农业采摘机器人产业化进程分析与多臂高速化技术走向

在经历了长期的摸索和积累后,全球采摘机器人的产品化进程正在不断加速。随着我国农业生产对采摘机器人需求的快速刚性化,众多企业纷纷加入,生产销售逐步展开,但作业效率不足已成为其全面产业化和生产应用的核心障碍。本文在分析我国采摘机器人效率现状的基础上,归纳了机器人采摘的提效技术模式和多臂化途径,指出了国内外采摘机器人多臂高速并行的发展态势。在总结多臂采摘机器人臂型设计、视觉技术、任务与运动规划技术发展现状的基础上,提出了采摘机器人产业化的发展趋势与目标,认为从手眼高精准向综合强容差、从专用定制化向通用模块化、从专业性装备向用户型产品发展是采摘机器人产业化的技术走向。

基于电子果实技术的核桃多点同步振动参数监测与脱落条件研究

设计了一款面向核桃的电子果实系统,该系统整合了多点振动参数采集及模拟脱落功能,用于研究采摘过程中的动力学行为及脱落条件。通过建立核桃与树体的动力学模型并确定核桃脱落判定条件,研制了设备及其配套的室内实验平台。通过室内实验验证了电子果实系统的功能可靠性。在户外实地采摘实验中,通过电子果实系统多点同步采集果实振动数据并分析,结果表明,核桃在振动采摘过程中主要做法向振动,核桃所受法向力是导致其脱落的主要因素。整合了多点同步测量及模拟脱落功能的电子果实系统可为研究核桃的脱落条件提供有效的数据支撑。

甘蔗收获机多路阀阀芯的温升及热变形仿真分析

多路阀是甘蔗收获机械液压系统的核心元件,用于控制多个工作装置的协同作业。针对其阀口压差变化大,节流温升明显,易造成阀芯变形卡滞的问题,对多路阀阀芯进行了流固热耦合仿真研究。利用Design Model软件抽取对应流道,并建立不同开度的多路阀流场仿真模型,导入ANSYS Workbench平台进行不同工况下的流固热耦合仿真,分析对比了双U形和三角形节流槽在不同开度、不同进出口压差工况下,多路阀内部流场的流体速度、阀芯温度及变形的情况。结果表明:双U形、三角形节流槽阀芯最高温度始终在节流槽处;随着阀进出口压差增加,油液的最大流速以及两种节流槽型阀芯的最高温度和最大形变量增大,但三角节流槽型阀芯变形相对较小;随着阀口开度的增加,三角节流槽型阀芯温度及最大形变量均小于双U形节流槽阀芯;三角节流槽型阀芯的最大形变量较双U节流槽型阀芯小25.1%。为农业机械多路阀阀芯节流槽设计提供了理论依据。

基于EP-YOLO v8的瓶栽金针菇最优抓取位置定位方法

针对工厂化瓶栽金针菇自动切根过程中,夹持末端因结构设计导致行程固定,进而影响抓取效果甚至切根质量的问题,本文基于YOLO v8(You only look once)构建改进的Enoki-pick_region-YOLO v8(EP-YOLO v8),实现瓶栽金针菇整体及最佳受力区域(关键抓取区域)的精准定位与轮廓提取,保障抓取参数的可靠性。该方法在网络优化基础上,基于最小欧几里得距离(Euclidean distance,ED)构建掩膜关系归属与判断模型,明确金针菇菇体与关键抓取区域掩膜间父子关系并合并优化。通过解析合并前后关键抓取区域的相对位置编码,确定抓取参数并进行坐标转换,为建立末端控制映射模型实现末端机械手运动行程的精确控制提供基础。实验结果表明,本文所提算法的金针菇菇体掩膜识别精确率达99.3%,关键抓取区域掩膜识别精确率达99.6%。同时,对比发现掩膜质量得到了提高,获取的参数抓取区域宽度与实际宽度之间的误差仅为0.7%,抓取参数基本满足抓取条件,能有效实现最优抓取位置的精准识别与定位。

