苗间锄草机器人锄草刀优化设计

建立了苗间锄草机器人锄草刀的运动学模型,并通过仿真锄草刀工作过程设计了锄草刀的运动轨迹。选取锄草刀的不同参数和水平进行正交试验,将覆盖率和入侵率代替除草率和伤苗率作为评价指标,分析了锄草刀直径、豁口夹角、刀刃切除距离、锄草刀圆心与作物秧苗行线的偏距等因素对苗间除草效果的影响,优化出最佳结构参数组合为:锄草刀直径175 mm、豁口夹角140°、锄草刀圆心与作物秧苗行线的偏距45 mm、刀刃切除距离10 mm。验证试验结果表明,模拟仿真及正交试验优化结果准确有效,样机作业效果良好,平均除草率为88.5%,伤苗率仅为1.6%。     

基于YOLO v5的直播油菜激光间苗系统设计与试验

间苗是保证直播油菜增产的一项关键技术措施,为解决人工间苗劳动强度大、机械间苗不精确的问题,采用机器视觉的方式,基于深度学习算法YOLO v5平台,设计并搭建自动间苗装置。机器视觉系统评估幼苗种群的合理密植情况,间苗算法以间距和幼苗叶展为评估标准,实现控制幼苗间距和筛选优质苗的功能。选用遗传算法对间苗行进路径进行规划,相较于未规划路径可缩短最低为50%的行进距离,最终采用激光器高温烧除的方式完成间苗作业。选取油菜苗作为试验材料,间苗阈值α是划定幼苗最小间距的参数,设置不同的间苗阈值α进行试验。结果表明,间除苗的数量随着间苗阈值α的增加而增加,幼苗平均密度下降的同时种群分布趋于均匀,对间除苗的叶展长度分类统计,α为0~75mm时,间除苗叶展长度全部在0~20mm范围;α为75~200mm时,间除苗叶展长度为0~40mm,其中叶展长度为20~40mm的最高占比约为76%;α为200~350mm时,间除苗叶展长度在40mm以上的幼苗开始增加,最高占比约为14%,间除苗叶展长度梯次分布证明了间苗算法具备筛选优质苗的性能。间苗执行阶段耗时占据间苗作业总耗时的90%以上,以激光走线参数L、激光器功率P、间苗距离阈值为试验因素,三因素三水平正交试验结果表明:选择合适的激光走线参数L能有效提高间苗死亡率、降低间苗误伤率和减少间苗耗时,在参数L为30mm、P为7.5W、α为250mm下开展土槽台架性能验证试验,激光间苗平均死亡率为93.29%,平均误伤率为5.19%,平均总耗时为15.19min,为开发基于机器视觉的激光自动间苗机提供了理论基础和技术支撑。     

电驱锄草机器人系统设计与试验

根据移栽蔬菜田间锄草作业工况和要求,基于视觉伺服控制技术,设计了电驱锄草机器人系统。该系统以中小功率拖拉机为配套动力,由伺服电动机驱动月牙形锄草刀护苗锄草和对行,减少了能耗与污染物排放,提高了系统伺服特性。机器视觉系统实时采集田间图像并处理,对作物进行识别与定位。控制器结合视觉系统获取的刀苗距、锄草机器人前进速度、锄刀相位角度及机器人横向偏差信息,利用智能伺服驱动器精确控制锄草刀避苗和对行。试验表明,在前进速度不高于1.5 km/h、作物株距不小于0.35 m工况下,伤苗率小于10%,田间杂草锄净率约为90%。     

