分体刀具式名优茶采摘末端执行器设计与试验优化

针对名优茶机械化采摘过程中侧芽无法采摘的问题,根据顶芽、侧芽及茶梗的相关参数并结合茶园环境设计了一种末端执行器,利用分体式刀具的刀齿弯曲变形适应茶梗的干扰从而采摘侧芽。通过有限元仿真刀具切割侧芽得到采摘成功率的影响因素为刀齿宽度、刀齿长度及刀具厚度;采用三因素三水平的中心组合设计与响应面分析法研究各因素对采摘成功率的交互影响;以采摘成功率为响应值建立二次回归模型,确定各因素对采摘成功率的影响显著性主次排序为:刀齿长度、刀齿宽度、刀具厚度。以采摘成功率为目标对各试验因素进行优化,得到优化后的刀齿宽度、刀具厚度、刀齿长度分别为2.6、0.9、20.0 mm。采用优化后的参数进行茶园采摘试验,结果表明,末端执行器能够有效完成茶叶采摘工作,顶芽、侧芽采摘成功率分别为93%、63%,试验值与预测值的相对误差小于5%,优化模型结果可靠。

名优茶采摘机器人收获试验

研制新一代履带式名优茶采摘机器人并以其为试验对象,在田间进行龙井茶采摘试验,对其检测、定位、末端采摘的精度以及各环节耗时进行试验评估。结果表明,所研制的名优茶采摘机器人检测成功率为88.54%,定位成功率为84.07%,末端采摘成功率为87.22%,整机采摘成功率为61.30%,所采茶叶可满足中端龙井茶要求。单芽采摘时间约1.51 s,1 h可采摘2000多个,基本实现一台机器替代一个工人的采摘效率。

基于Laws与Gabor滤波的田间西兰花花球识别技术

正确识别西兰花田间位置是实现西兰花自动化采收的基础,西兰花花球颜色与植株的叶片、茎秆相似,仅通过颜色特征无法对西兰花进行识别,本文以成熟期的田间西兰花为研究对象,提出了一种基于纹理特征与颜色特征的西兰花识别算法。首先通过预处理以及Laws滤波对图像进行边界纹理强化,再通过Gabor滤波对图像进行纹理特征向量提取,并对提取后的纹理特征向量进行z⁃score标准化,随后对标准化后的纹理特征向量进行K⁃means聚类与开运算,获取花球潜在存在区域。同时对RGB图像进行HSV转换,通过对图像的H分量进行阈值分割达到滤除地面像素的效果。最终对纹理特征识别与颜色特征识别的结果进行融合,实现对田间西兰花的识别。算法通过结合纹理与颜色特征,对田间西兰花进行了识别,解决了西兰花的花球与茎叶等背景颜色相近难以识别的问题。本文共使用792幅图像进行试验,试验结果表明,本方法可以准确地对西兰花田间图像进行识别,其精确率为96.96%,召回率为94.41%,F1值为95.67%。通过对3组不同拍摄环境的数据集进行算法识别,3组数据集的F1值始终保持在94%以上,具有良好的拍摄环境适应性,为农业机器人进行西兰花自动化采收奠定了基础。

螺纹管吸附式名优茶采收器设计与试验

针对名优茶选择性采摘时,因茶叶附壁导致收集成功率低的问题,根据一芽二叶的物理参数设计了一种螺纹管吸附式茶叶采收器。通过预试验得到了影响茶叶收集成功率的因素:负压、螺纹线数和螺纹导程的参数范围;采用Fluent仿真和Box-Behnken响应面分析法,研究各因素对茶叶收集成功率的影响。试验结果表明:3个因素改变管内近壁面处的空气切向速度;各因素对收集成功率的影响显著性主次排序为:负压、螺纹导程、螺纹线数;以茶叶收集成功率为优化目标对各参数进行优化并对优化后的参数取整,得到参数为:负压H=120 Pa、螺纹线数N=9、螺纹导程S=95 mm。以优化后的参数进行吸附式收集试验,结果表明收集成功率为98%,即优化后收集成功率相较于优化前提高26个百分点,试验值与预测值的相对误差小于5%,优化模型结果可靠。

