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农业机械学报 2019年第05期杂志 文档列表

农业机械学报杂志特约专稿

西北雨养区全膜双垄沟播技术与配套机具研究进展分析1-16

摘要：全膜双垄沟播技术抗旱增产,在我国西北旱区大面积推广应用,实现与提升其全程机械化作业水平主要包括对覆膜种床构建、膜上播种、残膜回收及种植作物收获技术与配套机具的研究。在分析西北旱区全膜双垄沟播技术应用概况、技术模式和实施效应的基础上,重点阐述了全膜双垄沟相关机械化起垄覆膜、膜上精量播种、种植作物收获及残膜回收关键技术特点及典型机具。结合实际生产应用中出现的问题与需求,在分析归纳现阶段全膜双垄沟播技术农艺、农机存在问题的基础上,从加强全膜双垄沟播技术农机农艺融合、持续开展基础研究与配套机具性能优化、创建全膜双垄沟全程机械化技术体系等方面展望了未来研究方向。提出研发经济高效全膜双垄沟全程机械化作业装备和农机农艺深度融合是创建全膜双垄沟全程机械化技术体系的关键,也是进一步形成科学合理的全膜双垄沟播技术,实现全膜双垄沟生产系统高效、节本增效的发展方向。

农业机械学报杂志农业装备与机械化工程

复杂环境下农业机器人路径规划优化方法17-22

摘要：针对在室外复杂环境下作业的农业机器人存在因能量受限导致工作完成率降低的问题,提出了一种基于改进的启发式搜索的 ECA^*路径规划算法,该算法可以在资源受限的情况下完成能量损耗最优路径的规划。首先,通过建立机器人距离能量损耗模型,计算机器人移动行进的路程和损耗的能量,并对未来的路径和能耗趋势进行评估。然后,在传统 A^*算法的基础上,将距离能量损耗模型代入启发代价函数,通过搜索扩展子节点寻找最优路径。在每次迭代过程中,通过对比剔除处于劣势的路径,以保证算法的高效性。最后,通过设计仿真实验,将改进的ECA^*算法与传统的A^*算法搜索到路径的能量损耗进行对比,并在之后的改进算法中添加相应的能量约束进行计算。仿真结果表明,改进算法减少14.87%能量消耗,验证了ECA^*算法的有效性。

基于改进势场蚁群算法的移动机器人最优路径规划23-32

摘要：首先,针对传统人工势场算法存在死锁及局部路径欠优等问题,对其进行改进。利用障碍物检测算法识别出有效障碍物和有效路径中间点,通过引力场和边界条件规划出起点到中间点的局部路径,将中间点置为新的起点进行反复迭代,直至起点与目标点重合则规划完成。其次,针对蚁群算法容易陷入局部最优以及收敛速度较慢等问题,对其进行改进。以改进人工势场算法规划出的路径启发蚁群进行路径搜索,从而避免算法早期由于盲目搜索而导致的路径交叉及收敛速度慢等问题,同时以收敛次数构建负反馈通道,使全局信息素和局部信息素的更新速率跟随收敛次数的变化自适应调节,从而保证了算法全程中收敛速度与全局搜索能力的协调与统一。最后,在Matlab中对本文算法、基本蚁群算法以及文献[23]所述算法分别进行仿真实验。结果表明:在相同的环境模型下,本文算法的收敛速度和搜索能力均优于另两种算法;在给定的简单环境模型下进行路径规划时,本文算法的迭代次数为3次,运行时间为0.892 s,最优路径长度为28.627 m;在给定的复杂环境模型下进行路径规划时,本文算法的迭代次数为8次,运行时间为3.376 s,最优路径长度为31.556 m,所寻路径对环境的覆盖率为73.63%。

基于融合深度信息的自动喷雾车全局非线性轨迹优化方法33-42

摘要：针对传统的基于深度信息的喷雾车轨迹优化方法存在定位精度差、浮点漂移、深度信息帧易丢失等问题,提出了一种融合深度信息的全局非线性轨迹优化方法。在喷雾车前进过程中使用RealSense传感器实时获取连续彩色信息帧,提取并优化重叠区域的FAST特征点,计算BRIEF描述子,通过快速最近邻算法进行特征匹配,并使用Nanoflann算法加速特征匹配过程。在获取连续关键帧的匹配点对后,对特征点对进行校验,剔除误匹配点对,利用对极几何融合深度信息计算两相邻关键帧部分匹配点对的本质矩阵,并针对剩余匹配点对进行重投影获取重投影误差。统筹全局连续关键帧,综合所有关键帧中匹配点的重投影误差,构建图优化,并通过Dogleg算法多次迭代获取当前喷雾车的精确位姿。该方法避免了单一依赖深度信息估计喷雾车轨迹时,出现位姿估计误差较大和深度信息帧丢失导致无法定位的问题。采用本文算法估计的喷雾车行驶轨迹更加接近于真实轨迹,其偏离真实轨迹误差均值下降了1.07 cm,方差下降了2.14 cm,超调量降低了2.13 cm,提高了车行驶轨迹的鲁棒性。

