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农业机械学报 2018年第03期杂志 文档列表

农业机械学报杂志特约专稿

轻小型无人机多光谱遥感技术应用进展1-17

摘要：随着光谱传感技术和图像处理与分析软件的日益成熟,无人机多光谱软硬件一体化程度和观测精度及易用性得到极大的发展。无人机多光谱遥感已在农业、林业、资源、生态、环境保护等领域应用日益广泛。本文概述了无人机飞行平台、多光谱传感器等硬件技术的发展,和无人机遥感影像的几何校正、辐射校正图像处理技术及数据处理流程,并对无人机多光谱遥感在植被长势监测、存在问题、精细分类与地物识别、病虫害监测、生物量和产量估算等方面的应用潜力和发展方向进行了系统分析和总结,以期为开展相关领域研究提供参考。建议各行业部门的专业人员与遥感、计算机科学等领域的专家密切合作,制订无人机多光谱遥感技术的相关标准和规范,共同推进并普及无人机多光谱遥感技术。

农业机械学报杂志农业装备与机械化工程

温室穴盘苗并联高速移栽机器人运动误差分析与试验18-27

摘要：现有产业化应用的温室穴盘苗移栽机大都为三坐标龙门架式结构,其体积庞大、惯性大、相对刚度低、移栽速度低、柔性作业能力差,无法满足高速剔苗、高速补苗作业要求。针对这些问题设计了一种并联式三平移移栽机器人,阐述了并联移栽机器人主体结构和为其配套设计的5种末端执行器,并统计了这些末端执行器的质量;在ADAMS中建立刚柔耦合动力学模型,选定一条最长对角线轨迹进行仿真;比较了刚性模型理论轨迹与柔性模型实际轨迹的误差,并分析了因动平台质量变化引起的误差变化情况,发现移栽轨迹末段存在振荡问题;最后通过物理样机进行定位精度试验,样机经误差补偿后,平均误差由7.611 mm降低到1.208 mm,其中大部分误差为系统误差。运动试验发现,机构运行平均速度为2 m/s、加速度峰值为20 m/s~2时,满足精度要求;但机构在平均速度3 m/s、加速度峰值30 m/s~2时,误差会扩大,需要进一步改善关节径向支撑力。

基于图像自适应分类算法的花生出苗质量评价方法28-35

摘要：为了能够快速、准确地获取花生出苗质量,提出了基于机器视觉的花生出苗质量评价方法。首先通过田间自走机器人获取花生图像信息,然后采用机器视觉的方法获取图像中花生苗的数量、花生苗冠层投影面积以及花生苗中心点坐标位置。将花生缺苗率和花生苗活力指数作为花生出苗质量评价指标,以花生苗数量结合花生苗坐标计算花生缺苗率,以花生苗叶片包络面积计算花生苗活力指数。针对花生图像识别易受环境干扰的问题,提出了鲁棒性强的花生苗提取算子,采用K均值聚类方法对花生苗提取算子进行分类,结合花生苗和土壤自适应分类算法,有效地将花生苗从土壤中提取出来。针对花生苗棵数误判现象,提出了采用图像全局分割和区域分割相结合的方法对图像进行分割,并基于形态学方法剔除田地杂草等噪声。试验结果表明：采用机器视觉识别花生苗数量的平均准确率为95.4%,花生苗株距计算平均误差为5.35 mm,验证了所提出的图像自适应分类算法的可行性。基于机器视觉所得花生缺苗率结果与人工测量结果两者之间的相关性为0.991（皮尔逊相关系数）,人工评价与基于机器视觉评价具有较高的一致性。

单粒谷物体积排液法精确测量研究36-42

摘要：为解决现有比重瓶法测量谷物体积时操作复杂、工作量大、有毒等问题,进行单粒谷物体积排液法精确测量研究,结合图像处理技术和体积排液原理,提出一种单粒谷物体积排液法。该测量装置主要由标准白光光源、高精度线阵CCD相机、测量容器、谷物专用盛放装置、计算机等构成。该测量方法首先调节标准白光光源,增强图像采集环境,进行体积标定,计算单个像素点代表的实际体积V0约为0.002 3 mL;其次,使用高精度线阵CCD相机采集体积排液过程中测量容器内的液位图像;最后,运用差值法提取液位变化部分的图像,统计该部分图像所包含像素点个数,结合体积标定结果,计算体积。对同一批谷物分别使用单粒谷物体积排液法和比重瓶法测量每粒谷物体积,得到两组体积数据,单粒谷物体积排液法用时12 min,比重瓶法用时124 min。对两组数据分别使用格鲁布斯检验（T_A、T_B）、F检验（F_（AB））以及t检验（t_（AB））进行显著性差异检验,并将3种检验值与各自分布表中查得的临界值相比较：（T_A、T_B）

