基于CFD-DEM的小白菜排种器排种特性及充种性能研究

为研究排种器工作过程中种子的运动特性及搅种轮转速和种层厚度对充种性能的影响,基于CFD-DEM气固两相耦合技术研究了顺利完成排种过程的种子A和提前掉落的种子B的运动特性。通过对种子的速度、受力及位置情况分析发现,两类种子在运动到种盘最左侧前的过程中运动情况基本一致,种子在从种盘最左侧向正压区运动过程中,种子的速度和受力情况变化较大,种子运动过程较不稳定,此阶段种子易出现提前掉落的情况。通过试验研究了搅种轮转速和种层厚度对充种性能的影响,结果表明,当搅种轮转速和种层厚度分别为3 rad/s和35~40 mm时充种性能较优。研究结果为排种器的结构改进及充种性能的提高提供了参考。

基于CFD-DEM的排种器仿真及参数优化

对于蔬菜种植而言,提高机械化播种的精度是关键的突破口,能够起到节本增效的作用。为提高排种器的排种性能,采用计算流体力学与离散单元法(CFD-DEM)耦合仿真技术对排种器的试验因素进行性能仿真。同时,分析种子在不同吸嘴结构和作业参数下的运动特性。为探究最佳的参数组合,利用中心复合设计(CCD)试验方案去探究吸嘴锥角、种盘角速度以及负压对排种合格率和漏播率这两个试验指标的影响。仿真试验结果的方差分析表明:负压对合格率和漏播率的影响最大,吸嘴锥角和种盘角速度的影响次之。随后,通过建立参数化数学模型确定参数优化区域。参数优化结果表明:在锥角为50°,负压在4.87~5.64 kPa以及角速度在1.67~1.95 rad/s范围内,排种合格率大于95%,漏播率小于2.5%。通过台架验证试验得出的结果与优化结果基本一致,表明优化结果合理可信。本文的仿真和参数优化结果可为今后排种器的研制提供参考。

瓶栽食用菌工厂化生产洗瓶机的设计与实现

工厂化生产是我国食用菌行业未来的主要发展方向。目前,我国食用菌的工厂化生产以木腐菌为主,其生产过程包括装瓶、杀菌等一系列环节,直至挖瓶结束。但是,挖瓶后,洗瓶仍采用人工清洗,清洗效率低,人工成本高。在分析食用菌工厂化生产中洗瓶要求的基础上,介绍了食用菌洗瓶机的工作原理,根据洗瓶工艺要求设计了洗瓶机的控制系统。围绕软硬件系统,分析了驱动模块、执行器模块和传感器模块的功能和主要型号选择,建立了气动驱动系统。根据洗瓶机的洗瓶流程,采用光洋SH-32R作为编程器,绘制电气原理图,基于水平语言编写了洗瓶机的控制程序。试制和测试表明,洗瓶机运行平稳,喷嘴平均压力为0.33 MPa,每瓶耗水量为0.1 kg,单次清洗时间为10 s,符合工厂化洗瓶的要求。

新型激光光源在水稻育苗中的应用进展

水稻幼苗需要充足的光照才能正常生长,早春育苗的增温需求推动了温室、大棚和工厂化设施育苗的发展,但由于玻璃、塑料等棚膜材质对阳光的反射和吸收,设施育苗缺光问题凸显。补充光照可以较好解决设施育苗缺光问题,以LED为代表的补光光源已经在设施育苗中得到推广应用,但其依然存在能耗居高不下的问题。激光是人工光源中唯一与太阳光具有平行光特性的光源,具有相关性好、单色性好、方向性好、亮度高、能量大、光电转换效率高、节能等特点。但以氦氖激光为代表的传统激光光源体积大、成本高,难以在作物生长中应用和普及。采用半导体激光器结合匀光技术开发新型激光光源,体积小、成本低,可以实现对水稻秧苗的大面积均匀激光辐照,其单灯照射面积可以达到60~70 m^(2)。同时新型激光光源在保留传统激光相关性、单色性、方向性的同时,还具有高效节能的特点,能耗仅为传统LED光源1/30。研究表明,在水稻育苗过程中采用新型激光光源进行合理辐照,可以提升秧苗品质,插秧后返青快,分蘖多,抽穗早,最终实现水稻的稳产、增产。自2021年以来在全国多地试验结果表明,采用新型激光光源在插秧前辐照水稻秧苗20 d左右,可以实现超过10%的增产。这一结果不仅为我国水稻提质增效提供了重要的技术支撑和保障,也为其他植物在各阶段补光提供了新的方法和手段。

