小麦气流辅助直线投种装置设计与试验

针对小麦精量匀播作业条件下气流辅助投种装置内部压力梯度变化方向与种子运动方向不一致、造成种子倒流或碰撞、降低粒距稳定性等问题,设计了一种小麦气流辅助直线投种装置。基于气-固两相流数学模型建立CFD-DEM单向耦合仿真模型模拟投种过程,仿真结果表明:入口气压与管道长度对总压损失及流场压力分布影响显著;投种装置内部流场压力分布均匀,压力梯度变化方向与种子运动方向一致;小麦种子运动轨迹为“直线-曲线-直线”,无倒流与碰撞现象。以入口气压、管道长度、作业速度为试验因素,以粒距变异系数为试验评价指标进行了响应曲面优化试验。试验结果表明:影响粒距变异系数因素的主次顺序为入口气压、作业速度、管道长度;入口气压与管道长度和作业速度均存在交互作用。通过参数优化得到较优参数组合为:入口气压5.1kPa、管道长度24.2cm、作业速度0.11m/s,经土槽试验验证,该条件下粒距变异系数为6.3%,平均粒距为5.3cm,满足小麦精量匀播农艺要求。采用气流辅助直线投种可解决小麦种子倒流与碰撞的问题,从而显著改善播种作业效果,为小麦精量匀播提供技术支撑。

基于PLC控制的等径凸轮传动自动变速秸秆粉碎还田装置设计与试验

为提高玉米秸秆粉碎还田机具作业质量,解决传统秸秆粉碎还田机械作业参数不可实时调节等问题,基于等径凸轮机构往复运动原理,设计了一种基于PLC控制的自动变速秸秆粉碎还田装置。通过分析地表支撑条件下秸秆粉碎过程中受力变化,确定影响秸秆粉碎效果主要因素,利用LS-Dyna软件确定主要因素取值范围;通过理论计算和动力学仿真分析,优化粉碎刀运动轨迹并确定粉碎机构关键部件参数。为提高玉米秸秆粉碎合格率,建立“泵-阀-马达”调速模型,设计人机交互界面进行作业参数设置,实现不同秸秆覆盖量情况下,秸秆粉碎装置作业参数快速匹配,以机具前进速度、秸秆覆盖量为试验因素,以秸秆粉碎合格率为评价指标进行单因素试验。试验结果表明,当田间秸秆覆盖量一定时,随着主轴转速增加,粉碎合格率呈明显上升趋势;当主轴转速一定时,随着田间秸秆覆盖量的增加,粉碎合格率有所下降;当主轴转速超过200 r/min时,秸秆粉碎合格率均达到90%以上,基本保持不变。为进一步验证试验结果,进行变速秸秆粉碎方式与定速秸秆粉碎方式对比试验。试验结果表明,变速秸秆粉碎方式秸秆粉碎合格率为92.17%,优于定速秸秆粉碎方式。该装置实现了秸秆粉碎还田作业参数精准控制,为秸秆粉碎还田机具智能化发展提供了技术支撑。

基于YOLO v5-Jetson TX2的秸秆覆盖农田杂草检测方法

玉米苗期杂草的实时检测和精准识别是实现精准除草和智能农业的基础和前提。针对保护性耕作模式地表环境复杂、杂草易受地表秸秆残茬覆盖影响、现有算法检测速度不理想等问题,提出一种适用于Jetson TX2移动端部署的秸秆覆盖农田杂草检测方法。运用深度学习技术对玉米苗期杂草图像的高层语义信息进行提取与分析,构建玉米苗期杂草检测模型。在YOLO v5s模型的基础上,缩小网络模型宽度对其进行轻量化改进。为平衡模型检测速度和检测精度,采用TensorRT推理加速框架解析网络模型,融合推理网络中的维度张量,实现网络结构的重构与优化,减少模型运行时的算力需求。将模型迁移部署至Jetson TX2移动端平台,并对各模型进行训练测试。检测结果表明,轻量化改进YOLO v5ss、YOLO v5sm、YOLO v5sl模型的精确率分别为85.7%、94%、95.3%,检测速度分别为80、79.36、81.97 f/s,YOLO v5sl模型综合表现最佳。在Jetson TX2嵌入式端推理加速后,YOLO v5sl模型的检测精确率为93.6%,检测速度为28.33 f/s,比模型加速前提速77.8%,能够在保证检测精度的同时实现玉米苗期杂草目标的实时检测,为硬件资源有限的田间精准除草作业提供技术支撑。

