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农业机械学报 2018年第05期杂志 文档列表

农业机械学报杂志特约专稿

水稻栽植机械化技术研究进展1-20

摘要：水稻栽植机械化是水稻种植机械化的主要方向，也是水稻全程机械化的研究重点和难点。本文分析了我国水稻种植机械化的发展现状、特点及制约因素，重点阐述了水稻机械化育秧技术与装备、机械化移栽技术与装备的研究现状和发展动态。秧盘育秧是实现水稻机械化移栽的前提，重点分析了秧盘育秧精密播种技术、作业自动化技术和精密播种智能化技术的研究进展。毯状苗机插秧和钵体苗机栽插是水稻机械化移栽的2种主要方式，移栽机械控制技术是移栽机械作业自动化和智能化的基础和核心，在分析我国水稻机械化移栽方式与装备的基础上，对毯状苗机插秧技术和钵体苗机栽插技术面临的主要问题进行了系统分析和总结，对移栽机械控制和智能化技术研究现状进行了阐述，提出加强耕整地机械化技术研究与应用，解决杂交稻、超级杂交稻、双季晚稻和连作晚稻机栽植问题是水稻栽植机械化技术的研究重点，提升秧盘育秧精密播种技术的播种均匀性、解决低播量下精密播种育秧、毯状苗插秧机纵向送秧的精准性和农机农艺深度融合是突破毯状苗机插秧技术的关键，研发经济高效、轻简型的钵体苗栽插装备是发展钵体苗机栽插技术的核心，加强移栽机械控制和智能化技术研究是栽植机械化进一步发展的方向。

农业机械学报杂志农业装备与机械化工程

插秧机导航路径跟踪改进纯追踪算法21-26

摘要：插秧机田间行驶路径包括直线作业段和地头曲线转弯段,因此需要对传统的纯追踪算法进行改进,使其满足曲线路径跟踪。以约翰迪尔Starfire3000型接收机、GS2630型显示器和ATU200型电动方向盘为主要硬件设备,针对给定的曲线路径,提出了一种路径跟踪控制算法,并通过模型仿真和田间试验相结合的方法,对该导航控制算法进行了验证分析。该导航控制算法首先根据车辆速度和路径弯曲程度来动态调整前视距离,其次在利用预见控制求得车辆目标点的基础上,利用改进的纯追踪算法设计控制器,最后按照插秧机作业时的路径进行仿真和试验。试验结果表明,车辆以1 m/s的速度行驶且在转弯半径为0.9 m时,最大跟踪误差可控制在0.159 m以内。

基于GNSS农田平整全局路径规划方法与试验27-33

摘要：针对全球导航卫星系统（Global navigation satellite system,GNSS）农田平整系统缺少作业指导且效率低等问题,提出了一种基于GNSS农田平整全局路径规划方法。分析农田实际平整条件,创建适用于土地平整的农田地形环境模型,生成农田地势信息图,研究整块农田地势高程分布特征,以平地作业中空载、满载的无效作业状态最少,转向操作与重复行走最少为条件,生成遍历整个农田的土地平整路径,并通过拉力传感器实时监测铲车载荷。仿真试验结果表明,相对于常规平整方法,所提方法空载、满载率显著减小,达到目标平整度时间节省50%以上。该方法可以规划有效路径,减少无效作业时间,平地效率提高30%以上。

采摘机器人作业行为虚拟仿真与样机试验34-42

摘要：为开展采摘机器人智能防碰损作业行为及规划算法的仿真试验与验证,设计了一种基于虚拟现实的采摘机器人仿真试验系统。以葡萄采摘机器人为对象,先构建虚拟现实环境下采摘机器人及其作业场景模型,用于模拟设施果园试验环境;然后对虚拟采摘机器人进行运动学建模,运用D-H参数法解算机械臂运动学正解和逆解;再依据葡萄串形状等特性设计一种夹-托-剪式的采摘机器人末端执行器及其采摘过程控制模型;建立机械臂末端连杆与执行器之间的空间位姿变换关系,并对机械臂运动进行轨迹规划;设计并定义仿真系统各模块间的数据接口,最终基于虚拟现实平台EON开发出采摘机器人虚拟仿真系统。基于该系统进行18次葡萄防碰损采摘路径规划及夹剪行为试验,成功率达88.89%;将相关算法移植到物理样机进行43次室内试验,成功率为86.05%。结果表明,开发的仿真系统可为采摘机器人智能行为算法的测试及改进提供虚拟试验平台。

