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农业机械学报 2018年第04期杂志 文档列表

农业机械学报杂志特约专稿

保护性耕作技术与机具研究进展1-19

摘要：保护性耕作技术主要包括免少耕播种、秸秆残茬管理及表土耕作技术等。在回顾分析国内外保护性耕作技术应用概况、技术模式和效应的基础上,重点阐述了秸秆残茬管理、表土耕作技术与机具、免少耕播种关键技术的工作原理、技术特点及发展动态。结合国内保护性耕作研究进展与应用需求,在分析归纳现阶段保护性耕作技术难点的基础上,从改进机具关键作业部件加工工艺与材料、加强基础理论研究与机具结构优化、提升机具智能化测控与信息化管理、实现农机与农艺结合和形成因地适宜保护性耕作技术体系等方面展望了未来研究方向。

农业机械学报杂志农业装备与机械化工程

基于位姿状态的全向运行型AGV路径跟踪优化控制方法20-26

摘要：自动导航车自主移动的关键是精准的路径跟踪,针对Mecanum轮全方位移动AGV的路径跟踪,提出了一种基于位姿状态和有限控制步数的路径跟踪优化控制方法。在系统约束条件下,通过建立系统的运动学模型,将连续的系统离散化。在目标函数中只包含速度控制量,同时通过最小化目标函数,得到系统控制量的控制序列,从而避免了最优控制的加权矩阵选择难的问题。此外,有限步的控制序列也有利于实时嵌入式控制器的滚动控制。仿真和实验表明,对于不同速度,该算法均能快速、同步、稳定地消除位姿偏差,且计算量小、方便。

轮式AGV纯滚动转向系统设计与无侧滑转向控制研究27-35

摘要：为了解决前轮导向AGV的车轮侧滑问题,基于Ackermann转向原理设计了一种变长连杆的双曲柄转向系统。通过推导转向动力学模型,建立了考虑转向阻力矩的左、右前轮转向角闭环控制模型,提出了左、右前轮转向角PID同步控制算法,利用Matlab仿真转向控制模型的动态响应,获得了相关控制参数。以松下PLC为核心,构建了由左前轮转向交流伺服电机、推杆伺服电机、驱动器和编码器组成的AGV转向测控系统,设计了前轮转向系统同步闭环控制流程,实现了满足纯滚动转向原理的左、右前轮转角实时同步控制及转角信息采集。草地路面原地转向及硬质路面S型轨迹转向行驶试验表明,前轮导向AGV转向系统的左、右前轮期望转角与实际转角误差小于0.1°,AGV转向系统近似满足车轮纯滚动无侧滑运动条件,验证了轮式AGV纯滚动转向系统设计和转向控制的正确性与有效性。

拖拉机自动驾驶系统上线轨迹规划方法36-44

摘要：为解决现有拖拉机自动驾驶系统上线距离较长,且在上线目标点附近跟踪误差较大的问题,提出了一种基于量子遗传算法优化的B样条理论局部上线轨迹规划方法。综合考虑最大曲率约束、起止点航向约束和最大转向角约束,把最优轨迹规划问题转化为B样条控制点参数优化问题,采用量子遗传算法对目标函数进行寻优,从而求得距离最短的可行驶上线轨迹。设计了4种典型作业工况,仿真结果表明,对于不同作业工况,算法均可通过优化配置B样条控制点得到满足约束的上线轨迹,曲率和等效前轮转角变化平缓,有利于路径跟踪控制器进行曲线跟踪控制。田间试验结果表明,针对设计的复杂作业工况,单独采用纯追踪算法的上线距离为78.6 m,基于上线轨迹规划方法的上线距离为23.7 m,且后者在上线点附近的横向跟踪误差更小。

