智能驾乘式高架草莓采摘车的设计与试验

针对高架环境下人工采摘草莓劳动强度大、效率低的问题,设计了一种面对生产作业的驾乘式草莓采摘车。提出了智能草莓采摘车的整体方案,主要包括智能操控系统设计和现场初加工采摘系统设计。试验中,由3组采摘人在不同限定角度的旋转椅上进行采摘车识别控制试验和现场初加工采摘试验,验证了智能草莓采摘车的实际工作性能。结果表明:草莓采摘车动作识别控制平均准确率为85%以上,能够达到实际采摘作业要求,且更适合长距离全生产性采摘作业;现场称重-包装系统可以直接进行称重—语音提示—打标签—包装的作业流程,大大节省采摘时间,减轻莓农劳动强度。

温室番茄分级机设计与试验

针对现有固定式果品分级机设备庞大,难以适应狭窄的温室作业环境,而移动式果品分级机结构复杂的问题,设计了一种温室番茄分级机。以番茄为研究对象,根据番茄斜面滚动性、皮薄易损性及四分格果箱结构运用三维软件SoliderWorks设计了分级机机构及其关键部件。以STM32单片机为控制器,通过压力式称重传感器DYMH-102采样称重模拟信号,并通过24位A/D转换器HX711进行模数转换,控制器根据番茄称重数值划分番茄等级,并控制数字舵机和电动推杆动作,最终实现番茄分级。结果表明:番茄称重绝对误差为3.8 g,番茄分级周期为4.8 s,番茄分级成功率为87%,分级机作业性能好,可为实现设施农业智能装备和技术发展提供支撑。

采摘机器人深度视觉伺服手-眼协调规划研究

针对现有采摘机器人的识别采摘精度与效率偏低等问题,开展了采摘机器人深度视觉伺服手眼协调规划研究。开发了在手RealSense深度伺服的小型升降式采摘机器人,进行了采放果的工作空间与姿态分析,针对“眼在手上”模式建立了手眼协调的坐标变换模型。对采摘机器人提出了基于在手RealSense深度伺服的由远及近手眼协调策略,并根据RealSense与机械臂参数完成了基于深度视觉的远近景协调关键点间分段动作规划。手眼协调采摘试验表明,末端在X、Y、Z方向的平均定位精度为3.51、2.79、3.35 mm,平均耗时为19.24 s,其中机械臂从初始位开始采果的平均耗时为12.04 s,中间识别与运算的平均耗时为3.82 s,放果动作平均耗时为7.2 s,机械臂动作耗时占整个环节的80.2%。该机器人结构和在手RealSense深度伺服的手眼协调策略可满足采摘作业需求。

基于视觉伺服的温室番茄植株主茎跟踪与测量方法

根据温室番茄智能管理作业视觉信息获取需求,研究了番茄植株主茎动态跟踪与立体测量方法,以提高对叶、果和花等目标的搜索效率。结合工厂化番茄种植特征,采用二自由度双目云台摄像机采集植株主茎图像;在对摄像机与旋转云台之间坐标关系进行标定的基础上,提出针对番茄植株主茎图像跟踪采集的云台伺服控制方法,对作业区域内植株进行自下而上多视角图像动态采集;对相邻视场主茎重叠区域的图像匹配方法进行研究,实现了植株离散图像的拼接和形态恢复;基于主茎跟踪参考点的空间坐标信息,研究了作业区域主茎长度、高度和生长倾角等立体形态参数的测量方法;最后,通过现场试验对主茎拼接与测量方法进行验证。结果表明,在距地面高度600~1500 mm作业区域内,视觉系统跟踪采集的主茎3个区域图像的平均拼接偏差为3.77°;以人工测量结果为对照,采用视觉系统测量主茎长度、高度和生长倾角的决定系数分别为0.9933、0.8426、0.9793,平均测量偏差分别为46.20 mm、18.60 mm和4.33°。本研究可为番茄智能化整枝、采摘和授粉等作业视觉信息获取提供技术支撑。

