基于自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的高精度玉米拾穗裝置優(yōu)化設(shè)計

郭素娜，張學(xué)明，劉志剛

( 1. 河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽　473000 ；2. 濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 濟(jì)源　459000；3.云南大學(xué) 軟件學(xué)院，昆明　650091；4.南昌工學(xué)院，南昌　330108)

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基于自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的高精度玉米拾穗裝置優(yōu)化設(shè)計

郭素娜1，張學(xué)明2，劉志剛3,4

( 1. 河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽473000 ；2. 濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 濟(jì)源459000；3.云南大學(xué) 軟件學(xué)院，昆明650091；4.南昌工學(xué)院，南昌330108)

摘要：為了提高玉米拾穗裝置拾穗的準(zhǔn)確性，減少漏摘率、斷穗率、籽粒破碎率等玉米收割效率的不利因素，設(shè)計了一種新的高精度玉米拾穗裝置。該裝置利用玉米拾穗拉斷力的變化對玉米拾穗過程的拾穗輥質(zhì)心角速度進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)測，當(dāng)產(chǎn)生漏摘率、斷穗率、籽粒破碎時會發(fā)出警報，并利用計算機(jī)自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)原理，對拾穗輥的間隙進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)，提高了拾穗裝置的拾穗精度。為了驗證裝置優(yōu)化設(shè)計的合理性，采用試驗、理論分析和數(shù)值仿真模擬的方法對裝置的采摘效率進(jìn)行論證，利用Pro/E軟件建立了拾穗裝置的三維建模，根據(jù)拾穗過程拉斷力的增大引起的質(zhì)心角速度變化，使用ADMAS軟件對玉米穗拾穗過程的角速度進(jìn)行了仿真模擬，得到了和試驗相吻合的角速度值。將自適應(yīng)高精度玉米拾穗裝置和普通玉米穗采摘裝置進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)：高精度玉米穗采摘裝置在降低漏摘率和斷穗率方面都表現(xiàn)出了優(yōu)良的性能，大大提高了玉米穗的采摘效率，為玉米自動化采摘機(jī)械的設(shè)計了技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：玉米拾穗輥；拉斷力；自適應(yīng)；仿真

0引言

在我國，小麥?zhǔn)侵饕募Z食作物，玉米是僅次于小麥的糧食作物，然而在收獲玉米方面的機(jī)械卻不夠完善，全國玉米的機(jī)械收獲率達(dá)不到5%。因此，研制出結(jié)構(gòu)先進(jìn)、性能可靠的玉米收獲機(jī)是目前的大趨所勢，我國的玉米種植方面，種植規(guī)格存在各種差異，由于玉米收獲機(jī)還不夠完善，存在了多種缺點(diǎn)，如結(jié)構(gòu)設(shè)計不夠合理、性能方面不盡人意，以及出現(xiàn)了大量的漏摘率、籽粒破碎率、斷穗率等多種問題，使得損失率過高。為此，本文利用仿真手段和試驗研究對玉米拾穗裝置的結(jié)構(gòu)和原理進(jìn)行研究分析，旨在對完善物理樣機(jī)的試驗和試制方面提供理論基礎(chǔ)。

1玉米收割機(jī)設(shè)計框架

圖1表示橫臥式的玉米聯(lián)合收割機(jī)，其主要構(gòu)件是拾穗輥。計算機(jī)自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)算法是把自適應(yīng)評價設(shè)計和強(qiáng)化學(xué)習(xí)的思想與動態(tài)規(guī)劃原理相結(jié)合而提出的一種方法。本文利用這種算法思想設(shè)計了一種新的玉米輥間隙自適應(yīng)調(diào)節(jié)方法，其總體框架如圖2所示。

圖1　臥式玉米收獲機(jī)示意圖

圖2　玉米拾穗輥設(shè)計總體框架

玉米拾穗輥設(shè)計的總體框架的設(shè)計主要依據(jù)玉米穗收獲裝置在拉斷玉米穗時的角速度值，判斷是否存在漏拾或者碎粒的情況。如果存在漏拾及碎粒，則報警；然后，根據(jù)計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)調(diào)節(jié)原理，對兩輥之間的距離進(jìn)行調(diào)節(jié)，輸出合理的輥間距。其中，質(zhì)心角速度的閾值通過試驗和仿真模擬來確定，以提高設(shè)計的準(zhǔn)確性。

