大容差高效草莓采摘末端执行器设计与试验

针对目前草莓果实视觉识别中的定位重叠和被遮挡果实的算法复杂、耗时长,末端执行器对定位精度要求高且无法采摘重叠果实和被遮挡果实等问题,设计了一次可采摘多粒果实的大容差末端执行器。该末端执行器采用从下向上拢起果实、在避开障碍后再进行夹持和切割果梗的采摘方式,主要由机械爪拢夹切断机构和垄壁仿形机构组成。将末端执行器安装在采摘机械臂上进行了果实采摘试验。试验结果表明:该末端执行器在定位误差±7 mm范围内都能完成采摘,容差范围大;无需进行重叠成熟果实的分割和目标果梗位置的计算,可一次采摘3粒重叠成熟草莓;对含1、2、3粒果实的果实域,采摘一次平均耗时分别为2.00、2.13、2.28 s,采摘成功率不低于97.7%。

基于视觉伺服的草莓采摘机器人果实定位方法

为解决基于手眼系统的视觉伺服方法在草莓采摘机器人应用中存在的视觉信息反馈延迟大、频率低以及深度信息无法确定等带来的定位耗时长、精度低的问题,采用摄像机曝光信号触发控制卡进行高速位置锁存,结合位置传感器的反馈信息,来减少定位耗时;采用基于运动恢复结构的方法,提高果实采摘参数的精度。在垄坡和摄像机像平面的夹角为±10°范围内的情况下,针对包含1~3粒成熟草莓的果实域,采用直角坐标式机械臂草莓采摘机器人样机进行了定位试验。试验结果表明:定位时间在0.633~0.886 s之间;草莓深度信息的相对误差在-4.34%~0.95%范围内。

理瓶机研究现状及在培养瓶自动排队中的应用

综述了国内外研制的各种类型的理瓶机,重点阐述了各类理瓶机的工作原理、特点和适用场合。针对植物组织培养实际生产中广泛使用的培养瓶的特点,以及继代培养生产过程对培养瓶排队机构的要求,分析了各种类型理瓶机应用于培养瓶自动排队中的可能性,提出了基于输送带式理瓶原理,设计适于培养瓶排队作业的轻简型输送带式排队机构。

高架草莓采摘机器人设计与试验

设计了一款针对高架栽培模式的草莓采摘机器人。该机器人由履带式行走机构、基于机器视觉的精密运动定位机构和一个可同步剪切夹持草莓果柄的末端执行器等机构组成,采用以ARM9为核心的分层式控制系统。温室内实地试验表明该机器人能够自主识别、定位并无损伤采摘高架栽培模式下的成熟草莓,采摘成功率可达88%,采摘单颗草莓时间为18.54 s。

葫芦科穴盘苗单人操作嫁接机器人设计与试验

为提高葫芦科穴盘苗嫁接机器人的人均操作效率,在原先机器的基础上优化改进,设计了葫芦科穴盘苗单人操作嫁接机器人,并进行了效率提高的理论分析,通过分析得出,所设计的葫芦科穴盘苗单人操作嫁接机器人的人均操作效率与操作者的操作熟练度呈负相关的关系,理论上,设计的单人操作嫁接机器人人均操作效率比改进前提高1倍。通过试验得出,在种苗质量有保证的前提下,机器嫁接成功率可达95%,嫁接速度可达455株/h,实际作业的人均操作效率提高了50%以上。

高构架玉米喷雾机门式喷雾系统

为对玉米植株中下部病虫害进行有效防治,设计了将吊杆喷雾装置与横喷杆相结合的门式喷雾系统。通过理论与试验方法确定了主要结构及性能参数:顶喷头与吊杆喷头分别选用80°和110°扁扇喷头,'Y'形支管与吊杆夹角为20°,吊杆长度为1 200 mm,在竖直方向上对作物植株的喷幅为1 150 mm。试验台试验表明:与常规横喷杆喷雾结构相比,在相同喷雾量下该系统对玉米上层与中层叶片正面单位面积雾滴沉积量提高了12.5%以上;吊杆喷雾装置的设计显著提高了玉米植株中层叶片背面与下层叶片正面及背面的雾滴沉积;吊杆喷雾装置与横喷杆的结合,提高了雾滴在植株不同高度水平层面的沉积均匀性。

