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农业机械学报 2018年第S1期杂志 文档列表

农业机械学报杂志农业装备与机械化工程

饲草推送机器人磁条导航自动充电研究1-7

摘要：为了实现牛场勤密饲喂,饲草推送机器人自动充电系统采用上置对接式,由充电桩、机器人充电控制部分组成。充电桩包含蓄电池充电器、充电电路和充电电极等;机器人充电控制部分包含控制器、行走驱动模块、电源监控模块、传感数据采集模块、继电器和充电电极等。在充电对接部位建立坐标系XYZ,根据电极长度、电极压缩行程、电极宽度,确定X、Y、Z轴的对接容错范围。根据半开放式牛场工作环境,在自动充电区域设置充电桩、磁条导航路径。饲草推送机器人在磁条导航过程中,通过磁导航传感器实时检测磁信号,获得磁导航偏差,采用模糊PID控制算法,得到左右轮速度控制量后,转换成对应电动机角速度值,控制器输出对应占空比的PWM信号控制电动机转速。结合磁导航传感器特性和试验,获得模糊控制器的输出参数调整规则。自动充电磁条导航试验结果表明:当磁导航偏差绝对值|e|为最大值时,比例系数调整值ΔKp最大值为1. 28,最小值为1. 03;积分系数调整值ΔKi最大值为0. 13,最小值为0. 06;微分系数调整值ΔKd最大值为-1. 18,最小值为-1. 5;通过模糊PID控制,PID控制器系数可进行自适应修正; X轴、Y轴和Z轴最大对接偏差绝对值分别是4. 1、1. 9、0. 7 cm,对接偏差均在容错范围之内。

基于定向摄像头的大拱棚运输车视觉导航研究8-13

摘要：针对大拱棚中运输车导航问题,提出了一种适用性更高的导航方法。为了规避叶间空隙对Hough直线变换精度造成的影响,使用道路尽头横向中心点作为导航信息标定点,搭建摄像头云台使得摄像头视轴始终与道路平行。使用色度法对作物与道路进行分割处理,通过面积筛选所得的轮廓点集,能够准确计算出道路尽头的横向中心点像素坐标,从而得到运输车的位姿信息。通过运动学建模对运输车进行了轨迹仿真,得到了运输车不同速度下对识别误差的动态响应。基于Raspberry Pi平台搭建了导航信息提取装置,在不同道路长度的拱棚中对比了本文方法与Hough变换法的识别精度,并使用不同类型摄像头进行了静态导航信息提取实验,同时在不同速度进行了运输车的直线行驶实验。静态实验表明,相比于传统Hough变换,该导航方法能够显著提高识别精度,使用长焦摄像头比普通摄像头识别精度平均提高了25. 7%,导航线平均识别偏差为2. 4 cm,检测速率为240 ms/f,具有较高的精度和实时性。行驶实验表明,该导航方法在不同速度下均能保证较小的稳态误差,能够满足生产要求。

作物行识别算法的虚拟试验方法14-22

摘要：针对作物行识别算法的传统开发过程对田间作物生长周期依赖性较强,错过适当的田间图像采集时期将直接导致算法开发周期延长等问题,提出一种基于虚拟场景的作物行识别算法测试方法,即在虚拟环境下模拟农田作物行场景和图像采集系统,运用虚拟作物行图像测试作物行的识别算法。该方法在虚拟现实环境下建立作物行场景模型;提出一种融合建模法,根据作物和杂草的几何特征建立对应的三维几何模型;根据实际田间作物的空间分布特征,建立株距、行距可调的田间作物行模型;以Vega Prime为视景仿真工具,通过配置投影模式、渲染模式、视点位姿和图像采集规格,构建图像采集系统,输出作物行场景图像。以苗期棉花作物行为建模对象,对一种经过田间试验验证的双目视觉作物行识别算法进行测试试验。对比实际棉田图像对应的试验结果,同一作物行识别算法的识别正确率、偏差角和图像处理时间均相近。结果表明,本文建立的虚拟棉田作物行与实际棉田作物行场景相近,能够用于作物行识别算法的测试。