大蒜联合收获机按压式切根装置设计与试验

针对大蒜联合收获作业过程中根系切净率低与损伤率高的问题,设计了一种按压式切根装置,阐述了其主要结构与工作机理。通过理论计算确定了夹持输送与切割机构作业参数,构建大蒜夹持运动方程和拨轮组动力、变形及切割力学模型。以链轮、拨轮和圆盘刀转速为试验因素,伤蒜率和切净率为试验指标,利用Design-Expert 8.0.5软件进行回归与响应面分析,构建三元二次回归模型,得到各因素对指标值的影响顺序。结果表明,当链轮、拨轮和圆盘刀转速为107、52、197r/min时,装置性能最优,伤蒜率和切净率分别为0.63%和97.07%。对比鳞茎顶端定位“浮动切根装置”的最优参数组合,结果表明,所提出的装置伤蒜率降低2.15个百分点,切净率提高3.9个百分点。对优化因素进行试验验证,验证与优化结果基本一致,满足大蒜机械化收获高效切根作业要求。     

行星刷式株间锄草机械手优化与试验

针对根系较发达作物和易板结土壤工况下的株间锄草,设计了行星刷式株间锄草机械手。研究了锄草机械手避苗锄草的工作原理,建立了运动学模型,研究了刷盘上点的运动轨迹和速度曲线随行星轮系传动比变化的规律。将覆盖率、入侵率及保护区范围作为锄草效果的评价指标,通过设计锄草机械手的结构参数,对锄草刷盘运动轨迹进行仿真,分析刀杆偏心距、锄草刷盘直径及装置相对作物行横向偏移对覆盖率和入侵率的影响。仿真结果表明刀杆偏心距80 mm、横向偏移20 mm以及锄草刷盘直径60~180 mm为最优参数,可获得直径30~140 mm的保护区及80%以上的株间覆盖率。对优化后的机械手进行大田锄草试验,选用传动比为3的行星轮系,平均锄草率可达89.3%,平均伤苗率为3.5%,满足锄草要求。     

糜黍播种机引进与试验

准旗是干旱地区,土壤肥力不大,粮食主产是糜子。锄糜子（给糜子间苗）是糜子种植田间管理劳动强度最大的一项工作。如果锄糜子时间推迟,就会影响作物的生长,以致减产。农民早就盼望一种能种成每穴3～4苗的糜子播种机,以解决间苗工序,1997年春,准旗农机局从通辽市农业机械厂引进两台糜子播种机,在纳林、沙圪堵、暖水3乡进行了小范围的试验示范,获得成功。12BT—6型糜黍播种机结构和性能2BT—6型糜黍播种机适用于糜季作物的播种。该机与小四轮拖拉机配套,三点悬挂,一次播种6行,行距30cm,播幅15Ocm,穴距ZOom。可一次完成偏侧…     

红花采收机双动对切式末端执行器设计与试验

针对红花采收机械存在的花丝破碎率高,采收效果差的问题,基于低速对切与分段切割的设计思想,研究设计了一种红花采收机双动对切式末端执行器,利用双动刀和多工作段凸轮实现低速夹持切割与分段作业。构建刀具-花丝切割力学模型,对切割过程进行理论分析,确定影响末端执行器性能的关键因素为：切刀进给速度、刃口倾斜角和切刀刃面倾角;并以凸轮转速（切刀进给速度）、刃口倾斜角和切刀刃面倾角为试验因素,以花丝采净率与花丝破碎率为评价指标,进行了三因素五水平二次正交旋转组合试验,得到试验因素与评价指标间的数学模型,对回归模型进行多目标优化,确定最佳参数组合为：凸轮转速27.9r/min、刃口倾斜角16.1°、切刀刃面倾角19.7°,对应花丝采净率为91.78%,花丝破碎率为5.32%。在最佳参数组合下进行田间验证试验,结果表明,花丝采净率为91.25%,破碎率为5.57%,与优化结果误差不超过5%,表明所设计末端执行器能实现花丝的低破碎率采收。     

