水稻插秧机分插机构人机交互可视化优化设计.pdf

年月农业机械学报第卷第期水稻插秧机分插机构人机交互可视化优化设计武传宇赵匀陈建能【摘要】利用可视化人机交互优化方法对水稻插秧机曲柄摇杆分插机构进行了优化设计，在建立分插机构数学模型的基础上，编写了具有可视化效果的人机交互优化程序，分析了各变量对目标和约束的影响，进而优化出满足插秧运动要求的结构参数。结果表明：采用基于可视化的人机交互优化方法易于实现，且操作简单方便，提高了优化效率。关键词：水稻插秧机分插机构可视化优化中图分类号：犛文献标识码：犃犗狆狋犻犿犻狕犪狋犻狅狀犇犲狊犻犵狀狅犳犚犻犮犲犜狉犪狀狊狆犾犪狀狋犲狉犛犲狆犪狉犪狋犻狀犵狆犾犪狀狋犻狀犵犕犲犮犺犪狀犻狊犿狑犻狋犺犞犻狊狌犪犾犻狕犪狋犻狅狀犎狌犿犪狀犮狅犿狆狌狋犲狉犐狀狋犲狉犪犮狋犻狅狀犕犲狋犺狅犱犠狌犆犺狌犪狀狔狌犣犺犪狅犢狌狀犆犺犲狀犑犻犪狀狀犲狀犵（犣犺犲犼犻犪狀犵犛犮犻犜犲犮犺犝狀犻狏犲狉狊犻狋狔）犃犫狊狋狉犪犮狋犠犻狋犺狋犺犲犿犲狋犺狅犱狅犳犺狌犿犪狀犮狅犿狆狌狋犲狉犻狀狋犲狉犪犮狋犻狅狀犫犪狊犲犱狅狀狏犻狊狌犪犾犻狕犪狋犻狅狀，狋犺犲狅狆狋犻犿犻狕犪狋犻狅狀犱犲狊犻犵狀狅犳狋犺犲狊犲狆犪狉犪狋犻狀犵狆犾犪狀狋犻狀犵犿犲犮犺犪狀犻狊犿狅犳狉犻犮犲狋狉犪狀狊狆犾犪狀狋犲狉狑犪狊犮犪狉狉犻犲犱狅狌狋犜犺犲犿犪狋犺犲犿犪狋犻犮犿狅犱犲犾狅犳狋犺犲犿犲犮犺犪狀犻狊犿狑犪狊犲狊狋犪犫犾犻狊犺犲犱，犪狀犱狋犺犲狅狆狋犻犿犻狕犪狋犻狅狀狆狉狅犵狉犪犿狑犻狋犺犺狌犿犪狀犮狅犿狆狌狋犲狉犻狀狋犲狉犪犮狋犻狅狀犫犪狊犲犱狅狀狏犻狊狌犪犾犻狕犪狋犻狅狀狑犪狊犮狅犿狆犻犾犲犱狊狌犫狊犲狇狌犲狀狋犾狔犜犺犲狀，狋犺犲犻狀犳犾狌犲狀犮犲狅犳犲狏犲狉狔狆犪狉犪犿犲狋犲狉狅狀狋犺犲狅狆狋犻犿犻狕犪狋犻狅狀狅犫犼犲犮狋犪狀犱狉犲狊狋狉犻犮狋犻狅狀犮狅狌犾犱犫犲犳狅狌狀犱狅狌狋犜犺犲狉犲犳狅狉犲，狋犺犲犿犲犮犺犪狀犻狊犿狊狊狋狉狌犮狋狌狉犪犾狆犪狉犪犿犲狋犲狉狊，狑犺犻犮犺狊犪狋犻狊犳狔狋犺犲狉犲狇狌犻狉犲犿犲狀狋狊狅犳狊犲狆犪狉犪狋犻狀犵犪狀犱狆犾犪狀狋犻狀犵狊犲犲犱犾犻狀犵狊，犮狅狌犾犱犫犲狅狆狋犻犿犻狕犲犱犲犪狊犻犾狔狋犺狉狅狌犵犺狋犺犲犻狀狋犲狉犪犮狋犻狅狀狅犳犺狌犿犪狀犮狅犿狆狌狋犲狉犜犺犲狉犲狊狌犾狋狊狊犺狅狑犲犱狋犺犪狋狋犺犻狊犿犲狋犺狅犱狑犪狊狊狌犻狋犪犫犾犲，犪狀犱犻狋犮狅狌犾犱犻犿狆狉狅狏犲狋犺犲犲犳犳犻犮犻犲狀犮狔狅犳狅狆狋犻犿犻狕犪狋犻狅狀狀狅狋犪犫犾狔犓犲狔狑狅狉犱狊犚犻犮犲狋狉犪狀狊狆犾犪狀狋犲狉，犛犲狆犪狉犪狋犻狀犵狆犾犪狀狋犻狀犵犿犲犮犺犪狀犻狊犿，犞犻狊狌犪犾犻狕犪狋犻狅狀，犗狆狋犻犿犻狕犪狋犻狅狀收稿日期：国家自然科学基金资助项目（项目编号：）和“十一五”国家科技支撑计划重点项目（项目编号：）武传宇浙江理工大学机械与自动控制学院副教授，杭州市赵匀浙江理工大学机械与自动控制学院教授陈建能浙江理工大学机械与自动控制学院副教授引言对于水稻插秧机分插机构优化设计这类非线性约束复杂优化问题，常用惩罚函数法求解。但惩罚函数法的缺陷是惩罚因子不易确定，若惩罚因子取得过大，有可能使算法过早收敛于非极值点；而过小则可能使算法收敛性能很差。