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农业机械学报 2017年第02期杂志 文档列表

农业机械学报杂志特约专稿

区域生态安全格局优化研究进展1-10

摘要：区域生态安全格局的最优化是保障区域生态安全的基础,采用模型方法准确地对区域生态安全格局进行分析及优化对于区域生态环境可持续发展有重要意义。区域生态安全格局优化需要多学科的综合、多角度的分析和多种实现手段的结合。一般建立在对不同景观类型、景观的空间格局、景观过程以及功能之间关系深入理解的基础上,首先找到景观格局对过程的影响方式,建立数量关系,其次利用景观生态学的原理集成数学模型,优化土地利用,多层次、多角度、多学科进行区域生态安全格局优化。本文在分析国内外相关研究进展的基础上,对区域生态安全格局的概念发展、研究内容演变、优化方法等进行了总结,在此基础上得出未来区域生态安全格局优化的研究趋势：多模型、多方法、多技术的有机集成;区域生态安全标准量化的探索;公众参与机制及利益协调的管理手段研究。

农业机械学报杂志农业装备与机械化工程

基于DGPS与双闭环控制的拖拉机自动导航系统11-19

摘要：以东方红X-804型拖拉机为平台,设计了一种基于RTK-DGPS定位和双闭环转向控制相结合的自动导航系统,研究提高农业机械导航控制精度的方法。阐述了导航系统整体设计方案,以RTK-DGPS和AHRS500GA分别提供位置信息和辅助修正信息实现准确定位,以电控液压转向系统实现转向控制。分析了整体控制的策略,建立了路径跟踪的传递函数模型,阐述了双闭环转向控制算法的建立过程,以及控制器的硬件实现。试验结果表明：GPS定位数据经过校正后,平均偏差降低至0.031 m;双闭环控制算法提高了自动转向系统性能,稳态时方波信号以及正弦波信号的跟踪误差平均值为0.40°;在拖拉机田间作业跟踪过程中,路径跟踪误差平均值不超过0.019 m,转向轮偏角跟踪误差平均值为0.43°,标准差不超过0.041 m。

基于主动轮廓模型的自动导引车视觉导航20-26

摘要：为解决工厂或农业非线性光照环境下视觉导航算法鲁棒性和实时性差的问题,提出基于主动轮廓模型的导航标识线检测与跟踪算法。首先用多项式曲线模型描述单向标识线,导航问题等价为计算多项式曲线参数;然后依据标识线颜色和边缘等特征,给出关于多项式曲线的主动轮廓模型的内、外部能量函数;最后将能量函数简化为非线性最小二乘问题,应用高斯牛顿法和Armijo-Goldstein不精确一维搜索方法求解曲线最优参数。采用自制视频和自主小车测试算法,结果表明：该算法对非线性光照条件下直线和弯曲标识线的导航正确率为98.96%,运算时间为40.18 ms。试验验证了该算法的鲁棒性和实时性。

基于机器视觉的定向播种用玉米种粒精选装置研究27-37

摘要：根据玉米定向播种对种粒的要求,设计了一种基于机器视觉的玉米种粒实时精选装置。阐述了装置的组成和工作原理,设计了不合格种粒吹除装置及吹除方案,提出了种粒图像动态检测方法,根据种粒图像RGB颜色特征,提取出种粒区域及其各颜色区域,结合种粒形态特征建立了周长、面积等20个检测指标,并通过测试统计确定了其合格范围,最终据此分析和完成了尖端露黑色胚部、小型、圆形、虫蚀破损、霉变等不符合定向播种种粒的判断。依据种粒粘连处两分界点沿轮廓线较近一侧的距离与两分界点间直线距离之比,大于单一种粒轮廓线上任意两点的对应值,来判断种粒粘连性。试验表明,合格性检测准确率为96%,粘连性判断准确率为99%,不合格种粒有效吹除率为98%。