2高精度玉米拾穗裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

玉米臥式拾穗裝置主要由1對相對旋轉(zhuǎn)的拾穗輥、傳動箱和拾穗輥間隙調(diào)整等組成。拾穗輥是主要的機(jī)械結(jié)構(gòu)，其設(shè)計關(guān)系到玉米拾穗的漏拾和碎粒效果。拾穗輥的主要結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1.撥禾輪　2.喂入輪　3.拾穗輥　4.喂入輥　5.輸送器

拾穗器主要由1對橫臥式臥輥、喂入輪、喂入輥等組成。工作時，被割倒的玉米經(jīng)輸送器運(yùn)到喂入輪和喂入輥的間隙中，繼而向拾穗輥喂送。拾穗輥的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

1.前軸承　2.拾穗機(jī)構(gòu)的間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)　3.拾穗輥　4.傳動箱

臥式拾穗輥的主要特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、工作較可靠、壽命長。由于拾穗時莖稈的壓縮程度較小，摘輥在工作時，當(dāng)拾穗的拉引力大于玉米莖稈的阻力和玉米穗的摘斷力時，果穗被碾拉斷，落在摘輥的前方，其受力示意圖如圖5所示。

圖5　玉米拾穗輥受力分析

假設(shè)拾穗輥的拉引力為Tjx，莖稈的阻力為Pjx，果穗的碾拉斷力是Rb，則摘斷玉米穗的力學(xué)條件為

2(Tjx-Pjx)>Rb

(1)

即

Pjμjcosα0-sinα0>Rb/2

(2)

Pj=Pjx/cosα0

(3)

則

Pjx(μj-tanα0)>Rb/2

(4)

其中,α0表示抓取角度，μj表示摘輥對莖稈的抓取系數(shù)。由于在拾穗過程中受到拉斷力時，質(zhì)心角速度會發(fā)生變化，因此可依據(jù)其中值的范圍來斷定漏拾或者碎粒的情況，質(zhì)心角速度也可以通過數(shù)值仿真模擬來計算，從而可以提高裝置設(shè)計的準(zhǔn)確性。

計算機(jī)自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)算法是把自適應(yīng)評價設(shè)計和強(qiáng)化學(xué)習(xí)的思想與動態(tài)規(guī)劃原理相結(jié)合而提出的一種方法。本文利用這種算法思想，設(shè)計了輥間隙自適應(yīng)調(diào)節(jié)方法。假設(shè)控制狀態(tài)的方程為

(5)

其中，xm(t)表示控制狀態(tài)的n維向量；ym(t)表示輸出狀態(tài)的n維向量；r(t)表示輸入指令；Am、Bm表示n×n維和n×n維的系數(shù)矩陣；C表示n×n維的系數(shù)輸出矩陣。假設(shè)計算機(jī)自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)可調(diào)系統(tǒng)的狀態(tài)方程為

(6)

其中，As、Bs表示n×n維和n×n維的系數(shù)矩陣；xs(t)表示自適應(yīng)調(diào)節(jié)下控制狀態(tài)的n維向量；ys(t)表示自適應(yīng)調(diào)節(jié)下輸出狀態(tài)的n維向量；u(e,t)表示自適應(yīng)調(diào)下的輸出。通過自適應(yīng)調(diào)節(jié)，可以使自適應(yīng)的控制誤差為0，由此可得

e(t)=ym(t)-ys(t)

(7)

輥軸間隙的自適應(yīng)條件過程就是根據(jù)參考模型的輸出和可調(diào)系統(tǒng)輸之差，確定一個u(e,t)使輸出量接近參考量。

3高精度玉米拾穗裝置測試

為了驗證裝置的有效性和可靠性，本研究采用試驗和數(shù)值模擬的方法對機(jī)械裝置進(jìn)行驗證，質(zhì)心角速度閾值的確定主要使用傳感器對其進(jìn)行測量。為了驗證測量的有效性，本文設(shè)計了裝置測試的三維仿真模型，如圖6所示。

圖6　ProE三維仿真模型

在圖6中，可以利用接口模塊Mechanical/Pro，將模型導(dǎo)入到 ADAMS 界面下，對模型進(jìn)行相關(guān)的仿真分析。

ADAMS中默認(rèn)定義物體質(zhì)量的方式是通過其幾何形狀來定義的，保留原幾何體以表明柔性體的連接方式，如圖7所示。同時，設(shè)置了玉米秸稈的基本三維模型，然后對玉米秸稈進(jìn)行定位，如圖8所示。

