一种多级缓存的穴盘补种装置及其控制方法与流程

1.本发明公开一种多级缓存的穴盘补种装置及其控制方法，属于智能育种设备的技术领域。


背景技术：

2.穴盘育苗是现代农业的重要技术手段，而精量播种机是规模化穴盘育苗的核心设备。穴盘育苗技术最早出现在美国，随着智能控制、电子通讯等先进技术的快速发展使得国外穴盘育苗精量播种机具有种类多、功能全，播种速度快、效率高，智能化程度高等特点。而我国是在20世纪80年代中期正式引进穴盘育苗技术，经过多年发展，随取得了部分成果，但由于大多数种子颗粒尺寸大小不一、形状不规则以及流动性差的特点导致我国现阶段研制的许多穴盘播种机达不到应有的要求，播种精度、效率还有待进一步提高。
3.甜玉米的营养价值和口感远高于普通玉米，广泛用于鲜食和加工罐头食品。如附图1和附图2所示，为了增加成活率，提高产量，业内工厂化大批量生产甜玉米时，一般先使用穴盘进行温室育苗。
4.如附图3所示，由于甜玉米种子形状各异、凹凸不平、一致性差的特点，穴盘播种机在播种时会出现5％
‑
20％的空穴，因此还需配备人工在后面的流水线中继续将甜玉米种子手工补入，从而导致育苗效率低，人力后续补种成本增加。
5.为此，现有技术已经研发出多种补种装置，例如：小麦穴盘补种装置、水稻穴盘补种装置等，但是针对甜玉米的穴盘补种装置暂时未发现存在，其原因在于：相比蔬菜、水稻等种子，甜玉米种子由于本身的物理不规则的特性，空穴率较高，一般5％—20％左右，原有的补种装置不适应补种甜玉米种子，因为原有的补种装置每次补种粒太少，并且补种速度太慢，不适合高速地流水线作业。
6.现有的补种装置无法同时为多个空穴进行补种，现有的补种装置一种是单/双嘴式，每次只能补种一个或者两个空穴。另一种是气吸排针式，每次补种时穴盘需要停下，并且每次至多补种一排空穴，实际正常地工作中，基本不存在一排的空穴。


技术实现要素：

7.针对现有技术的不足，本发明公开了一种多级缓存的穴盘补种装置。
8.本发明还公开了所述多级缓存的穴盘补种的控制方法。
9.发明概述：
10.本发明可代替传统手工补种，提高补种速率；进一步的，本发明相比其它种类的补种装置，具备更快的补种响应能力，专门用于解决播种甜玉米种子时存在的漏播、空穴等问题。
11.本发明详细的技术方案如下：
12.一种多级缓存的穴盘补种装置，包括传动穴盘部、识别穴盘空穴部、穴盘补种单元，其特征在于，在所述的穴盘补种单元包括双级缓存模块；
13.所述的双级缓存模块包括：一级缓存单元、二级缓存单元，所述一级缓存单元用于将待补种种子补种入被识别出的空穴中，所述二级缓存单元用于选取待补种的种子。
14.根据本发明优选的，所述一级缓存为舵机阵列缓存单元，所述二级缓存为二维运动取种缓存单元；所述舵机阵列缓存单元用于：将储存在所述舵机阵列缓存单元中的待补种种子补种入被识别出的空穴中；所述二维运动取种缓存单元用于：在识别所述舵机阵列缓存单元中无待补种种子时，对所述舵机阵列缓存单元进行续种。
15.根据本发明优选的，所述舵机阵列缓存单元，包括：种仓、供种子落入空穴的种仓门，所述种仓门与所述种仓连通设置；还包括控制主板、编码器和光电开关，所述舵机阵列缓存单元感知穴盘在补种工作台上的精确位置、识别穴盘内的空穴，并计算对空穴补种时间点，控制驱动所述种仓门开、合以实现补种动作完成，进一步，完成空穴补种后：更新所述控制主板中的补种信息、所述二维运动取种缓存单元重复取种并放入对应的排空种仓中。所述补种信息包括识别到空穴对应的补种完成情况。所述穴盘补种单元中还包括其它储存单元，用于对识别到的空穴数据，根据补种信息进行实时更新。所述的补种工作台是可以将穴盘移动的传送带。针对上述的“所述舵机阵列缓存单元感知穴盘在补种工作台上的精确位置、识别穴盘内的空穴，并计算对空穴补种时间点”功能，如附图6所示，均是当含有空穴的穴盘在传送带上运行至相机灯箱下方时，工业相机1
