电动叶菜收获机速度协同控制系统设计与试验

针对电动叶菜收获机切割、输送和行走三者速度不协调导致的叶菜损伤率高、功耗大和收获效率低等问题,开发了一种电动叶菜收获机速度协同控制系统。系统以可编程逻辑控制器为核心,利用信息传感模块对割刀电机的电流、电压和转速进行数据采集;主控模块根据速度协同控制算法对采集信号进行处理,得到负载信息并协同切割、输送和行走三者速度。田间试验结果表明:系统稳定可靠,能够根据收获情况动态协同各部件速度参数,叶菜损伤率为8.88%;与传统定速控制方法相比,收获机功耗降低了13.1%,收获效率提升了33.4%。

基于ROS的蔬菜移栽机器人控制系统设计

为实现温室蔬菜移栽无人智能化作业,设计了基于ROS架构的蔬菜移栽机器人控制系统,实现了蔬菜移栽机器人自主取苗部件、秧苗栽植部件和自主移动平台的自动控制。控制系统主要分为总线单元和导航单元,并基于EtherCAT总线和Realsense深度相机搭建硬件系统,利用分层模块化理念开发基于ROS架构的软件控制系统,搭建并实现了移栽作业中取苗、投苗、栽苗及移动平台协同一体化控制。实验结果表明:在大于2s/株的取栽苗周期运动条件下,可实现较高成功率的移栽作业。所设计控制系统保证了移栽作业成功率,提高了当前蔬菜移栽机的智能化水平。

面向夹持采收的油菜薹夹段茎秆离散元参数标定与优化

为提高离散元法对指导油菜薹有序采收装备设计与优化的准确性和可靠性,该研究以双行垄作移栽的“农大1号”双低甘蓝型油菜机械化适收期油菜薹夹段茎秆为对象,测定其本征参数、表面接触参数以及破碎力学参数,利用EDEM仿真软件Hertz-Mindlin无滑移模型和Hertz-Mindlin with bonding粘结模型建立夹段茎秆堆积仿真标定模型和破碎仿真标定模型。采用逐步调整仿真参数使仿真试验值与物理试验值逼近的方法,利用夹段茎秆堆积仿真标定模型,以休止角仿真试验值与实际物理试验值的相对误差为目标,完成夹段茎秆表面接触参数的标定与优化;利用破碎仿真标定模型,以轴向压缩和弯曲仿真试验与实际物理试验的最大轴向压缩力和最大弯曲力的相对误差为目标,利用标定后的表面接触参数完成夹段茎秆粘结参数的标定与优化。最后,利用夹段茎秆的径向压缩与剪切、内芯与表皮拉伸的破碎仿真力学试验和有序采收EDEM-Recurdyn耦合仿真试验验证标定后的表面接触参数和粘结参数。结果表明,仿真与实测试验的破碎力学参数相对误差在5%以内,且仿真与实测的“时间-载荷”曲线变化趋势一致,低速、中速和高速档的有序采收仿真试验结果与实际物理试验结果相对误差在7.0%以内。研究结果表明,采用离散元仿真方法研究油菜薹采收过程具有可行性,标定结果可用于指导油菜薹机械化生产。

切割脱离式鲜食朝天椒采摘末端执行器设计与试验

末端执行器是采收机器人重要组成部分,针对单生朝天椒果实朝天生长特征,本文设计了一款切割脱离式鲜食朝天椒采收末端执行器。针对朝天椒果实长度55~80 mm、果实最大直径9~13 mm、茎秆直径2~3 mm、茎秆长度20~30 mm,采用横断切、斜切、削切切割方式对品种“高辣878”朝天椒进行了生物特性试验,结果表明,在入切角70°、80°下朝天椒茎秆最大切割力为13.1 N。根据朝天椒生物特性设计了末端执行器,建立了末端剪切机构运动学与动态静力数学模型,并基于动态静力分析结果,以外部驱动力最小为目标采用遗传算法对末端执行器剪切机构杆件尺寸进行优化,优化得到曲柄长度为33 mm,连杆长度为60 mm,连杆延长杆长度为54 mm。为实现朝天椒茎秆切断,优化得到剪切机构需要外部驱动力矩0.94 N·m,根据优化结果选用舵机作为动力源。最后通过采收试验验证了朝天椒采收末端执行器的可行性。试验结果表明,末端执行器整体采收成功率为91.3%,验证了朝天椒末端执行器具有良好的采收性能。