基于机器视觉的玉米根茎导航基准线提取方法38-44

摘要：提出一种在大田环境下快速、精确提取中晚期玉米行中心线作为农业机器人导航基准线的新方法。改进了传统的2G-R-B算法,实时地获取植株绿色特征。根据玉米垂直投影图生成根茎轮廓特点并采用峰值点检测算法生成玉米根茎候补定位点,再对候补定位点进行二次判别,提取玉米根茎定位点。利用最小二乘法对已知特征点进行拟合,得到作物行线。求取左右行斜率后,计算出实际需要的导航基准线。实验结果表明,与其它算法相比,处理一幅700像素×350像素的彩色图像平均耗时小于185 ms,实时性好。在多种环境下生成的导航基准线准确率在90%以上,有较强的鲁棒性,为农业自动导引车（Automated guided vehicle,AGV）在中后期玉米大田中的自主行走提供了一种可靠的导航方法。

基于BDS的果园施药机自动导航控制系统45-50

摘要：根据果园施药机自动导航喷药作业需求,设计了一种基于北斗卫星导航系统（BDS）的施药机自动导航控制系统。该系统主要包括RTK-BDS接收机、导航控制器、转向控制器、电控气动转向系统和三轴电子罗盘。其中转向控制器、电控气动转向系统和三轴电子罗盘构成转向角闭环控制回路,该回路可根据导航控制器发送的施药机期望转向角实现转向角的随动控制。将施药机的运动学模型和纯追踪模型相结合,设计了施药机直线跟踪导航控制器,输入为位置坐标和方位角,输出为期望转向角。针对果园地形特点对施药机进行了导航路径规划,并在果园进行现场试验。试验结果表明：所设计的导航控制系统,在施药机行进速度为2 km/h时,直线跟踪最大误差不大于0.13 m,平均跟踪误差不大于0.03 m,能满足果园自动导航作业精度要求。

电控玉米排种系统设计与试验51-59

摘要：传统精量玉米播种机作业时,排种器的动力由地轮提供,针对由于田间作业工况复杂导致地轮打滑而造成漏播率增加等问题,设计了电控玉米排种系统。该系统在田间播种作业时,由雷达测速仪采集播种作业速度,结合所需粒距得到排种器理论转速;通过编码器采集排种器实时转速,利用控制器控制策略,进行转速的最优控制,从而得到目标排种转速,提高排种精度。田间试验结果表明：应用该电控排种系统进行田间玉米播种作业时,排种合格指数平均值为92.40%,与传统排种相比提高3.63个百分点;漏播指数平均值为4.82%,与传统排种相比降低2.04个百分点;不同播种作业工况下粒距变异系数均小于4.20%,播种效果好。

基于土壤扰动与牵引阻力的深松铲结构参数优化60-67

摘要：针对目前深松铲作业阻力大的问题,以3种深松铲（凿形、箭形、翼形）为研究对象,以深松铲的铲形、入土角α和张角β为试验因素,在辽宁省春玉米垄作区,进行了田间正交试验。检测了深松沟土壤扰动等指标和深松阻力F,计算了深松沟形面积与牵引阻力比值即沟形面积比阻。结果表明,α、β对耕后土壤特性、深松沟形面积和沟形面积比阻没有显著影响。α对阻力F有显著影响,F随α先减小,再增大,当α为21°时阻力最小。铲形对耕后土壤特性、深松沟形面积、阻力F和沟形面积比阻有显著影响,凿形铲、箭形铲和翼形铲作业对土壤扰动面积依次增大,翼形铲的扰动面积分别比凿形铲和箭形铲大49.8%、30.0%,箭形铲扰动面积比凿形铲大15.3%（P〈0.05）;但翼形铲所受阻力分别比箭形铲和凿形铲大123.6%和36.6%,箭形铲比凿形铲所受阻力大63.7%（P〈0.05）。从凿形铲到翼形铲,沟形面积比阻依次增大,凿形铲的沟形面积比阻分别较箭形铲和翼形铲小42.4%和50.2%（P〈0.05）,箭形铲的沟形面积比阻较翼形铲小5.4%（P〈0.05）。综合深松铲对土壤扰动疏松效果、牵引阻力及沟形面积比阻分析,入土角α为21°的凿形铲是相对最优的铲形。