草莓全程生产机械化技术与装备研究进展

草莓是普遍种植的高效经济作物,草莓的生产管理严重依赖大量人工的高强度作业,因此草莓生产机械化已成为国内外关注的重点。本文归纳阐述了全球草莓生产机械化技术与装备的研究现状,特别针对我国和欧美、日本等国家的草莓种植模式、种植规模和产业特点,对比分析了在草莓生产机械化发展上的差异,指出了各自草莓生产全程机械化的薄弱环节。针对我国草莓以设施种植为主、经营规模偏小、鲜食比例大、栽培模式和技术水平多样的现实基础,指出我国草莓种植装备与技术应向小型低成本、一机多能、绿色电动化、轻简智能化的方向发展,并对草莓种植装备技术与农艺深度融合、信息化、休闲化的未来发展趋势进行了展望。

棚架果园自主导航机器人快速上线方法与试验

棚架果园是一种适用于葡萄、梨和猕猴桃等水果的枝蔓布于架上的果树种植方式,棚架果园环境对卫星信号遮挡严重,现有研究多通过分析果园局部环境特征实现农机的自主导航作业。自主导航的行头上线性能影响生产作业的质量和效率。为了实现棚架果园环境下基于相对定位导航方式机器人的快速上线,该研究提出了一种基于电子罗盘与激光雷达航向信息融合的位姿检测方法,依据精准位姿信息规划上线轨迹和最优上线角以实现快速的上线。该系统作业时,通过触控串口屏人机界面向控制器输入先验棚架朝向信息,融合电子罗盘和激光雷达航向信息获得机器人相对于果树行的精准位姿,按照位姿偏差指标的不同阈值进行车体位姿状态归类并触发相应上线轨迹程序,并以求解的最优上线角度实现快速上线。在模拟棚架葡萄园环境中以自主研发的葡萄生产机器人为试验平台开展快速上线性能试验。试验结果表明:在恒定速度0.3 m/s、初始横向偏差1.4 m和航向偏差-π/4,-π/18,0,π/18,π/4的条件下,上线时间分别为6.11、7.15、7.46、7.74、8.90 s,上线距离分别为1.357、1.367、1.387、1.383、1.403 m。该研究以最优上线角完成自主导航系统快速上线,可为棚架果园无人化作业技术研究提供参考。

语音技术在农业智能化中的应用展望

针对农业智能装备工作环境复杂、操作不便捷与作业效率低的问题,对语音技术在农业智能化中应用的前景进行了展望,并提出农业装备中语音系统软硬件整体架构,把语音技术分为语音提示、语音报警、语音控制、视觉语音4部分.在ROS开发环境中,运用python编译语言建立控制软件系统框架,将成套控制软件分为农作物信息检测单元、作业信息检测单元、接收语音信号单元、作业命令控制单元、语音播报-报警单元,把各功能单元进行模块化编程,实现整套系统的多功能同步协调运行.以葡萄采摘机器人为例,分别实现采摘机器人作业信息语音提示功能、语音控制采摘机器人运动功能、田间葡萄品种与成熟度信息识别储存并语音播报功能,对推进语音技术在农业智能化中的应用具有一定价值.

面向鲜食葡萄无损采运的果穗系统振碰复合动力学建模

为了探明鲜食葡萄采运全周期的落粒、伤粒力学机制与规律,研究了鲜食葡萄果穗系统振碰复合动力学模型构建方法.以葡萄果穗振动模型为基础,提出了改进的葡萄果穗振碰复合模型,根据此模型,基于绝对节点坐标法和自然坐标法分别描述了果粒主穗轴和支梗果梗,得到了果穗系统振动动力学方程.基于虚功原理和连续介质力学原理推导得到了果粒主穗轴和果粒的弹性力和应力表达式,同时基于Hertz模型和Kelvin模型得到了果粒碰撞力的表达式,代入振动动力学方程,最终得到鲜食葡萄果穗振碰复合动力学模型,并简介了求解方法.