基于3D视觉的青饲机拖车车斗自动识别与定位方法43-49

摘要：根据农业生产智能化需求,提出一种基于三维视觉的青饲机拖车车斗自动识别和定位方法。该方法通过图像与点云数据处理技术相互配合,实现拖车车斗的边沿识别和空间定位。首先,利用视觉里程计概念构建相机与地面三维坐标系之间的关联,并用奇异值分解算法求解位姿变换矩阵,将相机坐标系下的 3D 点云进行旋转平移,并且基于地面进行阈值处理和降维;其次,采用随机抽样一致性算法完成对车斗边沿拟合以及车斗角点定位,获得机械臂喷头与车斗的相对位置;最后,通过坐标变换,将定位结果直观呈现在像素坐标系中。本文方法能够准确地定位车斗角点,描绘车斗所在区域。现场实验结果表明,该方法计算量较小、效率高、准确性高,能够满足现场作业的实时性与精度要求。

基于DEM-CFD的玉米气吸式排种器种盘设计与试验50-60

摘要：针对玉米气吸式排种器高速作业下种子运动十分复杂、难以进行准确分析计算的问题,采用DEM(离散元)和CFD(计算流体力学)耦合的方法,模拟了气吸式排种器工作过程,分析了种子受到的曳力和运动速度,得出不同种子充种能力大小依次为:小扁形、类圆形、大扁形。经过仿真分析,有针对性地选取不易吸附充种的大扁形种子,建立充种过程数学模型,优化种盘型孔凸台高度和型孔凸台角度参数。为了获得排种器的最佳性能参数,以型孔凸台角度、型孔凸台高度、种层高度为试验因素,以排种合格指数、重播指数、漏播指数为试验指标进行三因素二次旋转正交组合试验,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,得到了各因素对指标影响关系。采用多目标优化方法,确定了最佳参数组合:型孔凸台角度为35.76°,型孔凸台高度为 3.11 mm,种层高度为55.61 mm,排种合格指数最高。此时,排种器性能指标为:合格指数91.60%,漏播指数3.90%,重播指数4.50%。对优化结果进行验证试验,并与原排种器进行对比,验证结果与优化结果基本一致,且合格指数和漏播指数均优于原排种器,满足玉米精密播种的要求。

驱导辅助充种气吸式精量排种器设计与试验61-70

摘要：针对现有气吸式排种器充种环节工作压力要求高、高速作业时充种性能不佳,导致排种质量下降的问题,采用主动驱导种群、减少局部种间接触的方法,提高排种器高速条件下的充种率,并基于此设计了一种驱导辅助充种气吸式精量排种器。分析了排种器充种过程中种子的受力状态,阐述了排种盘导种槽辅助充种的工作原理,以及在充种过程各阶段提高种子充填率的设计思路;对导种槽外形曲线方程、斜面倾角进行了理论计算,确定了曲线的基本参数;利用气固耦合数值分析方法CFD DEM,以型孔处局部空隙率为指标,进行了单因素仿真试验,确定了导种槽曲线方程的基圆半径最优值。为了验证设计结果,在工作压力-5、-6 kPa条件下,分别与其他2种气吸式排种器进行速度单因素对比试验,试验结果表明,所设计的排种器在高速条件下的漏充率优于其他排种器。对所设计的排种器进行了前进速度、工作压力的双因素试验,通过多目标优化方法,确定了排种器的最佳工作参数。将所设计的排种器安装在气力式玉米免耕播种机上,在3个工作速度下进行了单因素田间试验,结果表明,当作业速度为9.11 km/h时,粒距合格指数为95.48%,高速条件下充种性能较为稳定。

