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农业机械学报 2019年第01期杂志 文档列表

农业机械学报杂志特约专稿

土地整治遥感监测研究进展分析1-22

摘要：通过回顾国内外土地整治概念及内容的发展历程,总结了新时期土地整治的基本内涵和工作需求。通过分析遥感在土地整治工作中的广泛应用,梳理了土地整治遥感监测的发展脉络,归纳了土地整治遥感监测的关键技术及其研究现状,进而给出了土地整治遥感监测相关技术及应用的发展趋势。分别从土地资源调查与保护、土地复垦与生态修复、农用地整治、宜农未利用地开发、建设用地整治及生态化土地整治等不同土地整治类型和潜力测算与风险评估、规划设计、施工监管及验收评价等土地整治项目过程等角度,对多年来遥感技术在土地整治工作中的应用情况进行了系统阐述,最后在总结技术优势与局限的基础上,提出了未来的攻关难点和发展方向,为土地整治遥感监测工作的开展提供科学参考。

农业机械学报杂志农业装备与机械化工程

基于混合蛙跳优化的采摘机器人相机标定方法23-34

摘要：针对采摘机器人领域传统的张正友相机标定方法存在对相机模型参数初值敏感和标定结果不稳定等问题,提出一种基于改进混合蛙跳和LM算法的相机标定方法。该方法把相机标定划分为两步:①以混合蛙跳优化为工具,求出相机模型参数的初始值,避免传统张正友相机标定方法直接求取相机模型的参数初值所带来的初值敏感问题。②以改进LM算法对第1步求出的相机模型参数初值进行非线性优化求精,避免张正友相机标定方法须求取相机模型优化参数的雅可比矩阵,从而导致标定结果不稳定的问题。采用OpenCV编写采摘机器人双目视觉标定系统,分别对传统张正友相机标定方法、基于遗传算法的相机标定方法、基于标准混合蛙跳算法的相机标定方法和本文相机标定方法进行相机标定试验。试验结果表明:本文相机标定方法所获得的左相机焦距的绝对误差为0.065~0.506mm、相对误差为1.899%~12.652%,平面靶标图像特征点的平均像素误差为0.166~0.175像素;右相机焦距的绝对误差为0.083~0.360mm、相对误差为2.429%~11.484%,平面靶标图像特征点的平均像素误差为0.103~0.114像素;双目相机之间距离的绝对误差为1.866~2.789mm、相对误差为3.209%~4.874%。以上参数精度及收敛速度和稳定性均优于其他相机标定方法,从而验证了该方法所获得的相机标定参数具有较高的准确性和可靠性。

玉米籽粒激光切片定位技术35-41

摘要：玉米籽粒形态各异、尺寸不一,精确定向和定位玉米籽粒的激光切片是实现高通量全自动玉米分子育种基因型分析的关键。应用机器视觉技术从玉米籽粒图像中准确识别玉米籽粒的特征区,以期实现上述操作。为描述像素所在空间的相关信息,设计一种相关面积占比滤波器。定义圆形掩模模板,根据单玉米籽粒的面积,确定模板尺寸。利用圆形模板筛选像素点数据,得到待分类数据集合。通过指定初始聚类中心,对数据执行二分均值聚类,得到尖端类和两个大端外凸角类的聚类中心。通过贴标签运算精选连通域,校正聚类中心的位置,生成尖端和大端外角特征区的精确标记。依据大端外凸角附近的两组插值点对,得到激光切割线的位置,利用尖端类定位点和玉米籽粒形心定位点确定玉米籽粒的夹持位姿。与SUSAN检测方法对比,表明了本文方法的有效性。

基于改进K-means图像分割算法的细叶作物覆盖度提取42-50

摘要：植被覆盖度是重要的农学指标,图像法作为一种方便、快捷、准确度较高的地面测量方法,在该领域得到了广泛应用。图像背景分割是获取植被覆盖度最关键的步骤,已有分割算法的分割对象局限于大叶植物或者长势较为稀疏的作物,针对细叶作物的研究较少,或者未根据分割结果得出更有价值的规律。本文以小麦为例,提出了基于HSV空间的自适应果蝇均值聚类算法(IFOAK-means),用来分割图像背景,以此作为获取覆盖度变化的理论基础。采用小波分析按比例去噪算法单独对亮度分量去噪,主体分割算法采用自适应步长果蝇算法(IFOA)改进的K-means算法对小麦图像进行背景分割,综合了自适应果蝇算法的全局最优和K-means算法的局部最优特点,使分割效果达到最优。其分割效果优于基于遗传算法的最大类间方差分割法,较好地去除了滴灌带等较明显干扰因素,与传统的K-means算法相比,运行时间和峰值信噪比指标都较优,小麦覆盖度准确率在90%以上,与作物系数之间的决定系数为0.9531。

