基于多跳路由算法的地膜回收機(jī)械裝置優(yōu)化

吳東林，張玉華

(漯河食品職業(yè)學(xué)院，河南 漯河　462300)

?

基于多跳路由算法的地膜回收機(jī)械裝置優(yōu)化

吳東林，張玉華

(漯河食品職業(yè)學(xué)院，河南 漯河462300)

摘要：為了增強(qiáng)地膜回收機(jī)的通信能力，使其適應(yīng)不同地膜密度的地塊，提高地膜回收機(jī)的工作效率，實(shí)現(xiàn)多地膜回收機(jī)的協(xié)同控制，設(shè)計(jì)了一種新的基于多跳無線網(wǎng)絡(luò)的地膜回收機(jī)和多回收機(jī)協(xié)同控制系統(tǒng)。改進(jìn)后的地膜回收機(jī)在起膜鏟的軸上裝有起膜阻力傳感器，可以實(shí)時(shí)測試起膜阻力，調(diào)整起膜機(jī)的速度，實(shí)現(xiàn)速度的自適應(yīng)調(diào)節(jié)。為了適應(yīng)不同的起膜機(jī)速度，在卷膜機(jī)上裝有速度傳感器，可以對卷膜速度進(jìn)行控制，提高了起膜和卷膜的作業(yè)精度。同時(shí)，設(shè)計(jì)了5點(diǎn)的多跳通信網(wǎng)絡(luò)，利用無線局域網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了地膜機(jī)的協(xié)同控制。最后對地膜回收機(jī)的性能進(jìn)行了測試，通過測試發(fā)現(xiàn)：殘膜機(jī)作業(yè)的回收率達(dá)到了90%以上，其作業(yè)時(shí)間較短，滿足高效殘膜回收機(jī)的設(shè)計(jì)需求，可以在其他農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化機(jī)械控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行推廣

關(guān)鍵詞：地膜回收機(jī)；自適應(yīng)調(diào)節(jié)；多跳網(wǎng)絡(luò)；起膜鏟；傳感器

0引言

地膜覆蓋技術(shù)不僅可以減緩?fù)寥浪值恼舭l(fā)速度，而且可以起到抑制雜草生長、提升大田地溫的作用，因此在我國北方干旱與半干旱地區(qū)的農(nóng)作物種植中得到了普遍的推廣和應(yīng)用。雖然地膜使用較多，但地膜回收率較低。據(jù)農(nóng)業(yè)部專項(xiàng)調(diào)查，每年殘存在田間、土壤、溝河中的塑料薄膜至少占使用總量10%以上，現(xiàn)累積殘存量已在百萬噸以上。殘留地膜不僅會污染環(huán)境，而且能夠造成農(nóng)作物的減產(chǎn)。一般地膜的厚度較薄，容易斷裂，回收難度較大，因此只有研究出新型實(shí)用的機(jī)具，才能加強(qiáng)對地膜的回收，保證農(nóng)業(yè)的穩(wěn)定持續(xù)發(fā)展，產(chǎn)生較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

1地膜回收機(jī)總體設(shè)計(jì)

在國內(nèi)，由于經(jīng)濟(jì)原因，一般種植采用的地膜厚度大約在0.006mm，明顯低于國際標(biāo)準(zhǔn)；同時(shí)，使用的是不可降解的聚乙烯和聚氯乙烯高分子化合物，地膜經(jīng)過播種和耕地及收獲等環(huán)節(jié)，會產(chǎn)生斷裂，較難清理，工作強(qiáng)度較大。本次研究擬通過設(shè)計(jì)，對地膜回收機(jī)進(jìn)行改造，提高其工作效率。設(shè)計(jì)框架如圖1所示。

圖1　地膜回收機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架

為了使地膜回收機(jī)適應(yīng)不同地塊和不同地膜等具體工作環(huán)境，利用傳感器對地膜的回收阻力進(jìn)行采集，并據(jù)此實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)地膜回收機(jī)的自適應(yīng)調(diào)速。為了提高工作效率，通過多跳網(wǎng)絡(luò)對多地膜回收機(jī)進(jìn)行協(xié)同控制，原理如圖2所示。

地膜阻力由一臺回收機(jī)的傳感器進(jìn)行采集，然后將采集信號傳輸給PC機(jī)進(jìn)行處理；PC機(jī)通過多跳網(wǎng)絡(luò)發(fā)出信號，對多臺地膜回收機(jī)進(jìn)行協(xié)同控制。

2機(jī)械結(jié)構(gòu)和多跳路由控制算法設(shè)計(jì)

