棉花种植机械化关键技术与装备研究进展

作为棉花产业发展的基础环节,棉花种植机械化是制约棉花产业发展的重要瓶颈。实现棉花种植机械化是棉花产业发展方式转变、提质增效、提升国际市场竞争力的重要途径之一,也是棉花产业全程机械化和规模化的研究重点。该文总结了中国棉花种植现状和特点,阐述了国内外典型棉花种植机械化关键技术与装备的研究现状,重点剖析了棉花育苗移栽和直播2种主要种植技术与装备发展动态。在此基础上,结合精准农业背景和棉花产业生产发展要求,归纳了现有棉花种植机械化技术与装备面临的机会和挑战,提出未来的研究方向和发展建议,以期为棉花种植机械化技术研究与装备创新设计提供参考。     

基于改进UNet模型的油茶果振动采摘点定位方法

针对非花果同期油茶果采收效率低这一问题,提出一种侧枝振动采摘点定位方法,通过振动侧枝降低树木损伤并实现高效采收。首先构建数据集,对侧枝分段标注,向UNet中添加CloFormer注意力机制并命名为Clo-UNet,实现侧枝的二维重构。其次,在Clo-UNet基础上进一步设计采摘点定位方法并命名为Clo-UNet-Point,该方法优先选择采收离果实最远且最粗的枝条。试验表明,Clo-UNet在验证集上表现优异,其中br_con（连果枝）、danger（危险区）和br_pro（优先采收区域）的平均交并比mIoU分别达到85.36%、86.37%和81.29%,平均像素精度mPA分别达到94.97%、96.17%和89.48%,Clo-UNet在整个数据集上的mIoU和mPA分别比UNet高5.14、6.85个百分点。通过观察验证集647幅图像,Clo-UNet-Point算法在不同光照条件下均能定位到采摘点,平均检测一张图像用时0.15 s。该研究可为未来非花果同期类油茶果的自动化振动采收奠定理论基础。     

冬果梨的种质资源及贮藏加工研究综述

综述了冬果梨的种质资源及贮藏加工技术研究现状。在长期的自然和人工选择下，冬果梨形成了相应的品种群，种质丰富多样。冬果梨的贮藏以简易设施为主，改良贮藏以单果包纸为好。冬果梨加工品的研发涉及果酒、果醋、果汁和口服液等。提出了冬果梨产业的发展方向与对策。     

中国种业机械化现状调研与发展分析

种业机械化是种业现代化的重要基础和前提,是涵盖品种选育、品种试验、制种生产、种子加工等多环节的系统工程。为了系统梳理中国种业机械化发展成果与存在问题,有效推进种业机械化发展、促进种业现代化建设,该文从田间试验机械化、制种生产机械化、种子加工机械化等方面阐述了国内种业机械化现状调研情况和国际种业机械化发展经验,分析了中国种业机械化存在的主要问题:种业装备企业普遍规模小、装备差、科研投入少,整体水平与国外存在较大差距,装备功能有待扩展、结构设计有待优化、现代化控制水平有待提高等;提出了种业机械化研究重点:1)主要农作物品种试验机械化关键装备研究;2)主要农作物制种生产机械化关键装备研究;3)主要农作物种子低损高效精细加工技术集成研究。指出了"规模化、标准化、集约化、机械化"种子生产是现代种业持续、健康发展的重要保障和基本发展方向。     

偏心式林果振动采收机的研制与试验

为提高林果采收效率,降低采收成本,针对中国果园矮化密植模式下机械化作业条件差的特点,设计了偏心式林果振动采收机。该机安装在电控履带车上,通过偏心块旋转产生的离心力激振树干实现林果振动采收。建立了偏心式振动采收动力学模型,得出了采收机—果树系统稳态响应振幅表达式并分析了主要影响因素。利用该采收机对核桃(新新2号)进行了采收试验,结果表明:激振频率对树干全振幅和果实采净率具有显著性影响(P=0.05),树干全振幅和果实采净率随激振频率的增大而增大,激振频率20Hz时达到最大值,分别为8.83mm和92.6%;落果和树干夹持处均未见破坏性损伤,但激振频率越大,夹持处痕迹越明显,建议控制激振频率于19～20Hz,平均采净率约达到89.5%～92.6%,而且果实和树干没有破坏性损伤。该研究为实际生产提供指导。     

