穴盤缺苗氣吸式基質剔除裝置設計與試驗

崔永杰 朱玉桃 馬 利 丁辛亭,3 曹丹丹 何 智

(1.西北農林科技大學機械與電子工程學院，陜西楊凌 712100；2.農業農村部農業物聯網重點實驗室，陜西楊凌 712100；3.陜西省農業信息感知與智能服務重點實驗室，陜西楊凌 712100)

0 引言

穴盤育苗是20世紀80年代引入我國的一種適合于工廠化生產的幼苗培育技術，我國蔬菜育苗產業約有2/3采用穴盤育苗方式種植[1-3]。穴盤育苗時由于種子品質、播種精度等因素形成5%～20%的缺苗穴孔，導致穴孔利用率低，影響后續機械化批量移栽和成品苗質量[4-5]。為提高穴盤苗品質，需要剔除缺苗穴孔內缽體基質，補入健康的幼苗。目前，穴盤育苗剔補苗工作主要由人工完成，工作效率低，幼苗損傷率高，移栽質量差[6]。近年來，國內外學者針對剔補苗移栽機械開展了大量研究[2,7-11]。隨著取苗末端執行器的不斷改進和優化，移栽補入健康幼苗時缽體破碎率已小于1%[12]，是因為有苗缽體根莖包絡基質在穴孔內形成根土復合體，在補苗作業中可以保持良好的缽體完整性。

然而，缺苗穴孔內缽體基質沒有幼苗根莖，具有松散易碎的特性，一般夾持式和插入式取苗末端執行器剔除基質時都會造成缽體破碎導致基質殘留問題。為了提高缺苗基質的剔凈率，童俊華等[13]設計了一種指鏟式末端執行器，通過增大指鏟與穴孔內基質的接觸面積，減少穴孔內基質的殘留，平均剔凈率達到70.8%。然而，剔除缺苗基質質量小于原缽體質量70%時，殘留基質會阻礙健康幼苗的補入，不利于后期生長管理[9]。氣吸式基質剔除過程中受到穴盤不透明的因素影響，難以可視化氣流與顆粒間相互作用和剔除效果[14]?；贒EM-CFD氣固耦合仿真的試驗方法被廣泛應用于研究顆粒與氣流場間相互作用及農業機械的優化設計中[15]。

針對上述問題，結合工廠化穴盤育苗的實際農藝要求，本文設計一種氣吸式基質剔除裝置，以實現穴盤苗中松散易碎的缺苗穴孔內基質剔除，為開發高效省力的剔補苗移栽機械提供參考。

1 整機結構與工作原理

1.1 整機結構

穴盤缺苗氣吸式基質剔除裝置由輸送模塊、圖像檢測模塊、基質剔除模塊和控制系統組成，如圖1所示。輸送模塊由機架、鏈傳動機構和輸送帶組成，用于輸送穴盤苗到達指定作業模塊；圖像檢測模塊包括圖像采集箱、相機、燈帶和光電開關Ⅰ，用于采集穴盤苗圖像信息，進行缺苗穴孔識別與定位；基質剔除模塊包括穴盤固定架、光電開關Ⅱ、直線模組、氣吸端口、真空發生器、輸送軟管和收集桶，穴盤固定架安裝在機架上，通過兩側限位桿輔助定位穴盤，保證每一排穴孔限位平齊，利于基質剔除作業，氣吸端口安裝在直線模組上，由直線模組移位到達缺苗穴孔位置處剔除穴孔內基質，已吸出基質經輸送軟管進入收集桶。