由圖8可以看出：玉米果穗在從拾穗棍的導(dǎo)引段運(yùn)動到拉莖段之前，已完成拾穗作業(yè)。這說明，在所設(shè)定的仿真參數(shù)條件下，仿真結(jié)果符合拾穗原理和實際工作中的情況。

圖7　玉米秸稈定義

圖8　定位過程

圖9表示在理論分析、試驗和仿真模擬3種情況下得到的質(zhì)心角速度曲線。由圖9可以看出：3種情況下得到的角速度曲線基本吻合，從而驗證了數(shù)據(jù)的可靠性。為了驗證裝置的效果，對裝置的斷穗率和漏拾率進(jìn)行了測試，結(jié)果如表1所示。

圖9　質(zhì)心角速度

測試編號傳統(tǒng)拾穗裝置斷穗率自適應(yīng)拾穗裝置斷穗率率13.250.12523.980.13234.320.14843.710.23153.630.122

由表1可以看出：使用自適應(yīng)拾穗裝置作用后，可以大大提高機(jī)械作業(yè)的生產(chǎn)效率，并有效降低了斷穗率。

表2為傳統(tǒng)拾穗裝置和自適應(yīng)拾穗裝置的漏拾率對比。由表2可以看出：使用自適應(yīng)拾穗裝置作用后，大大降低了裝置的漏拾率，從而驗證了本文設(shè)計裝置的有效性和可靠性。

表2　拾穗裝置漏拾率測試

4結(jié)論

1)依據(jù)玉米植株的物理特性和拾穗過程中的機(jī)械力學(xué)特性，結(jié)合計算機(jī)自適應(yīng)控制原理，設(shè)計了一種新的玉米拾穗裝置，可以有效降低玉米聯(lián)合收獲機(jī)作業(yè)過程中的漏拾率和斷穗率。

2)使用Pro/E軟件建立了玉米拾穗裝置的三維仿真模型，并將其導(dǎo)入ADMAS軟件進(jìn)行了仿真模擬，得到了拾穗裝置在收獲玉米穗時的質(zhì)心角速度，并將數(shù)據(jù)結(jié)果和試驗結(jié)果對比，提高了裝置優(yōu)化設(shè)計的準(zhǔn)確性。

3)對玉米拾穗裝置的拾穗效果進(jìn)行了試驗，得到了自適應(yīng)玉米穗拾穗裝置的漏拾率和斷穗率的相關(guān)數(shù)據(jù)。將其與傳統(tǒng)裝置進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)：該裝置可以有效提高玉米聯(lián)合收獲機(jī)的作業(yè)效率和作業(yè)質(zhì)量，為玉米收獲機(jī)械的設(shè)計提供了理論參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]李俊峰，介戰(zhàn). 聯(lián)合收割機(jī)谷物損失測試研究探討[J].農(nóng)機(jī)化研究，2007(12)：248-250.

[2]梁振偉，李耀明，趙湛，等.切縱流聯(lián)合收獲機(jī)夾帶損失監(jiān)測方法[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2012，28(S2)：179-183.

[3]李耀明，梁振偉，趙湛，等.聯(lián)合收獲機(jī)谷物損失實時監(jiān)測系統(tǒng)研究[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2011，42(S1)：99-102.

[4]徐立章，李耀明，李洪昌，等.縱軸流脫粒分離-清選試驗臺設(shè)計[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2009，40(12)：76-79.

[5]賀俊林，佟金，胡偉，等．輥型和作業(yè)速度對玉米收獲機(jī)拾穗性能的影響[J]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2006, 37(3): 46-49.

[6]范國昌，王惠新，籍俊杰，等．影響玉米拾穗過程中籽粒破碎和籽粒損失率的因素分析[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2002, 18(4)：72-74.

[7]郭玉明，袁紅梅，陰妍，等．作物莖稈抗倒伏的力學(xué)分析及綜合評價探討[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2007, 23(7): 14-18.

[8]郭新宇，趙春江，肖伯祥，等．玉米三維重構(gòu)及可視化系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2007, 23(4): 144-148.

[9]宋建農(nóng)，王蘋，魏文軍，等．水稻秧苗抗拉力學(xué)特性及穴盤拔秧性能的力學(xué)試驗研究[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2003, 19(6):10-13.

