簇生番茄果梗超声切割过程仿真与试验

为揭示超声技术应用于簇生番茄切割采收的机理及优势,比较了簇生番茄果梗材料在常规切割和超声切割中的切割力和去除特性。首先测定了簇生番茄果梗和自制超声切割刀的参数,然后基于Abaqus进行仿真,将果梗纤维化,在宏观和微观仿真中对比常规切割和超声切割过程中的应力及去除机理。最后,自制试验台,通过改变超声切割刀的激振频率、输入电压、切割速度和切割角度进行切割力测定试验并采用响应面法的Box-Behnken进行四因素三水平分析,随后观察果梗断面形貌。结果表明:在自制超声刀工作频率(35~37 kHz)和电压(340~380 V)内,切割速度、角度对切割效果影响最显著,激振频率和输入电压在特定值附近时切割效果最好;在36 kHz、360 V、0.125 cm/s、0°的条件下,仿真中超声切割耗时约为8 s,平均最大切割力为0.635 N,相对于常规切割(1.019 N)降低37.7%;试验中超声切割耗时约为5.3 s,所需切割力最大为0.543 N,相较于常规最大切割力(1.017 N)降低46.6%,同时表面粗糙度降低20.9%,试验与有限元仿真的切割力结果误差为8.9%,基本吻合。超声切割可以降低切割力,缩短切割耗时,同时还提高断面质量,减少果梗组织损伤、水分散失,对延长果实保鲜时间具有一定的意义。

基于单轴密闭压缩试验的草炭离散元参数标定

为了提升穴盘播种过程中草炭装盘、压穴、覆料的仿真准确性,基于草炭的物料特性,选择Edinburgh Elasto-Plastic Adhesion(EEPA)模型在EDEM软件中建立草炭离散元仿真模型,通过单轴密闭压缩和虚拟仿真试验对草炭参数进行标定。通过物理试验测得草炭密度、粒径分布和接触参数,应用Plackett-Burman Design和最陡爬坡试验设计显著性分析试验,发现草炭间恢复系数、静摩擦因数、草炭切向刚度因子和剪切模量影响显著。应用Central Composite Design试验建立响应值与4个显著性参数的二次多项式回归模型,以单轴密闭压缩20%、50%轴向应变对应的轴向压力3.83、91.45 N为目标值对显著性参数进行寻优,得到最优组合为:草炭间恢复系数0.202、草炭间静摩擦因数0.595、切向刚度因子0.667、草炭剪切模量0.613 MPa。最后将该参数组合下的仿真值与实测值进行对比验证,在轴向应变范围20%~50%内实测值与仿真值的平均误差约为8.08%。相对误差在轴向应变40%左右达到最大值,为15.34%。结果表明基于响应面法标定的EEPA模型参数可用于离散元仿真研究。

果园履带车自动导航自适应控制方法

为提高果园履带车自动导航精度和稳定性,兼顾成本和作业效率,提出一种基于模糊控制的自适应导航控制决策方法,并设计开发了一种自动导航嵌入式控制系统。首先,对果园履带车自动导航控制系统整体架构进行设计;其次,确定各关键子系统硬件和软件结构;再次,基于模糊控制与传统PID控制方法研究自适应导航控制决策方法,并基于MatLab/Simulink平台进行建模仿真;最后,将自动导航自适应嵌入式控制系统应用于果园履带车上进行性能评估,以及自适应控制和传统控制两种模式下的果园履带车自动导航过程对比试验。仿真结果表明:模糊PID控制方法的上升时间、超调量和稳态误差分别为0.17s、4.02%和±0.15%,相较于传统控制方法分别优化了5.88%、41.31%和34.78%。验证试验表明:自适应控制方式下果园履带车自动导航的横向偏差和纵向偏差平均值分别为6.24、9.65cm,相比于传统控制方式偏差平均值分别减小了33.97%和12.67%。所提出的果园履带车自动导航自适应控制方法和设计的嵌入式控制系统,不仅能够实现果园履带车自动导航过程的自适应调整,而且提高了自动导航的精度,保证了行驶的稳定性,可为果园履带车实际生产操作提供参考。

