基于數(shù)學(xué)偏微分算法的水稻插秧機(jī)控制系統(tǒng)優(yōu)化

李 寧

(鄭州升達(dá)經(jīng)貿(mào)管理學(xué)院,鄭州 451191)

0 引言

隨著農(nóng)業(yè)裝備與應(yīng)用技術(shù)的不斷創(chuàng)新,我國(guó)的插秧水平逐步呈現(xiàn)飛速發(fā)展的態(tài)勢(shì)。智能化、精準(zhǔn)化的插秧機(jī)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(lái),我國(guó)業(yè)內(nèi)專(zhuān)家學(xué)者不斷致力于插秧機(jī)的功能實(shí)現(xiàn)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jìn)展,但從實(shí)踐作業(yè)調(diào)研顯示數(shù)據(jù)來(lái)看,水稻插秧機(jī)在作業(yè)過(guò)程控制方面還需進(jìn)一步提升。與此同時(shí),數(shù)學(xué)領(lǐng)域的偏微分方程及多階算法已越來(lái)越多地被應(yīng)用至機(jī)械結(jié)構(gòu)的現(xiàn)代化控制設(shè)計(jì)中。為此,基于當(dāng)前的研究基礎(chǔ),以數(shù)學(xué)偏微分控制算法為基點(diǎn),針對(duì)水稻插秧機(jī)的控制系統(tǒng)展開(kāi)優(yōu)化探究。

1 水稻插秧機(jī)概述

一臺(tái)完整的水稻插秧機(jī)通常由傳動(dòng)裝置進(jìn)行動(dòng)作指令輸入,送秧機(jī)構(gòu)、分秧結(jié)構(gòu)、插植機(jī)構(gòu)等相繼開(kāi)始動(dòng)作,各機(jī)構(gòu)由整機(jī)中心控制裝置驅(qū)動(dòng),需要考慮水稻插秧機(jī)整機(jī)的結(jié)構(gòu)部件分配及水稻圖像提取、秧苗秧距、秧苗秧深等關(guān)鍵參數(shù)的監(jiān)測(cè)精準(zhǔn)性。傳統(tǒng)的控制算法較為粗放,故以控制算法進(jìn)一步提升為目標(biāo),選擇適用性強(qiáng)的VP型高速水稻插秧機(jī)為優(yōu)化對(duì)象展開(kāi)研究。所研究的插秧機(jī)采用HMT變速方式,由插植部和控制部?jī)纱蟛糠纸M成,其核心參數(shù)配置如表1所示。

表1 VP型水稻插秧機(jī)核心參數(shù)配置列表

2 數(shù)學(xué)偏微分應(yīng)用

2.1 搭建模型

首先,進(jìn)行偏微分方程應(yīng)用下的數(shù)學(xué)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(zhǔn)確處理的計(jì)算優(yōu)勢(shì),從插秧機(jī)理的信息獲取與信息傳遞的角度出發(fā),選擇關(guān)鍵項(xiàng)的參數(shù)(如圖像、位姿、插秧深度等)進(jìn)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(shí)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(shí)間變量參數(shù);

x、y—偏微分控制參數(shù)執(zhí)行坐標(biāo)。

同時(shí),對(duì)上述偏微分控制匹配相應(yīng)的三級(jí)通信加權(quán)鄰接算法,實(shí)現(xiàn)一定精度及速度的收斂,以確保插秧作業(yè)過(guò)程中各參數(shù)反饋調(diào)控的一致性功能要求;進(jìn)一步,以數(shù)學(xué)偏微分算法模型為基點(diǎn),給出插秧機(jī)系統(tǒng)優(yōu)化功能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)圖,如圖1所示。將整體分解為結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)與控制子系統(tǒng),從力學(xué)傳遞、運(yùn)動(dòng)傳遞與控制傳動(dòng)3個(gè)層面進(jìn)行插秧機(jī)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(jié)構(gòu)子系統(tǒng)采用核心部件改進(jìn)方法,實(shí)現(xiàn)插秧作業(yè)過(guò)程的振動(dòng)性能及各組件的傳動(dòng)效率等優(yōu)化。