遗传算法（犵犲狀犲狋犻犮犪犾犵狅狉犻狋犺犿狊，简称犌犃）、模拟退火算法（狊犻犿狌犾犪狋犻狅狀犪犾犵狅狉犻狋犺犿狊，简称犛犃）与神经网络（狀犲狌狉犪犾狀犲狋狑狅狉犽狊，简称犖犖）比传统的优化方法（如随机方向法、复合形法）效果好，但是它们对问题的依赖性大，须根据不同问题采取不同的措施来调整惩罚函数（包括因子）。最好能根据问题的特性找出自适应的惩罚函数，使其能快速、有效地搜索到优化问题的全局最优解。实际中很难做到，当优化问题是复杂的多目标非线性优化模型时，各目标的加权值很难确定。另外，现有的优化方法及其过程仍为封闭式的，设计人员始终处于被动地位，无法在迭代过程中及时驾驭与控制优化过程。对过程中可能出现的死循环、可行域非凸或不相交、收敛于局部极小点等问题均不得而知。本文将具有可视化效果的人机交互优化方法应用于水稻插秧机分插机构的优化设计中。人机交互优化方法人机交互优化方法是将人和计算机相结合，以充分发挥人与计算机各自的优势，利用人定性认识的整体效应及计算机定量表达的逻辑推理能力，实现定性与定量表达的有机结合，从而进行优化的一种方法。犌犃、犛犃与犖犖模拟了自然界的物理和仿生原理，属于人工智能优化设计方法，具有较强的解决问题的能力。但对一些复杂的工程设计用智能算法或是不能解决，或是要付出巨大代价才能解决。而利用人的直觉思维或逻辑思维，即人类智能却能很好地解决。因此，应将人擅长处理随机、突发事件的应变能力、模糊推理能力、判断力和创造力与机器擅长处理精确、重复、程序化的计算工作这两者结合起来，使人机充分发挥各自的特点和优势，从而设计出最优方案。对于一般的机构优化设计，要构建一个可视化的人机交互优化系统一般采用以下步骤。数学建模采取什么样的建模策略，可使优化模型柔性化，并实现数值与非数值优化一体化，是构建可视化人机交互优化系统的关键问题。首先对求解的问题进行分析，确定优化的参数、优化的目标和存在的约束，从而建立正确的数学模型。对目标进行几何图形绘制，进行可视化建模，实现对象的可视化。对于复杂的模型，需要给出求解算法和程序框图。编制人机交互图形软件构建一个合适的人机接口即交互式用户界面，使整个优化过程可视化。用户可通过人机界面交互确定变量、约束及目标三要素，即在一定程度上实现了优化模型建立的柔性。在变量、约束和目标的表达上，尽可能采用数字和图形显示相结合，以便用户对复杂模型进行直观定性的识别判断和定量的比较分析，从而及时有效地对设计参数进行调整。一般采用面向对象的可视化编程软件，如犞犻狊狌犪犾犅犪狊犻犮或者犞犻狊狌犪犾犆等，根据已建立的数学模型，编写出具有良好交互界面、设计参数调整方便的可视化优化软件。分析变量对目标和约束的影响优化设计可视化是将迭代设计过程中尽可能多的信息形象地展现给用户，使用户便于观察设计过程的全部，从而发现问题的根源。充分利用软件的人机交互、可视化功能，分析变量对各目标和各约束影响的显著性，变量之间对目标和约束的交互影响，以及目标和约束同变量间的相关性，找出变量对目标和约束的影响规律，为下一步优化打下基础。优化结果根据优化目标和上一步得到的变量影响规律，用户可对优化过程进行干预，通过可视化技术发现问题，有针对地调整各变量，确定出最接近目标的一组变量。