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农业机械学报 2018年第01期杂志 文档列表

农业机械学报杂志特约专稿

农业物联网技术研究进展与发展趋势分析1-20

摘要：以人力为主的现有生产模式与劳动力持续减少、人均农业资源匮乏与农业资源利用率低、新农民年轻化与劳动力老龄化是阻碍我国农业实现现代化的主要矛盾。依赖智能装备实现精准化、自动化和智能化的农业生产,提高农业生产率、资源利用率和土地产出率,是解决以上矛盾的重要途径。农业物联网是以挖掘农业生产力、提高农业装备精准化水平、实现农业生产智能化的新兴技术,集农业信息感知、数据传输、智能信息处理技术于一体,并根据大田种植、设施园艺、畜禽养殖、水产养殖以及农产品物流的重大需求,形成典型的产业应用。本文重点总结了近年来农业信息感知方向在农业个体标识研究与感知机理及工艺的最新发现、农业信息传输方向在低功耗广域网的最新成果、农业智能信息处理方向的农业大数据技术与农业人工智能技术的重大突破,提出以农业业务模型驱动农业业务控制、以设备管理设备的农业物联网架构,人的主要角色是实时数据与价值信息的消费者,农业物联网驱动的农机装备智能化作业是最主要的劳动力来源;进而对比国内外农业物联网技术应用与集成现状,分析农业物联网发展的制约因素,提出我国农业物联网发展策略,最终得出农业物联网技术的未来研究重点与发展方向。

农业机械学报杂志农业装备与机械化工程

拖拉机定速巡航系统纵向加速度跟踪控制21-28

摘要：拖拉机定速巡航系统通过对拖拉机加速度的精确控制实现定速巡航功能,由于纵向动力学系统的非线性、道路坡度、拖拉机悬挂农机具导致的整车质量变动及风阻等外部干扰因素的存在,使得控制系统鲁棒性成为控制器设计的重点。本文基于模块化机理建模及实验数据的方法,建立了拖拉机纵向动力学模型,并在Simulink上建立了该模型,与实车平台进行对比,验证了该模型符合需求。针对拖拉机纵向动力传动系统非线性特点,采用逆模型方法线性化拖拉机纵向动力学模型,基于线性化模型,获取下层控制对象各工作点及各工况下频率响应特性数据,通过频率响应实验和最小二乘法辨识下层对象系统的传递函数。根据传递函数和纵向加速度响应的非线性特性,设计了滑模变结构控制器,仿真结果表明,与传统的PID控制相比,该控制器有效改善了系统对非线性特性及外界干扰的鲁棒性能。

自动导航插秧机路径跟踪系统稳定性模糊控制优化方法29-34

摘要：为了提高自动导航插秧机路径跟踪系统的稳定性,提出了一种利用模糊控制调整纯追踪模型前视距离的路径跟踪方法。在考虑自动转向系统一阶惯性环节的情况下,建立插秧机运动学模型,分析了在跟踪直线时纯追踪模型的稳定性条件;基于此稳定性条件,以速度和横向偏差为输入,以前视距离为输出,建立模糊控制模型实时调整纯追踪模型的前视距离;以洋马VP6E型水田插秧机为实验平台对所提出方法进行了实验验证,结果证明,该方法能有效提高路径跟踪系统的稳定性。

夹剪一体的荔枝采摘末端执行器设计与性能试验35-41

摘要：针对荔枝串果低损高效的机械化采摘,设计了具有单动力源驱动、夹剪一体的荔枝采摘机器人末端执行器,构建了剪切力学模型和稳定夹持力学模型,分析了夹持模块的力封闭性,推导了稳定夹持的三点接触正压力计算模型,设计了末端执行器的物理样机,并对其进行了采摘、负重和抗遮挡干扰工作性能试验。试验结果表明：末端执行器具有良好的夹持负重能力,串果母枝直径分别为3 mm和7 mm时,动态最大负重质量分别为1.33 kg和3.01 kg;采摘时能快速剪切母枝并稳定夹持串果,平均夹剪时间为2 s,串果母枝直径5 mm以下采摘成功率均为100%,串果母枝直径6~7 mm采摘平均成功率为70%;具有中等抗遮挡干扰采摘能力。