密植果园开沟施肥机开沟刀片设计与试验68-74

摘要：针对现有开沟刀片在密植果园开沟施肥过程中存在功率消耗大、沟深稳定性差的问题,运用旋耕理论和试验分析的方法,设计了一种正弦指数曲线型开沟刀片。通过分析拖拉机前进速度、刀盘转速以及二者相互作用对功率消耗和沟深稳定性的影响,确定了正弦指数曲线型开沟刀片工作参数的最佳组合为：拖拉机前进速度1 m/s,刀盘转速为200 r/min。以正弦指数曲线型开沟刀片B处弯曲角、弯曲半径、C处弯曲角为影响因子,以功率消耗和沟深稳定性为响应值,通过三因素四水平正交试验,确定了正弦指数曲线型开沟刀片结构参数的最佳组合为：B处弯曲角为95°,C处弯曲角为140°,弯曲半径为9 mm。对正弦指数曲线型开沟刀片和现有开沟刀片进行对比试验,结果表明：在工作参数和开沟深度相同的条件下,正弦指数曲线型开沟刀片比现有开沟刀片功率消耗下降3.29 k W,沟深稳定性提高8.83个百分点,各项技术指标均达到了国家相关标准的技术要求。

多作业区域植保无人机航线规划算法75-81

摘要：针对植保施药多个作业区域的情况,研究了一种植保无人机全局航线规划算法,将整个算法分为单个区域航线规划、区域间作业顺序和区域间调度航线规划3部分。从作业路程、多余覆盖和遗漏覆盖的角度,分析了多种覆盖作业方式的优劣,确定了无人机在单区域内的覆盖方式。基于遗传算法与TSP问题得到区域间的优化作业顺序,并基于改进的二进制编码遗传算法进行区域间调度航线的规划,最终实现无人机多作业区域航线的全局规划。仿真结果表明,规划算法可以有效地实现全局航线的规划,缩短了无人机的作业距离与区域间调度飞行的距离,达到了能耗与工作时间的优化,节省了航线规划所需的人力成本,使作业管理更加便利。

双钟摆主被动悬架式大型喷雾机喷杆动力学仿真与试验82-90

摘要：大型喷杆式喷雾机在田间作业时,喷杆运动严重影响了喷雾分布,悬架系统是控制喷杆动力学行为的关键装置,既要隔离来自车体的高频扰动,又要使喷杆跟踪低频的地面坡度变化,时刻保持与地面（或作物冠层）平行。为了研究双钟摆主、被动悬架机构的动力学特性,综合考虑车体运动耦合作用、地形坡度变化、摩擦等因素,使用第二类拉格朗日动力学方法建立描述喷杆动力学行为的数学模型。首先进行被动悬架动态特性研究,分析阻尼、摩擦、摆钟长度等因素对响应特性的影响;然后建立基于液压比例控制的主动悬架Matlab/Simulink仿真模型,揭示控制系统增益系数、时间常数、悬架结构参数等对喷杆响应特性、跟踪误差的影响规律。利用Stewart六自由度运动模拟平台及动态测试系统,对28 m大型喷杆悬架系统进行瞬态响应测试和频响测试,频响试验值与数学模型预测值均方根误差为0.087,表明模型可用于预测喷杆动态响应特性,指导悬架参数科学配置。