‑
1对其拍照，并由现有软件实现的，即机器视觉识别的领域，不属于本发明所保护的内容。
16.根据本发明优选的，所述二维运动取种缓存单元，包括气动阀、取种吸嘴、种槽、x滑轴、y滑轴和步进电机；所述取种吸嘴固定于所述y滑轴的皮带上，通过两个所述步进电机牵引所述皮带转动，以实现取种吸嘴沿x滑轴方向运动，速度记为v
x
，或者沿y滑轴方向运动，速度记为v
y
，速度矢量叠加后，其与x滑轴方向夹角θ为：因此取种吸嘴可以运行在种槽和舵机阵列缓存单元上方水平面的任一点；所述种槽通过所述气动阀进行上升、下降，为使取种吸嘴器有效地吸取种槽里的种子，当取种吸嘴移动至种槽上方时，气动阀推动种槽上升，缩短取种吸嘴至种槽里种子的距离，方便吸取；当吸取成功后，气动阀推动种槽快速下降，一方面作用是，防止取种吸嘴管口处所吸附的甜玉米种子被种槽外壁沿刮落，另一方面作用是快速下降以震动种槽里的种子，使其水平面上均匀，方便下次取种；取种吸嘴吸取种子运行至舵机阵列缓存单元时，将种子装填到已空种仓，取种吸嘴所吸附的种子，通过舵机阵列缓冲单元中种仓设置的小挡板刮落至已空的种仓里；完成装填动作后，若舵机阵列缓冲单元的种仓里还有空的，则取种吸嘴紧接着返回种槽继续吸取新的种子。
17.本技术特征主要是通过从种槽中吸取种子，然后对二级缓存单元的舵机阵列种仓进行填充“蓄能”，其中取种单元从种槽里取种时，由于甜玉米种子比较小，不适合用机械手抓取，其原因在于：若使用机械臂补种，则需要机械臂先吸取种子，然后将种子放入对应的空穴格子中，但是穴盘是处于快速运动状态的传送带上，并且穴盘中穴格数量非常多，所以，机械臂无法及时准确的将种子放入待补空穴。若使用传统的排针吸嘴补种方式，则需要穴盘和传送带停下，然后再进行排针吸嘴装置对其空穴进行补种，这极大降低了补种速度。本发明是通过带有负压的细管进行吸取，其中负压由鼓风机进行提供。
18.另外，在系统初始化时，种仓为空，程序默认是空的，然后二级吸嘴自动从种槽里吸取种子依次装填，每装填一个种仓后，程序里的种仓种子满空的变量数组表对应元素置
1。当一级舵机阵列仓补种完成后，所使用的种仓就空了，此时程序里的种子仓满空数组变量表中对应的元素变为0。种仓种子满空的变量数组表和穴盘空穴变量表是不同的两个表。一个是记录种仓空满的变量。一个是记录穴盘空穴状况。
19.如上述多级缓存的穴盘补种的控制方法，其特征在于，包括：
20.首先，设立空穴坐标，并建立内存数组；其中，开辟一块可读写的三维数组内存array[x][y][z]，所述x表示当前待补穴盘编号id值，所述y和z分别为穴孔在穴盘位置中的横纵坐标值，按照穴盘的实际格数一一对应；所述空穴坐标包括空穴在穴盘位置中的横纵坐标值、根据空穴是否需要补种情况值，需要补种的空穴用0表示，不需要补种的穴用1表示；
[0021]
其次，根据识别出空穴的二维坐标后，在所述三维数组内存array[x][y][z]中对应进行待补空穴标记；
[0022]
如若标记为待补空穴，且舵机阵列缓存单元第一排的对应种仓有缓存的种子，则对其补种；同时控制主板驱动取种吸嘴从种槽取种子填充已空的种仓；
[0023]
所述舵机阵列缓存单元每进行一次补种，所述空穴坐标的三维数组内存array[x][y][z]刷新一次，将已经补充过的空穴标记为不需要补种的穴。
[0024]
根据本发明优选的，若舵机阵列缓存单元第一排对应种仓的种子已用完还未及时填充，则使用第二排中对应的种仓对待补空穴进行补种。本技术特征的舵机阵列缓存单元采用了多排结构，两个结构共享一个三维数组内存array[x][y][z]，提高补种效率。