基于作物力学特性的甘蔗收割机参数优化与田间试验

以粤糖54-474甘蔗为试验对象,针对其甘蔗皮和甘蔗芯开展力学特性测试。在这些力学特性参数的基础上建立力学仿真模型,进行甘蔗切割的有限元分析与修正,并在此模型的基础上设计正交试验,对甘蔗收割机的刀具往复速度、工作速度、刀具夹角等参数进行优化。基于正交试验得到的优化参数,研制手扶式甘蔗收割机,并开展田间试验。结果表明:甘蔗破头率为6.9%,定向铺放率为91%,损失率为1.4%,初步达到了设计要求。

夹茎式非圆齿轮玉米钵苗移栽机构设计与试验

为了更好地满足玉米钵苗机械化移栽的要求,该研究提出了一种夹茎式非圆齿轮五杆玉米钵苗移栽机构。以玉米钵苗为对象,分析了钵苗的物理力学特性,为移栽机构的设计提供理论依据;分析了非圆齿轮五杆机构的工作原理,建立了机构的运动学模型;建立了精确四位姿非圆齿轮五杆机构的数学模型;结合玉米钵苗的物理力学特性和移栽农艺要求,确定了移栽机构设计的优化目标;基于Matlab平台编写了辅助优化设计软件并优化出一组合适的机构参数;对非圆齿轮五杆玉米钵苗移栽机构进行了三维结构设计、仿真分析和试验验证。结果表明:移栽机构实际轨迹、仿真轨迹和理论设计轨迹基本一致;台架试验移栽株距为300 mm,频率60株/min时,取苗成功率为95.04%,栽植合格率为90.08%;移栽株距符合要求,钵苗直立度高,移栽效果好,满足玉米钵苗的移栽要求,验证了所提理论方法的正确性和移栽机构的可行性。

融合2D激光雷达与航向姿态参考系统的采茶机仿形方法研究与试验

为推动大宗茶机械化采收,提升大宗茶鲜叶采收效率与质量,针对目前仿形采茶机感知传感器易受接触作用力、自然光照或茶蓬面叶片间隙影响,提出了融合2D激光雷达与航向姿态参考系统(Attitude and heading reference system,AHRS)的采茶机割刀仿形距离估计方法,在此基础上,设计并研制精度验证试验台与自动仿形采茶样机,分别开展了室内与田间试验。采茶机采用2D激光雷达测量采茶机割刀仿形距离信息,为提升测距精度与实时性,结合AHRS感知的加速度信息,提出了融合2D激光雷达测距与加速度信息(Fusion of 2D-LiDAR ranging and acceleration,FLRA)的采茶机割刀仿形距离估计算法,并研制了算法精度验证装置和方法,验证了算法有效性。室内试验结果表明,算法处理前仿形距离测距误差均值为36.53 mm,标准差为23.21 mm,算法处理后仿形距离估计误差均值为8.56 mm,标准差为6.31 mm,算法处理后的输出数据延迟更小,提升了仿形距离测距精度与实时性。田间试验表明,鲜叶采收效率达180~210 kg·h^(-1),割刀覆盖蓬面上鲜叶的平均采收率为92.38%,平均芽叶完整率为85.34%,平均杂质率为4.93%,一芽三叶及以下嫩梢占90.72%,满足大宗茶机采技术标准和后续加工工艺要求,与传统超声波感知的自动仿形采茶机相比,提升了大宗茶鲜叶采收效果。

水轮机可倾瓦轴承承载性能计算及试验研究

在我国大型水轮机组中,流体支承可倾瓦滑动轴承由于有更优的减振性能和承载能力,已广泛应用于水力机械中。为了探究其在实际工程中的承载性能,本文首先介绍其动力润滑原理,根据Reynolds方程及内-外层油膜流量平衡方程、Walther“黏-温”方程,建立了流体支承可倾瓦的油膜压力分布计算模型,基于MATLAB编程数值求解,结果表明内层动压油膜呈“双峰型”分布,静压层油膜在静压腔内为定值,并且在试验的各工况下轴瓦处于单侧浮动状态。对内径125 mm的三瓦流体支承可倾瓦滑动轴承研制了倒置式轴承试验台,并在不同工况下进行了油膜压力的测试,结果表明相比于外载荷,转速对轴承承载性能的影响更明显,在设计轴承时应优先考虑转速的影响。当轴承在较高转速工作时,油膜呈现较大的刚度,具有良好的承载性能,能满足水轮机组的使用性能要求。研究结果为流体支承可倾瓦滑动轴承的性能分析和优化设计提供一定的参考依据。