基于Paddle Lite的太湖莼菜检测测试平台设计

本文根据太湖莼菜种植槽中图像检测系统的试验需求,设计检测系统。由EasyDL平台采用PaddlePaddle框架训练出图像检测模型,采用Andriod平板上运行检测模型,并通过WiFi发送操制指令至运动控制终端。采用Arduino控制步进驱动器,调整摄像头位置,实现检测目标的中心定位要求。根据手动、自动运动控制要求,设计上层通信协议。运动控制终端轮询串口接收指令,判断电机的运动状况,定时中断子程序实现步进驱动器引脚上的电平状况。

振动式高酸苹果采摘机的设计与试验

为提高高酸苹果收获过程中的效率和摘净率,在现有结构基础上,依据摘果原理构建并分析了采摘装置-果树振动动力学模型,对振动夹持装置、减震装置、升降伸缩装置等零部件进行设计和分析。同时,以采摘机激振频率、振幅、夹持高度为影响因素,以摘净率为检测目标,进行响应面分析试验,结果表明:夹持高度对摘净率影响极其显著,激振频率和振幅对摘净率的影响比较显著,激振频率12.594Hz、振幅13.871mm、夹持高度471.438mm为振动式高酸苹果采摘机的最优参数。研究结果可为振动式高酸苹果采摘机的开发研究提供参考。

仿生扇贝花生挖掘铲的设计与试验

农机挖掘部件作为重要的耐磨部件,其耐磨性能的好坏关系到收获机械的使用寿命及能耗的高低。在挖掘部件的结构优化设计中,仿生学在提高农机挖掘部件性能上提供了新的设计思路。为此,通过扇贝壳轮廓曲线拟合,研制出一种仿生扇贝挖掘铲。基于EDEM仿真软件,对仿生挖掘铲和普通挖掘铲进行运动仿真分析,结果表明:在0.4、0.6、0.8m/s 3种不同运动速度下,仿生挖掘铲受力明显小于普通挖掘铲,其减阻性能较普通挖掘铲可提高5%~7%;对比两种挖掘铲造成的土壤颗粒运动变化,仿生挖掘铲对土壤颗粒的速度变化影响较小,分布更为均匀。

基于TRIZ理论的圆柱波浪型刺梨采摘机设计与试验

为解决目前刺梨机械化采摘过程中损伤大、稳定性差、采摘效率受成熟度影响的问题,设计一种适应于山区作业环境的采摘机构。基于TRIZ理论对已设计出的耙型刺梨采摘机构进行功能组件系统分析,定位有害功能和过度功能,围绕采摘效率、运行稳定性、适应性三个指标,应用TRIZ理论标准解确定发明原理,再通过物场模型寻找问题的解决方案,设计圆柱波浪型采摘结构。应用ADAMS软件进行模拟仿真,验证设计的可行性,通过三个单体组合的背负式刺梨采摘机田间试验,结果表明:刺梨采净率为96.05%;采净率受到刺梨果成熟度影响不大;破损率为0.66%;采摘效率为11.22 kg/min,此设计可有效保证刺梨机械化采摘作业的有效性和可靠性,为新型高效低损采收机研究提供重要参考。

山地辣椒收获机液压系统的设计与仿真

贵州为我国典型的喀斯特地貌省份,辣椒多在坡地种植,现有的辣椒收获机不能满足贵州辣椒采收要求,因此,文中设计并制造了适用于山地地形的全液压自行式履带辣椒收获样机。通过对山地辣椒收获机关键部位液压系统的设计计算及元器件选型,并采用AMESim液压仿真软件对行走、采收机构的液压系统进行建模与仿真。结果显示,行走马达启动时间为0.52 s,马达流量稳定在117.9 L/min;采摘辊的马达转速稳定在210 r/min,压合辊油缸、地轮油缸和升降油缸的举升用时分别为2.2,3.2和2 s,油缸压力稳定在16 MPa。由此得出,行走系统与采收系统的启动时间短暂且平稳,满足液压系统的设计使用要求。该研究以期为山地辣椒收获机及其他山地机器液压系统的改进与优化设计提供理论依据。

