Sliding mode tracking control of picking manipulator based on hyperbolic tangent function
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摘要:目的
解决机械臂在农业领域应用中末端轨迹跟踪控制问题，确保农业采摘机器人采摘末端高精度轨迹跟踪和系统稳定运行。
方法提出一种基于双曲正切函数采摘机械臂的滑模跟踪控制方法。根据逆向运动学构建基于工作空间的机械臂动力学模型，设计双曲正切函数的滑模跟踪控制器，由Lyapunov函数保证控制系统的渐进稳定性。在MATLAB/Simulink环境中搭建机械臂仿真控制系统进行控制算法验证，分析滑模控制器对机械臂末端轨迹的跟踪效果。
结果仿真试验结果表明，与切换函数滑模控制器相比，基于双曲正切函数的滑模控制器能够实现高精度的轨迹跟踪和稳定控制，提高末端轨迹跟踪的收敛速度，减小机械臂末端轨迹跟踪控制误差，并使末端轨迹跟踪曲线的收敛时间减少50%，有效提高机械臂采摘系统的实时性和跟踪精度。
结论研究可为机械臂采摘的实际应用提供有效的控制方法。
Abstract:ObjectiveTo solve the problem of end trajectory tracking control in the application of mechanical arms in the agricultural field, and ensure the high-precision trajectory tracking and stable operation of the agricultural picking robot picking end.
MethodIt was suggested to use a hyperbolic tangent function-based sliding mode tracking control approach for a picking robot arm. A model of the manipulator dynamics based on the workspace was built using inverse kinematics, and a sliding mode tracking controller for the hyperbolic tangent function was created. The asymptotic stability of the control system was guaranteed by the Lyapunov function. The simulation control system of the manipulator was built in the MATLAB/Simulink environment to verify the control algorithm, and the tracking effect of the sliding mode controller on the end trajectory of the manipulator was analyzed.
ResultThe simulation test results showed that the sliding mode controller based on the hyperbolic tangent function achieved high-precision trajectory tracking and stable control, improved the convergence speed of the terminal trajectory tracking, reduced the robot end trajectory tracking control error, and reduced the convergence time of the terminal trajectory tracking curve by 50%, effectively improved the real-time performance and tracked accuracy of the robot picking system compared with the switching function sliding mode controller.