基于PID的饲料制粒调质温度控制系统设计与试验

为解决颗粒饲料在制粒过程中调质温度依赖人工辅助控制问题,该研究设计了基于PID控制算法的调质温度控制系统。采用开环阶跃响应法建立电动比例调节阀与调质温度之间的控制模型。为了得到最优的PID控制参数(比例系数K_(p)、积分系数T_(i)、微分系数T_(d)),通过Simulink仿真试验对比了Ziegler-Nichols整定法、衰减曲线法和临界比例度法的PID响应曲线,确定PID最优控制参数为K_(p)=52.7,T_(i)=6.4,T_(d)=1.6。对小型制粒机调质温度控制系统进行试验,选用哺乳母猪配合粉料,调质温度分别设定为75、80和85℃,稳定后的调质温度均能维持在设定范围内;选取调质温度为80℃进行稳定性试验,每1 min记录调质温度,整个试验过程中调质温度基本稳定在(80±1)℃范围内,调质温度平均相对误差小于1%,调质温度变异系数小于0.5%,系统温度控制稳定,可自动采集制粒生产数据,实现了制粒过程中调质温度的快速响应和实时控制。研究结果可为颗粒饲料制粒机的自动化控制提供参考。

马铃薯组培苗自动取苗机构设计与试验

根据马铃薯组培苗的特点及其培养环境,设计了一套将整瓶马铃薯组培苗一次性无损伤全部取出的取苗机构。该取苗机构包括母瓶机械手和取苗手爪,取苗手爪伸入培养基从根部夹持住组培苗并保持静止不动,母瓶机械手夹住母瓶后退,实现培养瓶和培养苗的相对运动,最终使组培苗的大部分茎秆伸出瓶外,而培养基卡在瓶口处,便于后续苗株的顺利剪切。分析并确定了取苗机构的关键参数。为了明确2对取苗爪片间距离k、每个培养瓶中组培苗数量n、母瓶机械手速度v、培养瓶摆动频率f等因素对取苗效果的影响,以取苗后培养基的倾斜程度为测试指标进行了正交试验。试验结果表明：2对爪片间距离k是影响取苗后培养基倾斜度的主要因素,而每个培养瓶中组培苗数量n、母瓶机械手速度v和培养瓶摆动频率f没有显著性影响;当2对爪片间距离为26 mm,每瓶苗数为45～55株,母瓶速度为25 mm/s,摆动频率为2 Hz时,取苗后培养基倾斜度最小,取苗效果最好。

基于实例分割和光流计算的死兔识别模型研究

为实现自动化识别死兔,提高养殖管理效率,以笼养生长兔为研究对象,以基于优化Mask RCNN的实例分割网络和基于LiteFlowNet的光流计算网络为研究方法,构建了一种多目标背景下基于视频关键帧的死兔识别模型。该模型的实例分割网络以ResNet 50残差网络为主干,结合PointRend算法实现目标轮廓边缘的精确提取。视频关键帧同时输入实例分割网络和光流计算网络,获取肉兔掩膜的光流信息和掩膜边界框中心点坐标。利用光流阈值去除活跃肉兔掩膜,通过核密度估计算法获取剩余中心点坐标的密度分布,通过密度分布阈值实现死兔的判别。实验结果表明,肉兔图像分割网络的分类准确率为96.1%,像素分割精确度为95.7%,死兔识别模型的识别准确率为90%。本文提出的死兔识别模型为兔舍死兔识别和筛选工作提供了技术支撑。

植物培养瓶自动排序装置优化设计与试验

针对组培苗继代培养过程中培养瓶需要人工输入输出、占用大量劳力的问题,采用运动方向相反的2条输送带与设置在其上的导流板、导流块、分流块相配合的结构方案,设计出一种培养瓶的自动排序装置。导流输送带速度v1、分流输送带速度v2、导流板倾角α和导流块楔角β是影响排序速度和运行可靠度的主要因素,当v1=0.25 m/s、v2=0.4 m/s、α=47°、β=35°时,排序装置具有较高的排序速度和良好的运行可靠度。试验结果表明:该装置能实现组培生产中常用的不同大小、形状的培养瓶的自动排序作业,瓶体运行可靠度大于94%;对瓶底直径相同、形状不同的培养瓶,各种瓶体的排序速度基本相等,但对重心低、质量小的瓶体排序效果更好;对形状相同、大小不同的培养瓶,大瓶体比小瓶体具有更好的运行可靠性。