韭菜联合收获机的设计与试验

针对当前韭菜机械化收获存在的割茬不齐、铺放乱序及人工归集打捆效率低等问题,结合韭菜物理特性及国内韭菜种植模式,设计了一种集喂入切割、夹持输送、有序铺放及归集打捆于一体的韭菜联合收获机。整机采用电动自走式结构,重点设计了扶禾喂入装置、切割装置、夹持输送铺放装置、集束与打捆装置等关键工作部件的结构参数。构建了韭菜收获打捆试验台,开展了韭菜收割打捆试验,结果显示:收获齐茬率93.1%,损伤率2.6%,损失率1.8%,收获机能够较低损伤、较高质量地完成韭菜齐茬收割、有序输送和集束打捆的联合收获,各性能参数达到了设计要求。

韭菜收获机圆盘切割装置设计与试验

针对现有韭菜收割机作业时出现的不完整、漏割等问题,结合韭菜的物理特性,设计一种兼具扶禾、切割、收集组合式韭菜收集机械。对关键部件圆盘刀进行结构参数、运动参数的确定,开展切割理论分析;利用MATLAB软件,选取机具作业速度分别为0.2 m/s、0.3 m/s、0.4 m/s、0.5 m/s,对切割圆盘进行运动仿真,得到不同作业速度下的切割区域变化规律;以机具的作业速度为试验因素,以割台损失率、漏割损失率为指标,进行单因素试验,确定机具作业速度范围。结果表明,当韭菜收获机圆盘刀转速为3000 r/min时,作业速度为0.4 m/s,韭菜切割收获装置性能最优,此时韭菜割台损失率均值为2.8%、漏割损失率均值为2.2%。

履带浮筒式挖藕机滑橇支承装置设计与试验

针对履带挖藕机行驶阻力大和下陷深的问题,该研究设计了一种滑橇支承装置,该装置安装于底盘两侧,由液压驱动其上下运动调节所在位置,可辅助支撑底盘,从而降低履带接地压力和下陷深度以改善通过性。为明确增加滑橇支承装置后底盘行驶性能的变化,以履带浮筒式挖藕机底盘为对象,建立底盘行驶阻力和牵引力模型,对土壤与滑橇前端破土面间的挤压受力进行理论分析。以前进阻力为指标,建立原尺寸三分之一的滑撬比例模型,利用EDEM软件开展单因素仿真试验,获得滑切角、斜切角、行进速度和下陷深度对前进阻力的影响规律。以滑切角、斜切角、行进速度为影响因素开展Box-Behnken中心组合试验,结果表明,滑切角40°、斜切角70°、行进速度0.1 m/s时前进阻力最小,仿真模拟与台架试验结果分别为66.09和82.28 N。开展采用滑撬支承装置前后的履带浮筒式挖藕机田间行驶性能对比试验,结果显示,采用滑撬支承装置前后行驶马达阻力矩降低6.51%,底盘下陷深度降低7.64%,整机通过性得到提高。研究结果可为水田地面机器系统行走装置设计及其工作机理研究提供参考。

4BL-1型白萝卜联合收获机缨叶聚拢装置优化与试验

为解决白萝卜机收过程中因缨叶聚拢不全导致损失率与损伤率高、切头合格率低等问题,该研究依据白萝卜缨叶物理力学特性,设计了一种白萝卜缨叶聚拢装置,以实现白萝卜缨叶从田间自然“半散开”状态聚拢成束,利于后续拔取作业。构建白萝卜缨叶聚拢装置运动学模型,确定“拢缨速比”的取值范围;构建装置结构参数和前进速度、拢缨速比及作业姿态等运动参数及拢叶机构倾角对缨叶聚拢性能影响的数学模型,并求解出各因素优选区间。以缨叶聚拢成功率、缨叶破损率为评价指标,开展三因素三水平正交组合试验,依据响应面法分析各因素对二者的影响效应,并对模型进行优化。试验结果表明:缨叶聚拢成功率影响显著性顺序为前进速度、拢缨速比、拢叶机构倾角;缨叶破损率影响显著性顺序为拢缨速比、拢叶机构倾角、前进速度;最优参数组合为:前进速度0.4 m/s、拢缨速比3.9、拢叶机构倾角86.3°。在最优参数组合下开展台架试验验证,结果表明:缨叶聚拢成功率、缨叶破损率分别为92.04%、8.81%,满足拔取式白萝卜联合收获机缨叶聚拢需求。研究结果可为白萝卜收获机械的设计提供参考。