[10]袁紅梅，郭玉明，李洪波．小麥莖稈彎折力學(xué)性能的試驗研究[J]．山西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2005, 25(2):173-176.

[11]李婉, 李尚平, 劉東美. 小型整稈甘蔗收獲機(jī)械喂入機(jī)構(gòu)仿真分析與試驗研究[J].農(nóng)機(jī)化研究, 2010, 32(7): 152-154.

[12]Takuyuki Y, Katsuaki S, Koki I, et al. Application of a Sugarcane Harvester for Harvesting of Willow Trees Aimed at Short Rotation Forestry: an Experimental Case Study in Japan[J]. Croatian Journal of Forest Engineering, 2012, 33(1): 5-14.

[13]宋春華, 區(qū)穎剛, 劉慶庭, 等.兩段式螺旋扶起機(jī)構(gòu)理論的研究[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2010,32(11): 34-36.

[14]杜現(xiàn)軍，李玉道，顏世濤，等. 棉稈力學(xué)性能試驗[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2011，42(4)：87-91.

[15]宋占華，肖靜，張世福，等. 曲柄連桿式棉稈切割試驗臺設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2011，42(11)：162-167.

[16]王鋒德，燕曉輝，董世平，等.我國棉花秸稈收獲裝備及收儲運(yùn)技術(shù)路線分析[J].農(nóng)機(jī)化研究，2009，31(12)：217-220.

[17]李耀明, 秦同娣, 陳進(jìn)，等. 玉米莖稈往復(fù)切割力學(xué)特性試驗與分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2011，27(1)：160-164.

[18]解福祥, 區(qū)穎剛, 劉慶庭. 甘蔗收獲機(jī)組合式扶起裝置設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報,2011,42(2):94-97.

[19]賴曉, 李尚平, 秦志文, 等. 新型甘蔗收割裝置的仿真分析與試驗研究[J].農(nóng)機(jī)化研究,2011,33(2):102-105.

[20]王健康,吳明亮,任述光,等.往復(fù)式切割器傳動機(jī)構(gòu)運(yùn)動動力學(xué)分析[J]. 中國農(nóng)學(xué)通報, 2011,27(1):90-194.

Abstract ID:1003-188X(2016)06-0046-EA

Optimization Design of High-precision Corn-picking Machine Based on Adaptive Network

Guo Suna1, Zhang Xueming2, Liu Zhigang3,4

(1.Henan Polytechnic Institute,Nanyang 473000, China; 2.Jiyuan Vocational and Technical College,Jiyuan 459000,China; 3.School of Software, Yunnan University, Kunming 650091, China; 4.Nanchang Institute of Science & Technology,Nanchang 330108, China)

Abstract：In order to improve the accuracy of average corn Gleaner device, reduce the leakage rate, spike rate, the broken rate of kernel of unfavorable factors such as corn harvest efficiency, design a high precision of new corn average device. By means of the accurate monitoring of maize corn process average and average angular velocity changes of centroid Gleaner tensile force, when the leakage rate, breaking off spike rate and grain will alarm when broken, and using the theory of computer adaptive network, to adjust the clearance of gleaning and adaptive, improves the Gleaners device average precision. In order to verify the rationality of optimization design of the device, by using the method of simulation experiment, theoretical analysis and numerical simulation of the device for picking efficiency argument establishes Gleaners device modeling using ProE software, according to the process of increasing average tensile force changes caused by the centroid of the angular velocity, angular velocity and use ADMAS software to process of maize ear average in the simulation, the angular velocity and the experiment is consistent with the value. Finally the adaptive precision maize and common maize ear average device picking device for comparison, high precision of corn ear picking device in reducing the leakage rate and fault rate of picking spike shows excellent performance, greatly improving the corn ear picking efficiency,which can improve the technical reference for the design of automatic corn-picking machine.

Key words：corn-picking roll; tensile force; adaptive; Simulation

文章編號：1003-188X(2016)06-0046-04

中圖分類號：S225.5+1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

作者簡介：郭素娜(1981-)，女，河南鄧州人，講師，碩士。通訊作者：劉志剛(1980-)，男，湖北天門人，副教授，博士，(E-mail)fiberhome@126.com。

基金項目：國家自然科學(xué)基金青年基金項目(51305152)

收稿日期：2015-05-18