栽机控制系统的控制下协调运行,可自动完成穴苗盘输送、钵苗抓取、投放和栽植等工作,移栽机采用两行工作制,包含6个机械手,机械手采取间隔取苗的方式同时运行,12次完成72孔苗盘钵苗的抓取。(2)设计机器视觉穴盘苗识别系统。系统硬件部分主要由光源、图像采集装置、工控机和RS232通讯电缆组成,系统接受移栽机控制器命令自动完成穴盘苗的识别,并把识别结果传输给控制器;软件算法部分主要由图...
【文章来源】：山东农业大学山东省
【文章页数】：119 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
1.1 课题研究背景
1.2 国内外全自动移栽机研究现状
1.2.1 国外全自动移栽机研究现状
1.2.2 国内全自动移栽机研究现状
1.2.3 机器视觉技术在移栽机上的应用
1.3 课题研究目的和意义
1.4 课题来源以及研究内容
1.5 研究方法和技术路线
2 全自动移栽机整体结构及关键机构分析
2.1 引言
2.2 全自动移栽机设计要求
2.3 全自动移栽机整体结构
2.3.1 整体结构
2.3.2 工作原理
2.3.3 移栽机动力设置
2.4 送苗机构设计及工作原理
2.4.1 送苗机构设计
2.4.2 送苗机构工作原理
2.5 取苗机构设计及工作原理
2.5.1 取苗机构设计
2.5.2 取苗机构工作原理
2.6 机械手设计及工作原理
2.6.1 机械手设计
2.6.2 机械手工作原理
2.7 横向喂苗机构
2.8 栽植机构
2.9 小结
3 穴盘苗机器视觉系统设计及图像预处理
3.1 引言
3.2 穴盘苗机器视觉系统设计
3.2.1 机器视觉技术
3.2.2 穴盘苗识别系统要求
3.2.3 系统结构原理
3.2.4 图像处理算法
3.2.5 设备选型
3.3 穴盘苗图像预处理
3.3.1 穴盘苗图像采集
3.3.2 番茄穴盘苗图像特征分析
3.3.3 试验开发环境
3.3.4 番茄穴盘苗图像预处理
3.4 数据集构建
3.4.1 训练集和测试集
3.4.2 张量
3.4.3 格式转换
3.4.4 图像像素值归一化
3.4.5 构建数据集
3.5 数据集扩充
3.5.1 图像翻转
3.5.2 图像旋转
3.5.3 添加高斯噪声
3.5.4 图像平移
3.5.5 构建扩充数据集
3.6 小结
4 基于卷积神经网络的穴盘苗图像识别
4.1 引言
4.2 卷积神经网络
4.2.1 卷积神经网络
4.2.2 卷积神经网络农业领域应用
4.2.3 卷积神经网络结构
4.2.4 卷积神经网络特性
4.2.5 卷积神经网络参数训练
4.3 卷积神经网络穴盘苗识别模型构建
4.3.1 经典LeNet-5 卷积神经网络模型
4.3.2 穴盘苗识别模型构建
4.4 卷积神经网络穴盘苗识别模型优化
4.4.1 激活函数
4.4.2 降低过拟合
4.4.3 损失函数
4.4.4 优化器函数
4.5 卷积神经网络穴盘苗识别模型训练及结果分析
4.5.1 模型训练参数设置
4.5.2 训练结果评价指标
4.5.3 ReLU训练及结果分析
4.5.4 ELU训练及结果分析
4.5.5 正则化训练及结果分析
4.5.6 扩充数据集训练及结果分析
4.5.7 训练结果总结
4.6 小结
5 送苗取苗机构运动控制算法设计
5.1 引言
5.2 送苗取苗机构初始定位控制设计
5.2.1 机构初始位置
5.2.2 初始定位控制设计
5.3 送苗机构双闭环PID运动控制算法设计
5.3.1 步进电机双闭环增量式PID控制
5.3.2 步进电机双闭环增量式PID控制仿真
5.4 取苗机构S曲线加减速控制算法设计
5.5 小结
6 全自动移栽机控制系统设计
6.1 引言
6.2 全自动移栽机控制系统要求及设计方案
6.3 机械手气动系统设计
6.3.1 气动系统原理图
6.3.2 气缸选型及工作原理
6.3.3 气缸作用力调节