基于光度立体视觉的蔬菜秧苗叶片形态测量方法43-50

摘要：为了实现蔬菜秧苗长势智能化在线评估,设计了基于光度立体视觉的蔬菜秧苗叶片曲面形态测量方法和装置,用于对叶片倾角、长度和面积进行精确测量。以15～30 d苗龄辣椒秧苗为测量对象,构建了针对其冠层叶片形态测量的试验装置。根据4组光源在标定球表面成像的反射关系组合方程,标定其对秧苗叶片的照射向量;以D65白色标准板为参考,采用图像RGB分量线性矫正的方法,对不同方位光源辐射强度差异进行补偿,克服光源强度波动对叶片图像明暗信息的影响。根据叶片在不同方位光源照射下图像的明暗特征,基于光度立体视觉获取主叶脉区域离散梯度信息,在此基础上采用最小二乘方法拟合叶片空间平面,以恢复叶片空间倾斜信息,进一步结合叶片图像尺寸测算其实际长度和面积。试验结果表明,视觉系统对秧苗倾角、叶片长度和面积的测量结果与人工测量结果相比平均偏差分别为6.29°、3.82 mm、56.53 mm2,叶片长度和面积与人工测量结果的决定系数R2分别为0.936 3、0.866 4,且对于叶片伸展充分、无遮挡的幼龄秧苗测量精度较高,可为进一步开发温室苗床秧苗长势在线监测设备提供重要技术支撑。

基于卷积神经网络的白背飞虱识别方法51-56

摘要：为了实现白背飞虱虫情信息的自动收集和监测,提出一种基于卷积神经网络的白背飞虱识别方法并进行应用研究。首先,用改进的野外环境昆虫图像自动采集装置,采集田间自然状态下的白背飞虱图像,对所获取的图像进行归一化处理。然后,随机选取1/2图像样本作为训练集、1/4作为测试集。利用5×5卷积核对训练样本进行卷积操作,将所获取的特征图以2×2邻域进行池化操作。再次经过卷积操作和3×3邻域池化操作后,通过自动学习获取网络模型参数和确定网络模型参数,得到白背飞虱的最佳网络识别模型。试验结果显示,利用训练后的网络识别模型,对训练集白背飞虱的识别正确率可达96.17%,对测试集白背飞虱的识别正确率为94.14%。

基于M-K聚类法的果树上下冠层体积比测算57-64

摘要：果树冠层体积是决定果园施药量的重要指标。针对机载LiDAR探测技术（ALS）在冠层体积测量中存在下冠层信息缺失的问题,提出运用图像处理的方法对果树上下冠层体积比进行测量。该方法运用结合马氏距离和K-means算法的M-K聚类法对图像目标区域进行分割,通过旋转积分法求得上下冠层的像素体积之比。为解决该方法对单侧冠层图像处理存在误差（25.3%）较大的问题,对果树不同侧面的多幅图像进行测算,并对结果进行算术平均以提升方法的准确性与稳定性。运用所述方法对果园内23棵苹果树、20棵樱桃树进行实验,并将结果与人工测量结果进行对比分析,结果表明,该方法与人工法的测量结果间具有较好的一致性,两种果树的决定系数分别为0.775和0.832,能够用于果树冠层体积比的测量。

条带式旋切后抛防堵装置设计与试验65-75

摘要：针对我国华北平原一年两熟区玉米秸秆覆盖地小麦少免耕播种机易堵塞、动力防堵装置功耗大等问题,设计了一种条带式旋切后抛防堵装置。结合防堵装置工作原理,从秸秆流动、抛撒、防堵装置受力角度分析确定影响防堵性能和功耗的关键因素为：防堵装置与开沟器间距、旋切刀滑切角、刀轴转速;通过离散元模拟仿真与正交试验有限元仿真结合,以秸秆拥堵量和作业功耗为性能评价指标,对防堵单体和开沟器的组合装置进行参数优化,仿真结果表明,旋切刀滑切角为50°、刀轴转速为320 r/min、间距为100 mm时综合作业质量较优,防堵单体及开沟器功耗为2.8 k W,秸秆拥堵量为43根/dm,通过性能良好;对优选方案旋切刀进行有限元校核,其最大应力为1.387×10^8Pa,满足强度要求。在玉米秸秆覆盖地进行了小麦播种田间试验,结果表明,条带式旋切后抛防堵装置在3种秸秆覆盖量0.8、1.6、2.4 kg/m2和3种前进速度1、1.25、1.5 m/s作业条件下,通过性能均满足免耕施肥播种机国标要求,所设计旋切刀与传统旋耕刀相比,在通过性能基本一致的情况下,功耗减小13.83%,土壤扰动量减小37.5个百分点,沟深稳定性系数提高8.2个百分点。