ConclusionThe research can provide an effective control method for the practical application of robotic arm picking.
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红树林是在陆地与海洋交界带间重要的植物群落，受海水周期性浸淹，在改善滩涂环境、防风消浪、固岸护堤、增加海滩生物多样性、维系全球海洋生物资源等方面具有重要作用，被称为 “海洋卫士” [1-2]。福建省是我国红树林自然分布最北的省份，在我国红树林地理分布研究中具有特殊的地位[3]。近年来，红树林特殊生态环境下生存的异常丰富的微生物资源受到越来越多的关注，研究人员已从红树林中筛选到具有抗肿瘤、抗病毒、抗细菌等功能的多种微生物[4-6]，在医学领域展现出良好的应用潜力。然而，筛选和鉴定红树林中具有拮抗植物病原物活性的微生物资源的报道还较少，其优异的生防微生物资源有待进一步的挖掘和应用。
长期不合理使用农药造成环境污染、病原菌抗药性产生等诸多问题，严重制约了农业的可持续发展[7]。在日益重视环境保护的背景下，迫切需要挖掘新的生防资源，开发安全、高效、绿色环保的生防产品，以应对农业病虫害暴发与流行的威胁，维护全球粮食安全。芽孢杆菌Bacillus spp.是一类重要的植物病害生防资源，其生长速度快、营养需求简单，能够产生耐热、耐旱的内生孢子，有很强的抗逆能力，且不易产生抗药性，在植物病害绿色防控中具有广阔的应用前景。目前报道的主要生防芽孢杆菌包括枯草芽孢杆菌B. subtilis、蜡样芽孢杆菌B. cereus、苏云金芽孢杆菌B. thuringiensis、多黏类芽孢杆菌Paenibacillus polymyxa、短小芽孢杆菌B. pumilus等[8-10]。如从药用石豆兰中分离出枯草芽孢杆菌BBs-27对黄色镰刀菌有较强抑制作用[11]；短小芽孢杆菌KX-33种衣剂处理对棉花枯萎病的防效达到60.83%[12]。此外，一些芽孢杆菌具有广谱拮抗活性，能同时防治多种病害，如枯草芽孢杆菌的不同菌株QST713、GB03、MB1600和FZB24，其中QST713主要用于防治蔬菜、樱桃、葡萄、葫芦和胡桃病害，GB03和MB1600主要用于防治豆类、麦类、棉花和花生根部病， FZB24主要用于防治植物根腐病和枯萎病[13]；贝莱斯芽孢杆菌DJ1对白菜软腐病菌Pectobacterium carotovorum BC2、圆葱软腐病菌Burkholderia gladioli YC1、娃娃菜软腐病菌Pseudomonas sp. WWC2离体防效分别为84.30%、60.21%和69.96%，在防治蔬菜软腐病方面具有很好的应用潜能[14]。
本研究从福建省采集了8份红树林根际沉积物样品，从中筛选并获得10株对梨火疫病原细菌Erwinia amylovora具有良好拮抗活性的芽孢杆菌。选择其中拮抗活性最高的3株芽孢杆菌，分析其对水稻白叶枯病菌Xanthomonas oryzae pv. oryzae、番茄青枯病菌Ralstonia solanacearum、草莓炭疽病菌Colletotrichum gloeosporioides和小麦赤霉病菌Fusarium graminearum的抑制作用。本研究旨在为下一步高效绿色广谱生防菌株的开发和利用奠定理论基础。
1. 材料与方法
1.1 材料
所用菌株：梨火疫病菌、番茄青枯病菌、水稻白叶枯病菌、草莓炭疽病菌、小麦赤霉病菌，均来自中国农业科学院植物保护研究所植物病虫害综合治理全国重点实验室。
样品采集：2023年5月于福建漳州采集了8份红树林(秋茄Kandelia candel和白骨壤Avicennia marina混植林)根际沉积物样品，每份样品约200 g，装于密封袋，室温保存。
培养基：固体NA培养基(蛋白胨10 g，牛肉膏3 g，氯化钠5 g，琼脂15 g，蒸馏水
1000 mL，pH 7.4)；固体LB培养基(胰蛋白胨10 g，酵母提取物5 g，琼脂15 g，蒸馏水1000 mL，pH 7.2)；PSA培养基(蛋白胨10 g，蔗糖10 g，谷氨酸1 g，琼脂15 g，蒸馏水1000 mL，pH 7.0)；PDA培养基(马铃薯200 g，葡萄糖20 g，琼脂15 g，蒸馏水1000 mL，pH 7.0)。液体培养基配方为相应固体培养基中不加琼脂。1.2 方法
1.2.1 拮抗菌初筛
