农机动力配置方法及系统技术方案

本发明专利技术提出一种农机动力配置方法和系统，包括：根据农机重量和农机轮胎滚动阻力系数，得到农机的轮胎滚动阻力，并根据农机拖挂的犁具重量、摩擦系数、作业速度，得到犁具阻力，根据轮胎滚动阻力、犁具阻力、由作业速度和农机自身牵引力构成的总动力，构建农机的农业最优模型；以农机实际牵引力小于其额定牵引力、作业速度小于其额定速度、实际功率小于其额定功率为约束条件，得到农业最优模型在约束条件下最优农机自身牵引力和最优作业速度；根据目标作业面积、最优农机自身牵引力和最优作业速度，确定农机台数N，以最优作业速度，按照作业路径完成目标作业。本发明专利技术可提升农机作业效率，降低农业机械化生产成本，提高农业生产经济效益。济效益。济效益。

【技术实现步骤摘要】
农机动力配置方法及系统


[0001]本专利技术属于农业与信息
，并特别涉及一种基于线性重构技术的农机动力配置方法及系统。

技术介绍

[0002]随着我国农业现代化的快速发展，农机装备的总量以及农业机械化水平已经取得大幅度提高。自2016年
‑
2020年，全国农作物耕种收综合机械化水平由65.2％增长至71.25％。其中，机耕率、机播率、机收率分别达到85.49％、58.98％、64.56％。全国农业机械总动力也由9.7亿千瓦增长至10.56亿千瓦。拖拉机拥有量2204.88万台，其中80马力以上拖拉机拥有量143.66万台，拖拉机配套农具4024.08万台。此外，2020年我国田间作业动力拥有量亩均动力0.38kW，美国亩均动力为0.06～0.07kw，我国是美国的5.8
‑
6.8倍。尽管我国农业机械化水平取得了长足的进步，但与发达国家相比我国农业机械依旧存在作业效率低的问题。农机作业效率主要体现在农机自身动力传动系统匹配的合理程度，以及农场亩均动力最优匹配程度两个方面。
[0003]为了提升农机作业效率，许多专家学者围绕农机动力系统进行了相关研究。国际龙头企业约翰迪尔与凯斯等公司对农机驱动的滑转率进行相关研究并基本实现了农机滑转率的控制。针对后轮驱动大功率拖拉机犁耕作业工况，提出了大功率拖拉机牵引力
‑
滑转率联合自动控制方法，实现农机防滑控制。对车辆牵引力、速度与滑转率相关性进行研究，通过实际作业给出三者间数学表达式。对农机动力系统进行研究，为农机的变速箱结构优化及档位动力匹配提供了理论指导依据。则通过农机与农机具选型配套进行研究，进而对农业生产过程中的农机具与农机选型提供指导与建议。上述研究通过对农机自身动力以及农机与农机具配套等方面进行了研究，但未结合农场实际作业情况对农机与农机具进行优化配置。现有技术对万亩水田现代化农机装备配置分析，系统的给出了农机配置方案。现有技术对贵州高粱生产全程机械化农机配置，提出了适用于坝区地块特点的最佳机具选型方案，并计算出了不同生产环节农机的配置数量。现有技术则以安哥拉马兰热农业种植区为研究对象，对玉米和大豆两种主要农作物的机械化生产系统进行优化配置研究，提出了农机配置方案。
[0004]尽管上述研究结合实际作业场景对农机配套进行优化并给出指导建议，但这些研究对农机作业效率以及农机速率进行简单假设，未对实际作业场景下农机自身动力与农机具的最优配置进行研究。

