Development of the Berry Impact Recording Device sensing system: Hardware design and calibration

Bruising caused by the impact damage occurs frequently during mechanical harvest process for highbush blueberries. The overall goal of this study was to develop a miniature and low-cost sensor prototype to quantitatively measure the impact forces endured by blueberries during the mechanical harvest process, which could be used to reduce blueberry bruising through improved harvester design. The sensing system developed in this study had three essential components: the sensor, the interface box, and the computer software program. The round circuit board of sensor is less than one inch (19.4 mm), including three accelerometers with ±500 g sensing range in each orthogonal axis, one eight-bit microcontroller, one 128 KB memory chip, and other electronic components with low power consumption. The sensor board and rechargeable battery were cast into a one inch (25.4 mm) sphere using silicone rubber. The interface box serves as the intermediate communication platform to connect the sensor and the computer. The PC-software retrieves data from the sensor via the I²C communication and downloads data to a computer for further analysis via the RS232 communication. The sensor was calibrated using a centrifuge. The accuracy of the sensor output was 0.53% (2.60 g maximum deviation) and −0.33% (−1.26 g maximum deviation), with precision error of 0.63% (3.21 g) in the output span. This miniature and low-cost sensor prototype provides the opportunity to understand how the berry (or other small fruits) interacts with different machine parts within the harvester and to identify critical control points that cause the most mechanical impacts, which was not achievable in the past.     

Development of the Berry Impact Recording Device sensing system: Software

This paper reports a complete impact data acquisition, processing, and analyzing software system that applies on the hardware platform of the Berry Impact Recording Device (BIRD). The software has three major sections that correspond to the hardware: The BIRD sensor program, the interface box program, and the computer software i-BIRD. The sensor program samples acceleration data from three axes and records them as single impacts with a maximum sampling rate of 3.0 kHz. Users can configure the sensor via the i-BIRD computer software, with different options of sampling frequencies (682-3050 Hz) and thresholds (0-205 g, where g is the gravitational acceleration). The data recorded can be downloaded, processed and graphically displayed on the computer. A real time clock was created using the interrupt service routine provided by the microcontroller. The accuracy of the sensor’s clock was calibrated with an error of 0.073%, which was adequate to record impact data in this application. The shape of impact curves recorded by the BIRD sensor at three sampling frequencies (682, 998, and 1480 Hz) matched well with the curves recorded by a high frequency (10 kHz) data logger with the maximum root mean squared error of 4.4 g. The velocity change had a relative error less than 5%. With confirmation of all those performances, the software system enabled the BIRD to be a useful tool to collect impact data during small fruit (such as blueberry) mechanical harvest.     

小型棉花收获机的设计

结合常德市的棉花收获情况,设计了一种小型的棉花收获机械。对该机械的机箱、吸棉管,抽风机采摘头4部分设计过程进行了翔实描述。按该方案研制出的样机采棉效果好,因此该机械具有携带和操作方便、收获速度快等优点,有推广前景。     

振动式蓝莓采摘机对果实收获的影响试验

以‘蓝丰’蓝莓为研究对象,建立了蓝莓果实振动模型和果树振动系统模型。以蓝莓与母枝的结合力作为采摘力对模型求解,确定果实适宜收获的振动频率约为24 rad/s时,可提高采摘效率,降低青果脱落率。利用该振动频率,使用东北林业大学自主研发的GYL062型牵引振动式蓝莓采摘机在蓝莓集中成熟的季节进行采摘试验,得到适宜振动频率下机械采摘的工作效率为7.17 kg/min,是人工采摘效率的10倍,青果脱落率约为5.6%,果实损伤率约为8.0%,树枝总体损伤率约为30%。     

高速收割机的试验研究(Ⅲ)高速收割机传动系统的试验研究

高速收割机传动系统是高速作业、高速切割、高速输送的重要保证。本文通过系统的理论分析和田间试验,确定了高速收割机的最佳传动方案和设计参数,其主要特点是齿形链式切割器的主动链轮与输送带的主动带轮同轴,使传动系统结构简单,工作平稳,噪音小,功耗低,可靠性高。     

茎叶类蔬菜机械化收获技术研究现状与发展

为深入系统地了解茎叶类蔬菜收获机关键技术,采用文献综述和归纳总结的方法,从无序收获技术和有序收获技术2方面对国内外茎叶类蔬菜收获技术的研究成果进行梳理与分析。结果表明:1)在茎叶类蔬菜无序收获技术中,国外集中式蔬菜收获技术已较为成熟,我国相关机型存在通用性不高、自动化程度低等问题。选择式蔬菜收获技术的研究尚始于起步阶段,在工作可靠性和收获效率等方面和集中式收获技术存在明显差距。2)在茎叶类蔬菜有序收获技术中,柔性夹持输送机构和有序铺放梳理装置是有序收获机的关键部件,对低损伤、低扰动柔性夹持输送和有序铺放梳理技术的研究是当前茎叶类蔬菜有序收获技术研究的重点。针对茎叶类蔬菜收获机械作业要求,提出以下发展策略:优化收获机械结构,研究具备一机兼收功能的通用型茎叶类蔬菜收获机;整合机械系统与电气控制技术,提高收获机具的自动化水平;加强成熟蔬菜有效识别定位和末端执行机构相关研究,提高茎叶类蔬菜选择式收获机工作效率;研究茎叶类蔬菜物理特性,突破低扰动切割技术、可调式低损伤夹持输送技术等有序收获关键技术。     