基于eCognition软件的显微图像叶脉网络提取与优化51-57

摘要：叶脉网络的提取及其性状参数的测算,可为植物叶脉生态学机理研究提供重要参考。以不同叶特性的6类树种(国槐、毛白杨、臭椿、洋白蜡、元宝枫和栾树)叶片为对象,基于eCognition软件对叶脉显微图像进行多尺度分割,综合利用显微图像的光谱信息和几何信息构建提取知识库,并使用叶脉循环生长法对提取结果进行完善,增加叶脉网络的完整性。结果表明,叶脉提取的最优阈值分别为:尺度参数200,形状参数0.7,紧凑度参数0.3,亮度特征值230~280,光谱特征值180~230,几何特征值大于1.5。叶脉密度测算的精度均达到了93%以上,对植物叶脉信息的快速提取具有较高的普适性。

基于Kinect相机的猪体理想姿态检测与体尺测量58-65

摘要：为提高基于机器视觉的猪体体尺测量研究中的图像利用率和体尺测量效率,以长白猪和大白猪为研究对象,基于Kinect相机获取的猪体视频数据,提出了一种猪体理想姿态检测算法。该算法利用最小外接矩形法调整猪体为水平方向;利用投影法和差分法识别头部和尾部位置,通过头部边界标记法判断是否耳部缺失;利用骨骼化算法结合霍夫变换算法检测猪体头部是否歪斜。在此基础上,设计了猪体体尺测量算法。针对养殖场获取的103组视频数据、俯视和侧视各52016帧图像,进行了理想姿态检测及体尺测量。结果表明,检测出理想姿态2592帧、漏报432帧、误报0帧,误报率较低;每帧图像的体长偏差与本组体长均值小于2.3%,组内理想姿态帧之间差异较小,一致性较好;体宽测量的平均精确度为95.5%,体高测量的平均精确度为96.3%,体长测量的平均精确度为97.3%,测量的平均准确度较高。本研究成果应用于基于机器视觉的猪体体尺测量,可提高图像利用率和体尺测量效率。

小麦精量播种机排种高精度检测系统设计与试验66-74

摘要：为实现小麦精量播种机播种量的精准检测,基于电容传感器设计了一套高精度小麦种子粒数检测系统。研究了小麦种子以单粒形式下落和多粒同时下落两种方式下的电容与小麦种子数目之间的关系。对于小麦种子以单粒形式下落,提出用差分动态阈值法检测小麦种子数目,试验表明检测的最大相对误差为1.54%;对于多粒小麦种子同时下落,排种轮转速从20r/min到55r/min,每增加5r/min,分别建立小麦种子数目与电容积分值之间的最小二乘回归模型。试验结果表明,根据实际转速和速度最近原则选择相应的回归模型,该系统对不同的排种转速均具有较高的检测精度,相对误差介于-2.16%~2.23%之间。对于小麦精量播种机不同的排种模式或不同的排种速度,所设计的排种检测系统均有较高的检测精度。

宽苗带勾型窝眼轮式小麦精量排种器设计与试验75-84

摘要：为解决宽苗带小麦精密播种排种器排种均匀性差的难题,结合小麦精量排种技术提出一种勾型窝眼轮式宽苗带小麦精量排种器,使种子行内分布均匀,行间种子不散乱。对关键参数进行了设计和理论分析,通过EDEM离散元软件完成了种层厚度调节板水平距离、窝眼布置形式、窝眼个数、窝眼倾角、种箱底板倾角对充种性能影响的单因素试验。在此基础上以勾型窝眼轮转速、种层厚度调节板垂直高度和窝眼长度为试验因素进行了多元二次回归旋转正交组合试验并应用Design-Expert8.0.6软件对试验数据进行分析,得到回归模型和因素对指标影响关系,确定了影响单粒率重要性大小依次为窝眼长度、种层厚度调节板垂直高度和排种轮转速,排种轮转速与窝眼长度间交互作用不可忽视;影响合格率重要性由大到小依次为种层厚度调节板垂直高度、排种轮转速和窝眼长度。基于回归模型进行多目标参数优化,结果表明:排种轮转速为23.05r/min、窝眼长度为7.00mm、种层厚度调节板垂直高度为25.00mm时,合格率为98.59%。对该优化参数组合下的排种器进行充种性能和排种性能台架试验,结果表明:充种合格率为98.01%,试验验证结果与仿真优化结果相吻合,验证了仿真优化结果的可靠性,此时排种器4行间充种合格率变异系数仅为1.20%,宽苗带各行间变异系数较小;排种合格率为90.03%,行间排种合格率变异系数为1.50%,行内均匀性变异系数达到16.54%,排种性能明显优于常用外槽轮排种器。