线式供苗全自动甘薯移栽机设计与试验

针对现有半自动甘薯移栽机械存在需人工供苗、移栽效率低的问题,研制了一种线式供苗全自动甘薯移栽机,可一次完成两垄甘薯的自动供苗、开沟、栽植、覆土、修垄等多道作业工序,实现甘薯移栽全自动机械化作业。该机为实现自动供苗设计采用线式供苗移栽方式,在分析甘薯苗抗压力学特性和移栽机工作原理的基础上,确定线式供苗全自动甘薯移栽机的整体结构,完成了线式供苗机构、开沟植苗机构的关键参数设计;根据甘薯垄上移栽农艺要求,对覆土与修垄机构进行组合设计,满足甘薯开沟植苗作业后覆土与修垄的要求。田间试验结果表明,当移栽机保持0.7m/s的速度前进时,该机作业的平均株距为151.6mm,株距合格率为100%,栽植深度合格率为79%,立苗角度合格率为85%,漏苗率为2.6%,能满足甘薯机械移栽要求。该机是采用新型线式供苗移栽方式的机械化载体,对全自动机械化甘薯移栽机的设计思路提供参考。

激光农业研究进展和展望

激光作为一种新兴的人造光源,是20世纪以来最伟大的发明之一,具有功率密度高、方向性好和优良的单色性等优点,在农业领域得到了广泛的应用。激光技术在植物生产、动物管理和菌物研究方面展现了显著优势。文章主要对激光技术在农业领域的研究进展和发展动态进行深入剖析。在植物生产方面,介绍了激光技术在植物诱变育种、促进植物生长发育、提高产量和品质、植物保护、植物检测和植物表型中的应用情况。在动物管理方面,主要分析了激光技术在动物遗传育种、动物生长、动物医疗和动物产品检测方面的研究。在菌物研究方面,重点总结激光技术在菌物育种、菌物生长发育及菌物检测和鉴定中的应用详情。最后,针对激光技术与农业生产研究相结合所面临的困难和挑战,从提升激光技术在农业生产管理中的精度和扩展其适用范围角度出发,提出了激光技术在植物生产精准化、动物生产管理优化和菌物生产科学化的发展方向。虽然激光技术在农业领域已经取得了一系列的成果,但在未来的研究中,应探索更多创新应用,并与人工智能和大数据技术相结合,进一步推进激光技术与农业产业的深度融合,以实现更高效、更智能的农业生产管理模式,为现代农业的发展带来更多机遇和突破。

谷物联合收获机底盘自动升降液压系统设计与试验

针对小型谷物联合收获机在丘陵区作业倾斜角度大、通过性差等问题,开展谷物联合收获机底盘自动升降液压系统设计与试验。本研究设计了底盘自动升降液压系统总体结构,对内置位移传感器液压缸、比例换向阀等关键部件进行设计和选型,提出了基于横向倾斜角度伸缩液压缸进行调平和升降的方法,采用自动调平控制和手动调平两种调平模式对底盘进行调平。应用AMEsim开展液压系统的仿真分析,发现换向时液压缸压力与流量稳定,位移速度平稳。设计了以PLC控制器和PID控制方法为核心的调平控制策略,通过调节液压缸长度实现对底盘的姿态调节,并开展静态调平试验。结果表明:比例换向阀开度范围为20%~45%时,能有效控制液压缸伸缩速度;调节时间随倾斜角度增加而增加,在倾斜角度7.7°范围内的总体调节误差低于0.5°,可满足谷物联合收获机对底盘横向调平的需求。该研究提出了依据横向偏角实现调平的液压系统和控制方法,为小型谷物联合收获机底盘调平液压系统设计提供参考。