基于功率监测的联合收割机喂入量预测方法

针对联合收割机喂入量主要基于人工经验调控,受人为因素影响较大的问题,分析割台螺旋输送器动力学模型,对螺旋输送器功率和喂入量的关系进行研究;开发基于CAN总线通信联合收割机割台工况嵌入式监测系统,对联合收割机工况进行实时监测。结果表明:1)螺旋输送器功率和喂入量具有数学关系;2)本研究设计的联合收割机割台工况嵌入式监测系统运行可靠,能够实时采集联合收割机工况信息;3)对试验数据回归分析,得到了螺旋输送器功率和喂入量的数学表达式,其相关系数为R2=0.909 9,表明监测割台螺旋输送器功率预测喂入量是可行的。     

顶生小果实采集机的设计

通过对酸枣、花椒、红花等顶生小果实和顶生花类中草药的机械收获试验、研究，我们设计、制造了顶生小果实采集机，该机不但提高了生产率，还可使农民从繁重而又痛苦的手工采摘作业中解脱出来，在生产中有推广的前途。     

4ZBL-2背负式籽瓜联合收获机的设计

半机械化收获籽瓜需耗费大量的劳动力,整个生产过程劳动强度大,劳动效率低,收获成本高。为解决这个问题设计了4ZBL-2背负式籽瓜联合收获机,并对样机的工作性能进行了试验验证,结果表明该机可满足设计要求,可在籽瓜自然状态下一次完成籽瓜的集条、捡拾、脱粒及装袋等作业。该项技术填补了国内籽瓜联合收获的空白,并受到当地农户好评。     

大豆联合收获机清选装置与关键技术研究进展

清选装置是大豆联合收获机完成脱粒混合物清选分离的主要设备,其工作性能决定大豆机收的清选作业水平。目前,中国专用于大豆机收的清选装置较少,联合收获机主要采用筛子-气流式清选装置,但该类清选装置与大豆特性的匹配性较低,导致大豆机收清选损失率和含杂率较大。从清选装置与关键技术2个方面综述大豆联合收获机清选装置的研究现状,结合当今世界联合收获机清选装置的先进技术进行总结,分析现阶段中国大豆机收清选装置研究的不足之处,并展望大豆联合收获机清选装置的发展趋势。     

4M-2型马铃薯联合收获机传动系统的研制

针对4M-2马铃薯联合收获机的功能要求,通过理论分析确定了其传动方案、抖动升运系统、茎杆分离系统及倾斜式输送系统的主要参数,该系统结构紧凑,传动效率高,功率消耗低,能保证抖动升运链、茎秆分离器、横向输送器和侧向倾斜式输送器等部件协调工作,可一次性完成薯块的分离、输送、装箱作业,提高收获效率.     

高速收割机的试验研究(Ⅰ)——高速收割机的方案设计与评价

在一组约束条件下，采用新型齿形链式切割器及同轴驱动方式，运用综合评判理论，设计并论证了高速收割机的总体方案。论证表明，总体方案设计合理，既可高速作业，又可宽幅收割，实现了高速切割与高速前进、高速收获与高速输送的有机结合和有效匹配，结构简单，噪音小，生产率高。     

新型马铃薯联合收获机的总体设计

为了提高生产效率,减少劳动强度,根据农艺要求,设计了一种新型马铃薯联合收获机.本文主要对该机的挖掘铲、分离、清选分级装置的设计进行了阐述,该机集马铃薯挖掘、分离、清选和分级等功能于一体,使收获后的马铃薯能按尺寸大小分级直接装袋(箱),具有一定的创新性.     

小型沙生灌木收割机通过性及对沙地影响的试验研究

介绍了所设计的小型自行式沙生灌木收割机的总体结构,用以解决科尔沁沙地灌木收割问题。在科尔沁沙地进行了该机器的通过性能研究,将机器反复通过前后对沙土坚实度的影响作为割灌机在沙地通过性能的评价指标,得出该割灌机的牵引力系数与滑转率的关系曲线。试验表明,该割灌机在沙地有较好的通过性能,能满足灌木收割的需要;反复通过同一车辙后,沙土坚实度基本不发生变化,即不对地表植被造成破坏。     

基于模态的联合收获机车身框架振动特性分析与结构优化

以某联合收获机主机车身框架为研究对象,采用有限元柔性体技术创建车身框架的有限元柔性体模型,并在其基础上进行模态分析与计算。结果表明,车身框架的第一阶模态频率为7.29 Hz,与收获机正常工作时割刀的激励频率(7Hz)接近,易发生共振,且对人体舒适性影响最大。为了调整收获机车身框架的固有频率,以避开外部激振频率范围,采用HyperMesh软件对收获机车身框架柔性体模型进行尺寸优化和拓扑优化,结果表明,尺寸优化后,收获机车身框架的第一阶模态频率由优化前的7.29 Hz提升至8.63 Hz,车身框架质量下降了0.006t;拓扑优化后,收获机车身框架的第一阶模态频率由优化前的7.29Hz提升至8.49Hz,车身框架质量下降了0.107t。拓扑优化与尺寸优化均可使收获机车身框架固有频率避开外部激振频率范围,但综合考虑优化设计的目标与生产制造成本,采用尺寸优化技术对收获机车身框架进行结构优化更为适合。     

