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农业机械学报 2018年第11期杂志 文档列表

农业机械学报杂志特约专稿

生猪养殖设施工程技术研究现状与发展分析1-14

摘要：生猪养殖业是我国畜牧业的支柱产业,随着生猪养殖从分散养殖向规模化养殖的发展,对生猪养殖设施工程技术的需求日渐增加。为了向生猪养殖业发展提供参考与支持,对生猪养殖关键设施工程技术的研究与发展状况进行了总结和分析。重点对猪舍、育仔、饲喂、粪污处理设施工程环节进行研究与发展分析。目前,我国已初步形成了适合国情的生猪养殖设施工程技术体系,但与国外发达国家的生猪养殖设施工程技术还存在一定差距,存在养殖设施工程各环节发展不均衡,养殖工程的机械化、自动化、智能化技术水平较低,关键养殖设施工程技术的基础性研究体系不健全,养殖设施配套性差,养殖机械的适用性和可靠性较低等问题。建立健全的生猪养殖设施工程技术的研究体系,加强养殖、饲料、设施工程、资源环境等方面相互融合与协作、深入与系统的研究,开展适于我国南北方配套应用的生猪养殖设施与设备研发,实现生猪养殖过程的健康/福利化、生态化、自动化及至智慧化,将是我国生猪养殖设施工程技术的发展方向。

农业机械学报杂志农业装备与机械化工程

水田环境下水稻直播机自动驾驶控制方法15-22

摘要：为了解决无人化水稻直播机在水田里作业时精度不高的问题,提出了一种在不平整泥泞水田环境中的水稻直播机自动驾驶控制方法。首先建立了水稻直播机的运动学模型,基于横向偏差和航向角偏差,提出了一种用于直线作业段的非线性转向控制算法。为了避免水田路面不平坦对定位系统的影响,通过倾角传感器获取车身姿态,修正定位误差。通过检测计算位置与地边的相对距离,实现了地头自动转弯。水田实验结果表明,所提控制方法的路径跟踪平均横向绝对偏差为0.027m,具有较好的跟踪精度和稳定性,且自动转弯算法切实有效,提供了一种在水田环境下可行的自动驾驶控制方法。

自然环境下树上绿色芒果的无人机视觉检测技术23-29

摘要：为了快速检测芒果树上的芒果,提出了一种基于无人机的树上绿色芒果视觉检测方法。采用深度学习技术,利用YOLOv2模型对无人机采集的绿色芒果图像进行检测,首先通过无人机采集树上绿色芒果图像,对芒果图像进行人工标记,建立芒果图像的训练集和测试集,通过试验确定训练模型的批处理量和初始学习率,并在训练模型时根据训练次数逐渐降低学习率,最终训练的模型在训练集的平均精度(Mean average precision,MAP)为86.43%。试验分析了包含不同果实数和不同光照条件下绿色芒果图像的识别正确率,并进行了芒果产量估计试验,试验结果表明:本文算法检测一幅图像的平均运行时间为0.08s,对测试集的识别正确率为90.64%,识别错误率为9.36%;对含不同果实数的图像识别正确率为88.05%~94.55%,顺光条件下识别正确率为93.42%,逆光条件下识别正确率为87.18%;对芒果产量估计的平均误差为12.79%。本文算法对自然环境下树上绿色芒果有较好的检测效果,可为农业智能化生产中果蔬产量的估计提供技术支持。

基于卷积网络和哈希码的玉米田间杂草快速识别方法30-38

摘要：为提高作物与杂草识别的准确性,结合深度卷积网络强大的特征提取能力和哈希码便于存储和快速检索的特点,提出了基于深度卷积网络和二进制哈希码的田间杂草快速识别方法。结合预训练的多层卷积网络,增加二进制哈希层构建杂草识别模型,并利用所采集的杂草数据集对模型进行fine-tuning。所提出的二进制哈希层可有效地将高维杂草特征进行压缩,以便于实际田间杂草特征的存储和后续计算。在进行杂草识别时,利用训练好的模型提取输入图像的全连接层特征码和哈希特征码,与数据库中的全连接层特征码和哈希特征码进行对比,分别计算其汉明距离与欧氏距离,找出与其最相似的K幅图像,统计这K幅图像的标签,将其归入频率最高的一类,以达到分类识别的目的。通过对比不同卷积层数和不同二进制哈希码长度对杂草识别的影响,最终确定了包含4层卷积网络和128位哈希码长度的杂草识别模型。试验结果表明,本研究方法田间杂草识别准确率可达98.6%,并且损失函数稳定性相较于普通模型有所提高;同时,在其他杂草数据集上也有良好的表现,准确率达到95.8%,说明该方法具有通用性。实地测试表明,利用本文提出的模型进行杂草识别,对靶喷雾杂草施药率可达92.7%,能够有效减少农药浪费,适用于精准喷雾。