基于三维激光雷达的履带农业机器人室外定位方法

针对履带农业机器人室外自主导航,本文提出了一种基于三维激光雷达的定位方法。首先,采用lidar_IMU紧耦合里程计与图优化算法建立导航区域特征点的先验地图。其次,为确保机器人能够在先验地图上的任意位置进行定位,将卫星定位信号作为索引信息导入点云地图。最后,采用轻量级激光里程计算法与先验地图进行匹配,计算机器人位于先验地图的姿态信息。同时,为了减少计算量将非线性优化区域限定在栅格化的小地图中。借助机器人携带的GNSS对系统进行了测试,当机器人运动速度1.0 m/s时,最大定位误差小于0.26 m,平均定位误差小于0.125 m,实验过程中没有出现定位失败的情况,可以满足履带农业机器人室外导航的定位需求。

秸秆还田年数对稻麦轮作农田土壤团聚体碳氮分布的影响

探究不同秸秆还田年数对稻麦复种农田土壤团聚体及其中有机碳和全氮分布的影响对提升该区土壤质量具有重要意义。田间试验始于2010年,设置秸秆不还田(NR),秸秆还田1年(SR1),秸秆还田2年(SR2),秸秆还田3年(SR3),秸秆还田4年(SR4),秸秆还田5年(SR5),秸秆还田6年(SR6),秸秆还田7年(SR7),秸秆还田8年(SR8)9个处理。结果表明,随着秸秆还田年数增加,>2 mm团聚体呈上升趋势,0.25~2 mm和<0.053 mm团聚体呈下降趋势,0.053~0.25 mm团聚体变化幅度不大。>0.25 mm大团聚体对全土有机碳和全氮的贡献率最大。土壤有机碳和全氮含量与>2 mm、>0.25 mm团聚体含量呈极显著正相关关系,与0.25~2 mm、<0.053 mm、<0.25 mm团聚体含量呈极显著负相关关系。综上所述,持续秸秆还田对改善土壤团聚体结构,促进土壤有机碳和全氮向大团聚体转移具有积极作用。

基于LabVIEW的水肥灌溉模糊专家系统设计与研究

水肥一体化营养液灌溉技术在农业生产中的应用,使传统农业摆脱人为经验水肥灌溉的模式。为达到水肥等作业资源高效利用,提高设施作业现代化、无人化水平,针对农作物不同生长周期所需的营养液浓度、环境温度、环境湿度等参数进行分段控制。使用LabVIEW软件模糊控制工具箱搭建模糊专家控制系统,并在该虚拟平台创建系统控制界面,达到高效、便捷、精确、节水、节肥的现代化精准灌溉效果。

畜禽粪污卧式发酵滚筒设计与试验

随着我国养殖业的规模化、集约化发展,畜禽粪污排放量显著递增,对周边大气、土壤、水体等造成严重污染,影响到人类的生存健康,同时也阻碍了养殖业的可持续发展。国家出台了一系列环保和鼓励使用有机肥的政策,鼓励使用畜禽废弃物生产有机肥,用有机肥替代化肥。为响应国家环保政策的要求和破解养殖业畜禽粪污处理的难题,研制了畜禽粪污卧式发酵滚筒,将畜禽粪污与发酵菌种等辅料混合后上料到滚筒内,并辅助加热、曝气、翻搅,实时监测物料温度并可设置电加热和滚筒的启停及运行时长,有利于畜禽粪污完成好氧发酵过程,达到无害化处理的目的。阐述了滚筒的结构组成、工作原理及主要技术参数,根据好氧发酵原理和注意事项,设计了牛粪好氧发酵工艺流程,并按流程完成了粪污卧式发酵滚筒牛粪发酵性能试验。试验结果显示,有机质含量为5.2%、总养分(N+P2O5+K2O)含量为5.1%,各指标均符合NY525—2012《有机肥料》标准,蛔虫卵死亡率和大肠菌群数都在NY884—2012《生物有机肥》标准范围内。该卧式发酵滚筒结构简单,粪污处理效果好,处理周期短,操作简便、经济适用,可满足中小型养殖企业畜禽粪污的无害化处理和资源化利用。