基于离散元法的番茄秸秆立式螺旋混合机理

对番茄秸秆碎料的本征参数和接触参数进行测定,以物料自然休止角为判断依据,通过正交试验法标定离散元仿真参数组合,并分别进行仿真试验和样机试验,分析发现:桶内物料颗粒宏观上为对流混合过程;物料颗粒与叶片表面法向方向形成一定角度做发散运动,距离叶片越远,颗粒速度越小;上下叶片之间存在很多湍流区域,无明显直径方向上扩散运动过程;叶片转速提高、螺距增大、填充高度降低都有利于物料混合均匀,揭示的高效混合机理为后期设备的开发与优化提供理论基础.

丘陵稻油联合收获机脱粒清选装置的设计与试验

针对我国南方丘陵山区稻-油、稻-稻-油轮作的生产模式,早稻容易落粒、脱粒损伤大、油菜成熟一致性差及清选困难等问题,设计开发了适用于丘陵山区水稻油菜的联合收获机脱粒清选装置。脱粒分离装置包括可调导流条角度顶盖、单纵轴流滚筒和栅格式凹板筛,清选装置包括离心蜗壳式风机和高清洁率低损振动筛。为了得出适合水稻和油菜收获的最佳工作参数,以导流条角度、脱粒元件形式、滚筒转速、鱼鳞筛开度为影响因素,以损失率和含杂率为性能评价指标进行四因素三水平正交试验。通过田间试验得出到最优工作参数组合:顶盖导流条角度为72°,脱粒元件为纹杆-钉齿滚筒,滚筒转速为700r/min,鱼鳞筛开度为25mm。

改进AOA模式的大田农机无人驾驶导航参数检测系统设计

卫星导航、视觉导航和雷达导航的成本昂贵、系统构成复杂和适用作业场景有限,在生产特征呈现区域化、适度小规模和分布零散的国内南方水田难以实现便捷跨区域作业和无法适用多农业场景。针对上述问题,该研究以大田环境下无人驾驶农机的牛耕式往复作业路径模式为背景,提出了改进AOA(信号到达角度,Angle-of-Arrival)模式的农业机械无人驾驶导航参数检测系统。该系统采用UWB(超宽带通信,Ultra Wide Band)基站-标签作为检测传感器,设计了TBZ(田边双基站-车身纵向双标签)和TBH(田边双基站-车身横向双标签)2种传感器布置方式,实现农业机械无人驾驶过程中导航参数的快速精准检测。静态试验结果表明:对于2种传感器布置方式,在固定的基站间距和标签间距下,随着标签间距或基站间距的增大导航参数检测精度均有所提高,横向偏差检测误差≤8 cm,航向偏差趋近于0,但不大于1°,并通过正交组合试验方差分析明确了2种传感器布置方式的关键参数对横向偏差和航向偏差检测精度影响的显著性,确定了主次因素和较优参数组合。动态试验结果表明:随着车速增大,横向偏差和航向偏差的检测精度有所降低,横向偏差误差均不超过10 cm,航向偏差的检测误差均小于3°,变异系数均小于10%,说明动态环境下自主导航参数检测系统仍具有较高的检测精度,可满足农机大田自主导航作业需求。研究结果可为研制低成本、高精度和便捷的无人驾驶系统提供参考。

果园单人操控式小型升降管理机设计

针对我国果园规格多样、急需小型化和便捷操控空中作业辅助装备的现状,进行了果园单人操控式小型升降管理机的研发。首先,进行了多地多类果园规格参数调研,根据树冠高度、人体尺寸的正态分布规律和丘陵果园的应用需求,实现了升降范围、底盘尺寸、护栏高度等关键参数的人机工程学设计;然后,通过工作台上集成操控盒和丁字活撑脚式自动收放侧板的创新设计,解决了单人便捷的台上一体操控和操作人员与物品的无障碍便捷上下的问题。样机的性能测试和作业验证试验表明:样机能在坡度0°～20°的地面平稳行进,侧倾15°时能满足3.5m高度的作业需求,加装丁字活撑脚结构的侧板释放坡度为26. 7°,操作者可无辅助便捷上下工作台。该机的研制为各类果园的空中作业提供了装备支撑。