玉米秸秆残茬侧向抛出动力学模型建立与试验76-83

摘要：针对目前国内外免耕播种机及秸秆回收机均只能实现单一作业工序的现状,为实现2BMFJ系列原茬地免耕覆秸精量播种机增设秸秆同步回收装置,通过综合考虑空气阻力、土壤干涉及其他不可控因素,分析了被2BMFJ系列原茬地免耕覆秸精量播种机清秸装置抛出机组侧向的秸秆的空间运动轨迹,对秸秆被侧向抛出过程进行动力学分析,建立了含有修正系数的秸秆被侧向抛出的动力学模型及秸秆空间运动轨迹的参数化方程,并利用高速摄影技术,通过三因素五水平二次回归正交中心组合试验建立了修正系数回归模型。利用秸秆侧向抛出动力学模型,对秸秆回收装置与清秸装置进行匹配,并进行了田间试验,结果表明：平均秸秆回收率为91.21%,不清洁度为6.08%。

2BFJ-24型小麦精量播种变量施肥机设计与试验84-92

摘要：为了提高冬小麦播种质量与种肥利用率,降低生产成本,针对中原地区冬小麦适度规模种植种肥同播作业方式粗放、效能低的特点,基于CAN总线通信协议下的车载传感器与PIC控制融合技术,设计了2BFJ-24型小麦精量播种变量施肥机,由播种施肥机械部件、种子漏播监测系统、肥料堵塞监测系统、变量施肥控制系统及车载计算机组成。通过红外光电检测可实时监测排种管种子流量情况,通过检测排肥管下端口内介电常数变化可实时获取肥料下落信号;通过集成GPS模块获取机器田间位置信息,结合预先加载的田块处方图,确定当前位置目标施肥量,并基于压力传感与微机控制解算当前施肥量和流量信息,按照机器前进速度实时调整施肥量;最终实现作业过程漏播、堵塞声光报警与精准施肥目的。田间试验结果表明,整机监控系统能够适应复杂田间环境,漏播监测准确率可达91%,肥料堵塞报警误差小于2%,变量施肥准确率超过96%,具有较好的实用性和经济性。

2BDB-6（110）型大豆仿生智能耕播机设计与试验93-107

摘要：针对中国东北地区春季播种时耕种层地温回升较慢和土壤水分不足,严重阻碍大豆发育的问题,设计了2BDB-6（110）型大豆仿生智能耕播机,该机一次进地可同时完成浅松、碎土、播种、扶垄和镇压等作业,在完成播种施肥作业的同时,有效提升耕种层土壤温度和含水率。本文运用逆向工程和曲线拟合等方法,设计出具有减粘降阻功效的仿野兔爪趾浅松铲和仿穿山甲鳞片扶垄铲;运用STC89C52单片机设计了具有镇压力实时监控功能的镇压力自动调节系统。通过田间单因素对比试验,发现仿生浅松扶垄耕整机构可提高一定深度范围内的土壤温度,与传统耕整机构相比可降低作业阻力13%～20%;镇压力自动调节系统可显著提高镇压作业稳定性,提高平均土壤含水率（0～100 mm）1.36%;通过参数优化试验得出耕播联合作业最佳参数组合为浅松深度20 cm,镇压强度48 k Pa;通过对比验证试验发现,浅松、扶垄耕播联合作业与传统播种作业模式相比,可分别提升10、20、30 cm深度土壤温度0.7、1.3、0.9℃,提升平均土壤含水率（0～100 mm）0.47%,缩短大豆出苗时间0.52 d,提高大豆产量2.05%。

