机耕道自动驾驶农机局部路径规划

针对机耕道场景下自动驾驶农机行驶的安全性、平稳性与规划实时性的实际需求,该研究提出了一种基于二次规划的局部路径规划方法。首先基于有限状态机构建农机机耕道行驶模式,其次采用横纵向解耦的方法,通过改进状态栅格法分别对农机速度行为和轨迹行为进行决策,随后利用二次规划方法生成满足多目标、多约束条件的农机轨迹和速度,得到最优路径,最后在多种行驶环境中进行仿真和实车试验,行驶参考速度为2 m/s。实车试验结果表明,在绕行静态障碍物场景中,规划轨迹的平均绝对曲率为0.021 m^(-1),最大绝对曲率为0.056 m^(-1),平均绝对横向误差为3.23 cm,最大绝对横向误差为8.69 cm,农机与障碍物外轮廓的距离大于0.76 m;在规避相向行驶、同向行驶和横穿机耕道的动态障碍物场景中,规划速度的平均绝对速度误差为0.08~0.12 m/s,绝对速度误差小于0.38 m/s,加速度变化范围为-0.38~0.44 m/s^(2)。在规划周期为200 ms的仿真试验中,该文算法平均耗时48 ms,最大耗时75 ms,相比采用静态状态栅格法平均耗时减少38 ms,算法效率提升44%。研究结果可为机耕道场景下的农机局部路径规划提供技术支持。

渗层强化的果园运输机驱动轮耐磨性能

为解决牵引式果园运输机绳-轮驱动系统驱动轮绳槽磨损严重而导致牵引滑移失效的问题,该研究对基于渗层强化的果园运输机驱动轮耐磨性能进行了分析。首先通过ANSYS软件探究了驱动轮表面应力应变随其硬度的变化规律;随后采用热扩散沉积(thermal diffusion, TD)技术对45钢驱动轮进行了渗钒与渗硼处理,并对渗层的显微结构、力学性能和摩擦磨损特性进行了对比分析,最后利用运输机模拟台架对渗层强化后驱动轮的应用性能进行了测试。结果表明:驱动轮渗钒层和渗硼层厚度分别为20.9和97.3μm,均与基材结合较好;且由于渗层中碳化钒、硼化铁等硬质相的存在,渗钒层与渗硼层硬度分别达到22.08和13.45 GPa,较未处理前提升3~4倍;往复摩擦试验下渗钒层与渗硼层表面摩擦系数分别为0.47、0.44,较45钢分别下降19%、24%。运输机模拟台架应用性能测试表明,干摩擦下渗钒与渗硼处理后驱动轮的平均磨损量较45钢分别降低了88%和81%,其中渗钒驱动轮表面磨损较小;油润滑下渗钒与渗硼处理后驱动轮的平均磨损量较45钢分别降低了92%和85%。综上,热扩散渗钒与渗硼处理均可大幅提高驱动轮抗磨性,其中渗钒层具有更高的硬度与耐磨性,但在应用时需进行实时油润滑,更适合对满足定时维护条件下的驱动轮进行强化;而渗硼层耐磨性虽有所降低,但可在干摩擦下使用,更适合对野外山地环境下无法满足润滑的驱动轮进行强化。该研究结果可为改善牵引式果园运输机驱动轮耐磨性提供可行技术方案。

新能源驱动技术在农业机械中的应用与展望

近年来,能源紧缺和环境污染问题促进了新能源技术的发展,新能源驱动技术应用于农业机械产业,能够实现利用可再生能源驱动,逐渐实现农机运转过程零排放或低排放,创新研发节能、减排、高效农机产业体系。结合新能源驱动技术内涵与特征,分析了新能源驱动的农机产品应用现状、应用方向及主要类别,对新能源驱动技术在农业机械中发展前进进行展望,强调了发展农机新能源驱动技术关键性与必要性。

农业机械底盘智能化发展现状与展望

农机底盘技术是智能农机装备的关键技术,也是影响农业农村现代化的关键技术。欧美农场化、集约化的种植场景和雄厚的工业基础的先天优势使美西方在智能农机领域领先于我国,我国农机底盘的适应性差、智能化程度不足、舒适性差以及安全系数低。为此,从智能驱动、高适应性行走和自主作业三个方面对未来农业机械底盘智能化发展的方向进行思考和展望。着重归纳液压提升、动力换挡、无级变速、可变轮距、线控转向以及无人驾驶等新技术在农业机械底盘上应用的进展,并结合我国实际应用情况阐述农机底盘各系统相关技术的基本原理与特点,最后根据国内外农机底盘的研究进展和国内外的差距,从强化电液压技术与E-CVT的研发与升级、推动多向行走与线控转向技术的落地、实现智能化控制与无人作业等方面为未来智能农机底盘研究设计以及农业农村现代化发展提供参考。