基于CORS与UHF的农用GNSS差分信号中继方法23-28

摘要：为利用现有丰富的连续运行参考站(CORS)资源,给精准农业提供高精度、高可靠、高并发的差分信号,本文结合农业应用特点,利用GNSS误差的空间相关性,提出基于CORS和UHF电台的GNSS差分信号中继方案,解决测绘用CORS传输方式单一、并发性不足、使用成本较高以及单站RTK重复建设、频率干扰和基准不统一等问题。在北京市海淀区、顺义区和平谷区建立了3个基准站,组建了试验用CORS网,构建了基于PC、i80和智能手机(Phone)的3套中继试验系统,分别开展了定位性能综合验证、机组控制精度验证和应用推广原型验证。试验表明:在10 km范围内,中继定位的平面内、外符合精度分别优于0. 022 m和0. 033 m,基本满足农机作业定位要求;作业机组控制精度达到0. 066~0. 076 m,略高于0. 050 m的理论控制要求,由于机组为挂载农具空驶,该指标属可接受范围;智能手机中继传输的可靠性高、扩展性好。因此,利用智能手机和UHF电台,可快捷获取与转发CORS差分改正数,使10 km之内的流动站实现RTK级定位。该模式简单易用、成本低廉,有一定的应用推广价值。

基于信息融合的农业自主车辆障碍物检测方法29-34

摘要：针对单一传感器在智能车辆环境感知中的局限性,提出一种基于摄像机与激光雷达信息融合的农业自主车辆前方障碍物检测方法。对单目摄像机获取的图像进行基于Ft(Frequency-tuned)算法的显著性检测,并生成显著图。同时对激光雷达反射点进行基于数据关联性评估的聚类分析,确定障碍物数量、边界与位置等先验信息。然后以激光雷达坐标相对应的图像像素坐标为种子点,由种子点激活经过处理的显著图,基于受限区域生长实现障碍物区域分割。试验结果表明,基于Ft算法的图像显著性检测具有更好的边缘检测效果,基于种子点的受限区域生长法可以有效地进行障碍物分割。在机器视觉的基础上融入激光雷达数据,可以更好地排除非障碍物的干扰,实现了障碍物的完整检出。

多类农田障碍物卷积神经网络分类识别方法35-41

摘要：针对农田作业场景中可能会遭遇更大生命财产损失的人和其他农业车辆等动态障碍物,提出了一种基于卷积神经网络的农业自主车辆多种类障碍物分类识别方法。搭建了包括1个输入层、2个卷积层、2个池化层、1个全连接层和1个输出层的卷积神经网络识别模型;建立了人和农业车辆的障碍物数据库,其中包括训练集和检测集;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3×3卷积核的卷积操作和2×2池化操作后,通过自动学习获取并确定网络模型参数,得到最佳网络模型。试验结果表明,障碍物的检测准确率可达94. 2%,实现了较好的识别效果。

高留茬玉米秸秆复式割台粉碎还田装置设计与试验42-49

摘要：为了在玉米摘穗的同时,将秸秆上半部分回收作饲料,下半部分实现高质量粉碎还田,在4YZQ-2B1型穗茎兼收玉米收获机割台的下方增加了锯盘式玉米秸秆粉碎装置,通过对圆锯片运动及切割机理等的分析,利用ADAMS对此复式割台进行了参数优化和运动分析,并在Pro/Mechanica中,对锯盘刀轴进行了有限元模态分析,得到其固有频率。确定采用平面锯身整体式横截圆锯片,直径为180~380 mm,厚度分为1. 2、1. 5、2 mm 3种,锯片间距为50 mm,齿形为等腰三角斜磨齿,齿高为7. 5 mm,两刀辊中心距为760 mm。高留茬玉米复式割台田间试验结果显示,当机组的作业速度为2 m/s,刀辊转速为850 r/min时,秸秆粉碎长度合格率为92. 14%,留茬高度平均值为52. 18 mm,均满足秸秆还田机作业标准,能够对玉米秸秆离地粉碎,减轻了刀具的磨损、提高了玉米秸秆还田质量。