农业领域自动定向技术研究进展分析

随着信息感知、机器人等技术的快速发展,自动定向作业具有更多的需求和实现方法。自动定向技术为智慧农业生产过程自动化、智能化提供有利条件,是提高作业效率和品质的重要环节之一,已成为农业生产自动化、智能化作业技术的发展方向。本文首先阐述了自动定向技术的基本概念与内涵,综述了在田间播种、采后处理、畜产养殖加工等农业领域自动定向技术的国内外研究进展,并分析比较了不同应用领域的特征和优缺点。然后对自动定向关键技术应用研究进行了系统分析,包括定向机理与方法、定向机构与装置、自动检测与控制等多方面的共性关键问题,归纳了该领域技术的开放性问题。最后总结了当前自动定向技术面临的挑战和机遇,展望了农机农艺高度融合的自动定向、专用与通用自动定向、多功能全面融合的自动定向和融合智能化技术的自动定向等农业领域自动定向技术和装备的未来研究方向。

基于改进YOLOv5s的自然环境下猕猴桃花朵检测方法

为实现对猕猴桃花朵的快速准确检测,该研究提出了一种基于改进YOLOv5s的猕猴桃花朵检测模型YOLOv5s_S_N_CB_CA,并通过对比试验进行了精度验证。在YOLOv5s基础上引入C3HB模块和交叉注意力(criss-cross atte ntion,CCA)模块增强特征提取能力,结合样本切分和加入负样本处理方法进一步提升模型精度。改进模型的检测精确率为85.21%,召回率为90%,模型大小为14.6 MB,交并比(intersection over union,IoU)为0.5下的均值平均精度(mAP0.5)为92.45%,比仅进行样本缩放处理的原始YOLOv5s提高了31.91个百分点,检测速度为35.47帧/s,比原始YOLOv5s提高了34.15%。使用改进模型对自然环境下不同天气、晴天不同时段光照强度下的猕猴桃花朵进行检测,结果表明模型检测晴天、阴天下猕猴桃花朵的mAP0.5分别为91.96%、91.15%,比原始YOLOv5s分别高出2.55、2.25个百分点;检测晴天9:00-11:00、15:00-17:00光强下猕猴桃花朵的mAP0.5分别为92.11%、92.10%,比原始YOLOv5s分别高出2.20、1.32个百分点。结果表明,该研究提出的基于改进YOLOv5s的猕猴桃花朵检测模型在保持轻量化的同时,检测精度高、速度快,可实现对自然环境下猕猴桃花朵的有效检测。

基于RSM和GA-BP-GA优化的油茶籽仿真参数标定

采用逆向工程技术,在EDEM软件中建立了油茶籽离散元模型;通过物理试验测得油茶籽堆积角为(27.93±1.46)°,以及密度、碰撞恢复系数和油茶籽-钢板间静摩擦因数的参数区间,采用Plackett-Burman Design和最陡爬坡试验筛选显著性因素;以堆积角为响应值,采用响应面(RSM)和机器学习对显著性参数进行优化和对比。结果显示,基于遗传算法(GA)的BP人工神经网络的预测能力与稳定性优于随机森林、支持向量机和BP人工神经网络;采用GA寻优得到油茶籽-油茶籽间静摩擦因数为0.443、油茶籽-钢板间静摩擦因数为0.319、油茶籽-油茶籽间滚动摩擦因数为0.063,测得仿真堆积角为27.63°,与实际堆积角的相对误差为1.09%;采用RSM得到油茶籽-油茶籽间静摩擦因数为0.383、油茶籽-钢板间静摩擦因数为0.335、油茶籽-油茶籽间滚动摩擦因数为0.064,测得仿真堆积角为26.99°,相对误差为3.33%。研究结果表明,在油茶籽参数标定中,GA-BP-GA的参数优化效果优于RSM,并且该研究所建油茶籽模型与参数标定结果可用于离散元仿真。

TC4钛合金中厚板激光焊接接头组织及性能研究

分析了16 mm厚TC4钛合金板的激光焊接技术,研究了辅助气体侧吹对激光深熔焊成形的影响规律,然后在此基础上实现了16 mm厚TC4板的一次焊透、双面成型。对激光焊接试板开展了金相组织分析,测试了接头的拉伸、显微硬度、冲击及弯曲等性能。试验结果表明:TC4激光焊接焊缝组织主要为针状α’相、马氏体α、少量针状α和β相,可以看到粗大的高温β相晶界,热影响区由针状α’相、块状α相、马氏体α、少量β相组成,部分区域针状α’相+β相呈现网篮特征。接头平均抗拉强度为965 MPa,为韧性断裂;母材平均显微硬度值最低,焊缝和热影响区域硬度值相近,形成典型的“软+硬+软”三明治式硬度分布结构;焊缝和热影响区冲击吸收功值相近,母材冲击吸收功最低,焊接接头弯曲性能良好。