油菜薹对行自走式收获机设计与试验

针对我国双低油菜“油蔬两用”多功能开发与利用过程中,油菜薹人工收获效率低、成本高且机械化收获技术与装备缺乏等问题,提出了集低茬双动切割、柔性夹持输送、抛送铺放、横向输送、集箱等环节的油菜薹机械化对行收获工艺方案,并在分析油菜薹种植农艺与机械化收获要求的基础上,设计了油菜薹对行自走式收获机。阐述了整机结构与工作原理,开展了切割装置、夹持输送装置、横向输送装置等关键部件结构设计与理论分析,结合油菜薹沿输送路径迁移的几何与运动学条件确定了收获机主要结构参数与工作参数。田间试验结果表明,当刀机速比系数为0.8、夹持输送速度为0.37 m/s、横向输送速度为0.5 m/s时,收获作业过程中无漏割,夹持输送成功率为93.69%、作业损伤率为7.4%、作业生产率达0.17 hm^(2)/h,收获机各关键部件运行较稳定,可一次性实现切割、夹持输送、横向输送、集箱等工序,各项性能指标满足油菜薹机械化收获作业要求。

茶树嫩梢形态与力学特性试验研究

为探明茶树嫩梢芽叶形态分布及采摘部位受力形变规律,进行了嫩梢形态特征参数统计与力学特性试验。首先,以龙井43、中茶108、白叶1号等6类茶树品种为试验对象,分析适采期茶树嫩梢芽叶分布形态特征与采摘农艺要求;其次,对嫩梢进行了物理参数统计,包括各叶片生长基部到嫩梢顶端距离、茶梢茎秆径宽尺寸以及嫩梢含水率等;最后,开展了茶树嫩梢剪切与弯曲力学特性试验。结果表明,茶树嫩梢叶顶距与各茎秆段等效直径呈正态分布。六种茶树样本一、二、三叶位叶顶距分布范围依次为16~22、25~35、40~60 mm。茶梢的一、二、三茎秆段等效直径分别集中在1.2~1.4、1.4~1.6、1.6~2.0 mm范围内,含水率逐渐降低,大致保持在78%~86%。随着由上至下叶位的变化,茎秆的抗弯刚度和剪切应力逐渐增大,不同茶树品种之间存在差异,但变化趋势相似;茶梢茎秆在受压弯曲试验过程中存在压力突变区间,并以龙井43为研究对象,定量分析了嫩梢在下压过程中茎秆采摘部位的力学特征,该研究为进一步了解茶树嫩梢的物理特征和优化设计茶叶采摘装置提供了理论依据。

甘蓝拔取输送装置设计与试验

为提高甘蓝收获效率,研制适合我国甘蓝种植模式的收获机械,以测定的“秋甜”甘蓝品种的基础物理特性参数为基础,设计一种可实现甘蓝拔取输送的单行悬挂式收获装置。应用SolidWorks软件对装置三维建模并导入Adams软件进行动力学仿真,得到收获过程甘蓝与螺旋凸棱的接触力和甘蓝摆动垂直度的仿真结果,进行正交组合分析表明:装置的最佳工作参数为机具前进速度0.4 m/s、螺旋杆转速300 r/min、螺旋凸棱外径70 mm、限位间距166 mm时,收获甘蓝的垂直度最高,通过田间试验表明该装置收获过程甘蓝的采净率和破损率分别为97.6%、8.24%,收获性能符合预期设计,为研究收获装置样机提供理论基础。

