无人驾驶农机避障路径跟踪仿真与验证

【目的】为便于验证无人驾驶农机避障路径跟踪的效果,减少实际无人农机试验次数与消耗,设计一种无人驾驶农机避障路径跟踪仿真验证方法,构建一个仿真验证应用系统。【方法】以无人农机为基础,集成真实复杂地形环境仿真、实际作业农机仿真和路径规划算法植入,构建一个一体化仿真验证应用系统。基于三维SLAM技术,采集环境点云数据,实现农田地形环境仿真建模,构建阿克曼转向机械结构的农机仿真建模,提出一种基于农机动力学约束的TEB局部路径规划算法;在仿真验证应用系统中实现路径规划跟踪及避障,并通过多次测试验证该算法的有效性。【结果】避障路径跟踪有效性对比测试和避障路径跟踪平顺性验证测试结果表明,无人农机行驶过程中可有效动态避障,最短有效避障距离为4.1 m。路径跟踪控制效果良好,障碍物距离大于5.0 m时,可控平均误差≤0.4305 m,均方根误差≤0.3151 m;障碍物距离在4.5~5.0 m时,可控误差均值≤1.3538 m,均方根误差≤1.6126 m。【结论】本文提出的改进TEB算法具有较强的作业能力以及较高的作业精度,满足农业机械导航避障路径跟踪仿真验证的需求,该算法可应用于无人农机在实际农田环境的避障路径跟踪。该应用系统易于扩充,为精准农业中针对各种复杂作业环境的农机运作状态的优化设计研究提供基础。

智能农机多机协同收获作业控制方法与试验

为提高多台无人化智能收获机和运粮车协同作业效率,该研究以2台不同型号水稻收获机和1台运粮车为研究对象,开展了智能农机多机协同收获作业控制方法研究。根据协同作业控制决策约束条件,建立协同收获作业中有限个状态过程的改进型连续时间马尔科夫链模型。以减少非作业时间为优化目标,通过模型预测未来一段时间内每台收获机的卸粮时间,动态更新每台收获机的卸粮顺序和时间。仿真试验结果表明:该研究控制方法相对于仓满后再召唤运粮车的卸粮方式有效减少了作业时间,协同收获任务的农机平均作业时间减少了13.58%。田间试验结果表明:智能农机多机协同作业控制方法实现了2台水稻收获机和1台运粮车协同自主作业,在场景1中,相对于仓满召唤卸粮模式,收获机1和收获机2非作业时间分别减少了71.25%和42%,收获效率提高了6.65%和5.22%;在场景2中,相对于仓满召唤卸粮模式,收获机1和收获机2非作业时间分别减少了77.64%和37.09%,收获效率提高了12.07%和5.78%。该文提出的控制方法可以实现收获-卸粮转运自主作业,减少了收获机的非作业时间,提高了作业效率,可为无人农场智能收获协同作业提供支撑。

基于超分辨成像增强对拟南芥内质网动态变化的研究

【目的】为了解决在植物细胞内质网的研究中,成像速度与成像分辨率难以同时满足准确识别精细结构和动态变化的瓶颈问题。【方法】使用结构光照明显微成像技术,对拟南芥活体材料中的内质网进行超分辨实时成像,并优化了自监督去噪框架(Blind2Unblind),以进一步提升快速显微成像的信噪比。【结果】建立了对时间序列成像中内质网结构进行定量分析的方法,并通过对环境胁迫下内质网结构动态变化的追踪进一步验证了方法的有效性。此外,各类参数的相关性分析显示管状内质网的面积和长度与生长端和三叉点的数量显著正相关,而内质网池和整体流的面积与管的面积和长度显著负相关。【结论】优化的自监督去噪框架提升了植物活细胞中结构光照明显微图像的信噪比,实现了管状内质网、内质网池、整体流、生长端和节点等复杂结构和动态的量化,各结构间存在复杂相关性。

基于蝗虫优化PID控制的光伏MPPT技术

光伏系统中最大功率点追踪(MPPT)由于受负载的随机性、太阳辐射的间歇以及环境温度的影响而变得复杂。针对这一问题,提出了一种基于MPPT技术的蝗虫优化PID控制(GO-PID)方法。在提出的MPPT中,蝗虫优化被用来调整PID控制的给定信号前馈分量,以处理由可变的光照和温度引起的所有不确定性,并研究了基于蝗虫优化PID的MPPT技术在快速变化的光照和温度下的性能。该算法克服了扰动&观测(P&O)传统技术最大功率点跟踪方法收敛速度慢、稳态振荡、跟踪效率低等缺点。通过仿真实验与P&O算法进行了比较,验证了该最大功率点跟踪算法的有效性和可行性。

