夜间补光对黄瓜幼苗形态的调节与补光方式的确定

为确定光质夜间延时补光对不同生长阶段黄瓜幼苗形态的影响,制定黄瓜育苗夜间延时补光模式,对LED夜间延时补光对黄瓜幼苗形态发育的影响进行了试验研究。选取"津春四号"黄瓜为试材,以下胚轴长、子叶面积、茎粗、叶面积、节长、干物质量、叶绿素含量以及壮苗指数为指标,研究使用红光(R,630 nm)和红蓝混合光(RB,630 nm∶660 nm=8∶2)两种LED光源夜间延时补光4 h对不同生长阶段黄瓜幼苗形态的影响,利用Logistic曲线对叶面积增长速率进行拟合。结果表明:子叶期红光延时补光幼苗子叶面积和茎粗最大,分别比对照组提高了61.60%和19.55%;一叶期红光延时补光幼苗叶面积和茎粗最大,分别比对照组提高了25.11%和14.72%;成苗期红蓝光延时补光幼苗叶面积、茎粗、干物质量、叶绿素含量和壮苗指数最大,分别比对照组提高了41.92%、17.75%、45.45%、21.92%、200.00%。利用红光夜间延时补光能够促进前期(子叶期和一叶期)黄瓜幼苗的生长,红蓝混合光夜间延时补光可促进后期(二叶期至成苗期)黄瓜幼苗的生长、提高幼苗壮苗指数。     

基于机器视觉的嫁接幼苗特征识别方法

幼苗子叶方向的正确识别是瓜科嫁接机实现全程自动化的关键技术之一。该文研究了在自然光照条件下,对白籽南瓜砧木子叶方向特征的识别方法。首先对采集的幼苗图像进行预处理,提取出子叶边界;然后利用区域标记,依次提取目标幼苗子叶边界的最小外接矩形,在外接矩形内对幼苗边界进行椭圆形Hough变换,拟合两片子叶的轮廓曲线;最后依据子叶轮廓的椭圆形数学模型,求取幼苗子叶方向,幼苗生长点位置以及子叶叶片面积等特征信息。对100幅幼苗图像进行识别试验,成功率为85%。该文提出的方法可对嫁接南瓜幼苗的子叶方向特征进行有效的识别,并且通过调整参数,可用于其他幼苗的特征识别研究。      

水稻钵盘精量播种装置长短粒芽种播种试验研究

为优化水稻钵盘精量播种机有关参数及提高播种性能,利用水稻钵盘精量播种机,通过二次正交旋转回归分析,分别以水稻品种为空育131(短粒)、垦鉴3号(长粒)为研究对象,建立了型孔直径、型孔厚度、种箱速度与性能指标间的非线性回归模型。结果表明:水稻品种为短粒时,对播种合格率和损伤率影响的主次因素均为型孔直径、型孔厚度、种箱速度;当水稻品种为长粒时,影响播种合格率和损伤率的主次因素不同,分别为型孔厚度、种箱速度、型孔直径(长粒)和型孔直径、种箱速度、型孔厚度(长粒),确定较优参数组合为10mm、4mm和0.2 9 0 m/s(短粒);1 1 mm、4 mm和0.2 4 0 m/s(长粒)。此时,播种合格率9 4.8 1%、损伤率0.4 7 9%(短粒);播种合格率95.37%、损伤率0.368%(长粒)。研究结果可为水稻钵盘精量播种机设计与性能改进提供依据。     

基于有限位置法的冲压机构摆动力完全平衡设计

基于有限位置法对一种具有两个末端执行器的零耦合度平面高速冲压机构进行摆动力完全平衡设计。通过拓扑分析将该机构划分成3个子运动链(SKC)，根据树系统划分原则分别确定了各子运动链中连枝构件以及树枝构件的个数；对机构进行位置分析，依次求解各子运动链的质量矩，得到机构总质量矩与各个构件角位置之间的关系；通过求取机构在5个不同位置上的总质量矩建立线性方程，求解得到机构摆动力完全平衡时各树枝构件的平衡配重参数m*i和p*i；分析了配重参数m*i、p*i对平衡后总质心轨迹波动及总惯性力的影响。结果表明，改变配重质量参数m*i对最终平衡效果影响较大，取m*i为0.002kg时，机构总质心轨迹波动和总惯性力在x、y轴方向上分量比平衡前分别下降了44.44%、59.78%和72.94%、5.40%，验证了摆动力完全平衡条件的有效性。     