6.3.4 空气压缩机选型
6.3.5 电磁阀组设计
6.3.6 气动系统其它器件选型
6.4 全自动移栽机控制系统硬件设计
6.4.1 可编程控制器选型
6.4.2 步进电机选型
6.4.3 伺服电机选型
6.4.4 旋转编码器选型
6.4.5 其他主要器件选型
6.4.6 电源设置
6.4.7 控制系统原理图
6.5 控制系统参数计算及设置
6.5.1 步进电机细分数设置
6.5.2 伺服电机电子齿轮比计算
6.5.3 伺服电机参数设置
6.5.4 HMI参数设置
6.5.5 步进电机伺服电机运行频率计算
6.6 全自动移栽机控制系统软件设计
6.6.1 编程软件
6.6.2 主程序设计
6.6.3 步进电机控制程序设计
6.6.4 伺服电机控制程序设计
6.7 全自动移栽机HMI信息监控系统设计
6.7.1 主界面
6.7.2 历史数据界面
6.7.3 报警数据界面
6.7.4 系统帮助界面
6.8 机构试验
6.8.1 送苗机构运行试验
6.8.2 取苗机构运行试验
6.8.3 机械手取苗试验
6.9 本章小结
7 结论与展望
7.1 论文工作结论
7.2 研究创新点
7.3 工作展望
参考文献
致谢
攻读博士学位期间主要成绩
【参考文献】：
期刊论文
[1]伺服电机控制技术的应用与发展[J]. 王高理. 轻工科技. 2019(02)
[2]机器视觉技术及其在机械制造自动化中应用的探讨[J]. 刘泽宇. 中国设备工程. 2019(01)
[3]卷积神经网络在目标检测中的应用综述[J]. 于进勇,丁鹏程,王超. 计算机科学. 2018(S2)
[4]深度学习优化算法研究[J]. 仝卫国,李敏霞,张一可. 计算机科学. 2018(S2)
[5]深度学习技术概述[J]. 张睿哲. 中国新通信. 2018(21)
[6]基于深度卷积神经网络的目标检测技术的研究进展[J]. 王慧玲,綦小龙,武港山. 计算机科学. 2018(09)
[7]机器视觉技术发展及其工业应用[J]. 王飞. 电子技术与软件工程. 2018(16)
[8]伺服电机位置检测技术综述[J]. 王淑娴,彭东林,吴治峄,唐渐鸿. 仪器仪表学报. 2018(08)
[9]国内旱地移栽机技术现状分析[J]. 陈大军,侯加林,施国英,李天华,张跃顺,常金明. 中国农机化学报. 2018(07)
[10]激活函数在卷积神经网络中的对比研究[J]. 田娟,李英祥,李彤岩. 计算机系统应用. 2018(07)
博士论文
[1]基于色彩聚类的玉米种子纯度识别算法研究[D]. 刘双喜.山东农业大学 2018
[2]基于机器视觉和仿真试验的蔬菜穴盘幼苗移栽关键技术研究[D]. 王跃勇.吉林大学 2016
[3]穴盘苗移栽机自动取喂系统的设计及试验研究[D]. 韩长杰.南京农业大学 2014
[4]基于机器视觉的钵苗分选移栽信息获取关键技术研究[D]. 杨振宇.中国农业大学 2014
[5]蔬菜穴盘苗自动移栽技术与装置的研究[D]. 金鑫.中国农业大学 2014
硕士论文
[1]穴盘苗移栽机关键部件设计与试验研究[D]. 张启辉.沈阳农业大学 2018
[2]番茄自动移栽机栽植机构的设计与试验[D]. 王洪波.山东农业大学 2018
[3]全自动移栽机送苗取苗装置控制系统研究[D]. 杨萌.石河子大学 2018
[4]蔬菜钵苗全自动移栽机控制系统设计与研究[D]. 杨丽红.江苏大学 2017
[5]基于视觉的穴盘苗茎参数盘上检测装置研究[D]. 彭曙.浙江理工大学 2017
[6]基于PLC和触摸屏的自动移栽机检测系统的设计[D]. 刘云.新疆农业大学 2016
[7]番茄自动移栽机苗盘输送装置控制系统的研究[D]. 刘凯强.石河子大学 2016
[8]钵体苗自动移栽机取送苗机构设计与试验研究[D]. 倪有亮.中国农业科学院 2016
[9]穴盘立式取苗器气动取苗系统的设计研究[D]. 高捷.石河子大学 2016