农田精准平整过程中三维地形实时测量方法研究

为提高农田平整作业过程中平后区域田面地形实时测量精度,本文提出一种农田精准平整过程中三维地形实时测量方法(Real-time 3D terrain measurement, Rt3DTM)。以安装有GNSS双天线和姿态传感器的支撑轮式旱地平地机为地形测量平台,利用卡尔曼滤波器融合GNSS与加速度提高定位精度,通过建立平地铲运动学模型获得支撑轮底点的车体坐标,结合平地铲位姿信息对支撑轮底点进行世界坐标解算,并利用最邻近插值法生成地形图。静态试验表明,Rt3DTM方法能准确解算支撑轮底点坐标,平面测量均方根误差小于10 mm,高程测量均方根误差不大于20 mm。水泥路面试验结果表明,在3组不同车速下测量同一段水泥路面三维地形,与真值的高差均方根误差均小于30 mm。田间试验结果表明,Rt3DTM测量的高程均方根误差为16.5 mm,平整度为16 mm,小于30 mm的高差分布列为95.8%,相比机载GNSS测量方法的均方根误差准确性提高29.5%,平整度准确性提高11.1%,高差分布列准确性提高9.5%。提出的Rt3DTM方法能实时准确地获取平整作业过程中平后区域的地形信息,为无人化农田平整实时路径规划研究提供基础。

农作物病虫害遥感监测关键技术研究进展与展望

病虫害是影响农作物健康生长、产量和质量的制约因素之一,加强农作物病虫害的监测,对农作物病虫害进行精准防控,对保障粮食安全,提高农产品产量和质量具有重要意义。随着信息技术的发展,农作物病虫害监测由传统的人工监测逐渐向自动化、信息化和智能化方向发展。农作物病虫害监测平台、监测传感器技术以及相关的数据分析和处理技术是研究农作物病虫害遥感监测的关键技术,这些关键技术的发展水平,决定了农作物病虫害遥感监测技术的发展水平。本文从监测平台、监测传感器技术和相关数据分析与处理技术3方面对农作物病虫害监测技术研究进展进行综述。在监测平台方面,归纳总结了地面监测平台、航空监测平台和卫星监测平台的国内外研究现状,并分析了上述平台优缺点;在监测传感器技术方面,综述了雷达传感器、图像传感器、热成像传感器和光谱传感器等在作物病虫害领域的研究进展;在相关数据分析与处理技术方面,阐述了经典统计算法、计算机图像处理算法、机器学习算法和深度学习算法在农作物病虫害监测领域的研究成果。最后提出了监测平台、监测传感器技术和相关数据分析与处理技术的未来发展趋势,以期为进一步促进我国农作物病虫害监测平台及相关技术的发展提供参考。

履带式花生联合收获机路径跟踪控制方法与试验

为提高无人驾驶履带式花生收获机沙地作业路径跟踪精度,以4HBL-2型自走式花生联合收获机为研究对象,开展了履带式收获机无人驾驶路径跟踪控制研究。建立了履带式收获机运动学模型与虚拟转向角函数关系;以航向偏差值作为观测量、阿克曼模型推算角速度作为测量值,设计卡尔曼融合算法,获得基于阿克曼模型的虚拟转向角度;根据虚拟转向角度对PID路径跟踪算法进行改进,提出了基于预瞄跟踪的双PID路径跟踪控制方法;通过脉冲宽度控制器实现了履带式花生收获机路径跟踪精准控制。仿真试验结果表明:基于预瞄跟踪双PID的路径跟踪控制方法能够进行路径跟踪控制,具有控制平滑和稳态误差小等特点。田间试验表明:花生收获机在沙地以0.6m/s的速度作业时,系统直线跟踪平均绝对误差为2.23 cm,最大偏差为4.14 cm,相对于PD路径跟踪控制器分别提高了56.12%和66.07%。上线试验中,初始偏差分别是0.5、1.0和1.5 m时,上线时间分别为11.00、12.92和13.78 s,上线距离为6.60、7.75和8.26 m;最大超调量分别为5.68%、5.84%和8.06%,相较于轮式收获机,上线距离分别减小了1.92%、4.43%、8.71%,超调量分别减少了8.45%、17.56%、5.17%;接行最大偏差为5.87 cm,平均绝对误差为2.72 cm,接行偏差在±5和±10 cm内的比例分别为97.11%和100%,路径跟踪控制精度能够满足沙地无人驾驶作业要求。