鱼膨化饲料热风干燥动力学模型及湿热特性

热风干燥是水产膨化饲料加工过程中极为重要的工序。为了探究水产膨化饲料在热风干燥过程中的湿热特性变化规律,该研究以草鱼(成鱼)膨化饲料为对象,设置热风温度(60~100℃)和风速(0.5~1.5 m/s)2个试验因素,在自行设计的热风干燥机上进行干燥试验。结果表明,在同一风速条件下,饲料的干燥速率随着热风温度的升高而显著增大(P<0.01)。同样的,在同一热风温度条件下,增大风速可以提高干燥速率。使用Verma模型拟合上述试验数据,决定系数(R2)、离差平方和(χ2)、均方根误差(RMSE)和平均相对误差(e)的计算结果表明该模型对草鱼膨化饲料在不同干燥条件下的试验数据具有较高的预测精度。同时分别建立了Verma模型参数关于热风温度和风速的回归模型,且回归模型R2均大于0.979。低场核磁共振(Low-Field Nuclear Magnetic Resonance analysis,LF-NMR)的横向弛豫时间(T2)谱显示,随着干燥过程的进行,T21峰面积逐渐减小,即不易流动水占比显著减少(P<0.01);而且弛豫曲线有整体向左偏移的趋势,说明水分与底物的结合更加紧密,自由度降低。红外热像图显示,在干燥时间为5 min时,饲料出现了边角效应;在干燥时间为15 min和20 min时,部分中心处饲料出现了过热效应。上述研究可为草鱼膨化饲料干燥工艺参数的选择提供参考,并为其他种类水产饲料热风干燥湿热特性的研究提供新思路。

基于叶绿素荧光成像的玉米苗期叶片光合特性垂直分布

作物的综合光合作用能力直接决定粮食产量,探明作物光合特性分布机制是开发新品种、研发新农艺的一个关键科学问题。为探究玉米植株光合特性的垂直分布规律,该研究利用荧光成像技术对不同品种和不同氮、水处理的5叶期样本进行图像采集,对植株不同叶片的荧光淬灭特性及荧光参数进行分析。荧光淬灭特性分析表明,叶片光量子产量随垂直高度的增加呈上升趋势;由非加权组平均法聚类产生的四类淬灭特性中,郑单958在不同环境中的荧光淬灭垂直分布异质性小于先玉335和浚单20。关键荧光参数分析结果表明,叶片最大光能转换效率、实际光能转换效率、光反应电子传递活性随垂直高度的增加呈上升趋势,除衰老叶片外的非光化学能量耗散差异性不显著。光合特性垂直分布分析表明,不同土壤氮含量下样本的最大光量子效率(Fv/Fm)有较为显著的二次函数分布特征,随着土壤氮含量的降低,垂直分布的异质性增大;不同品种间的稳态光适应光化学淬灭(qL_Lss)有较为显著的一次函数分布特征,郑单958表现出较强的抗逆性。基于机器学习方法,以荧光参数垂直分布数据分类植株组别的结果表明,郑单958样本的最大光量子效率(Fv/Fm)、微量土壤氮含量下样本的最大光量子效率(Fv/Fm)和干旱环境下样本的稳态非光化荧光淬灭(NPQ_Lss)判别准确率分别达0.82、0.94和0.88,与其他处理及荧光参数相比,垂直分布规律更显著;其他荧光参数的分布特征并不能有效判别样本组别。将叶片按植株形态学自下而上排序,由植株叶片光合垂直异质性关键叶片分析,第2片叶片可以作为垂直分布的“特征叶片”评估玉米品种和土壤氮含量,第1片叶片可以作为垂直分布的“特征叶片”评估植株土壤水含量。

基于空间漫反射光的母兔早期妊娠诊断装置研制

妊娠诊断是肉兔繁殖管理中的重要环节,尤其是早期妊娠诊断,可提前未妊娠母兔的再授精时间,提高种兔利用率,缩短繁殖周期。针对人工摸胎诊断法存在对母兔腹内胚胎产生机械损伤、母兔应激反应大及对工人经验要求高等缺陷,该研究基于妊娠母兔与未妊娠母兔腹内有无孕囊组织所引起的光学特性差异,提出一种基于空间漫反射光的母兔妊娠诊断方法,研制了快速、无侵入式的便携诊断装置。该装置由具有2个红外发光二极管(LightEmittingDiode,LED,LED发光波长分别为850和930nm)、3个硅基光电二极管和外围电路的传感探头和信号处理主机组成。利用该便携诊断装置采集130只人工授精14 d后的母兔(包括63只妊娠母兔和67只未妊娠母兔)腹部漫反射光强度数据,将采集的数据按照7∶3的比例划分为训练集和测试集,训练集数据分别用于建立偏最小二乘判别分析(Partial Least Squares Discrimination Analysis,PLS-DA)模型和支持向量机(Support Vector Machine,SVM)分类模型,测试集数据用于模型性能测试,并对比两种模型的分类性能。同时,利用PLS-DA对采样数据进行有监督的主成分分析和变量重要性分析,结果表明妊娠母兔与未妊娠母兔的采样数据之间存在差异,可以被较好的分类。对比两种分类模型的分类性能发现SVM对妊娠母兔和未妊娠母兔的分类性能均比PLS-DA好,对测试集数据的灵敏度、特异性和准确率分别为80.95%、83.33%和82.05%。研究结果表明,该研究提出的光学妊娠诊断方法可行,研制的诊断装置可对授精14 d后的母兔进行妊娠诊断,对提高兔产业体系智能化装备水平有积极的促进作用。