[10]穴盘苗全自动移栽机气动取苗装置的设计与试验[D]. 郭林强.江苏大学 2016
本文编号：2915338
【文章来源】：山东农业大学山东省
【文章页数】：119 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
1.1 课题研究背景
1.2 国内外全自动移栽机研究现状
1.2.1 国外全自动移栽机研究现状
1.2.2 国内全自动移栽机研究现状
1.2.3 机器视觉技术在移栽机上的应用
1.3 课题研究目的和意义
1.4 课题来源以及研究内容
1.5 研究方法和技术路线
2 全自动移栽机整体结构及关键机构分析
2.1 引言
2.2 全自动移栽机设计要求
2.3 全自动移栽机整体结构
2.3.1 整体结构
2.3.2 工作原理
2.3.3 移栽机动力设置
2.4 送苗机构设计及工作原理
2.4.1 送苗机构设计
2.4.2 送苗机构工作原理
2.5 取苗机构设计及工作原理
2.5.1 取苗机构设计
2.5.2 取苗机构工作原理
2.6 机械手设计及工作原理
2.6.1 机械手设计
2.6.2 机械手工作原理
2.7 横向喂苗机构
2.8 栽植机构
2.9 小结
3 穴盘苗机器视觉系统设计及图像预处理
3.1 引言
3.2 穴盘苗机器视觉系统设计
3.2.1 机器视觉技术
3.2.2 穴盘苗识别系统要求
3.2.3 系统结构原理
3.2.4 图像处理算法
3.2.5 设备选型
3.3 穴盘苗图像预处理
3.3.1 穴盘苗图像采集
3.3.2 番茄穴盘苗图像特征分析
3.3.3 试验开发环境
3.3.4 番茄穴盘苗图像预处理
3.4 数据集构建
3.4.1 训练集和测试集
3.4.2 张量
3.4.3 格式转换
3.4.4 图像像素值归一化
3.4.5 构建数据集
3.5 数据集扩充
3.5.1 图像翻转
3.5.2 图像旋转
3.5.3 添加高斯噪声
3.5.4 图像平移
3.5.5 构建扩充数据集
3.6 小结
4 基于卷积神经网络的穴盘苗图像识别
4.1 引言
4.2 卷积神经网络
4.2.1 卷积神经网络
4.2.2 卷积神经网络农业领域应用
4.2.3 卷积神经网络结构
4.2.4 卷积神经网络特性
4.2.5 卷积神经网络参数训练
4.3 卷积神经网络穴盘苗识别模型构建
4.3.1 经典LeNet-5 卷积神经网络模型
4.3.2 穴盘苗识别模型构建
4.4 卷积神经网络穴盘苗识别模型优化
4.4.1 激活函数
4.4.2 降低过拟合
4.4.3 损失函数
4.4.4 优化器函数
4.5 卷积神经网络穴盘苗识别模型训练及结果分析
4.5.1 模型训练参数设置
4.5.2 训练结果评价指标
4.5.3 ReLU训练及结果分析
4.5.4 ELU训练及结果分析
4.5.5 正则化训练及结果分析
4.5.6 扩充数据集训练及结果分析
4.5.7 训练结果总结
4.6 小结
5 送苗取苗机构运动控制算法设计
5.1 引言
5.2 送苗取苗机构初始定位控制设计
5.2.1 机构初始位置
5.2.2 初始定位控制设计
5.3 送苗机构双闭环PID运动控制算法设计
5.3.1 步进电机双闭环增量式PID控制
5.3.2 步进电机双闭环增量式PID控制仿真
5.4 取苗机构S曲线加减速控制算法设计
5.5 小结
6 全自动移栽机控制系统设计
6.1 引言
6.2 全自动移栽机控制系统要求及设计方案
6.3 机械手气动系统设计
6.3.1 气动系统原理图
6.3.2 气缸选型及工作原理
6.3.3 气缸作用力调节
6.3.4 空气压缩机选型
6.3.5 电磁阀组设计
6.3.6 气动系统其它器件选型
6.4 全自动移栽机控制系统硬件设计
6.4.1 可编程控制器选型
6.4.2 步进电机选型
6.4.3 伺服电机选型
6.4.4 旋转编码器选型