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。

双体多向型激振装置参数研究

为提高果树振动采摘响应均匀性,同时提高果实采收效率、降低能耗、减少果树与果实的损伤,设计一种双体多向型激振装置,主要由偏心块、传动齿轮、传动轴、箱体等组成。建立振动装置-果树振动系统,并分析6种不同的偏心块转速比与偏心矩比组合产生的非圆周载荷效果。首先,采用多视角三维重建技术获取果树三维模型;然后,运用ANSYS进行果树谐响应分析得到激振装置的最佳工作频率;最后,运用ADAMS建立果树动力学仿真模型,比较非圆周载荷、直线载荷、圆周载荷下的果树加速度响应。仿真结果表明:当两偏心块转速比为3∶1、偏心矩比为1∶1时,果树在非圆周载荷下的加速度响应均值为194.35 m/s^(2),高于直线载荷下的(186.28m/s^(2)),略低于圆周载荷下的(204.41 m/s^(2));非圆周载荷的加速度响应变异系数为0.575,低于直线载荷的(0.625)和圆周载荷的(0.622),说明非圆周载荷有更均匀的加速度响应。田间试验表明,该装置的采摘率为92.2%,果实损伤率为4.6%,优于单偏心激振装置。

自走式马铃薯捡拾装袋机设计与试验

针对马铃薯分段收获中,人工捡拾劳动强度大、效率低、成本高的问题,设计了一种自走式马铃薯捡拾装袋机。该自走式马铃薯捡拾装袋机能一次性完成马铃薯捡拾、薯土分离、除秧和装袋的工作。阐述了自走式马铃薯捡拾装袋机整体结构,并对捡拾装置、升运链装置、三级输送链装置、分拣台以及卸料装置等关键部件进行详细设计;运用DEM-MBD耦合的方法对马铃薯在两级输送链交接处的运动过程及受力情况进行分析;运用Box-Behnken试验方法,以漏薯率和伤薯率为评价指标,以整机前进速度、捡拾装置输送链线速度、升运链线速度、三级输送链线速度为试验因素,对该机工作参数进行四因素三水平试验,使用Design-Expert软件建立二次多项式回归模型。对回归模型进行优化后,绘制响应面,并得出该机最优工作参数。田间试验表明:当前进速度为0.70 m/s、捡拾装置输送链线速度为1.10 m/s、升运链线速度为1.20 m/s、三级输送链线速度为1.30 m/s时,漏薯率为2.82%,伤薯率为3.61%,满足马铃薯捡拾收获作业要求。

高性能多方向双圆弧形压电能量收集系统

为了解决传统压电能量收集系统通频带窄、功率密度低的问题,本文采用线性多模态共振法,提出一种双圆弧悬臂梁内外反向拼接的压电能量收集系统。两根梁上各覆盖一个压电层,压电层之间串联连接。建立二自由度系统集总参数模型和机电耦合模型来分析频率响应和输出性能。对比压电层弧度不同的压电能量收集系统的输出性能,根据测试结果,当弧度为0.5π时输出性能最佳。设置激励加速度为0.1 g,一阶模态下,谐振频率为82.19 Hz,开路电压为49.65 V,最大输出功率为3.74 mW;二阶模态下,谐振频率为119.14 Hz,开路电压为44.74 V,最大输出功率为3.54 mW。测试结果表明,该结构可有效拓宽通频带宽度至52 Hz,且功率密度高。该压电能量收集系统结构简单易于制备,工作频带宽,可在频率波动大的环境下供电,同时体积小、功率密度大,能在多方向激励下高效率收集能量,可应用于可穿戴设备、低功率设备等多个领域。