秸秆深埋还田仿生开沟装置优化与试验50-59

摘要：为解决秸秆深埋还田工作中开沟深度不够、深埋率低、开沟阻力大等问题,对自行研制的气力式秸秆深埋还田机的开沟装置进行了优化设计。提出一种仿螳螂前端足曲线的秸秆开沟刀参数优化设计,利用阿基米德等进螺线设计的侧切刃具有滑切能力,可切割土壤完成开沟作业。利用Matlab对螳螂前端足进行二值化、膨胀、边缘坐标处理得到仿生开沟刀,使用离散元软件EDEM对设计出的仿生开沟刀和普通开沟刀进行仿真对比,并对仿真结果进行土槽试验验证。试验分析结果表明,相比于普通开沟刀,仿真开沟刀在开沟过程中可减少9. 48%的阻力。利用Design-Expert 8. 0软件的二次正交旋转组合试验设计结合响应面法,分别建立秸秆深埋率和工作效率与机具前进速度、秸秆深埋深度和秸秆覆盖量的回归数学模型。通过分析表明,各因素对秸秆深埋率的影响由大到小依次为:秸秆覆盖量、秸秆深埋深度、机具前进速度;各因素对工作效率的影响由大到小依次为:机具前进速度、秸秆深埋深度、秸秆覆盖量;交互作用中,秸秆深埋深度和秸秆覆盖量、机具前进速度与秸秆覆盖量对工作效率影响显著。经过优化求解,在深埋率权重为0. 7、工作效率权重为0. 3的情况下得到开沟装置最佳工作参数,在机具前进速度为1. 63 m/s、秸秆深埋深度为27. 97 cm、秸秆覆盖量为340. 54 kg/hm2时,秸秆深埋率为90. 491%,工作效率为5. 4 hm2/h。

秸秆还田方式对种床土壤物理性质和小麦生长的影响60-67

摘要：华北平原一年两熟区粮食产量高、秸秆量大,玉米收获后播种小麦时需要对秸秆进行适宜的处理。为解决此问题,本文于2016—2018年在河北涿州试验站开展田间定位试验,研究了不同玉米秸秆还田与种床位置关系对种床土壤含水率、地温、水稳性团聚体含量、冬小麦出苗率及产量的影响。试验共设置4个处理:秸秆混埋(SM)、少量秸秆混埋(HSM)、秸秆覆盖(SC)和秸秆不还田(CK)。试验结果表明,相较于秸秆不还田对照组CK,秸秆还田可以提高0~30 cm种床土壤含水率,效果由大到小依次为:SC、HSM、SM;显著增加水稳性大团聚体(> 0. 25 mm)含量,SM、HSM、SC分别提高6. 3、4. 9、4. 8个百分点;对地温变化呈现出'缓解效应',其效果从大到小依次为SC、SM、HSM,导致越冬期土壤回暖变慢;增加冬小麦出苗率,HSM、SC、SM平均增加40. 1%、34. 1%、14. 8%,且HSM在第1年显著高于SM;提高产量,SC、HSM、SM平均增产17. 2%、10. 9%、2. 9%,且第1年SM产量显著低于SC。本研究结果表明,秸秆还田对地温有负面影响,但可以增加土壤水分,改善土壤结构,因此最终提高了小麦产量; 3种秸秆还田处理中,由于秸秆混埋(SM)使土壤含水率、出苗率、产量均最低,且对地温影响较大,因此优先推荐秸秆覆盖(SC)和少量秸秆混埋(HSM)。