基于颜色与面积特征的方格蔟蚕茧分割定位算法与试验43-50

摘要：蚕虫上蔟多采用纸板方格蔟,但纸板方格蔟在使用过程中会因扭曲变形导致方格分布不规则,而采茧机械对变形的方格蔟进行蚕茧采摘时,会对方格蔟造成损伤。为了提高方格蔟机械采茧的智能化水平,减少采茧设备对方格蔟的损伤,提出一种基于颜色与面积特征的方格蔟蚕茧分割定位算法,实现对方格蔟中蚕茧的分割、中心点定位和位置坐标的视觉测量。首先采用图像空间的Brown畸变模型对方格蔟图像进行畸变矫正,减小径向畸变对视觉测量的影响;对矫正后的图像采用Mean Shift聚类算法进行预分割,消除光照及图像背景对蚕茧分割的影响;然后对阈值分割和形态学处理后的二值化蚕茧图像进行基于面积特征的连通域标定,得到每个蚕茧中心点位置;将连通域标定得到的蚕茧中心点坐标代入图像坐标系与世界坐标系转换方程,得到每个蚕茧在笛卡尔空间的三维坐标,经过视觉测量确定蚕茧在方格蔟中的具体位置,控制蚕茧采摘装置采摘方格蔟中的蚕茧。经过试验,该算法对方格蔟中的蚕茧检测正确率为96.88%,蚕茧坐标最大定位偏差小于6.0 mm,满足采茧装置对蚕茧采摘的定位精度要求。

基于视觉感知的蔬菜害虫诱捕计数算法51-58

摘要：针对当前大田环境条件下对害虫进行识别研究的不足,以南方蔬菜重大害虫为研究对象,探索了一种在大田环境下使用黄捕板对蔬菜害虫进行监测计数的方法。在经典图像处理算法基础上,根据害虫监测目标的需要,提出了一种基于结构化随机森林的害虫图像分割算法和利用不规则结构的特征提取算法,进一步结合背景去除、干扰目标去除和检测模型计数子算法,集成设计了基于视觉感知的蔬菜害虫计数算法（Vegetable pest counting algorithm based on visual perception,VPCA-VP）。使用了现场环境下拍摄的图像进行实验与分析,共识别出蓟马9351只,烟粉虱202只,实蝇23只。经过与人工计数比对得出,本文基于视觉感知的蔬菜害虫计数算法的平均识别正确率为94.89%。其中,蔬菜害虫蓟马的识别正确率为93.19%,烟粉虱的识别正确率为91%,实蝇的识别正确率达到100%。算法达到了较好的测试性能,可以满足害虫快速计数需求,在农田害虫监测中有一定的应用前景。

小麦气力集排器排种分配系统设计与试验59-67

摘要：针对现有小麦播种机械作业幅宽小、播种不均匀等问题,设计了一种气力集排式小麦排种分配系统,从播种机的定量排种系统、分配系统等方面研究了气力集排式小麦排种分配机理,分析了排种分配系统的稳定性和均匀性。运用Solidworks Flow进行流体动力学（Computational fluid dynamics,CFD）仿真,分析排种分配系统机构参数（输种管、分种外盖）对气室流场的影响,速度流场分布结果表明,排种分配系统具备较理想流场特性的结构参数为：褶皱管波纹长度为16 mm,波纹角度为90°,分种外盖圆锥角为120°。对排种分配系统稳定性和均匀性进行台架试验,结果表明,排种器转速在20~40 r/min时,总排量稳定性变异系数为1.01%~1.19%,各行排量一致性变异系数为3.20%,种子破碎率为0.23%,试验结果与CFD仿真分析基本一致;样机试验结果表明,总排量稳定性变异系数为1.06%,各行排量一致性变异系数为3.34%,排种均匀性变异系数为27.35%,种子破碎率为0.28%,满足相关标准要求。