农业运输机械田间路径协同分配模型研究

田间任务分配是多农机协同工作分配中的核心问题,在农忙时期,需要多种农业机械配合完成多项田间作业任务。为了提高田间农业机械工作效率及协同管理,在充分考虑供需匹配、农机作业能力、作业周期和路径成本的基础上,提出了基于蚁群算法下多机任务协同分配模型,并以农作物收获试验为例,通过MatLab对改进蚁群算法的多台农机协作的动态和静态任务分配进行了仿真分析。研究结果表明:当任务数量设置为11时,谷物联合收获机和农业运输机械的成本分别降低了50%和22%,表明改进的蚁群算法可以有效降低路径成本;当任务数量设置为5、11、16、22时,农业机械平均运行周期分别缩短了65%、38%、56%、56%,可以避免田间部分农机超载和其他农机闲置等问题,缩短了农业机械作业周期。研究结果可为解决复杂农田作业时多农机协同调度管理问题提供技术参考与应用依据。

农业收获运输车多车路径规划的优化研究

谷物收获后由农用运输车从分散的农田运到集中粮仓。由于谷物联合收获机进行谷物转移属于动态变化,农业运输车在规划范围内多次使用,故提高农业运输车合理调度及运输计划是保证农业运输车高效运行的重要因素。为此,将谷物联合收获机及农业运输车的田间谷物收获及运输视为具有动态卫星的两级多行程车辆路径问题,提出了混合整数线性规划模型,求解农用运输车田间多车路径规划最优解,并通过计算试验进行模型稳定性的验证。研究结果表明:模型误差较小,可以满足农业生产基本要求,研究结果可为农业生产实施最佳收获作业提供决策模型。

一种“回”字形多方向压电能量收集方法

该文介绍了一种“回”字形的多方向微型压电振动能量收集装置,其由尺寸为34 mm×2 mm×1 mm的正方形边框包围,内部结构包含4个非对称的组合悬臂梁,主悬臂梁固定于边框内壁,并与z方向垂直,次悬臂梁连接在主悬臂梁的末端质量块上。首先建立基础激励条件下组合悬臂梁振动系统的动力学模型。然后,通过有限元仿真分析对比了不同刚度和质量对位移幅值的影响,验证了组合悬臂梁系统的振动特性,并确定了最佳结构参数值:当主、次悬臂梁厚度均为0.3 mm,主、次质量块的最佳惯性质量分别为619.32 g、342.3 g。经仿真计算得到z方向可输出电能功率为3.1385 mW,x、y方向可输出功率均为0.7205 mW。最后搭建微型能量收集器实验平台,在实际测试中z方向的输出功率为2.85 mW,x、y方向的输出功率均为0.57 mW。

多向振动俘能器设计及能量收集实验研究

针对线性、单一的振动能量俘能器存在工作频带狭窄、只能采集单向振动等问题,该文提出了一种适应货运列车等多向振动应用场景的新型多向振动俘能装置,以增强对环境中振动能量的俘获。该装置结合压电和电磁俘能器,通过螺旋圆柱弹簧和顶端质量有效捕获多向振动,并通过磁力传递振动能量至压电梁。合理设计了弹簧-质量结构,使其在较低的频率范围内可实现多种振动模态,拓宽了俘能器的谐振频带。为了充分利用压电材料,采用了变宽度压电悬臂梁,使应力均匀分布。压电梁自由端的永磁体随着压电梁的振动而产生变化的磁场,在线圈中产生感应电压。通过有限元分析和实验测试,验证了复合式俘能器可以采集多向振动能量,并测试了在z向振动激励下压电、电磁及复合式俘能器的最大输出功率。在频率9.5 Hz、z向振幅2 mm的正弦波激励下,复合式俘能器输出最大功率为3.276 mW。该系统在理论上可为低功耗传感器提供持续电力,为机械能收集与能量转换领域提供技术支持。

多方向振动能量收集装置输出特性分析

针对一种压电振动能量收集装置输出特性展开研究,以实现多方向、宽频振动能量收集。首先,建立压电悬臂梁单自由度振动系统的微分方程,分析外激励下悬臂梁的输出响应。在此基础上,采用COMSOL建立多悬臂梁式振动能量回收装置有限元模型,并进行模态、输出电压及输出功率等分析,仿真结果表明振动能量回收装置在不同方向激励时均具有较高的电压、功率输出。此外,进一步讨论了装置的在不同方向激励下宽频输出特性,结果显示其在200~400 Hz频带范围内具有多个幅值相当的峰值。