田间茶树冠层三维信息获取及其高度和轮廓表达方法

茶树的冠层信息是茶树田间管理的重要内容,也是茶叶机械化作业机具设计的重要依据。针对传统的作物冠层信息获取方法费时费力、主观性强且易造成损伤等问题,提出了一种茶树冠层高度和轮廓的获取与估计方法。首先,通过3D LiDAR从多个站点采集茶园的点云数据,对原始点云进行姿态矫正、ROI划分、配准、降噪以及高程归一化预处理,得到高程归一化的茶树点云。其次,通过反距离权重插值法、不规则三角网插值法在不同空间分辨率下生成茶树的冠层高度模型(Canopy height model,CHM),其中,空间分辨率0.05 m下不规则三角网插值生成的茶树CHM具有较好的插值精度,模型产生的凹坑也相对较少。最后,分别以90~100间的21个百分位数提取CHM的栅格值作为茶树冠层高度与实测值比较,结果表明,第98.5百分位数时估计值最为准确,与真值间的相关系数为0.88,平均绝对误差为3.17 cm,均方根误差为4.16 cm。此外,在高程归一化的茶树点云中提取20处冠层断面点云,分别采用椭圆模型、高斯模型和二次多项式模型拟合了冠层轮廓点云,其中,二次多项式模型能更好地反映茶树冠层轮廓特征,点云与拟合曲线间平均最小距离的均值为2.60 cm,方差为0.21 cm^(2)。研究可为茶园现代化管理和茶叶机械化作业机具的设计提供理论支持。

基于响应面法的拉拽式胡萝卜根茎分离试验研究

针对拉拽式胡萝卜收获机存在胡萝卜损伤率高、根茎分离效果差等问题,设计基于伺服电动机驱动的拉拽式胡萝卜根茎分离试验台。以驱动圆盘转速、拉拽杆运动加速度、拉拽杆与输送带夹角为试验因素,以胡萝卜根茎分离成功率和胡萝卜损伤率为响应值,利用Design-Expert 8.0软件,采用Box-Behnken试验法设计三因素三水平试验,分别建立各因素与胡萝卜根茎分离成功率和胡萝卜损伤率的回归数学模型。结果表明,胡萝卜根茎分离机构参数对根茎分离效果影响显著,同时得到胡萝卜根茎分离机构最佳参数:驱动圆盘转速为158 r/min、拉拽杆运动加速度为0 m/s 2、拉拽杆与输送带夹角为48°。胡萝卜根茎分离试验表明,在优化后的工作参数下,胡萝卜根茎分离成功率为96.2%,胡萝卜损伤率为5.2%,可为改进拉拽式胡萝卜收获机提供参考。

3D LiDAR感知的植物行信息提取方法与试验

【目的】针对林间或冠层下等卫星信号严重遮挡的区域,提出一种面向农业机器人导航环境感知的低成本3D激光雷达(LiDAR)点云信息处理与植物行估计方法。【方法】利用直通滤波器滤除感兴趣区域外的目标无关点;提出均值漂移聚类、扫描区域自适应的方法分割每棵植物主干,垂直投影主干点云估算中心点;利用最小二乘法拟合主干中心,估计植物行。分别在开阔地的仿真果园与水杉树林进行模拟试验与田间试验,以植物行向量与正东方夹角为指标,计算本研究提出的方法识别的植物行信息与GNSS卫星天线定位测得的植物行真值间的角度误差。【结果】采用提出的3D LiDAR点云信息处理与植物行估计方法,模拟试验和田间试验对植物行识别误差平均值分别为0.79°和1.48°,最小值分别为0.12°和0.88°,最大值分别为1.49°和2.33°。【结论】车载3D LiDAR能够有效估计水杉树植物行。该研究丰富了作物识别思路与方法,为无卫星信号覆盖区域的农业机器人无图导航提供了理论依据。