小麦条锈病菌夏孢子显微图像远程采集系统设计与试验39-47

摘要：利用孢子捕捉器捕捉小麦田间空气中的条锈病菌夏孢子已成为当前小麦条锈病预测预报的重要手段。针对现有的孢子捕捉设备效率低、费时费力、需人工定时换取载玻片或捕捉带等问题,基于ARK1123C型嵌入式工控机和显微镜CCD数字摄像头,提出了一种高放大倍数、高分辨率的小麦条锈病菌夏孢子显微图像远程采集系统的设计方案。设计了系统的硬、软件结构,实现了自动取载玻片、涂脂、空中孢子捕捉、孢子显微图像采集、载玻片回收等一系列功能,且可根据用户需求远程设置孢子捕捉和显微图像采集参数,采集的图像通过无线网络传输到远程服务器中。为了验证系统的性能,在小麦田间进行了40d的系统综合试验测试。测试结果表明,系统可长时间稳定工作,能够远程实时采集放大400倍的4096像素×3288像素的夏孢子显微图像。该系统能够实时采集和远程传输小麦条锈病菌夏孢子显微图像,可满足野外小麦田间空气中夏孢子监测的需求,为农田空气中小麦条锈病菌夏孢子的自动计数及条锈病的预测预报提供重要技术支持。

基于DEM-CFD耦合的玉米气吸式排种器仿真与试验48-57

摘要：针对DEMCFD计算量大的问题,首先利用Fluent仿真,通过设计进气口位置的三因素三水平正交试验,以充种区型孔压强、自清种区型孔压强、清种区型孔压强、携种区型孔压强为评价指标,进行极差和方差分析,确定最佳进气口位置参数;其次,基于离散单元法理论建立玉米籽粒黏结颗粒Bonding模型,对气道流场划分结构化网格,并设置相关参数,实现玉米气吸式排种器DEMCFD气固耦合仿真;提取排种盘吸附玉米种子时的型孔流场压强,发现每个区域的压强都能稳定过渡,且压强由大到小为充种区、自清种区、清种区、携种区、卸种区;通过理论计算得出吸附压强最小值,并与仿真结果进行对比,结果表明仿真结果均大于理论计算吸附压强最小值;采用第1代常规气室结构排种器和本文设计排种器进行风压测定对比试验分析,验证了所选进气口位置参数的合理性;最后,以改变排种盘转速为例,选取排种器常用作业速度8、10、12、14km/h,以合格指数、重播指数、漏播指数为排种性能评价指标,通过仿真考察其排种性能,并与台架试验进行对比。结果表明,在仿真模拟中,当作业速度不大于14km/h、负压为3kPa时,合格指数均不小于89.7%,漏播指数不大于7.8%,重播指数不大于2.5%;台架试验中,在相同的作业速度和负压下,粒距合格指数均不小于90.3%,重播指数不大于2.7%,漏播指数不大于7%;仿真试验与台架试验结果较为接近,验证了仿真模拟的可行性。

杂交稻气送式集排器成穴供种装置设计与试验58-67

摘要：为适应杂交稻气送式集排器的穴播要求,设计了一种集中定量供种的成穴供种装置。阐述了杂交稻气送式集排器成穴供种装置的工作原理,基于杂交稻机械物理参数和穴播农艺要求,提出了一种渐开线状型孔,确定了主要结构参数,构建了种子群充种和投种过程的力学模型。台架试验研究了杂交稻品种、渐开线型排种轮数量和转速对供种和成穴性能的影响。结果表明:渐开线型排种轮数量和转速分别为3~8和10~40r/min时,供种数量随渐开线型排种轮数量和转速增加而增加,供种数量范围为2392~17732粒/min;转速为20~40r/min时,供种数量变异系数均低于1.0%。成穴供种装置可适应多种杂交稻品种,供种数量受种子长度和容重的影响。穴供种数量随排种轮数量增加显著增加,随转速增加而降低;较优转速为20~30r/min,穴供种数量为19~38粒,其变异系数均低于25.0%。穴径随转速和排种轮数量增加而增加,穴距保持稳定。田间试验表明成穴供种装置可实现穴播,平均株数和穴距分别为3.07株/穴和180.2mm,符合水稻直播技术要求。