结合Beltrami流和递归滤波的高光谱图像分类方法42-50

摘要：提出一种结合Beltrami流滤波和域转换递归滤波的高光谱图像分类算法（BFRF-SVM）。分别利用Beltrami流对主成分分析（PCA）降维后的高光谱图像滤波方法和域转换递归滤波方法对全光谱波段进行滤波,两种空间信息进行线性融合后交由支持向量机（SVM）完成分类。实验表明,相比使用光谱信息、高光谱降维、空谱结合的SVM分类方法,以及边缘保持滤波和递归滤波以及形态学滤波特征方法,本文提出的BFRF-SVM方法对高光谱图像的分类精度有较大提高,验证了该方法的有效性。

基于鸡头特征的病鸡识别方法研究51-57

摘要：健康黄羽鸡鸡冠鲜红、纹理均匀,鸡眼圆润有神,病鸡鸡冠萎缩变色、鸡眼半闭或全闭。本文提出了一种基于鸡冠及鸡眼构成的鸡头特征信息的病鸡识别方法。首先通过R、G、B分量色差信息去除背景,分析鸡身和鸡冠样本区域H分量分布特点,提取H分量分割阈值分割黄羽鸡。再利用H分量进行阈值分割得到黄羽鸡和鸡冠鸡垂。提出一种利用鸡冠和鸡垂轮廓上两点距离小于阈值的鸡头合并算法,再通过修正算法识别鸡头。在鸡头中,分别提取鸡眼瞳孔轮廓并获取形状几何特征,提取鸡冠的H分量共生矩阵特征,构成基于鸡头特征,采用ARA特征选择算法获得病鸡特征向量,采用支持向量机（SVM）分类器进行训练分类。实验结果表明,病鸡识别正确率为92.5%,表明利用机器视觉获取鸡头特征进行病鸡识别具有可行性和研究价值。

高架栽培配套基质自动移动摊铺机设计与试验58-67

摘要：针对现有高架栽培中的基质摊铺作业仅靠人工完成、劳动量极大等现状,设计了集基质运送、箱内出料、双侧分料落料和均匀摊填为一体的高架栽培配套基质自动移动摊铺机。根据栽培高架设施结构参数和基质流动特性测定结果,提出了基于少量人工操控介入的自动作业式基质架间双侧浮动移动摊铺方案,并设计了箱内折弯出料机构、双侧落料与架上摊平机构等关键部件,解决了箱内基质向上均匀出料及出料-排料协调难题,并实现了对高架竖直方向较大尺寸误差的补偿。完成了参数定型和样机开发,并进行了性能试验验证。试验结果表明,该机实现了330 m2/h的双侧4槽基质精量摊铺作业,能满足100 mm高度误差的仿形作业,4个槽内基质深度相对误差仅分别为7.72%、6.75%、9.33%和9.66%,各槽内基质深度平均误差仅2.01 mm,达到较好的4槽基质平均和均匀摊铺效果。该机为实现高架栽培的机械化配套作业提供了装备支持。

倾斜双圆环型孔圆盘式玉米排种器设计与试验68-76

摘要：针对现有气力式排种器作业质量受外界条件影响大以及传统机械式排种器难以满足高速播种要求的问题,设计了一种结构简单、充种效果好、可适应高速作业要求的倾斜圆盘式排种器;以黄淮海地区玉米种子的物料学特性为基础,对该排种器的充种、清种以及主要结构参数的确定方法进行了研究。采用二次正交旋转试验对其排种性能进行了试验,建立了排种器性能指标（合格指数、重播指数和漏播指数）与排种器倾角、型孔数、型孔盘转速的回归方程,确定了各参数对性能指标的影响规律,并进行了优化计算,对优化结果进行了验证试验。最后进行了田间试验,结果表明：在倾角为39°、型孔数为30个、机器前进速度为8.2~11.9 km/h时,排种器合格指数大于90%,重播指数小于3%,漏播指数小于8%,均满足国家相关标准要求。