三七压穴精密排种装置设计与试验85-95

摘要：三七播种株行距均为5cm左右,属于密集精密播种,为实现三七高密度精密播种,克服开沟易堵塞的难题,设计了一种三七压穴精密排种装置。阐述了三七压穴精密排种装置的工作原理,确定了其主要结构参数,以云南省文山市三七种子为研究对象,采用二次旋转正交组合试验方法,对排种装置进行排种性能试验,选取压穴柱直径、前进速度、投种点到压穴点水平距离为试验因素,建立了合格指数、漏播指数、重播指数、各行排量一致性变异系数的数学模型,分析了各试验因素交互作用对合格指数的影响规律。结果表明,影响合格指数的因素主次顺序为:压穴柱直径、投种点到压穴点水平距离和前进速度。通过参数优化,确定了最优参数为压穴柱直径24.5~29.5mm、投种点到压穴点水平距离330mm、前进速度0.44~0.61m/s,此时合格指数大于90%,漏播指数小于5%,重播指数小于5%。经2BQ15型三七精密播种机整机试验可知,作业速度为0.35m/s时,播种机合格指数最高为93.5%,满足三七播种要求。

三角链半杯勺式丘陵山区马铃薯精密播种机设计与试验96-104

摘要：针对中国丘陵山区地形复杂、马铃薯机械化水平偏低、种植规模较小等问题,设计了一种可实现施肥、播种、开沟起垄、整形镇压一体化作业的三角链半杯勺式马铃薯精密播种机。将传统的链勺式马铃薯播种机的“上下”2个链轮的传动改为3个链轮的“三角形排列”的传动模式,增加了水平清种区,依靠重力清种,减少种薯的损伤,以及实现单粒精播的要求;将勺式取种装置改为半杯状取种装置,有效增加了取种数量,提高了取种的可靠性;通过分析计算确定了排肥系统、靴式开沟器、排种系统的工作参数,对于丘陵山区土地粘性大造成的起垄高度低、起垄不平整等问题,设计了一套开沟起垄、整形镇压装置。田间试验结果表明,当作业速度1.9~2.0km/h时,粒距合格指数83.26%,重播指数8.36%,漏播指数8.38%,变异系数22.31%,垄高、垄底宽、垄面宽和垄距的稳定系数均在97%以上,性能指标符合国家标准要求。

探入式番茄钵苗移栽机构设计与试验105-112

摘要：为了避免移栽机构在夹取秧苗过程中对秧苗茎秆造成损伤,针对夹取土钵的取苗方式,提出了一种探入式番茄钵苗移栽机构。依据结构特性和工作原理,建立了机构运动学理论模型,根据设定的优化目标开发了移栽机构优化设计软件,通过优化得到一组符合番茄钵苗移栽要求的结构参数。对栽植臂绝对转角和移栽机构绝对运动轨迹进行分析,验证了机构的合理性和可行性。建立了探入式番茄钵苗移栽机构的三维模型并虚拟仿真,对物理样机进行了高速摄影试验验证,通过对移栽机构实际工作轨迹与理论及仿真轨迹进行对比分析,验证了机构设计的正确性。对机构进行性能台架试验,取苗成功率为92.8%,移栽成功率为89.7%,栽植合格率为86.4%,栽植优良率为59.4%,符合移栽要求,验证了机构的实用性。