高速空间并联式坐标测量机动力学优化设计

为了改善高速空间并联式坐标测量机的动力学性能,将虚拟样机技术应用于该测量机的弹性动力学优化设计中。协同利用CAD、CAE和可视化虚拟样机技术,建立高速空间并联式坐标测量机的刚柔耦合虚拟样机,分别考察动平台质量与驱动杆轴径的变化对测量机运动输出误差及驱动杆最大动应力等动力学行为的影响规律,并据此对这些参数进行优化设计,得到测量机动平台质量为80.85 kg,驱动杆轴径为44 mm。仿真结果表明,经过优化设计,测量机驱动杆最大动应力降为17.5 MPa,运动输出误差也明显小于优化设计前,测量机的动力学特性得到明显改善。     

基于响应面和遗传算法的尾座式无人机结构参数优化

设计了一种垂直起降尾座式无人机,利用中心组合试验(Central composite design,CCD)对无人机的翼展长、后掠角、小翼高和小翼厚4个结构参数进行设计,构建了25组样本点。利用ANSYS CFX进行升阻比和阻力数值模拟,通过Design-Expert软件建立无人机结构参数与升阻比、阻力的响应面模型,其中升阻比随着翼展长和小翼高的增加而增大,后掠角和小翼高对升阻比的影响较小,当攻角为4°～8°时,升阻比随小翼厚的增加而减小,当攻角为10°～12°时,升阻比随小翼厚的增加而增大;阻力随着翼展长和小翼厚的增加而增大,随小翼高的增加而减小,随后掠角的增加先增大后减小。以升阻比最大和阻力最小为优化目标,采用多目标遗传算法进行结构参数优化,得到最优结构参数为:翼展长1 123 mm、后掠角34°、小翼高39 mm、小翼厚3 mm,与原始样机相比升阻比提高了12. 4%,阻力降低了5. 3%。采用风洞试验对响应面模型进行了验证,其中升阻比和阻力的数值模拟相对误差小于8. 0%,响应面模型相对误差小于3%,表明响应面模型具有较高的精度和良好的通用性,可用于垂直起降尾座式无人机的优化设计。     

尾座式无人机续航时间估算模型

为研究尾座式无人机翼展长、翼根弦长、翼梢弦长、机翼后掠角、小翼翼梢长、小翼展长、小翼高、小翼后掠角、小翼厚度和小翼脚长等10个结构参数对无人机续航时间的影响,利用CATIA和ANSYS建立了尾座式无人机及其外流场的三维实体模型,采用SST k-ω模型在ANSYS CFX中模拟无人机在130种不同结构参数组合下的气动特性,利用方差分析确定气动系数的特征因子为翼展长、后掠角、小翼厚度和小翼脚长,建立了4个特征因子与气动系数的多元回归模型;结合质量系数方程,最终建立了结构参数与续航时间的关系模型,精度达0. 97。采用风洞试验的方法对数值模拟结果进行验证,测量4架样机在巡航状态下的气动系数,相对误差小于14%,数值模拟方法可靠。采用定高定点盘旋的方法进行样机试飞试验,对续航时间模型进行验证,连续记录不同剩余电量时的飞行时间,结果相对误差小于15%,模型可靠。     

辣椒介电参数测量误差分析及改进研究

研究了一种平行极板电容用于辣椒电容测量的误差问题,确定了误差补偿方案和参数。通过改进测试系统和设定测试参数将系统误差降低到0. 53%,等位环在极板间距30mm时边缘电容误差降低到0. 56%。以辣椒丁为原料,确定了误差较低的检测状态,辣椒丁边长1～3mm时,误差为1. 2%～1. 4%。将干燥收缩与电容值进行补偿计算,干燥收缩造成的误差降低至1. 12%～1. 92%。实验表明:测试系统的总体误差低至4. 05%～4. 52%,重复误差为0. 57%～0. 62%。     