无人农机作业环境感知技术综述

推进农业装备智能化能够有效解决农业劳动力短缺的问题。环境感知是农业装备智能化的首要条件。然而,农业环境的动态变化和非结构化特性限制了无人农机的环境感知能力。该文对无人农机的作业环境信息感知技术进行全面梳理,首先介绍了无人农机作业环境的典型要素和各类感知传感器,并分析了不同传感器的优缺点,然后分别从障碍物感知、作物行感知和农田边界及高程信息感知等方面,对无人农机作业环境信息感知技术进行归纳总结,最后讨论了无人农机作业环境信息感知技术面临的挑战及发展趋势,旨在推动环境感知技术在农业领域的应用,促进农业机械的智能化转型。

设施园艺移动平台分布式驱动自适应防滑控制

针对设施园艺特殊作业场景对电驱移动平台灵活作业与高操纵稳定性需求,该研究设计了一种四轮轮毂电机独立驱动的分布式设施园艺电驱移动平台,并提出了一种可提高转向灵活性与稳定性的自适应防滑控制策略。在该控制策略中,首先构建电驱移动平台动力学模型与Ackermann差速转向模型,结合速度瞬心原理及轮胎侧偏角确定各车轮转向目标转速;其次,为提高电驱移动平台对时变附着系数的适应能力,采用改进的强跟踪自适应无迹卡尔曼滤波算法设计复杂路面识别器,实现对路面附着系数准确估计;最后,设计基于自适应滑模算法的防滑控制器,根据路面附着系数估计值确定车轮相对最佳滑转率并实时控制滑转率。为验证所提控制策略的有效性,开展了Carsim-MATLAB/Simulink联合仿真与分布式设施园艺电驱移动平台实车试验。试验结果表明,所提控制策略可准确估计复杂道路下路面附着系数,降低车轮滑转率误差;在不变路面、对接路面与对开路面3种工况下,左侧车轮滑转率误差分别为0.031、0.015和0.038,右侧车轮滑转率误差分别为0.026、0.005和0.028;在不变路面与随机路面实测路况下,电驱移动平台路面附着系分别数约为0.44和0.47,最大滑转率分别约为0.69和0.68,有效抑制了轮胎转向时的过度滑转,提高了电驱移动平台的行驶稳定性。研究可为设施园艺车辆驱动防滑控制提供具体理论依据和实施方案。

基于扩展卡尔曼滤波的农机路径跟踪控制算法研究

智能农机的路径跟踪精度受田地地形、农机结构等多因素的影响,会导致压坏滴灌带等严重后果。以棉花播种机为研究对象,提出一种由Stanley跟踪算法和线性二次最优控制(LQR)算法组成的切换式跟踪算法,引导农机快速入线和保持直线精度;另外为消除静态横向误差,加入针对航向角误差的扩展卡尔曼滤波器(EKF)。仿真结果显示,切换式跟踪算法在进入目标直线后可有效消除静态横向误差。实车试验结果表明,当给定初始横向误差为0.5 m,速度为3.6 km/h时,入线时间为6.88 s,超调量为0.041 m;当给定初始横向误差为0 m,速度为3.6 km/h时,直线跟踪精度控制在±0.025 m范围内,满足实际农机高精度的直线作业要求,表明该算法具有良好的跟踪精度和抗干扰能力,有利于提升农业生产效率。

面向农机自动驾驶的农田边界线预测方法

农田边界的快速准确提取是自动驾驶农机在田间自主安全作业的基础,也能为农场数字化管理提供基础数据。传统的农田边界线图像特征提取精度不高且边界线提取不完整。本研究构建了农田图像标注数据集并提出了一种基于无人机遥感图像的农田边界获取方法,设计了一种基于DeeplabV3+的改进语义分割模型,利用边界追踪函数追踪二值图像边界,剔除离群点后通过最小二乘算法得到拟合后的边界线。田间试验结果表明,在作物覆盖农田与未被作物覆盖农田上,该网络的交并比分别为92.78%和92.69%,平均像素精度为93.96%,提取边界线的平均垂直误差和平均角度误差分别为4%和0.62°。本研究可为农机自动驾驶的定位与路径规划提供技术支撑。

