非规则齿轮行星系扎穴机构设计—基于粒计算决策树并行算法

魏小燕

(湖北经济学院 统计学院，武汉　430205)



非规则齿轮行星系扎穴机构设计—基于粒计算决策树并行算法

魏小燕

(湖北经济学院 统计学院，武汉430205)

摘要：作为占据世界21%人口的农业大国，中国要发展先进的现代农业，需要合理使用化学肥料，提高肥料的使用效率。与固态肥料相比较，液态更容易被作物吸收，肥料利用更直接，效率较高，经济成本更低。在国际上，俄罗斯、美国、澳大利亚等国家已经率先使用了液态肥料。为了节省肥料、提高农作物对肥料的吸收利用率、节省经济成本及降低对土壤的污染，基于粒计算决策树并行算法，设计了非规则齿轮行星系扎穴机构。该扎穴装置在作业中，化学肥液浪费较少、吸收效率较高。

关键词：粒计算；决策树；并行算法；齿轮行星；扎穴机构

0引言

中国人口依旧持续增长，其与资源的矛盾逐渐显现出来，化学肥料的乱用也导致环境污染日益突出。资源匮乏和环境污染是中国发展中面临的两个重大问题，两者制约着中国经济社会的发展。农业生产资源投入比较高，但产量增长空间却很低，肥料资源的利用率也比较低，浪费严重。实现中国的可持续发展，解决资源紧缺的问题，就必须着手发展高科技农业技术服务农业生产，利用先进农业技术提高资源利用率，在节约、合理地使用资源的同时，使农作物产量达到最大化，实现农业的快速发展。为了实现农业低成本和生态环境与农业生产的协调发展，应着重发展应用液体肥料，同时大力发展液态施肥装置，设计制造出适合我国实际情况的液态施肥机械。本文以液态肥料为施肥对象，基于粒计算决策树并行算法，设计了液态施肥机的非规则齿轮行星系扎穴机构。该机构施肥针深入土壤80~130mm之间，具有喷施液态肥料的功能，可以提高液态肥料的使用率，避免化学肥料的大量浪费，也可以降低农民的生产成本，使农民利益最大化。非规则齿轮行星系扎穴机构自行式液态施肥机如图1所示。

图1　非规则齿轮行星系扎穴机构的自行式液态施肥机

1非规则齿轮行星系扎穴机构原理

液态施肥机是专用于农田苗垄间作业以小型动力驱动的新型农业机械，可以代替畜力施肥农具在苗垄间完成施肥作业。该机型还可以配备三铲头耘锄，施肥的同时还具有除草功能。液态施肥机主要由喷施控制阀、装料箱、施肥器、传动装置及非规则齿轮机构组成，是采用扎穴机构将液体肥料注射到植物根部的设备，具有使用简单及提高肥料利用率的优点。原始液态施肥机的施肥针一般采用曲柄推进结构，这种结构简单方便，能够满足在深层土壤中喷施液体肥料的要求；但在作业行进过程中稳定性差、耗时长，即使已经采取结构优化、减震措施，操作过程中扎穴个数也不多，不能保证在快速操作时获得高质量的喷射施肥。针对效率低下、平稳度不足的问题，本文设计了具有结构简单、作业平稳流畅的非规则齿轮行星系扎穴机构。非规则齿轮行星系与扎穴机构如图2所示。

图2　非规则齿轮扎穴机构示意图

扎穴机构将施肥针扎入农作物根部附近，并将液态肥料喷射其中，从而实现肥料的深穴喷施。扎穴机构包括传动带、行星系、非规则齿轮和喷肥针。喷肥针插入土壤时开始喷施液体肥料，拔出土壤时即停止，该机构可以提高肥料喷射的精准度，是整个施肥机的重要部件之一。太阳轮、非规则齿轮、喷肥针、行星架共同构建一个系统整体，以太阳轮为固定点，行星系绕固定轴运动，非规则齿轮的传送带带动行星架做有规律的摆动，施肥针与行星系相连并绕其做圆周运动。因此，施肥针的运动曲线会不断变化。

2粒计算决策树并行算法

决策树算法是一种简单的归纳分类方法，一般先对海量数据进行分类，利用粒计算求出有规律的决策树，然后依据该决策树对新数据进行比较。粒计算决策树并行算法挖掘数据的过程如图3所示。

图3　粒计算决策树并行算法挖掘数据的过程

在寻找施肥针的运动轨迹中，需要采集大量的有效数据，然后对数据进行深层次的挖掘，获得潜在的、有利用价值的信息，一般获取到信息为一些概念、规则或固定模式。简单算法对大量数据进行挖掘时会产生一些延时，为了解决这一问题，本文提出了基于粒计算决策树并行算法。该算法的核心问题是寻求最优化条件的效率，粒计算决策树并行算法的实质是引进信息粒度化。引进信息粒度化，根据并行算法测试数据及粒的二进制获取其增益信息，大大提高数据处理速度，节省计算时间。

3齿轮行星系扎穴机构运动学模型

扎穴机构在作业过程中既要保证施肥速度，也要保证施肥质量和作业的可靠性。为了达到在施肥过程中不伤害到作物根苗、不损坏施肥机械，对施肥针的运动轨迹和垂直度需要有一定的要求：