為了增強(qiáng)地膜回收機(jī)的通信能力，使其適應(yīng)不同地膜密度的地塊，提高地膜回收機(jī)的工作效率，需要對地膜回收機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。本次設(shè)計(jì)的地膜回收機(jī)應(yīng)用在苗期地膜回收，其回收機(jī)的三維結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖2　多地膜回收機(jī)協(xié)同控制多跳網(wǎng)絡(luò)框架

1.機(jī)架　2.懸掛架　3.卸膜膠帶　4.張緊輪

苗期地膜回收機(jī)主要由7部分組成，主要包括機(jī)架、起膜輪、卸膜輪、卸膜膠帶、集膜箱、松土鏟及地輪。起膜輪和卸膜輪均由地輪驅(qū)動，在機(jī)具上安裝有無線網(wǎng)絡(luò)傳感器，可以根據(jù)地膜阻力的大小采集地膜的密度信息數(shù)據(jù)。

圖4為設(shè)計(jì)的殘膜回收機(jī)的平面結(jié)構(gòu)示意圖。其中，在起膜鏟裝的軸上裝有力傳感器，可以采集起膜阻力的大小數(shù)據(jù)。

1 .機(jī)架　2.傳動部件　3.地輪　4.起膜鏟

起膜鏟的主要結(jié)構(gòu)簡圖如圖5所示。為了保證其能夠起不同深度的地膜，需要將其設(shè)計(jì)能夠深入到土壤內(nèi)一定深度，且要盡量減少對地膜的擾動，深度設(shè)計(jì)為40mm，選取入土角α為28°，入土隙角β為8°。

1.側(cè)導(dǎo)膜桿　2.上導(dǎo)膜桿　3.主支撐叉桿　4.固定橫梁

卷膜輥傳動設(shè)計(jì)如圖6所示。為了適應(yīng)不同的起膜機(jī)速度，在卷膜機(jī)上裝有速度傳感器，可以對卷膜速度進(jìn)行控制。為了保證起膜鏟收起的地膜能及時(shí)被卷膜輥卷起，避免地膜滯留堵塞或拉斷現(xiàn)象，則在相同時(shí)間內(nèi)地輪前進(jìn)距離應(yīng)與卷膜輥卷起的地膜長度一致，即

(1)

其中，D為地輪的直徑；d6為卷膜錕的直徑；w1為地輪的角速度；w4為卷膜錕角速度；t為地膜回收機(jī)的前進(jìn)時(shí)間。由于卷膜輥始終被緊壓在卷膜驅(qū)動輥上，因此兩者的輪緣線速度相等，即

(2)

其中，d5為卷膜驅(qū)動錕的直徑。由鏈輪和齒輪傳動可得

(3)

其中，z1、z2、z3、z4分別為大、小鏈輪和大、小齒輪的齒數(shù)。綜合上述公式可得

(4)

因此，主要滿足改傳動比，便可以實(shí)現(xiàn)順利的卷膜。為了滿足不同地塊地膜順利起膜的需要，需要設(shè)計(jì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來使起膜機(jī)能夠自適應(yīng)不同地塊的變化。在一定的通信范圍內(nèi)，可以將其應(yīng)用在任意尺寸的地塊內(nèi)進(jìn)行通信，根據(jù)公式(2)的計(jì)算，可以得到節(jié)點(diǎn)地址的偏移量如表1所示。傳感器節(jié)點(diǎn)分布及通信范圍如圖7所示。

圖6　卷膜錕傳動設(shè)計(jì)

圖7　傳感器節(jié)點(diǎn)分布和通信范圍

網(wǎng)絡(luò)深度d計(jì)算參數(shù)Cskip(d)0(A)Cm=231(B、C)Rm=213(D、E)Lm=20

當(dāng)B和C兩個(gè)節(jié)點(diǎn)接受到A節(jié)點(diǎn)的通信請求后，會向A點(diǎn)發(fā)出信息響應(yīng)，并將通信深度定義為1；同理，D和E兩個(gè)節(jié)點(diǎn)在接收到A發(fā)出的通信請求后，會將自身的路由深度定義為2。5個(gè)節(jié)點(diǎn)組成的路由表如表2所示。

表2　多跳節(jié)點(diǎn)自組織網(wǎng)絡(luò)路由表

在節(jié)點(diǎn)進(jìn)行自組織通信時(shí)，節(jié)點(diǎn)可以收到同級或不同級的路由通信請求。為了節(jié)省通信能耗，可以選擇最短的通信路徑，然后更新路由表，從而大大提高了在不同地塊通信范圍內(nèi)，地膜回收機(jī)的通信能力。