高架草莓的果实识别与果梗分割

在高架栽培环境下,精准识别草莓果实并分割果梗对提升草莓采摘机器人的作业精度和效率至关重要。该研究在原YOLOv5s模型中引入自注意力机制,提出了一种改进的YOLOv5s模型(ATCSP-YOLOv5s)用于高架草莓的果实识别,并通过YOLOv5s-seg模型实现了果梗的有效分割。试验结果显示,ATCSP-YOLOv5s模型的精确率、召回率和平均精度值分别为97.24%、94.07%、95.59%,较原始网络分别提升了4.96、7.13、4.53个百分点;检测速度为17.3帧/s。此外,YOLOv5s-seg果梗分割模型的精确率、召回率和平均精度值分别为82.74%、82.01%和80.67%。使用ATCSPYOLOv5s模型和YOLOv5s-seg模型分别对晴天顺光、晴天逆光和阴天条件下的草莓图像进行检测,结果表明,ATCSPYOLOv5s模型在3种条件下识别草莓果实的平均精度值为95.71%、95.34%、95.56%,较原始网络提升4.48、4.60、4.50个百分点。YOLOv5s-seg模型在3种条件下分割草莓果梗的平均精度值为82.31%、81.53%、82.04%。该研究为草莓采摘机器人的自动化作业提供了理论和技术支持。

船用TA5钛合金的激光表面清洗技术研究

分析了钛合金激光清洗过程机理,研究了船用TA5钛合金激光清洗技术,对比分析了TA5钛合金表面油污、丙酮清洗、激光清洗3种状态的表面微观形貌和化学成分;研究了焊缝表面黄色、蓝色、紫色3种不同氧化程度的TA5钛合金焊缝激光清洗的效果;研究了在焊前激光清洗状态下TA5钛合金焊接接头接头金相组织、拉伸强度、弯曲性能。结果表明:钛合金激光清洗效果明显,可有效去除杂质污染物和氧化层,效果优于丙酮清洗;激光清洗后3种焊缝均呈银白色,焊缝表面氧元素含量在8.26wt%~8.65wt%之间,激光清洗后焊缝表面质量基本一致;接头焊缝区组织为针状α和锯齿状α相,热影响区组织为等轴α、针状α以及锯齿状α,接头拉伸强度平均值为767 MPa,高于母材,接头断裂于母材处,接头弯曲性能良好,钛合金激光清洗具有很好的工程应用前景。

小孔TIG焊技术在中大厚度TC4板上的应用研究

对14 mm及26 mm厚TC4板进行了小孔TIG焊工艺试验,研究了工艺参数对焊缝成型、内部质量及接头组织性能的影响。结果表明,采用优化的小孔TIG焊工艺可以不开坡口实现14 mm厚TC4板的单面焊双面成型,焊缝及热影响区出现马氏体组织转变,接头与母材相比出现明显硬化。对于26 mm厚Y型坡口试板,采用小孔TIG焊从背面打底可以完成14 mm钝边熔透焊,从正面打底可以完成10 mm钝边熔透焊,打底焊道美观,内部质量优,可直接采用常规TIG焊工艺填充盖面。制备的中大厚度TC4板接头强度与母材的相当,工艺性能良好,焊缝冲击性能与母材的相当,热影响区冲击性能优于母材的。

单偏心式油橄榄振动采收机仿真优化与试验

为提高油橄榄的振动收获效率,针对油橄榄密植果园的种植环境,设计一种单偏心块悬挂式油橄榄采收机。通过对果实进行受力分析得到果实脱落加速度可简化为果实果柄结合力与果实质量的比值,测量得到脱落加速度的90%分位数为1113.35 m/s2。通过正交试验仿真研究果树树形参数(主干直径、主干高度、主枝夹角)和激振参数(激振频率、激振力)之间关系,并对仿真与试验相关性进行分析,表明仿真与试验的平均相关系数为0.73,平均相对误差为26.5%,主干直径和主干高度对激振参数有显著影响。使用采收样机对油橄榄(莱星)进行了试验,结果表明:夹持点振幅与激振频率呈正相关关系;果树侧枝3个监测点的共振频率为22.5 Hz,与响应面试验结果的21.8 Hz相近;油橄榄树的平均采净率约为91.22%,且无果实损伤。