马铃薯机械化收获技术与装备研究进展

中国马铃薯种植面积、总产量均居世界首位,机械化收获是马铃薯机械化生产中关键环节。目前,国内马铃薯机械化收获率较低,马铃薯收获装备是农机领域的短板弱项。该文分析了当前我国马铃薯机械化收获的发展现状、特点及制约因素,重点阐述了国内外马铃薯杀秧、减阻降耗挖掘、防堵限深控制、自动对垄作业、高效分离、低损收获、多功能行走底盘、人机交互等关键技术研究进展,分析对比中国和欧美、日韩等国家在马铃薯机械化收获装备上的差异,指出国内马铃薯机械化收获技术上的不足。针对国内马铃薯种植范围广、种植模式多样、丘陵山区小块地种植面积占比大的特点,提出分段收获和联合收获是国内马铃薯机械化收获的趋势,并对低损高效分离装置、卡脖子技术突破、农机农艺深度融合及政策导向进行展望,以期为中国马铃薯机械化收获技术进一步发展与研究提供借鉴。     

中国果园植保机械化技术与装备研究进展

果园植保是果园管理关键环节，其机械化发展水平直接影响水果种植的经济效益。为明确中国果园植保机械化技术与装备未来发展方向，该研究首先介绍了中国果园的主要种植方式、植保机械化发展水平及发展制约的因素，然后重点阐述了管道喷雾、风力辅助喷雾、静电喷雾、循环喷雾、变量喷雾和航空施药等植保机械化关键技术与装备的研究进展，概括分析了上述植保装备的农药利用率情况，最后结合中国果园种植特点提出了推广标准化果园种植方式、发展立体植保施药技术、推广专业化机械植保服务模式和研发智能植保机器人4个方面的建议，以期为中国果园植保机械化发展提供参考。     

和政县啤特果产业发展现状及优化升级对策

分析了和政县啤特果产业发展优势和现状,针对啤特果产业发展中存在的主要问题,提出了建设专业育苗基地、适度扩大种植规模;提高科技水平,推行生产与加工专业化、标准化;继续发展壮大龙头企业;建立健全啤特果市场化体系;建立完善科技服务体系等产业优化升级对策。     

世界设施园艺智能化装备发展对中国的启示研究

设施园艺智能化是实现园艺产品播种移栽、栽培管理、环境调控、监测预警、作物采收、内部物流等全过程数字化、精细化、自主化的高级生产形态,是当前包括中国在内的世界农业智能化装备的研发热点和产业升级重点。为在全球设施园艺智能化装备发展的大格局下科学定位中国的发展路径,指导中国设施园艺智能化装备的研发和推广,需要对世界各国在该领域的发展现状和趋势进行研究分析。该文以全球设施园艺领域个人、企业和科研机构在智能化方面的主要研究内容和装备开发重点为基础,从全产业链的角度,分析世界设施园艺智能化装备的发展现状。籽种生产在播种、移栽等环节上已初步实现了智能化应用;作物生产在植株调整、授粉、植保和收获等环节正加快研发,剪叶、巡检等部分智能化装备已经进入商业化试用;仓储物流在内部运输、分级分选、清洗、包装等智能化方面不断完善,智能苗床输送、运输机器人已大量应用,高速分选、包装机器人等在加快研发。分析发现,世界设施园艺智能化装备需求增长快、研发方向逐步聚焦、更加注重绿色安全、单机商业化速度加快、系统集成的全智能化生产设施开始出现。研究分析成果对中国设施园艺智能化的科技战略和产业政策制订、科研立项、成果评价、国际合作、装备研发及推广等工作提供参考和借鉴。     