6.4.5 其他主要器件选型
6.4.6 电源设置
6.4.7 控制系统原理图
6.5 控制系统参数计算及设置
6.5.1 步进电机细分数设置
6.5.2 伺服电机电子齿轮比计算
6.5.3 伺服电机参数设置
6.5.4 HMI参数设置
6.5.5 步进电机伺服电机运行频率计算
6.6 全自动移栽机控制系统软件设计
6.6.1 编程软件
6.6.2 主程序设计
6.6.3 步进电机控制程序设计
6.6.4 伺服电机控制程序设计
6.7 全自动移栽机HMI信息监控系统设计
6.7.1 主界面
6.7.2 历史数据界面
6.7.3 报警数据界面
6.7.4 系统帮助界面
6.8 机构试验
6.8.1 送苗机构运行试验
6.8.2 取苗机构运行试验
6.8.3 机械手取苗试验
6.9 本章小结
7 结论与展望
7.1 论文工作结论
7.2 研究创新点
7.3 工作展望
参考文献
致谢
攻读博士学位期间主要成绩
【参考文献】：
期刊论文
[1]伺服电机控制技术的应用与发展[J]. 王高理. 轻工科技. 2019(02)
[2]机器视觉技术及其在机械制造自动化中应用的探讨[J]. 刘泽宇. 中国设备工程. 2019(01)
[3]卷积神经网络在目标检测中的应用综述[J]. 于进勇,丁鹏程,王超. 计算机科学. 2018(S2)
[4]深度学习优化算法研究[J]. 仝卫国,李敏霞,张一可. 计算机科学. 2018(S2)
[5]深度学习技术概述[J]. 张睿哲. 中国新通信. 2018(21)
[6]基于深度卷积神经网络的目标检测技术的研究进展[J]. 王慧玲,綦小龙,武港山. 计算机科学. 2018(09)
[7]机器视觉技术发展及其工业应用[J]. 王飞. 电子技术与软件工程. 2018(16)
[8]伺服电机位置检测技术综述[J]. 王淑娴,彭东林,吴治峄,唐渐鸿. 仪器仪表学报. 2018(08)
[9]国内旱地移栽机技术现状分析[J]. 陈大军,侯加林,施国英,李天华,张跃顺,常金明. 中国农机化学报. 2018(07)
[10]激活函数在卷积神经网络中的对比研究[J]. 田娟,李英祥,李彤岩. 计算机系统应用. 2018(07)
博士论文
[1]基于色彩聚类的玉米种子纯度识别算法研究[D]. 刘双喜.山东农业大学 2018
[2]基于机器视觉和仿真试验的蔬菜穴盘幼苗移栽关键技术研究[D]. 王跃勇.吉林大学 2016
[3]穴盘苗移栽机自动取喂系统的设计及试验研究[D]. 韩长杰.南京农业大学 2014
[4]基于机器视觉的钵苗分选移栽信息获取关键技术研究[D]. 杨振宇.中国农业大学 2014
[5]蔬菜穴盘苗自动移栽技术与装置的研究[D]. 金鑫.中国农业大学 2014
硕士论文
[1]穴盘苗移栽机关键部件设计与试验研究[D]. 张启辉.沈阳农业大学 2018
[2]番茄自动移栽机栽植机构的设计与试验[D]. 王洪波.山东农业大学 2018
[3]全自动移栽机送苗取苗装置控制系统研究[D]. 杨萌.石河子大学 2018
[4]蔬菜钵苗全自动移栽机控制系统设计与研究[D]. 杨丽红.江苏大学 2017
[5]基于视觉的穴盘苗茎参数盘上检测装置研究[D]. 彭曙.浙江理工大学 2017
[6]基于PLC和触摸屏的自动移栽机检测系统的设计[D]. 刘云.新疆农业大学 2016
[7]番茄自动移栽机苗盘输送装置控制系统的研究[D]. 刘凯强.石河子大学 2016
[8]钵体苗自动移栽机取送苗机构设计与试验研究[D]. 倪有亮.中国农业科学院 2016
[9]穴盘立式取苗器气动取苗系统的设计研究[D]. 高捷.石河子大学 2016
[10]穴盘苗全自动移栽机气动取苗装置的设计与试验[D]. 郭林强.江苏大学 2016
本文编号：2915338
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