东北稻区不同秸秆还田模式机具作业效果研究68-74

摘要：水稻秸秆还田是培肥地力、增产增效的重要方式。东北稻区存在秸秆量大、收获时秸秆含水率低、切碎抛撒难等问题,既影响秸秆还田质量,又进一步影响后期耕整地和插秧作业质量,亟需研究适用于东北稻区的机械化秸秆还田模式,改善秸秆还田和耕整地作业质量,支撑水稻秸秆还田技术的应用。本研究在黑龙江省七星农场开展机械化秸秆还田试验,共设4种模式,即:对照CK(秸秆不还田,秋翻+春搅浆)、还田处理1(秸秆还田,秋翻+春搅浆)、还田处理2(秸秆还田,秋翻、秋旋+春平地)、还田处理3(秸秆还田,秋旋埋+春平地)。试验选取不同模式各作业环节的配套机具,并监测不同模式的秸秆还田和耕整地机具作业效果。2年的试验检测表明,3种秸秆还田模式均能实现秸秆全量还田,并满足水稻插秧前的地表作业要求,能够保证正常的插秧作业和水稻返青。其中,还田处理3的综合还田效果相对最优,能实现较好的地表平整度、泥浆度和植被覆盖率;还田处理2与还田处理1相比,增加秋季旋耕作业,春季改用无动力平地作业,2年的数据尚未显示能显著改善插秧前地表状况。

机械移栽黄瓜穴盘苗育苗品质评价与试验75-82

摘要：为了得到兼顾生长质量和机械移栽性能的黄瓜穴盘苗,以育苗基质配比(草炭∶珍珠岩∶蛭石混合体积比为2∶1∶1、3∶1∶1和4∶1∶1)、基质压实度(基质与穴孔的体积比为1. 0、1. 2和1. 4)和营养液浓度(营养液电导率为1. 0、1. 2、1. 4 m S/cm)为因素开展正交试验。进行压缩和拉拔试验,测量黄瓜穴盘苗的抗压力和脱盘力;计算黄瓜穴盘苗的壮苗指数;利用X射线μCT扫描仪对苗钵进行检测和根系三维重构,在垂直方向用根系分布密度最小和最大值的比值表达根系均匀程度,水平方向上用根系分布密度表达根系包裹苗钵的紧密程度。通过方差分析可知各因素对试验指标有不同程度的影响。以苗钵的抗压力、脱盘力、壮苗指数、根系均匀系数和根系分布密度为优化目标,用综合评分法得出当育苗基质配比为3∶1∶1、基质压实度为1. 2、营养液电导率为1. 2 m S/cm时,育苗品质最优。在取苗频率为43、48、53株/min时进行取苗试验,结果表明,在该组因素组合条件下,苗钵破损率分别为3. 6%、3. 9%和4. 3%,取苗成功率为97. 2%、96. 1%和94. 8%,优于其它因素组合的试验结果,与综合评分方法优选的结果一致。

蔬菜育苗播种机清种装置设计与试验83-91

摘要：为了解决蔬菜穴盘育苗精密播种机播种非球形种子重播率较高的问题,设计了一种清种装置,并通过对清种装置内流场仿真模拟优化了清种装置结构参数。对吸种阶段种子受力及运动状态进行分析,得到非球形种子在重播时,吸嘴通常会吸附两粒种子,其中一粒种子受主要吸力,另一粒种子受次要吸力。以茄子种子为播种对象,采用二次旋转正交组合试验方法,对播种机进行播种性能试验研究。通过方差分析,得到各因素对重播率的影响由大到小为:吸种气压、清种气压、振动频率,对空穴率的影响由大到小为:清种气压、吸种气压、振动频率,对合格率的影响由大到小为:吸种气压、清种气压、振动频率。建立了吸种气压、清种气压、振动频率3个主要因素与重播率、空穴率和合格率的数学模型。分析了吸种气压、清种气压、振动频率对重播率、空穴率、合格率的影响规律,并进行了参数优化与验证试验。得到了最优参数组合,即吸种气压为15. 7 k Pa,清种气压为3. 3 k Pa,振动频率为50 Hz时,重播率为1. 26%,空穴率为1. 75%,合格率为96. 99%。在相同试验条件下进行试验验证,得到重播率为1. 4%,空穴率为1. 7%,合格率为96. 9%。

