一种自适应变转矩烟叶采摘装置及方法

本发明涉及烟叶采摘装置及方法，具体涉及一种自适应变转矩烟叶采摘装置及方法。

背景技术：

1、烟草生产的机耕和起垄机械化程度较高，烟叶生产机械化是烟叶生产现代化的一个重要载体。在烟草生产的各个环节中，起垄是机械化作业中推广最好的环节，相比之下，烟草生产过程中的采摘环节机械化程度低。北方黑龙江、山东、河南等烟区由于种植地集中，地势平坦，好开展机械化作业，近些年烟叶机械化采收发展较快，已大规模推广使用机械设备，大大减少了用工数量，提高了生产效率。而南方位于丘陵山地的烟区由于种植地较分散、地势崎岖不平，机械化采摘难度大，但各烟区也在积极推进机械化作业，针对各地地形研制适用于各地地域特点的机械化装备，对推进烟草农业现代化具有重要意义。但目前采用旋转刀具的烟叶采摘装置大都不能对旋转刀具的高度、角度、横向距离进行调节，也不能进行自适应调节旋转刀具的转矩，采摘范围和精度有限。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服上述存在的问题，提供一种自适应变转矩烟叶采摘装置，该烟叶采摘装置可以调节旋转刀具的高度、角度、横向距离，还可以自适应调节旋转刀具的转矩，从而提高采摘效率、减少用工数量以及减少烟叶损失。

2、本发明的另一个目的在于提供一种自适应变转矩烟叶采摘方法。

3、本发明的目的通过以下技术方案实现：

4、一种自适应变转矩烟叶采摘装置，包括采摘机架以及设置在采摘机架上的旋转采摘机构、位置调节机构；

5、所述旋转采摘机构设有两个，每个旋转采摘机构均包括旋转刀片以及用于驱动旋转刀片进行旋转的旋转驱动机构；

6、所述位置调节机构包括调节安装架、竖向调节机构以及宽度调节机构；所述调节安装架设有两个且相对设置，两个旋转采摘机构分别设置在两个调节安装架上；所述竖向调节机构设有两组，两组竖向调节机构的驱动端分别与两个调节安装架连接；每组竖向调节机构包括两个竖向调节机构；同一组的两个竖向调节机构的排列方向与采摘装置采摘时的前进方向平行；所述宽度调节机构设有两组，两组宽度调节机构的驱动端分别与两个调节安装架连接；两组宽度调节机构的排列方向与两个调节安装架的排列方向平行；

7、还包括作业参数采集器，该作业参数采集器包括用于检测旋转刀具的转动阻力矩的转矩传感器、用于检测旋转刀具的高度位置的高度传感器以及用于检测采摘装置的作业速度的速度传感器。

8、上述自适应变转矩烟叶采摘装置的工作原理为：

9、工作时，烟株主杆伸进两个旋转刀片之间的间隙中，通过旋转驱动机构驱动旋转刀片进行转动，从而将烟株主杆的烟叶拍打下来。

10、根据烟株主杆的直径大小，通过两组宽度调节机构调节两个调节安装架之间的间距，使得烟株主杆可以顺利伸进两个调节安装架中，以便旋转刀片进行采摘。

11、根据待采摘的烟叶的高度，通过两组竖向调节机构调节两个调节安装架的高度，使旋转采摘机构的旋转刀片的高度与烟叶的高度对应，以便可以灵活地采摘不同部位的烟叶(上部叶、中部叶、下部叶)。

12、进一步，当需要调节旋转刀片的倾斜度时，可以通过同一组的两个竖向调节机构调节不同的高度，使得同一个调节安装架按照想要的角度进行倾斜，以便应对不同的采摘情况。

13、本发明的一个优选方案，其中，所述旋转刀片为以旋转中心对称的结构，该旋转刀片的刀刃呈波浪形结构。

14、进一步，当两个旋转刀片旋转至同一平面上时，两个旋转刀片相对的刀刃错位配合。

15、本发明的一个优选方案，其中，所述旋转刀片由树脂材料制成。

16、本发明的一个优选方案，其中，所述旋转驱动机构包括旋转驱动电机，该旋转驱动电机固定在调节安装架上，该旋转驱动电机的输出轴通过联轴器和旋转安装板与所述旋转刀片连接。

17、本发明的一个优选方案，其中，所述竖向调节机构包括竖向驱动件和竖向传动组件，所述竖向传动组件包括竖向传动丝杆和竖向传动丝杆螺母，所述竖向传动丝杆；所述竖向传动丝杆螺母与所述调节安装架连接。

18、进一步，所述竖向驱动件为手动转盘；

19、所述竖向传动组件还包括锥形齿轮组；所述手动转盘通过锥形齿轮组与竖向传动丝杆连接。

20、进一步，两组竖向调节机构的相对的锥形齿轮组之间设有同步传动轴；所述手动转盘与该同步传动轴的一端固定连接。这样，可以同步驱动两个调节安装架的同一端进行竖向移动，操作便捷。