免耕播种机凹面爪式清茬机构仿真与试验68-77

摘要：机具的清茬效率是秸秆覆盖条件下免耕播种的重要指标。针对东北地区保护性耕作模式,在吉林省康达农业机械有限公司生产的2BMZF2型免耕播种机上,改进设计一种具有凹面结构的秸秆清茬机构,分析了播种机作业速度、清茬轮入土深度以及清茬轮运动偏角等因素对清茬效果的影响。根据仿真分析以及田间试验结果确定了清茬机构的关键参数,以及最佳工作参数组合为:清茬轮直径D为350mm、运动偏角λ为37.5°、机具速度v0为2.77m/s、入土深度d为70mm。在上述参数条件下进行田间试验时,清茬率可达到83.61%。结果表明,所设计的清茬机构可有效清洁种床、减少机具堵塞,可以为东北地区玉米免耕播种作业提供技术支撑。

行星轮栽植机构优化设计与试验78-86

摘要：针对不同作物移栽时的不同株距问题,以自制行星轮转臂式栽植机构为研究对象,阐述了栽植机构组成及工作原理,构建了行星轮转臂平动机构及鸭嘴开合机构的运动学模型,在此基础上分析建立了栽植器前、后鸭嘴栽植点的运动轨迹数学模型。利用Matlab对该数学模型进行编程,建立其分析程序模型,并基于MatlabGUI平台开发计算机辅助优化设计人机交互界面,借助该界面对栽植点轨迹数学模型进行求解,从而模拟得到鸭嘴式栽植器前、后栽植点的运动轨迹曲线。分析栽植机构的行星架旋转半径,开合机构的后鸭嘴摆杆长度、后鸭嘴摆杆初始位置与水平线夹角及后鸭嘴末端点至鸭嘴转轴中心的距离等主要参数对栽植点运动轨迹的影响,以特征系数λ大于1,栽植点轨迹环扣高度大于苗钵体高度,前后鸭嘴不带苗、不挂苗,前后鸭嘴轨迹与垄面交点处形成的穴口尺寸较小等条件为优化目标,通过人机交互优化得到一组能同时满足3种栽植株距要求的机构参数组合,并模拟验证该机构参数组合在3种栽植株距下的栽植轨迹。选用72孔穴盘培育的黄瓜苗为试验对象,以株距变异系数和直立度为评价指标,对优化得到的机构参数进行栽植性能试验。结果表明:在3种株距下的栽植直立度优良率高于81%,总优良合格率达94.8%以上,株距变异系数小于3.2%,证明优化设计的行星轮转臂式栽植机构能够满足多种株距移栽要求。

双鸭嘴式大蒜正头装置调头机理分析与试验87-96

摘要：针对当前大蒜机械化播种鳞芽正头率较低的问题,测定了苍山大蒜的物理属性参数及几何参数,采用离散元技术,建立双鸭嘴式大蒜正头机构播种动力学模型;仿真研究了蒜种在3种正头机构中的运动规律,分析了不同接种鸭嘴曲线形状、蒜种重心、插播转速及蒜种二次弹跳对正头率的影响规律,明确了蒜种正头机理。试制了室内播种试验台及大田样机,开展了播种试验,采用可视化方法提取了试验过程中蒜种运动动态图像,结果与仿真过程基本一致,试验正头率与仿真正头率的误差在5%以内,表明采用离散元法对播种过程中蒜种的运动规律进行分析是可行的;田间试验蒜种正头率最高可达95.67%,提高了4.67个百分点。

腔盘式穴施肥装置柔性护肥机构设计与试验97-103

摘要：针对腔盘式穴施肥装置存在的输肥过程中肥盘与护肥腔刚性接触、造成卡肥现象,严重影响输肥稳定性等问题,提出了一种柔性护肥方法,并设计了基于梅花状尼龙纤维的柔性护肥机构。通过理论计算和有限元模拟仿真,对单根尼龙纤维的力学性能进行分析,得出了尼龙纤维结构参数对其受力和形变的影响规律,确定所选用纤维直径为0.1mm;通过对纤维束结构的分析,为保证植毛孔安全距离和刷丝束合理间隙,设计刷丝长度为13mm,植毛孔直径为4mm;运用EDEM软件模拟肥腔内肥料受压过程各壁面受力变化,确定肥盘与底护肥刷的安装负间隙为1.6mm,与侧护肥刷的安装负间隙为0.5mm。加工了柔性护肥机构并进行验证试验,试验结果表明,该机构无卡肥现象,肥盘转动扭矩为4.71N·m,肥盘转动阻力比原机构减小58.54%。该柔性护肥机构可有效避免输肥过程中的卡肥现象,降低输肥阻力,保证了输肥稳定性。