参照刘国红等[15]方法，称取土壤样品10 g，加入装有90 mL无菌水的三角瓶，振荡摇匀后80 ℃水浴10 min，水浴期间摇匀2~3次，使之水浴充分，即配成10−1浓度的稀释液，作为土壤悬液原液。将土壤悬液原液继续稀释为10−2、10−3和10−4 3个浓度梯度，吸取200 µL不同浓度梯度的土壤悬浮液，涂布到事先倒好含梨火疫病菌(1.0×106 CFU/mL)的NA平板上，每个浓度梯度重复3次，待涂布好的平板晾干后放入28 ℃恒温培养箱静置培养48 h，随后对着光观察平板上的抑菌圈，挑取有抑菌圈的菌株，在新的LB平板上划线培养48 h，得到纯培养物。将纯化后的菌株接种到LB液体培养基中，28 ℃、180 r/min震荡培养过夜后，与50%(φ)甘油溶液按体积比1∶1混匀，于−80 ℃保存。
1.2.2 拮抗菌的复筛
将得到的对梨火疫病菌具有拮抗作用的菌株在LB固体培养基上活化后，用直径为0.5 cm的打孔器打菌饼，随后将菌饼挑至含梨火疫病菌的NA固体培养基上，28 ℃恒温静置培养48 h，测量并记录抑菌圈直径，每个处理重复3次。
1.2.3 拮抗菌的分类鉴定
将筛选得到的菌株在LB液体培养基上28 ℃、180 r/min震荡培养24 h，收集菌体，参照细菌DNA提取试剂盒(DP302-02，天根生化科技有限公司)说明书提取基因组DNA，以芽孢杆菌16S rDNA通用引物27F(AGAGTTTGATCCTGGCTCAG)和1492R(TACGACTTAACCCCAATCGC)进行PCR扩增。扩增产物经10 g/L琼脂糖凝胶电泳检测合格后，送北京六合华大基因科技有限公司进行测序，所得序列通过EzBioCloud数据库(https://www.ezbiocloud.net/)进行在线比对，以相似性最高菌株的序列作为参比对象，参照鲁晏宏等[16]方法，采用MEGA6.0软件对各菌株的系统发育地位进行分析。
将菌株PBIB1、PBIB4和PBIB7在LB液体培养基上28 ℃、180 r/min震荡培养24 h，收集菌体，参照细菌DNA提取试剂盒(DP302-02，天根生化科技有限公司)说明书提取基因组DNA。将菌株基因组DNA送至北京赛默百合生物科技有限公司进行基因组测序，并进行比对分析，最终鉴定PBIB1、PBIB4和PBIB7。
1.2.4 拮抗菌对其他病原菌的拮抗活性测定
对病原细菌的拮抗活性测定：将芽孢杆菌在LB固体培养基上活化后，用打孔器打取直径为0.5 cm的菌饼，分别放置在含番茄青枯病菌(1.0×106 CFU/mL)的NA固体培养基和含水稻白叶枯病菌(1.0×106 CFU/mL)的PSA固体培养基上，28 ℃恒温静置培养48 h，测量并记录抑菌圈直径，每个处理重复3次。
对病原真菌的拮抗活性测定：将病原真菌在PDA固体培养基上28 ℃恒温静置培养5 d后，用打孔器打取直径为0.5 cm的菌饼，放置在新鲜的PDA平板中间；将准备好的芽孢杆菌菌饼围绕病原真菌呈三角形放置，于28 ℃恒温静置培养5 d，测量病菌半径(r)，并计算抑制率。以只放置病原菌菌饼的PDA平板为对照，每个处理重复3次。
$$ \text { 抑菌率 }=\left(r_{\text {对照 }}-r_{\text {处理 }}\right) / r_{\text {对照 }} \times 100 {\text{%}} 。 $$ (1) 1.2.5 室内防效测定
对梨火疫病菌的室内防效测定：参照Kharadi等[17]方法，挑取新鲜的芽孢杆菌和梨火疫病菌，分别在LB液体培养基和NA液体培养基中，28 ℃、180 r/min震荡培养24 h，测定菌液浓度并调至D600 nm=1.0。将等体积的芽孢杆菌和梨火疫病菌混合，取10 µL混合菌液接种在库尔勒香梨上，分别接种3 g/L四霉素(辽宁微科生物工程有限公司)
1000 倍稀释液和梨火疫病菌混合液、生防菌，以只接种病原菌为阳性对照，以只接种无菌水为阴性对照。试验重复3次，每次每个处理接种5个梨。将接种后的梨放置于28 ℃静置，5 d后和7 d后分别拍照记录发病情况，并于7 d后计算防治效果。对草莓炭疽病菌的室内防效测定：参照Ma等[18]方法，将草莓炭疽病菌在PDA固体培养基上，28 ℃培养8 d，刮取菌丝放入适量无菌水中，用无菌涂布棒搅拌混匀，4层无菌纱布过滤，采用血球计数板统计滤液中的孢子浓度，用无菌水将孢子浓度稀释至1.0×106 CFU/mL，备用。挑取新鲜的芽孢杆菌，在LB液体培养基中28 ℃、180 r/min震荡培养48 h，测定菌液浓度并调至D600 nm=1.0。将等体积的草莓炭疽病菌孢子悬浮液和芽孢杆菌菌悬液混合，吸取10 µL注射至草莓叶片上，同时设只接种生防菌处理，以只接种病原菌为阳性对照，以只接无菌水处理为阴性对照。试验重复3次，每次每个处理接种10片叶片。将接种后的叶片放置于28 ℃静置并保湿，第4 天和第6 天分别拍照记录发病情况，并于第6 天根据病斑直径(d)计算防效。