3基于多跳路由的地膜回收機(jī)性能測試

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)優(yōu)化的地膜回收機(jī)性能，對地膜回收機(jī)進(jìn)行了測試，以苗期地膜回收機(jī)為研究對象，在地膜機(jī)上裝有無線傳感器，并在地塊內(nèi)使用無線路由器等設(shè)備進(jìn)行無線網(wǎng)絡(luò)通信。地膜回收機(jī)性能測試如圖8所示。

圖8　地膜回收機(jī)性能測試照片

在地膜回收機(jī)上安裝有多跳路由算法的通信系統(tǒng)，在100m×100m的范圍內(nèi)使用5個(gè)無線路由器架構(gòu)無線傳感網(wǎng)絡(luò)。為了測試不同通信半徑的多跳網(wǎng)絡(luò)性能，分布區(qū)半徑R為15、20、25m，得到的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)終結(jié)數(shù)目與測試輪數(shù)的變化曲線如圖9所示。由圖9可看出：在通信半徑為25m時(shí)，性能達(dá)到最佳狀態(tài)。

圖10為使用和不使用多跳網(wǎng)絡(luò)時(shí)節(jié)點(diǎn)的壽命測試曲線。由圖10可以看出：在3 500輪以內(nèi)測測試使用多跳網(wǎng)絡(luò)時(shí)期壽命周期要明顯高于不使用多跳網(wǎng)絡(luò)，從而驗(yàn)證了移動多跳網(wǎng)絡(luò)性能的優(yōu)越性。

圖11為使用和不使用多跳網(wǎng)絡(luò)時(shí)節(jié)點(diǎn)的能耗測試曲線。由圖11可以看出：在3 000輪以內(nèi)測測試使用多跳網(wǎng)絡(luò)能耗要明顯低于不使用多跳網(wǎng)絡(luò)，從而進(jìn)一步驗(yàn)證了多跳網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)越性，因此可以應(yīng)用在地膜回收機(jī)的移動通信系統(tǒng)中。

圖9　終結(jié)節(jié)點(diǎn)數(shù)隨測試輪數(shù)的變化曲線

圖10　使用和不使用多跳網(wǎng)絡(luò)時(shí)節(jié)點(diǎn)壽命測試

圖11　使用和不使用多跳網(wǎng)絡(luò)時(shí)能量消耗測試

表3為殘膜回收機(jī)的回收率和作業(yè)時(shí)間的測試表。由表3可以看出：殘膜機(jī)作業(yè)的回收率較高，達(dá)到了90%以上，其作業(yè)時(shí)間較短，在100×100m的作業(yè)范圍內(nèi)，作業(yè)時(shí)間不超過過13min，滿足了高效殘膜回收機(jī)的設(shè)計(jì)需求。

表3　殘膜回收率和作業(yè)時(shí)間測試

4結(jié)論

依據(jù)殘膜回收機(jī)的作業(yè)原理，對起膜和卷膜機(jī)械裝置進(jìn)行了改進(jìn)，使地膜回收機(jī)可以根據(jù)地膜的密度進(jìn)行自適應(yīng)的調(diào)節(jié)前進(jìn)速度，提高了地膜的回收精度和回收效率。依據(jù)多跳網(wǎng)絡(luò)的通信原理，設(shè)計(jì)了多地膜回收機(jī)協(xié)同控制網(wǎng)絡(luò)，利用無線局域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了地膜回收機(jī)的協(xié)同控制。對多跳通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了測試，通過測試發(fā)現(xiàn)：使用多跳網(wǎng)絡(luò)通信可以有效地延長節(jié)點(diǎn)的生命周期，降低網(wǎng)絡(luò)能耗。

參考文獻(xiàn)：

[1]坎雜,郭文松,張若宇,等.網(wǎng)狀滾筒式機(jī)采籽棉殘膜分離機(jī)的設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2011,27(6):95- 99.

[2]張若宇,坎雜,郭文松,等.機(jī)采籽棉殘膜分離機(jī)籽棉帶出機(jī)理仿真[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2012,28(1):17-21.

[3]殷章桃,坎雜,江英蘭,等.基于虛擬儀器的加工番茄自動分選試驗(yàn)臺輸送系統(tǒng)[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué),2013,41(3):374-377.

[4]袁媛,李紹穩(wěn),汪偉偉,等.LabVIEW軟件平臺在果園生態(tài)環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2007,23(6):186-188.

[5]何文清,嚴(yán)昌榮,劉爽,等.典型棉區(qū)地膜應(yīng)用及污染現(xiàn)狀的研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2009,28(8):1618-1622.

[6]王學(xué)農(nóng),史建新,郭俊先,等.懸掛式棉稈粉碎還田摟膜機(jī)摟膜機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2008, 24(1):135-140.

[7]方磊.我國棉田生態(tài)污染及其防治對策[J].安徽農(nóng)學(xué)通報(bào),2007,13(12):56-58.