垄上深松灭茬起垄机的设计与试验

针对现有深松灭茬机深松灭茬作业效果差、阻力大、功耗大及作业效率低等问题,设计了一种五行垄上深松灭茬起垄机。设计深松铲的结构参数为:长度55mm,宽度22mm,高度600mm,圆弧部分入土竖直距离250mm,纵向距离300mm,入土角22°,切削刃角60°,楔刃高度19mm。设计灭茬刀的结构参数为:正切刃滑切角16°、弯折角112°、切削宽度41 mm、刀端点回转半径350mm、弯曲半径35mm、刀刃口厚度5mm,并安装在刀辊上。同时,设计了前端部下边长560mm、上边长390mm、后端部下边长360mm,上边长260mm、罩体长度650mm的起垄部件,与深松铲、灭茬刀辊组成深松灭茬起垄机。田间性能试验结果表明:相比于行业内标准,所有工况下深松灭茬起垄机深松深度稳定性系数平均提高3.15%、灭茬深度稳定性系数平均提高3.69%、灭茬率平均提高10.58%、碎土率平均提高8.26%,其作业后犁底层土壤容重明显降低,成垄高度和宽度满足农艺要求,作业性能与效果优良。     

大蒜收获机浮动切根装置作业机理分析与参数优化

为深入研究大蒜浮动切根装置的作业机理和作业质量提升技术途径,对大蒜根系浮动切割作业过程中的力学特性进行理论研究,推导了切根作业过程鳞茎碰撞动力学方程,得出鳞茎初始碰撞相对速度是影响碰撞损伤的关键参数;分析了根系滑切原理,建立了刀刃切割阻力力学模型,分析了根系群切割阻力的形成原因;运用高速摄影技术解析了鳞茎碰撞、根系群扰动和断裂等力学行为的产生过程。针对影响切根作业质量的主要因素进行了响应面试验,建立了伤蒜率、切净率预测数学模型,分析了各因素对伤蒜率、切净率的影响,并进行了综合参数优化,得到浮动切根装置较优参数组合为：输送速度1m/s、切刀转速2600r/min、刃口倾斜角33°、螺旋防护栅螺距28mm,试验测定伤蒜率为2.78%,切净率为93.17%,各项作业指标满足大蒜机械化收获切根作业要求。     

液态施肥机椭圆齿轮扎穴机构优化设计与仿真

为减少深施液态肥时土壤回带现象,建立了扎穴机构数学模型,利用VB编写了计算机辅助分析软件,并仿真得到影响施肥效果的因素以及喷肥针长度、摇臂长度、喷肥针与摇臂的夹角、行星架的初始位置等有关参数。其中一组优化后参数为：摇臂长度197mm,喷肥针长度180mm,喷肥针与摇臂的夹角76°,行星架的初始角度31°,行星轮轴心和喷肥针尖D的连线与行星架中心连线的初始夹角-70°。通过验证,优化后扎穴机构大大减少了喷肥针土壤回带现象。     

基于圆柱凸轮的株距可调式取苗末端执行器设计与试验

穴盘苗疏植移栽是设施农业育苗的关键步骤,可为幼苗提供优良的生长环境,实现增产增收。针对疏植移栽环节中,可调株距设备自动化程度低,人工作业效率低下,易损苗伤苗等问题,本文设计了一种基于圆柱凸轮的株距可调式取苗末端执行器,可实现不同株距之间的疏植移栽作业。首先,对末端执行器整体结构进行设计,确定其工作原理;其次,通过理论分析确定圆柱凸轮与取苗手指各关键参数,并分析其作业状态下受力情况;然后,利用EDEM与Recur Dyn建立苗钵根土复合模型,进行耦合仿真单因素模拟试验,确定后续正交试验因素范围;最后,搭建了穴盘幼苗疏植移栽试验平台,以取苗针夹角、入土角、取苗针间距和变距速度为试验因素,以苗钵最大形变量和移栽成功率为试验指标,进行正交试验。在最优参数组合为取苗针夹角10°、入土角4°、取苗针间距8 mm、变距速度5 mm/s下,选取128穴至72穴与72穴至50穴两种疏植移栽要求进行验证试验,移栽后128穴钵体形变量平均值为(1.13±0.68) mm, 72穴钵体形变量平均值为(1.51±0.64) mm。总移栽成功率为93.33%,整机移栽效率为22株/min,满足不同穴盘规格疏植作业...     