均匀化育苗研究平台的设计与试验

标准苗的培育是机械嫁接过程的关键技术之一。为解决日光温室内植物幼苗向光弯曲的问题,且为探究不同LED光质对幼苗外观特征的影响,设计并研制了均匀化育苗研究平台。该研究平台由4个不同光质的培养小室组成,可根据幼苗生长期的不同,调节光源距离幼苗的高度,并利用机器视觉实时检测幼苗外观特征。以"北农亮砧"嫁接砧木为研究对象,在不同光照条件下进行了验证试验。试验结果表明:在不同光照条件下均可培育出长势均匀的幼苗,株高标准差小于7mm,茎粗标准差小于0.3mm,可用于培育外观特征一致的嫁接用幼苗;系统可实现对单株幼苗的外观特征无损检测,操作简单。     

盐碱胁迫对乌拉尔甘草幼苗生长的影响

对不同浓度盐碱胁迫下乌拉尔甘草幼苗的存活率、株高、叶数等指标进行了测定,结果表明,NaCl、NaHCO3对甘草幼苗存活和株高、叶片生长的抑制作用小于Na2SO4、Na2CO3,各阴离子致死幼苗和抑制幼苗生长的作用由强到弱顺序为CO32-、SO42-、Cl-、HCO3-;在以中性盐浓度增加为主的情况下,NaCl对甘草幼苗茎长和叶片生长的抑制作用小于Na2SO4;在以碱性盐浓度增加为主的情况下,NaHCO3对甘草幼苗茎长和叶片生长的抑制作用小于Na2CO3。表明乌拉尔甘草适应于中性和以HCO3-为主的弱碱性环境,这对盐碱和盐漠地的生态恢复具有一定的指导意义。     

基于RGB-D相机的黄瓜苗3D表型高通量测量系统研究

传统的人工种苗表型测量方式存在效率低、主观性强、误差大、破坏种苗等问题，提出了一种使用RGB-D相机的黄瓜苗表型无损测量方法。研制了自动化多视角图像采集平台，布署两台Azure Kinect相机同时拍摄俯视和侧视两个视角的彩色、深度、红外和RGB-D对齐图像。使用Mask R-CNN网络分割近红外图像中的叶片和茎秆，再与对齐图进行掩膜，消除了对齐图中的背景噪声与重影并得到叶片和茎秆器官的对齐图像。网络实例分割结果的类别和数量即为子叶和真叶的数量。使用CycleGAN网络处理单个叶片的对齐图，对缺失部分进行修补并转换为3D点云，再对点云进行滤波实现保边去噪，最后对点云进行三角化测量叶面积。在Mask R-CNN分割得到的茎秆对齐图像中，利用茎秆的近似矩形特征，分别计算茎秆的长和宽，再结合深度信息转换为下胚轴长和茎粗。使用YOLO v5s检测对齐图中的黄瓜苗生长点，利用生长点与基质的高度差计算株高。实验结果表明，该系统具有很好的通量和精度，对子叶时期、1叶1心时期和2叶1心时期的黄瓜苗关键表型测量平均绝对误差均不高于8.59%、R²不低于0.83,可以很好地替代人工测...     

基于时间序列的玉米叶片性状动态提取方法研究

玉米叶片性状对生长发育、遗传育种及功能基因解析研究具有重要意义,而传统的测量方式效率低、主观性强、测量性状少,已无法满足现代玉米研究的需求,为此提出一种基于时间序列的玉米叶片性状动态追踪技术。研究基于高通量作物表型平台,针对100份玉米品种资源,每间隔3 d获取8个玉米生长点图像;利用图像分割、叶片骨架提取等算法得到单片叶长、叶角度、叶弯曲度参数;基于叶片相对位置信息实现玉米叶片的动态追踪及标记。试验结果和人工测量值相比,叶长和叶夹角测量误差分别为0.92%和3.32%。叶片追踪可以得到叶片的动态变化过程,计算获取叶片长度的平均生长率及叶片弯曲度的变化分布。     