[0025]
根据本发明优选的，所述多级缓存的穴盘补种的控制方法还包括基于opt页面置换算法的缓存补充方法，包括：采用页面置换算法的思想，在穴盘补种单元运行时，若出现空穴时需要执行补种操作；
[0026]
所述一级缓存单元没有种子时，则从二级缓存单元向其提供种子进行续种；选择补充舵机阵列缓存单元的算法借鉴页面置换算法，好的页面置换算法应有较低的页面置换频率，对于本发明则应保证一级缓存单元不空；
[0027]
具体实现如下：
[0028]
step1：通过识别出待补穴盘的空穴二维坐标，在控制主板已开辟的array[x][y][z]内存中进行待补空穴标记；
[0029]
step2：识别出空穴后，将空穴位置根据从右到左，从上到下的顺序进行入队操作，形成页面置换队列；
[0030]
step3：根据所述页面置换队列，二级缓存单元为一级缓存单元进行续种，页面置换队列中元素依次出队，直至页面置换队列为空。
[0031]
本发明借鉴了在计算机内存管理中，最佳置换算法所选择的被淘汰页面是以后永不使用的或者是在最长时间内不再被访问的页面,这样可以保证获得最低的缺页率，但由于实际无法知晓进程在内存中的若干页面哪个是未来最长时间内不再被访问的，因此该算法只是理想算法。但本发明因提前预知了空穴位置，相当于明确了未来最长时间内不再被访问的所缺页面，因此可借鉴此思想作为确定先补哪个空穴的缓存补充策略算法。
[0032]
根据本发明优选的，所述多级缓存的穴盘补种的控制方法还包括基于lru页面置换算法的缓存预测性补充方法，包括：
[0033]
step1：通过识别出待补穴盘的空穴二维坐标，在控制主板已开辟的array[x][y]
[z]内存中进行待补空穴标记；
[0034]
step2：初始化一个循环链表，初始时头指针指向第一个穴盘位置，之后始终保持头指针指向最近出现空穴的位置；
[0035]
step3：当出现空穴时，将空穴位置序号插入到头指针后；
[0036]
step4：当穴盘补种单元空闲时，按照所述循环链表顺序二级缓存单元向一级缓存单元进行续种，此时将头指针指向下一个元素。
[0037]
本发明技术方案借鉴在计算机内存管理中，如某些页面长时间未被访问，则它们在将来还可能会长时间不被访问的思想，若某个穴孔位置频繁出现空穴，则后面到来的穴盘大概率会在相同位置出现空穴。具体为在穴盘育苗流水线中的补种环节，可能存在穴盘补种单元空闲的状态，在此状态下针对性的预见将要到来的穴盘空穴位置，并进行二级缓存单元向一级缓存单元续种的操作，对补种工作起着至关重要的作用，能有效避免出现大量空穴的问题。
[0038]
上述技术方案提出基于opt页面置换算法的缓存补充策略和基于lru页面置换算法的缓存预测性补充策略两种基于页面置换算法的缓存补充策略，对比先进先出算法(fifo)具有如下优势：(1)性能较高，缓存补充策略通常选择经常出现空穴的位置进行补充操作；(2)不会出现belady现象，即不会发生当一级缓存阵列增加时，会有更多待补空穴的异常现象；(3)有效避免抖动的发生，采用队列和循环列表依序完成补充操作，不会因为大量空穴的出现而导致空穴率不断上升的情况。
[0039]
发明的技术优势在于：
[0040]
本发明针对现有甜玉米穴盘播种机人工补种效率低、易出错的缺点，设计了一套自动化补种装置及其控制方法，代替了传统的手工补种，并且基于多级缓存的架构设计，本发明的甜玉米穴盘补种装置比传统小麦、水稻等类型补种装置执行动作更加快速，能够胜任高速流水线作业。
[0041]
1、本发明采用了多级缓存补种机制，能够补种形态大小不一、凹凸不平的种子，亦能够补种形态规则一致性好的种子，解决了其它农作物补种机只适应形态圆润的种子(诸如小麦、水稻等)，具备适应性强的优势。