基于深度学习的穴盘苗缺苗穴位检测

密集性穴盘苗缺苗穴位的检测,是机械化移栽及后续管理过程中的一项重要工作。为提高缺苗检测的准确率,提出了一种基于深度学习的密集性穴盘苗缺苗穴位的检测方法。检测时,对采集的图像进行穴盘区域自动剪裁,基于YOLOv4卷积网络,提取正常光照、较强光照、苗叶越界、蛭石泛青情况下的缺苗穴位特征进行训练。最后,在测试集上进行试验,结果表明:上述4种条件下缺苗穴位检测的准确率均值为95.2%。此外,与传统图像法相比,该检测方法提高了缺苗穴位在复杂条件下的检测适应性及准确率,能够为温室穴盘育苗模式下苗株个体的生长管理及后续的自动化作业提供依据。

TC4钛合金T型接头双面双弧MIG焊接特性研究

对30 mm厚TC4面板和15 mm厚TC4腹板构成的T型角焊缝采用双面双弧MIG方法进行焊接,采用高速摄影对熔滴过渡形态进行了观测,采用数值模拟方法对比了单侧焊接和双面双弧焊接的温度分布,并对双面双弧焊接的焊缝成形进行了观测,对焊接接头组织进行了分析,并对接头显微硬度和拉伸性能进行了测试。结果表明:采用双面双弧MIG焊接可以获得成形良好内部无缺陷的焊接接头。焊接熔滴过渡形式为连续的滴状过渡,过渡过程稳定均匀。双侧焊接时,两侧温度场对称分布。接头冶金结合良好,焊缝组织为粗大的柱状晶,晶粒内部为长针状α'、层片状α和块状α相。面板侧热影响区为残余初生α、层片状α和残余β相。腹板侧热影响区为针状α、层片状α和残余β相。腹板和面板侧热影响区的显微硬度均高于母材。焊接接头抗拉强度达到969 MPa以上,断裂位置位于母材。

电动拖拉机机械电磁式振动馈能装置设计与性能研究

【目的】基于能量回收再利用的原理提出一种机械电磁式振动馈能装置,为解决电动拖拉机电池电量匮乏与持续工作时间短等问题提供参考。【方法】采用双单向离合器和齿轮齿条机构设计机械电磁式振动馈能装置,将其安装在电动拖拉机底盘与动力电池组之间,对装置的机械传动进行理论分析,考虑齿轮啮合副的啮合阻尼、时变啮合刚度、齿侧间隙、综合传递误差以及单向离合器储备间隙等因素,建立振动馈能装置的动力学模型。对该模型特性进行分析,并就位移激励频率、振幅和外部负载对装置能量回收性能的影响规律进行仿真分析。最后试制样机,进行台架试验。【结果】仿真和台架试验结果显示,在位移激励频率为4 Hz、振幅为6.0 mm和外部负载为120Ω的工况下,振动馈能装置的能量回收率最大,分别为34.94%和33.04%。同时,根据装置的电能再生率曲线可知,当位移激励一定时,电能再生率随外部负载的增大而增大;位移激励振幅越大,频率越大,装置的电能再生率也越大。【结论】所设计的机械电磁式振动馈能装置可以满足电动拖拉机振动能量回收的要求,具有明显的能量回收性能,能够为电动拖拉机振动能量的回收和电能补给提供技术支撑。

BFe10-1-1合金K-TIG焊接接头的组织和性能

采用Keyhole TIG(K-TIG)焊接工艺开展了10 mm厚BFe10-1-1铜合金板的焊接试验。结果表明:采用K-TIG焊实现了单面焊双面成型,焊缝成型美观,接头焊缝截面无气孔、未熔合、裂纹等缺陷;焊缝区主要为枝晶状α组织,由熔合线向焊缝中心生长延伸;母材区和热影响区的组织是孪晶状的α相,且热影响区距离焊缝越近,其晶粒尺寸越大。焊缝区的硬度值较高,从焊缝到母材的硬度值先降低再增加,近熔合线的焊缝区和打底焊缝上部区域出现轻微软化。接头平均抗拉强度为346.5 MPa,断裂位置为母材;在α=180°、d=4 t条件下进行侧弯测试,未发现裂纹。