$$ \text { 防效 }=\left(d_{\text {阳性对照 }}-d_{\text {处理 }}\right) / d_{\text {阳性对照 }} \times 100 {\text{%}} \text { 。 } $$ (2) 1.2.6 数据分析
数据采用SPSS软件进行单因素方差分析中的Duncan’s法进行显著性分析。
2. 结果与分析
2.1 拮抗菌筛选
通过对采集的8份土样初筛，共获得10个对梨火疫病菌具有拮抗作用的菌株。采用平板对峙法对得到的10个菌株的抑菌能力进行复筛，以抑菌圈直径的大小表示拮抗能力的强弱。结果(图1)显示，菌株PBIB4和PBIB1的抑菌作用最强，抑菌圈直径分别为4.23和4.17 cm；其次为PBIB9和PBIB7，抑菌圈直径分别为4.07和3.70 cm；有8个菌株对梨火疫病菌的抑菌圈直径超过3 cm，占总筛选菌株总数的80%。
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图 1 生防芽孢杆菌菌株对梨火疫病菌的拮抗作用柱子上方的不同小写字母表明差异显著(P<0. 05， Duncan’s法)。Figure 1. Antagonistic effects of biocontrol Bacillus strains on Erwinia amylovoraDifferent lowercase letters on bars indicate significant differences (P<0. 05，Duncan’s method).2.2 拮抗菌的分类鉴定
对所得的10个拮抗菌株分别提取基因组DNA，以16S rDNA引物进行PCR 扩增，对获得的序列进行测序，得到的测序结果提交NCBI数据库进行比对，选择相似度较高的模式菌株序列以及测序获得的序列构建系统发育树。结果(图2)显示，所得10个菌株均为芽孢杆菌，其中PBIB1、PBIB2、PBIB4、PBIB5、PBIB6和PBIB9初步鉴定为贝莱斯芽孢杆菌B. velezensis，PBIB3为席勒氏短芽孢杆菌B. schisleri，PBIB7 和PBIB8为特基拉芽孢杆菌B. tequilensis或枯草芽孢杆菌，PBIB10为多黏类芽孢杆菌。
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图 2 基于16S rDNA基因序列构建的拮抗芽孢杆菌系统发育树Figure 2. Phylogenetic tree of antagonist Bacillus strains based on 16S rDNA gene sequences为进一步鉴定这些芽孢杆菌，我们挑选对梨火疫病菌拮抗效果较好的3株菌PBIB1、PBIB4和PBIB7，提取其基因组并进行测序分析。测序结果和NCBI基因组数据库进行比对，结果显示，PBIB1(BioSample accessions：SAMN40965255)、PBIB4(BioSample accessions：SAMN40965255)和PBIB7(BioSample accessions：SAMN40965255)分别与贝莱斯芽孢杆菌SF334、贝莱斯芽孢杆菌AD8和枯草芽孢杆菌YB-15的序列相似性最高，分别为99.85%、99.99%和99.78%，表明PBIB1和PBIB4为贝莱斯芽孢杆菌，PBIB7为枯草芽孢杆菌。
2.3 拮抗菌对番茄青枯病菌和水稻白叶枯病菌的拮抗活性
为进一步测定所得拮抗菌株对植物病原细菌的抑制效果，选择生产上对蔬菜和水稻威胁严重的2种病原细菌番茄青枯病菌和水稻白叶枯病菌，检测PBIB1、PBIB4和PBIB7对其的拮抗活性。平板拮抗试验结果(图3)显示，这3个芽孢杆菌对番茄青枯病菌和水稻白叶枯病菌均具有拮抗作用，其中，PBIB1、PBIB4和PBIB7对番茄青枯病菌的抑菌圈直径分别为3.15、3.20和2.85 cm，对水稻白叶枯病菌的抑菌圈直径分别为5.80、5.95和4.50 cm。
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图 3 3株芽孢杆菌对番茄青枯病菌和水稻白叶枯病菌的拮抗活性Figure 3. Antagonistic activities of three Bacillus strains against Ralstonia solanacearum and Xanthomonas oryzae pv. oryzae2.4 拮抗菌对草莓炭疽病菌和小麦赤霉病菌的拮抗活性