振动供种型孔轮式非圆种子精密排种器设计与试验108-115

摘要：为满足非圆种子低播量精密播种的种植要求,基于型孔轮式排种器提出了一种振动定向供种机构,分析了种子振动定向排序的机理,建立了种子在定向供种机构上的运动模型和充填型孔过程的动力学模型,完成了关键结构的参数设计。以V型槽安装倾角、振动方向角、振动频率、电压值（振幅）及排种轮转速为试验因素进行了二次回归旋转正交组合试验,并应用Design-Expert 8.0.6软件对试验数据进行多元回归分析和响应曲面分析,得到了因素与合格率间回归模型和因素对指标影响关系,确定了影响合格率的因素重要性次序为振动频率、振幅、振动方向角、安装倾角和排种轮转速。基于回归模型进行了参数优化并进行了试验验证,结果表明：当安装倾角4.02°、振动方向角31.29°、振动频率35.9 Hz、振幅4.03 V、转速5.55 r/min时,合格率为97.64%,漏充率为2.36%,试验中未出现多于3粒/穴的情况。采用二次回归旋转正交组合设计建立回归模型,试验结果与理论分析结论一致,满足了低播量精密播种的农艺要求,表明了振动供种组合型孔轮式排种器实现非圆种子精密排种的可行性。

倾斜抛物线型孔轮式小麦供种装置设计与试验116-124

摘要：为解决淮北平原玉米秸秆覆盖地小麦播量较大且难以精量控制以及现有小麦集排供种装置结构较复杂的问题,设计了一种具有倾斜抛物线型孔轮式小麦精量供种装置。阐述了该供种装置结构和工作原理,分析并确定了主要相关参数,建立了型孔截面曲线限制方程,构建了小麦充种过程的力学模型,以型孔锥角、型孔轮转速和供种轮数量为试验因素,以供种速率、供种速率稳定性变异系数和种子破损率为试验指标,进行了供种性能试验研究。试验表明：倾角为40°抛物线型孔的供种稳定性较优,其供种速率稳定性变异系数小于1.8%,种子破损率低于0.2%;在型孔轮数量1～5、工作转速10～100 r/min条件下,小麦供种速率随型孔轮数目和转速增加呈上升趋势,其供种速率范围为30～1 500 g/min,供种速率稳定性变异系数随型孔轮数量增加呈下降趋势、随转速增加呈先降后升趋势,其稳定性变异系数均小于2.0%,种子破损率均不大于0.2%;以安装5个抛物线型孔轮供种机构建立单位面积播种量数学模型进行的主动供种匹配试验得出,模拟机组前进速度不大于9.8 km/h时,可实现较大范围的主动供种,其稳定性变异系数均小于2.0%;田间试验得出直播小麦种植密度为230～270株/m2,均匀性变异系数为21.97%。倾斜抛物线型孔轮可实现小麦高速供种并简化供种装置结构。

基于离散元的微型马铃薯仿真参数标定125-135

摘要：为系统全面地研究微型马铃薯种子离散元仿真物性参数,根据其物料特征创建微型薯模型,以此为基础建立微型薯离散元参数获取模型。利用试验测定及仿真模拟相结合的方法对微型薯颗粒离散元参数进行标定和校准,即以先后建立碰撞恢复系数测定模型、微型薯-钢板摩擦因数测定模型、微型薯颗粒间摩擦因数测定模型的方法,在EDEM中建立仿真试验模型并以所标定的相应离散元仿真参数为自变量,以仿真模型所测定的因素为评价指标,通过在仿真模型中改变自变量获取相应的评价指标值,建立曲线拟合方程,将真实试验模型中对各因素所测定的值作为仿真目标值代入拟合方程中得到微型薯离散元仿真参数并进行了仿真试验验证。求得微型薯种子离散元仿真参数：微型薯-钢板碰撞恢复系数为0.523,微型薯颗粒间碰撞恢复系数为0.478,微型薯-钢板静摩擦因数为0.644,微型薯-钢板滚动摩擦因数为0.022 1,微型薯颗粒间静摩擦因数为0.325,微型薯颗粒间滚动摩擦因数为0.030 0。对标定后的微型薯离散元物性参数进行仿真验证试验,结果表明标定后的微型薯仿真颗粒堆积角以及种子分布情况与真实试验条件相吻合,为微型薯相关播种机具设计和优化提供了理论依据。