2.2 系統(tǒng)控制優(yōu)化

插秧信號(hào)獲取方面,運(yùn)用背景與目標(biāo)相區(qū)別的視覺(jué)處理算法,針對(duì)重點(diǎn)的邊緣、節(jié)點(diǎn)進(jìn)行偏微分程序?qū)?還需保證計(jì)算的精度與速度;插秧信號(hào)傳遞方面,實(shí)現(xiàn)SAE系列的通信協(xié)議,并基于插秧實(shí)踐特點(diǎn),考慮速度的波動(dòng)影響,引入改進(jìn)型的PID算法,考慮推桿長(zhǎng)度及伸縮特性,實(shí)施非線(xiàn)性的微分計(jì)算控制,以確保參數(shù)的實(shí)時(shí)調(diào)整。

圖1 數(shù)學(xué)偏微分模型的插秧機(jī)系統(tǒng)優(yōu)化功能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)圖Fig.1 Diagram of optimization function realization of the transplanter system based on the mathematical partial differential model

針對(duì)插秧信號(hào)執(zhí)行方面,以電驅(qū)動(dòng)控制為主導(dǎo),給出數(shù)學(xué)偏微分控制的系統(tǒng)參數(shù)監(jiān)測(cè)電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖,如圖2所示。以偏微分處理的信號(hào)模塊為中心,將插秧系統(tǒng)的電源電壓設(shè)為起點(diǎn),重點(diǎn)監(jiān)測(cè)頻率,并經(jīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換形成可識(shí)別的電壓信號(hào),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(cè)參數(shù)進(jìn)行內(nèi)部互通,做出最終的系統(tǒng)調(diào)控指令,進(jìn)而指導(dǎo)整機(jī)插秧精準(zhǔn)化作業(yè)執(zhí)行。

圖2 數(shù)學(xué)偏微分控制的系統(tǒng)參數(shù)監(jiān)測(cè)電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖Fig.2 Design diagram of the system parameter monitoring circuit of mathematical partial differential control

2.3 整機(jī)部件改進(jìn)

將插秧信息采集的裝置進(jìn)行改進(jìn),增設(shè)視覺(jué)功能強(qiáng)大的圖像采集裝置,此處給出數(shù)學(xué)偏微分應(yīng)用的水稻插秧機(jī)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(yùn)行系統(tǒng),將幀頻與分辨率等核心控制參數(shù)設(shè)置為高段位,以確保插過(guò)程數(shù)據(jù)處理的及時(shí)性,從而使插秧部的機(jī)構(gòu)位姿獲取更為精準(zhǔn)。

水稻插秧機(jī)在行進(jìn)插秧過(guò)程中,以行進(jìn)速度與插秧速度之間的內(nèi)在關(guān)系為改善基點(diǎn),增設(shè)偏微分控制部件;選取加速度計(jì)與接近開(kāi)關(guān),注重結(jié)構(gòu)與控制的協(xié)同關(guān)系,以實(shí)現(xiàn)插秧的作業(yè)精度目標(biāo)?？紤]部件的運(yùn)動(dòng)角速度關(guān)系及承受的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系,設(shè)計(jì)水稻插秧機(jī)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(shè)在整機(jī)操作桿與推桿電機(jī)之間,實(shí)現(xiàn)控制參數(shù)的微調(diào)功能。其中,操作桿動(dòng)作分解為上升、停止、下降、插秧等擋位,再經(jīng)AD轉(zhuǎn)換裝置將指令送至插秧作業(yè)控制器端,后續(xù)進(jìn)行插秧的準(zhǔn)確作業(yè)。

表2 偏微分應(yīng)用的水稻插秧機(jī)控制系統(tǒng)采集模塊參數(shù)選型

圖3 插秧機(jī)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(jī)作業(yè)試驗(yàn)