马铃薯种植机分层施肥开沟器设计与试验104-113

摘要：针对目前我国马铃薯种植机普遍存在的肥料定位不精确问题,结合马铃薯根系分布规律和一垄二行种植模式特点,提出了一种基于曲面排肥与V型防堵结构的分层施肥技术,设计了深度可调式分层施肥开沟器,研究了土壤与开沟部件之间运动关系,并对肥料在曲面分肥板上的运动规律进行了理论分析;以下层排肥量稳定性变异系数为试验指标进行了单因素试验,确定了排肥器最佳槽轮工作长度;在此条件下,以排肥轴转速和曲面分肥板斜面倾角为试验因素,上层排肥盒左右侧排肥一致性变异系数为试验指标进行了通用旋转组合试验,运用DPS和Matlab软件进行回归方程显著性分析和参数优化,得出最佳因素组合为排肥轴转速20.5r/min,曲面分肥板斜面倾角15°,此时上层排肥盒左右侧排肥一致性变异系数为3.30%。最优参数下的重复试验结果表明,平均上层排肥盒左右侧排肥一致性变异系数为3.71%,试验值与理论值相近;田间排肥性能试验结果表明,该开沟器作业流畅,排肥性能满足马铃薯施肥要求。

丘陵地区刚性镇压轮性能仿真与试验114-122

摘要：东北丘陵地区镇压作业时,不同地形及地势土壤含水率差异较大,若要实现较优的镇压效果,需要与之相对应的载荷和前进速度相配合。为了寻找丘陵地区刚性镇压轮作业的最优水平组合,首先在基于准静态原则的镇压与土壤机理模型基础中加入速度变量建立动态镇压与土壤的机理模型,寻求土壤含水率、载荷、前进速度与土壤下陷量、作业阻力的关系,然后基于SPH算法在LSDYNA软件中构建刚性镇压轮与土壤的三维仿真模型,模拟刚性镇压轮与土壤相互作用的动态过程。将数值模拟方法与中心面复合响应试验方案相结合进行仿真试验,仿真试验获得土壤含水率、载荷、前进速度与土壤下陷量、作业阻力的数学回归模型,在此基础上,采用R语言中的蚁群算法对数学回归模型进行多目标优化,获得Pareto最优解集,并从中选出含水率(12±0.1)%、(14±0.1)%、(16±0.1)%、(18±0.1)%、(20±0.1)%对应的5组最优解。进行土槽试验对最优解进行验证,试验结果与预测结果误差均小于12%,表明了试验优化结果的可靠性,同时也验证了仿真的可行性。

基于ANSYS/LS-DYNA的梳夹式红花采摘装置研究123-131

摘要：红花梳夹采摘过程中红花的运动姿态对采摘效果有重要影响,为得到满足红花理想采摘的梳夹采摘装置的结构参数和工作参数,根据红花的物料特性,建立梳夹采摘模型,利用ANSYS/LS-DYNA软件动态模拟采摘过程,揭示采摘装置不同结构参数和工作参数与红花运动姿态之间的关系特性,不断调节采摘装置的结构和运动参数,直至红花花球和分枝到达理想采摘位置。模拟结果表明,低位置采摘时花球及分枝运动相对高位置稳定,且在行走速度2.5km/h,梳齿转速150r/min,限位杆与梳齿旋转中心的水平距离a-=30mm时采摘效果最佳,可实现理想位置采摘。根据红花田间采摘要求搭建试验台并进行台架试验,采摘试验结果表明,56%的花球可以实现理想采摘,其平均采净率为48.5%。

双圆台锥式蓖麻脱壳清选机设计与试验132-140

摘要：为提高蓖麻脱壳效率,确定了滚搓式的脱壳方法,设计了双圆台结构的脱壳装置以及振动筛选与气吸相结合的清选机构。根据蓖麻蒴果的物理机械特性,设计脱壳装置的内层壳体为不对称双圆台结构。确定锥角并设计脱壳滚筒间隙与脱壳滚筒外层壳体,建立不同阶段脱壳滚筒位置与脱壳间隙的数学模型,为脱壳装置动力学模拟提供理论依据。利用ADAMS对蓖麻蒴果不同脱壳阶段进行运动学仿真,分析物料在压裂阶段与脱壳阶段的位移、速度变化规律,并分析不同脱壳滚筒出料口间隙对各阶段的影响。仿真结果表明:压裂阶段,随着上脱壳滚筒出料口间隙的增加,蓖麻蒴果到达特定压裂位置的时间延后、位移增加、运动速度在0.56s时达到最大。脱壳阶段,随着下脱壳滚筒出料口间隙的增加,蓖麻籽到达特定脱壳位置的时间延后;蓖麻籽到达破壳条件时的位移增加,运动速度先增大后减小。根据仿真结果,选取可调式蓖麻脱壳清选一体装置合理的工作参数区间,以脱壳滚筒转速、上脱壳滚筒出料口间隙、下脱壳滚筒出料口间隙为因素,以脱净率、破损率为指标,利用响应面分析法,对脱壳装置进行试验研究。经双目标优化,取滚筒转速为270r/min、上脱壳滚筒出料口间隙为13.54mm、下脱壳滚筒出料口间隙为5mm;经试验验证,此时脱壳装置工作性能最佳,脱净率为92.03%,破损率为3.1%。