扭摆式多方向压电振动俘能器的研究

为实现多方向振动能量回收,提出了一种扭摆式多方向压电振动俘能器,并从有限元仿真与试验两方面对其输出电压特性进行研究,获得了不同激励角(激励方向与X轴在XOY面内的夹角为激励角)时的谐振频率及其所对应幅值的变化规律。研究结果表明,激励角变化对两阶谐振频率影响均较小,但对输出电压的影响较大且影响规律不同;激励角从0°增加到90°时,一阶谐振电压减小、二阶谐振电压增大,激励角为44°时两阶谐振电压相等。在此基础上,进行了电容充电特性及输出功率特性的试验研究。沿X轴和Y轴方向激励时,电容的存储能速度分别达0.58 mJ/s和0.54 mJ/s;沿X轴和Y轴方向激励时,均存在两个最佳电阻使输出功率最大,即沿X轴方向激励时的最佳负载和最大功率分别为(17,81)kΩ和(4.56,3.4)mW,沿Y轴方向激励时的最佳负载和最大功率分别为(17,61)kΩ和(3.96,3.89)mW。

基于多时相无人机影像的高郁闭度森林采伐生物量估算

为准确估算森林采伐生物量实现森林碳汇的精准计量,针对采用单一时相可见光无人机影像估算高郁闭度森林采伐生物量较困难的问题,基于伐区采伐前后多时相可见光无人机影像,研究森林采伐生物量高精度的估算方法。以福建省闽侯白沙国有林场一个针叶林采伐小班为试验区,采集分辨率优于10 cm的采伐前后多时相可见光无人机影像,采用动态窗口局部最大值法得到高精度的采伐株数与单木树高信息,再基于采伐后无人机影像,运用YOLO v5方法检测并提取伐桩直径信息,根据胸径-伐桩直径模型来估算采伐木胸径信息,再利用树高和胸径二元生物量公式估算采伐生物量,以实测数据进行验证。根据动态窗口局部最大值法获取株数与平均树高精度分别为96.35%、99.01%,运用YOLO v5方法对伐桩目标检测的总体精度为77.05%,根据伐桩直径估算的平均胸径精度为90.14%,最后得到森林采伐生物量精度为83.08%,结果表明这一新方法具备较大的应用潜力。采用采伐前后多时相无人机可见光遥感,可实现森林采伐生物量的有效估算,有助于降低人工调查成本,为政府及有关部门进行碳汇精准计量提供有效的技术支持。

联合收获机知识库数据多表联合查询方法研究

联合收获机知识库系统使用SQL Server数据库,数据库中的众多数据表具有独立性,便于构建和管理。但当知识库数据量达到一定规模后,对数据表逐一查询不具有可操作性,将全部数据表融合又会导致数据结构混乱、内容表述不清、技术无法实现。针对这一问题,提出联合收获机知识库数据多表联合查询方法。从多角度划分数据表类型,分析联合收获机知识库数据存储结构,设置多表联合数据管理范围;应用SQL(Structured query language)语言将多表信息融合为数据集并存入临时表中,实现多表联合运行;利用人机交互界面将用户查询需求转换成多表联合查询语句,生成查询结果,实现多表近似范围查询和多表精确定位查询。多表联合查询与传统单表知识查询之间的测试结果表明,多表近似范围查询比系统原有的单表近似范围查询节约用户操作时间50%及以上,最高达到90.4%;多表精准定位查询比系统原有的单表精准定位查询节约用户操作时间48.1%及以上,最高达到89.6%。多表联合查询的实现使联合收获机知识库系统具有实用性与可行性,可为同类知识库系统数据管理提供可借鉴的思路和方法。