卵形-全正圆齿轮行星系变速扎穴机构设计与试验136-142

摘要：针对深施型液态施肥机扎穴机构始终无法满足喷肥针垂直姿态入出土问题,分别根据卵形非圆齿轮与全正圆齿轮行星轮系的组合啮合特性,设计了一种实现变速垂直扎穴的新型卵形-全正圆齿轮行星系扎穴机构。采用卵形齿轮相互啮合原理,控制扎穴机构在工作周期内的瞬时角速度变化,实现变速扎穴,满足喷肥针在入土与出土过程中水平绝度速度趋近于零的特定要求,达到穴口最小。以喷肥针垂直姿态扎穴并满足小穴口为设计目标,建立机构数学模型,以扎穴机构转速120 r/min、前进速度1.2 m/s和扎穴深度80 mm为约束条件,得到机构的结构参数为卵形齿轮长半轴距离39.9 mm、偏心率0.15、正圆齿轮节曲线直径68 mm和喷肥针长度140 mm,并运用ADAMS软件进行虚拟试验验证。通过高速摄像与扎穴试验,得到喷肥针在前进速度1.2 m/s、扎穴转速120 r/min与扎穴深度80 mm下的轨迹形状、水平绝对速度曲线以及穴口宽度。结果表明,卵形-全正圆齿轮行星系变速扎穴机构在高转速与前进速度下,喷肥针始终保证垂直姿态入出土,实现了小穴口的目标。

吊杯式移栽机构中番茄穴盘苗运动分析优化与试验143-151

摘要：吊杯式移栽机构的投苗杯向栽植器喂苗时,番茄穴盘苗与栽植器的碰撞导致苗钵质量受损。为此,建立番茄穴盘苗与栽植器的接触力学模型和碰撞运动模型,用赫兹理论得到苗钵最大接触力方程,用冲量和冲量矩定理得到苗钵和苗茎与栽植器的碰撞运动方程,在此基础上用目标规划法建立多目标优化函数,得出栽植器角速度为1.18 rad/s和1.31 rad/s时,接苗角取72°和番茄穴盘苗的株高取12 cm,有利于减小苗钵质量损失。利用高速摄像试验观察碰撞运动,得出苗钵与栽植器的碰撞是弹塑性碰撞,苗钵和苗茎与栽植器的碰撞都会改变番茄穴盘苗的运动速度和姿态,使番茄穴盘苗与栽植器发生二次碰撞。苗钵破碎性试验表明,工作参数优化后的番茄穴盘苗质量损失分别为9.67%和8.43%,优于其它参数组合的试验结果。

茄子钵苗全自动移栽机构优化设计与试验152-160

摘要：为了实现茄子钵苗的全自动机械化移栽,设计了一种全自动茄子钵苗移栽机构,提出了一种以牛顿插值法构建的新型非圆齿轮,建立了茄子钵苗移栽机构运动学模型。通过农艺与农机的结合,以钵盘规格、基质体积比、土钵含水率为试验因素,取苗力与土钵基质损失率为试验指标,进行了三因素三水平的正交试验,试验结果表明,钵盘规格105穴、基质体积比1、土钵含水率70%～80%时,取苗力为2.70 N,土钵基质损失率为2.94%,利于茄子钵苗的全自动机械化移栽。根据移栽机构数学模型结合茄子钵苗农艺要求,开发了牛顿插值齿轮茄子钵苗移栽机构优化设计与分析软件,优化出一组满足茄子钵苗移栽要求的参数。根据优化的参数进行三维建模、虚拟仿真,运用3D打印技术制作物理样机进行了轨迹验证试验,验证了该机构的正确性与可行性,通过取苗试验与栽植试验,证明了该机构的实用性。

番茄链式纸钵苗移栽机分离机构设计与优化试验161-168

摘要：为实现番茄链式纸钵苗高速、有序、高效分离、降低纸钵苗破损率,设计了一种分离辊角度可调差速式番茄链式纸钵苗移栽试验台。以引出速度、分离轮与引出轮速比、分离轮倾角为试验因素,以钵苗分离率、纸钵破损率为评价指标,实施三因素五水平二次正交旋转中心组合优化试验。结果表明,各因素对钵苗分离率影响由大到小为分离轮倾角、引出速度和分离轮与引出轮速比;对纸钵破损率影响由大到小为分离轮与引出轮速比、引出速度和分离轮倾角;当参数组合为分离轮倾角18°、引出速度8～10 m/min、分离轮与引出轮速比2.5～4.6时,番茄链式纸钵苗移栽分离机构的钵苗分离率大于90%,纸钵破损率小于5%。