农作物几何特征量测量系统设计与试验
摘要：为实现复杂背景下农作物几何特征量的实时测量,设计了交互式软件系统和便携式硬件结构。软件基于Matlab图像处理技术和多个作物几何特征量的计算模型,提出了动态交互式颜色特征提取方法和逐点颜色分量差值筛选法,实现了目标作物与背景的有效分离。研究了非旋转体作物体积与投影面积的关系,提出了测量这类作物的体积等特征量的新思路;建立了单位像素实际值与物距的对应关系,避免了需要在背景中设置参照从而计算单位像素代表作物几何特征量的实际值。软件渗透了人机交互和分类设计的思想,具有较好的交互性、通用性和扩展性。硬件采用高配的PC机核心部件、快速响应的工业触摸屏、自动定焦对焦工业相机和可控的相机支架、大容量锂电池。结构紧凑（29.8 cm×19.9 cm×6 cm）、操作简便、便于手持式和分体式测量。系统经过精度测量和实时测试,能完成多种作物的几何特征量测量,一般测量误差4%~8%,自动处理时间平均1.63 s（建好颜色特征库时）,装置有较好的处理速度,有一定的实用价值。融合Harris与SIFT算法的荔枝采摘点计算与立体匹配
摘要：为了满足荔枝收获机器人对整串果实采摘作业的需求,提出一种融合Harris与SIFT算法的荔枝采摘点计算与立体匹配方案。首先在已识别的荔枝结果母枝部位进行Harris角点检测,结合提取已识别荔枝果实区域质心与最小外接矩形等特征信息,进行采摘点二维像素坐标的计算。然后通过对比分析,提出对计算采摘点采用带约束条件基于余弦相似度的SIFT双目立体匹配,最后进行采摘点计算与双目立体匹配实验验证。结果表明,计算采摘点的匹配成功率可达89.55%,且该方法更能满足在结构复杂的结果母枝上采摘点计算的精度需求。钢辊式圆捆机旋转草芯形成影响因素分析与优化
摘要：针对国产的中小型钢辊式圆捆机收获完整稻秆易产生堵塞的问题,利用自行设计的钢辊式圆捆机（草捆直径约500 mm）试验装置对其打捆过程进行了研究。通过高速摄像分析可知：旋转草芯形成过程实质上是稻秆在卷压室内连续卷绕累积的过程,形成的旋转草芯可对后续喂入的稻秆产生较大的牵带作用,进而消除打捆堵塞。通过试验分析可知,旋转草芯形成过程主要依靠钢辊对稻秆的摩擦牵引及后续喂入稻秆的持续推动完成的,据此,针对影响钢辊式圆捆机形成旋转草芯的主要因素——钢辊对稻秆的摩擦作用、捡拾器弹齿端点线速度以及稻秆喂入量为试验因素,以旋转草芯形成时的干物质质量为评价指标,进行了试验研究。结果表明：各因素对旋转草芯形成时的干物质质量贡献率从大到小依次为：钢辊对稻秆的摩擦作用、捡拾器弹齿端点线速度、稻秆喂入量。当因素参数组合为钢辊与稻秆间的滑动摩擦因数约0.65、捡拾器弹齿端点线速度2.23 m/s、稻秆喂入量1.5 kg/s时,旋转草芯形成时的干物质质量为1.58 kg。研究结果可为钢辊式圆捆机的设计及其作业参数优化提供理论及技术依据。2ZDJ-2型钵苗移栽机栽植系统试验
摘要：为了提高导苗管式移栽机栽植作业效果及稳定性,以导苗机构为研究对象,选取连杆杆长、曲柄初始相角和移栽机作业速度为试验因素,钵苗直立率为试验指标,在室内土槽中对研制的2ZDJ-2型钵苗移栽机进行了混合水平均匀试验设计。建立了试验因素与指标间的多元非线性回归模型,并分析了因子效应对试验指标的影响规律。采用Matlab软件对试验取值范围内的因子组合进行了优化求解,并进行了最优因子组合方案重复性验证试验,试验结果表明,曲柄初始相角取70°,连杆杆长取356 mm,作业速度设定280 mm/s时,钵苗直立率升至95.5%,导苗机构作业性能稳定。非匀速三插臂水稻高速插秧机参数分析与试验
