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农业机械学报 2018年第10期杂志 文档列表

农业机械学报杂志特约专稿

卷盘式喷灌机研究进展与发展趋势分析1-15

摘要：为促进我国卷盘式喷灌机快速发展，提高对卷盘式喷灌机关键技术的整体认识和比较国内外差距，本文概述了国内外的发展历程和卷盘式喷灌机的主要类型和机型，从内外特性指标两方面，阐述了影响卷盘式喷灌机的关键因素及研究现状，总结出喷头车行走速度的均匀性、行走速度与喷头旋转扇形角及速度的匹配关系、喷头车运行稳定性、喷头进口压力的稳定性、喷头的姿态和地形等是影响喷灌均匀性指标的关键因素，各组成部分的能量转换效率和优化匹配是影响整机能耗的关键因素。分析了卷盘式喷灌机驱动动力、传动系统、速度控制、关键环节能量转换和喷头车稳定性等关键技术的研究进展和存在的问题。提出了我国卷盘式喷灌机需要重点研究的应用基础和关键技术问题，展望了卷盘式喷灌机多功能和智能化的发展趋势。

农业机械学报杂志农业装备与机械化工程

倾转三旋翼垂直起降无人机悬停姿态控制16-22

摘要：针对一种倾转三旋翼垂直起降（VTOL）飞行器在悬停状态下的姿态控制问题，设计了一种基于STM32系列微控制器的飞行控制系统。采用十轴组合惯性导航模块实时采集载机平台姿态信息，并结合基于四元数的互补滤波算法进行姿态信息解算。针对无人机姿态控制实时性和精度要求高的特点，采用串级PID控制算法对载机进行悬停状态下的姿态控制。实验结果表明：串级PID控制算法在悬停状态下能够对倾转三旋翼垂直起降飞行器进行快速、稳定、准确的姿态控制，并具有一定的鲁棒性。在横滚角的内环采用PD控制（Kp为8.371，Kd为3.015），外环采用PD控制（Kp为5.1，Kd为1.15）；俯仰角的内环采用PD控制（Kp为3.137，Kd为1.6），外环采用PID控制（Kp为3.43，Ki为0.003，Kd为3.97）；偏航角采用PI控制（Kp为9.30，Ki为0.11）时，其悬停状态下具有最优姿态控制效果。研究结果对倾转三旋翼垂直起降飞行器飞行控制的后续研究具有指导作用。

基于超宽带的温室农用车辆定位信息采集与优化23-29

摘要：针对温室环境下农用车辆定位精度低的问题，开发了适用于温室环境的超宽带技术（Ultra wide band，UWB）室内定位试验平台。首先，以Ubisense射频芯片作为硬件基础，设计了定位平台标签和基站，并采用到达时间差（Time difference of arrival，TDOA）定位测距方法获得定位结果；然后，分别利用K-means聚类与截段处理的方法进行静态、动态定位信息优化计算，以减小脉冲信号传播特性和单一测距方式等导致的测量误差，获得准确的定位信息，实现温室内农用车辆的精确作业；最后，在温室环境下分别进行了静态定位试验与动态定位试验。试验结果表明，优化后的静态定位精度平均值为0.063 4 m，改进后的动态定位精度精确到8 cm的概率是原先TDOA算法的3.7倍。所搭建的定位试验平台满足温室农用车辆定位的实际应用要求，可为温室环境下农用车辆的定位和导航提供参考。

水稻直播机自动驾驶模糊自适应控制方法30-37

摘要：为了提高在水田等恶劣环境下作业的自主导航水稻直播机的性能，提出了一种利用模糊逻辑推理自适应调整PD控制器参数Kd的最优控制方法。首先根据水稻直播机的运动学模型，建立链式空间状态模型；然后基于链式空间状态模型，设计了PD控制器，并根据现场实验确定了参数Kp、Kd的取值范围，通过仿真得出了Kp和Kd的值，以及两者比值对系统稳定性和响应速度的影响；最后，提出了模糊自适应控制方法。仿真结果表明，相对于固定参数的PD控制器，模糊自适应控制方法超调较小、上线速度更快、稳定性较好。实地实验结果表明，该方法在水泥路面上平均绝对横向偏差小于0.021m，水田直线跟踪平均绝对偏差小于0.040m，与传统的PD控制和纯追踪控制相比，能够有效提高自主导航控制系统的稳定性和快速性。