基于DEM-CFD耦合的文丘里供种管供种均匀性仿真与试验92-100

摘要：为研究影响文丘里供种管供种均匀性的机理,运用DEM-CFD耦合仿真方法分析了不同喷嘴口收缩角下,流体场、耦合场、颗粒场的变化规律,得出收缩角为70°时,流场场压变化明显,作用范围合理,耦合场未出现籽粒堆积现象以及颗粒场吹出种子连续均匀速度一致。为探索种子喂入量与气吹风压对文丘里供种管供种均匀性的影响,进行了正交试验,以供种量变异系数为试验指标衡量供种均匀性。由试验结果极差分析得出,影响均匀性的主次因素为种子喂入量、气吹风压。方差分析得出,种子喂入量为极显著因素,气吹风压为显著因素,两者交互项为不显著因素。试验结果表明,在种子喂入量为1. 8 kg/min,气吹风压为7 k Pa时均匀性最佳。在排种器转速为136 r/min情况下对上述组合进行排种性能试验验证,得出合格指数为92. 18%,漏播指数为0,重播指数7. 82%,结果表明此种组合下文丘里供种管供种均匀稳定,与理论优化结果基本一致。

苔麸播种机气流输送式排种系统设计与试验101-107

摘要：设计了一种苔麸播种机气流输送式排种系统,该系统主要由排种器、风送输种管、分配器和风机等关键部件组成。对排种器、风送输种管和分配器进行理论分析与设计,得到关键参数模型和理论值,完成风机选型,搭建了气流输送式排种系统试验平台。采用二次回归通用旋转组合设计试验,以风送输种管进口风速和播种量为影响因素,以总排种量稳定性变异系数和各行排种量一致性变异系数为响应指标,对气流输送式排种系统进行台架试验,运用Design-Expert软件对试验数据进行方差分析、响应面分析,得到最优工作参数组合:风速25. 42 m/s,播种量15 kg/hm2。最优参数组合试验结果表明,各行排种量一致性变异系数4. 96%,总排种量稳定性变系数0. 98%,试验值与理论优化值相对误差小于4. 2%,种子破损率0. 12%,排种均匀性变异系数20. 4%,满足标准和农艺要求。

勺夹式蚕豆精量排种器设计与试验108-116

摘要：为提高蚕豆机械化播种质量,解决蚕豆精量播种难题,结合勺轮式排种器和指夹式排种器的优点,设计了一种勺夹式蚕豆精量排种器。根据蚕豆种子物理特性,分析确定了种盘工作区域范围、弧形滑道结构参数、种夹机构参数以及托种板关键参数。以种夹长度、种夹宽度和弯折角为试验因素进行了3因素3水平正交试验,通过试验确定了种夹较优参数组合为种夹长度15. 5 mm,种夹宽度10 mm,弯折角35°,在较优参数组合下本排种器的株距合格指数为95. 11%、漏播指数为1. 61%、重播指数为3. 28%,满足设计要求,为蚕豆精量排种器的设计提供理论指导。

