基于卷积神经网络面部图像识别的拖拉机驾驶员疲劳检测

针对疲劳驾驶极易造成拖拉机交通事故这一问题,该文提出了一种基于卷积神经网络面部特征识别的拖拉机驾驶员疲劳检测方法。首先,利用伽马亮度校正对驾驶员面部图像进行光照预处理,再通过小波包去除图像中的椒盐噪声和高斯噪声,对预处理后的图像分别通过PCA-SCM人脸特征识别定位算法和基于人脸核心特征库及肤色模型的人脸识别算法进行驾驶员面部的识别定位,并通过比对这2种算法识别的偏差大小校验算法识别的有效性,以减小拖拉机工作振动时采样对图像中人脸定位精度的影响。将提取到的驾驶员面部图像输入到卷积神经网络进行深度学习和训练,并建立驾驶员疲劳视觉检测模型,从而实现基于拖拉机驾驶员面部图像的疲劳检测。统计训练过程中各项参数变化情况并进行T-SNE降维迭代分析,与其他常规方法相比,CNN在检测准确度和检测效率方面都有较为明显的优势。试验表明,所提出的检测模型准确率98.9%,图片识别效率38 ms/帧(Inter i7-4510U双核处理器),能够实现拖拉机驾驶员疲劳状况的实时检测,该研究可为解决疲劳驾驶这一安全问题提供参考。     

基于生物力学模型的拖拉机离合踏板人机工程设计

针对拖拉机离合踏板人机工程设计不足导致驾驶员容易产生疲劳的问题,该文搭建了驾驶员-离合踏板人机交互特性测试系统,基于试验结果分析了拖拉机驾驶员-离合踏板人机交互特性。在Any Body生物力学软件中建立了拖拉机驾驶员-踏板生物力学模型,并采用表面肌电测试结果验证了仿真模型的合理性。提出下肢关节出力程度为舒适性主观感受评价指标,基于仿真结果定量研究了离合踏板阻力和踏板布局对驾驶员踏板操纵舒适性影响规律和驾驶员人体尺寸对踏板布局的影响,给出不同人体百分位尺寸前提下踏板布局极限尺寸的推荐范围。通过优化踏板连杆长度、连杆夹角以及踏板-座椅布局降低踏板阻力,驾驶员下肢受力最大值从154 N降低到120 N,降低了22%,驾驶员下肢关节出力程度降低了20.98%,本文提出的研究方法及其研究结果可为拖拉机踏板人机工程设计提供参考。     

植物电信号的解析方法初探

近年来,计算机技术及信号处理方法广泛应用于揭示复杂及混沌生物系统的特征以及其对外部环境的适应性。这些方法包括时域(统计、灰色系统理论)、傅立叶变换可做频域变换、小波变换能进行时频域变换。使用这些方法对植物电信号进行解析,结果表明,这些方法比传统电生理分析方法更清楚地显示多种环境因子与植物电波间的关系。这对于采用电生理的方法监控环境对植物的影响并采取相应生产措施具有一定的指导意义     

一种基于小波变换的图像过渡区提取及分割方法

具有复杂背景的树木图像的分割对于精确对靶施药及智能化植保机械的设计具有重要意义。为实现树木图像的精确分割，针对该类图像的特点，该文提出了一种基于小波变换的过渡区提取树木图像分割方法。通过对比小波变换系数、小波变换系数聚类以及小波包系数，最终选取了同时能够分解出更多高频、低频信息的小波包变换系数提取特征，根据小波包变换系数定义了小波能量比参数，将小波能量比参数值归一化为图像灰度值，采用自适应阈值和神经网络两种方法提取了过渡区，实现了具有复杂背景树木图像的分割。试验表明，该方法分割精度高，对于分割复杂背景的树木图像具有特别意义。     

连续小波变换在齿轮磨损估计中应用研究

通过对连续小波变换的分析研究,提出了一种提取信号在小波尺度上的能量谱的信号分析方法。该方法能有效地对不同磨损状况下的齿轮振动信号进行分析,分析结果说明信号在小波尺度上的能量谱与齿轮的磨损程度有密切的关系。求出不同磨损状况下齿轮振动信号的能量谱对尺度的积分值,并根据这些值拟合得到的曲线与齿轮磨损过程曲线非常相似,这说明可以用连续小波变换的能量谱估计齿轮磨损状况。最后提出了一种连续小波变换的齿轮磨损特征量提取方法,用于提取齿轮磨损程度的特征向量,特征量间的欧氏距离说明这些特征向量能很好地表征齿轮的磨损状况     