移动机器人RGB-D视觉SLAM算法38-45

摘要：针对移动机器人视觉同步定位以及地图构建（Simultaneous localization and mapping,SLAM）研究中存在精确度较低、实时性较差等问题，提出了一种用于移动机器人的RGB D视觉SLAM算法。首先利用定向二进制简单描述符（Oriented fast and rotated brief,ORB）算法提取RGB图像的特征点，通过基于快速近似最邻近(Fast library for approximate nearest neighbors,FLANN)的双向邻近(K-nearest neighbor,KNN)特征匹配方法得到匹配点对集合，利用改进后的随机抽样一致性(Re-estimate random sample consensus,RE RANSAC)算法剔除误匹配点，估计得到相邻图像间的6D运动变换模型，然后利用广义迭代最近点（Generalized iterative closest point,GICP）算法得到优化后的运动变换模型，进而求解得到相机位姿。为提高定位精度，引入随机闭环检测环节，减少了机器人定位过程中的累积误差，并采用全局图优化(General graph optimization,G2O)方法对相机位姿图进行优化，得到全局最优相机位姿和相机运动轨迹；最终通过点云拼接生成全局彩色稠密点云地图。针对所测试的FR1数据集，本文算法的最小定位误差为0.011 m，平均定位误差为0.024 5 m，每帧数据平均处理时间为0.032 s，满足移动机器人快速定位建图的需求。

基于卷积神经网络的玉米根茎精确识别与定位研究46-53

摘要：为了能精准地识别和定位玉米根茎，本文建立了基于迁移学习方法的玉米根茎检测网络，模拟人眼识别功能从复杂的田间环境中识别和定位玉米根茎，实现履带自走式热雾机玉米行间对行行走。以履带自走式热雾机为图像采集平台获取玉米作物田间图像，采用DOG金字塔算法提取图像中的目标根茎，构成样本训练数据库。通过训练网络，首先实现了单株玉米根茎的精准识别，然后开展玉米作物行间环境下多株玉米根茎精确识别和根茎定位。基于已识别的玉米根茎位置采用最小二乘法拟合行驶路径，试验结果表明，提出的玉米根茎识别方法与传统图像处理的方法相比，具有更好的定位精度，能够实现玉米作物田间路径的准确规划，为履带自走式热雾机玉米行间对行行走提供了技术支撑。

仿蛇嘴咬合式柑橘采摘末端执行器设计与实验54-64

摘要：提出了通过改进采摘机器人的末端执行器来实现未知柑橘果柄空间方位的柑橘采摘，以提高采摘机器人的采摘能力。对柑橘果柄生长情况进行了调研，定义了果柄倾角并进行了统计，对果柄极限位置的剪切要求进行了分析并得出了末端执行器的设计要求。根据蛇的咬合动作和蛇嘴骨骼的特殊结构，通过仿照蛇嘴结构设计咬合式末端执行器能够满足设计要求。对蛇头骨骼结构进行了简化，提出了两种设计思路，并据此分别设计了两种机构的初步模型，经过运动学分析确定了较优方案，并对初步模型进行了优化，确定了末端执行器的三维模型。根据三维模型建立了末端执行器的运动学模型，并进行了运动学分析和仿真，保证了机构设计合理。制造了咬合式末端执行器样机并通过课题组自行研制的柑橘采摘机器人进行了实验室环境和自然环境的实验验证。实验结果表明，在实验室环境下，果柄倾角为0°、气压为0.6 MPa、果柄直径不超过4.0 mm条件下的切断成功率不小于95%，不同果柄倾角的总体切断成功率为97.5%；在室外环境下，收获柑橘的总成功率为87.5%，基本实现了未知果柄空间方位下对柑橘的采摘。