叶片调节式水田侧深施肥装置设计与试验68-76

摘要：为提高水田深施肥的施肥质量,设计了一种叶片调节式水田侧深施肥装置。应用水田侧深施肥肥量调节装置计算机优化软件V1.0优化求解施肥量调节机构结构参数,通过施肥量调节机构受力分析,确定步进电动机的输出扭矩应大于680 N·mm。建立叶片调节式侧深施肥装置仿真模型,应用离散元EDEM软件进行排肥虚拟试验,分析螺旋钢丝和毛刷在工作时受到肥料颗粒的作用力,从而确定肥箱直流电动机和防堵装置直流电动机的输出扭矩应分别大于5 345 N·mm和8 N·mm。通过JPS-12型排种性能检测试验台对槽轮式和叶片调节式水田侧深施肥装置进行施肥性能研究,获得了槽轮式水田侧深施肥装置的槽轮转速和前进速度对施肥稳定性和均匀性影响规律,以及叶片调节式水田侧深施肥装置的开口直径和前进速度对施肥稳定性和均匀性影响规律。对比试验结果表明：叶片调节式水田侧深施肥装置施肥稳定性和施肥均匀性指标满足国家标准要求,在施肥质量上优于槽轮式水田侧深施肥装置,施肥能力满足农艺要求。

锥盘排种器离心推送结构设计与充种机理分析77-85

摘要：针对机械式排种器高速作业时存在的排种稳定性问题,提出了一种离心锥盘推送式充种方式,分析了影响籽粒在种腔内部充填性能的应力种类与力学规律,建立复合充填应力数学模型,通过理论分析找出提高充填力的有效方式,并借助Matlab与ORIRIN逐步修整数学模型,从而确定关键结构最优参数值。采用离散元仿真软件EDEM虚拟仿真并通过单体台架试验,对有离心推送结构和普通空腔结构的离心锥盘排种器进行对比试验,验证了附加离心推送结构的优越性。试验结果表明,在7~13 km/h高速作业区,其平均漏播指数降低了2.52%,同时,利用后处理功能所测得的标记颗粒充填力数值变化规律与预测值变化趋势基本一致,验证了理论模型的可行性,最大限度发挥了种层离心力对预充填籽粒的作用,且进一步扩大了有效充种区域。

离心匀肥罩式水稻地表变量撒肥机设计与试验86-93

摘要：为实现水稻生长周期内区域性实时变量施肥,提高机械化施肥作业效率和肥料利用率,结合水稻施肥农艺特点和近地光谱技术,设计了一种基于传感器的双圆盘离心匀肥罩式水稻地表变量施肥机。对光谱检测装置、决策控制系统、变量执行机构等关键部件进行设计,搭建基于STM32F103核心控制器的反馈系统,结合专家施肥策略响应目标施肥量。以闸口排肥流量A、撒肥圆盘转速B、整机行进速度C为影响因素,颗粒分布变异系数Cv和施肥量相对误差γ为评价指标,设计三因素三水平撒肥性能正交试验。性能试验结果表明：在目标作业幅宽内（24 m）,影响Cv主次因素为A、B、C,影响γ主次因素为B、A、C,综合选择较优的工作参数因素水平组合为：A2B2C2,即排肥流量300 g/s,圆盘转速600 r/min,整机行进速度1.2 m/s时,Cv=13.82%,γ=9.54%,整机撒肥性能最优。田间试验结果表明：与性能试验相比,Cv误差均值为9.19%,γ误差均值为9.25%。研究结果表明离心式变量施肥机满足撒肥均匀性和施肥量准确性要求,提高了离心式变量施肥机撒肥性能,为圆盘式撒肥机传统的经验式施肥提供了理论基础。

带状深松灭茬机灭茬部件设计与试验94-103

摘要：东北垄作区播种前的根茬处理及深松作业,能够提高播种质量,促进作物生长。针对现有深松灭茬机作业过程中存在动土量大、灭茬效果不理想以及刀辊易缠草堵塞等问题,同时为适应东北寒地保护性耕作技术模式,满足垄体深松灭茬的农艺要求,设计了一种带状深松灭茬机,并对其灭茬部件、深松部件及垄台成形部件结构进行了设计。以机具的作业速度、灭茬深度和灭茬刀正切刃滑切角为试验因素,以灭茬率、灭茬深度稳定性系数为试验指标,对影响整机性能的结构与作业参数进行田间试验。结果表明：机器的作业速度为2.8 km/h、灭茬深度为84.9 mm、正切刃滑切角为6.5°时,灭茬率为93.26%,灭茬深度稳定性系数为95.25%,灭茬效果好,满足机具作业质量要求。

