非規(guī)則齒輪行星系扎穴機構(gòu)設(shè)計—基于粒計算決策樹并行算法

魏小燕

(湖北經(jīng)濟學(xué)院 統(tǒng)計學(xué)院，武漢　430205)

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非規(guī)則齒輪行星系扎穴機構(gòu)設(shè)計—基于粒計算決策樹并行算法

魏小燕

(湖北經(jīng)濟學(xué)院 統(tǒng)計學(xué)院，武漢430205)

摘要：作為占據(jù)世界21%人口的農(nóng)業(yè)大國，中國要發(fā)展先進的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，需要合理使用化學(xué)肥料，提高肥料的使用效率。與固態(tài)肥料相比較，液態(tài)更容易被作物吸收，肥料利用更直接，效率較高，經(jīng)濟成本更低。在國際上，俄羅斯、美國、澳大利亞等國家已經(jīng)率先使用了液態(tài)肥料。為了節(jié)省肥料、提高農(nóng)作物對肥料的吸收利用率、節(jié)省經(jīng)濟成本及降低對土壤的污染，基于粒計算決策樹并行算法，設(shè)計了非規(guī)則齒輪行星系扎穴機構(gòu)。該扎穴裝置在作業(yè)中，化學(xué)肥液浪費較少、吸收效率較高。

關(guān)鍵詞：粒計算；決策樹；并行算法；齒輪行星；扎穴機構(gòu)

0引言

中國人口依舊持續(xù)增長，其與資源的矛盾逐漸顯現(xiàn)出來，化學(xué)肥料的亂用也導(dǎo)致環(huán)境污染日益突出。資源匱乏和環(huán)境污染是中國發(fā)展中面臨的兩個重大問題，兩者制約著中國經(jīng)濟社會的發(fā)展。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資源投入比較高，但產(chǎn)量增長空間卻很低，肥料資源的利用率也比較低，浪費嚴(yán)重。實現(xiàn)中國的可持續(xù)發(fā)展，解決資源緊缺的問題，就必須著手發(fā)展高科技農(nóng)業(yè)技術(shù)服務(wù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，利用先進農(nóng)業(yè)技術(shù)提高資源利用率，在節(jié)約、合理地使用資源的同時，使農(nóng)作物產(chǎn)量達到最大化，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展。為了實現(xiàn)農(nóng)業(yè)低成本和生態(tài)環(huán)境與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的協(xié)調(diào)發(fā)展，應(yīng)著重發(fā)展應(yīng)用液體肥料，同時大力發(fā)展液態(tài)施肥裝置，設(shè)計制造出適合我國實際情況的液態(tài)施肥機械。本文以液態(tài)肥料為施肥對象，基于粒計算決策樹并行算法，設(shè)計了液態(tài)施肥機的非規(guī)則齒輪行星系扎穴機構(gòu)。該機構(gòu)施肥針深入土壤80~130mm之間，具有噴施液態(tài)肥料的功能，可以提高液態(tài)肥料的使用率，避免化學(xué)肥料的大量浪費，也可以降低農(nóng)民的生產(chǎn)成本，使農(nóng)民利益最大化。非規(guī)則齒輪行星系扎穴機構(gòu)自行式液態(tài)施肥機如圖1所示。

圖1　非規(guī)則齒輪行星系扎穴機構(gòu)的自行式液態(tài)施肥機

1非規(guī)則齒輪行星系扎穴機構(gòu)原理

液態(tài)施肥機是專用于農(nóng)田苗壟間作業(yè)以小型動力驅(qū)動的新型農(nóng)業(yè)機械，可以代替畜力施肥農(nóng)具在苗壟間完成施肥作業(yè)。該機型還可以配備三鏟頭耘鋤，施肥的同時還具有除草功能。液態(tài)施肥機主要由噴施控制閥、裝料箱、施肥器、傳動裝置及非規(guī)則齒輪機構(gòu)組成，是采用扎穴機構(gòu)將液體肥料注射到植物根部的設(shè)備，具有使用簡單及提高肥料利用率的優(yōu)點。原始液態(tài)施肥機的施肥針一般采用曲柄推進結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)簡單方便，能夠滿足在深層土壤中噴施液體肥料的要求；但在作業(yè)行進過程中穩(wěn)定性差、耗時長，即使已經(jīng)采取結(jié)構(gòu)優(yōu)化、減震措施，操作過程中扎穴個數(shù)也不多，不能保證在快速操作時獲得高質(zhì)量的噴射施肥。針對效率低下、平穩(wěn)度不足的問題，本文設(shè)計了具有結(jié)構(gòu)簡單、作業(yè)平穩(wěn)流暢的非規(guī)則齒輪行星系扎穴機構(gòu)。非規(guī)則齒輪行星系與扎穴機構(gòu)如圖2所示。