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(jī)整機(jī)改善方案,選擇300m×1800m的試驗(yàn)田,進(jìn)行插秧作業(yè)性能驗(yàn)證。從基于偏微分應(yīng)用的整機(jī)作業(yè)試驗(yàn)場(chǎng)景(見(jiàn)圖4)可以看出,重點(diǎn)關(guān)注整機(jī)在插秧過(guò)程中的計(jì)算機(jī)監(jiān)控、狀態(tài)檢測(cè)及圖像采集模塊等。

核心作業(yè)條件設(shè)置如下:

1) 系統(tǒng)進(jìn)行插秧作業(yè)路徑規(guī)劃的一致性,確保評(píng)價(jià)條件相同;

2) 系統(tǒng)各結(jié)構(gòu)組件動(dòng)作順暢,過(guò)程監(jiān)測(cè)參數(shù)連續(xù)性,確保評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)有效;

3) 插秧過(guò)程需滿(mǎn)足插秧作業(yè)的各農(nóng)藝參數(shù)要求,如避障、空載、轉(zhuǎn)彎等。

1.計(jì)算機(jī)監(jiān)控 2.插秧機(jī)作業(yè)狀態(tài)檢測(cè) 3.圖像采集圖4 基于偏微分應(yīng)用的整機(jī)作業(yè)試驗(yàn)場(chǎng)景Fig.4 Test scenario of the whole machine operation based on the partial differential application

3.2 過(guò)程分析

以GB/T6243-2003《水稻插秧機(jī)試驗(yàn)方法》為標(biāo)準(zhǔn),進(jìn)行試驗(yàn)田的分塊編碼插秧對(duì)比,共記錄6塊田地,分別設(shè)置秧深為5.50、6.5、7.5mm進(jìn)行參數(shù)對(duì)照;插秧作業(yè)完成后,應(yīng)確保秧苗的直立狀態(tài),并輸出原始監(jiān)測(cè)參數(shù),得到基于偏微分的各插秧試驗(yàn)分組的秧苗插植情況(深度)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),如表3所示。由表3可以看出:秧深為5.50mm時(shí),系統(tǒng)的執(zhí)行偏差分別為2.73%和2.36%;秧深為6.50mm時(shí),系統(tǒng)的執(zhí)行偏差分別為-1.85%和2.92%;秧深為7.50mm時(shí),系統(tǒng)的執(zhí)行偏差分別為3.47%和2.53%。綜合來(lái)看,實(shí)際得到的插秧深度偏差范圍為[-1.50,+4.00],滿(mǎn)足插秧深度小于6mm的參數(shù)要求。

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

進(jìn)一步考慮整機(jī)插秧各表征參數(shù)對(duì)于系統(tǒng)綜合效率的影響,基于數(shù)學(xué)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(jī)綜合作業(yè)效率作為主要性能評(píng)價(jià)參數(shù),得到基于偏微分控制的水稻插秧機(jī)系統(tǒng)優(yōu)化性能對(duì)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(mǎn)足農(nóng)藝設(shè)計(jì)要求;結(jié)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(jī)綜合作業(yè)效率由84.79%提升至91.12%,驗(yàn)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(jī)系統(tǒng)優(yōu)化性能對(duì)比列表

4 結(jié)論

1) 以水稻插秧機(jī)的作用機(jī)理為基礎(chǔ),通過(guò)搭建偏微分?jǐn)?shù)學(xué)控制算法模型,針對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制設(shè)計(jì)與部件配置優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)完整升級(jí)型的水稻插秧機(jī)整機(jī)控制性能提升。實(shí)地插秧作業(yè)開(kāi)展優(yōu)化驗(yàn)證,結(jié)果表明:基于偏微分應(yīng)用的整機(jī)秧苗損失率得到有效降低,插秧合格率得到明顯提升,達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)與插秧性能改善效果。

2) 此數(shù)學(xué)偏微分算法應(yīng)用下的插秧系統(tǒng)優(yōu)化思維,基于微分的內(nèi)部精準(zhǔn)求解模型展開(kāi),具有科學(xué)指導(dǎo)價(jià)值與實(shí)踐研究意義,是農(nóng)機(jī)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(shè)計(jì)發(fā)展的趨勢(shì)。