摘要：针对三插臂分插机构理论分析不全面和增加插植臂数量导致株距适应范围缩小等问题,提出了一种椭圆齿轮非匀速三插臂分插机构,建立了该分插机构的运动学分析模型,研究了分插机构回转箱体非匀速转动对栽插参数的影响,理论分析得出非匀速转动不影响秧针的静态轨迹、取秧角度、推秧角度和轨迹高度,传动系统中椭圆齿轮偏心率和初始相位角对秧针取秧点y方向的速度影响最大,相位角为0°时,取秧点y方向线速度达到最大。插秧穴口随着偏心率增大而增大,初始相位角对插秧穴口的影响较复杂,在0°~90°范围内随相位角增大而增大,在90°~180°范围内随相位角增大而减小。在室内进行了插植臂速度和移箱回数对伤秧率和切块均匀性的影响试验,试验表明伤秧率随分插机构转速增加而增大且影响显著,但移箱回数差异对伤秧率影响不显著。移箱回数差异对切块均匀性的影响显著,移箱回数18回的切块均匀性明显高于对照组,在移箱回数21回和24回时切块均匀性与对照二插臂的切块均匀性差异不大,分插机构转速增加对秧苗切块均匀性有影响但影响不显著。田间对比试验表明,非匀速三插臂分插机构栽植质量优于对照组,伤秧率均随作业速度的提高而增大,翻倒率和漂秧率也随作业速度的增加而增加但影响不显著,作业速度变化对漏插率影响也不显著。基于ZigBee的播种行表层土壤坚实度采集系统
摘要：针对目前播种行表层土壤坚实度的获取需人工二次进地测量、实时性差等问题,设计了基于Zig Bee技术的播种行表层土壤坚实度采集系统。该系统利用传感器测量镇压轮轮辐伸缩量,建立了镇压轮轮辐伸缩量与土壤坚实度之间的数学模型;选用CC2530主控芯片实现模块控制、数据无线传输的功能。子节点主控芯片CC2530与传感器相连,将传感器的测量数据发送给主节点;主节点接收子节点和车速传感器数据;根据数学模型实现土壤坚实度的测量。为评估系统性能,进行田间试验,结果表明：通过对比系统得到的土壤坚实度与人工测量坚实度,发现二者之间的相对误差平均值为6.3%,相对误差最大值为13.3%。该系统能够实现播种行表层土壤坚实度信息的实时采集和无线传输,可为镇压力的实时调整提供技术支撑。基于能坡线法的微灌双向异径毛管设计
摘要：根据最佳支管位置是位于使两侧毛管灌水器平均工作压力相等处的定义,基于能坡线法推导了微灌双向异径毛管的最佳支管位置、进口工作压力、水力流量偏差系数及极限管长的计算公式,并给出了最佳支管位置参数的数值表。以此为基础,提出了3种常见设计情况下的微灌双向异径毛管设计步骤。通过3个设计实例表明：该方法准确可靠,可以简便快速地设计各种均匀坡条件下的微灌系统双向异径毛管,提高微灌工程设计效率。基于弹道轨迹方程的折射式喷头水量分布计算模型
摘要：针对折射式喷头水量分布模拟研究较少的问题,通过高速摄像技术测得了不同工作压力和喷嘴型号下水滴射流速度和射流弧度,构建了折射式喷头水束射流速度及弧度的指数模型,在此基础上基于弹道轨迹方程和水滴蒸发模型,采用Eclipse作为开发工具编写出折射式喷头水量分布的计算程序。该软件能够在已知喷头工作参数及环境条件下,模拟出水滴粒径分布、水量分布、能量分布等指标。采用软件计算出不同工况下Nelson D3000型喷头喷洒水力特性,并依据模拟出的单喷头水量分布数据,以24 m平移式喷灌机为例进行多喷头组合叠加,与实测值进行对比,结果表明：基于3种模型下开发出的单喷头水量分布计算软件模拟出的水滴粒径分布及单喷头水量分布与实测值变化的规律相符,模拟准确度较高。不同间距下多喷头组合叠加时,喷灌均匀度相对误差在0.04%~14.77%,变化规律的差异性较小。该软件能够为移动式喷灌机优化设计提供技术支持。中心支轴式喷灌机非设计工况对均匀性的影响评估
摘要：通过田间试验,评估了中心支轴式喷灌机非设计工况运行（行进速度和首部压力等）和配置（低压喷头、压力调节器和末端喷枪等）对喷灌机田间喷灌均匀性的影响。结果表明：设计工况下,赫尔曼-海恩均匀系数CUH和均匀分布系数DU均随行进速度提高而减小,当百分率计数器由30%提高到100%,采用低压喷头D3000时的CUH减小12.91%,DU减小6.35%;采用低压喷头R3000时的CUH减小10.50%,DU减小2.39%;首部压力大于设计入机压力0.16 MPa时,入口压力递增,CUH和DU基本保持不变;首部压力为0.08 MPa,采用D3000时,CUH减小14.04%,DU减小15.09%;采用R3000时,CUH减小13.37%,DU减小15.61%;末端喷枪全程开启,采用D3000时的CUH降低10.27%,DU减小14.13%;采用R3000时的CUH降低20.78%,DU降低23.15%;不配置压力调节器且平地条件下,在首部入机压力为0.12、0.16、0.20 MPa时,采用低压喷头D3000时的CUH分别减小1.23%、1.82%和6.51%,DU减小29.61%、14.87%和12.52%;采用R3000时的CUH分别减小9.26%、15.00%、17.19%,DU减小40.05%、32.45%和29.76%;这是由中心支轴喷灌机作业实际工况与设计工况不符引起的。摇臂式喷头圆射流初级碎裂数值模拟与实验