智能农机自动驾驶关键技术及应用分析

随着导航定位、环境感知、自动控制等技术的不断进步,智能农机自动驾驶技术发展迅速并逐渐应用到农业生产。介绍了智能农机自动驾驶系统整体架构及工作原理,归纳了农机自动驾驶系统所涉及的高精度定位、环境感知、路径规划与跟踪控制、转向控制等关键技术的特点及研究现状,总结了自动驾驶农机的应用场景,包括自动驾驶拖拉机、收获机、插秧机、施肥机等。分析发现,自动驾驶农机在关键技术、标准制定、推广应用等方面还存在一些问题,并针对问题在多传感器融合、路径跟踪算法、标准体系建设等方面提出建议。

气动仿生农业机器人的设计与实现

基于第十届全国大学生机械创新设计大赛(慧鱼组),介绍了一种基于气动控制系统简单、高效等特点的用于农业领域的气动仿蚯蚓运动的农业机器人设计方案,包括机械结构设计、气动回路设计和远程监控系统设计,最后对该机器人进行了调试与实现。其具备的多功能让其具有一定的推广应用价值。

农业机械自动驾驶技术发展现状与未来趋势

随着导航定位、环境感知、自动控制等技术的不断进步,自动驾驶技术发展迅速并逐渐应用到农业机械化生产中。本文通过介绍农业机械自动驾驶系统整体架构及工作原理,归纳农机自动驾驶系统所涉及的高精度定位、环境感知、路径规划与跟踪控制、转向控制等关键技术的特点及研究现状,总结自动驾驶农机的应用场景,分析在关键技术、标准制定以及推广应用等方面的挑战。针对这些问题,提出了多传感器融合、路径跟踪算法优化、标准体系建设等方面的改进建议,以推动农业自动驾驶技术的进一步发展。

农机自动驾驶系统研究应用浅议

针对当前农机自动驾驶系统的应用情况,介绍了该类设备的基本结构、工作原理、分类及相关发展情况。按照信号接收方式、转向执行机构、处理算法、硬件集成方式、配置进行分类,分析不同农业用北斗导航设备的优、缺点,结合实际历年产品市场发展情况分析未来发展趋势,以期促进农业用北斗导航设备的应用,提升农机装备智能化应用水平。

基于AutoTrac的导航控制参数整定方法试验

AutoTrac是领先的农业机械导航系统。田间作业环境的复杂与精细作业效果,要求人工经验实时调整转向灵敏度等最多9个导航控制参数。基于Taguchi法则设计正交试验整定AutoTrac关键灵敏度参数,并在约翰迪尔XUV825i全地形车上进行验证。在不同速度、土壤条件下进行RTK差分信号直线轨迹模式试验,先粗调后细调,建立行驶振荡与稳态横向偏差均方根误差两个指标整定稳态转向灵敏度、横向误差调整灵敏度和方向误差调整灵敏度优化区间。试验表明:速度、土壤条件的不同会明显影响系统稳态运行;该方法可在较少试验次数下整定关键导航控制参数,且所得参数优化区间经验证具有较强的鲁棒性与通用性。该文为导航控制参数自适应调节系统研制打下基础,可推广运用至其他导航系统。

机器学习技术在农业机械领域中的研究进展

随着机器学习这一前沿技术的快速发展,农业机械的智能化进程显著加速,特别是在作业数据的深度挖掘与精准处理方面展现出巨大潜力。本文介绍了机器学习在农机故障监测与诊断、数据驱动决策和自动驾驶三方面的研究进展。同时,也指出了机器学习在农业机械领域面临的挑战以及未来的发展趋势,为后续农业机械的智能化研究提供借鉴。

农业装备自动驾驶技术研究现状与展望

农业装备自动驾驶技术可以显著提升作业质量,提高作业效率,降低作业成本,减轻劳动强度,已成为智能农业装备发展的重要方向。在政策和市场的共同推动下,我国农业装备自动驾驶技术发展迅速,并通过多场景、多层次的示范和应用推动技术熟化,逐步建立了完整的技术体系。农业装备自动驾驶技术系统主要包括环境感知、工况感知、决策规划、横向控制、纵向控制等关键技术。本文首先阐述了农业装备自动驾驶关键技术研究的现状,分析归纳了各技术领域有待解决的关键科学技术问题;结合农业装备自动导航技术产品和自动驾驶技术集成应用两方面,介绍了国内外农业装备自动驾驶技术研发和应用情况;从自动驾驶技术分级研究和建立标准规范角度,对比分析了农业装备自动驾驶与智能网联汽车行业的差距,指出了农业装备自动驾驶等级划分的迫切需求。为应对智慧农业生产非结构环境、高精度农艺和强农时约束三大挑战,建议突出农业生产应用中作业精准化和驾驶自动化双重需求的特点,有针对性地开展农业装备自动驾驶技术研发、应用示范和技术分级等方面工作。