基于茎基部分区边缘拟合的稻株定位方法

准确地定位稻株是水稻株间除草机械作业的前提,提出了侧位俯拍的图像采集方式获取稻株茎基部图像,采用茎基部分区边缘拟合的方法定位稻株,解决了除草期内水稻冠层接连引起的定位不准确问题。首先分析稻株生长形态,探究侧位俯拍稻株茎基部的相机安装参数设定,以及影响成像质量的相关因素,提出了遮光条件下采集图像的方法,构建了具有遮光功能的图像采集系统;其次采用2G-R-B彩色图像灰度化、自动阈值、形态学操作等方法处理并分割稻株图像,检测茎基部边缘并分析其形态特征,并提出了分区边缘拟合定位方法:划分拟合区间为3个子区间,在子区间内进行边缘拟合,以拟合边缘线段中点坐标均值作为子区间茎基部中点,根据中点拟合茎基部中线,以中线中点作为定位的茎基部中心。最后进行了基于茎基部与冠层的稻株定位精度田间对比试验,结果显示:插秧后10~20 d内,基于茎基部的稻株定位误差均在7.0 mm以下,其中10 d、15 d、20 d时的定位误差分别为6.9mm/6.8 mm、5.9 mm/5.8 mm、6.3 mm/6.5 mm(有水条件/无水条件);基于冠层的稻株定位误差在8.0 mm以上,其中插秧20 d后,定位误差超过15 mm以上。试验结果表明,所提出的基于茎基部分区边缘拟合的稻株定位方法,定位精度高,除草适用期长,可满足株间机械除草过程中对稻株精准定位的技术要求。     

水培生菜低损柔性采收装置设计与试验

植物工厂水培生菜采收过程中易损伤菜叶,为提升采收质量,结合水培生菜农艺特征,设计了一款水培生菜低损柔性采收装置。利用图像处理检测水培生菜轮廓外切矩形,获取生菜株高及菜叶展开尺寸,进而通过柔性手指对菜叶的低损抓取、切割器对生菜茎的一次切除,实现水培生菜低损柔性采收。分析确定了柔性抓取机构、切茎机构、控制系统等关键部件的作业流程及结构参数。利用响应曲面试验方法,优化了柔性手指抓取高度比、抓取圆周比、柔性手指弯曲角的参数组合。试验结果表明,各因素影响采收成功率的显著性顺序为柔性手指弯曲角、抓取圆周比、抓取高度比,各因素对菜叶损伤面积的影响均极显著。利用二次拟合方程求得最优参数组合为抓取高度比0.55、抓取圆周比0.76、柔性手指弯曲角39.7°。对最优参数组合进行试验验证,结果表明,菜叶损伤面积为186mm2,采收成功率为96%,实现了水培生菜低损柔性采收。     

基于三维数字化的小麦植株表型参数提取方法

针对小麦植株分蘖多、器官间交叉遮挡严重，难以用图像或点云准确提取植株和器官表型的问题，本研究提出了基于三维数字化的小麦植株表型参数提取方法。首先提出了小麦植株各器官数字化表达方法，制定了适用于小麦全生育期的三维数字化数据获取规范，并依据该规范进行数据获取。根据三维数字化数据的空间位置语义信息和表型参数的定义，提出了小麦植株表型参数计算方法，实现了小麦植株和器官长度、粗度和角度等3类共11个常规可测表型参数的计算。进一步提出了定量描述小麦株型和叶形的表型指标。其中，植株围度通过基于最小二乘法拟合三维离散坐标计算，用于定量化描述小麦植株松散/紧凑程度；小麦叶片卷曲和扭曲程度为定量化叶形的指标，根据叶面向量方向变化计算得到。利用丰抗13号、西农979号和济麦44号三个品种小麦起身期、拔节期、抽穗期三个时期的人工测量值和提取值进行验证。结果表明，在保持植株原始三维形态结构的前提下，提取的茎长、叶长、茎粗、茎叶夹角与实测数据精度相对较高，R² 分别为0.93、0.98、0.93、0.85；叶宽和叶倾角与实测数据的R² 分别为0.75、0.73。本方法能便捷、精确地提取小麦植株和器官形态结构表型参数，为小麦表型相关研究提供了有效技术支撑。     