技术实现思路

[0005]本专利技术目的解决农场农机动力配置模型不完善的问题，针对该问题本专利技术综合考虑农机输出动力、农机具配套、路径规划以及作业时间的关系，并基于农机作业力学理论构建了农机总动力系统模型，提出了一种基于线性重构技术优化方法，该方法将非凸优化问题转变为凸优化问题，然后通过拉格朗日对偶法对该问题进行求解。
[0006]针对现有技术的不足，本专利技术提出一种农机动力配置方法，其中包括：
[0007]步骤1、根据农机的耕宽，对目标实际作业区域进行农机路径规划，得到农机的作业路径，根据目标作业完成时间和该作业路径，得到目标作业面积；
[0008]步骤2、根据农机重量和农机轮胎滚动阻力系数，得到农机的轮胎滚动阻力，并根据农机拖挂的犁具重量、摩擦系数、作业速度，得到犁具阻力，根据该轮胎滚动阻力、该犁具阻力、由作业速度和农机自身牵引力构成的总动力，构建农机的农业最优模型；
[0009]步骤3、以该农机实际牵引力小于其额定牵引力、作业速度小于其额定速度、实际功率小于其额定功率为约束条件，得到该农业最优模型在该约束条件下最优农机自身牵引力和最优作业速度；
[0010]步骤4、根据该目标作业面积、该最优农机自身牵引力和该最优作业速度，确定农机台数N，N台该农机以该最优作业速度，按照该作业路径完成目标作业。
[0011]所述的农机动力配置方法，其中该步骤2包括：
[0012]根据下式，得到该轮胎滚动阻力：
[0013]F
滚动
＝G
农机
f
[0014]f＝0.0013h+0.0988
[0015]其中F
滚动
表示轮胎滚动阻力，G
农机
表示为农机重量，f表示为滚动阻力系数，h为车辙深度；
[0016]犁具阻力表示为：F
犁具
＝G
犁具
f
综合
+kaw+εawv2[0017]其中，G
犁具
为犁具重量，f
综合
为综合摩擦系数，k为土垡抗变形系数，a为耕深、w为幅宽，v为农具的作业速度，ε为与梨体曲面形状、土壤密度系数；
[0018]该农业最优模型：
[0019]w1(P
牵引
,v)＝P
牵引
‑
G
农机
fv
‑
1.2(G
犁具
f
综合
[0020]+kab+εabv2)v
[0021]该步骤3包括：
[0022][0023]s.t.C4:F
额定
v
额定
+P
牵引
‑
F
额定
v
‑
F
牵引
v
额定
≥0
[0024]C5:F
牵引
v
额定
‑
P
牵引
≥0
[0025]C6:F
额定
v
‑
P
牵引
≥0
[0026]C7:P
牵引
≥0
[0027]通过拉格朗日乘子法以及梯度法对进行求解，得到该最优农机自身牵引力和该最优作业速度。
[0028]所述的农机动力配置方法，其中该目标作业面积S
total
＝Nwvt，其中N为农机台数、w为耕宽、v为作业速度、t为目标作业完成时间。
[0029]所述的农机动力配置方法，其中该农机路径规划包括：构建目标作业区域R的最小外接矩形R
cr
，及其二维直角相对坐标系；根据农机的耕宽w，确定作业平行线间的距离；根据农机转向特性，将作业平行线进行首尾相连；根据相连后的全局路径点序列作为该作业路径。
[0030]本专利技术还提出了一种农机动力配置系统，其中包括：
[0031]路径规划模块，用于根据农机的耕宽，对目标实际作业区域进行农机路径规划，得到农机的作业路径，根据目标作业完成时间和该作业路径，得到目标作业面积；
[0032]模型构建模块，用于根据农机重量和农机轮胎滚动阻力系数，得到农机的轮胎滚动阻力，并根据农机拖挂的犁具重量、摩擦系数、作业速度，得到犁具阻力，根据该轮胎滚动阻力、该犁具阻力、由作业速度和农机自身牵引力构成的总动力，构建农机的农业最优模型；
[0033]约束求解模块，用于以该农机实际牵引力小于其额本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种农机动力配置方法，其特征在于，包括：步骤1、根据农机的耕宽，对目标实际作业区域进行农机路径规划，得到农机的作业路径，根据目标作业完成时间和该作业路径，得到目标作业面积；步骤2、根据农机重量和农机轮胎滚动阻力系数，得到农机的轮胎滚动阻力，并根据农机拖挂的犁具重量、摩擦系数、作业速度，得到犁具阻力，根据该轮胎滚动阻力、该犁具阻力、由作业速度和农机自身牵引力构成的总动力，构建农机的农业最优模型；步骤3、以该农机实际牵引力小于其额定牵引力、作业速度小于其额定速度、实际功率小于其额定功率为约束条件，得到该农业最优模型在该约束条件下最优农机自身牵引力和最优作业速度；步骤4、根据该目标作业面积、该最优农机自身牵引力和该最优作业速度，确定农机台数N，N台该农机以该最优作业速度，按照该作业路径完成目标作业。2.如权利要求1所述的农机动力配置方法，其特征在于，该步骤2包括：根据下式，得到该轮胎滚动阻力：F
滚动
＝G
农机
ff＝0.0013h+0.0988其中F
滚动
表示轮胎滚动阻力，G
农机
表示为农机重量，f表示为滚动阻力系数，h为车辙深度；犁具阻力表示为：F
犁具
＝G
犁具
f
综合
+kaw+εawv2其中，G
犁具
为犁具重量，f
综合
为综合摩擦系数，k为土垡抗变形系数，a为耕深、w为幅宽，v为农具的作业速度，ε为与梨体曲面形状、土壤密度系数；该农业最优模型：w1(P
牵引
,v)＝P
牵引
‑
G
农机
fv
‑
1.2(G
犁具
f
综合
+kab+εabv2)v该步骤3包括：s.t.C4:F
额定
v
额定
+P
牵引
‑
F
额定
v
‑
F
牵引
v
额定
≥0C5:F
牵引
v
额定
‑
P
牵引
≥0C6:F
额定
v
‑
P
牵引
≥0C7:P
牵引
≥0通过拉格朗日乘子法以及梯度法对进行求解，得到该最优农机自身牵引力和该最优作业速度。3.如权利要求1所述的农机动力配置方法，其特征在于，该目标作业面积S
total
＝Nwvt，其中N为农机台数、w为耕宽、v为作业速度、t为目标作业完成时间。4.如权利要求1所述的农机动力配置方法，其特征在于，该农机路径规划包括：构建目标作业区域R的最小外接矩形R
cr
，及其二维直角相对坐标系；根据农机的耕宽w，确定作业平行线间的距离；根据农机转向特性，将作业平行线进行首尾相连；根据相连后的全局路径点序列作为该作业路径。5.一种农机动力配置系统，其特征在于，包括：路径规划模块，用于根据农机的耕宽，对目标实际作业区域进行农机路径规划，得...

【专利技术属性】
技术研发人员：龙隆，刘子辰，陈海华，陆在旺，张玉成，
申请(专利权)人：中国科学院计算技术研究所，
类型：发明
国别省市：