固态发酵饲料自动发酵饲喂一体设备设计与试验141-147

摘要：针对固态发酵饲料在饲喂现场生产的需求和特点,设计了自动发酵饲喂一体设备。该设备由上料发酵系统、控制系统、饲喂系统构成:上料机构将饲料和菌液混合均匀送至发酵桶,发酵完成后自动下料至饲喂车;饲喂车能够准确定位到不同饲喂对象的食槽并进行定量布料;操作者只需在人机交互界面设置上料体积、发酵时长、饲喂对象等参数,整个发酵饲喂过程无需人工干预。饲喂系统由48V/100A·h的蓄电池供电,充电一次可连续工作4d。试验结果表明,发酵桶上料和饲喂车排料的料体积误差均不大于6%,饲喂车定位误差平均值11.75mm,发酵时间、饲喂对象等参数控制准确。设备运行稳定可靠,发酵和饲喂之间无缝对接,显著减小了劳动强度,满足发酵饲料现场固态发酵并饲喂的要求。

翼型最大拱度位置对轴流泵水力性能影响的模拟与试验148-154

摘要：为了研究翼型拱度对轴流泵水力性能的影响,采用数值模拟和模型试验的方法在参数化翼型的基础上,保持升力系数大体一致,改变翼型最大拱度的位置及高度设计得出对应轴流泵叶轮,分析翼型拱度对轴流泵水力特性的影响。在二维翼型最大拱度位置为0.3L~0.65L时采用翼型优化方法,保证翼型的升力系数基本一致,得到了不同最大翼型拱度位置下的翼型设计方案;针对0.4L、0.5L和0.6L共3种最大翼型拱度位置下的翼型设计方案,采用二维叶栅理论进行轴流泵叶轮设计。其余设计参数均保持不变,得到3副不同的轴流泵叶轮,将配套导叶、弯管、叶轮组合成泵段进行数值模拟计算。最后通过泵段模型试验验证了数值计算结果的可靠性。研究结果表明:为保证轴流泵具有较好的能量性能和汽蚀性能,最大翼型拱度最好选择在0.4L~0.6L的位置。当最大翼型拱度位置为0.5L时,水泵具有较宽的高效区运行范围,流量扬程曲线较为平顺。在小流量区域,最大翼型拱度位置靠近翼型前缘或尾缘时,效率均会下降;在大流量区域,最大翼型拱度位置越靠近翼型尾缘效率越高。随着最大拱度位置向翼型尾缘的偏移,水泵的汽蚀性能有一定的提高。在泵站工程应用时,可通过改变最大翼型拱度位置来满足泵站实际运行的能量性能和汽蚀性能要求。

农业机械学报杂志农业信息化工程

基于优化光谱指数的土壤有机质含量估算155-163

摘要：为了寻求估算土壤有机质含量的最佳光谱参数,实现土壤养分无损监测,使用ASD Field-Spec3型高光谱仪对野外采集的土壤样品进行室内光谱测定,并通过重铬酸钾氧化容量法测定土壤样品有机质质量比;利用两波段优化算法对构建的新算法(SOMCI/ND)进行波段优化,筛选基于不同光谱数据(原始光谱反射率及其对应的4种数学变换)运算下的最敏感波段组合,从而建立土壤有机质质量比高光谱估算模型.结果表明:通过归一化光谱指数(IND)和概念指数(ICI)比值构建的新算法(SOMCI/ND)优化后与土壤有机质质量比之间的相关性显著提高,在光谱原始数据及其平方根、倒数变换形式下,相关系数绝对值达到0.82,且敏感的组合波段集中在2 220 ~2 240 nm和2 160 ~2 195 nm.基于平方根波段优化的估算模型效果最佳,估算精度RP2为0.84,RMSEP为2.24 g/kg,RPD为2.89.对光谱数据的适当数学变换有利于优化光谱指数,更好地估算土壤有机质质量比,进一步实现土壤有机质质量比的高精度动态监测.