组合梳齿式株间除草机构优化试验

设计了一种适合玉米和大豆作物株间作业的组合梳齿式除草机构,为优化该机构的设计并确定其关键参数的最优组合,利用正交试验方法对试验数据进行处理,通过极差分析,确定了除草部件工作参数对株间除草率和伤苗率的影响程度,优化出最佳工作参数组合。试验结果表明,梳齿数目和梳齿盘转速对株间除草机构的性能影响显著。最佳优化方案:梳齿数目6、梳齿间距50mm、梳齿盘转速180r/min 和作业速度2.3m/s,该条件下苗间除草装置的伤苗率为2.73%、苗间除草率可达87.6%。研究结果为设计性能可靠的株间除草机构提供了理论依据。      

双排移栽机械手联动式高速移栽装置设计与试验

为了提高自动移栽机移栽效率,设计一种双排移栽机械手联动式高速移栽装置。利用安装在两个移栽臂上的双排移栽机械手交替取苗和栽苗的方法,采用联动控制方式使移栽效率翻倍。通过优化移栽机械臂和移栽机械手结构,并对其关键部件进行参数设计和运动学分析,综合考虑影响移栽成功率的关键因素,确定穴盘苗苗坨含水率、苗龄、爪针限位孔中心距为试验因素,以200穴欧石竹穴盘苗为试验对象,进行单因素试验和多因素正交试验,确定双排移栽机械手联动式高速移栽装置的最佳工作参数。试验结果表明：当穴盘苗苗坨含水率为32.6%、苗龄为46d、爪针限位孔中心距为16.7mm时,取苗成功率为94.7%,与软件计算结果94.2%接近,符合花卉、蔬菜移栽作业的技术要求。     

自走式茶园除草机的设计与试验

为了解决现有茶园除草人工除草效率低下、化学除草农残超标、密植茶园行距较小等问题,设计了一种小型自走式茶园除草机。详细介绍了机具的基本结构、工作原理和性能参数,重点对该机动力、除草轮和传动系统进行了选配设计,最后通过4因素3水平的正交试验,找出影响除草效果的因素。试验结果表明:对除草率的影响程度大小依次为除草轮转速、除草深度、除草刀个数、机具前进速度;综合功率消耗的情况,得出除草效果最优组合为除草轮转速为350r/min、机具前进速度0.8m/s、除草深度30mm、除草刀个数为6;此时的除草率为80.7%,能够达到较好的除草和控草效果。     

基于细化法的土壤孔隙骨架提取算法研究

为可视化土壤孔隙的空间分布和拓扑结构,进一步理解土壤功能和生态过程,以自定义的规则结构和土壤孔隙结构为应用对象,进行了土壤孔隙骨架提取算法的研究,并验证细化法和距离变换法2种算法构建骨架模型的性能。试验结果表明,2种算法的骨架模型构建效果均不受模型类型的影响,其中,距离变换法构建的骨架模型存在体素点缺失和偏移的现象,而细化法提取的孔隙骨架模型结构完整,其平均骨架偏移距离(0. 10 mm)比距离变换法(0. 15 mm)减少了50%,具有良好的拓扑不变性。通过对细化性、连通性和中心性3个指标的综合分析,细化法具有优越的描述土壤孔隙形状及拓扑特征的能力,可为土壤物理结构及水文特性的研究奠定技术基础,为从孔隙尺度理解土壤功能奠定理论基础。     

倒V型稻田株间除草装置虚拟仿真及验证

针对现有稻田株间除草装置除草率低、伤苗率高的问题，对已设计的倒V型稻田株间除草装置进行有限元虚拟仿真。采用ALE多物质单元体算法建立土壤—水耦合模型，运用罚函数法，对除草爪与土壤—水模型进行流固耦合。采用二次正交旋转组合试验设计方法选取机器前进速度、除草爪转速与水层厚度进行虚拟仿真试验与分析，得到各因素及其一级交互作用对除草爪与土壤—水模型扰动率的影响规律，影响扰动率因素为除草爪转速>水层厚度>机器前进速度。通过对虚拟仿真试验结果进行优化设计，得到倒V型株间除草装置最佳因素参数组合为机器前进速度为053 m/s，除草爪转速为180 r/min，水层厚度为0.01 m。通过对仿真优化设计结果室内试验验证可知，倒V型稻田株间除草装置在最佳因素参数组合下进行除草作业平均除草率85.04%、平均伤苗率3.62%，满足稻田机械株间除草农艺要求。     