橡胶缓冲装置疲劳失效特征值的研究

为解决缺乏判定大型履带式拖拉机用橡胶缓冲装置疲劳失效特征值的难题,对该装置疲劳失效的特征值开展了研究,经对其疲劳失效机理的分析和实验研究,确定了这些特征值。经实际应用,证明成果是可行的。     

基于双树复小波包变换能量泄漏特性分析的齿轮故障诊断

为有效利用双树复小波包变换提取齿轮故障特征信息,提出基于双树复小波包能量泄漏特性分析的故障诊断方法。首先根据高斯白噪声频率充满整个频带的特性,通过双树复小波包变换对高斯白噪声进行分解,利用频带能量泄漏的定量分析方法,验证了双树复小波包变换具有较低的频带能量泄漏特性;其次利用双树复小波包变换逐层分解信号,对每层分解所得分量求其FFT谱的峭度,得到基于双树复小波包变换的谱峭度图,根据图中峭度最大的原则,可以自动准确的选择信号分解最佳层数和最佳分量;最后将基于双树复小波包变换的谱峭度图的故障诊断方法应用于实际工程中,对齿轮故障振动信号进行分析,选择最佳分解层数和分量后利用希尔伯特包络解调,有效准确地提取了故障特征信息,验证了方法的可行性和有效性。该研究可为旋转机械设备中齿轮箱故障诊断的故障特征提取提供参考。     

基于驾驶员生物力学特性的拖拉机座椅位置参数优化

座椅为拖拉机与驾驶员的主要接触部件，其参数设计与优化对提高驾驶舒适性具有重要意义。基于此，该研究采用生物力学软件AnyBody建立驾驶员-驾驶环境生物力学耦合模型，并以小、中、大体型驾驶员为研究对象，以拖拉机座椅靠背倾角、水平距离及垂直高度为参数，以竖脊肌、多裂肌、腹直肌及腹外斜肌激活程度为评价指标，分析研究座椅位置参数对驾驶员腰部肌肉生物力学特性的影响规律，确定座椅最佳位置参数；其次以课题组研制的多自由度驾驶平台为基础，按照上述参数调节座椅位置，测试计算不同体型驾驶员腰部四个主要活动肌群的激活程度，并将测试结果与仿真分析结果进行对比，发现二者具有较好一致性，通过调整座椅参数能有效提升驾驶员腰部舒适性。对小体型驾驶员，当座椅靠背倾角为9.7°，水平距离为472.1 mm，垂直高度为465.3 mm时，4个肌群总的激活程度最低，驾驶员腰部舒适性最高；对中体型驾驶员，座椅最适靠背倾角为13.9°，水平距离为495.6 mm，垂直高度为485.3 mm；对大体型驾驶员，座椅最适靠背倾角为14.8°，水平距离为526.4 mm，垂直高度为520.7 mm。本文研究成果可为农机装备座椅位置参数优化提供一种新思路。     

汉江流域日降水多种小波分解与重构及其时空分布

将汉江流域55个气象站点1981年的日降水数据作为随机信号,借助于小波分析时间变化特征,利用Haar等7种小波函数分解日降水信号,采用Kriging空间内插方法把分解得到的小波系数空间离散化,在每个100 m×100 m栅格上进行小波的重构,从而实现随机性较高的日降水信息的时空降尺度,以期得到较为准确的日降水时空数据集.利用该流域另外45个气象站点1981年的日降水数据进行时空模拟结果的验证.通过平均误差等指标的定量评估.结果表明,采用Haar小波母函数对日降水信号进行分解与重构能够最准确地表达日降水的时空变化特征,更能充分表达日降水的高度随机性本质特征.     