采用改进Mask R-CNN算法定位鲜食葡萄疏花夹持点

为实现鲜食葡萄疏花机械化与自动化,该研究提出了一种鲜食葡萄疏花夹持点定位方法。首先基于ResNeXt骨干网络并融合路径增强,改进Mask R-CNN模型,解决鲜食葡萄花穗、果梗目标较小难以检测的问题;进而针对花穗、果梗生长姿态的复杂性与不确定性,提出一种集合逻辑算法,该算法采用IoU函数剔除重复检测的花穗与果梗,建立花穗、果梗对,并对果梗掩模进行形态学开运算,利用集合关系获取主果梗掩模,确定以主果梗质心附近的中心点为果梗的夹持点。最后,随机选取测试集中的图像进行试验。试验结果表明：果梗夹持点平均定位准确率为83.3%,平均定位时间为0.325 s,夹持点x、y方向定位误差及定位总误差最大值分别为10、12和16像素,能够满足鲜食葡萄疏花的定位精度与速度要求,可为实现鲜食葡萄疏花机械化与自动化提供理论支撑。     

振动式枸杞采摘机理仿真分析与样机试验

为了实现枸杞机械化采摘,该文研究了枸杞振动采摘机理,并建立振动采摘力学模型,分析求解得到枸杞挂果枝条受迫振动时各节点处枸杞和花朵所受惯性力的通解。运用MATLAB对振动式枸杞采摘机工作参数进行优化和仿真试验,优化得到合理的迫振载荷和驱动轮转速组合,仿真试验得到受迫振动枸杞挂果枝条各节点处枸杞与花朵所受采摘惯性力随转速变化规律仿真曲线,对转速取值进行调整。最后进行了枸杞采摘试验,试验得到合理的驱动轮转速为2 870 r/min,该转速水平在仿真得到的合理的转速区间为2 868.84~2 871.21 r/min。试验转速为2870 r/min时,成熟枸杞采摘效率为815颗/min,成熟枸杞采净率为86.70%,未成熟枸杞采摘率为7.36%,花朵采摘率为7.43%,成熟枸杞损伤率为8.62%,机采人采效率比为5.43,试验结果与仿真结论一致。研究结果可为枸杞振动采摘机的研制提供参考。     

振动式蓝莓采摘的机理分析与仿真

为改变中国蓝莓人工采摘状况,实现高丛蓝莓的机械化采摘,该文研究了高丛蓝莓的采摘机理,并对所建立的数学模型进行仿真分析。首先分析蓝莓振动采摘机理,建立蓝莓植株采摘物理模型,推导得出动力学方程,采用数学物理微分方程求解得到蓝莓树枝稳态受迫振动输出解及采摘惯性力。运用MATLAB软件仿真分析蓝莓树枝稳态受迫振动时域仿真曲线及采摘力幅频特性仿真曲线,并进行了蓝莓采摘试验,试验数据与仿真结果一致：仿真结果满足蓝莓采摘条件的采摘频率为14～16rad/s,较优的采摘频率为15rad/s,该频率下的采摘效率为913颗/min,采摘生果率为2.99%,采摘果实损坏率为2.86%,未采净率为3.17%,机采人采效率比为10.14。研究结果可为高丛蓝莓采摘机的研制提供参考。     

马铃薯机械化收获除杂技术与装备研究进展

高效低损除杂是马铃薯机械化收获的核心环节,直接影响马铃薯的收获效率与收获品质,是助推马铃薯收获模式制定与收获装备研发与产业化进程的关键。由于不同马铃薯种植地区的自然环境等区域差异性较大,各地区马铃薯种植和收获模式复杂多变,因此对马铃薯机械化收获的除杂技术、装置结构和作业原理的需求各不相同。机械化收获除杂是减少生产成本、提高经济效益的重要方法,该研究基于国内马铃薯种植农艺,分析了国内外典型的马铃薯收获机基本结构和技术特点,对马铃薯机械化收获秧膜杂处理技术进行归纳总结,阐述薯土分离、薯秧分离、残膜回收及杂质清选等环节的装置结构与工作原理,对比分析不同除杂装置的特点与技术指标。针对国内覆膜种植、丘陵地区土壤粘重等特点,指出制约国内马铃薯除杂机械化发展的关键问题,并提出规范种植体系,研制适用机型与专用装备,农机农艺农信相融合和产学研相结合等建议,以期为马铃薯机械化收获除杂技术装备的研发应用奠定基础。     