三臂回转式蔬菜钵苗取苗机构设计与试验113-121

摘要：当前我国蔬菜的移栽机械主要为半自动移栽机,其移栽效率取决于人工取苗速度,生产力已不能满足实际需求,两臂回转式自动取苗机构的效率还有提高潜力。为实现高速取苗作业,研究了保持取苗机构回转速度不变情况下,增加取苗臂数量的实现方式。在满足特定取苗动作姿态的前提下,设计了一种三臂回转式蔬菜钵苗取苗机构。以机械取苗代替人工取苗,模拟出了合理的取苗轨迹;基于Visual Basic 6.0开发辅助分析软件,通过人机交互方式得出一组满足取苗工作要求的机构参数,然后建立该机构的三维模型,完成实体样机装配;取苗机构在35r/min的回转速度下,取苗速度为105株/(min·行),摄像分析得知,该机构样机运行轨迹与仿真轨迹非常接近,对彩叶草钵苗进行取苗试验,取苗成功率达到91.2%,证明三臂回转式蔬菜钵苗取苗机构设计的可行性。

无人驾驶喷雾机电控系统设计与试验122-128

摘要：针对黄淮海地区实行秸秆全量还田模式下的麦玉轮作、麦豆轮作等,使得田间秸秆覆盖量较大,虽有效改善了土壤理化环境,却造成田间地表病虫害加重。为有效解决该问题,并提高作业效率,以自主设计的四轮驱动底盘为研究对象,设计了一种以电能为纯动力的无人驾驶喷雾机电控系统。该系统以STM32F103ZGT6微处理器为控制核心,基于模块化思想分别对喷雾机动力系统、网络通讯系统、转向系统和喷雾系统进行设计,实现远距离遥控精确行走和智能喷雾。性能试验结果表明:行驶速度为2~4km/h时,低速转向的外轮转角小于等于23°,转弯半径大于等于1.45m,转弯路径无偏移现象,转向可靠;直线行驶50m的平均偏移量为2.42m,单位距离平均偏移率4.84cm/m,偏移率较小;行驶速度为10km/h整备状态下的喷雾爬坡度不大于25°;大田内试验时,在蓄电量充足情况下,行驶速度2~10km/h时,最大续航时间不小于5.50h;在最大续航工作时间内,网络通信掉线次数小于等于1次,通信可靠性较好;遥控距离为0~500m时,车速调节控制、转向调节控制以及药液电磁阀控制响应时间均小于0.4s。

基于多段分离工艺的马铃薯联合收获机设计与试验129-140

摘要：针对马铃薯分段收获人工捡拾工作量大、劳动强度高、收获效率低等问题,在适应种植模式和农艺要求的基础上,设计了一种基于多段分离工艺的马铃薯联合收获机,该机可同时完成双垄双行马铃薯的挖掘、薯土分离、清土除杂和集薯输送等任务。收获机在拖拉机的牵引作用下进行收获作业,其关键零部件包括松土限深调控装置、切土切蔓装置、挖掘装置、摆抖式薯土分离装置、过渡分离装置、清土除杂装置和集薯输送装置等。该收获机采用多段分离工艺,可有效提高薯土分离效率,显著降低含杂率,降低劳动强度。田间试验表明:作业速度分别为3.17km/h和4.16km/h时,样机的损失率分别为1.64%和1.59%,伤薯率分别为1.72%和1.48%,破皮率分别为2.31%和1.92%,生产率分别为0.41hm^2/h和0.54hm^2/h,各项性能指标均达到了作业标准。基于碰撞检测技术获取了收获过程中薯块的动态碰撞信息,在对碰撞特征和薯土混合物运动特点进行分析的基础上,明确了联合收获机易产生较大碰撞加速度的关键位置为:分离筛Ⅰ与分离筛Ⅱ交接处及集薯输送装置的落料端,降低分离筛Ⅰ和分离筛Ⅱ之间的高度差、改善集薯装置末端的缓冲效果,是降低伤薯率和破皮率的有效措施。

高地隙自走式喷雾机多轮转向系统设计与试验141-151

摘要：大型高地隙自走式喷雾机在田间作业过程中,由于整车地隙高、质量以及体积较大,导致换行及转场作业困难,影响作业效率。为提高喷雾机的机动性能和作业效率,设计了一套全液压多轮转向系统,并提出了基于PID控制方法的四轮转向系统控制方法。在建立全液压转向系统数学模型的基础上,应用Matlab/Simulink进行了转向系统仿真分析。仿真结果表明:四轮转向过程中后轮转角对前轮转角的跟随存在0.04s的滞后,最大转角跟随误差为2.82°,误差在阿克曼转向理论允许范围之内,满足转向要求。基于研发的3WPG3000型大型高地隙自走式喷雾机,搭建了多轮转向系统实车试验平台,进行了后轮对前轮转向角的跟随控制试验,试验结果表明:在田间随机转向试验过程中,最大转角跟随误差为2.60°,满足四轮转向要求,验证了所设计的多轮转向系统的响应性、准确性和稳定性。