[8]任淑英,徐林芳,馬中啟,等.殘膜回收機(jī)在皇宮鎮(zhèn)的推廣應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)農(nóng)機(jī)化,2007(4):15.

[9]高杰.殘膜回收機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀及存在問題[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械化,2007(4):180-189.

[10]劉成蓮.殘膜回收技術(shù)的研究與分析[J].農(nóng)業(yè)技術(shù)裝備,2009(12):20-21.

[11]許斯軍,曹奇英.基于可視圖的移動機(jī)器人路徑規(guī)劃[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件,2011(3):220-222.

[12]尹建軍,武傳宇,毛罕平.番茄采摘機(jī)器人機(jī)械臂避障路徑規(guī)劃[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2012,12:171-175.

[13]姬偉,程風(fēng)儀,趙德安,等.基于改進(jìn)人工勢場的蘋果采摘機(jī)器人機(jī)械手避障方法[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2013(11): 253-259.

[14]周芳,朱齊丹,趙國良.基于改進(jìn)快速搜索隨機(jī)樹法的機(jī)械手路徑優(yōu)化[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2011(11):30-35.

[15]Goh Shy ChyanS. G. Ponnambalam.Obstacle avoidance control of redundantr obotsusing variants of particles warm optimization[J].Robotics and Computer Integrated Manufacturing,2011,25(8)：282-285.

[16]梁喜鳳,王永維,苗香雯.番茄收獲機(jī)械手避障運(yùn)動規(guī)劃[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2008,39(11):89-93

[17]宋勇,李貽斌,栗春,等.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的移動機(jī)器人路徑規(guī)劃方法[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù),2008(2): 316-319.

[18]張美玉,黃翰,郝志峰,等.基于蟻群算法的機(jī)器人路徑規(guī)劃[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2005(25):34-37.

[19]孔令軍,張興華,陳建國.基本蟻群算法及其改進(jìn)[J].北華大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2004(6): 572-574.

[20]羅德林,吳順祥.基于勢場蟻群算法的機(jī)器人路徑規(guī)劃[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù),2010(6):1277-1280.

[21]董麗梅.山地播種機(jī)的研究與設(shè)計(jì)[D].蘭州:甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué), 2009: 19-21.

[22]徐云峰.小型免耕播種機(jī)的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究[D].北京: 中國農(nóng)業(yè)大學(xué),2005: 22-24.

[23]高煥文,李問盈,李洪文.中國特色保護(hù)性耕作技術(shù)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2003,19(3):1-4.

[24]王晉生,王桂英.小麥機(jī)械化播種技術(shù)實(shí)踐[J].農(nóng)業(yè)技術(shù)與裝備,2009(17):21-22.

[25]劉蘊(yùn)賢,倪道明,李從華,等.不同施肥方法對水稻生長及稻田周圍水體污染的影響[J].天津農(nóng)業(yè)科學(xué),2007,13(1):31-34.

Optimization of Plastic Film Recycling Mechanism Based on Multi Hop Routing Algorithm

Wu Donglin, Zhang Yuhua

(Luohe Food Vocational College, Luohe 462300, China)

Abstract：In order to enhance the communication capacity of plastic recycling machine the adapt to different plastic film density plots, improve the work efficiency of the mulching film recovery machine, realize the coordinated control of multiple plastic film recycling machine, it designed a new multi hop wireless network of plastic recycling machine and recycling machine based on coordination control system. The modified film recycling machine is equipped with a film resistance sensor on the shaft of the film,which can be tested in real time. In order to be adaptive to the speed of the film, the film is equipped with a speed sensor, which can control the film speed and improve the operation accuracy of the film and film. A multi hop communication network with five points was designed, and the cooperative control of plastic film was realized by using wireless local area network. Finally the mulching film recovery machine performance was tested to find that plastic film machine operation recovery rate reached more than 90%, the operating time is short, which meet the demand of high residual film recovery machine design. The research can control other modernization of agriculture machinery of spread to the design process of the system.

Key words：plastic film recycling machine; adaptive adjustment; multi hop network; film shovel; sensor

中圖分類號：S223.5； TP242.6

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)08-0209-05

作者簡介：吳東林(1977-)，男，河南汝南人，講師，碩士。通訊作者：張玉華(1979-)，女，河南臺前人，講師，(E-mail) yuliangjun1984@126.com。

基金項(xiàng)目：河南省科技廳科技攻關(guān)項(xiàng)目(12B520035)；漯河食品職業(yè)學(xué)院科技攻關(guān)項(xiàng)目(2014-JSJ-06);河南省社科聯(lián)項(xiàng)目(SKL-2014-791)

收稿日期：2015-07-16