基于并联机器人的蒜瓣种芽朝向调整系统的设计与优化

蒜瓣种芽朝上播种的大蒜具有出苗早,蒜苗强壮的特点,是符合中国农艺要求的播种方法。为了提高大蒜机械化播种水平,针对目前大蒜机械化播种种芽朝上率低的问题,研究设计了一种基于并联机器人的蒜瓣种芽朝向调整系统,该系统主要包括四个模块:图像采集、图像预处理、种芽特征提取和指令驱动。首先,蒜瓣运至指定位置后,并联机器人发出的光触发信号,视觉系统接收该信号并立即采集图像。其次,通过对图像进行中值滤波、二值化和形态学处理,填充孔洞,滤除背景颗粒,得到理想的二值图像,并根据蒜瓣的大小范围对二值图像的连通域面积进行筛选,得到大小合适的蒜瓣二值图像。第三,提取并计算图像的中心轮廓和轮廓的曲率,将曲率最大的部分视为蒜瓣的种芽,从而确定蒜瓣的中心位置及朝向,该朝向信息也会被量化为角度值。最后,并联机器人根据蒜瓣的位置信息、速度矢量信息和朝向信息控制机械臂进行蒜瓣抓取和定向摆放的操作,实现蒜瓣种芽朝向的调整。最后本文对调整系统的关键参数进行了试验测试,建立了调整成功率的多元回归模型,结果表明:(1)蒜瓣重量、输送速度和抓取时间对调整成功率有重要影响。(2)影响因素的主次顺序依次为抓取时间、蒜瓣重量、输送速度。(3)当蒜瓣质量为4.54 g,输送速度为0.1 m/s,并且抓取时间为2.445 s时,模型预测的调整成功率最高,达到97.41%。本研究为蒜瓣种芽调整系统的应用提供了技术指导,有助于解决利用嵌入式工控机调整蒜瓣朝向的问题,有利于促进国内大蒜机械化播种。

基于物联网技术的大蒜冷库温湿度监测系统设计

随着物联网技术的不断发展,各种工作场景对设备间通讯的实时性有了更高的要求。设计一个大蒜冷库温湿度监测系统,利用ZigBee无线通讯技术和ESP8266的串口转无线功能,实现了大蒜仓储过程中温湿度数据的实时采集;通过将阿里云数据库RDS与PC端和手机端应用的互联,完成了大蒜冷库全周期温湿度信息的记录,实现了冷库报警信息无时间地点限制实时通知的功能;基于本系统实地设计并开展实验,实验结果表明系统操作性能稳定。

推介成果:棉花智能化打顶技术及装备

成果简介棉花打顶是目前棉花全程机械化唯一未解决的生产环节,人工打顶存在着作业效率低、成本高、劳动力不足等问题。针对棉花生产打顶需求,基于图像识别等技术,应用神经网络等算法对棉花顶尖智能识别,采用自主研发的智能打顶控制系统,实现仿形精准打顶。

基于区块链技术的食品溯源在元宇宙中的应用构想与设计

元宇宙时代的开启,逐渐改变人类社会生产与分配的方式,高度虚拟化的沉浸式互联网世界,已经成为了人类下一代互联网发展的新阶段。元宇宙中的“衣食住行”,也是虚拟公民必不可少的生活要素和重要领域,但元宇宙作为多种前沿信息技术集成的新形态,目前在农业相关领域的研究和应用较少。通过对元宇宙中虚拟食品所具备的社交属性与数字资产属性进行价值分析,探讨了食品溯源在元宇宙中的意义与应用场景,并搭建了以感知层、数据层、基础层、工具层、应用层为基础的元宇宙溯源系统。该系统以平台运维端、商户企业端与消费者用户端为使用对象,设计了权限管理、区块链管理、智能合约管理、平台运维、食品加工管理、数据采集管理、产品追溯、认领种植等主要功能,以及配套的前端与后端开发技术路线,阐述了元宇宙食品追溯过程中以智能合约为核心技术的工作原理,并提出了一套智能合约的设计思路和部署流程。本系统是农业产业与区块链、元宇宙等新技术场景进行跨界融合的一次创新探索,具有一定的前瞻性和应用性,为未来元宇宙在农业中的应用研究提供了指导与参考。