行星系曲柄摇杆分插机构参数优化利用可视化人机对话方法解决行星轮系曲柄摇杆分插机构优化问题。图行星轮曲柄摇杆分插机构简图犉犻犵犛犽犲狋犮犺狅犳狊犲狆犪狉犪狋犻狀犵狆犾犪狀狋犻狀犵犿犲犮犺犪狀犻狊犿狑犻狋犺犮狉犪狀犽狉狅犮犽犲狉狌狀犻狋（犪）传动图（犫）结构示意图太阳轮中间轮秧爪（栽植臂）摇杆行星轮机架优化目标与约束条件分插机构是水稻插秧机的重要部件，决定着插秧的效率和质量。行星轮系曲柄摇杆分插机构的传动图和结构图如图所示，由行星齿轮系和曲柄摇杆机构（摇杆转动轴固定在行星轮上）组成分插机构的传动部分，栽植臂轴相对行星轮轴的绝对转动（相对机架）作为曲柄传动，连杆与栽植臂通过栽植臂轴固结，行星轮作为曲柄摇杆机构的固定杆，行星轮在行星齿轮系转动时，相对机架无角位移。行星架上栽植臂轴心相对行星轮轴心转动，形成了曲柄的转动，栽植臂轴可看作曲柄和连杆的铰链点，连杆的转动和平动看作栽植臂上秧针的相对运动，行星架上行星轮轮轴的圆周运动是秧针的牵连运动。通过选取合适的参数，其合成运动能够满足秧爪工作轨迹、取秧角、推秧角等的插秧要求，具体的目标和约束条件如下：（）为使设计的插秧机能同时适合插大苗和小苗，并保证插大苗时不出现“搭桥”现象，秧针尖犇点的轨迹必须达到一定的高度，以犿犿为第期武传宇等：水稻插秧机分插机构人机交互可视化优化设计宜，即满足犢犇犿犪狓犢犇犿犻狀。（）插秧后回程轨迹要有向上的趋势，避免过早前倾，以免秧针碰伤已插的秧苗。（）取秧角（秧针取秧时与水平线的夹角）应在之间；推秧角（推秧时与水平线的夹角）应在之间。（）轨迹的穴口长度要小于犿犿，太大会导致所插秧苗倒伏或漂秧。（）栽植臂的轴心不能与已插秧苗的中底部接触，以免碰伤秧苗。（）两栽植臂在插秧过程中不能发生运动干涉。图运动分析图犉犻犵犛犽犲狋犮犺狅犳犽犻狀犲犿犪狋犻犮狊犪狀犪犾狔狊犻狊狅狀犮狉犪狀犽狉狅犮犽犲狉狌狀犻狋数学模型在行星轮上建立相对运动坐标系狓犗狔如图所示，坐标原点设在行星轮中心，摇杆转动中心犆点在行星轮上，其坐标（狓犆，狔犆）是常量，曲柄犗犃的角速度为，即行星架转动角速度，犃点为栽植臂犅犃犇的转动中心，其坐标（狓犃，狔犃）为狓犃犾犮狅狊狋狔犃犾狊犻狀烅烄烆狋（）式中犾犗犃杆长度建立曲柄摇杆机构矢量方程犔犗犃犔犃犅犔犗犆犔犆犅（）相应的位移方程狓犃犾犮狅狊狓犆犾犮狅狊狔犃犾狊犻狀狔犆犾狊犻狀烅烄烆（）式中犃犅杆（栽植臂）角位移犆犅杆角位移犾犃犅杆长度犾犆犅杆长度式（）消去得犮狅狊（犆犃）（狓犃狓犆）（狔犃狔犆）犾犾犾（狓犃狓犆）（狔犃狔犆）槡（）式中犆犃为点犆和犃组成的向量与坐标狓轴正方向的夹角，可由式狋犪狀犆犃狔犃狔犆狓犃狓犆计算得出。在犃犅犆中，犆犃，犆犃求出后，则可求。犅点的坐标（狓犅，狔犅）为狓犅狓犆犾犮狅狊狔犅狔犆犾狊犻狀烅烄烆（）通过狋犪狀狔犅狔犃狓犅狓犃，可求。秧针尖犇点的坐标（狓犇，狔犇）为狓犇狓犃犾犮狅狊（）狔犇狔犃犾狊犻狀（烅烄烆）（）式中犾犃犇间距离栽植臂初始安装角，即犃犇的连线与杆犃犅的夹角（以杆犃犅为始边，逆时针方向为正）在机架上建立绝对运动坐标系犡犗犢如图犫所示，坐标原点为行星架转动中心，建立秧爪尖犇点的绝对坐标（犡犇，犢犇）为犡犇犾犗犗犮狅狊（）狓犇犢犇犾犗犗狊犻狀（）狔烅烄烆犇（）其中狋式中初始相位角犾犗犗行星轮回转半径由于机器工作时有前进的速度狏犿，所以秧爪尖犇点的绝对运动方程应为犡犇犑犡犇狏犿犢犇犑犢烅烄烆犇（）式中犡犇犑、犢犇犑秧爪尖犇点狓、狔方向的绝对位移编制人机交互图形软件在犞犻狊狌犪犾犅犪狊犻犮开发环境中编写具有良好的人机对话分析软件，程序界面如图和图所示。