滑切型自激振动减阻深松装置设计与试验71-78

摘要：针对长江中下游地区黏重土壤深松作业阻力大的问题,基于滑切和自激振动减阻的原理,设计了滑切型自激振动深松装置。对滑切型铲柄的滑切角及刃口角进行了分析及参数设计,通过有限元分析,表明铲柄强度符合设计要求,自激振动弹簧采用内外双弹簧以减小自激振动装置的结构尺寸。土槽对比试验表明,固定连接方式滑切型深松铲在各速度下相对于传统弧形深松铲减阻7.79%~8.81%,自激振动连接方式滑切型深松铲在各速度下相对于传统弧形深松铲减阻15.45%~20.05%。田间性能试验表明,深松后各深度下土壤坚实度下降显著,0~ 10 cm 、10~20 cm和20~30 cm深度下土壤坚实度分别减小78.18%、56.08%和62.72%;深松后各深度下土壤容重下降14.66%~20.81%,土壤含水率在0~10 cm略有下降,在10~20 cm和20~30 cm略有上升;土壤扰动系数均值为60.8%,土壤蓬松度均值为11.9%;深松深度及其稳定性系数符合行业标准,滑切型自激振动深松装置作业质量总体满足作业要求。

穴盘苗自动移栽机苗钵夹持力检测系统设计与试验79-87

摘要：针对夹持力可调式穴盘苗自动移栽机取苗爪安装空间狭小、检测装备布置不当易伤苗或回带钵苗基质等问题,基于聚偏氟二乙烯(Polyvinylidene fluoride,PVDF)压电薄膜与软硬件融合信号调理技术,提出了一种穴盘苗自动移栽机苗钵夹持力检测系统,该系统由PVDF压电薄膜、信号调理电路、无线通信模块、信号采集软件系统组成。通过PVDF压电薄膜实时监测取苗爪对苗钵夹持力的变化情况,利用压电效应将夹持力转换为电荷量;通过信号调理电路,完成电荷电压信号转换、信号放大、工频信号消除,以及削弱地面激励与自动移栽机工作产生的振动噪声;通过无线通信模块将硬件调理后的夹持力信号发送至基于LabVIEW的信号采集软件系统,并采用卡尔曼滤波器滤除残余的振动噪声,最终实现苗钵夹持力的精确测量、显示、存储、报警等功能,达到减少苗钵损伤率、提高移栽成功率的目的。标定试验结果表明,夹持力检测传感器的平均线性决定系数为0.991 4,平均灵敏度为1.002 7,精度为6.024%,满足移栽作业过程中夹持力测量准确性的要求;室内试验结果表明,苗钵夹持力检测系统具有较好的稳定性和一致性,适用于自动移栽取、投苗过程中苗钵夹持力的精准监测。

基于响应面和遗传算法的尾座式无人机结构参数优化88-95

摘要：设计了一种垂直起降尾座式无人机,利用中心组合试验(Central composite design,CCD)对无人机的翼展长、后掠角、小翼高和小翼厚4个结构参数进行设计,构建了25组样本点。利用ANSYS CFX进行升阻比和阻力数值模拟,通过Design-Expert软件建立无人机结构参数与升阻比、阻力的响应面模型,其中升阻比随着翼展长和小翼高的增加而增大,后掠角和小翼高对升阻比的影响较小,当攻角为4°~8°时,升阻比随小翼厚的增加而减小,当攻角为10°~12°时,升阻比随小翼厚的增加而增大;阻力随着翼展长和小翼厚的增加而增大,随小翼高的增加而减小,随后掠角的增加先增大后减小。以升阻比最大和阻力最小为优化目标,采用多目标遗传算法进行结构参数优化,得到最优结构参数为:翼展长1 123 mm、后掠角34°、小翼高39 mm、小翼厚3 mm,与原始样机相比升阻比提高了12.4%,阻力降低了5.3%。采用风洞试验对响应面模型进行了验证,其中升阻比和阻力的数值模拟相对误差小于8.0%,响应面模型相对误差小于3%,表明响应面模型具有较高的精度和良好的通用性,可用于垂直起降尾座式无人机的优化设计。

茶树叶片表面喷雾液滴斜撞击行为研究96-103

摘要：在喷雾场景中,茶树叶片具有不同倾斜方向,且会受到不同方向喷雾液滴的撞击。为掌握液滴斜撞击茶树叶片时的撞击行为及影响机理,提出了利用椭圆铺展面积来衡量斜撞击时液滴的铺展变化,并推导出包含叶片倾角和撞击角的斜撞击液滴铺展及反弹数学预测模型。为验证理论准确性,利用两台高速摄像机对喷雾液滴撞击茶树叶片的撞击过程及结果进行测试和分析。研究结果表明,撞击角、初始直径、撞击速度对粘附液滴的铺展面积影响由大到小为撞击速度、初始直径、撞击角,其中初始直径及撞击速度对液滴铺展面积有显著性影响,且是极强正相关。对于细、中液滴,撞击角对铺展面积无显著性影响;对于粗大液滴,撞击角有显著性影响,建议采用90°撞击角。茶树叶片表面具有亲水性,水滴撞击叶片表面时无反弹行为,此结果与反弹预测模型结果吻合。对液滴飞溅的影响程度由大到小为初始直径、撞击速度、撞击角。初始直径及撞击速度对液滴飞溅有显著性影响,液滴初始直径和撞击速度越大,越容易发生飞溅,撞击角对液滴飞溅无显著性影响。因茶树叶片表面比较光滑,无长绒毛,表面粗糙度较小,飞溅临界值 K crit 采用108.4较合适。