基于模拟退火算法的飞防队调度模型研究

植保无人机作业通常以飞防队形式进行作业,目前飞防队调度组织形式较为粗犷,造成飞防队整体效率较低的问题,合理调度无人机可提高飞防队的作业效率。以水稻稻曲病防治场景为研究对象,根据水稻稻曲病“三喷一防”的作业规范,结合现有飞防作业订单模式现状,为保障植保无人机的作业质量与作业效率,提出了订单管理与植保无人机调度模型。模型主要分为2个部分。(1)订单管理。综合考虑订单作业面积、时间窗、订单紧急程度的订单排序方法。(2)调度模型。基于模拟退火算法的无人机调度模型。以南京地区16个地块,4个飞防队的水稻稻曲病防治作业任务为例,分别在时间窗间隔为3~6d的情况下,使用模拟退火算法与贪婪算法进行比较。结果表明,模拟退火算法在总作业收益、无人机等待时间与调度距离上较贪婪算法都更具优势。时间窗间隔在3~5d内,时间窗越长,调度路程和等待时间越短,总作业时间越长,总收益越高。时间窗长度为6d时,作业总时长与作业收益不再改变。该研究可为无人机飞防队的调配与决策分析提供科学依据,为农机智能调度系统开发提供参考。

推介成果:稻麦轮作全程“无人化”智能农机装备与远程管控平台系统

成果简介针对稻麦轮作区域农艺要求与作业特点,集成优化与农机田间作业自动驾驶系统密切相关的高精度RTK导航定位、全域路径规划、自主避障、无人行走与作业控制等核心关键技术,结合车载自主控制系统,打造了一整套覆盖“耕、种、管、收”全过程的稻麦轮作智能农机装备,包括:智能无人拖拉机、智能无人插秩机、智能无人植保机、智能无人收割机;开发了田间“无人化”农机作业可视化管控平台系统,实现了农机作业过程可视化、作业数据管理的信息化。

农业废弃物快速好氧发酵设备设计与试验

针对目前在好氧发酵实际生产中存在发酵设备不适用、占地面积大、发酵周期长、自动化程度低等问题,通过增大发酵面积、减小物料深度、提高搅拌混合的均匀性、优化发酵周期的方法,设计了卧式圆柱形发酵罐,该设备有效容积为3 m^(3)。根据传热学和热损失模型分析了发酵物料散热机理,进一步优化了罐体外形设计,设计了自动控制系统。根据所选发酵物料黏度高、流动性差、易附着于罐壁等特性设计了宽—窄双螺旋式搅拌器,并对其进行有限元分析和物料搅拌均匀性分析,搅拌轴的最大模拟应力为4.23 MPa,搅拌轴最优转速为7.7 r/min。设备在有机肥厂进行了试验,以混合粪便、玉米秸秆和南瓜茎叶为发酵物料,运行过程中无需人工干预,发酵参数控制精度高,发酵完成后产品有机质含量高达51%,氮磷钾含量为8.8%,pH值为6.8,碳氮比为23,砷含量为11 mg/kg,镉含量为3 mg/kg,汞含量为1.7 mg/kg,铅含量为27 mg/kg,害虫卵死亡率为97%,粒径为9 mm,颜色为黑褐色,符合有机肥产品相关要求,发酵效率相比自然发酵高5~10倍。

基于计算机视觉的种子分布信息检测关键技术研究现状与趋势

种子分布信息检测是保证播种机性能的重要前提,为播种质量检测、定深定位施肥、田间除草和收获等作物生长全过程精准高效管理提供基础数据。计算机视觉技术通过从图像和视频数据中提取有意义的信息,并通过分析解释物理现象,在多个领域得到广泛应用。在系统分析现有文献基础上,从技术应用场景、硬件设备、软件处理算法等角度探讨了计算机视觉技术在种子分布信息检测领域的研究进展。研究发现,计算机视觉技术在种子分布信息检测中仍然存在准确性和稳定性的挑战,且种子分布信息检测需要实时性和大规模数据处理能力,而传统的算法和设备难以满足这些需求,数据融合和分析的能力仍然有待提高。种子分布信息的准确检测需要综合利用多种传感器数据,并进行有效的数据处理和分析,以获取更全面和准确的结果。针对上述问题,提出以下建议:首先,深度学习和机器学习算法应用的广泛性是关键,通过利用大规模的标注数据进行模型训练,可以提高算法的准确性和鲁棒性;其次,需要提高算法的适应性,针对不同的土壤条件、种子类型和光照变化进行优化,以确保算法在各种环境下都能有效工作;同时,发展多传感器数据融合技术,通过将图像数据与其他传感器数据(如激光扫描和热红外图像)进行融合,可以提供更全面和准确的种子分布信息。本研究旨在为未来计算机视觉在种子分布信息检测领域的发展提供参考。