基于弹道理论有风条件下折射式喷头喷灌均匀度研究91-97

摘要：为计算有风条件下折射式喷头水量分布及喷灌均匀度,以弹道轨迹理论为基础,依据风速分布模型,建立有风条件下折射式单喷头水量分布计算方法,采用该方法模拟出有风条件下Nelson D3000型喷头倒挂安装方式下水量分布特性,通过与实测资料进行对比,验证了模拟具有较高的准确度,可应用于有风条件下折射式喷头水量分布计算。在此基础上,选用4.76 mm（24号）喷嘴直径,模拟出不工况下单喷头水量分布,计算出组合情况下喷灌均匀度,分析了风速、风向、喷头间距、工作压力和安装高度5种因素对喷灌均匀度的影响,并对蒸发漂移损失进行了分析。结果表明：95%的置信区间下,喷头布置间距对喷灌均匀度的影响最显著,其次是安装高度和喷头工作压力,风速和风向对喷灌均匀度影响不显著。风速、喷头工作压力和安装高度都会对蒸发漂移损失产生影响,其中工作压力影响最大。当选用Nelson D3000型喷头在风速小于6 m/s的环境下喷灌时,应将喷头安装间距固定在2.13~3.04 m范围内。另外,该安装间距范围内,喷头安装高度和喷灌压力增大后,喷灌均匀度增大的效果不明显,因此应采用低压喷灌以降低喷灌系统运行成本;考虑到较高的喷头安装高度会产生较大的蒸发漂移损失,喷灌时还应适当降低喷头安装高度,以提高喷灌水分利用率。

酿酒葡萄篱架梳脱运动试验台设计与应用98-103

摘要：设计了由机架、液压站、行走机构、弓齿脱粒机构及葡萄果串藤架组成的酿酒葡萄篱架梳脱运动试验台,通过螺旋对辊、两侧梳脱装置的空间位置、对辊转速和行进速度等关键参数的调节,可进行柔性梳脱装置的试验,研究运动中柔性弓齿梳脱作业机理和各因素对梳脱的影响。通过脱粒过程运动学、动力学分析,研究了影响酿酒葡萄运动梳脱效果的主要因素为行进速度、对辊转速和弓齿螺旋角。在室内进行正交试验,结果表明,行进速度和对辊转速对脱粒率有一定影响,弓齿螺旋角的影响不显著,对辊转速从200 r/min增加到300 r/min,脱净率从75.7%提升到了92%,行进速度从0.4 m/s增加到0.7 m/s,脱净率从94.7%降低到78%;对于破损率,3个因素均不显著,约为20%左右。

制种玉米父本整秆切除铺放机设计与试验104-109

摘要：为了提高制种玉米生产管理的机械化水平,设计了一种父本整秆切除铺放机,主要由切割机构、茎秆输送机构和液压传动系统等组成。切割机构采用斜向无支撑旋转切割方式,根据玉米植株被完全切断的条件,结合设计的一字型刀片结构参数,确定了刀片的旋转角速度,通过刀片的运动分析,验证了刀片结构的合理性;茎秆输送机构采用装有长、短夹齿的回转输送链和压杆相互配合的方式,通过对输送过程中茎秆受力和输送链运动分析,得出了茎秆被牢固夹持并有序输送时的相关技术参数;留茬高度调节由升降油缸驱动平行四边行机构实现,刀片和输送链由负载敏感液压系统传动实现。田间试验表明,设计的制种玉米父本整秆切除铺放机性能稳定、可靠,切断率为100%,铺放整齐率达95%,满足了机械化父本切除作业的要求。

芦蒿有序收获机切割器动力学仿真与试验110-116

摘要：切割器作为芦蒿收获机的重要工作部件,其切割性能直接影响作物的收获质量和后续输送效果。采用虚拟样机设计方法,对自走式芦蒿有序收获机中往复式切割器的结构参数和芦蒿茎秆的物理参数进行研究,建立了切割部件的三维实体模型和茎秆的柔性简化模型,并进行刚柔耦合动力学仿真分析。以切割系统的切割速度vg、切割角度α和前进速度vm为影响因素,选取切割器对茎秆切割力F和重割率γ为评价指标,设计了三因素三水平虚拟正交试验,运用统计学软件进行响应面回归分析和方差分析,并进行田间试验验证。结果表明,响应面模型（RSM）优化组合vg=1.6 m/s,α=15°,vm=1.0 m/s时,F、γ明显降低,割茬质量最好,与试验结果相比,切割力误差小于10.9%、重割率误差小于11.3%。分析结果验证了预测模型的有效性和准确性,表明所设计的往复式切割器满足对芦蒿的有序收获要求。

