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像预处理和卷积神经网络穴盘苗识别模型构成,在图像预处理阶段根据穴盘规格,把穴盘苗图像拆分成72个小的穴孔图像,通过拆分将尺寸较大、较复杂的穴盘苗识别转换成穴孔图像的二分类识别,进行RGB格式转换、图像大小归一化、数值归一化,构建基本数据集和扩充数据集。(3)构建卷积神经网络穴盘苗识别模型。识别模型为12层网络,包括1个输入层、4个卷积层、4个池化层、1个平铺层、1个全连接层和1个输出层,卷积层使用3×3的卷积核,四个卷积层分别包括32、64、128、128个卷积核,池化层使用2×2的窗口,采用最大池化降采样;对识别模型进行数据训练和函数优化,使模型具有较高的识别准确率和泛化能力,使其识别准确度能满足移栽机穴盘苗识别的需要。(4)设计送苗取苗机构运动控制算法,包括:送苗取苗机构初始化定位控制,使机构实际位置和控制系统内部坐标位置保持一致,消除运行过程中的误差,避免误差累积;设计双闭环增量式PID步进电机控制算法,保证送苗机构的运行定位精度,建立步进电机控制系统传递函数模型,进行Matlab仿真;设计取苗机构S曲线运行控制算法,提高伺服电机的运行平稳性和工作可靠性,延长其使用寿命。(5)研制开发全自动移栽机控制系统和机械手气动驱动系统,对系统中的元器件进行设备选型,设计控制系统供电主线路图、控制器接线原理图、步进电机接线图、伺服电机接线图和气动驱动系统原理图,进行控制箱的安装和调试,编写软件控制系统,实现全自动移栽机各机构的协调控制。开发HMI信息监控系统,实现移栽机运行状态信息和作业信息的采集、显示和存储等,提高移栽机的信息化水平。进行送苗机构、取苗机构和机械手运行试验,通过试验发现问题改进系统设计,最终达到设计要求。