新型冬季葡萄越冬埋藤机的设计与试验

为解决现有多数葡萄埋藤机埋土量少和埋藤质量差等问题,研制了一种新型冬季葡萄越冬埋藤机。对该机的关键部件：掘土部件,输土机构和减速、换向装置进行了设计研究,并采用正交试验方法进行了田间试验,以掘土铲的长度、纵向输送带的线速度与横向输送带的线速度为因素,以覆土厚度、覆土宽度和抛土距离为指标。在利用试验结果的基础上做出了方差分析,得出影响葡萄埋藤机工作性能的因素主次,进一步优化了组合部件参数。试验结果表明掘土铲的长度为40 cm、纵向输送带的线速度为1.4 m·s^-1、横向输送带的线速度为1.65 m·s^-1时,葡萄埋藤机的埋藤效果良好,能够满足葡萄越冬埋藤的农艺要求。     

芒果采摘机构的设计

我国的海南岛分布许多不同种类的芒果,由于各种品种的芒果结果高度不一,不利于现有的水果采摘机器芒果的采摘。笔者设计了一种可伸缩灵活多用的采摘机构,可用于芒果以及木瓜的采摘。该设计对传统采摘机构的集果装置进行了改进,采用滚轮式机架,利用伸缩式采摘杆通过调节其长度来实现对不同高度芒果的采摘。结果表明该设计不仅大大降低水果采摘过程中的水果擦伤率,并且可大幅降低果农的工作负荷,使采摘过程变得轻松。因此,设计的该采摘机结构简单,使用方便,能完成大部分品种的芒果、木瓜等水果的采摘工作,大大提高工作效率。     

手持式电动水果采摘机设计

针对果园采摘作业占有劳动力多,采摘效率低、机械化采摘困难等问题设计了一款操作简便且通用性强的手持式电动水果采摘机.该采摘机由切割刀片、刀片驱动电机、载果框、伸长杆、手柄、切割按键及控制器组成.采摘时,按动切割键,刀片驱动电机带动切割刀片旋转割断果柄,控制器同时检测刀片的起始位置和电机驱动电流,保护电机及控制器.该采摘机结构简单,成本低廉,能减轻劳动强度,能完成多种水果的采摘,提高了采摘效率.     

基于高速摄影的冬枣果实振动脱落规律分析

为研究冬枣振动采收过程中果实的运动规律和脱落轨迹,采用改装的电动往复锯连接自制振动采摘头对树枝进行高速振动,用高速相机记录不同振动频率(15、20、25 Hz)下冬枣果实的运动轨迹,对高速视频进行分析,计算在振动过程中的枣果脱落类型、脱落时间和运动轨迹,以及果实脱落时的速度、加速度和惯性力。结果表明:1)冬枣果实的主要脱落类型是旋倾型,15、20和25Hz时,旋倾型脱落的果实个数比例分别为81%、66%和78%,参考已有研究经验,冬枣机械收获宜选用连续式振动设备;2)随着振动频率的增大,果实的平均脱落时间减小,3个频率的果实脱落时间分别为1.71、0.54和0.43s,15Hz时果实脱落时间与20和25Hz时的果实脱落时间存在显著性差异,而20与25Hz时的果实脱落时间无显著性差异;3)果实的速度和加速度随着振动频率的增大而增大,但不同频率的果实平均脱落惯性力不存在显著性差异,3个频率下分别为0.48、0.43和0.49N。本研究结果可为机械收获装备的设计选型与研发提供理论依据。     

Yield map generation of perennial crops for fresh consumption

Yield mapping technologies can help to increase the quantity and quality of agricultural production. Current systems only focus on the quantification of the harvest, but the quality has equal or greater importance in some perennial crops and impacts directly on the financial profitability. Therefore, a system was developed to quantify and relate the quality obtained in the classification line with the plants of the orchard and for decision-making. The system is comprised of hardware, which obtains the location of the harvester bag during harvesting and unloading at the unloading site, and software that processes the collected data. The cloud of real-time data contributed from the different collectors (bins) allows the construction of yield maps, considering the multi-stage harvesting system. Further, the system enables the creation of a detailed map of the plants and fruits harvested. As the harvest focuses on quality, it takes place in stages, depending on the ripening of the fruits. In addition to the yield maps, the system allows identification of the efficiency of each worker undertaking the harvest by the number of performed discharges and by the time spent. The system was developed in partnership with the Federal Technological University of Paraná and Embrapa Uva & Vinho and was tested in apple orchards in southern Brazil. Although the system was evaluated with only data from apple cultivation, monitoring the quality and quantifying other orchard fruits can positively impact the fruit sector.