凸轮摇杆式摆动型玉米株间除草装置设计与试验

为满足我国北方玉米苗间机械除草作业需求,设计了一种凸轮摇杆式摆动型玉米株间除草装置,阐述了除草装置的总体结构与工作原理,对其关键部件凸轮摇杆机构和除草刀进行参数化设计,通过对除草装置避苗过程的运动和受力分析,得到影响其作业效果的主要因素及各因素的取值范围。以前进速度、弹簧刚度和除草刀转速为试验因素,以除草率、伤苗率为试验指标,在室内土槽中进行L9(34)正交试验,以考察试验因素对除草装置工作性能的影响。结果表明,各因素对指标影响的主次顺序为弹簧刚度、前进速度、除草刀转速;最优水平组合为弹簧刚度60 N/mm、前进速度0.6 m/s、除草刀转速130 r/min。以最优水平组合进行验证试验,结果为除草率89.8%,伤苗率2.1%,证明其具有较优的作业性能。     

稻田株间除草机构除草过程中伤秧影响的试验研究

稻田杂草是影响大米产量和质量的一个重要因素。鉴于化学除草的负面影响,机械除草技术一直是国内外科研攻关的重点,但如何降低除草过程中工作装置对秧苗的损伤和影响成为研究的难点。为此,对稻田机械式株间除草机构的主要因素的秧苗损伤情况进行了试验研究。试验在机插稻田进行,稻苗行间距28~31cm,株间距14~15cm。试验在秧苗移栽后7天左右进行,该时间为稻田第一个出草高峰期,试验采用二次旋转正交试验方法,应用Design-Expert进行试验分析,获得了株间除草主要工作因素机器前进速度、除草盘转速、除草深度之间单因子及交互作用对伤秧率的影响。移栽7天时,田间试验在保证除草率的前提下确定了低伤秧率株间除草机构的工作参数为机器前进速度为0.38m/s,除草盘转速162.75r/min,除草深度为43.9mm,此时除草率为80.5%、伤秧率为3.8%。     

温室株间电驱锄草机控制系统设计与试验

根据温室机械锄草的需要,针对电驱锄草机械设计了一种圆盘锄刀株间锄草控制系统。该系统以MC9S12DG128双核单片机为硬件核心,融合霍尔传感器、旋转编码器的信号实时输入,通过RS232串口中断实时接收上位机(PC)视觉信息,采用CAN总线与下位机(电动机驱动器)实时通信,对圆盘锄刀转速与转角进行实时控制,从而实现株间锄草和避苗。温室大棚内锄草试验结果表明,前进速度为1.2 km/h时,伤苗率小于10%。     

链排式喂苗机构与栽植器时空匹配关系的研究

为改善因喂苗机构与栽植器时空位置匹配不佳造成的栽植效率低下的问题,在2ZB-2型移栽机的基础上研制了带有链排式喂苗机构的试验台,分析喂苗机构与栽植器时空匹配关系,确定影响投苗率的因素,并使用ADAMS软件进行单因素仿真试验得出各因素的水平范围,通过高速摄影进行验证。使用Box-Benhnken中心组合试验方法设计三因素三水平正交试验,进行响应曲面分析,以投苗率作为响应值得出:在理想条件下,秧苗水平线速度为0.202m/s(移栽机前进速度2.2km/h)、喂苗机构垂直高度120mm、水平距离10mm时,实现了喂苗机构与栽植器的最优时空匹配关系,人工劳动强度适宜,喂苗机构的投苗率达到100%,且基质损坏率较低。