摇枝式油茶果采摘装置作业过程分析与试验

为了解决油茶果机械化采摘漏采率高、损伤率大和耗能过大的问题,针对摇枝式油茶果采摘装置,该文通过对油茶果振动脱落过程的分析,建立油茶果振动脱落模型并求解,得出影响油茶果脱落的主要因素为作用在枝条上的外力的振幅、频率、作用时间以和夹持位置,并通过预试验和正交试验得到摇枝式油茶果采摘装置的作业参数范围及漏采率最低情况下的作业参数组合。利用高速摄像对油茶果振动脱落过程进行记录,然后回放录像并分析,以油茶果脱落时间作为评价指标,得出采摘效率较高的振动频率、振幅范围为6～10 Hz和20～40 mm,根据平均落果时间范围确定采摘装置的振动作用时间约为4～12 s。根据油茶果在树上的主要分布范围(距离树冠表层260 mm左右),设计四因素三水平正交油茶果采摘试验,得出漏采率最低的作业参数组合为振动夹持位置在距离树梢末端260 mm以内、振动频率10 Hz、振幅20 mm、振动时间8 s,此时油茶果的漏采率为10.87%,花苞损伤率为31.80%。机械夹持方式和铁质的夹持材料对花苞损伤较大,需进一步优化采摘装置作业参数,优化夹持方式和采用柔软的夹持材料,实现油茶果的机械采摘。     

酿酒葡萄曲轴式振动脱粒收获装置研制

针对酿酒葡萄机械化采收时对植株损伤大、果粒破损率高、脱粒效率低等问题,该文设计了一种曲轴式振动脱粒收获装置,该装置主要由曲轴、弹性夹持振动机构、传动系统、机架等组成。对曲柄摇杆机构的运动和弹性振动杆变形进行了分析,获取了影响作业效果的主要因素。根据Box-Benhnken中心组合设计方法,以夹持间距、转速和偏心距为影响因子,酿酒葡萄脱粒率和破损率为响应函数进行三因素三水平二次回归正交试验设计,建立了响应面数学模型,并进行了参数优化和验证。结果表明,酿酒葡萄脱粒率影响因素的显著性顺序为转速、偏心距和夹持间距,破损率的影响显著性顺序为转速、夹持间距和偏心距;最优参数组合为夹持间距193 mm、曲轴转速720 r/min、曲轴偏心距38.8 mm,在此参数下测得的酿酒葡萄脱粒率为93.06%,破损率为4.57%,与模型优化理论值相比脱粒率降低了1.09个百分比,破损率增加了1.45个百分点。该研究可为酿酒葡萄的机械化收获及其他林果的振动采收装置设计提供参考。     

基于气动无损夹持控制的番茄采摘末端执行器设计与试验

为实现类球形果实采收过程中稳定夹持和无损采摘,该研究以番茄为研究对象,设计了一款全气动吸-夹一体式无损采摘末端执行器。首先设计空间多连杆三爪机构,采用3个夹持爪单元空间轴向均布的方式构成空间多连杆末端执行器主体机构,实现中心吸盘回拉果实和夹持爪夹持果实两个动作由单一主动气缸驱动并实现顺序动作;其次,建立末端执行器夹持爪单元的数学模型,并确定满足夹持爪尖端张开最大范围156 mm和吸盘回拉移动最大距离38.7 mm条件下的末端执行器结构参数,通过ADAMS软件对其进行运动学和动力学仿真分析,获得各部件间运动速度和加速度的相对关系,以及夹持力与气动系统压力和果实尺寸的关系。最后,设计并搭建具有压力负反馈和气压连续调节功能的电气伺服控制系统,通过分析果实在拉动和转动两种情况的滑移试验,提出基于动态标准差波动上升节点的双阈值滑移判别算法和基于滑移判据及损伤极限压力的无损采摘控制策略。204个不同尺寸番茄果实的实地采摘试验表明,末端执行器采摘成功率为96.03%,采摘过程耗时5 s,采摘过程中的直接损伤率为1.58%,72 h褐变率为1.76%。结果表明该采摘末端执行器具有较好的采摘效果,可满足实际工作需求。     