圖2　非規(guī)則齒輪扎穴機構(gòu)示意圖

扎穴機構(gòu)將施肥針扎入農(nóng)作物根部附近，并將液態(tài)肥料噴射其中，從而實現(xiàn)肥料的深穴噴施。扎穴機構(gòu)包括傳動帶、行星系、非規(guī)則齒輪和噴肥針。噴肥針插入土壤時開始噴施液體肥料，拔出土壤時即停止，該機構(gòu)可以提高肥料噴射的精準(zhǔn)度，是整個施肥機的重要部件之一。太陽輪、非規(guī)則齒輪、噴肥針、行星架共同構(gòu)建一個系統(tǒng)整體，以太陽輪為固定點，行星系繞固定軸運動，非規(guī)則齒輪的傳送帶帶動行星架做有規(guī)律的擺動，施肥針與行星系相連并繞其做圓周運動。因此，施肥針的運動曲線會不斷變化。

2粒計算決策樹并行算法

決策樹算法是一種簡單的歸納分類方法，一般先對海量數(shù)據(jù)進行分類，利用粒計算求出有規(guī)律的決策樹，然后依據(jù)該決策樹對新數(shù)據(jù)進行比較。粒計算決策樹并行算法挖掘數(shù)據(jù)的過程如圖3所示。

圖3　粒計算決策樹并行算法挖掘數(shù)據(jù)的過程

在尋找施肥針的運動軌跡中，需要采集大量的有效數(shù)據(jù)，然后對數(shù)據(jù)進行深層次的挖掘，獲得潛在的、有利用價值的信息，一般獲取到信息為一些概念、規(guī)則或固定模式。簡單算法對大量數(shù)據(jù)進行挖掘時會產(chǎn)生一些延時，為了解決這一問題，本文提出了基于粒計算決策樹并行算法。該算法的核心問題是尋求最優(yōu)化條件的效率，粒計算決策樹并行算法的實質(zhì)是引進信息粒度化。引進信息粒度化，根據(jù)并行算法測試數(shù)據(jù)及粒的二進制獲取其增益信息，大大提高數(shù)據(jù)處理速度，節(jié)省計算時間。

3齒輪行星系扎穴機構(gòu)運動學(xué)模型

扎穴機構(gòu)在作業(yè)過程中既要保證施肥速度，也要保證施肥質(zhì)量和作業(yè)的可靠性。為了達到在施肥過程中不傷害到作物根苗、不損壞施肥機械，對施肥針的運動軌跡和垂直度需要有一定的要求：

①施肥針深入土壤深度為80~130mm；②兩個扎穴距離在200mm左右；③噴肥針深入土壤的角度在80°~100°之間。

噴濕機作業(yè)裝置一般以精簡、輕便為要求，以加強施肥效率和改的善裝置運動力學(xué)特性為目的，在最大限度滿足上述3點的要求上，依據(jù)運動力學(xué)和初始函數(shù)，使用離散仿真模型來進行三維軟件仿真。非規(guī)則齒輪行星系扎穴機構(gòu)運動學(xué)模型如圖4所示。

1.太陽輪　2.第1級中間輪　3.第1級中間輪

為了實現(xiàn)扎穴機構(gòu)的計算機軟件仿真，需要提前建立其運動模型，對調(diào)整行星系角度后施肥針的軌跡變化進行數(shù)據(jù)分析。

圖4中：以x、y軸建立直角坐標(biāo)系xoy，根據(jù)初始函數(shù)y=ax-bsinx對施肥針運動軌跡進行分析。其中，a、b為常數(shù)。為實現(xiàn)齒輪正常運轉(zhuǎn)得出特殊曲線，前面一個中間輪繞太陽輪運轉(zhuǎn)的初始角度應(yīng)為

θ1=θ-k2sinθ

(1)

第2個中間輪相對整個系統(tǒng)架的初始角度為

θ2=θ-k2cosθ

(2)

根據(jù)兩個中間輪的運轉(zhuǎn)角度和角位移可以得出行星輪相對運動方程為

(3)

施肥針運動軌跡相對于第1個中間輪輪心的運動位移為

(4)

其中 ，k為常數(shù)；e為施肥針的長度；h為搖桿臂長度；l為行星輪與太陽輪的距離；θ為搖桿臂與性星系輪心的角度；β為行星系的開始角位移；α為施肥針與太陽輪之間的夾角。

在計算過程中，假設(shè)行星系的相對角速度是β3，第1個中間輪輪心到太陽輪輪心的距離為r1，第2個中間輪輪心到太陽輪輪心的距離為r2，則有

(5)

簡化為

(6)

假設(shè)非規(guī)則齒輪扎穴機構(gòu)前行速度為0，那么扎穴機構(gòu)針尖D的相對速度方程為

(7)

在機械式的運動中，齒輪結(jié)構(gòu)傳動最為簡單，主要用于傳遞兩個連接軸之間的回轉(zhuǎn)運動，正常的圓形齒輪的傳動速度比一般為常數(shù)；而本文中研究的非規(guī)則齒輪則是變數(shù)，其比率不一，帶動施肥針運動的軌跡也是不規(guī)則的，其軌跡曲線可以根據(jù)需要進行設(shè)計，靈活性較高。