固体有机肥破碎条施机设计与试验

针对发酵厩肥长期堆放过程中易结块,肥料破碎条施困难等问题,该研究提出了螺旋桨叶与差速对辊组合的固体有机肥破碎条施机,以解决传统链排式运肥装置作业过程中肥料结块架空、条施排肥困难、施肥不均匀等问题。将Hertz-Mindlin with bonding和Hertz-Mindlin with JKR模型结合建立结块和散体肥料共同组成的固体有机肥离散元模型,并以肥料颗粒质量变化、螺旋桨叶扭矩,有机肥颗粒受力和平均运动速度为评价指标对桨叶的运肥和碎肥过程进行分析,明确参数变化对肥料运动的影响;进行桨叶和肥箱受力分析,探明运肥和碎肥过程中的应力分布情况;对开沟施肥铲和镇压轮的工作过程进行分析,明晰开沟深度、铲尖倾角、镇压倾角对开沟和镇压过程的影响。离散元仿真分析结果表明,碎肥过程肥箱前段、中段位置的桨叶平均扭矩为52.05和58.75 N·m,有机肥颗粒平均受力为343.25和374.38 N,远高于运肥过程的平均扭矩20.42 N·m和有机肥颗粒平均受力224.22 N;其中,运肥和碎肥过程中有机肥颗粒运动速度稳定在0.6 m/s左右,肥箱内有机肥颗粒质量变化稳定,无明显波动;螺旋桨叶和肥箱受力较大的区域主要集中在桨叶齿爪和肥箱的底部与侧壁。基于上述分析结果,对固体有机肥破碎条施机开展样机试制并进行田间试验,结果表明,9组作业参数组合下施肥量变异系数平均值为21.5%,条施机最优工作参数组合为:镇压倾角120°,前进速度5 km/h,开沟施肥深度150 mm,此时施肥量变异系数为15.2%,施肥过程稳定可靠。研究结果可为东北黑土区耕地保护和固体有机肥破碎条施提供装备支撑。

滑抛式玉米免耕种沟清理装置设计及试验

针对玉米免耕播种时种子易被种沟内残膜包覆和秸秆架空,严重影响出苗率等问题,面向新疆免耕播种环境要求,提出了一种免耕种沟清理装置,采用侧抛弹齿和曲面滑铲协同清理方法,并对其作业过程和抛撒轨迹进行了分析,确定了影响种沟秸秆和残膜清理率的主要因素及取值范围,获得了秸秆和残膜在水平、垂直方向被抛撒的最大距离和高度分别为239.3~747.0 mm,141.7~442.2.0 mm。利用MATLAB仿真,获取了120 r/min,150 r/min,和180 r/min不同转速下,相邻两弹齿端点的运动轨迹曲线变化规律,漏清区随弹齿转速增大而减小。以机具作业速度、弹齿转速和弹齿倾角为影响因子,种沟秸秆清理率和残膜清理率为评价指标进行了正交试验,结果表明,影响种沟秸秆清理率和残膜清理率显著性顺序依次为弹齿转速、机具作业速度和弹齿倾角,当作业速度为6km/h,弹齿转速为180r/min,弹齿倾角40°时,种沟秸秆清理率为88.27%,残膜清理率为84.31%,满足新疆玉米免耕播种的农艺要求,以期为适应新疆及西北地区的免耕播种装备研究提供参考。

无驱动式自动调平水田埋秆起浆整地机设计与试验

为解决东北稻区秸秆全量还田条件下,现有驱动式搅浆机存在动力消耗大、严重破坏土壤结构并使得秸秆漂浮等问题,设计了一种无驱动式自动调平水田埋秆起浆整地机,机具前排星形耙片细碎土壤并掩埋秸秆,后排轧滚进一步碎土埋秆,平地装置平整地表,由电液控制系统实现自动调平,能够为水稻插秧作业创造优良地块条件。通过理论分析和优化设计,确定了优化后星形耙片的各项结构参数和排列方式;设计了带有齿板和刀齿的轧滚,倾斜布置的齿板和直立的刀齿分别对土壤进行横向与纵向的滑切,可提高碎土埋秆效果;改进设计了平地板,确定了板高为150 mm,并针对前进速度、板宽、推压角开展了仿真试验,得到最优工作参数为:前进速度2.4 km/h、板宽290 mm、推压角44°;采用中心不动法的调平策略,设计了基于倾角传感器和PID算法的自动调平电液控制系统,实现了自动调平系统的快速平稳控制。田间试验结果表明,整机作业后地表平整度为0.73 cm,秸秆覆盖率为91.4%,压茬深度为5.98 cm,泥浆度为1.18 g/cm^(3),机具各项指标均优于国家标准,该设计可为东北稻区秸秆全量还田条件下水整地机具研究提供参考。

基于机器视觉和北斗定位的小麦变量喷雾系统研究

针对传统植保喷杆喷雾机作业时各喷头以同等药量喷洒的方式导致农药浪费、利用率低和污染环境等问题,以生长前期的小麦为研究对象,设计一种基于北斗定位系统和机器视觉的小麦变量喷雾作业系统。通过双平面高度投影法完成对感兴趣区域获取,研究了速度、植株密度对喷雾的影响,提出变量喷雾流量的控制方法。在定位系统规划的目标区域内,通过机器视觉处理实现变量喷雾,试验结果表明,相同机组速度下,植株密度稀疏区相对植株密度正常区的平均雾滴覆盖率平均减少12.06%;相同植株密度下机组前进速度0.75 m/s相对1.50 m/s的平均雾滴覆盖率平均增加3.94%。在满足喷雾标准的情况下,可以在不同速度、不同植株密度下实现变量喷雾。为验证目标区域边界行驶速度对等级变换准确度,进行定位传感器实时判断在目标区域边界喷头相对位置并控制开闭,试验结果表明,在行驶速度为0.50 m/s时准确度最高,区域边界行驶超出量误差平均值为48.72 cm;为验证行驶方式对喷雾等级变换准确度的影响,使用北斗定位系统在目标区域边界开展行驶方式对喷雾等级变换准确度的影响试验,试验结果表明,驶入目标区域超出量误差平均值为7.20 cm。