自然环境下绿色柑橘视觉检测技术研究45-52

摘要：绿色柑橘具有与背景相似的颜色特征,自然环境下绿色柑橘的视觉检测比较困难。提出基于深度学习技术,利用Faster RCNN方法进行树上绿色柑橘的视觉检测研究。首先配置深度学习的试验环境,同时设计了绿色柑橘图像采集试验,建立了柑橘图像样本集,通过试验对批处理大小、学习速率和动量等超参数进行调优,确定合适的学习速率为0.01、批处理为128、动量系数为0.9,使用确定的超参数对模型进行了训练,最终训练模型在测试集上的平均精度（MAP）为85.49%。通过设计自然环境下不同光照条件、图像中不同尺寸柑橘、不同个数柑橘的Faster RCNN方法与Otsu分割法的柑橘检测对比试验,并定义F值作为对比评价指标,分析2种方法的检测结果,试验结果表明：Faster RCNN方法与Otsu方法在不同光照条件下检测绿色柑橘的F值分别为77.45%和59.53%;不同个数柑橘果实检测结果的F值分别为82.58%和60.34%,不同尺寸柑橘检测结果的F值分别为73.53%和49.44%,表明所提方法对自然环境下绿色柑橘有较好的检测效果,为果园自动化生产和机器人采摘的视觉检测提供了技术支持。

基于扇环形区域图像分割的小麦秸秆截面参数测量方法53-59

摘要：针对小麦秸秆截面显微图像中组织成分的结构和灰度特征,研究了一种扇环型分区域图像分割方法,用于精确分割厚壁、维管束等关键组织结构。小麦秸秆截面的内外侧轮廓构成了一个近似的环形区域。先粗略定位厚壁和维管束所属的圆环区域。依据定位信息,以截面中心为起点向圆环外轮廓画射线,将圆环划分为大量的扇环形小区域。用Otsu算法对各个小区域进行独立的阈值分割,再对分割结果进行拼接等后续处理,得到完整的厚壁或维管束,最后以此为基础精确测量秸秆截面的各种参数。实验结果表明,与传统的Otsu算法相比,该方法对显微图像采集过程中切片、染色、拍照等环节导致的低质量图像具有较高的分割准确性和鲁棒性,在提高了切片样本利用率的同时降低了人工劳动强度。该测量系统对各类参数的测量精度均大于94.6%。

基于自动导航的小麦精准对行深施追肥机设计与试验60-67

摘要：针对冬小麦返青期地表追施氮肥使氮素挥发导致肥料利用率低的问题,结合目前在小麦追肥过程中缺少深施氮肥作业装备的现状,进行了基于拖拉机自动导航技术实现精准对行深施氮肥的技术研究,设计了小麦精准对行精量深施追肥机。追肥机采用安装有自动导航系统的拖拉机牵引实现精准对行,以RTK-GNSS接收机测取的作业速度为基准,通过液压系统驱动排肥机构工作,双圆盘开沟器开沟深施,采用PID控制排肥轴转速与车辆行驶速度实现实时匹配,达到精量控制追肥量的目的。田间试验结果表明：设置目标追肥量为200 kg/hm2,车辆行驶速度为5 km/h时,追肥机能完成对行深施追肥作业,机具对行作业误差在±6 cm以内,追肥量偏差小于9%,可满足实际生产需求;对照撒肥机表层撒肥作业,每公顷减施氮肥25 kg左右,小麦每公顷增产486.5 kg左右。

悬挂式深松机耕整地耕深检测方法研究68-74

摘要：耕深作为深松作业质量的重要指标,长期以来无法实现在线评估,目前以人工抽测为主,误差大,效率低。以提高农机深松耕整地作业质量为目标,提出一种基于深松机组姿态估测的耕深检测方法及系统。首先分析了牵引拖拉机以及悬挂式深松机在作业过程中的运动轨迹,建立了拖拉机与深松机作业耕深检测模型。该模型通过检测安装在拖拉机后悬挂杆和悬挂式深松机上的姿态传感器输出角度,实时计算深松机耕深。为验证该检测模型的精度,设计了基于嵌入式ARM内核的耕深检测传感器和深松作业检测系统,该系统集卫星定位系统（GPS）、移动网络传输（GPRS）、数据存储（SD卡）等于一体,能实时采集深松机作业耕深、作业位置、作业速度及航向信息,数据存储在检测系统的终端设备中,并通过移动网络传送至远程数据中心做进一步融合处理,以对深松作业质量进行综合评价。将耕深检测传感器进行静态标定,耕深检测标定误差小于0.88 cm,平均误差小于0.21 cm,均方根误差小于0.66 cm。利用标定后的传感器及深松作业检测系统在田间开展多组试验,试验结果显示该系统耕深检测最大误差为1.18 cm,多组试验数据的平均误差小于0.45 cm,均方根误差小于0.64 cm,表明该系统耕深检测精度和稳定性较高。