玉米清选组合孔筛体设计与试验104-113

摘要：为增强玉米清选筛体对高喂入量脱出物的筛分能力,以适应玉米联合收获机快速发展要求,以玉米籽粒为研究对象,对贝壳筛体作业机理进行分析,探究筛分过程中籽粒在贝壳筛体上运动状态,得到贝壳筛对籽粒的筛分特性和籽粒的透筛模型。为增大籽粒透筛概率,基于贝壳筛和圆孔筛的筛分特性,设计了贝壳圆孔组合孔筛体。在玉米脱出物不同喂入量条件下进行仿真试验,对组合孔筛、圆孔筛、贝壳筛作业效果进行对比,结果表明:在喂入量为6 kg/s情况下,组合孔筛作业后的籽粒损失率、清洁率和筛分时间分别为1.15%、97.53%和5.50 s,均满足国家标准要求,且组合孔筛的籽粒损失率比圆孔筛和贝壳筛分别减少了5.79个百分点和7.84个百分点,通过台架试验验证了仿真结果准确性。在喂入量分别为5 kg/s和6 kg/s条件下对组合孔筛与阶梯筛筛分效果进行对比,在喂入量为6 kg/s、气流速度为12.8 m/s、气流方向角30°、振动频率为5.15 Hz时,组合孔筛相对阶梯筛籽粒损失率降低5.60个百分点,筛分时间缩短0.93 s,清选效果提高。

直立锥滚筒式小区花生脱壳机设计与试验114-123

摘要：对于育种和栽培等科研用小区花生脱壳而言,不但要求脱壳机适应小量脱壳,而且要求脱壳过程中损伤小、清种快捷方便。目前小区试验的花生脱壳主要靠人工作业,脱壳效率低下,容易出现清种不便和不净,造成每个小区处理之间的“混杂”等现象。为此在对现有卧式花生脱壳机特点研究的基础上,提出了直立式锥滚筒花生脱壳方案,进行了脱壳机总体结构设计;在花生荚果脱壳受力分析基础上,确定了锥滚筒脱壳结构及其参数范围;最后以四粒红花生为研究对象,以锥滚筒转速、锥滚筒半锥角、最小脱壳间隙为因素进行性能影响试验,结果表明在锥滚筒转速为340 r/min、锥滚筒半锥角为40°、最小脱壳间隙为10 mm时脱壳综合指标最优,脱净率为97.84%,损伤率为2.97%,较好地满足了小区花生脱壳要求。

基于激振理论的玉米多棱摘穗辊设计与试验124-132

摘要：针对当前纵卧辊式玉米收获机作业存在籽粒啃伤严重和落粒损失大的问题,以激振理论为指导,以玉米果穗与茎秆分离为条件,建立了适于玉米机械化收获的玉米激振摘穗理论模型;以该激振摘穗模型为指导,构建并优化了适于玉米激振运动的摘穗辊外形结构和配置方式,开发了相应的激振摘穗试验台;采用Box Behnken试验设计方法,研究了激振摘穗辊棱边数、振幅、摘穗辊转速对果穗摘穗过程籽粒破损率和落粒损失率的影响规律,建立了试验因素与考察指标之间的回归方程,并生成了相应的响应曲面。结果表明,激振摘穗装置中棱边数、振幅和摘穗辊转速对收获过程果穗籽粒破损率和落粒损失率有显著的影响。以非线性规划理论为指导,确定了最佳组合为摘穗辊转速950 r/min、棱边数8、振幅0.75 cm,在该条件下进行了试验验证,得出平均籽粒破损率为0.124%,平均落粒损失率为0.228%,均低于国家玉米收获机械技术标准要求。