圖1 氣吸式基質剔除裝置結構簡圖

1.2 工作原理

氣吸式基質剔除裝置工作原理如圖2所示。工作步驟為：①輸送帶啟動輸送穴盤苗。②光電開關Ⅰ檢測到穴盤，將信號傳給控制系統，輸送帶停止運動等待。③圖像檢測箱內相機采集穴盤苗圖像信息，PC機基于深度學習模型識別缺苗穴孔并計算缺苗穴孔位置坐標。④輸送帶輸送穴盤苗到達基質剔除模塊，光電開關Ⅱ檢測到穴盤信號，輸送帶停止運動等待。⑤控制系統根據PC機給出的待剔除缺苗穴孔位置坐標，控制直線模組帶動氣吸端口到達缺苗穴孔正上方位置，真空發生器產生負壓剔除穴孔內基質，直至完成當前穴盤苗所有缺苗穴孔基質剔除任務。⑥輸送帶輸送穴盤苗進入補苗模塊。⑦重復上述步驟，進行下一盤穴盤苗缺苗檢測與基質剔除作業。

圖2 氣吸式基質剔除裝置作業原理圖

2 關鍵部件設計

2.1 基質剔除模塊設計

基質剔除模塊是整個裝置核心部件，圖3為基質剔除模塊氣流輸送系統，該氣流輸送系統由空氣壓縮機、調壓閥、電磁閥、時間繼電器、安全閥、輸送軟管、收集桶、真空發生器和氣吸端口等組成?？諝鈮嚎s機產生的高速氣流經調壓閥調節氣壓并穩壓，電磁閥和時間繼電器控制氣路通斷和氣吸時長，氣流經過真空發生器時在收集桶和氣吸端口處產生負壓，缺苗穴孔內基質在負壓剪切力和拖曳力的作用下破碎吸起，由氣吸端口加速抽吸隨氣流經輸送軟管進入收集桶。

圖3 氣流輸送系統示意圖

2.1.1氣吸輸送原理

如圖4所示，真空發生器負壓是根據文丘里效應產生的。由氣體連續性方程

圖4 負壓產生原理圖

A1v1=A2v2

(1)

式中A1、A2——進、出口截面面積，m2

v1、v2——進、出口氣體流速，m/s

可知，壓縮氣流經截面A1流入至截面A2流出時，氣流由于管道橫截面顯著縮減變化，致使氣體流速迅速增大。由伯努利方程

(2)

式中p1、p2——進、出口氣體壓力，Pa

ρq——空氣密度，kg/m3

可知，隨著氣體流速增加，氣體壓力減小，當v2增加到一定值，p2將小于標準大氣壓，在擴散腔內形成負壓，擴散腔連通收集桶，使收集桶和氣吸端口處產生負壓吸附力。

基質顆粒懸浮速度是影響吸附和輸送效率的重要因素，計算基質顆粒懸浮速度，可以得到基質剔除和輸送所要求的最低氣流速度。穴盤育苗基質主要成分為泥炭，在自然堆積狀態下，基質顆粒不密實，顆粒與顆粒之間存在孔隙，研究基質顆粒的運動特性需要以真實密度作為參考。真實密度與堆積密度二者之間的轉換公式為

ρd=ρz(1-ε)

(3)

式中ρd——基質顆粒堆積密度，kg/m3

ρz——基質顆粒真實密度，kg/m3

ε——孔隙率，基質取60%～90%

當顆粒在垂直管中呈懸浮狀態，氣流上升的速度等于顆粒的沉降速度[16]，此時氣流速度為顆粒懸浮速度vs。計算式為

(4)

式中CD——阻力系數，取0.44

d——顆粒直徑，m

g——重力加速，m/s2

計算得顆粒懸浮速度為7.81 m/s。由顆粒起動理論可知，具有黏結性的顆粒輸送氣流速度需比顆粒懸浮速度大3～10倍，顆粒才能被吸起[17]。經計算，雷諾數Re遠大于紊流流動的臨界值，整個氣流輸送過程氣體的運動形態為紊流。雷諾數計算式為

(5)