干红花收获机立式辊刷采摘装置设计与试验

针对旱地干红花人工采收时不易捏取导致采摘效率低、掉落率高等问题,该研究结合红花的物理特性和种植模式,设计了立式辊刷干红花收获机采摘装置。根据机具结构对刷丝排布方案进行理论分析,确定刷丝排布方案为螺旋式,螺旋升角为30°,旋向为右旋。对辊刷采摘干红花进行力学分析,得出使花丝脱离果球的关键作用力为法向力F_N。采用Hertz弹性接触理论对F_N进行分析,并建立刷丝-果球接触力学模型,揭示干红花的采摘原理,明确影响采摘质量的主要因素为刷丝材质、丝径、长度和辊刷转速,进一步对立式辊刷结构与运动参数进行分析,得出采摘装置优化参数组合为：辊刷长度300 mm,辊刷直径100 mm,辊刷转速360 r/min,刷丝材质为聚酰胺610（PA-610）,刷丝长度30 mm,刷丝丝径0.3 mm。通过植株通过率试验确定立式辊刷与栅条架的间隙为12 mm。田间采摘试验表明,该装置的红花采摘率和伤果率分别为87.04%和4.19%,机具采摘效率为人工采摘效率的7.71～10.92倍。研究结果可为辊刷式干红花收获机的设计与优化提供参考。     

芒果采收车机械臂运动特性分析及试验

为提高芒果采收车机械化采摘的适应性，该研究采用多体动力学理论方法对其机械臂的运动特性进行分析。首先，结合芒果生长和农艺特征及采摘机械臂几何构型与向量特性，运用D-H法建立了机械臂运动学模型以探索其运动特性，并进行末端执行器运动轨迹规划。轨迹规划结果表明末端执行器运动平稳，满足芒果采摘运动要求。进一步地，利用拉格朗日法构建了机械臂的动力学模型，对其进行了正逆动力学仿真验证，以深入了解机械臂的关节运动特性。动力学分析结果表明，在恒力矩工况下，伸缩装置和摆动装置的运动呈现一定的周期性，摆动装置、旋转装置角加速度和伸缩装置加速度均约在1.25、2.3、4.15 s达到阶段峰值；在仅做摆动周期运动的情况下，旋转装置、摆动装置所受驱动力矩均近似呈周期性变化，峰值分别为72.5与52 N·mm，且在一个运动周期内，均有两个极大值点。对机械臂结构进行仿真模态计算和模态试验，结果表明前六阶固有频率误差在5%以内，验证了芒果采收车机械臂多体动力学仿真建模的准确性。研究结果可为保证有效实现机械臂的采摘效果及提高其可靠性与稳定性提供依据。     

梳刷振动式枸杞收获装置设计与运行参数优化

针对目前中国枸杞人工采收效率低、成本高的问题,该文采用梳刷振动相结合的采收方式,设计了梳刷振动式枸杞收获装置,并进行了试验。首先基于ADAMS软件建立了枸杞果实、枝条模型与梳刷振动机构模型。枸杞果实、果柄间连接力采用广义力连接,通过设置传感器来监测果柄断裂条件,实现了枸杞果实、果柄在外力作用下的分离过程控制。通过仿真分析,确定了收获装置的梳刷转速、圆盘转速(振动频率)和振动幅度3个因素为影响采收效果的主要因素。然后以梳刷转速、圆盘转速(振动频率)和振动幅度为因素,以采收效率、成熟枸杞采收率、青果脱落率以及成熟枸杞破损率为评价指标,进行了田间试验,试验结果表明:在梳刷转速80 r/min、圆盘转速100 r/min、振动幅度80 mm的因素水平组合下采收效率为13.12 kg/h,成熟枸杞采收率为87.46%,青果脱落率为13.81%,成熟枸杞破损率为2.82%,采收效果最佳,相比于其他单一原理的采收机构,本装置既达到了较高采收效率与成熟枸杞采收率,也保证了相对较低的青果脱落率与成熟枸杞破损率。该文可为枸杞机械化采收机械的设计提供理论依据与数据支撑。