摘要：为探明摇臂式喷头射流碎裂机理,基于VOF多相流模型理论,采用计算流体动力学（CFD）分析软件Fluent,在200~600 k Pa的中低压条件下,使用几何重建（Geometry reconstruction）方法进行界面跟踪,用瞬态PISO方案求解控制方程,对摇臂式喷头圆射流初级碎裂进行数值模拟,获得了初级碎裂液滴直径和射流碎裂长度。采用高速摄影技术进行实验测量,分析了初级碎裂液滴直径和射流碎裂长度模拟值和实测值的相对误差,讨论了初级碎裂液滴直径和射流碎裂长度随喷嘴直径和工作压力的变化情况。结果表明,摇臂式喷头圆射流初级碎裂包括连续段、过渡段和碎裂段3个典型形态,喷嘴直径和入口压力是影响射流碎裂长度和射流初级碎裂液滴直径的主要因素,射流初级碎裂液滴直径D与喷嘴直径d（d〉5 mm）有较好的相关性（D=1.634d,R2=0.912）,初级碎裂液滴直径的模拟值与实测值相对误差为23.92%,拟合精度良好。给出了射流碎裂长度L与韦伯数We的拟合模型,该模型能较好预测摇臂式喷头在低压条件下射流碎裂长度。双吸泵系统开阀过程瞬态特性数值模拟
摘要：采用SST-SAS湍流模型,对一双吸离心泵闭式系统中泵启动和阀门开启两阶段的瞬态流动进行非定常数值模拟,研究了瞬态扬程、蜗壳内压力脉动及叶轮径向力等瞬态特征的变化规律。结果表明：泵启动阶段的瞬态扬程预测值与试验结果吻合良好;与稳态计算结果相比,瞬态开阀过程流动模拟所得扬程预测值与试验结果更为接近;不同开阀时间对泵的瞬态特性有重要影响,随着开阀时间增加,泵的瞬态流量明显增加,瞬态扬程变化不大;开阀过程中,蜗壳上各监测点的压力脉动呈周期性变化,其频率主要为叶片通过频率,蜗壳隔舌处压力脉动幅值变化最为剧烈;叶轮径向力随阀门开度增加而减小,在叶轮旋转周期内,叶轮径向力呈现以叶片通过频率为主频的周期性变化规律。基于双向流固耦合的混流泵叶轮力学特性研究
摘要：基于双向同步求解方法对混流泵内流场和叶轮结构响应进行联合求解,研究流固耦合作用下混流泵叶轮转子的力学特性。流场计算采用雷诺时均方法和标准k-ε湍流模型,结构响应采用弹性体结构动力学方程。通过对比分析流固耦合前后流道内不同位置压力监测点的压力脉动、外特性变化,研究流固耦合作用对混流泵流场的影响,并基于双向流固耦合分析了叶轮叶片的变形与动应力分布。研究结果表明,流固耦合作用对导叶出口处压力脉动幅值影响较大,耦合后扬程和功率波动幅值有所增加,而效率有所下降。考虑流固耦合作用,叶片最大变形发生在叶片出口边背面靠近轮缘处,最大变形量约为0.062 7 mm;最大等效应力发生在叶片背面靠近轮毂出口边附近,最大等效应力约19.85 MPa;采样点耦合动应力呈现周期性变化,轮缘与轮毂上动应力幅值相差3个数量级,轮毂处相比其他位置更易发生疲劳破坏。研究结果为混流泵叶片的结构设计和可靠性分析提供了参考依据。不同比转数前伸式双叶片离心泵内部流动规律研究
摘要：采用k-ε模型、SST模型和DES模型分别对比转数为70的前伸式双叶片离心泵进行非定常数值计算,获得不同流量工况下（Q/Qd分别为0.6、1.0、1.6）叶轮内部流场的相对速度分布,将不同湍流模型的内部流动模拟结果与PIV试验结果进行对比分析,发现基于k-ε模型的模拟结果与PIV试验测量结果较为吻合。采用k-ε模型对比转数为157的前伸式双叶片离心泵进行非定常数值模拟,研究发现叶轮内部流动规律与比转数为70的离心泵叶轮内部流动规律具有相似性：在流道中部靠近叶片工作面上存在低速区及与叶轮旋转方向相反的轴向旋涡,随着流量的增大,低速区与轴向旋涡逐渐减小;引入少叶片数离心泵内部流动理论,揭示了低速区和轴向旋涡存在和发展的内在机理。双流道泵蜗壳多目标多学科设计优化
