鄭仕勇，朱　強(qiáng)，覃德澤，鮑秀蘭

(1.賀州學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與信息工程學(xué)院，廣西 賀州　452899；2.中原工學(xué)院 信息商務(wù)學(xué)院，鄭州　450007；3.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)，武漢　430070)

?

基于多信道路由控制的精量播種機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)

鄭仕勇1，朱強(qiáng)2，覃德澤1，鮑秀蘭3

(1.賀州學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與信息工程學(xué)院，廣西 賀州452899；2.中原工學(xué)院 信息商務(wù)學(xué)院，鄭州450007；3.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)，武漢430070)

摘要：為了提高花生播種機(jī)播種的質(zhì)量及作業(yè)效率，在花生引播機(jī)的路徑和排種器的控制系統(tǒng)中，引入了多信道獨(dú)立通信原理，降低了播種過(guò)程的漏種率；利用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制原理，結(jié)合模糊域?qū)ㄉシN機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了非線性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)。為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的花生精量播種機(jī)結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)的可靠性，對(duì)花生播種機(jī)進(jìn)行了田間試驗(yàn)，結(jié)果表明：多信道路由花生播種機(jī)的合格率要明顯高于傳統(tǒng)的播種機(jī)，重播率要明顯低于傳統(tǒng)的播種機(jī)，破碎率和空穴率都比較低。這說(shuō)明播種機(jī)的路徑選擇和排種器的控制都達(dá)到了最優(yōu)，為花生播種機(jī)的研究和設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：精量播種；模糊控制；播種質(zhì)量；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；排種器；多路由

0引言

播種機(jī)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中是非常關(guān)鍵的，為了配合農(nóng)作物的生長(zhǎng)時(shí)間，必須在較短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行播種，精量播種機(jī)可以根據(jù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的要求，將種子播種到土地里，使作物良好的生長(zhǎng)。播種的質(zhì)量好壞直接關(guān)系到作物的出苗和成長(zhǎng)，因此對(duì)作物的產(chǎn)量影響很大。由于精密播種機(jī)可以保證種子在田間得到最合理的生長(zhǎng)環(huán)境、播種質(zhì)量高、株距均勻、播種深度可以調(diào)節(jié)，為作物的生長(zhǎng)發(fā)育創(chuàng)造了良好的條件，不僅可以節(jié)省大量的種子，而且提高了作物的產(chǎn)量。為了提高播種機(jī)播種速度及播種精度，本文依據(jù)模糊控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理對(duì)排種器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，使用多路多信道控制對(duì)花生引播機(jī)和排種器進(jìn)行聯(lián)合控制，大大提高了播種的效率，提高了播種的質(zhì)量。

1花生精良播種機(jī)總體設(shè)計(jì)

隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)方式發(fā)生了巨大的變化，而這些變化中最主要的就是播種方式的改變，各種各樣現(xiàn)代化、自動(dòng)化的播種方式，極大地提高了播種的效率和播種質(zhì)量。

圖1為花生播種機(jī)的總體優(yōu)化設(shè)計(jì)流程。由圖1可以看出：花生播種器的總體設(shè)計(jì)主要包括排種器類(lèi)型的設(shè)計(jì)及排障器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化(見(jiàn)圖2)，在排種器和引播機(jī)的控制中使用多路由多信道控制，最后通過(guò)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)，對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化。

排種器傾斜角度的優(yōu)化是通過(guò)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)的，通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)算法，降低初始傾斜角度的射擊誤差，從而得到初始傾斜的設(shè)計(jì)角度。

圖1　花生播種機(jī)總體優(yōu)化設(shè)計(jì)

圖2　排種器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

2花生引播機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

播種機(jī)的主要功用性評(píng)價(jià)是利用一定的株距或者播量，將種子以一定的深度播種到土壤里，然后覆土，通過(guò)施肥、噴灑農(nóng)藥和鋤草等操作，為種子的生長(zhǎng)提供較好的條件，從而提高糧食的產(chǎn)量。

圖3為播種中耕通用機(jī)，其引播裝置為動(dòng)力機(jī)械，主要環(huán)節(jié)是排種器的設(shè)計(jì)。排種器和引播機(jī)械通過(guò)獨(dú)立信道控制，實(shí)現(xiàn)了多路由多路徑的精密播種控制。排種器主要分為兩類(lèi)：一是立式圓盤(pán)排種器；二是傾斜圓盤(pán)碟式排種器。立式圓盤(pán)排種器如圖4所示。