苹果四臂采摘机器人系统设计与试验

针对鲜食苹果智能化高效采收需要,该研究设计了四臂并行采摘的“采-收-运”一体式机器人系统,以代替人工采收作业。以中国矮砧密植高纺锤果树为对象,根据树冠内果实空间分布特征,提出了四臂并行采摘执行部件的作业方式;建立了基于多任务深度卷积网络的果实可见区域识别模型,实现受遮挡果实离散区域语义分割及其归属关系的端到端判别;在此基础上,根据果实表面局部点云信息对其质心进行空间定位;提出了基于时间最优的四臂协同采摘任务规划方法,以实现机械臂对树冠内不同区域的高效遍历。最后在采摘机器人关键部件集成的基础上,在矮砧密植标准果园进行生产试验。试验结果表明,机器人对树冠内可见果实的识别率为92.94%,被识别果实中定位精度满足机器人采摘操作要求的比例为90.27%;机器人平均采摘效率为7.12 s/果,其中四臂协同采摘效率约为单臂采摘效率的1.96倍;对可见果实采摘成功率为82.00%,对树冠内全部果实的采收率为74.56%,枝叶遮挡干涉是造成采摘失败的主要原因。该研究可为鲜果智能化采摘模式的探索应用提供技术支撑。

联合收获机割台高度自动调节装置设计与试验

为了满足多作物联合收获机在收获不同作物时的割台调节需求,研发了割台地面仿形机构,采用接触式和非接触式传感器协同工作的方法检测割台高度,将检测的割台高度平均值与设定值进行比较,并通过模糊控制器来调节割台高度。对4LZ-5B型多作物联合收获机进行了割台高度自动调控的仿真与田间试验研究,结果表明:在收割油菜、水稻和谷子时,割台高度自动调控系统均能稳定运行,且割台高度控制误差不大于15mm,可以满足不同作物的收获要求。

多悬臂梁振动能量收集器的仿真与试验

气动系统已广泛应用于工业生产中,其工作时排出的气体直接进入大气,因而浪费了大量的能量。该文以聚偏二氟乙烯(PVDF)压电片作为能量收集器核心部件,对排出的压缩气体进行了能量收集。设计了多悬臂梁振动能量收集器,利用ANSYS有限元仿真软件分析了压缩气体进入能量收集器后的流场,通过试验测试了压电片发电效果。结果表明,入射口直径、扰流柱直径、入射口压力和入射口距扰流柱距离都会影响压电片发电效果。当入射口压力为80 kPa,负载电阻为900 kΩ时,能量收集器总功率约为120.64μW,与其他收集器相比提高了28.8%。

基于多纹理特征融合的麦田收割边界检测

自主导航是智能化农机完成收割作业的重要保障。该研究针对多云天气下光照易变化导致单一特征难以应对麦田环境的问题,提出基于多纹理特征融合的麦田收割边界检测方法。通过构建由图像熵特征和方向梯度特征组成的二维特征向量对麦田收割区域与未收割区域进行分类。其中,根据图像熵特征提取的特点,提出基于滑动窗口的直方图统计方法加速图像熵特征提取速度,较传统熵特征提取方法,该研究方法耗时减少49.52%。在提取二维特征基础上,根据特征直方图分布特点,结合最大熵阈值分割算法对麦田图像进行初步分类,然后通过去除小连通区域对误分类区域进行剔除,进而运用Canny算子提取边缘轮廓点,得到分布于收割边界附近的待拟合点。最后,通过Ransac算法对拟合直线进行区域限制,得到较为准确的收割边界。试验结果表明,相比传统基于Adaboost集成学习算法提取收割边界,该研究算法处理240像素×1 280像素的图像平均耗时为0.88 s,提速约73.89%;在不同光照条件下,收割边界平均检测率为89.45%,提高47.28个百分点,其中弱光照下检测率为90.41%,提高46.19个百分点,局部强光照下检测率为88.26%,提高46.00个百分点,强光照下检测率为89.68%,提高49.64个百分点。研究结果可为田间农机导航线识别提供参考。