单人工上苗式半自动蔬菜嫁接机关键机构设计与试验65-72

摘要：半自动嫁接机价格低、适用蔬菜种类广，但其生产能力相对低。为简化操作、提高嫁接效率，设计一种单人工补给砧木和接穗苗的贴接式半自动蔬菜嫁接机。嫁接机关键部件包括砧穗木夹持旋转机构、旋转持苗防回转机构、切削机构等；其中，旋转持苗防回转机构采用了双棘轮反向止动，实现单电机驱动双轴间歇反向旋转，保证上苗和夹持工序有序配合；确定了砧穗木上苗位、夹持、切削、嫁接工位的较优布局，可实现单人工同时上砧、穗木苗。对南瓜和丝瓜穴盘苗进行嫁接试验表明：嫁接成功率达到89%，与人工相近；嫁接效率达到846.3株/h，是人工嫁接效率的3.3倍，证明该单人工上苗操作的贴接式嫁接机满足工厂化嫁接作业要求。

胡萝卜缨果拉拽式分离装置设计与试验73-79

摘要：为了获得胡萝卜缨果拉拽式分离装置最优设计参数，以获取最佳分离效果，建立了拉拽式缨果分离装置运动学模型，定性分析了相关参数对拉拽杆运动学特性的影响。设计了胡萝卜缨果拉拽式分离试验台并进行了缨果分离正交试验，经分析发现拉拽杆的转速对胡萝卜缨果分离效果影响最大，拉拽杆与输送带的夹角对胡萝卜缨果分离效果的影响显著；同时得到了胡萝卜缨果分离装置的最佳参数组合：拉拽杆转速为200r/min、输送带线速度为1.2m/s、拉拽杆与输送带夹角为40°，此时缨果分离的一致性为97%，成功率为94%，损伤率为7.7%。

基于槽型凸轮传动的蓝莓采摘机设计与试验80-91

摘要：为改善机械采摘蓝莓的果品质量，设计了基于槽型凸轮传动的蓝莓采摘机。样机关键零部件设计包括驱动元件计算与选择、传动系统减速比分配、凸轮运动曲线计算等，采用“反转法”推导凸轮廓形曲线，利用“角分线法”设计采摘系统末端执行装置。在ADAMS中建立采摘机模型，搭建仿真环境对采摘机进行动力学分析，研究凸轮设计参数、各杆件长度、驱动元件转速对采摘传动装置的影响。在种植园进行蓝莓采摘试验，得到槽型凸轮采摘机采摘效率4.6kg/min、未成熟果实脱落率3.2%、成熟果实采净率83%、果实损坏率3.1%，对比分析得出：槽型凸轮采摘机的采果质量优于牵引式采摘机，采摘效率是人工采摘效率的13倍。

辊搓圆筒筛式谷子清选装置设计与试验92-102

摘要：为解决谷子初脱后因物料中残留谷码多、含水率高而导致清选含杂率和损失率较高的问题，设计了辊搓圆筒筛式谷子清选装置。该装置主要由谷码辊搓装置、圆筒筛装置、横流风机和离心风机等组成，实现了先脱谷码后清选的功能。选取离心风机转速及角度、横流风机转速、圆筒筛转速和谷码辊搓装置主动辊转速作为试验因素，籽粒含杂率和损失率作为试验指标进行了正交试验，试验表明：谷码辊搓装置主动辊转速250r/min、离心风机角度3°、小圆筒筛转速60r/min、离心风机转速700r/min、中圆筒筛转速60r/min、大圆筒筛转速70r/min，横流风机转速600r/min为该清选装置的最优组合。对该参数组合进行验证试验，并对该装置清选性能进行对比试验，结果表明，在最优组合条件下籽粒含杂率为1.64%、总损失率为0.86%，该装置籽粒含杂率与总损失率均低于传统型风机圆筒筛式和风机振动筛式清选装置。