1.種箱　2.后支臂　3.仿形機(jī)構(gòu)　4.主梁　5.肥箱　6.下懸掛點(diǎn)

1.種箱　2.種子　3.清種板　4.護(hù)種板　5.立式圓盤(pán)

如圖4所示，圓盤(pán)的安裝方式采用和地輪一根軸式的安裝，種子首先經(jīng)過(guò)圓盤(pán)的孔，然后隨著圓盤(pán)一起旋轉(zhuǎn)，多余的種子會(huì)被刮種板去掉。在護(hù)種板的作用下，種子受到自身重力的作用，投入到種溝中，完成排種作業(yè)。

圖5為傾斜圓盤(pán)碟式排種器，主分為殼體式和箱式。如圖1所示排種器工作時(shí)，驅(qū)動(dòng)軸通過(guò)錐齒輪將動(dòng)力傳遞到分種碟，分種碟隨之轉(zhuǎn)動(dòng)； 位于種箱下部充種區(qū)的種子滑入由分種匙和隔板斜交形成的持種空間，隨著分種碟旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，種子由分種匙向上托起。

1.固定支架　2.殼體　3.分種碟　4.分種匙　5.種箱

如圖6所示，持種空間的體積取決于分種匙頂部的厚度Hs、寬度Bs、斜圓柱半徑Rs和圓柱面相對(duì)于隔板傾斜角度s，確定合理的分種匙結(jié)構(gòu)參數(shù)是保證播種質(zhì)量的充分條件。

圖6　分種匙的結(jié)構(gòu)

圖7表示清種過(guò)程的受力，由力的分布可以建立各個(gè)力之間的平衡關(guān)系。其主要表達(dá)式為

(mgcosβcosθ1+mω2R)cosα+mgsinβsinα-N=0

(1)

其中，m表示種子質(zhì)量；g表示重力加速度；α表示導(dǎo)種平面角；β表示傾斜角度；ω表示角速度；R表示分種碟半徑。在臨界條件下，N為0，則表達(dá)式可以寫(xiě)成

(mgcosβcosθ1+mω2R)cosα+mgsinβsinα=0

(2)

由此可以得到清種的初始角度為

(3)

影響排種器性能的好壞主要取決于分種碟轉(zhuǎn)速、傾斜角度及分種碟半徑。為了優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，需要對(duì)初始傾斜角度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，本文采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化算法對(duì)初始傾斜角度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)如圖8所示。

1.導(dǎo)種管　2.隔板　3.花生　4.分種碟　5.驅(qū)動(dòng)齒輪

圖8　神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)主要有3個(gè)層次構(gòu)成，包括輸入層、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法推理計(jì)算層和輸出層，結(jié)合模糊域可以對(duì)清種粒進(jìn)行非線性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)。對(duì)初始傾斜角度誤差E、誤差變化率EC、控制量U的模糊集合及論域定義如下：E、EC和U的集合均為{NB、NM、NS、0、PS、PM、PB}隸屬度函數(shù)均為三角函數(shù)，如圖9所示。

按照?qǐng)D9的設(shè)置，可以繼續(xù)分別設(shè)置變量初始傾斜角度的隸屬度函數(shù)、變量U的隸屬函數(shù)，通過(guò)模糊控制優(yōu)化可以得到如圖10所示的殘差計(jì)算曲線。

圖10表示利用模糊BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化后得到的誤差曲線，利用MatLab模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算可以得到初始傾斜角度的數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)可以對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3多信道路由花生精量播種機(jī)測(cè)試

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的多信道路由花生精量播種機(jī)的播種效果，設(shè)計(jì)了播種機(jī)的播種試驗(yàn)，分別采用獨(dú)立信道路由對(duì)播種機(jī)的路徑和排種裝置進(jìn)行控制，裝置如圖11所示。

圖9　變量E的隸屬度函數(shù)

圖10　Matlab計(jì)算誤差曲線

圖11　花生精量播種機(jī)示意圖

為了驗(yàn)證播種機(jī)的播種效果，以穴粒數(shù)合格率、重播率、破碎率及空穴率作為試驗(yàn)指標(biāo)，其統(tǒng)計(jì)計(jì)算公式分別如下：

穴粒數(shù)合格率為

(4)

重播率為

(5)

破碎率為

(6)

空穴率為

(7)