基于激光感知的农业机器人定位系统

为解决基于全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)的农业机器人和自动驾驶农机在机库、大棚等卫星信号弱或无环境下定位精度低甚至无法定位的问题,该研究提出了基于激光感知的农业机器人定位方法。采用二维激光雷达和激光接收器设计了基于激光感知的机器人定位系统,通过二维激光雷达发射扫描激光获取机器人上激光接收器的点云,同时激光接收器感应扫描激光,融合感应扫描激光时间差和激光接收器点云特征,得到移动激光接收器(即农业机器人)的定位。以全站仪测量为参照在大棚内开展验证试验,结果表明,在激光雷达扫描范围内,机器人行驶速度为0.8 m/s时,直线行驶时最大偏差绝对平均值为4.1 cm,最大均方根误差为1.5 cm;曲线行驶时最大偏差绝对平均值为6.2 cm,最大均方根误差为2.6 cm,满足农业机器人在农机库等环境中自动导航所需定位精度要求。

练就基层网格化管理基本功

党的二十大报告指出,“完善网格化管理、精细化服务、信息化支撑的基层治理平台,健全城乡社区治理体系,及时把矛盾纠纷化解在基层、化解在萌芽状态”。党中央的科学决策不仅为基层社会治理指明了方向,也提供了方法论指导,是具体工作实践的基本遵循。网格化管理可以有效整合各方资源、信息和服务,是夯实基层社会治理基础、提升基层社会治理能力必须练就的基本功。各地党委政府应着力优化服务网络,提升智治水平,以问题为突破,以强基为导向,推进网格化管理走深走实。

职业教育助推乡村振兴的逻辑机制

在推动乡村振兴的过程中,职业教育的作用越来越明显,然而当前职业教育推动乡村振兴的逻辑机制并不清晰。为深入探索职业教育与乡村振兴的逻辑关系与作用机制,对布迪厄教育理论及其核心概念进行回顾,基于布迪厄教育理论对当下城乡“二元”格局进行理论阐述,并在此基础上深入探索职业教育助推乡村振兴的内在逻辑和行动逻辑。研究发现乡村职业教育能够改善文化资本造成的代际差距,并能通过对乡村振兴的支撑进一步强化教育“场域”能量。因此,要优化完善“场域”主体结构,增强职业教育“场域”内资本力量,推进“场域”融合,实施多元合作。

风光接入下水电机组调节性能评价方法

风电、光伏在电网中占比越来越高,到2050年,风光总装机容量预计将占全国电源的70%,为保障风光接入后电网稳定运行,需借助水电资源进行消纳。但风光电的波动性需水电机组频繁参与调节,会导致水电机组调节动态特性发生变化。为量化评估风光接入下水电机组调节性能,构建了能反映水电机组调节性能的指标体系,借助模糊综合评价法客观综合评价风光接入下水电机组调节性能。所提方法可为风光新能源并网提供理论支撑,更好地助力水风光多能互补领域的发展。

基于微小型无人机的遥感信息获取关键技术综述

近年来,基于微小型无人机的遥感信息获取技术广泛应用在农业领域。采用微小型无人机遥感信息平台获取农田作物信息,具有运行成本低、灵活性高以及获取数据实时快速等特点,是目前农田作物信息快速获取的主要方法之一,是精准农业发展的重要方向。该文主要对微小型无人机遥感技术平台的发展、遥感信息获取技术、遥感图像的处理与解析、以及微小型无人机遥感平台应用在作物信息监测和生产管理等方面进行了深入剖析,强调了遥感信息获取与解析技术的重要性和存在的问题,受微小型无人机飞行稳定性和载荷量的限制,如何实时快速准确地调整机载遥感传感器的姿态使被测目标始终处于监测视野中,并实现图像信息的远距离获取与传输,以及如何处理和解析无人机遥感系统获取高质量的遥感图像是微小型无人机遥感技术能否被广泛应用在各研究领域的关键技术。最后,提出了增强无人机飞行控制系统的高稳定性、遥感图像的精确获取及数据的实时传输和高精度的图像后处理方法,对作物信息监测技术的发展和应用具有重大意义,是实现大面积精准农业生产管理决策的重要依据。