為了實現(xiàn)行星系結(jié)構(gòu)做圓周運動，行星系軸心與施肥針的距離為s，兩個中間輪輪心到太陽輪輪心的距離分別是r1、r2, 行星系結(jié)構(gòu)做圓周運動的封閉軌跡的關(guān)系式為

(8)

當(dāng)太陽輪做整周運動時，為保證扎穴機構(gòu)的運動曲線封閉，第1級中間輪也要運動360°，則整個扎穴機構(gòu)系統(tǒng)的傳動比為

(9)

在非規(guī)則齒輪傳動速度比設(shè)計中，為了使齒輪的磨損最小，減小計算的繁瑣性，可以利用粒計算決策樹并行算法，通過對海量試驗數(shù)據(jù)的信息處理，可就出e的精確值，即系統(tǒng)的傳動比。

4施肥針最優(yōu)運動曲線仿真分析

在對施肥針運動曲線進行軟件仿真時，施肥針因太陽輪齒輪運轉(zhuǎn)而帶動施肥針做整周運動。 對于不規(guī)則的齒輪傳動，施肥針的運動軌跡與因子變量α的初始值有關(guān)，對于不同的α值，施肥針運動軌跡變化很大，α變化時，運動曲線變化如圖5所示。

圖5　不同α值時施肥針的運動曲線

由圖5可知：在進行軟件仿真中，施肥針與太陽輪初始角度α的變化會影響行星系的運動曲線，進而改變施肥針的模擬軌跡；同時，施肥針的入土深度與因子變量無關(guān)。

為了滿足符合設(shè)計要求，在模擬運動軌跡的過程中，利用仿真軟件計算大量的不同因子變量α、β、θ，再根據(jù)粒計算決策樹并行算法，求出了施肥針最優(yōu)運動曲線。施肥針最優(yōu)運動曲線如圖6所示。

圖6　施肥針最優(yōu)運動曲線

為了證實非規(guī)則齒輪扎穴機構(gòu)的正確性和可靠性，結(jié)合扎穴機構(gòu)運動力學(xué)構(gòu)建的數(shù)學(xué)模型，利用Pro/E對施肥針運動曲線建立3D模型，配置一系列假設(shè)的初始數(shù)據(jù)信息，并導(dǎo)入至三維仿真設(shè)計軟件ADAMS中，對整個系統(tǒng)進行運動力學(xué)仿真。根據(jù)施肥針入土深度及在運動過程中定性因子變量對軌跡的干擾，結(jié)合施肥針牽連運動和阻力運動合成最終的運動軌跡。觀察非規(guī)則齒輪扎穴機構(gòu)的運動曲線，并運用人機對話仿真軟件進行檢驗，發(fā)現(xiàn)非規(guī)則齒輪扎穴機構(gòu)運動曲線正常，沒有干涉現(xiàn)象，仿真得到的運動軌跡和理論算出的結(jié)果一致。

5結(jié)論

為了實現(xiàn)對液體肥料的深入土壤噴施，提出了基于粒計算決策樹并行算法的非規(guī)則齒輪行星系扎穴機構(gòu)。實驗中以施肥針運動軌跡為例，利用三維仿真軟件ADAMS對扎穴機構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)求解了參數(shù)的最優(yōu)化。實驗結(jié)果表明：軟件仿真與理論分析設(shè)計得到的非規(guī)則齒輪扎穴機構(gòu)運動軌跡一致。本文設(shè)計的扎穴機構(gòu)驗證成功，滿足液體施肥機的深入噴施的要求，能夠深入農(nóng)作物根部進行施肥，并且不傷害農(nóng)作物根系，化學(xué)肥料吸收效率較高，極大地減少了環(huán)境污染。

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Bar Mechanism Design of Irregular Gear Planetary System Based on the Parallel Algorithm of Granular Computing and Decision Tree

Wei Xiaoyan

(School of Statistics, Hubei University of Economics, Wuhan 430205, China)

Abstract：As a large agricultural country with 21% people in the world, China should develop advanced modern agriculture, need to use chemical fertilizer and improve the efficiency of fertilizer use. Compared with the solid state fertilizer, the liquid is more easily absorbed by crops, and the fertilizer use is more direct, efficient and economical. Internationally, Russia, the United States, Australia and other countries have taken the lead in the use of liquid fertilizer. In order to save the fertilizer, improve the utilization rate of the fertilizer, save the economic cost and reduce the pollution to the soil. Based on the parallel algorithm of the decision tree, this paper designs and studies the mechanism of the planetary system of irregular gear, which is a little waste of chemical fertilizer and the absorption efficiency.

Key words：granular computing; decision tree; parallel algorithm; gear planet; bar mechanism

中圖分類號：S224.21

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)11-0128-05

作者簡介：魏小燕(1979-)，女，湖北鄂州人，副教授，碩士，(E-mail)wxy1979@qq.com。

基金項目：國家自然科學(xué)基金子項目( QTZZ201402)

收稿日期：2015-09-05