[0042]
2、当突发地出现高空穴率这种极限情况时，本发明也可以对快速移动的穴盘进行精确补种，这种“蓄能削峰”缓存式设计弥补了传统的单管吸取补种的低效，以及排针式补种时需穴盘停止等待的不足，解决了市面上其它类型农作物的补种机速度慢的问题，可使整个系统响应更快，能够迅速地将到来的空穴补种完整，具备其它类型补种机的2倍以上速度优势。
[0043]
3、本发明提出基于opt页面置换算法的缓存补充策略和基于lru页面置换算法的缓存预测性补充策略，不仅能够依序对一级缓存完成补充操作，当出现大量空穴时还能够预见性的确定优先补种的空穴位置。
[0044]
本发明提出基于opt页面置换算法的缓存补充策略，明确了一级缓存单元优先补种的空穴位置，及二级缓存单元向一级缓存单元进行续种的顺序，解决了当出现连续空穴时不知道该补种哪个位置的情况，有效提高了补种效率。
[0045]
本发明提出基于lru页面置换算法的缓存预测性补充策略，当穴盘补种单元空闲时针对性的预见将要到来的穴盘空穴位置，并执行二级缓存单元向一级缓存单元进行续种
的动作，能时刻保证一级缓存单元不空。
附图说明
[0046]
图1是本发明所述穴盘的使用示意图；
[0047]
图2是在育苗室内穴盘的摆放示意图；
[0048]
图3是甜玉米的种子示意图；
[0049]
图4是含有待补种空穴的穴盘，其中白色方框中的部分是待补种的空穴；
[0050]
图5是穴盘育苗的工作流程图；
[0051]
图6是本发明所述多级缓存的穴盘补种装置的3d模型示意图，
[0052]
在图6中，1
‑
1、工业相机；1
‑
2、补种单元1号；1
‑
3、补种单元2号；1
‑
4、编码器；1
‑
5、电机；1
‑
6、光电开关；1
‑
7、鼓风机；1
‑
8、传送带；
[0053]
图7是图6的局部放大图，即双级缓存硬件结构示意图，
[0054]
在图7中，1、取种吸嘴；2、气动阀；3、y滑轴；4、x滑轴；5、种槽；6、步进电机；7、舵机阵列种仓；
[0055]
图8为本发明舵机阵列缓存单元的示意图，
[0056]
在图8中，2
‑
1、控制主板；
[0057]
图8
‑
1为舵机阵列缓存单元中的单个舵机缓存单元，
[0058]
在图8
‑
1中，3
‑
1、刮落小挡板；3
‑
2、种仓；3
‑
3、舵机；3
‑
4、连接轴；3
‑
5、种仓门；
[0059]
图9为本发明实施例中空穴标记示意图；
[0060]
图10为本发明实施例中补种队列示意图；右侧为队头，左侧为队尾，根据出队顺序进行补种操作；
[0061]
图11为本发明实施例中初始循环列表示意图；
[0062]
图12为本发明实施例中出现空穴时的循环链表示意图；
[0063]
图13为本发明实施例中执行续种后的循环链表示意图。
具体实施方式
[0064]
下面结合实施例和说明书附图做详细的说明，但不限于此。
[0065]
实施例1、
[0066]
如附图6、7所示：一种多级缓存的穴盘补种装置，包括传动穴盘部、识别穴盘空穴部、穴盘补种单元，在所述的穴盘补种单元包括双级缓存模块；
[0067]
所述所述的穴盘补种单元为图中的补种单元1号1
‑
2、补种单元2号1
‑
3；
[0068]
所述的双级缓存模块包括：一级缓存单元、二级缓存单元，所述一级缓存单元用于将待补种种子补种入被识别出的空穴中，所述二级缓存单元用于选取待补种的种子。
[0069]
所述一级缓存为舵机阵列缓存单元，所述二级缓存为二维运动取种缓存单元；所述舵机阵列缓存单元用于：将储存在所述舵机阵列缓存单元中的待补种种子补种入被识别出的空穴中；所述二维运动取种缓存单元用于：在识别所述舵机阵列缓存单元中无待补种种子时，对所述舵机阵列缓存单元进行续种。