小孔TIG焊技术在中大厚度TA2板上的应用研究

分别对16 mm及30 mm厚TA2板进行了小孔TIG焊工艺试验,研究了工艺参数对焊缝成型、内部质量及接头组织性能的影响。结果表明,采用优化的小孔TIG焊工艺可以实现不开坡口16 mm厚TA2板的单面焊双面成型,大的焊接电流导致焊缝组织较母材的粗大,接头与母材相比出现轻微硬化;对于30 mm厚Y型坡口的试板,采用小孔TIG焊从背面打底可以完成14 mm钝边的熔透焊,从正面打底可以完成10 mm钝边的熔透焊,打底焊道美观,内部质量优,可直接采用常规TIG焊工艺进行填充盖面。单一小孔TIG或与常规TIG的组合焊工艺制备的中大厚度TA2板接头强度与母材的相当,力学性能良好。

基于机器视觉的自然环境中猕猴桃识别与特征提取

研究了综合应用果实颜色和形状特征识别自然环境中猕猴桃果实及特征提取的方法。通过对比不同颜色空间,选用R-G色差分量;再采用基于误分割像素的分割评价方法来确定颜色特征nR-G中最佳分割系数n,最终选取0.9R-G颜色特征。利用Otsu法对其进行阈值分割,形态学运算去除掉残余噪声,实现了目标果实区域和背景区域的分割。然后利用Canny算子提取边界,最后对边界图像进行椭圆形Hough变换,逐个识别出目标果实,并提取出果实的形心坐标、长轴端点坐标和长短轴长度等特征信息。对49幅包含110个果实图像进行识别试验,试验结果表明:相互分离果实的识别率为96.9%,邻接果实识别率为92.0%,被枝叶部分遮挡果实识别率为86.6%,重叠的果实识别率为81.6%。

基于机器视觉的嫁接用苗外观特征自动检测

提出了基于数学模型的幼苗外观特征自动检测方法,检测项目包括生长状态、子叶参数和胚轴参数。首先经过图像预处理提取幼苗二值图,利用行像素统计图确定特征参数基准点位置。然后以标定胚轴最小矩形倾斜度和宽度判定弯曲状态;子叶跨度通过两子叶端点距离确定,子叶展开角通过两子叶底端平展位置拟合线夹角判定;胚轴弯曲度通过胚轴中心线上曲率最大的位置为分界点分别判断两段斜度而求得,胚轴长、轴径结合斜度补偿求得。与手工测量数据对比,轴长、轴径和子叶跨度的相关系数分别为0.935 1、0.899 9和0.903 4,相对误差分别小于7%、5%和7%,绝对误差分别小于4 mm、0.2 mm和6 mm。

设施栽培营养液自动调控装置设计与试验

针对设施栽培中营养液调控缺少监测管理、自动化程度低、稳定性难以保证等问题,设计了一种设施栽培营养液自动调控装置。通过传感器对营养液指标值的实时检测、控制器对检测数据的处理、执行部件对营养液指标值的调整,实现设施栽培营养液的自动调控。同时,设计了各关键部件结构参数及传感器检测子系统、数据融合与智能决策子系统和协同调控子系统的硬件和软件结构。采用响应曲面法试验,研究了均匀混合机构的纵向安装位置、横向安装位置、作业速度对营养液均匀混合时间的影响,并进行验证试验。响应曲面试验结果显示:试验因素的显著性主次顺序为作业速度、纵向安装位置、横向安装位置,最优组合参数为作业速度110r/min、纵向安装位置50mm、横向安装位置150mm。验证试验表明:营养液自动调控装置完成1次营养液调控所需时间约为135s,完成调控后营养液指标值pH值、EC、K^(+)浓度、Ca^(2+)浓度和NO_(3)^(-)浓度的误差分别为4.73%、3.28%、4.44%、4.15%、3.54%%。所设计的营养液自动调控装置具有结构简单、调控误差小的优点,可为提高设施栽培作业自动化程度提供参考。

坚硬顶板弱化处理防止瓦斯骤然涌出

为了使古书院矿15#煤综采工作面坚硬顶板能随工作面推进而及时垮落,减轻坚硬顶板垮落时对工作面的冲击和矿压显现,防止坚硬顶板突然垮落时工作面瓦斯骤然剧增所导致的瓦斯问题,采用了超前深孔预裂爆破的方式对15#煤综采工作面坚硬顶板进行弱化处理。通过对坚硬顶板的弱化处理,减少了初次来压和周期来压的步距,使采空区积聚的瓦斯均衡涌出,从而有效控制了大面积悬顶时顶板瞬间垮落所造成的工作面采空区瓦斯骤然涌出,保证了综采工作面的安全生产。