式中D0——輸送管道當量直徑，m

uq——氣體流速，m/s

μ——空氣動力粘度系數，取1.84×10-5Pa·s

2.1.2氣吸端口設計

氣吸端口的截面結構影響氣流速度、壓力及流量變化，其內部空腔結構參數直接影響端口的抽吸性能。以育苗常用72穴盤為例進行設計，氣吸端口結構如圖5所示。氣吸端口形狀設計與穴孔相適應，包括收縮管和圓管兩部分，收縮管下端為方形，與穴孔密封接觸，上端收縮為圓形，與圓管通過卡箍連接輸送軟管。氣吸端口與錐形穴孔接觸形成類文丘里管的空腔結構，這類結構從壁面至中心，從入口至出口的壓力梯度都比較明顯，有利于育苗基質的剔除和輸送[18]。

圖5 氣吸端口結構示意圖

影響氣吸端口抽吸性能的結構參數為收縮管下邊長、收縮管高度、收縮角和圓管直徑。

(1)收縮管下邊長L

收縮管與穴孔密封接觸，增大負壓吸附力，考慮穴孔定位誤差，收縮管下邊長L應大于穴孔上邊長，且要求小于相鄰兩穴孔距離，以免影響相鄰穴孔內基質和幼苗，即

l2≤L

(6)

式中l1——相鄰兩穴孔間距，mm

l2——穴孔上邊長，mm

由文獻[19]及實際測量可得，72穴盤相鄰兩穴孔間距l1為44 mm，穴孔上邊長l2為40 mm，穴孔下邊長l3為22 mm，穴孔高度h為40 mm，棱邊傾角α為11.2°；本文收縮管下邊長L取42 mm。

(2)圓管直徑D

根據伯努利方程，收縮結構有利于基質抽吸及輸送，則圓管直徑小于收縮管下邊長。同時，依據預試驗現象分析得到，穴孔內基質因其粘接性，會以顆粒聚團的形式被抽吸進入管道，存在圓管直徑過小形成堵塞的問題，因此圓管直徑D應滿足

l3

(7)

(3)收縮管高度H和收縮角θ

收縮管高度和收縮角主要影響收縮管段氣流壓差和速度，為降低氣固兩相流動能轉化為壓力能的損失，收縮角一般取4°～12°[20]。收縮管高度H計算式為

(8)

聯立式(7)、(8)，得圓管直徑D取22～42 mm，收縮管高度H取30～50 mm。

2.1.3氣吸端口對壓損的影響

氣吸式剔除基質過程中，輸送氣流的壓力損失主要在穴孔和氣吸端口處，分析氣吸端口結構對氣流壓損的影響，指導優化氣吸端口結構參數。根據伯努利方程，氣流在穴孔和氣吸端口內壓降方程[21]為

(9)

式中 Δpab——穴孔至氣吸端口壓損，Pa

pa——穴孔底部入口壓力，Pa

pb——氣吸端口出口壓力，Pa

va——穴孔底部入口氣流速度，m/s

vb——氣吸端口出口氣流速度，m/s

ξab——穴孔至氣吸端口壓損系數

Δpgb——基質顆粒流動的加速壓損，Pa

λb——基質顆粒與輸送氣流的流量比

ub——基質顆粒速度，m/s

由式(9)計算得穴孔底部至氣吸端口出口處壓損為

(10)

由式(10)可知，穴孔至氣吸端口壓損與壓損系數、基質顆粒與輸送氣流的流量比、氣吸端口出口氣流速度和基質顆粒速度正相關，與穴孔底部入口氣流速度負相關，氣吸端口結構參數影響壓損系數。因此，設計合適的氣吸端口結構參數有利于降低作業過程中壓力損失。

2.2 氣吸端口仿真優化

為分析不同氣吸端口結構參數對氣流場和基質顆粒運動特性的影響，本文利用DEM-CFD耦合仿真的方法對氣吸端口進行優化設計，確定基質剔除效果最優的氣吸端口結構參數組合[22]。本文應用EDEM 2020和ANSYS Fluent 2020軟件開展耦合仿真試驗，研究基質顆粒在剔除過程中的運動特性以及氣流壓力變化和速度分布情況。