斜流泵小流量工况压力脉动数值模拟与实验117-125

摘要：基于标准的Smagorinsky亚格子尺度模型,对斜流泵全流场进行大涡模拟并结合压力脉动实验对小流量工况下的压力脉动和内部流场进行研究。实验结果表明,叶轮进口处的脉动幅值最高,随着流量的降低压力脉动幅值逐渐增加,不同工况下叶轮进口、叶轮出口、导叶进口的压力脉动主频为叶频,但导叶出口脉动主频随着流量的变化而变化。大涡模拟表明,0.8Qopt工况下叶轮进口流动状态较好,叶轮进口轴面速度变化较小,而在0.4Qopt工况下叶轮进口流动状态较复杂,轴面速度变化较大,0.4Qopt工况时叶轮进口冲角增加以及受到相邻叶片叶顶泄漏流的影响,在t＊=0.041 6时叶片进口吸力面已发生流动分离,当叶轮从t＊=0.041 6旋转到t＊=0.124 9时,叶片吸力面流动分离加剧,轮缘处的轴面速度明显升高,同时分离涡的旋转强度也逐渐增强,导致该区域的静压下降,逆压梯度上升,促使回流的产生,当回流到达叶片进口时进口处的静压逐渐恢复,因此叶轮进口流动分离是引起叶轮进口压力脉动幅值增加的重要因素。

双进口两级双吸离心泵过渡流道压力脉动特性研究126-134

摘要：双进口两级双吸离心泵的过渡流道由正流道、过桥段、反流道3部分组成,其中正流道为双蜗壳型式,反流道为带有导叶的双螺旋型式,过桥段连接正反流道呈现空间扭曲状。过渡流道与首级叶轮和次级叶轮均存在动静耦合关系,由此导致的动静干涉效应是引起压力脉动的主要根源之一。采用CFD方法对双进口两级双吸离心泵典型工况下的三维非定常流场进行了研究,对过渡流道压力脉动机理进行了分析。研究发现,正流道内的静压分布与其双蜗壳型式密切相关,在所有工况下均呈180°对称分布,压力脉动主频均为叶片通过频率,最大脉动幅值均出现在隔舌附近;小流量工况下,隔舌处压力脉动主频幅值明显高于设计工况,约为设计工况的180%。在过桥段中,所有工况下压力脉动主频均为叶片通过频率,设计工况下,沿着流动方向,内壁面进口处的压力脉动主频幅值达到最大,外壁面主频脉动幅值变化沿流动方向有增加的趋势;在反流道中,设计工况下压力脉动主频为叶片通过频率,幅值沿着流动方向逐渐增加,出口处主频的脉动幅值约为进口处的110%;小流量工况下,反流道导叶附近存在低频成分,且在导叶周围发现具有周期性的漩涡。

导叶位置对双向竖井贯流泵装置水力性能的影响135-140

摘要：为了研究导叶位置对双向竖井贯流泵水力性能与流态的影响,利用CFX14.5对6种导叶位置方案的双向竖井贯流泵在正向运转与反向运转时分别进行小流量工况（0.8Qdes）、设计流量工况与大流量工况（1.1Qdes）的定常计算,总计共36个工况。将数值模拟结果与泵装置外特性试验数据进行验证对比,并对计算结果进行水力性能与流态分析。研究结果表明：泵装置数值模拟结果与试验数据吻合度良好,最大相对误差小于5%。泵装置正向运转时,在小流量下,泵装置效率随导叶位置S增加而下降,S=40 mm时的导叶水力损失最大;但是在设计流量与大流量下,泵装置效率随导叶位置S增加而上升,S=100 mm时的导叶水力损失最小。泵装置反向运转时,导叶位置对泵装置水力性能与流态没有显著影响,综合考虑,选择导叶位置S=100 mm作为最终方案。