为进一步检测所得拮抗菌株的抑菌谱，本研究采用平板对峙法，测定了PBIB1、PBIB4和PBIB7对重要的植物病原真菌草莓炭疽病菌和小麦赤霉病菌的拮抗作用。结果(图4)显示，PBIB1、PBIB4和PBIB7对2个病原真菌均具有明显的拮抗作用，三者对草莓炭疽病菌的抑菌率分别为86.77%、82.09%和76.40%，对小麦赤霉病菌的抑菌率分别为78.89%、71.85%和65.93%(表1)。
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图 4 3株芽孢杆菌对草莓炭疽病菌和小麦赤霉病菌的拮抗活性Figure 4. Antagonistic activities of three Bacillus strains against Colletotrichum gloeosporioides and Fusarium graminearum表 1 3株芽孢杆菌对草莓炭疽病菌和小麦赤霉病菌的抑菌率1)Table 1. Inhibition rates of three Bacillus strains against Colletotrichum gloeosporioides and Fusarium graminearum% 菌株 Strain 草莓炭疽病菌 C. gloeosporioides 小麦赤霉病菌 F. graminearum PBIB1 86.77±1.83a 78.89±3.33a PBIB4 82.09±1.33ab 71.85±1.28b PBIB7 76.40±1.86b 65.93±2.57c 1) 同列数据后的不同小写字母表示差异显著(P<0. 05， Duncan’s法)。
1) Different lowercase letters in the same column indicate significant differences (P<0. 05，Duncan’s method).2.5 拮抗菌对梨火疫病的室内防效
对梨火疫病室内防效测定结果(图5)显示，接种5和7 d后，拮抗菌和四霉素均能显著抑制火疫病菌侵染梨果实。进一步分析(表2)表明，接种7 d后，PBIB1和PBIB4对梨火疫病防治效果最好，分别为82.83%和78.84%；其次为PBIB7，对梨火疫病的防治效果68.86%。此外，对照组四霉素处理对梨火疫病的防效为63.87%。
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图 5 3株芽孢杆菌对梨火疫病的室内防效1：Erwinia amylovora；2：PBIB1+E. amylovora；3：PBIB4+E. amylovora；4：PBIB7+E. amylovora；5：四霉素Tetramycin+E. amylovor；6：ddH2O。Figure 5. Control effects of three Bacillus strains on fire blight in greenhouse表 2 不同处理后梨火疫病病斑直径和防效Table 2. The lesion diameters and the control effects on fire blight after different treatments处理 Treatment 病斑直径/cm
Disease spot diameter防效1)/%
Control effectPBIB1 0 PBIB1+Erwinia amylovora 0.28±0.03 82.83±1.17a PBIB4 0 PBIB4+E. amylovora 0.35±0.09 78.84±4.56a PBIB7 0 PBIB7+E. amylovora 0.51±0.08 68.86±3.82b E. amylovora 1.67±0.06 四霉素+E. amylovora Tetramycin+E. amylovora 0.60±0.08 63.87±4.03b ddH2O 0 1) 同列数据后的不同小写字母表示差异显著(P<0. 05， Duncan’s法)。
1) Different lowercase letters in the same column indicate significant differences (P<0. 05，Duncan’s method).2.6 拮抗菌对草莓炭疽病的室内防效
对草莓炭疽病室内防效测定结果(图6)显示，接种4和6 d后，拮抗菌均能显著抑制炭疽病菌侵染草莓叶片。进一步分析(表3)表明接种6 d后， PBIB1和PBIB4对草莓炭疽病的防治效果最好，分别为92.31%和90.38%； PBIB7次之，对草莓炭疽病的防治效果为67.30%。