[0070]
所述舵机阵列缓存单元，包括：种仓、供种子落入空穴的种仓门，所述种仓门与所述种仓连通设置；还包括控制主板、编码器1
‑
4和光电开关1
‑
6(所述光电开关作用：当穴盘
运行此处，光电开关输出电平立刻发生变化，将此时的穴盘位置作为一个基准0点，接下来再配合编码器计数，就可以精确地获取到空穴的相对位置了，系统就可以精确补种了。)所述舵机阵列缓存单元感知穴盘在补种工作台上的精确位置、识别穴盘内的空穴，并计算对空穴补种时间点，控制驱动所述种仓门开、合以实现补种动作完成，进一步，完成空穴补种后：更新所述控制主板中的补种信息、所述二维运动取种缓存单元重复取种并放入对应的排空种仓中。
[0071]
上述方案具体为：当穴盘中被识别出的空穴处于种仓下方时，对应的种仓门打开，所述种子自由落体，掉入空穴，完成补种。每个种仓的种子完成补种后，种仓排空，所述二维运动取种缓存单元立刻重复取种放入对应种仓中。本发明所采用的舵机阵列缓存单元具备强大的“削峰”能力，尤其当突发地出现高空穴率这种极限情况时，所述一级缓存单元，即舵机阵列缓存单元可以对快速移动的穴盘中的空穴进行精确补种，这种“蓄能削峰”缓存式设计弥补了传统的单管吸取补种的低效，以及排针式补种需停止等待的技术不足。
[0072]
如附图4所示，甜玉米育苗时，通常使用16行8列格子的穴盘，如附图7所示，穴盘补种单元主要功能是对待补的空穴进行补种。如附图8所示，阵列种仓是n行8列紧靠一起的小种仓，所述n可以根据缓存能力任意设定，数值越大，缓存能力越大，但是成本越高且二级缓存单元装填续种压力越大，所述n一般取2
‑
3比较适宜，本发明优选n＝2，它的种仓俯视平面图大小尺寸与穴盘中的穴1:1对应。如附图8所示，当流水线上的穴盘型号变化时，例如：由原来的8列变成6列、4列等，所述舵机阵列缓存单元可作为一个独立模块实现快速装备升级。本单元中的每个小种仓可以灵活地从阵列中抽出或者插入。
[0073]
如附图8
‑
1所示，里面缓存一粒种子，用以向空穴补种，当使用完毕后，由二级缓存单元向其续种。连接轴3
‑
4与舵机3
‑
3和种仓门3
‑
5相连接，当舵机3
‑
3转动30角度位置时，种仓门3
‑
5通过连接轴3
‑
4牵动而打开，当舵机3
‑
3转动0角度位置时，种仓门3
‑
5通过连接轴3
‑
4牵动而关闭。当补种时，系统控制舵机3
‑
3转动，进而连接轴3
‑
4转动，使得种仓门3
‑
5打开，种仓内缓存的种子自由落体，完成对空穴补种。当续种时，二级缓存单元中的取种吸嘴从种槽吸取种子后，移动至已空种仓上方处，取种吸嘴与刮落小档板3
‑
1间距1
‑
2mm，种子会被刮落小挡板3
‑
1挡住而脱落进种仓3
‑
2，完成续种。
[0074]
所述二维运动取种缓存单元，包括气动阀2、取种吸嘴、种槽5、x滑轴4、y滑轴3和步进电机6；所述取种吸嘴1固定于所述y滑轴3的皮带上，通过两个所述步进电机牵引所述皮带转动，以实现取种吸嘴1沿x滑轴4方向运动，速度记为v
x
，或者沿y滑轴3方向运动，速度记为v
y
，速度矢量叠加后，其与x滑轴4方向夹角θ为：所述种槽5通过所述气动阀2进行上升、下降；取种吸嘴1吸取种子运行至舵机阵列缓存单元时，将种子装填到已空种仓，取种吸嘴1所吸附的种子，通过舵机阵列缓冲单元中种仓设置的小挡板刮落至已空的种仓里；完成装填动作后，若舵机阵列缓冲单元的种仓里还有空的，则取种吸嘴1紧接着返回种槽5继续吸取新的种子。
[0075]
实施例2、
[0076]
如实施例1所述多级缓存的穴盘补种的控制方法，包括：
[0077]
首先，设立空穴坐标，并建立内存数组；其中，开辟一块可读写的三维数组内存array[x][y][z]，所述x表示当前待补穴盘编号id值，所述y和z分别为穴孔在穴盘位置中的