2.2.1仿真模型和參數設置

根據育苗基質的物理特性，建立缺苗基質的離散元仿真模型。設置顆粒半徑為0.5 mm、顆粒間接觸模型為Hertz-Mindlin with bonding模型。根據濕顆粒土壤接觸力學模型[23]，計算得到基質顆粒黏結半徑為0.72 mm。在穴孔頂部建立虛擬平面作為顆粒工廠，顆粒生成總數為25 000個。在EDEM軟件中依次完成基質顆粒模型、幾何模型、接觸模型、顆粒工廠和仿真參數等前處理設置[24]。仿真時首先生成基質顆粒，然后通過仿真模擬基質顆粒沉降過程形成顆粒間黏結鍵，最終生成的穴孔基質離散元仿真模型如圖6所示。

圖6 基質仿真模型

在氣相方面，建立氣吸端口和穴孔組合形成的流域模型。采用四面體非結構化方法劃分網格，網格單元尺寸為2 mm，設置穴孔底部為壓力入口，值為標準大氣壓，圓管出口為壓力出口，為-1.0 kPa。氣固兩相的材料屬性和相互間力學特性參數見表1。

表1 仿真參數

由于基質顆粒在氣流場中局部所占體積分數高于10%，因此氣固耦合仿真接口模型選擇基于稠密離散相模型(Dense discrete phase model, DDPM)的計算框架。仿真計算過程中，EDEM軟件計算基質顆粒的實時運動狀態和接觸信息，將該信息通過耦合接口傳遞到Fluent軟件中，Fluent軟件根據顆粒場對氣流場的影響情況進行迭代計算，將所獲得的流場信息返回到EDEM軟件中，模擬流場對顆粒體的影響情況，更新基質顆粒運動狀態和接觸信息，氣固雙向耦合仿真中上述過程依次循環。仿真設置EDEM時間步長為5×10-6s，每0.01 s保存一次數據，Fluent時間步長為1×10-3s，間隔0.1 s保存一次數據。

2.2.2耦合仿真方法

根據前文結構設計要求，考慮與氣吸端口相連的輸送軟管規格，其國標管徑在22～42 mm以內的無芯成型塑料軟管包括Φ25、Φ30、Φ32、Φ35、Φ40等規格[22]，由于圓管直徑為40 mm的氣吸端口不滿足最小收縮角的設計要求[20]，氣吸端口對穴孔內基質的卷吸作用不明顯。因此，本文對管徑Φ40規格的輸送軟管不做仿真試驗。同時，為了便于氣吸端口與輸送軟管相匹配，通過均勻取值法在仿真試驗中設置氣吸端口圓管直徑D為25、30、35 mm 3個水平，收縮管高度H為30、40、50 mm 3個水平，組合成9種氣吸端口，如表2所示。

表2 氣吸端口結構參數

基質剔凈率計算式為

(11)

式中T——基質剔凈率，%

N——基質總質量，g

Na——殘余基質質量，g

最大基質團體積比計算式為

(12)

式中y——最大基質團體積比，%

Q——基質顆?？倲?/p>

Qb——最大基質團顆粒數

2.2.3仿真結果分析

針對9種氣吸端口結構進行基質剔除氣固耦合仿真試驗，主要分析討論氣吸端口結構對基質顆粒運動特性、輸送氣流壓力分布、顆粒間黏結鍵斷裂以及基質剔除性能的影響，選擇剔除效果好且輸送更均勻的氣吸端口結構。

(1)氣吸端口結構對基質顆粒運動特性的影響

由于基質顆粒間黏結作用，在負壓氣流拖曳力和旋轉升力的作用下，穴孔基質被破碎成不同大小的顆粒團，以單顆粒和顆粒團的形式輸送進入圓管。截取9組基質剔除過程中最大基質團進入圓管且處于穩定輸送狀態的顆粒運動分布圖，如圖7所示。首先，針對不同圓管直徑的氣吸端口，結果顯示，最大基質團體積隨著圓管直徑的增大明顯變大。其次，基于相同圓管直徑不同收縮管高度的氣吸端口進行分析，結果顯示，破碎形成的最大基質團體積相差不大，且隨著收縮管高度增加，穴孔內殘余的基質顆粒逐漸減少。同時，收縮管高度為30、40 mm的氣吸端口內基質顆粒輸送狀態表現為沿圓管壁面螺旋式上升，基質顆粒容易粘附在管壁上，而收縮管高度為50 mm的氣吸端口內基質顆粒處在圓管中部運動上升，輸送更均勻。