气吸机械复合式大豆精密排种器设计与试验75-86

摘要：针对现有气吸式高速精密排种器遇负压骤降时易发生大量漏播的技术难题,设计了一种在排种盘上同时设有吸孔、导种槽和取种槽3种种子拾取机构的气吸机械复合式大豆精密排种器,其中导种槽引导种子向取种槽运动,取种槽拾取种子,同时吸孔产生吸力促进种子的拾取,通过3种拾取机构共同改变种群运移行为,保证气流负压骤降情况下的排种性能;通过离散元仿真设计和理论建模分析等方法,研究关键设计参数对种群运移规律的影响,并对关键部件几何结构参数进行优化设计;通过回归分析和多因素试验得出作业速度、取种槽和导种槽几何结构尺寸、负压均对排种器播种效果有显著影响,并得出排种器最优结构参数为：导种槽倾角45°、导种槽深度2 mm、取种槽上边宽度9.5 mm、取种槽下边宽度7.3 mm、取种槽深度5.7 mm、取种槽前后槽面宽度9.5 mm,在该几何结构条件下,当作业速度不大于8.6 km/h、负压不小于1.6 k Pa时,播种粒距合格率不小于95%;通过排种器的田间验证试验,最优结构参数条件下该排种器播种粒距合格率为93.67%、重播率为3.32%、漏播率为3.01%;通过台架对比试验得出当负压降至1.1 k Pa时,该排种器相较于勃农气吸式排种器和MASCHIO气吸式排种器,粒距合格率分别提高6.48、1.92个百分点,当负压降至0.6 k Pa时,粒距合格率分别提高9.12、4.25个百分点。

水稻钵苗膜上移栽机构优化设计与试验87-93

摘要：膜上栽植技术可以有效防止水土流失、有利于有机水稻种植,钵苗移栽可以提高产量。为了将两种农艺相结合,提出一种膜上开孔并实现水稻钵苗栽植的移栽机构,能有效避免因破膜与水稻栽植不同步而造成的秧苗损伤。分析了移栽机构的工作机理,建立了运动学分析模型,开发了计算机辅助分析优化设计软件,并得到一组满足膜上移栽要求的结构参数。建立三维模型,并利用ADAMS软件完成虚拟样机仿真。设计物理样机,进行高速摄影运动试验。样机试验结果与理论分析所得轨迹基本一致,验证了移栽机构设计的合理性与正确性。在试验台架上完成了取苗试验与膜上栽植试验,取苗成功率为92.8%,膜上栽植的合格率为90%,满足膜上移栽的作业要求,验证了水稻钵苗膜上移栽机构的可行性。

气力式水稻穴盘成型机气流分配室流场仿真与优化设计94-101

摘要：合理的气流分配室结构是气力式水稻穴盘成型机正常工作的前提条件。为了保证气流分配室具有均匀的流场结构,生产出合格的穴盘,以气体控制方程为理论依据,利用FLUENT软件对气流分配室内气流场进行了仿真分析。结合正交试验设计和数值模拟技术,以腔体厚度、通气孔直径和底角为影响因素,速度不均匀系数为评价指标,对气流场进行了单因素和正交模拟仿真试验,结果表明各因素对试验结果影响的主次顺序为配气腔体厚度、通气孔直径、底角;当腔体厚度、通气孔直径和底角分别为110 mm、15 mm和0°时,气流分配室流场均匀性较理想,此时速度不均匀系数为11.37%。试验结果表明,仿真结果与实测结果的平均相对误差为1.59%,双侧相关系数为0.028,存在显著相关关系;穴盘生产成型率为92.3%,穴孔质量和底面厚度的变异系数分别为10.2%和9.81%,满足穴盘生产要求。