不同原料配比对混合饲料的糊化特性影响

试验旨在研究不同配比玉米、小麦和糖蜜对混合饲料糊化特性的影响。在实验室条件下,以4种不同品种的玉米、3种不同品种的小麦以及糖蜜为材料,采用快速黏度分析仪(RVA)对17种不同配比的混合饲料糊化特性进行测定。结果表明,不同配比对混合饲料的糊化特性有着均一影响。起始糊化温度与玉米含量呈正相关,与小麦含量呈负相关。糖蜜可显著降低混合饲料的峰值黏度。糖蜜在玉米含量较高时,提高混合饲料的崩解值,而在小麦含量较高时降低混合饲料的崩解值。回生值受三者成分的交互作用影响,糖蜜可显著降低混合饲料的回生值,减缓混合饲料的老化。

基于伴随方程法的鱼饲料热特性参数反演

比热、导热率和导温系数是鱼饲料重要的热特性参数,其在干燥及冷却工艺参数的调整、饲料湿热传递仿真模拟研究中均有应用。为了探究鱼饲料的热特性,同时探究反演算法求解饲料热特性的适应性,该研究以草鱼(成鱼)膨化饲料为研究对象,建立基于伴随方程法的反演模型;利用自行搭建的热传导试验装置并配合红外热像仪(测温精度±0.1℃),以获得饲料试样的温度分布规律;利用此数据可反演计算含水率为11%~17%的饲料在20~80℃温度范围内的比热、导热率和导温系数。使用差式扫描量热仪(Differential Scanning Calorimetry,DSC)和热特性分析仪分别测量饲料的比热和导热率,并计算导温系数,将此作为实测值;将反演算法所得值作为计算值。对二者进行线性拟合,决定系数R;均大于等于0.980,说明比热和导热率的计算值与实测值的误差较小,结果表明基于反演算法的鱼膨化饲料热特性参数测定方法是可行的。同时,结果表明,草鱼膨化饲料在11%~17%含水率和20~80℃温度范围内的比热为1.710~1.840 kJ/(kg·℃)。饲料比热随温度的增大而显著增大(P<0.05)。当含水率由11%增大至17%时,饲料的比热显著增加(P<0.05),且呈线性规律。饲料的导热率为0.086~0.148 W/(m·K),当温度由20℃增大至80℃时,草鱼膨化饲料导热率显著增大(P<0.05);含水率对其影响同样显著(P<0.05)。饲料的导温系数为5.701~10.003 m;/s,且受温度和含水率的影响均显著(P<0.05)。研究可为鱼饲料热特性参数的测定提供一种新思路。

锤片式粉碎机风网系统对其工作性能的影响研究

提高粉碎效率一直是饲料粉碎工段的研究热点,但基于实际生产场景下的粉碎机风网系统对其工作性能的影响却少有论及。文章基于实际生产场景下的锤片式粉碎机风网系统进行三维建模,利用计算流体力学软件Fluent对粉碎机粉碎腔内气流场进行数值模拟,得出不同风量下粉碎机粉碎腔气流场的负压特性分布规律及运动特性,通过调节进风口和风机开度验证了合适的风量可以有效改善粉碎系统工作性能。数值模拟和试验结果表明,锤片式粉碎机粉碎腔内气流场的压差和风速随风量的增大而增大,风网系统风量越大其粉碎系统产能越高,但能耗和水分损耗也会随之增加。综上所述,在粉碎过程中风网系统风量并非越大越好,应根据实际的粉碎系统工况和粉碎原料,选择恰当的风量粉碎系统,整体工作性能才能达到最佳状态。