圖7 基質剔除過程

(2)氣吸端口結構對輸送氣流壓力分布的影響

依據前文分析，選取收縮管高度為50 mm的3種不同圓管直徑氣吸端口在對應時刻的輸送氣流壓力分布云圖，如圖8所示。結果顯示，最大基質團所在位置會造成氣流呈現明顯壓差，3種類型氣吸端口的最大基質團所在位置壓差分別為541.80、628.55、916.57 Pa。因此，隨著圓管直徑的增大，最大基質團體積明顯變大，最大基質團在圓管內形成的壓差也會增大，這與前文壓損理論計算結果一致，顆粒物的量越大，氣流壓損越大。

圖8 氣流壓力分布云圖

(3)氣吸端口結構對顆粒間黏結鍵斷裂的影響

圖9為基質顆粒黏結鍵斷裂數隨時間變化曲線，圖中黏結鍵斷裂過程可反映基質破碎過程，可分為破碎初期、破碎中期和破碎后期3個階段。破碎初期，基質在穴孔內受到氣流拖曳力作用黏結鍵斷裂，顆粒開始啟動，基質顆粒黏結鍵斷裂數隨時間變化逐漸增大；破碎中期，基質上升到收縮管，由于受到氣流和壁面擠壓作用，顆粒黏結鍵斷裂數增大到頂峰，基質破碎成大小不一的顆粒團，進入圓形管道；破碎后期，基質團在圓管中處于穩定輸送狀態，黏結鍵斷裂數逐漸減少。由于氣吸端口結構參數不同，各組穴孔基質破碎過程表現出差異性。破碎初期，類型3和類型6黏結鍵斷裂數迅速增大至頂峰，且最大鍵斷裂數遠高于其他類型氣吸端口，表明類型3和類型6的氣吸端口在剔除基質時，基質在穴孔內受到氣流拖曳力和強旋轉升力作用，破碎劇烈，在氣吸端口處堵塞的可能性更小。

圖9 基質鍵斷裂數變化曲線

(4)氣吸端口結構對基質剔除性能的影響

基質剔除仿真結果如表3所示。依據前文分析，選取最大基質團體積比小于穴孔基質的一半，基質剔凈率高于90%且收縮管高度為50 mm的氣吸端口類型。結果表明，滿足上述條件的類型為3和6。同時，在基質剔除過程中，最大基質團體積比越小表明基質破碎程度越劇烈，在氣吸端口處形成堵塞的可能性越小，但基質顆粒處于過于離散的分布狀態反而會加長基質剔除時間，造成氣源能量浪費。因此，類型6對應的氣吸端口在氣吸式基質剔除過程中表現最優。其中，最大基質團體積比為47.89%，基質剔凈率為92.30%，基質剔除時間為0.72 s。

表3 基質剔除仿真結果

2.3 缺苗穴孔識別與定位

缺苗穴孔識別系統如圖10所示，主要包括圖像采集箱、PC機和PLC控制器。圖像采集箱內RGB-D相機采集穴盤圖像，相機通過USB3.0將穴盤圖像傳輸給PC機識別穴盤缺苗穴孔。PC機通過RS232與PLC控制器進行通訊，輸出缺苗穴孔位置信息。相機為英特爾 RealSense D435i，最高分辨率為1 280像素×720像素；PLC控制器為臺達DVP-SA2型；PC機為艮泰SP16HDIET，該平臺為Ubuntu 16.04 LTS 64位操作系統環境，處理器為Intel Xeon E5-1650，32 GB內存，顯卡為Nvidia TITAN XP，12 GB 顯存。