其中，T表示實(shí)驗(yàn)過(guò)程中總的播種穴數(shù)；n1表示具有2個(gè)籽粒的穴的個(gè)數(shù)；n2表示具有3個(gè)籽粒的穴的個(gè)數(shù)；n3表示具有破碎籽粒的穴的個(gè)數(shù)；n4表示具有空穴籽粒的穴的個(gè)數(shù)。圖12為使用傳統(tǒng)花生播種機(jī)和多信道路由控制花生播種機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)得到的合格率對(duì)比曲線。由圖12可以看出：隨著試驗(yàn)測(cè)試的增加，兩種機(jī)械的試驗(yàn)結(jié)果都比較穩(wěn)定，說(shuō)明試驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效性。由曲線可以看出：多信道路由花生播種機(jī)的合格率要明顯高于傳統(tǒng)的播種機(jī)，從而驗(yàn)證了多信道路由控制花生播種機(jī)的有效性和可靠性。

圖12　合格率對(duì)比曲線

圖13為使用傳統(tǒng)花生播種機(jī)和多信道路由控制花生播種機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)得到的重播率對(duì)比曲線。由圖13可以看出：多信道路由花生播種機(jī)的重播率要明顯低于傳統(tǒng)的播種機(jī)。這是由于在多信道路由聯(lián)合控制下，播種的路徑和排種器的精度都得到了控制，從而使播種機(jī)的效果達(dá)到了最優(yōu)。

表1表示多信道路由控制花生精量播種機(jī)播種過(guò)程破碎率和空穴率的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由表1可以看出：該裝置的破碎率和空穴率都比較低，這說(shuō)明播種機(jī)的路徑選擇和排種器的控制都達(dá)到了最優(yōu)，從而驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的播種機(jī)械的可靠性。

圖13　重播率隨實(shí)驗(yàn)次數(shù)變化曲線

%

4結(jié)論

1)為了提高花生播種的質(zhì)量，提高播種機(jī)械的作業(yè)效率，在播種路徑和控制系統(tǒng)中，使用了多路由多信道控制原理，從而大大降低了播種機(jī)的漏播率；采用了模糊神經(jīng)控制方法對(duì)排種器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)播種器傾斜角度進(jìn)行了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高了播種器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化效果。

2)為了驗(yàn)證裝置的有效性和可靠性，通過(guò)田間試驗(yàn)的方法對(duì)裝置進(jìn)行了驗(yàn)證。通過(guò)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，該播種器機(jī)的合格率要明顯高于傳統(tǒng)的播種機(jī)，并且具有重播率低、破碎低和空穴率低等優(yōu)點(diǎn)。

3)本文設(shè)計(jì)的花生播種器可以?xún)?yōu)化的地方還有很多，比如控制系統(tǒng)的優(yōu)化及路徑優(yōu)化等等，在今后的設(shè)計(jì)中，還需要加入更多的優(yōu)化因素，使該播種機(jī)的適應(yīng)性更強(qiáng)，應(yīng)用范圍更廣。

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Optimization Design of Precision Seeder Based on Multi-channel Routing Control

Zheng Shiyong1, Zhu Qiang2, Qin Deze1, Bao Xiulan3

(1.College of Computer Science & Information Technology,Hezhou University,Hezhou 452899, China; 2.College of Information & Business, Zhongyuan University of Technology,Zhengzhou 450007, China; 3.Huazhong Agricultural University,Wuhan 430070, China)

Abstract：In order to improve the quality of sowing peanut seeder seeding, improve working efficiency, control system in peanut sowing machine guide path and metering device, the introduction of multi channel independent communication principle, reducing the leakage rate of seeding process; fuzzy neural network control theory, combining the fuzzy domain structure of peanut seeder the nonlinear optimization design.In order to verify the reliability of the design of peanut sowing machine structure and control system, the field test of peanut planter, find the qualified rate was higher than that of the traditional seeding machine multi channel routing peanut seeder by experiment, the replay rate was significantly lower than that of the traditional sowing machine, the broken rate and hole rate is relatively low, the description of choice and path control metering seeder has reached the optimal, and it provides a theoretical basis for the research and design of the peanut planter.

Key words：precision seeding; fuzzy control; sowing quality; neural network; metering device; multi-channel routing

文章編號(hào)：1003-188X(2016)05-0138-05

中圖分類(lèi)號(hào)：S223.2+3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：鄭仕勇(1983-)，男，廣西桂林人，講師，碩士，(E-mail) zhengshiyong1983@163.com。

基金項(xiàng)目：湖北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2014CFB322);廣西科學(xué)研究與技術(shù)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目(桂科轉(zhuǎn)1355009-9)

收稿日期：2015-04-15