免耕播种机动态仿生破茬装置设计与参数试验优化103-114

摘要：针对中国东北地区玉米秸秆粗壮量大、不易腐烂，造成免耕播种机破茬防堵装置秸秆根茬切断率低和作业所需切割扭矩大的技术难题，以蝗虫口器多段阶梯锯齿状结构和双上颚异向等速咬合运动方式为仿生原型，设计一种可在东北地区实现高效破茬防堵作业的动态仿生破茬装置。通过仿生构建、机构设计、理论分析和参数优化等方法设计了行星齿轮变速机构和仿生破茬刀；运用Arduino系统和智能控制方法设计了智能驱动系统，实现了运动方式结构耦合仿生；通过参数优化试验和回归分析等方法，研究了结构和作业参数对秸秆切断率和切割扭矩的影响规律，并得出最佳参数组合：作业速度为10km/h，回转半径为250mm，正转破茬刀仿蝗虫口器刀片数量为9，反转破茬刀仿蝗虫口器刀片数量为18；最终通过对比试验得出动态仿生破茬装置相较于被动缺口圆盘破茬刀可提高秸秆根茬切断率22.6%~27.4%；相较于驱动缺口圆盘破茬刀可提高秸秆根茬切断率8.6%~13.5%，降低扭矩输出19.5%~21.8%；作业后使用共聚焦激光扫描仪进行耐摩擦磨损对比试验，其平均表面粗糙度和最大磨痕深度相较于驱动缺口圆盘破茬刀分别下降14.5%和15.9%。

玉米联合收获机贯流风阶梯式振动筛设计与试验115-123

摘要：为降低筛分作业后籽粒损失率，同时保证籽粒清洁率，分析了玉米脱出物在气流场中运动状态，基于贝壳筛设计阶梯式筛体，并通过籽粒碰撞理论设计阶梯缓冲带，使籽粒在阶梯暂时“滞留”，减轻杂余对籽粒夹带作用。在筛面振幅19mm条件下，采用CFDDEM耦合仿真方法，以入风口气流速度、气流角、阶梯高度和筛面振动频率为试验因素，玉米籽粒清洁率和损失率为试验指标，进行二次正交旋转组合试验。通过响应曲面方法对试验结果进行分析，利用软件对回归数学模型进行优化。结果表明：当气流速度、气流角、阶梯高度和振动频率分别为16m/s、25°、8.36mm和4.45Hz时，籽粒损失率和清洁率分别为1.69%和98.8%，通过贯流风阶梯式振动筛台架试验验证了结果的准确性。通过对比试验得到，阶梯式贝壳筛作业后籽粒损失率降低为2.12%，清洁率提高到99.16%，清选性能得到提高。

深松铲不同翼铲安装高度时土壤扰动行为仿真与试验124-136

摘要：翼铲的安装高度是带翼深松铲的关键结构参数之一，其对深松土壤扰动行为产生重要影响。综合运用EDEM和室内土槽试验，研究了翼铲安装高度（55、75、95、115、135mm）对深松土壤扰动行为的影响。结果表明：随着翼铲安装高度增加，耕后犁底层土壤扰动面积先增大后减小，在翼铲安装高度为75mm时最大，水平耕作阻力逐渐减小，深松铲铲尖和犁底层圆弧段所受水平耕作阻力为深松铲水平耕作阻力的主要来源（90%以上），其随翼铲安装高度增大逐渐减小；翼铲安装高度直接影响耕作时不同深度土壤在不同方向的位移，当翼铲安装高度为75mm时，深松铲纵向中心位置的各层土壤在耕作方向的最大位移相对较小，其犁底层土壤在竖直方向最大位移相对较大，表层和耕作层土壤在竖直方向最大位移相对较小；翼铲安装高度对土壤扰动效果产生重要影响，且离散元仿真能够准确模拟深松土壤的扰动过程，5个翼铲安装高度下土壤膨松度、土壤扰动系数、土壤碎土系数、土壤纵向堆积角的试验值和仿真值的平均误差分别为11.69%、11.54%、14.20%、9.64%。

腔盘式精量穴施肥装置设计与试验137-144

摘要：施肥方式粗放是造成我国肥料利用率低的主要原因之一。与条状施肥相比，穴式施肥可有效提高肥料利用率。本文设计一种用于颗粒状肥料穴式施用的腔盘式精量穴施肥装置，通过理论分析确定了装置的主要结构和工作参数，并探讨了肥腔形状（圆弧型、直线型钝角、直线型锐角和抛物线型）对肥料运动的影响。运用离散元法（EDEM）对不同结构和作业参数下的排肥盘充肥性能和肥群运动进行了仿真分析，结果表明：肥腔形状、前进速度和施肥量对各穴排肥量变异系数均有显著影响，随前进速度的增大和施肥量的减少，变异系数增大，且圆弧型肥腔排肥稳定性最好；前进速度和肥腔形状对肥料扰动度有显著影响，排肥盘经过箱体的时间及其对肥料扰动的形式和扰动量是影响排肥量稳定性的主要原因。在前进速度7km/h、排肥量300kg/hm^2的条件下，对4种排肥盘进行台架试验，结果表明，圆弧型肥腔性能最优，排肥量合格率为94%，各穴排肥量变异系数为6.5%，与仿真结果呈现相同规律，且满足作业排肥要求。