圖10 穴盤缺苗識別系統

采用基于單階段深度學習網絡的缺苗穴孔檢測方法，該方法相較于傳統圖像處理方法具有更高的檢測準確率和響應速度[7]。用于模型訓練和測試的圖像樣本，是使用深度相機在俯視圖下采集的分辨率為640像素×800像素的穴盤番茄苗圖像，總共獲得400幅圖像組成數據集，數據集以4∶1的比例分為訓練集和測試集。通過亮度增減和高斯模糊的數據增強方式擴增訓練集圖像，以提高深度學習模型的泛化能力，最終得到1 280幅圖像作為訓練集。利用LabelImg工具將穴盤苗圖像中的穴盤和缺苗穴孔手動標注為矩形。YOLO v4由骨干網絡CSPDarknet-53、空間金字塔池化層SPP和路徑聚合網絡PANet組成[25]，CSPDarknet-53是一種新穎的特征提取網絡，可以增強CNN學習能力，SSP增加感受野并融合不同尺度大小的特征圖，PANet通過融合自底向上和自頂向下兩個路徑增加模型表征能力。設置初始學習率為0.001，權重衰減率為0.000 5，迭代步數15 000，使用Darknet中的預訓練模型初始化網絡參數。將訓練集圖像和標注文件加載到深度學習網絡模型中進行迭代訓練，生成模型權值文件，損失曲線呈現出收斂和低振蕩的特點，平均損失值最終保持在0.385 0左右。

為了度量模型的實際檢測性能，本文使用平均正確率均值mAP作為模型的評價指標。測試集評估模型性能結果表明，該檢測模型的平均正確率均值為96.1%，穴盤和缺苗穴孔檢測平均正確率分別為95.3%和96.8%，檢測時間為0.11 s。

基于YOLO v4可以實現端到端的目標檢測，深度相機在線采集的穴盤苗圖像輸入已訓練模型中進行缺苗檢測，識別效果如圖11所示。結果顯示，該模型能夠有效識別出穴盤和缺苗穴孔。

圖11 缺苗穴孔識別與定位結果

實際作業過程中，完成圖像檢測后輸出穴盤檢測框坐標和缺苗穴孔中心坐標，用于定位缺苗穴孔的行列號，具體定位方法如下：首先計算得到穴孔平均橫向間距Δx和縱向間距Δy為

(13)

然后計算穴盤起始穴孔中心坐標

(14)

最后以穴盤起始穴孔為基準，計算缺苗穴孔的列號mi和行號ni，四舍五入方法取整，即

(15)

式中xmin、ymin——穴盤檢測框左上角坐標

xmax、ymax——穴盤檢測框右下角坐標

xi、yi——第i個缺苗穴孔中心坐標

x0、y0——穴盤起始穴孔中心坐標

Δx——穴孔平均橫向間距

Δy——穴孔平均縱向間距

mi——第i個缺苗穴孔列號

ni——第i個缺苗穴孔行號

〈〉——四舍五入取整運算符號

2.4 控制系統設計

穴盤缺苗氣吸式基質剔除裝置控制系統原理如圖12所示，包括缺苗識別、穴盤輸送、直線模組移位和氣動控制4部分。其控制過程為：PLC控制器輸出信號控制輸送帶電機轉動；光電開關Ⅰ檢測到穴盤，將信號反饋給PLC控制器，控制輸送帶電機暫停延時等待，相機采集穴盤苗圖像并傳輸給PC機進行檢測定位，PC機將缺苗穴孔位置信息傳輸給PLC控制器；光電開關Ⅱ反饋信號，PLC控制器輸出信號控制直線模組電機帶動氣吸端口移位至缺苗穴孔位置；PLC控制電磁閥接通，氣吸端口處產生負壓剔除缺苗穴孔內基質；直線模組繼續移位到下一缺苗穴孔，直至完成當前穴盤缺苗穴孔基質剔除任務后復位至起始位置，準備下一穴盤基質剔除作業。