铺膜插秧后水田3SCJ-1型除草机设计与试验102-109

摘要：为实现铺膜插秧种植方式的有机水稻全程绿色无污染化作业,解决地膜两侧单行内杂草难以根除的问题,根据农艺要求,设计了一种针对铺膜插秧后除草作业的3SCJ-1型单行水田除草机。阐述了基本结构组成和工作原理,分析了除草部件的运动学与动力学特征,建立了除草部件、机架与仿形浮漂整体的力学模型,推导出除草机的驱动扭矩。以机器前进速度和除草深度为试验影响因素,除草率作为评价指标,对除草性能进行单因素田间试验,并运用Design-Expert 8.0.6软件对试验数据进行分析,得到影响因素与评价指标之间的数学模型。试验结果表明：当机器前进速度从0.3 m/s增大至0.6 m/s时,除草率先增大后减小,并在前进速度为0.45 m/s时,除草率达到最大值（78.52%）;当除草深度从50 mm增大至110 mm时,除草率持续增大,但考虑到除草机的功耗,最佳除草深度取为50～100 mm,在除草深度为100 mm时,除草率为79.26%。除草机平均除草率为78.02%,满足铺膜插秧种植方式水田除草的农艺要求。

白芦笋选择性收获机末端执行器作业分析与试验110-120

摘要：为实现白芦笋高效、低损伤采收,设计了一种适用于白芦笋选择性收获机的末端执行器,并推导出一种驱动力的计算方法。为驱动末端执行器完成入土、剪切、夹持、拔取等动作,需对其入土驱动力、剪切力以及夹持力等控制参数给出定量描述。首先,针对入土驱动力问题,利用DEM仿真建立末端执行器-土壤离散元模型,研究末端执行器与土壤作用过程,分析末端执行器入土驱动力;其次,从切割白芦笋和土壤两方面分析末端执行器的剪切力,利用万能试验机与DEM仿真建立白芦笋-末端执行器-土壤的互作用模型,借助万能试验机模拟末端执行器的刀片切割白芦笋过程,确定白芦笋剪切强度,结合从DEM仿真角度测得末端执行器刀片切割土壤所需的剪切力,确定末端执行器剪切力参数范围;再次,通过万能试验机模拟末端执行器夹持白芦笋过程,确定白芦笋抗压强度,结合从DEM仿真角度分析末端执行器在土壤中完成夹持动作所需的夹持力,确定末端执行器夹持力参数范围。最终,确定末端执行器入土驱动力FRT〉195 N、剪切力FJQ〉1.8 N、夹持力FJC〈13 N的参数范围。根据确定的末端执行器的参数范围,选取几组参数组合进行田间采收试验,试验结果表明：在入土驱动力200 N、剪切力2 N、夹持力11 N的参数组合下,白芦笋的采收率大于99%,损伤率小于3%,损伤率的数值在可接受范围内,符合白芦笋低损伤采收的要求,为白芦笋选择性收获机实现选择性、低损伤采收提供了一定的理论支持。

滚筒板齿式三七种苗分离装置结构设计与试验121-129

摘要：为实现三七种苗自动移栽前有效分离,设计了一种滚筒板齿式三七种苗分离装置,对关键结构参数进行了理论计算和分析,选取螺旋线数量、转子板齿长度、滚筒板齿长度和导向槽数量作为仿真试验因素,选取种苗分离变异系数和分离率为试验指标,利用EDEM离散元仿真软件分别进行单因素及正交仿真试验,确定最优结构参数组合为：螺旋线数量为4、转子板齿长度为70 mm、滚筒板齿长度为65 mm、导向槽数量为3,此时分离结构分苗性能最好,分离变异系数为17.37%,分离率为84.69%,破损率为7.5%;实际试验结果与仿真结果一致,符合三七种苗移栽农艺要求;该装置实现了三七种苗的有序、离散分离。

静电喷嘴雾化特性与沉积效果试验分析130-139

摘要：为了探究电极材料对静电喷嘴雾化效果和荷电性能的影响,确定设计的静电喷嘴的最佳作业参数,并明确静电作用对雾滴沉积效果的影响,以电极材料、电极电压、喷施压力和喷孔直径为喷施变量,针对设计的静电喷嘴进行室内雾化和沉积试验。研究结果表明：设计的静电喷嘴最佳电极电压为8 k V,最佳电极材料为紫铜,最佳喷施压力为170 k Pa;相比于非静电喷雾,静电作用开启后,静电喷嘴的有效喷幅增加约50 cm;在3个采样层的雾滴沉积密度依次增加了23、19、10个/cm^2;在喷嘴雾化的所有雾滴中,粒径在50～120μm区间的雾滴受静电作用影响最大,静电作用开启后,此区间段内的雾滴沉积数量增加了约2倍,当雾滴粒径大于120μm时,雾滴沉积密度随雾滴粒径的增大呈下降趋势;沉积的雾滴主要是粒径在180μm以下的雾滴,因此适合最佳生物粒径为180μm及180μm以下的作物。