摘要：为实现同时提高双流道泵水力性能和结构性能的研究目标,采用均匀试验设计、高精度流固耦合计算、人工神经网络建模以及多目标遗传寻优相结合的方法,选取蜗壳的进口直径、进口宽度、隔舌安放角和扩散段长度为优化变量,利用均匀试验设计方法设计了50组试验,通过流固耦合计算方法得到双流道泵设计工况点的效率以及蜗壳段的最大应力,并以此为优化目标,通过BP人工神经网络训练建立近似函数,设计了离心泵专用的多目标多学科遗传寻优策略对目标函数进行寻优,得到了蜗壳几何参数组合的Pareto前沿。结果表明：相对于原始方案,优化方案的扩压效果明显改善,并且减少了隔舌处及扩散段的回流现象;优化方案的效率得到提升;优化方案的最大应力和最大应力点的平均振动速度显著降低。基于叶片撞击模型的鱼友好型轴流泵优化设计
摘要：为降低鱼类通过大中型泵站后的死亡率,维持生态系统的稳定,研究了一种应用在轴流泵中的叶片撞击数学模型,对某一轴流泵的鱼类通过性能进行了预测,包括叶片撞击概率、撞击死亡率和鱼类死亡率,分析得到设计工况点的鱼类死亡率理论上高达68%。以降低鱼类死亡率为主要目标,兼顾水力性能,通过考虑鱼损伤的关键因素,优化设计了3种方案的鱼友好型轴流泵,对比分析了3个方案的鱼类通过性能和水力性能。研究结果表明,方案1和方案2平均降低鱼类死亡率49%,方案3平均降低鱼类死亡率52%;3个方案在设计点扬程均可满足原型泵使用要求,其中修正叶片进口安放角的方案2效率最高,设计点效率低于原型泵约3%,方案3鱼类通过性能最佳,设计点效率低于原型泵约5%。轴流泵导叶进口段调节对其外特性的影响
摘要：针对轴流泵在偏离设计工况时,因水流方向的偏离导致其效率急剧下降,在常规导叶的基础上改变导叶进口段的位置,以期能提高轴流泵在非设计工况下的效率,扩大其在高效区的运行范围。将导叶分为进口段、中段和出口段3个部分,并采用数值计算结合模型试验的方法研究了不同导叶进口段位置对轴流泵外特性的影响。结果表明：导叶进口角度的改变影响到导叶体内的流态及其水力损失,从而影响到泵装置的能量性能;在轴流泵导叶原设计进口角度的基础上,沿顺时针方向旋转适当角度,可扩大低扬程泵装置高效运行的范围,显著提高偏离设计工况点的低扬程、大流量区的效率。微咸水灌溉与土壤水盐调控研究进展
摘要：随着淡水资源短缺的日益加剧,合理开发利用微咸水已成为缓解水资源供需矛盾的重要途径之一。由于微咸水中含有大量盐分,用其灌溉必然增加土壤盐分,影响作物生长和土地质量。因此,采取有效措施调控土壤水盐状况成为微咸水安全利用的基础。本文较详细地回顾了微咸水灌溉条件下土壤水盐运移特征、微咸水入渗模型和水盐运移模型、微咸水灌溉方法、微咸水灌溉对作物生长的影响、土壤水盐调控方法等方面的研究进展,并结合目前研究中关注的核心问题,提出了微咸水安全利用方面需要重点研究的科学和技术问题,为进一步研究微咸水灌溉对土壤和作物生长的影响和其内在机制,以及构建合理利用微咸水灌溉模式提供参考。基于冠层温度和土壤墒情的实时监测与灌溉决策系统
摘要：设计了一个可以在线连续监测田间作物冠层温度、环境信息和土壤墒情的实时灌溉决策系统,并将其安装于农田进行了1 a实际运行和观测。系统采用太阳能供电和微处理器进行数据采集和管理,为野外的实际应用提供了保障。系统配置了红外温度、空气温/湿度、土壤水分/水势等传感器,能够及时采集田间全面的同步数据,排除了异地观测所形成的数据误差。采用悬臂式多点采集下垫面红外温度检测方法,可以快速采集更多和更高精度的数据,避免单点测量的人为误差。系统配备的快速锁紧装置,能够根据下垫面作物的生长情况进行传感器位置高度调节,使检测数据更符合田间实际情况。通过运行管理和监测数据分析可见,所监测数据能够很精细的刻画田间作物实际生长状况,可以用于灌区综合灌溉决策,实现田间精量灌溉管理和控制,为灌溉管理的精量化和智能化提供数据支持。