基于多轴道路模拟激励谱的摩托车车架虚拟试验方法

摩托车车架的疲劳可靠性是摩托车整车最重要的性能之一,为了对摩托车车架的疲劳可靠性进行准确高效的分析和评价,提出了基于时频域误差加权和力-位移混合控制的摩托车车架多轴道路模拟试验方法,结合采集的实际行驶道路载荷谱和开发的车架多轴道路模拟试验台,采用时域和频域误差加权系数均为0.5的力-位移混合控制多轴道路模拟试验使摩托车车架实际行驶道路载荷谱模拟迭代精度达到93%,并提取了多轴道路模拟激励谱。基于摩托车车架多轴道路模拟试验系统,利用HYPERWORKS有限元分析软件和MSC.ADAMS多体动力学仿真软件,建立了摩托车车架刚柔耦合多轴道路模拟虚拟试验平台,以多轴道路模拟激励谱为输入进行了仿真分析,并采用多轴道路模拟试验进行了结果验证,从而建立了基于多轴道路模拟激励谱的摩托车车架虚拟试验方法。结果表明,仿真结果和试验结果在时频域中趋势和幅值都吻合很好,时域曲线几乎重合,只是频域曲线在13 Hz和24 Hz附近幅值略有差异,但频域曲线均方根值误差均在10%之内,基于多轴道路模拟激励谱的摩托车车架虚拟试验方法能够对摩托车车架疲劳可靠性进行高效准确的考核。     

基于模态组合的短期负荷预测方法

随着电力市场化改革的深入推进,电力系统运行呈现出更强的灵活性和不确定性,对短期负荷精准预测提出了更高的要求。为有效协调发电、输电、配电、用电的关系,增强电力系统日运行调度的安全稳定性,该研究提出了一种基于模态组合的短期负荷预测方法。从时域和频域2个维度提出了负荷序列和影响因素序列分解评价方法,得到改进的变分模态分解法(Variational Mode Decomposition,VMD),对原始日负荷序列及影响因素序列进行分解,并采用粒子群优化算法(Particle Swarm Optimization,PSO)对VMD的参数寻优。根据原始序列分解情况,对比各影响因素模态序列与负荷序列的频域特征,筛选出与负荷序列特征相近的模态并将其进行线性叠加组合,得到多个整合后的组合模态序列,以确定预测模型的输入量;分别利用粒子群优化的最小二乘支持向量机(Least Squares Support Vector Machine,LSSVM)模型进行负荷预测。算例结果表明,相比于直接采用PSO-LSSVM方法,本文提出的基于模态组合的短期负荷预测方法的最大相对误差降低了3.36个百分点,平均相对误差降低了1.71个百分点,最大绝对误差降低了95 MW,平均绝对误差降低了55.72 MW,短期负荷预测的精度得到明显提升。     

轮式拖拉机线控液压转向系统路感特性与评价

针对路感特性是线控转向技术的难点之一,设计与评价了轮式拖拉机线控液压转向系统的路感特性。分析了路感的评价指标、产生机理及拖拉机等农用车辆行车环境差异大的特殊性;实测了拖拉机在旱地、土路、水泥路、沥青路等路面上的原地转向与行驶时的转向阻力,以指导设计模式化路感特性与模式识别系统。农田作业模式侧重于路感的轻便性,驾驶员作用在方向盘上的切向力为2~10.127 N,车速低于11 km/h;非农田作业模式侧重于路感的真实度,切向力范围为2.5~52.5 N,车速低于30 km/h。完成了路感的主观评价,评价结果表明模式化路感特性可以令驾驶员满意。设计的模式化路感可以有效改善拖拉机的驾驶感觉,推动线控液压转向系统的发展。     

水田作业工况的拖拉机振动特性

为研究拖拉机在水田工况下的振动特性。该文采用轮胎滚动法测取南京江浦农场水田硬底层纵断面空间函数,对数据进行自相关性检验,分析硬底层垂直位移功率谱密度;以CF700型拖拉机(常发集团)为研究对象,基于轮胎-湿软水田土壤系统,建立水田工况下拖拉机三自由度振动微分方程和仿真模型,以水田硬底层纵断面时间函数为输入矢量,对拖拉机振动特性进行仿真研究,并将仿真结果与试验结果进行对比分析。结果表明,水田硬底层高程具有统计相关性,其不平度系数Gx(0.1)=316.7×10-6 m3,拟合指数w=-1.651;试验所得拖拉机前桥、后桥及座椅椅面垂向振动频率分别是2.91、3.6及2.5 Hz,与仿真结果相对误差分别为19.9%、7.2%、16.0%。以上结果为面向水田作业的拖拉机振动研究提供路面参考模型,验证了水田工况下拖拉机三自由度平面振动模型的有效性,为拖拉机减振系统的参数设计提供理论依据。     