凸轮摇杆式摆动型玉米株间除草装置设计与试验77-85

摘要：为满足我国北方玉米苗间机械除草作业需求,设计了一种凸轮摇杆式摆动型玉米株间除草装置,阐述了除草装置的总体结构与工作原理,对其关键部件凸轮摇杆机构和除草刀进行参数化设计,通过对除草装置避苗过程的运动和受力分析,得到影响其作业效果的主要因素及各因素的取值范围。以前进速度、弹簧刚度和除草刀转速为试验因素,以除草率、伤苗率为试验指标,在室内土槽中进行L9（34）正交试验,以考察试验因素对除草装置工作性能的影响。结果表明,各因素对指标影响的主次顺序为弹簧刚度、前进速度、除草刀转速;最优水平组合为弹簧刚度60 N/mm、前进速度0.6 m/s、除草刀转速130 r/min。以最优水平组合进行验证试验,结果为除草率89.8%,伤苗率2.1%,证明其具有较优的作业性能。

基于刮削与振动原理的减粘降阻镇压装置研究86-92

摘要：针对镇压作业时,土壤粘附严重、牵引阻力大等问题,借鉴地面机械触土部件减粘降阻法,设计了一种机械式减粘降阻镇压装置。进行镇压装置运动过程分析、镇压轮表面脱土机理分析和刮削板脱土机理分析,为确定镇压装置减粘降阻的能力提供了理论依据,并在此基础上对镇压装置的关键机构进行了设计。为研究机械式减粘降阻镇压装置的工作性能,以弹簧刚度、前进速度和刮削角为试验因素,以牵引阻力、土壤粘附量为试验指标,在室内土槽中进行L9（34）正交试验。试验结果表明：各因素对指标影响的主次顺序为弹簧刚度、刮削角、前进速度;最优水平组合为弹簧刚度40 N/mm、刮削角30°、前进速度7 km/h。以最优水平组合进行验证试验,得到牵引阻力39.6 N,土壤粘附量43.24 g。与传统镇压装置的对比试验表明,机械式减粘降阻镇压装置使牵引阻力降低17.8%,土壤粘附量降低34.8%。

玉米秸秆皮瓤分离碾压揭皮辊设计与试验93-99

摘要：为提高玉米秸秆皮瓤分离效率,达到皮瓤分类利用,以秸秆群为研究对象,设计辊齿式碾压揭皮辊,实现秸秆皮瓤有效分离。采用密度理论法（SIMP）设计了辊齿式碾压揭皮辊,并进行了有限元模拟仿真分析,确定了碾压揭皮辊半径为33 mm,齿型刀片齿刃高2 mm、厚度2 mm、刃角30°。为寻找最佳参数组合,以皮瓤分离率为试验指标,碾压揭皮辊转速、辊齿间隙、切段长度为试验因素,进行二次回归正交旋转组合设计试验。运用Design-Expert进行试验数据处理与分析,建立评价指标与试验因素之间的数学模型,并对参数进行优化,确定玉米秸秆皮瓤分离碾压揭皮辊的最佳参数组合为：碾压揭皮辊转速为295 r/min,辊齿间隙为5 mm,切段长度为22 mm时,皮瓤分离率为85%。经试验验证,试验结果与分析结果基本一致。

