基于數學偏微分算法的水稻插秧機控制系統優化

李 寧

(鄭州升達經貿管理學院,鄭州 451191)

0 引言

隨著農業裝備與應用技術的不斷創新,我國的插秧水平逐步呈現飛速發展的態勢。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效率。近年來,我國業內專家學者不斷致力于插秧機的功能實現與結構設計研究,在覆膜功能、秧深控制、施肥功能等研究方面均有很大進展,但從實踐作業調研顯示數據來看,水稻插秧機在作業過程控制方面還需進一步提升。與此同時,數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代化控制設計中。為此,基于當前的研究基礎,以數學偏微分控制算法為基點,針對水稻插秧機的控制系統展開優化探究。

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的監測精準性。傳統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,其核心參數配置如表1所示。

表1 VP型水稻插秧機核心參數配置列表

2 數學偏微分應用

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勢,從插秧機理的信息獲取與信息傳遞的角度出發,選擇關鍵項的參數(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,如圖像等;

φ—模型的正實數函數集合;

Δu—偏微分控制參數梯度;

u0—偏控制模型參數初始值;

t—偏微分控制的虛擬時間變量參數;

x、y—偏微分控制參數執行坐標。

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,實現一定精度及速度的收斂,以確保插秧作業過程中各參數反饋調控的一致性功能要求;進一步,以數學偏微分算法模型為基點,給出插秧機系統優化功能實現簡圖,如圖1所示。將整體分解為結構子系統與控制子系統,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精度改善。其中,控制子系統采用系統控制優化方法,結構子系統采用核心部件改進方法,實現插秧作業過程的振動性能及各組件的傳動效率等優化。

2.2 系統控制優化

插秧信號獲取方面,運用背景與目標相區別的視覺處理算法,針對重點的邊緣、節點進行偏微分程序導入,還需保證計算的精度與速度;插秧信號傳遞方面,實現SAE系列的通信協議,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,以確保參數的實時調整。

圖1 數學偏微分模型的插秧機系統優化功能實現簡圖Fig.1 Diagram of optimization function realization of the transplanter system based on the mathematical partial differential model

針對插秧信號執行方面,以電驅動控制為主導,給出數學偏微分控制的系統參數監測電路設計簡圖,如圖2所示。以偏微分處理的信號模塊為中心,將插秧系統的電源電壓設為起點,重點監測頻率,并經信號轉換形成可識別的電壓信號,傳送至系統的控制參數采集儀;將中心模塊的參數與先前的控制傳感器監測參數進行內部互通,做出最終的系統調控指令,進而指導整機插秧精準化作業執行。

圖2 數學偏微分控制的系統參數監測電路設計簡圖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,此處給出數學偏微分應用的水稻插秧機控制系統采集模塊參數選型,如表2所示。采用成熟的Windows運行系統,將幀頻與分辨率等核心控制參數設置為高段位,以確保插過程數據處理的及時性,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同關系,以實現插秧的作業精度目標?？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的執行裝置,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,實現控制參數的微調功能。其中,操作桿動作分解為上升、停止、下降、插秧等擋位,再經AD轉換裝置將指令送至插秧作業控制器端,后續進行插秧的準確作業。

表2 偏微分應用的水稻插秧機控制系統采集模塊參數選型

圖3 插秧機控制系統的執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 整機作業試驗

3.1 作業條件

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

核心作業條件設置如下:

1) 系統進行插秧作業路徑規劃的一致性,確保評價條件相同;

2) 系統各結構組件動作順暢,過程監測參數連續性,確保評價數據有效;

3) 插秧過程需滿足插秧作業的各農藝參數要求,如避障、空載、轉彎等。

1.計算機監控 2.插秧機作業狀態檢測 3.圖像采集圖4 基于偏微分應用的整機作業試驗場景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進行參數對照;插秧作業完成后,應確保秧苗的直立狀態,并輸出原始監測參數,得到基于偏微分的各插秧試驗分組的秧苗插植情況(深度)數據統計,如表3所示。由表3可以看出:秧深為5.50mm時,系統的執行偏差分別為2.73%和2.36%;秧深為6.50mm時,系統的執行偏差分別為-1.85%和2.92%;秧深為7.50mm時,系統的執行偏差分別為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的參數要求。

表3 各插秧試驗分組的秧苗插植情況(深度)數據統計

進一步考慮整機插秧各表征參數對于系統綜合效率的影響,基于數學偏微分控制模型,選取插秧系統的秧深精度、系統穩定度、秧苗損失率、插秧合格率及整機綜合作業效率作為主要性能評價參數,得到基于偏微分控制的水稻插秧機系統優化性能對比,如表4所示。由表4可知:秧深精度可由87.50%提升為95.10%,系統穩定度可同步由89.20%提升至93.54%;經換算的秧苗損失率由0.68%降低至0.45%,損失率大大降低,且滿足農藝設計要求;結合漂秧、翻倒、漏插等參數,插秧合格率由83.50%提升至92.08%,整機綜合作業效率由84.79%提升至91.12%,驗證了系統優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優化性能對比列表

4 結論

1) 以水稻插秧機的作用機理為基礎,通過搭建偏微分數學控制算法模型,針對系統進行控制設計與部件配置優化,實現完整升級型的水稻插秧機整機控制性能提升。實地插秧作業開展優化驗證,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) 此數學偏微分算法應用下的插秧系統優化思維,基于微分的內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展的趨勢。