基于最优分布拟合的拖拉机三点悬挂牵引力载荷谱编制与台架试验

拖拉机三点悬挂装置作业载荷特性与分布研究对于预测零件寿命、产品可靠性分析等具有重要意义。针对传统参数外推编制方法对于多峰及概率分布不明确的作业载荷存在验证不通过或拟合效果差等问题,该研究提出基于最优分布拟合的载荷谱编制方法,建立了均值服从混合高斯、幅值服从混合威布尔的混合分布模型,采用AIC准则（Akaike Information Criterion）与BIC准则（Bayesian Information Criterion）相结合确定混合分布最优基函数个数,并利用EM（Expectation-Maximization）算法进行混合分布最优参数估计。以拖拉机三点悬挂牵引力实测载荷为对象进行最优分布拟合求解,与单分布相比,混合高斯分布与混合威布尔决定系数分别提高3.45%和6.02%,相关系数分别提高1.73%和4.87%,均方根误差分别降低31.38%和40%,残差平方和分别降低52.92%和64.01%。利用最优分布拟合进行极值和频次外推,并对外推一倍载荷谱与原始载荷进行统计特性与雨流计数对比分析,结果表明：外推载荷极值范围得到扩充,载荷分布规律一致,能够在保留原始载荷特性的前提下实现均幅值的双向外推。将外推牵引力载荷谱应用于拖拉机三点悬挂牵引力室内台架加载系统,并基于PID控制实现悬挂牵引力的反馈调节。加载试验结果表明：系统最大超调量为5.19%,最大稳定时间为0.2 s,最大延时为0.4 s,系统响应特性较好,室内台架系统能够满足拖拉机三点悬挂牵引力的加载与复现,并对外推牵引力载荷谱与反馈牵引力载荷谱进行雨流计数分析,均值、幅值频次保持一致,两者疲劳损伤等效,研究结果可为基于载荷谱的拖拉机室内台架试验提供理论依据和参考。     

Study of wavelet denoising in apple's charge-coupled device near-infrared spectroscopy

Discrete wavelet transform was used to eliminate the noise in the charge-coupled device near-infrared (CCD-NIR) spectra of apple. The influence of three parameters (wavelet function, decomposition level, and threshold) on the predictive ability of the calibration model was investigated. The result showed that the db, sym, and bior wavelet families performed well, while the coif, dmey, and haar wavelets were not able to denoise effectively. The best decomposition level was 2. The threshold selection rules of the default, Birge-Massart, and Penalty had good denoising results, while SURE, Sqtwolog, Heuristic SURE, and Minimax set all detailed coefficients to zero due to their high threshold values. The best denoising result was obtained with the combination of the bior3.3 wavelet function, two levels of decomposition, default threshold selection rule, and the soft thresholding method. The optimal model of soluble solids content was constructed. The relative standard deviation of prediction decreased from 7.79 to 5.82% after wavelet denoising.     

基于Raspberry Pi的拖拉机通用自动驾驶系统

为了改善现阶段拖拉机自动化驾驶系统主要针对单个特定型号的拖拉机进行开发的局限性,该文设计了一套采用分布式控制方式的拖拉机自动化驾驶系统。该系统的作用在于同SAFAR系统（software architecture for agricultural robot,农业机器人的软件体系结构）整合,成为一个能够进行实际工作的系统。系统采用Raspberry Pi微型计算机作为系统的电子控制单元（electronic control unit,ECU）,在不同的ECU上分别处理不同的任务,利用通讯协议传输控制协议/互联网络协议来进行ECU之间的通讯。为了保障系统的安全,该系统采用激光测距传感器R2100来保障车辆和周围环境的安全,采用Heart Beat（心跳）检测机制来探测系统故障。该系统可以接收来自SAFAR的控制信号,并对拖拉机进行相应的操作来实现拖拉机的自动化驾驶。除此之外,该系统还提供了无线遥控的功能,能够方便操作人员进行简单、直观的操控。经过测试,该系统能够正确、快速地响应来自操作人员或SAFAR的控制,控制系统的响应时间低于0.5 s,电机转向角误差小于0.06;舵机角度偏差4°左右;系统各个ECU之间通讯稳定可靠,可在试验设定的4 h内稳定工作,每0.25 s检测一次工作环境并给予响应。该研究对农业机械自动化的实现提供了参考。     