帆布带式马铃薯挖掘-残膜回收联合作业机设计与试验104-113

摘要：为解决西北旱区大面积推广马铃薯大垄双行覆膜栽培模式所造成的田间残膜污染问题,设计了帆布带式马铃薯挖掘-残膜回收联合作业机,实现了马铃薯挖掘收获与残膜回收的一体化作业。通过对样机防缠绕装置、帆布带式送膜装置及浮动卷膜装置关键工作参数进行计算分析,确定影响联合回收机残膜回收率的相关试验因素及其取值范围。依照Box-Behnken试验设计原理,采用四因素三水平响应面分析方法,建立了作业机前进速度、卷膜驱动辊转速、输膜轴转速和输膜板倾角与残膜回收率之间的数学模型,并对各因素及其交互作用进行分析。试验结果表明：4个因素对残膜回收率影响的主次顺序为：卷膜驱动辊转速、作业机前进速度、输膜轴转速和输膜板倾角;联合回收机最佳工作参数为：作业机前进速度0.72 m/s、卷膜驱动辊转速303 r/min、输膜轴转速499 r/min、输膜板倾角29°。验证试验表明,联合回收机残膜回收率均值为92.1%,较优化前有明显提升;同时在此工作参数条件下,作业机明薯率为96.6%、伤薯率为2.2%,各项作业指标均达到国家和行业标准要求。

玉米穗茎兼收割台夹持输送装置参数优化114-121

摘要：为探明玉米穗茎兼收割台夹持输送装置参数对作物损失率、割台性能的影响机理,设计了一种玉米穗茎兼收割台。通过对夹持输送装置的工作原理、工作条件及影响因素的分析,确定以夹持输送链夹角、输入轴链轮速度、割刀安装位置及机器作业速度为试验因素,以果穗损失率、植株在x轴及y轴的最大偏移量为试验指标,根据Box-Benhnken Design中心组合试验设计原理,进行了四因素三水平正交旋转组合田间试验,试验中利用高速摄像系统记录玉米植株姿态,利用Pro Analyst运动分析软件分析玉米植株的最大偏移量,利用Design-Expert软件对试验结果进行响应面分析,得到各因变量与自变量间的数学模型。试验结果表明：4个自变量与果穗损失率、x轴最大偏移量有二次非线性关系,其中割刀安装位置影响最大,夹持输送链夹角的影响最小,4个因素对y轴最大偏移量无显著影响;因素的交互项仅对果穗损失率有显著影响;最优参数组合为：夹持输送链夹角19.96°、输入轴链轮齿数22.09、割刀安装位置22.33 mm、机器作业速度1.31 m/s,此时果穗损失率为0.4%,x轴最大偏移量为24 mm。对最优参数组合圆整后,取夹持输送链夹角为20°,割刀安装位置为22 mm,机器作业速度为1.30 m/s进行田间验证试验,验证试验表明回归模型有很好的可靠性。优化后的果穗损失率较优化前降低2.4个百分点,低于标准规定的指标值。

抛膜链齿输送式残膜回收机设计与试验122-129

摘要：新疆棉田残膜污染问题严重,机械回收残膜是目前主要的回收方式。现有残膜回收机普遍采用弹齿或伸缩杆齿式起膜装置,回收过程中容易出现残膜缠绕工作部件、卸膜难等问题,影响起膜和卸膜效果。为此,借鉴现有机型的优点,通过刨膜辊刀起膜、抛膜辊刀抛送原理,设计一种起膜抛送、链齿输送、自动脱膜的抛膜链齿输送式残膜回收机。该机具主要由起膜装置、输送装置、脱膜装置、传动系统和集膜箱等组成。残膜通过抛送起膜,配合链齿输送,实现残膜与土块分离,保证了起膜的可靠性;利用自动脱膜和刮板式脱膜机构完成卸膜,解决了残膜缠绕、卸膜难的问题。田间试验结果表明：当作业速度为4~7 km/h时,残膜回收率均值为90.6%,机具作业效率均值为0.84 hm~2/h,残膜含杂率均值为3.971%,当作业速度较快时,提高了作业效率,但回收率降低,含杂率增大。当作业速度为5 km/h时,回收率均值为91.8%,作业效率均值为0.733 hm~2/h,含杂率均值为2.605%,为较适宜的作业速度。该机具运行可靠,起膜与脱膜效果较好,可用于新疆棉田残膜回收。