基于预瞄模型的农机路径跟踪预测控制方法

为了提高农机路径跟踪系统控制性能对作业速度变化的适应性,该研究提出一种基于预瞄运动学模型的快速预测控制方法。采用预瞄跟随理论建立预瞄航向误差模型,并将其作为输出方程与路径跟踪误差常规状态方程联立,构建预瞄运动学状态空间误差模型,进而运用模型预测控制算法与输入参数化衰减策略设计路径跟踪控制律。仿真试验结果表明,在不同作业速度下,预瞄模型预测控制器的直线路径跟踪横向误差均渐近趋于0,行驶曲线均无超调;当作业速度为1、3与5 m/s时,预瞄模型预测控制器的圆形路径跟踪横向最大绝对误差分别为8.52、10.42和10.82 cm,标准差分别为3.96、5.83和6.17 cm;当控制时域为10、30与60时,预瞄模型预测控制器的运算周期相对常规模型预测控制器分别减小7.5%、43.0%和48.5%;与常规模型预测控制相比,预瞄模型预测控制能够在确保路径跟踪系统控制精度的同时有效改善系统的动态性能和提高系统的实时性,使不同作业速度下的跟踪效果更加均衡。田间测试结果表明,在0.5~5 m/s作业速度范围内,预瞄模型预测控制器对作业速度变化具有较强的适应性,能够使农机快速平稳地跟踪参考路径并具有较高的控制精度,其直线路径跟踪的横向最大绝对误差均值小于5.5 cm、标准差均值小于2.5 cm,圆形路径跟踪的横向最大绝对误差均值小于15.5 cm、标准差均值小于8.5 cm,跟踪效果满足农机实际作业要求,适于复杂作业环境或高速作业场合。

蔬菜穴盘苗弧形展开式自动取投苗装置设计与试验

针对穴盘苗取投苗装置机械结构较复杂、取投苗易失败等问题,该研究设计了一种蔬菜穴盘苗弧形展开式自动取投苗装置。通过对取投苗作业过程进行分析,提出整排取苗、弧形展开投苗的自动取投苗作业方式,对夹苗组件、导向槽、旋转接苗机构等进行设计,并确定各部件关键参数,搭建PLC自动控制系统,设计执行单元的气动回路方案,并提出匹配延时函数。以辣椒穴盘苗为试验对象,以平均取投苗频率、供气压力、基质平均含水率为试验因素,以取投苗成功率、损伤率为试验指标进行正交试验,并以较优参数组合进行重复验证试验。试验结果表明:平均取投苗频率为90株/min、供气压力为0.4 MPa、基质平均含水率为30%时,取投苗成功率为94.05%,损伤率为1.19%,该研究可为自动取投苗装置的研发提供参考。

多通道高速刨削式油茶果破壳机设计与试验

为提高加工对象适应性及减少茶籽破损,设计一种基于刨削原理的多通道高速刨削式油茶果破壳机,对其工作原理及其关键部件的结构设计进行分析。以推进滚筒转速和摊晒天数为试变量因子,进行油茶果脱壳试验。试验结果表明:破壳率超过99%,碎籽率小于1%。

浅谈5G+工业互联网赋能智慧农业

数字化时代,我国农业生产的发展脚步与其他产业相比有些迟缓。传统粮食的生产和组织方式已经到了变革的拐点,生产中的耕、种、管、收4大关键环节亟待用更集约、更高效的方式进行转型,粮食生产作业全程无人化问题需要破解。目前,基于5G技术,加上智能化、无人化粮食生产相关技术应用是有望解决粮食生产过程中现实问题的关键。

丘陵地形果园多功能电动作业平台设计与性能研究

为解决丘陵地形农业机械化程度低、大型农机无法适应丘陵地形作业等问题,设计了多功能微型电动自动驾驶作业平台。按照双车头、无驾驶室设计理念,传动机构采用双电机驱动,行驶机构采用三角履带轮,转向机构采用四轮同向转向机构与差速转向控制系统,以便作业平台能够斜向行驶,以满足丘陵地形狭窄场景作业要求。建立了1∶5样机模型,据此对作业平台跨越壕沟能力与翻越垂直障碍能力进行了试验分析。结果表明,样机模型应对复杂地形能力较强,最大跨越壕沟宽度为4 cm,翻越垂直障碍高度为5 cm,最小转弯半径为20 cm,基本能够适应壕沟、坡道等场景。由此可知,本研究设计的作业平台技术方案可行,能够满足丘陵地形果园用户的实际需求。同时,采用理论计算、仿真分析、模型验证的产品开发过程,为节省农机新产品研发成本提供了新思路。