基于注入截面法的颗粒饲料离散元模型参数标定140-147

摘要：采用离散元法进行颗粒饲料后喷涂、冷却、输送、仓储、饲喂等关键环节的工作过程仿真分析时,需要建立颗粒饲料离散元模型并通过测定休止角来标定离散元参数,用以测定休止角的传统装置与方法,存在样品用量多、测定繁琐的情况。本文提出了一种基于注入截面法的休止角测定装置与方法,通过颗粒堆积体截面的轮廓线直接获取休止角,从而进行休止角的模拟与测定。建立与颗粒饲料形态相近的离散元模型,借用GEMM（Generic EDEM material model database）数据库获得离散元模型参数范围。以滑动摩擦因数X1、碰撞恢复系数X2和滚动摩擦因数X3为试验因素,以颗粒饲料堆积休止角Y1为评价指标,按照3因素5水平正交旋转组合设计试验方法,利用DesignExpert 8.0.6软件回归分析法和响应面分析法,建立了3个因素以堆积休止角为评价指标的数学模型。以颗粒饲料休止角真实测得值为目标,对回归模型进行寻优,得到优化后的标定参数组合：颗粒饲料间滑动摩擦因数为0.41,碰撞恢复系数为0.53,滚动摩擦因数为0.08。以此优化解进行仿真试验,结果显示预测休止角为29.43°±0.70°,误差为3.1%,休止角仿真和试验在堆积角度和形态上相似度较高。结果表明了基于注入截面法的颗粒饲料离散元建模与休止角测定试验的有效性和可行性。

高速诱导轮离心泵内空化发展可视化实验与数值模拟148-155

摘要：为了研究高速诱导轮离心泵内空化发生发展规律,采用高速摄像技术,对离心泵内诱导轮与叶轮流道的空化流动进行可视化研究,并结合CFD数值计算对离心泵内部流场进行模拟分析。结果表明：在空化初生阶段（汽蚀余量为5.0 m）,诱导轮叶片前缘出现叶顶泄漏涡空化;在空化发展阶段（汽蚀余量为1.07～5.0 m）,流动极为复杂,在诱导轮流道内同时出现叶顶泄漏涡空化、片状空化和云状空化,并且在较低汽蚀余量（汽蚀余量为1.5 m）时,出现不对称空化现象。在空化初生和发展阶段,泵的扬程和效率基本保持不变;在空化恶化阶段（汽蚀余量小于1.07 m）,诱导轮流道内基本被空泡堵塞,空泡进入叶轮流道,导致离心泵扬程和效率急剧下降。

射流式离心泵内场流体动力噪声特性分析156-164

摘要：对JET750G1型射流式离心泵内场噪声进行数值计算及试验,分析该泵过流部件诱发的流动噪声和流激噪声特性。采用大涡模拟法进行不同工况的非定常数值计算,输出各过流部件表面的压力脉动作为偶极子声源。运用声学有限元方法预测流动噪声;运用声学有限元耦合结构有限元方法预测流激噪声。搭建射流式离心泵内场噪声测试系统,用水听器对泵出口的流体动力噪声进行测试,获得噪声的时域和频域信息。分析结果表明：噪声在轴频和叶频处计算和试验测试误差在4%以内;叶轮和导叶的动静干涉以及流体和结构的共振均是诱发射流式离心泵内场噪声的重要因素,过流部件自身的结构特性对内场噪声有一定影响;流动噪声整体大于流激噪声,表明内场噪声主要由流体的压力脉动特性决定;叶轮旋转偶极子声源诱发的内场噪声在轴频（47.5 Hz）处达到180 d B左右,在射流式离心泵的内场噪声中起主导作用。研究结果为射流式离心泵的低噪设计提供了参考。