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图 6 3株芽孢杆菌对草莓炭疽病的室内防效Figure 6. Control effect of three Bacillus strains on strawberry anthracnose in greenhouse表 3 不同处理后草莓炭疽病病斑直径和防效Table 3. The lesion diameters and the control effects on strawberry anthracnose after different treatments处理
Treatment病斑直径/cm
Disease spot diameter防效1)/%
Control effectPBIB1 0 PBIB1+Colletotrichum gloeosporioides 0.13±0.05 92.31±3.03a PBIB4 0 PBIB4+C. gloeosporioides 0.17±0.06 90.38±3.67a PBIB7 0 PBIB7+C. gloeosporioides 0.57±0.09 67.30±4.88b C. gloeosporioides 1.73±0.12 ddH2O 0 1) 同列数据后的不同小写字母表示差异显著(P<0. 05， Duncan’s法)。
1) Different lowercase letters in the same column indicate significant differences (P<0. 05，Duncan’s method).3. 讨论与结论
红树林复杂而独特的生态系统决定了其微生物的多样性及资源的珍稀性[19]。研究表明，细菌是红树林生态系统中最主要的微生物类群，其次是真菌，放线菌和微型藻类相对较少[20]。崔莹等[21]在海南红树林土壤中分离到155株芽孢杆菌，分属21个遗传类群，显示出海南红树林土壤中芽孢杆菌丰富的遗传多样性。本研究以梨火疫病菌为生防靶标，在8份福建红树林沉积物中特异筛选到10株具有拮抗活性的芽孢杆菌。16S rDNA鉴定结果显示，这10株菌分属于贝莱斯芽孢杆菌、席勒氏短芽孢杆菌、特基拉芽孢杆菌或枯草芽孢杆菌，以及多黏类芽孢杆菌等，表明福建红树林沉积物中具有丰富的生防资源。戴悦等[22]在广东省湛江市红树林根际土壤中筛选到107株对动物病原细菌有拮抗作用的菌株，其中肠杆菌属占比最多，为69.2%，其次为芽孢杆菌属，占比为15.9%。本研究特异性筛选了芽孢杆菌，而对红树林中其他类型生防资源的挖掘与利用，还有待下一步的研究。
梨火疫病是我国进境植物检疫危险性病害，于2016年入侵我国新疆地区[23-24]。目前，我国种植的梨树多为梨火疫病感病品种，尤其是经济价值较高的库尔勒香梨，对梨火疫病表现为高感[25]。基于近年对绿色环保的要求，农用链霉素产品已全部退出我国市场[26]，因此急需开发高效绿色的生防产品，以应对梨火疫病流行风险。本研究对筛选到的3株生防芽孢杆菌进行梨火疫病室内防效测定，结果显示，PBIB1、PBIB4和PBIB7对梨火疫病的防治效果分别为82.83%、78.84%和68.86%。下一步将以这3株菌为基础，重点研究其抑菌机制，优化其发酵条件，为开发梨火疫病的生防制剂打好基础。
在田间环境下，由多种病原菌复合侵染导致的病害较为常见，和单一病原菌侵染引起的病害相比，其造成的损失要更加严重，且防控难度高[27]。如不同尖孢镰刀菌专化型复合侵染引起的番茄枯萎病[28]，黑点根腐病菌和镰孢菌复合侵染引起的甜瓜根腐病[29]，围小丛壳菌与葡萄座腔菌复合侵染引起茶褐枯病等[30]。在新疆梨园中，也观察到火疫病菌和轮纹病菌共同侵染导致梨树发病的现象。利用广谱拮抗活性的生防菌是防治复合侵染病害的有效手段。本研究对PBIB1、PBIB4和PBIB7的进一步分析显示，其对番茄青枯病菌、水稻白叶枯病菌、草莓炭疽病菌、小麦赤霉病菌等主要作物病原菌均具有很好的拮抗作用，且对草莓炭疽病菌的盆栽防效分别为92.31%、90.38%和67.30%，表明PBIB1、PBIB4和PBIB7具有作为广谱拮抗菌的应用潜力。
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图 5 x轴和y轴轨迹跟踪(A、B)及跟踪误差(C、D)
Figure 5. Trajectory tracking (A, B) and tracking errors (C, D) of x-axis and y-axis
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