木薯收获机械多元耦合仿生块根拔起系统设计方法

The uprooting system of cassava root is a multi-performance constrained, multi-process and multi-factor coupling complex hydraulic and mechatronic system which is a key part of dig-uproot cassava harvester.At present, the corresponding design theory and method are absent both at home and abroad. The project intends to apply multi-factor coupling bionics thoery, multi-domain dynamic simulation technology and synergistic overall optimization method to carry out the following research: 1)The mathematical model of maximum effective stress of cassava root and the multi-factor coupling bionics dynamic simulation model of soil - cassava root -uprooting mechanism - sensor - control system are built.2) Formation mechanism of self-adaptive adjustment function when cassava roots are uprooted by men and by biomimetic system are studied respectively.3) The design principle and parameters optimization method of the performance constrained multi-factor coupling bionics uprooting mechanism system are discussed. 4) The optimized result of the system is verified by physical experiment. Due to the differences of soil condition and root growth in different positions of the field, it is difficult to reduce yield loss and improve harvest efficiency at the same time when the mechanical optimized uprooting speed model is applied in the harvest. The design method of the new bionic dig-uproot cassava harvester is useful to solve the "bottleneck" problem and it plays an important role in speeding up the development of mechanized harvest technology of cassava root and bio-energy in Guangxi.

木薯块根拔起系统是挖拔式木薯块根收获机械的关键部分，是多性能约束及多过程、多元耦合的复杂机电液系统，目前，国内外缺少相应的设计理论和方法。项目拟采用多元耦合仿生理论、多领域的动力学仿真技术及协同整体优化方法，进行以下主要内容研究:(1)木薯块根最大有效应力的数学模型及土壤-块根-拔起机构-传感器-控制系统多元耦合仿生动力学仿真模型的建立；(2)人拔起块根的自适应调节功能形成机理和仿生系统拔起块根的自适应调节功能形成原理的研究；(3)性能约束的多元耦合仿生拔起机构系统的设计原理研究和参数优化研究；(4)系统优化结果的试验验证。形成一种新的挖拔式木薯块根仿生收获机械设计方法，解决采用较优块根拔起速度模型进行块根收获时，由于田块中各位置的土壤状况和块根生长情况不一，实际难以同时减少收获损失和提高收获效率的"瓶颈"问题，对促进广西木薯块根机械化收获技术及生物能源的发展都具有非常重要的意义。

项目针对田块中各位置的土壤状况和块根生长情况不一，实际难以同时减少收获损失和提高收获效率的“瓶颈”问题，采用仿生理论、多领域的动力学仿真技术及智能优化方法，进行了以下主要内容研究：(1)块根最大应力的数学模型及土壤-块根-拔起机构-传感器-控制系统多元耦合仿生动力学仿真模型的构建；(2)人拔起块根的自适应调节功能形成机理和仿生系统拔起块根的自适应调节功能形成原理的研究；(3)多元耦合仿生拔起机构系统的设计原理研究；(4)优化结果验证。结果表明，（1）建立的块根拔起系统多因素耦合影响的块根最大应力数学模型精度较高，块根允许最大拔起力约为0.98 kN。（2）人较优的块根拔起自适应调节方法是：先对块根的拔起难度进行试探，根据拔起难度设定拔起阻力的预期值，后采用一边抖动一边拔起，在拔起过程中感知拔起阻力，若感知拔起阻力超过预期值，调整拔起速度，使拔起力保持在一个适当的水平，直至块根拔出。（3）机械的自适应调节功能形成原理为：以机械的较优块根拔起速度为基础，以块根允许的最大拔起力为条件，通过感知拔起力的大小，自动调节拔起速度。（4）建立的块根-拔起机构-传感器-控制系统多元耦合仿生动力学仿真模型可用于系统的综合优化研究。（5）结合局部搜索算子的蜘蛛群集算法，当系统的控制参数Kp为0.841和Ki为0.2039时，块根拔起速度能较好跟随较优块根拔起速度，可用于木薯收获机的块根拔起过程精确控制。（6）发明的弹簧式土薯抖动分离装置因素的优组合为：长孔长度2.68 cm、弹簧刚度20.04 kN/cm、弹簧预紧力335.2 N，相应的干净度为0.778，碰撞力为320 N，可作为挖拔式木薯收获机土薯分离装置的设计依据。（7）设计、试制出的仿生挖掘式木薯块根收获机作业性能较好。项目研究获得的成果，形成了一种新的仿生块根拔起机构系统设计方法，为挖拔式木薯块根收获机械的设计提供了理论依据。