JP75卷盘式喷灌机水涡轮水力性能分析与结构改进设计100-107

摘要：为了揭示JP75卷盘式喷灌机切击式水涡轮的水力性能及内部流动特征,采用电涡流制动器阻力代替喷灌机负载,进行水涡轮水力性能试验,并基于SST k-ω模型对水涡轮内部流动进行数值模拟。在此基础上,通过模拟正交试验对影响水涡轮水力性能的主要因素进行分析。研究结果表明,水涡轮进出口水头差及输出功率随流量增加近似呈抛物线型增加,不同工况下水涡轮效率均低于35%;水涡轮喷嘴出口处存在回流区,回流区的低速流动降低了喷嘴射流速度,造成水涡轮驱动力矩下降;叶轮内存在一个主过流叶片通道,喷嘴出流在叶轮内主要由主过流通道流经叶轮,主过流通道内叶片工作面压力高于其他区域;叶片出口侧环形流道内流速相对较高,对叶轮内非主过流通道流动起阻滞作用,导致叶轮区形成回流漩涡;喷嘴出口直径和叶片侧端间隙大小对水涡轮水力性能有显著影响,模拟正交试验获得了喷嘴出口直径24 mm、叶片侧向切削点与叶轮旋转轴径向距离52.7 mm、叶片侧端间隙6.8 mm的水涡轮改进方案;与原型水涡轮相比,不同工况下,改进方案水涡轮的进出口水头差降低了20%~30%,输出功率提高了10%~15%,效率提高了12~17个百分点,最高可达52.21%。

基于CAN总线的旋翼无人机喷洒模拟系统108-115

摘要：设计了一套高精度、高可控性的无人机喷洒模拟平台,并进行了试验验证。该系统机械部分采用直线导轨结合伺服电机,最大承载质量50 kg,控制部分采用MFC设计上位机控制软件,与主控板STM32通过串口进行通讯,实现对水平和垂直2个方向上伺服电机的控制,同时采用CAN总线与喷洒控制器通讯和远程操控,可以实现喷洒流量控制以及旋翼风速控制。为评价系统运行精度,采用激光测距仪分别对系统在水平运动速度0.05、0.10、0.15、0.20 m/s下和垂直运动速度0.01、0.02、0.03、0.04 m/s下的控制距离进行距离测量,结果显示,垂直和水平方向上,控制参数与实际行程决定系数R2=1,水平与垂直重复精度优于2 mm,系统控制精度高;采用振动测试仪对系统在0.05、0.10、0.15 m/s运行速度下进行测试,通过分析振动数据,在不同运动速度下系统振动均不超过20 m/s2,其中X向和Y向在运行中存在较为稳定的4~5 m/s2的加速度,系统运行稳定。本系统可以有效降低喷洒试验载具成本,降低试验风险。

植保无人机旋翼下洗气流对喷幅的影响研究116-122

摘要：基于XV-2植保无人机,利用流体仿真,探究了该无人机旋翼下洗气流的速度分布特性。在此基础上,分析了在下洗气流影响下的雾滴运动方式,并进行实地测试。仿真分析说明：旋翼下洗气流从中心向外的流速差使流场从上向下有向外的铺展效应,使得喷幅增大,且喷幅与飞行高度成正比;旋翼外沿的卷扬气流使得喷幅范围内的雾滴沉积数出现2个峰值。试验结果表明：当飞行高度为6 m时,有效喷幅为10 m;飞行高度8 m时,有效喷幅为12 m。2种飞行高度下的雾滴分布均匀性基本一致。试验结果与仿真结果基本一致。研究结果可为无人机喷雾系统设计和航空植保作业参数的选择提供参考依据。

双吸离心泵蜗壳面积比对水力性能的影响研究123-129

摘要：双吸离心泵具有流量大、扬程高的特点,被广泛应用于农业输水灌溉等工程。双吸泵的蜗壳和叶轮间具有动静干涉作用,两者之间的匹配形式会对水泵的水力性能产生影响。将CFD数值模拟和已有试验数据相结合,通过研究不同比转数的双吸离心泵蜗壳面积比对水力性能的影响,得出不同比转数下双吸离心泵最优蜗壳面积比规律。研究发现,当蜗壳面积比在原有基础上增加时,其最高效率点向大流量工况偏移,且扬程和效率有下降的趋势,设计工况附近的平均效率降低;当蜗壳面积比减小时,其在一定范围内扬程和效率均出现上升,最高效率点偏向于小流量工况,但是当降低到一定程度时,扬程和效率均会出现急剧的下降,最终通过总结各个比转数双吸泵的最优蜗壳面积比,得到随着比转数的增加,最优蜗壳面积比增加,高效区范围逐渐加宽这一规律。