圖12 控制系統原理圖

3 臺架試驗

3.1 試驗材料與設備

試驗于2022年3—5月在西北農林科技大學物聯網重點實驗室進行。育苗穴盤和基質均選自楊凌稷楊果蔬專業合作社育苗基地，育苗穴盤為72穴孔PVC材料，育苗基質為有機活性基質，由泥炭、蛭石、珍珠巖3種成分組成，總孔隙度60%～90%，相對含水率為51.90%～67.22%。試驗對象選擇苗齡為15～20 d的金鵬101穴盤番茄苗，根據前期調研及文獻[26-27]，該苗期番茄苗的真葉葉展主要分布區間為24～36 mm，苗葉越界及遮擋現象較少，有利于進行缺苗檢測及剔補苗作業，補苗后便于后期統一生長管理。

所用氣動回路中真空發生器為上海秦川船舶物料公司CV500型；空氣壓縮機為雷亞公司LY-M239-60型，容積流量350 L/min；調壓閥為亞德客公司AR2000型，調壓范圍為0.05～0.90 MPa；電磁閥為歐雷凱公司4V210-08型；時間繼電器為臺邦公司DH48S型，工作電壓24 V DC；風速測速儀為?，敼続S806型，測速范圍為0.3～45 m/s?；|稱量使用深圳飛亞衡精密電子天平(ZF-C6002型，精度為0.01 g)。采用未來8200Pro樹脂材料打印氣吸端口，通過卡箍將其固定在直線模組上，連接輸送軟管；氣吸端口底部選擇硬度為10 A的柔性硅膠墊。穴孔缺苗氣吸式基質剔除裝置試驗平臺如 圖13 所示。

圖13 氣吸式基質剔除試驗平臺

3.2 試驗方法

利用負壓吸附的方法剔除穴盤缺苗基質，主要影響因素有基質與穴孔壁的粘附力、基質間內聚力和作用于基質的負壓吸附力?；|含水率影響基質間內聚力和基質與穴孔壁的粘附力，是缺苗基質剔除作業中重要的可控影響因素[11]?；|含水率由稱量法測量，將泥炭、蛭石、珍珠巖按6∶3∶1比例混合，制作相對含水率為50%～55%、55%～60%、60%～65%的3組缺苗基質。為模擬溫室中基質在穴盤中的沉降，將裝有基質的穴盤放在室溫(25℃)的條件下靜置7 d，每天稱量基質并補水。為探究氣吸式基質剔除裝置的工作壓力，通過設計壓力調節閥將經過真空發生器的壓力調節為0.3、0.4、0.5 MPa 3個水平。根據氣吸端口基質剔除仿真試驗，基質從穴孔到端口剔除時間在1 s以內，考慮基質輸送到收集桶時間和穴孔壁粘附力等其他因素，設計單孔氣吸時間為2.0、3.0、4.0 s 3個水平。氣流輸送系統中，為防止作業時漏氣降低剔除效率或影響周圍穴孔幼苗，氣吸端口底部增加硬度為10 A、厚度為5 mm的硅膠墊，主要用于增加氣吸端口與穴孔壁的接觸氣密性，同時實現對少部分越界苗葉的柔性接觸，分別測試有無硅膠氣墊兩種氣吸端口。

綜上所述，氣吸式剔除缺苗穴孔內基質試驗因素水平如表4所示，采用L9(21×33)正交表。共有9組試驗，每組試驗樣本量為每盤12個穴孔基質，利用ZF-C6002型電子天平稱量每個空穴盤質量、剔除前穴盤基質和剔除后穴盤基質質量，以計算基質剔凈率，剔凈率公式為

表4 試驗因素水平

(16)