21、进一步，每组宽度调节机构包括两个宽度调节机构，同一组的两个宽度调节机构分别设置在同一组的两个竖向调节机构上。

22、进一步，所述宽度调节机构与竖向传动丝杆螺母固定连接，该宽度调节机构由手动微调机构构成，该手动微调机构与所述调节安装架固定连接。

23、本发明的一个优选方案，其中，还包括行走机构，该行走机构设置在采摘机架的下方。

24、本发明的一个优选方案，其中，还包括作业参数采集器，该作业参数采集器包括用于检测旋转刀具的转动阻力矩的转矩传感器、用于检测旋转刀具的高度位置的高度传感器以及用于检测采摘装置的作业速度的速度传感器。这样，在工作中，通过采集阻力矩、旋转刀具高度和采摘装置的作业速度，并将其转化为电信号传递给控制器，由控制器通过内置算法和转矩预测模型对旋转驱动电机进行自适应控制，使旋转驱动电机的输出转矩处于最佳状态，根据实际需要灵活调节旋转刀具的转速，有利于减少能耗。

25、一种自适应变转矩烟叶采摘方法，包括作业前调节步骤和采摘作业步骤；

26、其中，所述作业前调节步骤的操作包括：

27、当需要调节两个调节安装架之间的间距时，根据烟株主杆的直径大小，通过两组宽度调节机构调节两个调节安装架之间的间距，使得烟株主杆可以顺利伸进两个调节安装架中；

28、当需要旋转刀片的高度时，根据待采摘的烟叶的高度，通过两组竖向调节机构调节两个调节安装架的高度，使旋转采摘机构的旋转刀片的高度与烟叶的高度对应，以便采摘不同部位的烟叶；

29、当需要调节旋转刀片的倾斜度时，通过同一组的两个竖向调节机构调节调节安装架的两端的高度，使得同一个调节安装架按照想要的角度进行倾斜，以便应对不同的采摘情况；

30、所述采摘作业步骤包括：

31、将采摘装置放在烟草地中；采摘装置沿着烟草种植的方向进行移动；

32、在移动过程中，烟株主杆伸进两个旋转刀片之间的间隙中，通过旋转驱动机构驱动旋转刀片进行转动，将烟株主杆的烟叶拍打下来；

33、在采摘作业过程中，通过转矩传感器采集旋转刀具的转动阻力矩的数据；通过高度传感器采集旋转刀具的高度位置的数据；通过采集采摘装置的作业速度的速度传感器的数据；

34、将上述采集到的数据转化为电信号传递给控制器，由控制器通过内置算法和转矩预测模型对旋转驱动电机进行自适应控制，使旋转驱动电机的输出转矩处于最佳状态，根据实际需要灵活调节旋转刀具的转速，有利于减少能耗。

35、进一步，基于人工神经网络模型，建立输出转矩预测模型，并利用遗传算法对转矩预测模型进行优化，最终获取理想的电机输出转矩预测模型，实现自适应变转矩。

36、进一步，采用遗传算法对转矩预测模型进行优化的操作为：

37、参数编码；

38、根据目标函数进行确定适应度函数，适应度函数的表达式如下：

39、

40、式中，n为神经网络输出层神经元个数；为神经元第i个神经元的期望输出；为神经元网络第i个神经元的预测输出；

41、遗传输出。

42、进一步，从r2、rmse、mae三个方面，对建立的转矩预测模型进行评估；其中rmse、mae越小，r2越大，则输出转矩预测模型的效果越好，其中r2、rmse、mae的表达式分别为：

43、

44、

45、

46、式中，yi为神经网络第i个神经元的真实值；为神经网络第i个神经元的预测输出；为神经网络样本均值。

47、进一步，采用多层前馈神经网络对转矩预测模型进行训练和预测，具体操作如下：

48、设置输入层、隐藏层及输出层的神经元个数；初始化相连神经元的权值与阈值及学习率；利用以下公式确定隐藏层神经元的数量范围：

49、

50、式中，nh为隐藏层神经元个数；n为输入层神经元个数；n0为输出层神经元个数；α为1～10之间的常数；

51、计算隐藏层输出：

52、式中，hj为隐藏层第j节点的输出；n为输入层神经元的个数；f()是隐藏层激活函数；

53、计算输出层输出：

54、式中，hj为隐藏层的第j节点的输出；k为隐藏层神经元的个数；是输出层激活函数；

55、计算网络预测误差：ek＝yk-ok；

56、根据网络预测误差ek更新神经元相连权值wij与wjk：

57、

58、根据网络预测误差ek更新神经元相连阈值aj与bk：

59、

60、bk＝bk+ek；

61、式中，η为学习速率。

62、进一步，判断算法迭代是否终止，需要满足以下两个条件之一：网络输出达到设定的精度要求和总训练次数达到最大迭代次数；

63、若满足，则终止训练；

64、若不满足，则返回隐藏层输出计算。

65、本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

66、1、通过设置宽度调节机构，可以根据烟株主杆的直径大小调节两个调节安装架之间的间距，使得烟株主杆可以顺利伸进两个调节安装架中，以便旋转刀片进行采摘。

67、2、通过设置竖向调节机构，可以根据待采摘的烟叶的高度，调节两个调节安装架的高度，使旋转采摘机构的旋转刀片的高度与烟叶的高度对应，以便可以灵活地采摘不同部位的烟叶(上部叶、中部叶、下部叶)。

68、3、当需要调节旋转刀片的倾斜度时，可以通过同一组的两个竖向调节机构调节不同的高度，使得同一个调节安装架按照想要的角度进行倾斜，以便应对不同的采摘情况，提高采摘效率、减少用工数量以及减少烟叶损失。