振刷式枸杞采收机设计与试验优化152-161

摘要：为了实现枸杞机械采收的高效、低损,融合振动和梳刷原理,设计了一种便携振刷式枸杞采收机,同时,根据枸杞鲜果与果柄脱离机理,采用单个集中质量力学模型,建立了采收机动力学模型,得到了采收机作用于枸杞鲜果的接触点位移、速度和加速度方程。运用ADAMS对采收机进行了运动学与动力学仿真,仿真结果表明:梳刷转速60~70 r/min、凸轮转速25~35 r/min、梳刷样式Ⅱ型时,熟果可以从果柄上脱离且不受损伤。采用三因素三水平二次正交旋转组合试验,建立了熟果采收率、青果错采率、熟果破损率与梳刷转速、凸轮转速、梳刷样式之间的数学模型,分析了各因素对熟果采收率、青果错采率、熟果破损率的影响,确定了最佳参数组合:梳刷转速64.52 r/min、凸轮转速29.68 r/min、梳刷样式Ⅱ型,并进行了田间试验验证。田间试验表明,熟果采收率为89.12%,青果错采率为5.87%,熟果破损率为6.24%。

水培生菜整株低损收获装置设计与试验162-169

摘要：为解决水培生菜收获品质低、人工收获劳动力成本高等问题,设计了一种整株低损收获装置。通过夹持杆对菜叶的低损聚拢、割刀对生菜茎部的精准切割,实现单株水培生菜的整株低损收获。设计了各关键部件结构参数,分析了影响菜叶损伤的因素,利用图像处理方法测量了菜叶损伤面积;采用正交试验,研究了聚拢速度、聚拢角、聚拢高度、压菜速度对菜叶损伤面积的影响;通过力学分析和高速摄影,分析了聚拢角、聚拢高度对菜叶损伤面积的影响。正交试验结果显示:试验因素的显著性主次顺序为聚拢角、聚拢高度、压菜速度、聚拢速度;最优组合参数为聚拢速度100mm/s、聚拢角15°、聚拢高度70mm、压菜速度100mm/s。验证试验表明:最优组合下生菜均为整株收获,菜叶损伤面积平均值为432mm^2,损伤程度平均值为0.13%,优化效果明显。

农业机械学报杂志农业信息化工程

基于高光谱反演的复垦区土壤重金属含量经验模型优选170-179

摘要：以工矿复垦区为实验区域,基于ASD FieldSpec 4高光谱遥感数据,结合实测的土壤重金属含量,利用回归分析与特征选择方法,开展了基于高光谱数据的土壤重金属含量反演研究与实验并进行了经验模型优选。通过对光谱曲线进行一阶微分、对数一阶微分以及对数倒数的一阶微分等数学变换有效提高了光谱数据与土壤重金属含量的相关性。在此基础上采用偏最小二乘回归(Partial least squares regression, PLSR)、随机森林回归(Random forest regression, RFR)、支持向量机回归(Support vector machine regression, SVMR)3种回归分析模型开展土壤重金属含量反演实验,结果表明偏最小二乘回归(PLSR)对研究区内土壤中重金属含量的反演最为有效,尤其对区域内主要障碍因子镉(Cd)元素含量的反演效果最佳,验证集决定系数 R 2 为0.76。基于粒子群算法(Particle swarm optimization, PSO)、遗传算法(Genetic algorithm, GA)、Relief F算法 3种特征选择方法对偏最小二乘回归(PLSR)模型进行优化,结果表明粒子群算法(PSO)可有效降低特征波段变量维度,进一步提高模型反演精度,使决定系数 R 2 由0.76提高至0.84。综上,基于高光谱数据,采用偏最小二乘回归(PLSR)与粒子群算法(PSO)相结合的方法,可有效对工矿复垦区土壤中的重金属含量进行测度,可为复垦区土地的质量和生态指标监测提供理论方法和技术支持。