温室自主沿边导航的移动平台设计与试验

本研究根据规范化建设的温室行间道路环境及多作业工况等要求,开发了六轮式差速结构移动平台。针对移动平台的承载、转弯灵活性等要求,进行了移动平台承载结构设计;针对多作业模块换接与操控简单性要求,设计了多功能作业模块接口及控制电路。同时,提出了一种基于光电圆弧的沿边导航方法,通过侧向布置的光电圆弧来获取温室移动平台相对于路沿的位姿信息,并基于此位姿信息设计了沿边控制方法。最后,对移动平台进行了直线行走、作业模块搭载及沿边行走试验,结果表明:移动平台实际速度约为理论速度的92%,能够顺利地识别作业模块,且在0.15m/s速度内沿边行走的位置偏差保持在-35^+15mm,能够满足一般温室作业需求。

丘陵水田小型油菜割晒铺放机设计与试验

针对大型轮式油菜割晒铺放机不适用于在我国南方丘陵水田进行铺放作业的问题,设计了一种割幅1500mm的小型油菜割晒铺放机,重点对自走式短节距履带底盘和割晒铺放台等关键部位进行了方案创新,研发了履带防脱轨装置、侧铺的三列同步输送夹持链装置和后铺的拨禾轮+对称式输送带装置,并进行了两种铺放方式的田间作业性能对比试验。结果表明:后铺式油菜割晒机可很好地适应丘陵水田油菜铺放作业需要,并为后续捡拾作业提供良好条件,其铺放角度差、留茬高度差和铺放总损失率等各项性能指标均达到要求,为解决丘陵水田油菜割晒铺放问题提供了新型装备。

小地块履带农机UWB导航系统设计及其基站布置

针对中国南方分布零散和土壤黏重的稻麦、稻油轮作区小地块长期使用轮式农机导致深泥脚现象加重造成自主导航性能变差且卫星导航面对普通大众使用门槛高用户友好性欠缺、难以满足便捷跨区作业要求,该研究以履带农机为研究对象,提出一种基于快速稳态转向原理的路径跟踪控制方法,以农田边界布置随插近距超宽带(UWB,Ultra Wide Band)基站组作为参照路径设计了具备基站偏移误差自诊断自主导航系统,实现小地块内高精度自主导航。近距UWB基站布置最佳方式选取与优化结果表明:双UWB基站平行农机于目标作业路径布置在农田外侧是最佳方式且距农田边界最佳临界距离为10 m。静态校正试验结果表明:快速稳态转向路径校正控制器的跟踪控制误差≤1 cm,变异系数<5%,路径校正时间≤1s,变异系数<3%。动态校正试验结果表明:中低车速的直线作业精度误差≤8cm,随作业车速增大,直线作业精度略有降低,但精度误差≤10 cm,变异系数≤5%。研究结果表明,改进AOA模式大田农机自主导航位姿检测方法与快速稳态路径校正控制策略组合导航具有较高的稳定性和较好的鲁棒性,可满足大田农机自主导航作业需求。研究结果可为高精度小地块农田自主导航技术研究提供参考。

小型升降式采摘机器人设计与试验

针对现有的采摘机器人机械臂自由度受工作空间限制的问题,进行了四自由度升降式采摘机器人的设计。根据国内果树矮化密植的栽培模式,为使机械臂能高效灵活地获取目标空间果实,同时尽量减少机械臂的自由度与结构尺寸,设计了一种小型升降式采摘机器人。对采摘机器人样机进行了单关节位置控制误差试验,结果表明:升降机构位置误差平均值为3. 02mm,最大值为4. 55mm;腰关节位置误差平均值为1. 21mm,最大值为2. 14mm;肩关节位置误差平均值为1. 55mm,最大值为1. 36mm;肘关节位置误差平均值为1. 06mm,最大值为2. 33 mm;腕关节位置误差平均值为1. 11 mm,最大值为1. 97 mm,基本满足果园采摘作业的要求。

