李 寧

(鄭州升達經(jīng)貿(mào)管理學院,鄭州 451191)

0 引言

隨著農(nóng)業(yè)裝備與應用技術的不斷創(chuàng)新,我國的插秧水平逐步呈現(xiàn)飛速發(fā)展的態(tài)勢。智能化、精準化的插秧機具可以大大減少人工插秧成本,還可以提升插秧作業(yè)效率。近年來,我國業(yè)內(nèi)專家學者不斷致力于插秧機的功能實現(xiàn)與結構設計研究,在覆膜功能、秧深控制、施肥功能等研究方面均有很大進展,但從實踐作業(yè)調(diào)研顯示數(shù)據(jù)來看,水稻插秧機在作業(yè)過程控制方面還需進一步提升。與此同時,數(shù)學領域的偏微分方程及多階算法已越來越多地被應用至機械結構的現(xiàn)代化控制設計中。為此,基于當前的研究基礎,以數(shù)學偏微分控制算法為基點,針對水稻插秧機的控制系統(tǒng)展開優(yōu)化探究。

1 水稻插秧機概述

一臺完整的水稻插秧機通常由傳動裝置進行動作指令輸入,送秧機構、分秧結構、插植機構等相繼開始動作,各機構由整機中心控制裝置驅(qū)動,需要考慮水稻插秧機整機的結構部件分配及水稻圖像提取、秧苗秧距、秧苗秧深等關鍵參數(shù)的監(jiān)測精準性。傳統(tǒng)的控制算法較為粗放,故以控制算法進一步提升為目標,選擇適用性強的VP型高速水稻插秧機為優(yōu)化對象展開研究。所研究的插秧機采用HMT變速方式,由插植部和控制部兩大部分組成,其核心參數(shù)配置如表1所示。

表1 VP型水稻插秧機核心參數(shù)配置列表

2 數(shù)學偏微分應用

2.1 搭建模型

首先,進行偏微分方程應用下的數(shù)學模型搭建分析?？紤]偏微分方程具有模糊邊界控制處理與圖像特殊部位準確處理的計算優(yōu)勢,從插秧機理的信息獲取與信息傳遞的角度出發(fā),選擇關鍵項的參數(shù)(如圖像、位姿、插秧深度等)進行控制輸入,建立偏微分模型為

(1)

式中u—偏微分控制參數(shù),如圖像等;

φ—模型的正實數(shù)函數(shù)集合;

Δu—偏微分控制參數(shù)梯度;

u0—偏控制模型參數(shù)初始值;

t—偏微分控制的虛擬時間變量參數(shù);

x、y—偏微分控制參數(shù)執(zhí)行坐標。

同時,對上述偏微分控制匹配相應的三級通信加權鄰接算法,實現(xiàn)一定精度及速度的收斂,以確保插秧作業(yè)過程中各參數(shù)反饋調(diào)控的一致性功能要求;進一步,以數(shù)學偏微分算法模型為基點,給出插秧機系統(tǒng)優(yōu)化功能實現(xiàn)簡圖,如圖1所示。將整體分解為結構子系統(tǒng)與控制子系統(tǒng),從力學傳遞、運動傳遞與控制傳動3個層面進行插秧機作業(yè)精度改善。其中,控制子系統(tǒng)采用系統(tǒng)控制優(yōu)化方法,結構子系統(tǒng)采用核心部件改進方法,實現(xiàn)插秧作業(yè)過程的振動性能及各組件的傳動效率等優(yōu)化。

2.2 系統(tǒng)控制優(yōu)化

插秧信號獲取方面,運用背景與目標相區(qū)別的視覺處理算法,針對重點的邊緣、節(jié)點進行偏微分程序?qū)?還需保證計算的精度與速度;插秧信號傳遞方面,實現(xiàn)SAE系列的通信協(xié)議,并基于插秧實踐特點,考慮速度的波動影響,引入改進型的PID算法,考慮推桿長度及伸縮特性,實施非線性的微分計算控制,以確保參數(shù)的實時調(diào)整。

圖1 數(shù)學偏微分模型的插秧機系統(tǒng)優(yōu)化功能實現(xiàn)簡圖Fig.1 Diagram of optimization function realization of the transplanter system based on the mathematical partial differential model

針對插秧信號執(zhí)行方面,以電驅(qū)動控制為主導,給出數(shù)學偏微分控制的系統(tǒng)參數(shù)監(jiān)測電路設計簡圖,如圖2所示。以偏微分處理的信號模塊為中心,將插秧系統(tǒng)的電源電壓設為起點,重點監(jiān)測頻率,并經(jīng)信號轉換形成可識別的電壓信號,傳送至系統(tǒng)的控制參數(shù)采集儀;將中心模塊的參數(shù)與先前的控制傳感器監(jiān)測參數(shù)進行內(nèi)部互通,做出最終的系統(tǒng)調(diào)控指令,進而指導整機插秧精準化作業(yè)執(zhí)行。

圖2 數(shù)學偏微分控制的系統(tǒng)參數(shù)監(jiān)測電路設計簡圖Fig.2 Design diagram of the system parameter monitoring circuit of mathematical partial differential control

2.3 整機部件改進

將插秧信息采集的裝置進行改進,增設視覺功能強大的圖像采集裝置,此處給出數(shù)學偏微分應用的水稻插秧機控制系統(tǒng)采集模塊參數(shù)選型,如表2所示。采用成熟的Windows運行系統(tǒng),將幀頻與分辨率等核心控制參數(shù)設置為高段位,以確保插過程數(shù)據(jù)處理的及時性,從而使插秧部的機構位姿獲取更為精準。