重力辅助充种盘室同步气吸式排种器性能分析117-124

摘要：为探究重力辅助对盘室同步气吸式精量排种器充种性能的影响,以盘室同步气吸式精量排种器为载体,对其充种过程进行了受力分析,建立了重力辅助充种受力数学模型,结果表明:型孔充填过程中,待充种子重力在排种盘径向的分量与气流曳力方向一致;已充种子脱离种群过程中,种子重力沿径向分量与压力梯度力方向一致,种子重力对充种有辅助作用。运用EDEM(Engineering discrete element method)软件仿真分析了300、600、900、1 200粒种群数量条件下,待充种子对排种盘平均法向力随低、中、高3种不同充种区域变化的影响,仿真结果表明:种群数量300粒时,各区域平均法向力随区域位置的变化不明显,种群数量为600、900、1 200粒时,平均法向力随区域位置的变化规律一致,此时种群数量对充种效果影响可忽略。对仿真结果进行试验验证的结果表明,盘室同步气吸式精量排种器台架试验3个区域漏充率由大到小为:低位、中位、高位。通过盘室同步气吸式精量排种器重力辅助充种和无重力辅助充种对比试验表明:重力辅助充种下,排种器作业风压3~5. 5 k Pa时,合格指数均高于94%;无重力辅助充种情况下,排种器作业风压6 k Pa才开始满足国标需要,重力辅助充种显著降低了排种器作业风压需求,提高了作业质量。

气力集排式水稻排种系统播量控制模型研究125-131

摘要：水稻排种器播量调整多采用排种槽有效长度调节或排种轮与机具前进速比调节,播量调整精度有限。为了提高气力集排式排种系统播量调节精度,针对生产中常用的4种不同含水率稻种状态,以种层高度、排种轮转速为试验因素,以排种轮单圈排量为试验指标开展试验研究,分析各作业过程中的动态变化参数对排种轮单圈排量的影响规律。试验表明:不同稻种状态下单圈排量均随着排种轮转速的升高而降低,当种层高度一定时,二者成反比关系;单圈排量随种层高度的升高呈先增大后减小的趋势变化,不同稻种状态下的单圈排量最大值出现在种层高度为25. 35~31. 55 cm处; 4种不同稻种状态下,单圈排量由大到小依次是干稻种、晾干2 d、晾干1 d、湿稻种,单圈排量随种子含水率的升高而降低。通过二元回归分析拟合出4种常见稻种状态下单圈排量与种层高度、排种轮转速的回归模型,并构建了基于排种轮转速调控的播量控制模型。在室内搭建了控制系统试验平台对播量控制模型进行了验证试验,试验显示构建的播量控制模型平均误差2. 07%,实际播量变异系数为2. 59%,验证结果与播量控制模型基本一致。本文建立了多因素影响下的水稻播量控制模型,明确了种层高度、排种轮转速、稻种含水率对单圈排量的影响规律,可为水稻直播机播量控制系统设计与优化提供借鉴。

玉米少免耕播种机种带灭茬清理装置设计与试验132-140

摘要：针对东北一年一熟玉米种植区秸秆覆盖还田条件下,少免耕播种玉米时条带旋耕作业后土秆混杂严重、种带清洁度低导致的晾籽率高、播种质量差等问题,设计了一种适用于秸秆覆盖条件下玉米少免耕播种机的种带灭茬清理装置。为达到最佳的清理效果,对灭茬刀的侧切刃长度进行分析,计算了种带清理弯刀的侧切刃曲线及受力,并利用EDEM软件进行单因素仿真,确定了最优弯折角为150°;分析比较了2种装置作业后的种带清洁度及土壤扰动量,结果表明,种带灭茬清理装置作业后种带清洁度均值为86. 59%,比传统条带灭茬装置提高了26. 89%,土壤扰动比减少了2/3,平均扭矩降低了33. 19%;试验与仿真结果基本一致,验证了仿真的可靠性。为研究各因素对种带灭茬清理装置作业性能的影响,设计了三因素三水平正交试验,得出对种带清洁度产生显著影响的因素为前进速度及秸秆覆盖量,对土壤扰动量产生显著影响的因素为前进速度及入土深度。田间试验表明,该装置在秸秆覆盖量为0. 4~1. 4 kg/m2时,机具通过性良好,各组试验种带清洁度均在80%以上,土壤扰动比较低,符合设计要求。