果蔬采摘动作采集系统设计与试验

为提高果蔬采摘机器人动作的准确性,建立一套可应用于农作物采摘的动作数据库。基于视觉识别技术,结合农业生产中对于果蔬采摘动作判断的实际需求进行分析研究,分别从硬软件设计的角度,设计一种针对果蔬采摘动作的综合采集系统。在硬件层面,重点介绍包括UPS电源、运算主机、摄像头等各部件的需求分析及选型结果。在软件层面,介绍软件系统总体架构并将子功能模块化处理,此外重点介绍各功能模块间的软硬件交互方式。最后以苹果的采摘动作为研究对象,设计整机测试试验及动作识别试验来检验系统的完备性。试验结果表明,该动作采集系统对于单一采摘动作的识别具有较高的正确率,识别率达100%。

基于离散元法的胡萝卜挖掘铲优化设计

针对胡萝卜联合收获机工作过程中松土挖掘阻力大、胡萝卜漏拔率高等问题,对收获状态下三角翼形挖掘铲进行受力分析和计算,确定了铲面宽度和铲刃角的取值范围。根据胡萝卜种植模式,建立了挖掘铲-胡萝卜-土壤离散元仿真模型,以挖掘铲面长度、宽度及铲刃倾角为试验因素,以挖掘阻力、土壤破碎率为试验指标开展了胡萝卜挖掘仿真试验,仿真时间历程显示了土壤与胡萝卜随挖掘铲运动的变化过程。利用仿真试验数据拟合建立不同试验因素影响下挖掘铲阻力与土壤破碎率的二次多元回归方程,通过Design-Expert 10.0.7对数学模型进行分析求解,得出了最优参数组合为:铲面长度260mm,铲面宽度370mm,铲刃倾角57°。通过与凿型铲进行对比试验,结果表明:工作阻力降低了9.4%,土壤破碎率提高了2.8%,优化设计的三角翼形挖掘铲在工作阻力和土壤破碎率方面具有良好的松土性能,满足胡萝卜收获要求。研究可为胡萝卜挖掘装置试验研究和设计提供理论参考。

筛分风选组合式油菜复清装置设计与试验

针对现有油菜联合收获后籽粒含杂率高及人工复清劳动强度大等实际生产问题,试制了一款适用于油菜联合收获脱出物复清装置。测定了晾晒后油菜联合收获后脱出物主要组份和各脱出物质量占比及脱出物主要物理特性,并利用脱出物主要物理特性差异,设计了筛分风选组合式油菜复清装置。为验证该装置的作业效果,选取对复清装置性能影响较大的电机转速、风机转速为试验因素,以清洁率和损失率为试验目标,开展单因素试验及双因素综合性能试验研究,当电机转速为1200r/min、风机转速为1350r/min复清作业效果较佳。试验结果表明:装置清洁率达98.4%以上,损失率为2.4%,作业噪音为71dB(A),清洁效率能够达到400kg/h以上,符合油菜复清作业要求。

基于改进YOLOv5s的自然环境下番茄成熟度检测方法

【目的】在番茄识别任务中,现有的目标识别算法速度慢、对遮挡番茄以及小番茄识别准确率低,影响了其在嵌入式设备上的部署和应用。为实现复杂环境下农业机器人对番茄果实的快速准确识别,该研究提出一种基于改进的YOLOv5s模型的番茄成熟度识别方法。【方法】结合番茄生长环境的分布特点,引入MobileNetv3网络和ECANet注意机制,改进YOLOv5s目标检测算法。【结果】改进后的YOLOv5s(Im-YOLOv5s)与YOLOv5相比,准确率、召回率和平均准确率分别提高3.4%、2.4%和2.3%,权重大小降低了48.6%,检测速度提高了52.9%,提高了检测性能,缩短了模型推理时间。【结论】与多种主流目标检测模型相比,改进后的YOLOv5s对番茄的成熟度的漏检和误检大大减少,识别效果更好,具有良好的鲁棒性和实时性,满足对不同成熟度番茄的精准实时识别需求,适合在嵌入式设备上的部署和应用,可为番茄自动化采摘提供技术支持。