便携式山核桃高空拍打采摘机设计与试验130-137

摘要：为了解决我国山核桃高空采摘困难、提高采摘效率、降低采摘成本,根据山核桃果实与树枝分离力试验结果,设计了便携式山核桃仿人工高空拍打采摘装置。阐述了采摘机关键部件设计过程,并对采打机构进行了数学建模与计算,应用ADAMS对采打机构进行仿真,确定了拍打机构的机构与工作参数,为采摘机设计提供了依据。山核桃采摘试验结果表明：果实采净率具有显著性影响（P=0.05）,果实采净率随拍打频率的增大而增大,频率在13.33 Hz时达到最大值,采净率为90.3%;对枝芽损伤较小,但拍打频率越大,对枝芽损伤越明显,建议拍打频率采用10~13.33 Hz,此时平均采净率达到85.1%~90.3%,且对枝芽没有破坏性损伤。

破损青贮牧草氧气与温度原位观测及变质预测模型研究138-143

摘要：裹包式青贮饲料因塑封膜破损或开包饲喂致使空气（氧气）侵入,激活微生物消耗营养物质产生热量,引起异常温升,最终导致饲料营养成分损失,腐败变质。为此,本文提出了一种基于Clark电极原理的溶解氧传感器,用于原位观测有氧胁迫下青贮裹包饲料内部氧动态与温度变化。在此基础上,构建了基于偏微分-常微分方程系统的有氧胁迫下青贮饲料内部氧动态、温升以及微生物繁殖耦合模型,并检验了模型的适用性。采用CLAAS公司生产的Rollant455型打包机打出的青贮裹包饲料在2个干物质含量（DM-1：39.0%±1.3%和DM-2：31.4%±2.1%）下进行有氧变质过程实验,对比分析实验原位观测值与模型预测值的差异。结果表明：模型预测结果与实验测定结果总体上有较好的一致性,两者差异产生的原因是青贮饲料内部容重（孔隙）分布不均。此外,有氧变质过程产生的水分会改变模型的初始参数（氧气扩散速率降低,比热容提高等）,导致模型后期预测精度降低。

轴流泵装置出水流道内流脉动与流动噪声试验分析144-149

摘要：为了研究立式轴流泵装置出水流道内流脉动及流动噪声的变化规律,采用在出水流道布置压力传感器和水听器的试验方法研究分析了轴流泵装置不同转速、不同流量时出水流道的内流脉动及流动噪声的时频特性。结果表明：相同流量比时,各监测点的脉动幅值均方根均随转速的增加而增加。相同转速时,各监测点的脉动幅值均方根均随流量比的增大而减小,不同流量比时各监测点的脉动主频存在差异性;不同转速相同流量比时同一监测点的脉动主频存在差异性;不同转速不同流量比时各监测点的脉动主频以51 Hz为主,脉动主频和脉动次主频均未与转频呈整倍数关系,脉动主频和次主频均在200 Hz范围内。相同流量比时出水流道内部流动噪声的声压级随转速的增加而增加,转速对最优工况时出水流道流动噪声的声压级影响较明显。相同转速时,出水流道内部的流动噪声随流量的增加呈先减小后增大的趋势。根据出水流道内流脉动幅值分析,应尽量避免低扬程泵装置在小流量工况运行。

农业机械学报杂志农业信息化工程

基于低功耗的发射功率自适应水稻田WSN监测系统150-157

摘要：针对农田环境信息监测存在能量有限、节点通信距离各异等特点,设计了一种基于接收信号强度和丢包率的发射功率自适应水稻田监测系统,并搭建了一个长期、稳定且可靠的低功耗无线传感网络。硬件方面,为扩大网络的覆盖范围和提高系统的稳定性,采用频率异构的方式对节点分簇,为不同类型的节点配置不同类型的天线。软件方面,为提高CPU利用率,各类节点程序设计采用基于小型嵌入式实时操作系统FreeRTOS;为降低功耗,采取定时休眠唤醒、传感器掉电控制的工作模式和基于感知数据差的低功耗自适应机制。试验结果表明,在150 m通信距离内,系统可以根据当前的通信质量,将节点的发射功率自适应地调整到实现当前通信可靠性所要求（丢包率小于1.3%）的最小发射功率上;对比10 d Bm固定发射功率,当发射功率自适应算法调整为8、6、3 d Bm时,节点续航能力分别提升了11.9%、21.4%和33.3%。通讯性能对比表明,本设计节点的通讯性能明显优于其他3种基于不同发射功率自适应算法的节点,从而验证了本系统的可靠性与实用性。