拖拉机动力输出轴动态转矩载荷谱编制与验证

拖拉机动力输出轴(power take-off, PTO)室内台架耐久性试验中转矩加载主要以静态加载或静态逐级加载方式为主,这种加载方式输出的载荷与PTO实际作业中承受的载荷动态特性不同,导致试验中PTO的失效形式及测试寿命与实际作业中存在差异。针对此问题,该文对多工况下PTO动态转矩载荷谱编制方法进行研究,测取了沙土、黏土2种土壤类型下旋耕、驱动耙典型作业的PTO转矩,利用希尔伯特黄算法对转矩进行预处理,采用四点循环雨流计数法对转矩均幅值进行频次统计,利用散点矩阵统计方法分析4种作业工况均值、幅值相关性及均值、幅值分布类型。基于Miner法则及轴类20CrMnTi修正S-N曲线,在损伤概率50%、相对误差5%、置信水平95%的统计条件下,确定了转矩样本容量。利用时域外推方法对PTO转矩数据进行外推。以阈值区间内峰谷值均值差的方差为指标,检验了外推过程中选取的阈值造成峰谷值均值波动的可能性。对比外推1次后载荷时间历程与原始载荷时间历程变化趋势。在时域频次外推因子为240、转矩累计频次达到106、平均加权4类转矩时,得到PTO动态转矩载荷谱。利用编制的动态载荷谱,驱动拖拉机传动系动态加载试验台对PTO进行台架耐久性试验,试验结果显示,PTO发生失效的时长为642 h,失效形式为PTO轴头花键磨损,失效时间、失效形式与实际作业一致,验证了动态转矩载荷谱的有效性。     

太阳能园艺拖拉机驱动系统匹配设计与性能分析

针对太阳能园艺拖拉机驱动系统的独特需求,提出了一种太阳能园艺拖拉机驱动系统匹配设计方法,包括总体方案设计和主要参数的理论计算,并提出以全天累计作业时间为太阳能拖拉机作业能力评价指标,结合南京地区气象逐时变化,预测晴朗天气下所选用的光伏电池不同季节日发电量。以所设计太阳能园艺拖拉机为例,得到不同作业工况下拖拉机行驶速度与全天累计作业时间的关系,随着作业速度的提高,全天累计作业时间呈缩短的趋势;相同工况下,夏季全天累计作业时间长于冬季;速度为3 km/h时,有太阳能时拖拉机水平割草作业与坡道割草作业的全天累计作业时间均为无太阳能时的1.5倍。研究表明光伏电池作为园艺拖拉机能源是可行的,能够满足园艺作业的需求。以上研究结果可用于太阳能园艺拖拉机驱动系统方案设计和优化,为太阳能园艺拖拉机的发展提供依据。     

基于POT模型的大功率拖拉机传动轴载荷时域外推方法

为得到大功率拖拉机传动轴在田间作业工况下的载荷谱,该文针对传统传动系载荷谱编制过程中雨流计数及雨流域外推方法的局限性,提出基于POT(peak over threshold)模型的大功率拖拉机传动轴载荷时域外推方法。首先搭建了拖拉机传动轴扭矩测试系统,利用无线扭矩传感器采集大功率拖拉机传动轴在田间犁耕作业工况下的载荷数据;基于极值理论建立POT模型,利用灰色关联度分析方法选取最优阈值,确定时域载荷数据中上限、下限阈值分别为497和333 N·m。对超越阈值的极值载荷进行提取并利用广义帕累托分布(generalized pareto distribution,GPD)对极值载荷的分布进行拟合,拟合结果与极值载荷样本之间的相关系数均大于0.99,将生成服从GPD的新极值点取代原样本中的极值点从而实现时域载荷数据的外推。结果表明,GPD能够准确描述大功率拖拉机传动轴载荷超越阈值的分布情况,与雨流域外推方法相比,基于POT模型的载荷时域外推方法不仅可以获得任意里程的载荷时域序列,还能够极大程度保留实测载荷循环的次序,为今后大功率拖拉机传动系的室内载荷谱加载试验提供更加真实可靠的数据支持。