该软件的输入参数（优化变量）包括曲柄长度犾、连杆长度犾、摇杆长度犾、犗犆距离犾犗犆、行星轮回转半径犾犗犗、栽植臂初始安装角、初始相位角、秧针尖犇点到栽植臂轴心的距离犛和株距犎。输出参数有取秧角、推秧角和轨迹穴口长度、轨迹高度、取秧和推秧时的机架角度等。它能够根据机构参数的变化（既可微调，也可跳跃式变化）实时地计算输出参数，并显示秧针轨迹（包括秧针的静轨迹和动轨迹、行星轮轴心的动轨迹及其这些轨迹和秧苗之间的相对位置）。同时也可进行秧针相对运动模拟和绝对运动模拟。分析变量对结果的影响利用该软件可以方便得到各参数改变对秧爪轨农业机械学报年图可视化人机交互优化界面犉犻犵犗狆狋犻犿犻狕犪狋犻狅狀犻狀狋犲狉犳犪犮犲狅犳犺狌犿犪狀犮狅犿狆狌狋犲狉犻狀狋犲狉犪犮狋犻狅狀图分插机构参数优化结果犉犻犵犗狆狋犻犿犻狕犪狋犻狅狀狉犲狊狌犾狋狊狅犳狊犲狆犪狉犪狋犻狀犵狆犾犪狀狋犻狀犵犿犲犮犺犪狀犻狊犿狆犪狉犪犿犲狋犲狉狊栽植臂轴心运动轨迹秧爪尖相对运动轨迹秧爪（栽植臂）的取秧位置秧箱位置秧爪尖绝对运动轨迹秧苗位置秧爪（栽植臂）的插秧位置迹和栽植臂运动的影响：行星轮回转半径犾犗犗的变化影响秧针轨迹高度，轨迹高度随犾犗犗增大而增大；曲柄摇杆参数犾、犾、犾、犾犗犆的变化影响插秧角和取秧角之间的角度差和秧爪尖轨迹形状。摇杆犾的摆动幅度同插秧角和取秧角之间的角度差成正比。栽植臂初始安装角和初始相位角影响秧爪尖静轨迹在空间的姿态。当增大时，秧爪尖静轨迹逆时针旋转；当增大时，秧爪尖静轨迹顺时针旋转。秧爪尖静轨迹的变化直接影响了秧针尖动轨迹穴口长度、轨迹的高度、栽植臂取秧角和推秧角。以上的影响规律为优化出合适的插秧轨迹提供了依据。优化结果图为可视化参数优化结果，主要参数为：犾犿犿，犾犿犿，犾犿犿，犾犗犆犿犿，犾犗犗犿犿，。取秧角为，插秧角为，满足取秧和插秧的角度要求；插秧后，秧爪从已插秧苗的后方以大的斜率从秧苗的中部穿过，确保不会推到已插秧苗；行星轮轴的工作轨迹（余摆线）小部分穿过已插秧苗，不会碰伤秧苗；轨迹高度为犿犿，确保不会产生“搭桥”现象；轨迹的穴口长度为犿犿；从分插机构的运动仿真可以看出两栽植臂在插秧过程中不能发生运动干涉，满足插秧的要求。结束语提出的人机交互优化方法，是利用人定性认识的整体效应及计算机定量表达的逻辑推理能力，实现定性与定量表达的有机结合，从而进行优化的一种方法。利用可视化的人机交互优化方法对行星系曲柄摇杆分插机构进行了优化设计，分析出各变量对目标和约束的影响，进而优化出满足插秧运动要求的结构参数。参考文献席少霖非线性最优化方法犕北京：高等教育出版社，吴志远，邵惠鹤，吴新余基于遗传算法的退火精确罚函数非线性约束优化方法犑控制与决策，（）：陈建民，张仲义神经网络在优化计算中的应用犑系统工程与电子技术，（）：腾弘飞，曾威，梁大伟，等演化设计方法及应用犑机械工程学报，（）：杨灿军，陈鹰，路甬祥人机一体化智能系