无人油动力直升机用于水稻制种辅助授粉的田间风场测量

无人驾驶直升机具有机动灵活、不需要专用机场等特点,目前已在农业航空植保中得到应用。杂交水稻制种中,利用无人直升飞机飞行时其旋翼产生的风力能使父本花粉传播更远,可扩大父本和母本相间种植的宽度,实现父本和母本的机械化耕种和收割,从而实现制种全程机械化。杂交稻制种辅助授粉的效果(母本异交结实率)、作业效率及经济效益与无人直升机飞行时产生的风速、风向和风场宽度等参数密切相关,但迄今尚不明确。该文采用风场无线传感器网络测量系统组成三向风速测量线阵和单向风速面阵在水稻田里对无人油动单旋翼直升机飞行时的风场进行了测量试验,目的在于探明无人直升机在辅助授粉作业时不同方向的风速和风场宽度等参数,以便决策出较佳的飞行作业参数,包括飞行高度、作业航向等。无人直升机授粉作业的飞行速度设置为3m/s,作业载荷为3.75kg,飞行高度为:9、8、7和6m,测量的风向为:平行于飞行方向(X)、垂直于飞行方向(Y)、垂直于地面方向(Z)。测量试验结果表明,上述3个风向的风速值大小排序为VX>VY>VZ,且风速持续稳定,因此,在直升机辅助水稻授粉作业时,平行于飞行方向的风力(即沿着直升机前进方向的飞机尾风)更有益于辅助授粉作业;随着飞行高度不断降低,风场宽度亦有所增加,在飞行高度为6～8m时,达到3级风的风场宽度最大可达到9m,飞行高度为9m时,达到3级风的风场宽度最大仅为4m,明显缩小,综合考虑农艺要求、作业效率及安全性等因素,该文建议无人驾驶油动单旋翼直升机Z3机型的较佳飞行作业高度为7m;直升机逆自然风方向飞行作业时到达水稻冠层的风力较小,很难形成能满足水稻制种授粉所需的风场宽度和风速,而顺风方向飞行时的风场宽度和风速较大,因此采用油动力无人直升机辅助水稻制种授粉时,宜避免逆自然风方向飞行作业。该研究可为无人直升机水稻制种辅助授粉技术的发展提供参考。

多光谱低空遥感图像光照辐射度校正

为了提高受云层阴影影响的遥感图像的信息提取准确度,该文以水稻小区试验过程中为进行氮素水平检测而采集的低空机载高分辨率多光谱遥感图像为对象,对受云层阴影影响的高光谱图像进行光谱校正,从而提高氮素水平检测的精度。试验中采用机载的双摄像机同步采集可见光和近红外的水稻遥感图像,并将两摄像机的图像进行几何校正后合成得到彩红外(color infrared,CIR)光谱图像;同时在图像采集区域布置3块不同反射率的1.2 m×1.2 m标定靶,利用便携式光谱仪测定标定靶的反射光谱曲线,并统计标定靶在图像中各通道的亮度均值。以标定靶在晴天无云和有云图像中的亮度值为节点,对G、R和近红外(near infrared,NIR)通道分别建立分段的线性变换模型进行校正。为验证校正精度,在遥感图像中分别选择大田水稻、小区试验田块和裸地3个不同区域的图像的G、R和NIR通道像素亮度均值及归一化植被指数(normalized differential vegetation index,NDVI)作为评价指标。试验结果表明,和传统的整体线性变换相比,采用分段线性变换校正具有较高精度,G、R和NIR通道校正后的平均误差为8.6%,9.1%和11.7%,NDVI平均误差为11.5%,有效提高了阴影条件下的遥感图像的信息提取精度,提高了受云层影响遥感图像的利用率。研究为低空遥感的图像校正提供了参考。