①施肥针深入土壤深度为80~130mm；②两个扎穴距离在200mm左右；③喷肥针深入土壤的角度在80°~100°之间。

喷湿机作业装置一般以精简、轻便为要求，以加强施肥效率和改的善装置运动力学特性为目的，在最大限度满足上述3点的要求上，依据运动力学和初始函数，使用离散仿真模型来进行三维软件仿真。非规则齿轮行星系扎穴机构运动学模型如图4所示。

1.太阳轮　2.第1级中间轮　3.第1级中间轮

为了实现扎穴机构的计算机软件仿真，需要提前建立其运动模型，对调整行星系角度后施肥针的轨迹变化进行数据分析。

图4中：以x、y轴建立直角坐标系xoy，根据初始函数y=ax-bsinx对施肥针运动轨迹进行分析。其中，a、b为常数。为实现齿轮正常运转得出特殊曲线，前面一个中间轮绕太阳轮运转的初始角度应为

θ1=θ-k2sinθ

(1)

第2个中间轮相对整个系统架的初始角度为

θ2=θ-k2cosθ

(2)

根据两个中间轮的运转角度和角位移可以得出行星轮相对运动方程为

(3)

施肥针运动轨迹相对于第1个中间轮轮心的运动位移为

(4)

其中 ，k为常数；e为施肥针的长度；h为摇杆臂长度；l为行星轮与太阳轮的距离；θ为摇杆臂与性星系轮心的角度；β为行星系的开始角位移；α为施肥针与太阳轮之间的夹角。

在计算过程中，假设行星系的相对角速度是β3，第1个中间轮轮心到太阳轮轮心的距离为r1，第2个中间轮轮心到太阳轮轮心的距离为r2，则有

(5)

简化为

(6)

假设非规则齿轮扎穴机构前行速度为0，那么扎穴机构针尖D的相对速度方程为

(7)

在机械式的运动中，齿轮结构传动最为简单，主要用于传递两个连接轴之间的回转运动，正常的圆形齿轮的传动速度比一般为常数；而本文中研究的非规则齿轮则是变数，其比率不一，带动施肥针运动的轨迹也是不规则的，其轨迹曲线可以根据需要进行设计，灵活性较高。

为了实现行星系结构做圆周运动，行星系轴心与施肥针的距离为s，两个中间轮轮心到太阳轮轮心的距离分别是r1、r2, 行星系结构做圆周运动的封闭轨迹的关系式为

(8)

当太阳轮做整周运动时，为保证扎穴机构的运动曲线封闭，第1级中间轮也要运动360°，则整个扎穴机构系统的传动比为

(9)

在非规则齿轮传动速度比设计中，为了使齿轮的磨损最小，减小计算的繁琐性，可以利用粒计算决策树并行算法，通过对海量试验数据的信息处理，可就出e的精确值，即系统的传动比。

4施肥针最优运动曲线仿真分析

在对施肥针运动曲线进行软件仿真时，施肥针因太阳轮齿轮运转而带动施肥针做整周运动。 对于不规则的齿轮传动，施肥针的运动轨迹与因子变量α的初始值有关，对于不同的α值，施肥针运动轨迹变化很大，α变化时，运动曲线变化如图5所示。

图5　不同α值时施肥针的运动曲线

由图5可知：在进行软件仿真中，施肥针与太阳轮初始角度α的变化会影响行星系的运动曲线，进而改变施肥针的模拟轨迹；同时，施肥针的入土深度与因子变量无关。

为了满足符合设计要求，在模拟运动轨迹的过程中，利用仿真软件计算大量的不同因子变量α、β、θ，再根据粒计算决策树并行算法，求出了施肥针最优运动曲线。施肥针最优运动曲线如图6所示。

图6　施肥针最优运动曲线

为了证实非规则齿轮扎穴机构的正确性和可靠性，结合扎穴机构运动力学构建的数学模型，利用Pro/E对施肥针运动曲线建立3D模型，配置一系列假设的初始数据信息，并导入至三维仿真设计软件ADAMS中，对整个系统进行运动力学仿真。根据施肥针入土深度及在运动过程中定性因子变量对轨迹的干扰，结合施肥针牵连运动和阻力运动合成最终的运动轨迹。观察非规则齿轮扎穴机构的运动曲线，并运用人机对话仿真软件进行检验，发现非规则齿轮扎穴机构运动曲线正常，没有干涉现象，仿真得到的运动轨迹和理论算出的结果一致。

5结论

为了实现对液体肥料的深入土壤喷施，提出了基于粒计算决策树并行算法的非规则齿轮行星系扎穴机构。实验中以施肥针运动轨迹为例，利用三维仿真软件ADAMS对扎穴机构系统结构求解了参数的最优化。实验结果表明：软件仿真与理论分析设计得到的非规则齿轮扎穴机构运动轨迹一致。本文设计的扎穴机构验证成功，满足液体施肥机的深入喷施的要求，能够深入农作物根部进行施肥，并且不伤害农作物根系，化学肥料吸收效率较高，极大地减少了环境污染。

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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

中图分类号：S224.21

文献标识码：A

文章编号：1003-188X(2016)11-0128-05

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

基金项目：国家自然科学基金子项目( QTZZ201402)

收稿日期：2015-09-05