三轮非圆同步带传动试验台设计与应用

为了测试三轮非圆同步带传动机构的传动性能,并获取其传动精度,设计了三轮非圆同步带传动性能测试试验台,并进行试验研究。三轮非圆同步带传动试验台以工控机为主控、步进电机为动力,能够实现转速、负载和中心距可调和试验数据采集、实时显示、统计和分析的功能。定义了传动周期偏差率和传动比精度偏差率两指标,用于衡量三轮非圆同步带的传动性能。试验表明,试验台能够完成不同工况的三轮非圆同步带传动测试,负载和速度均影响传动比精度偏差率和传动周期偏差率,对传动周期偏差率的影响更大;当转速在0~300 r/min、转矩在0~50 N·m范围内时,试验所得主-从动轮传动比与理论传动比基本一致,主-从动轮传动周期偏差率为0.80%~4.80%、主-从动轮传动比精度偏差率为0.18%~1.23%;当转速为80 r/min、负载转矩为16.25 N·m时,其传动比精度偏差率0.18%、传动周期偏差率0.80%,为此试验范围内的最佳传动工况。

基于最小切块应力的西兰花切块加工刀具参数优化研究

为了给西兰花切块机的设计提供理论依据,获得最佳切块效果,该文以收获期的西兰花作为切块对象,选择西兰花切块位置、刀具刃角、刀具结构以及入切角为影响因素,在万能材料试验机上进行了单因素与多因素的切应力试验,单因素试验结果表明:切块位置为距离花蕾顶端40 mm、光刀、入切角为60?、刀具刃角为5?~10?之间时切应力最小。多因素试验结果表明:影响切应力的因素主次次序依次是切块位置、刀具结构、刀具刃角、入切角;切块位置为距离花蕾顶端40mm、刀具结构为球形刀、刀具刃角为8?、入切角为90?时切块效果最佳。根据试验优化结果设计了西兰花切块刀具,并在自制的切块样机上进行了切块试验,切块效果良好,切块成功率达到91%,验证了刀具参数优化的合理性。研究结果可为后续西兰花切块机切块刀具的设计提供参考。

缫丝机卷绕机构参数优化及其试验验证

为优选缫丝机卷绕机构结构参数,首先建立不同类型非圆齿轮副驱动的卷绕机构通用运动学数学模型。进一步以生丝卷装断面的理想几何特征为目标函数,建立了通用参数优化数学模型,再通过遗传算法求解满足生丝卷绕工艺的非圆齿轮节曲线参数。选取其中的巴斯噶蜗线型卷绕机构模型为例,进行参数优化、试验台研制及生丝卷绕试验。非圆齿轮副驱动的卷绕机构试验得到的卷装断面廓线与理论计算廓线基本吻合,验证了通用数学模型的正确性,且成形的卷装表面平整度较高、平整段较宽,验证了所设计的卷绕装置在实际作业中的可行性及优越性。

西兰花切块去芯机构设计与试验

为了解决西兰花均匀、高效切块问题,在分析西兰花切块去芯理想轨迹基础上提出西兰花切块去芯机构,建立了运动学分析模型,开发了计算机辅助优化软件,并得到一组满足轨迹要求的机构参数。进行了机构的动力学仿真,仿真轨迹与理论优化轨迹基本一致,机构运动平稳,无受力过载现象。设计了西兰花切块去芯生产线,并进行高速摄像试验,试验结果与理想轨迹、仿真轨迹基本一致,刀具可适应满足出口要求的所有尺寸的西兰花切块,验证了西兰花切块去芯机构设计的合理性和优化的正确性;同时进行切块、去芯试验,切块成功率达91%,去芯成功率为100%,满足市场上西兰花小块的加工要求。

基于大蒜根盘特征的精确切根机构优化设计

为了实现切须后大蒜的精准切根、减少大蒜浪费,在分析直径范围φ42~φ56 mm大蒜根盘特征得出理想切根轨迹的基础上,提出了一种基于大蒜根盘特征的精确切根机构,并建立了该机构运动学分析模型,编写了切根机构分析软件,分析了若干关键参数对切根效果的影响。以理想根盘特征为目标,建立了切根机构参数优化目标函数,优化得到了满足切根轨迹要求的机构参数。根据最佳参数进行切根机构与切根装置整机的结构设计,完成了大蒜切根装置整机的研制和试验,试验结果和理想轨迹基本一致,验证了大蒜切根机构设计的合理性和优化的正确性。切根试验结果表明:在输送线速度为0.15 m·s^(-1)、切根电机转速为65 r·min^(-1)时,大蒜切根成功率达86%,大蒜损失率为8.01%,切根效率可达100头·min^(-1),满足市场上大蒜的加工要求。