低成本二维激光传感器室内移动建图方法研究

随着机器人设备的广泛应用,室内自主建图作为设备行动的基础条件,也成为研究的热点。基于低成本的二维激光传感器,该文提出一种室内移动自主建图的方法。该方法通过在移动平台上安装低成本激光传感器获取单帧二维点云数据,采用DBSCAN方法对原始点云数据进行降噪预处理,结合点云近邻聚类并用线性最小二乘法拟合场景结构线段,经RMSE阈值验证确认后,再结合室内结构特点调整线段,最终实现室内自主建图。试验地点选择北京林业大学的四处室内场景,采用该方法采集和处理点云数据获得建图结果,同时手动测量进行比对。分析结果表明,室内自主建图所获得的室内结构线段长度平均绝对误差为3.69厘米,楼道宽度平均绝对误差为2.39厘米。该方法能够低成本实现室内移动建图,建图完整度较好,具有一定的可行性。

马铃薯土传病害的研究进展

马铃薯是世界第四大粮食作物,具有产量高和适应性较强的优点,但其不耐连作,易受土传病害的危害,块茎产量和品质均受到较大的影响。本文对近年来土传病害的种类与分布,影响病害发生的生物因素与非生物因素及土传病害的防治措施进行了综述,并对今后的研究重点进行了展望。

基于局部条纹频率估计的二维高斯滤波方法

提出一种基于局部条纹频率估计的干涉相位图二维高斯滤波方法。该方法采用最大似然法估计局部条纹频率,并用相位噪声的局部标准差评价噪声强度,从而控制滤波器参数实现自适应滤波,并采用仿真数据和SIR-C/XSAR在意大利Etna火山的干涉数据进行试验,将本算法与均值滤波方法和中值滤波方法以及Goldstein滤波方法进行了比较。试验结果表明,该方法不仅能够有效抑制干涉相位噪声,还能够很好地保持干涉条纹的细节信息。

基于贝叶斯门限的静态小波域干涉相位图滤波

干涉相位图中的噪声会妨碍后续的相位解缠,并降低最终的DEM精度。本文提出一种静态小波域的干涉相位图滤波方法。该方法能够自适应地计算贝叶斯门限分类静态小波系数,并可根据干涉相位图特性自适应地选取小波变换的最优尺度值。文中用仿真数据和SIR-C/XSAR在意大利Etna火山的干涉数据进行实验,并将该文算法处理结果与均值滤波、中值滤波和Goldstein滤波的结果相比较。用该算法处理,处理仿真数据所得结果的最小均方误差和相关性均优于其余方法。该算法处理Etna火山的干涉数据时,残余点从30430点降至113点,远少于其余算法的处理结果。实验结果表明:该文算法能够较好地保持干涉条纹细节,有效减少干涉相位图中的残余点,与Goldstein滤波相比也具有一定优势。

不同土壤水分状况下甘蔗冠层光谱特征研究

在甘蔗的苗期和分蘖期,用地物光谱仪对不同土壤水分状况下盆栽种植的甘蔗进行了冠层光谱反射率测试,同时测量土壤的体积含水量,采用差异显著性T检验和线性回归分析的方法对不同土壤水分处理下甘蔗苗期和分蘖期冠层光谱反射率的变化规律进行了分析研究。试验结果表明：在α=0.05显著性水平下,460 nm5、60 nm和近红外波段（760~1 200 nm）,不同土壤水分处理间甘蔗冠层光谱反射率差异显著;线性回归分析结果表明,近红外波段与460 nm、560 nm的反射率比值与土壤含水量均呈显著正相关关系,其中比值植被指数（R960/R560）与甘蔗土壤含水量呈极显著正相关关系,相关系数R2达到0.907。

骨形态发生蛋白-9诱导牙周膜干细胞成骨分化及信号通路的研究进展

牙周膜干细胞(periodontal ligament stem cells,PDLSCs)是牙周膜中一种具有自我增殖与多向分化潜能的干细胞,已证实其运用于牙周组织工程可显著增强牙周组织的形成和修复能力。骨形态发生蛋白(bone morphogenetic proteins,BMPs)是转化生长因子-β(transforming growth factor-β,TGF-β)超家族成员,BMP9作为BMPs家族最强的成骨生长因子之一,已证实其在与PDLSCs相互作用中通过BMP-Smad蛋白和BMP-丝裂原活化蛋白激酶2条途径诱导PDLSCs成骨分化。这些结论对于治疗牙周疾病、抑制骨破坏疾病的进展、以及阐明成骨原因等有着重要意义。文中就BMP9对PDLSCs在成骨分化中作用和功能的影响以及信号通路方面的最新研究作一综述。