式中m1——剔除前穴盤基質質量，g

m2——剔除后穴盤基質質量，g

M——空穴盤質量，g

缺苗基質氣吸剔除試驗如圖14所示。

圖14 氣吸式基質剔除測試

3.3 試驗結果與分析

試驗方案與結果極差分析如表5所示。根據k確定優組合為A1B3C2D1，即當基質含水率為50%～55%，氣動回路中經過真空發生器的氣壓為0.5 MPa，單孔氣吸時間為3 s，氣吸端口有硅膠墊時氣吸式缺苗基質剔除裝置剔凈率較高。據極差分析的R確定試驗因素的主次順序為氣壓、基質含水率、氣吸時間、有無硅膠墊。

表5 試驗方案與結果極差分析

在氣吸式剔除缺苗穴孔基質試驗中，經過真空發生器的氣壓顯著影響基質剔凈率，氣壓越高，氣吸端口處負壓吸附力也越大，通過調壓閥調節氣壓為0.5 MPa時，基質剔凈率均在80%以上?；|含水率主要影響基質間內聚力和基質與穴孔壁的粘附力，基質含水率在50%～55%時，穴孔內基質松散，與穴孔壁的粘附力低，基質剔凈率較高。柔性硅膠墊增加了氣吸端口與穴盤的接觸氣密性，可以有效避免氣流影響周圍穴孔內基質的問題。

對最優組合下工作參數應用到待剔苗的番茄穴盤苗中，開展性能驗證試驗，選擇3盤15～20 d苗齡的72孔穴盤番茄苗，試驗結果如表6所示。結果表明，缺苗穴孔平均定位成功率為95.45%，基質平均剔凈率在90%以上，整機作業效率為57 s/盤，同時，在試驗過程中發現，部分缺苗穴孔由于周圍幼苗苗葉越界導致未成功識別定位缺苗穴孔(圖15a)，部分穴盤重復使用造成材質偏軟，負壓吸附會將穴孔吸扁聚攏，穴孔底部基質由于穴孔壁擠壓堵塞而殘留(圖15b)，圖15為氣吸式剔除缺苗穴孔基質效果圖，整體剔除效果滿足剔補苗作業要求[9]?？偟膩碚f，針對缺苗穴孔內基質松散特性，通過氣吸剔除穴孔基質提高剔凈率是一種可行的方法。

圖15 氣吸式缺苗穴孔基質剔除效果

表6 氣吸式缺苗穴孔基質剔除性能試驗結果

因此，本文所研究的穴盤缺苗氣吸式基質剔除裝置，能有效提高基質剔凈率。整體裝置可與現有高效取苗裝置組合配套使用，形成自動化剔補苗裝置，能顯著提高穴盤苗的剔補苗成功率。

4 結論

(1)針對缺苗缽體松散易碎導致基質剔凈率低的問題，設計了一種氣吸式基質剔除裝置。該裝置包括穴盤苗輸送模塊、圖像檢測模塊、基質剔除模塊和控制系統，各部分配合自動完成缺苗穴孔基質的剔除任務。

(2)利用DEM-CFD耦合仿真方法對比分析了9種氣吸端口結構對基質剔除性能的影響，結果表明：當氣吸端口圓管直徑為30 mm、收縮管高度為 50 mm 時，表現出基質剔除效果好且輸送更均勻的最優性能，最大基質團體積比為47.89%，基質剔凈率為92.30%，基質剔除時間為0.72 s。

(3)建立基于YOLO v4深度學習網絡的穴盤和缺苗穴孔檢測模型，實現端到端的目標檢測任務，該檢測模型平均正確率均值為96.1%，提出結合目標檢測框坐標和穴盤規格計算缺苗穴孔行列號的定位方法。

(4)搭建氣吸式基質剔除試驗平臺，開展基質剔除多因素正交試驗研究，結果表明，影響基質剔凈率的因素主次順序依次為氣壓、基質含水率、氣吸時間和有無硅膠墊，當氣壓0.5 MPa、基質含水率50%～55%、氣吸時間3.0 s、有硅膠墊時，缺苗穴孔基質平均剔凈率最高。開展性能驗證試驗，結果表明，缺苗穴孔平均定位成功率為95.45%，基質平均剔凈率在90%以上，整機作業效率為57 s/盤，滿足實際剔補苗作業要求。