水稻插秧機在行進插秧過程中,以行進速度與插秧速度之間的內(nèi)在關系為改善基點,增設偏微分控制部件;選取加速度計與接近開關,注重結構與控制的協(xié)同關系,以實現(xiàn)插秧的作業(yè)精度目標?？紤]部件的運動角速度關系及承受的應力應變關系,設計水稻插秧機控制系統(tǒng)的執(zhí)行裝置,其連接原理如圖3所示。將偏微分控制部件增設在整機操作桿與推桿電機之間,實現(xiàn)控制參數(shù)的微調(diào)功能。其中,操作桿動作分解為上升、停止、下降、插秧等擋位,再經(jīng)AD轉換裝置將指令送至插秧作業(yè)控制器端,后續(xù)進行插秧的準確作業(yè)。

表2 偏微分應用的水稻插秧機控制系統(tǒng)采集模塊參數(shù)選型

圖3 插秧機控制系統(tǒng)的執(zhí)行裝置連接原理框圖Fig.3 Block diagram of the connection principle of the actuator of the rice transplanter control system

3 整機作業(yè)試驗

3.1 作業(yè)條件

基于上述偏微分控制優(yōu)化下的水稻插秧機整機改善方案,選擇300m×1800m的試驗田,進行插秧作業(yè)性能驗證。從基于偏微分應用的整機作業(yè)試驗場景(見圖4)可以看出,重點關注整機在插秧過程中的計算機監(jiān)控、狀態(tài)檢測及圖像采集模塊等。

核心作業(yè)條件設置如下:

1) 系統(tǒng)進行插秧作業(yè)路徑規(guī)劃的一致性,確保評價條件相同;

2) 系統(tǒng)各結構組件動作順暢,過程監(jiān)測參數(shù)連續(xù)性,確保評價數(shù)據(jù)有效;

3) 插秧過程需滿足插秧作業(yè)的各農(nóng)藝參數(shù)要求,如避障、空載、轉彎等。

1.計算機監(jiān)控 2.插秧機作業(yè)狀態(tài)檢測 3.圖像采集圖4 基于偏微分應用的整機作業(yè)試驗場景Fig.4 Test scenario of the whole machine operation based on the partial differential application

3.2 過程分析

以GB/T6243-2003《水稻插秧機試驗方法》為標準,進行試驗田的分塊編碼插秧對比,共記錄6塊田地,分別設置秧深為5.50、6.5、7.5mm進行參數(shù)對照;插秧作業(yè)完成后,應確保秧苗的直立狀態(tài),并輸出原始監(jiān)測參數(shù),得到基于偏微分的各插秧試驗分組的秧苗插植情況(深度)數(shù)據(jù)統(tǒng)計,如表3所示。由表3可以看出:秧深為5.50mm時,系統(tǒng)的執(zhí)行偏差分別為2.73%和2.36%;秧深為6.50mm時,系統(tǒng)的執(zhí)行偏差分別為-1.85%和2.92%;秧深為7.50mm時,系統(tǒng)的執(zhí)行偏差分別為3.47%和2.53%。綜合來看,實際得到的插秧深度偏差范圍為[-1.50,+4.00],滿足插秧深度小于6mm的參數(shù)要求。

表3 各插秧試驗分組的秧苗插植情況(深度)數(shù)據(jù)統(tǒng)計

進一步考慮整機插秧各表征參數(shù)對于系統(tǒng)綜合效率的影響,基于數(shù)學偏微分控制模型,選取插秧系統(tǒng)的秧深精度、系統(tǒng)穩(wěn)定度、秧苗損失率、插秧合格率及整機綜合作業(yè)效率作為主要性能評價參數(shù),得到基于偏微分控制的水稻插秧機系統(tǒng)優(yōu)化性能對比,如表4所示。由表4可知:秧深精度可由87.50%提升為95.10%,系統(tǒng)穩(wěn)定度可同步由89.20%提升至93.54%;經(jīng)換算的秧苗損失率由0.68%降低至0.45%,損失率大大降低,且滿足農(nóng)藝設計要求;結合漂秧、翻倒、漏插等參數(shù),插秧合格率由83.50%提升至92.08%,整機綜合作業(yè)效率由84.79%提升至91.12%,驗證了系統(tǒng)優(yōu)化的正確性與可行性。

表4 基于偏微分控制的水稻插秧機系統(tǒng)優(yōu)化性能對比列表

4 結論

1) 以水稻插秧機的作用機理為基礎,通過搭建偏微分數(shù)學控制算法模型,針對系統(tǒng)進行控制設計與部件配置優(yōu)化,實現(xiàn)完整升級型的水稻插秧機整機控制性能提升。實地插秧作業(yè)開展優(yōu)化驗證,結果表明:基于偏微分應用的整機秧苗損失率得到有效降低,插秧合格率得到明顯提升,達到了預期的設計目標與插秧性能改善效果。

2) 此數(shù)學偏微分算法應用下的插秧系統(tǒng)優(yōu)化思維,基于微分的內(nèi)部精準求解模型展開,具有科學指導價值與實踐研究意義,是農(nóng)機裝備不斷更新的重要途徑之一,將其與信息化手段相融合是設計發(fā)展的趨勢。