横纵坐标值；所述空穴坐标包括空穴在穴盘位置中的横纵坐标值、根据空穴是否需要补种情况值；
[0078]
其次，根据识别出空穴的二维坐标后，在所述三维数组内存array[x][y][z]中对应进行待补空穴标记；
[0079]
如若标记为待补空穴，且舵机阵列缓存单元第一排的对应种仓有缓存的种子，则对其补种；同时控制主板驱动取种吸嘴1从种槽5取种子填充已空的种仓；
[0080]
所述舵机阵列缓存单元每进行一次补种，所述空穴坐标的三维数组内存array[x][y][z]刷新一次，将已经补充过的空穴标记为不需要补种的穴。
[0081]
若舵机阵列缓存单元第一排对应种仓的种子已用完还未及时填充，则使用第二排中对应的种仓对待补空穴进行补种。
[0082]
实施例3、
[0083]
如实施例2所述的控制方法，还包括基于opt页面置换算法的缓存补充方法，包括：在穴盘补种单元运行时，若出现空穴时需要执行补种操作；
[0084]
所述一级缓存单元没有种子时，则从二级缓存单元向其提供种子进行续种；
[0085]
具体实现如下：
[0086]
step1：通过识别出待补穴盘的空穴二维坐标，在控制主板已开辟的array[x][y][z]内存中进行待补空穴标记，如附图9所示为某个穴盘到来时的状态图，其中黑色代表空穴，行标记1～16表示y，列标记1～8表示z；
[0087]
step2：识别出空穴后，将空穴位置根据从右到左，从上到下的顺序进行入队操作，上附图9可表示为下附图10所示的页面置换队列图，形成页面置换队列；
[0088]
step3：根据所述页面置换队列，二级缓存单元为一级缓存单元进行续种，页面置换队列中元素依次出队，直至页面置换队列为空。
[0089]
当如图9所示的穴盘到来时，一级缓存单元对穴盘进行补种操作，同时二级缓存单元按照图10的补种队列向一级缓存单元进行续种。
[0090]
实施例4、
[0091]
如实施例2、3所述的控制方法，还包括基于lru页面置换算法的缓存预测性补充方法，包括：
[0092]
step1：通过识别出待补穴盘的空穴二维坐标，在控制主板已开辟的array[x][y][z]内存中进行待补空穴标记，如附图9所示为某个穴盘到来时的状态图，其中黑色代表空穴，行标记1～16表示y，列标记1～8表示z；
[0093]
step2：初始化一个循环链表，如图11所示，初始时头指针指向第一个穴盘位置，之后始终保持头指针指向最近出现空穴的位置；
[0094]
step3：当出现空穴时，将空穴位置序号插入到头指针后，例如，附图9中首先右下角位置出现空穴，对应位置为“8”，则示意图如图12所示；
[0095]
step4：当穴盘补种单元空闲时，按照所述循环链表顺序二级缓存单元向一级缓存单元进行续种，此时将头指针指向下一个元素，示意图如图13所示。
[0096]
在附图11
‑
13中，各个数字所代表的元素对应图9中的列标记，表示需要对列标记指示的行位置进行缓存预测性补充。
[0097]
本发明，双级补种装置为空穴补种时，穴盘可以继续往前运动，满足流水线快速连
续作业的需要，本发明的一级缓存舵机阵列种仓可以同时为多个空穴进行补种，最大补种个数为n*8个(n可以根据缓存能力任意设定，数值越大，缓存能力越大，但是成本越高且二级缓存单元装填续种压力越大，一般取2
‑
3比较适宜，本发明选取n＝2)，一级缓存单元的舵机阵列种仓能够在0.1秒内完成补种。在128格的穴盘标准规格以及空穴率随机5％
‑
20％下，本发明的补种速度可达400盘/时，比其它补种装置的补种速度快1倍左右。另外，现存在的各类穴盘补种装置不具备缓存机制，补种速度慢。