单叶片离心泵蜗壳内二次流的非定常特性研究130-136

摘要：单叶片离心泵蜗壳内易形成二次流旋涡,容易诱发高幅值的压力脉动,严重时还会降低水泵运行的安全稳定性。基于SST k-ω模型,对单叶片离心泵在典型工况下的非定常流动进行数值模拟,得到了其内部流场和压力脉动特性。结果表明,数值计算结果与实验结果基本一致。对压力脉动特性进行分析,发现在不同流量工况下,泵内流场均表现出明显的周期性变化的压力脉动特性,蜗壳第一断面压力脉动强度最低,第二断面压力脉动强度最高。压力脉动的主频均是叶片通过频率,随着流量的增加主频幅值呈现减小的趋势。进一步对单叶片离心泵的蜗壳内二次流的非定常特性进行分析,发现不同流量工况下,蜗壳内均出现二次流旋涡,并随着叶轮旋转也呈现出周期性变化。蜗壳内的横向速度在额定流量下较小,在非额定流量下显著增大。该研究可为单叶片离心泵机组运行稳定性提供一定参考。

水泵水轮机泵工况空化特性与转轮受力分析137-142

摘要：为研究水泵水轮机在水泵工况运行时的空化特性及转轮受力情况,以某一抽水蓄能电站水泵水轮机模型为研究对象,基于Zwart空化模型和SST k-ω湍流模型,进行不同空化数下全流道三维非定常数值模拟和分析,并与实验结果进行对比验证,探讨了转轮及活动导叶中间流面的湍动能分布、叶片上的气泡体积分布和载荷分布,并定量分析了转轮受力情况。结果表明：数值分析结果成功捕获了空化的具体发展过程;随着进口总压的降低,转轮出口的湍动能逐渐增加,空泡首先在叶片吸力面靠近前缘处产生,然后沿流线向出口方向和叶片压力面扩展;由于动静干涉及蜗壳形状的不对称性,转轮径向力变化的周期性和对称性逐步被破坏,揭示了低空化数下水泵水轮机在水泵工况运行时性能变差的主要原因。

农业机械学报杂志农业信息化工程

区域农用GNSS基准站云端管理方法与系统研究143-150

摘要：针对区域农用卫星导航定位基准站规模化应用中存在无效冗余、频率干扰和基准不统一问题,提出基于云端管理构架实现区域基准站管理与信息共享的初步解决方案。选择石河子市作为研究区,获得3个企业总计84个固定基准站的备案数据,计算任意2个基准站的站间距ΔD和频率差ΔF形成数据集E。在此基础上,利用GIS空间分析和数值统计方法,分析基准站无效冗余和同近频干扰,开展基准站坐标平差与精度验证,开发基准站管理服务系统原型。研究表明,由于缺乏技术和管理协调,区域农用GNSS基准站无效冗余、频率干扰和频率浪费难以避免,所统计的84个基准站占用了26.7 MHz频带,使用了47个频点,其中30个基准站使用单独频点,站间距40 km以内时多达18对基准站频率相同,29对基准站频率相近（ΔF≤25 k Hz）。石河子东北18个基准站,平均冗余率达263.2%,中心区冗余率更高。固定基准站通过坐标平差可以提高站址精度,有利于发挥基准站冗余的有效性和提高差分信号接入的可靠性,3个验证点的经度坐标差最大为0.011 m,纬度坐标差最大为0.023 m,精度分别达到毫米级和厘米级。管理服务系统原型和手机端APP原型的初步测试表明,系统可以实现基准站备案、建站辅助、基准站查询和频率推荐等功能,可以提高基准站管理效率和减少干扰现象。