液压驱动式油茶果采摘机设计与试验133-139

摘要：为提高电动胶辊旋转式油茶果采摘执行器的采摘效率,设计了一种液压驱动式油茶果采摘机。通过分析油茶果与胶辊相互作用力的影响因素,确定了采摘机的主要工作参数。仿真分析了不同工作参数对油茶果与胶辊相互作用力的影响规律,并以上下组胶辊间距、旋转架转速、胶辊直径为影响因素,以油茶果采摘率和花苞损伤率为评价指标,在江西省林科院和江西农业大学分别进行了室外、室内采摘试验。结果表明,影响采摘率的因素由大到小依次是上下组胶辊间距、旋转架转速和胶辊直径;影响花苞损伤率的因素由大到小依次是胶辊直径、上下组胶辊间距和旋转架转速。结合室内、室外试验,运用综合评分法得出油茶果采摘率较高且花苞损伤率较小的最佳参数组合为:上下组胶辊间距15 mm、旋转架转速55 r/min、胶辊直径30 mm。与电动胶辊旋转式油茶果采摘执行器相比,液压驱动式油茶果采摘机旋转架转速提高了83.33%,采摘效率明显提高,其平均采摘效率为210个/min。

活动导叶分布圆直径对混流式水轮机水力性能的影响140-147

摘要：对于混流式水轮机,活动导叶与固定导叶以及转轮的相对位置直接影响导水机构和转轮内部流动,对水轮机安全、稳定、高效运行起到重要作用。采用商业软件ANSYS CFX 16.0对某电站水轮机模型机全流道进行三维数值模拟计算,提出了5种活动导叶分布圆直径方案,分析不同方案下水轮机的外部能量特性与内部流场,寻找活动导叶安放的最佳位置。结果表明:适当增大活动导叶分布圆直径,可以有效改善叶片吸力面的低压区,降低活动导叶流域内水流的最大速度,改善转轮进口水流角,同时减小导水机构与转轮的水力损失。小流量工况下, D 0 / D 1 增大0.031,水轮机效率提高了5.28个百分点;设计工况与大流量工况下,活动导叶分布圆的变化对水轮机效率的影响相对于小流量工况较小,最高效率与最低效率的差值分别为0.17%与0.48%。因此,在一定范围内改变活动导叶的分布圆直径具有可实施性,对水轮机的优化设计有一定参考价值。

射流离心泵动静叶栅匹配的水力与声学性能优化设计148-158

摘要：为提高射流离心泵叶轮和导叶水力设计水平,优化动静干涉对泵的水力性能及其声学响应特性影响,采用正交试验方法结合CFD/CFA(计算流体动力学/计算流体声学)技术对叶轮与正导叶的动静叶栅匹配进行多目标优化设计,试验设计统筹考虑叶轮和正导叶相关结构参数,分析叶轮叶片数、叶轮叶片型线、导叶叶片数、导叶叶片型线及动静叶栅间隙对射流离心泵扬程、水力效率和动静叶栅内部流体动力噪声的影响规律,采用矩阵分析法确定多目标优化方案,获得综合性能最优的动静叶栅匹配组合。结果表明:优化后,额定工况下泵的扬程不变,水力效率提高0.5个百分点,动静叶栅内的整体噪声明显降低,其中叶轮诱导噪声降低7.1%,导叶诱导噪声提高2.2%,验证了权矩阵分析法确定多指标优化方案的可行性;低噪声射流离心泵设计的关键是合理确定动静叶栅间隙及动静叶栅的叶片数;动静叶栅的不同匹配方案对射流离心泵扬程的影响比对其水力效率的影响更加敏感,对导叶诱导噪声的影响比对叶轮诱导噪声的影响更加敏感;压力脉动引起具有偶极子特性的流体动力噪声,导叶诱导噪声的频谱特性与压力脉动的频谱特性基本一致,但叶轮诱导噪声的频谱特性与压力脉动的频谱特性有较明显的区别。

水泵水轮机飞逸工况下无叶区高速水环研究159-166

摘要：为了探讨水泵水轮机飞逸工况下无叶区高速水环形成机理以及对机组稳定运行的影响,以某抽水蓄能电站水泵水轮机模型为研究对象,采用 Realizable k-ε湍流模型,通过数值模拟结合模型机进行实验,对全流道定常和非定常数值模拟计算,并与实验结果进行对比。结果表明:水泵水轮机 S 特性与飞逸点稳定性存在内在联系,飞逸工况下无叶区高速水环影响飞逸的稳定性;高速水环区周向速度分布以及反作用度分布存在极值点,其中周向速度在高速水环靠近转轮叶片一侧存在极大值,反作用度则在靠近转轮叶片一侧存在极小值,高速水环是引起无叶区水力损失的主要原因;飞逸工况下,随着开度的增加,高速水环越发不明显,小开度飞逸工况下,由于来流方向与叶片骨线存在较大冲角,致使转轮叶片进口端产生规律性的旋涡结构,而冲角随着流动变化浮动较大,存在较大随机性,高速水环是导致随机性波动的原因。