分布控制的乘坐式仿形采茶原型机研制与试验

为提高茶鲜叶采摘机械的自动化水平以及采摘完整率,降低采茶机系统开发成本,缩短开发周期,本研究提出了机采茶蓬面割刀自动仿形方法和分布式快速控制原型机低成本开发方法,研制了仿形采茶样机,并开展室内和田间试验。仿形采茶机采用超声波传感器,感知往复式割刀与茶树蓬面间的距离信息,通过丝杆实现仿形传动;利用Hampel滤波和低通滤波算法对距离信息在线预处理,剔除叶间空缺和割刀振动对茶蓬面真实高度估计的影响。为避免PD控制中数字差分对信号噪声的放大,设计了基于非线性跟踪微分器的仿形控制律PNTD。基于CAN总线网络和代码生成技术,实现多执行单元的分布式快速控制原型机并开展试验,室内多次阶跃测试结果表明,系统响应最大峰值时间为0.14 s,最大超调量为3.6%;田间试验结果表明,割刀覆盖区嫩梢平均采收率92.01%,芽叶完整率82.6%,杂质率6.4%,一芽三叶及以下嫩梢占87.91%。研制的分布式控制仿形采茶原型机作业有效,所采茶鲜叶满足大宗茶机采技术标准和后续加工工艺要求。

胡萝卜缨果拉拽式分离装置设计与试验

为了获得胡萝卜缨果拉拽式分离装置最优设计参数,以获取最佳分离效果,建立了拉拽式缨果分离装置运动学模型,定性分析了相关参数对拉拽杆运动学特性的影响。设计了胡萝卜缨果拉拽式分离试验台并进行了缨果分离正交试验,经分析发现拉拽杆的转速对胡萝卜缨果分离效果影响最大,拉拽杆与输送带的夹角对胡萝卜缨果分离效果的影响显著;同时得到了胡萝卜缨果分离装置的最佳参数组合:拉拽杆转速为200 r/min、输送带线速度为1.2 m/s、拉拽杆与输送带夹角为40°,此时缨果分离的一致性为97%,成功率为94%,损伤率为7.7%。

基于EDEM的机采茶鲜叶振动式分级机分级参数优化

针对目前机采茶鲜叶分级设备存在的分级效率低、对鲜叶损伤大等问题。以振动式机采茶鲜叶分级机为试验对象,提出了一种茶鲜叶粘弹性物料建模方法,并以振动频率、振动方向角、振幅为自变量,以筛分率、优质茶筛分率为目标优化值,基于EDEM软件对其进行仿真试验,运用响应面优化法得到优化参数为振动频率29.0 Hz、振幅9.0 mm、振动方向角34.7°。在此参数下,仿真试验得到的筛分率为75.38%,优质茶筛分率为95.65%。根据最优参数组合开展仿真与样机验证试验,结果表明,样机验证试验得到的筛分率为71.07%,优质茶筛分率为93.26%。结合仿真试验和样机试验结果,筛分率的准确性达到93.9%,而优质茶筛分率的准确性达到97.4%。基于响应面分析法的仿真优化参数具有较高的可靠性,在此最优参数下,分级机具有较好的分级效果。本研究可以为机采茶鲜叶分级设备的优化提供参考。

乌龙茶可调幅仿手工摇青装置研制与工艺参数研究

为助推乌龙茶的大规模标准化加工,提高摇青机械的摇青质量和效率,增进装备的适用范围,设计了可调幅仿手工摇青机构和单输入多输出的动力传输机构,建立了该可调幅摇青机构的运动学分析模型,利用MATLAB软件仿真得到球形筛的空间运动轨迹。在此基础上,对研制的摇青样机进行了乌龙茶摇青2因素4水平的多指标正交试验。采用综合评分法将多指标转化成单一指标,并通过正交检验分析得到较优工艺参数。在较优工艺参数下的乌龙茶摇青适度率为84.10%,失水率为33.63%,综合评分达到传统手工摇青的97.75%。试验结果表明,设计的可调幅仿手工摇青机作业有效,在相关工艺参数得到匹配的基础上,可适用于不同季节、不同嫩度鲜叶的规模化和标准化机械摇青;同时也为茶叶加工领域的相关工艺参数研究提供了一种新的解决思路。