支持种肥监测的变量施肥系统设计与试验145-153

摘要：目前国内变量施肥控制系统与排肥监测系统集成化程度低，电动机驱动变量施肥系统动态响应研究不够深入。为此设计了基于电动机驱动、支持多路播种施肥监测的变量施肥控制系统，主要包括触摸屏、中央控制器和数据采集器。控制器以MCU为核心，读取GPS测速模块获取的机具行进速度，监测排肥电动机实时转速，与数据采集器通讯获取多路排种或施肥状态，与触摸屏通讯设置作业参数和监测作业状态。搭建试验平台，测得排肥轴转速范围为12.5~125r/min、监测灵敏度为3s时，系统监测可靠性为100%。进行了系统排肥量变化响应时间试验，室内试验结果表明在0~11500g/min的排肥量变化范围内，系统响应时间最大为0.75s。系统整机试验中，75~450kg/hm2的施肥量变化区间，公差以75kg/hm2递增，行进速度平均为3.79km/h时，系统响应时间平均为1.08s；在设定施肥量450、600、750kg/hm^2下，改变不同行进速度的过程中，排肥量准确率平均值分别为95.92%、95.24%和98.26%，方差分别为3.01%、1.39%和1.36%。田间试验表明，施肥量分别为450、600、750kg/hm2时，系统排肥量准确率平均值为94.69%，方差为2.23%，多路排种、排肥监测故障报警准确率为100%。

保育猪饲喂器设计与排料性能试验154-162

摘要：为促进我国生猪养殖业的规模化发展，改善保育猪饲喂器排料均匀性及单位时间内排料量，在保证饲料以整体流方式排料的情况下，设计了一种保育猪饲喂器。阐述了总体结构组成和工作原理，对出料口盘和排料拨片进行了动力学与运动学分析。以影响饲喂器排料性能的主要因素为试验因素，以饲喂器排料均匀性指标变异系数和排料能力指标流量为评价指标，应用EDEM软件进行虚拟正交试验，并基于Design-Expert8.0.10软件对模型进行多目标优化获得最优参数组合，结果表明：当主轴转速、出料口直径、斗壁倾角和充满系数分别为45r/min、110mm、65°和65%时，变异系数和流量分别为3.96%和165.93g/s。依据以上优化参数研制饲喂器，并经试验表明：颗粒饲料流动方式为整体流；变异系数为3.62%，流量为149.13g/s，饲槽内颗粒饲料分布均匀且排料效率较高。

基于PWM技术的平移式变量喷灌机喷头流量分配方法163-171

摘要：大型平移式喷灌机采用脉冲宽度调制（Pulse width modulation,PWM）技术实现变量灌溉作业，因喷头间喷洒区域相互重叠，由地块管理区的设计处方值求解单喷头流量较为困难。首先根据Nelson R3000型单喷头喷洒特性，得到平移式喷灌机沿桁架方向的一维叠加水量分布特性，以及平移运动后的二维叠加水量分布特性，分析确定了由4个喷头重叠喷洒控制一个管理区，并得到喷头区域喷洒分配率，在此基础上提出了按处方值进行喷头流量分配的加权均分法和基于遗传算法（Genetic algorithm,GA）的分配法。通过管理区喷洒误差分析得出，当相邻处方值变化幅度不超过最大处方值的33%时，精度可以达到5%。为了弥补GA法导致喷洒均匀性下降的不足，将加权均分法和GA法组合应用，有效降低了处方值突变带来的喷洒误差，同时保证了处方值变化较小区域的喷洒均匀性。本文方法可以扩展到4个以上喷头重叠喷洒控制一个管理区的应用场合。