基于深度相机的玉米株型参数提取方法研究

提出了一种基于骨架提取的改进算法,可实现在大田环境下,使用PMD深度相机快速、无损测量玉米株型参数。首先利用深度图像RGB伪彩色和深度距离信息,提取深度图像的骨架,排除复杂背景干扰,得到单株玉米的二值骨架图像;然后利用基于角点检测的改进归类算法提取骨架图像特征点;最后建立骨架图像中特征点与深度图像的对应关系,利用空间几何数学方法,结合特征点计算出玉米的3种株型参数,即株高、茎粗、叶倾角。农田实验对比分析表明,所提方法的株高测量结果与人工测量结果的相关系数 r 为0.986,最大相对误差小于2 cm,农田作物育种抗逆性分析还表明玉米株型参数与抗倒伏性具有显著相关性。     

茎瘤芥种子离散元模型参数标定

为解决茎瘤芥种子离散元模拟中缺乏准确仿真参数的问题,通过直接测量和虚拟标定方法确定“涪杂2号”茎瘤芥种子离散元参数。利用数显游标卡尺、电子秤等物理机械特性测定工具,得到茎瘤芥种子的三轴尺寸、等效半径、千粒重和密度;通过斜面碰撞法、三点滑动法和斜面法分别得到茎瘤芥种子与有机玻璃之间的恢复系数、静摩擦系数和滚动摩擦系数分别为0.561、0.420、0.155;采用旋转鼓试验和圆筒提升试验结合MATLAB图像处理技术获得茎瘤芥种子的动态堆积角和静态堆积角分别为35.235 2°和14.483 0°。基于Plackett Burman试验筛选出对动态堆积角和静态堆积角影响显著的参数因子均为种子与种子间的滚动摩擦系数、种子与种子间的静摩擦系数;通过中心复合设计分别获得显著性因子与动态堆积角、静态堆积角的二次回归方程,并以动态堆积角和静态堆积角的实测值为目标,基于回归模型对因子参数组合进行优化,得到两组种子与种子间的静摩擦系数、种子与种子间的滚动摩擦系数最优参数组合为0.666 1、0.023 7以及0.341 6、0.036 0。对两组最优参数组合进行仿真验证,结果显示两组参数组合下动态堆积角、静态堆积角的仿真值与实测值相对误差分别为0.477%、3.590%和1.820%、4.950%。结果表明,仿真中种子与种子间的静摩擦系数、种子与种子间的滚动摩擦系数分别为0.666 1、0.023 7时,更符合茎瘤芥种子实际的物理特性。本研究能为茎瘤芥播种过程及相关装置设计优化提供参考。     

基于2D激光探测的立木胸径几何算法优化

目前林业测绘中使用2D激光扫描仪对树干立木胸径及位置的测定研究占据重要地位。针对3种较为常用的几何类算法(弧长法、切线法和双余弦法),提出在近距离下利用补偿角对其测量值进行补偿的方案,研究了弧长法与切线法补偿角随距离的变化关系,并进行回归分析,所得拟合方程的R~2均大于0.85。运用拟合方程在0~5.5 m范围内对实际树干进行验证,试验选取了5株杨树树干,通过算法补偿,半径与距离测量值的准确性均得到提高,其中弧长补偿算法和切线补偿算法对半径的测量精度分别比未补偿前提高了10.6和10.7个百分点,补偿后的绝对误差均值分别为4.8 mm和3.8 mm;补偿后距离测量值绝对误差均值可分别控制在66.0 mm和15.9 mm以内。试验证明2种补偿后的几何算法均可作为近距离下的林业测绘算法,其中切线补偿算法更优。     

薰衣草收割机切割高度可调节机构的设计及运动仿真

薰衣草生长期长达十几年,长期农机入地作业造成了地面高低不平,既要花穗收割干净,同时不能伤害保留的茎秆,确保薰衣草后续的生长。为此,设计了高度可调节机构使薰衣草切割后的茎秆保留高度一致。同时,对仿形机构进行了受力分析,确定了影响仿形性能的初始作用角度α、上仿形角α1、连杆长度L1。根据初始工作角和最大下仿形量,设计出的仿形杆长度为440mm,最大上仿形量为214mm。最后,应用仿真分析软件Adams进行运动模拟,结果表明:仿形机构可实现上下仿形和翻转,上下仿形量可达到2 9 0 mm,翻转角度达到9 0°,满足薰衣草收割机的切割仿形量。该机构为研制薰衣草收获机的研制提供了依据。