丘陵轻简型稻油联合收割机设计与试验

针对大中型联合收割机不适用于在我国南方丘陵山区进行收获作业和稻油兼收的问题,设计了一种丘陵轻简型水稻、油菜联合收割机,并重点对双控型全液压小型履带底盘、全液压稻油兼收割台和负压吸杂与旋震筛组合清选机构等关键部位进行了方案创新与尺寸优化设计。试验结果表明:该机的乘坐-尾部双操纵方式和全液压差速底盘可很好适应丘陵地区狭小分散田块的作业需要,立割刀装拆便捷,对水稻和油菜进行收获作业的总损失率、含杂率、破碎率等各项性能指标均达到要求,为解决丘陵地区稻油联合收获提供了新型装备。

散体物料堆自动上料机的设计与试验

针对现有物料上料设备均靠人工或配套的机械才能完成将堆放在地面的物料向输送系统的投放或喂入,而不具备自动上料现状,研制了一种物料自动上料机。设计了曲柄摆杆式铲料机构,解决了对料堆的自动取料难题,并完成了参数定型和样机开发。以无土栽培基质为对象、上料效率为试验指标开展试验,结果表明:自动上料机在带速0.2~0.5m/s时能够顺利实现将地面基质铲运并抛洒至输送带上,可实现5.2L/s的基质装箱效率。试验验证,该设备也能有效满足谷物、面粉、肥料等农业散体物料堆的上料作业需要,为自动化上料提供了新型的实用装备。

轻便型温室换盘移栽机设计与试验

针对国内中小型温室的实际生产需要,设计了一种轻便型温室换盘移栽机,提出了多爪间隔定距取放苗方案,从而大大简化了传统含爪距扩展的多爪取放、输送系统。同时,提出了源盘与目标盘的长距链传动推杆输送结构,取代了传统三伺服的喂盘取盘短距链传动与长距带组合结构,在实现结构轻量化的同时,有效提高了穴盘输送的定位精度。整机控制系统实现高度集成化,使用了模块化的软件设计,减少了被控对象和控制流程,并降低了整机功耗。试验结果表明:源穴盘换行作业平均误差0.25mm,换盘作业平均误差0.89mm;目标穴盘换行作业平均误差0.31mm,换盘作业平均误差1.09mm;多爪取放苗机构可高效完成取苗栽苗作业,水平输送机构以1.5m/s驱动多爪取放苗机构高速稳定的往复运动。该机的研制为各类温室育苗的移栽作业提供了装备支撑。

高架草莓摆动式小型施药机设计与试验

针对温室高架草莓的机械化施药需要,在对高架栽培环境、草莓植株特性和病虫害防治等调研的基础上,设计开发了高架草莓摆动式小型施药机。利用CFD仿真模拟技术对不同竖直施药角度和辅助风速进行雾滴群体沉积运动模拟仿真实验,结果表明:风速越大雾滴沉积距离越远,角度越大雾滴沉积距离越远,雾滴在空间内的运动轨迹可以看作是圆锥形雾柱;喷筒角度在10°~50°、风速为12m/s时,雾滴沉积密度最大,且纵向喷幅范围最广,喷幅范围为0.5~5.1m。进行了棚内实地喷雾试验,结果表明:雾滴沉积量随风速增大而增大,沿纵向方向呈"近大远小"的分布特点,沿横向方向呈周期性"波浪线"分布,在0.5m/s行进速度和15°/s喷筒摆动速度下,雾滴横向沉积均匀性和覆盖率最佳。