农业装备驾驶室虚拟人机工程学设计与评价

以拖拉机和联合收割机等典型农业装备驾驶室为研究对象,建立了基于元件类型、元件、元件特征参数的“顶层、中间层、底层”三层驾驶室人机界面评价指标体系;利用OpenGL参数化模型设计方法和虚拟现实交互技术,研究了驾驶室分层次模糊综合评判的客观评价方法与基于虚拟漫游交互的主观评价方法;基于VS.NET 开发系统和Multigen Vega Prime仿真平台,开发了农业装备驾驶室虚拟人机工程学设计与评价系统。对某国产拖拉机的应用结果表明,基于所开发系统的客观评价和虚拟试验评价结果基本一致,可作为一种设计和评价农业装备驾驶室的重要手段。     

坦克驾驶舱人机界面的几何建模方法

为了解决坦克驾驶舱人机界面设计中的人机工程问题，将虚拟设计的理论和计算机仿真技术引入坦克驾驶舱人机界面设计中。按照系统分析和人机工程学原理，对坦克驾驶舱人机界面的层次结构进行了划分。利用计算机图形学的相关方法，提出了坦克驾驶舱人机界面各组成部分的三维模型的构建方法，建立了坦克驾驶舱人机界面的元件库模型和人体模型；应用OpenGL三维计算机图形软件接口实现了坦克驾驶舱人机界面几何模型的构建，完成了坦克驾驶舱人机界面几何建模软件的开发。实际模拟结果显示，虚拟人机界面较为逼真，能满足人机工程学仿真的需要。     

双向可控硅过零调功调速的技术实现方法

为实现对仔猪舍通风换气设备的无级调速控制，对电机调速进行了分析和研究。提出了一种以可控硅过零调功方式实现调速的控制方案。该方案采用过零触发方式，使可控硅输出完整的正弦波电压。不仅无高次谐波产生，而且不影响电网电压，不干扰通讯设备。系统的可控硅过零触发与主回路控制由软硬件协同完成．其中软件承担了主要的控制任务，从而简化了硬件设计，便于检修和维护。所提出的调速方案解决了仔猪舍通风电机的调速问题，为同类系统的开发提供了参考。     

基于时变扰动抑制的动力换挡拖拉机起步控制方法

针对拖拉机起步工况复杂,起步控制系统存在建模不确定性、参数摄动和时变扰动等问题,为提高动力换挡拖拉机起步品质和驾驶员操作舒适性,提出了基于时变扰动抑制的拖拉机起步控制方法。首先,以动力换挡变速箱(Power shift transmission,PST)为研究对象,通过分析拖拉机起步过程的动态特性建立PST起步动力学模型,以冲击度和滑摩功作为换挡品质评价指标,构建起步控制的性能泛函;然后,引入高阶扰动观测器(High-order disturbance observer,HDO)估计起步控制系统中的扰动及其各阶导数,结合哈密尔顿函数对线性二次型调节器(Linear quadratic regulator,LQR)推导求得最优控制律;最后,基于Matlab/Simulink和AMESim构建大功率拖拉机PST的联合仿真模型,并与PIO观测器(Proportional integral observer,PIO)进行对比,验证本文方法的有效性。算例验证表明,HDO能够准确估计系统时变扰动,通过与LQR的结合可有效抑制系统时变扰动。仿真结果表明,中等起步,运输工况和犁耕工况下,HDO冲击度分别为12.25、11.32 m/s³,比PIO分别降低了21.92%、22.20%,滑摩功比LQR分别减少0.49、0.11 kJ。在不同工况和起步意图下,本文方法可有效降低动力换挡拖拉机起步过程中的冲击度和滑摩功,具有较好的换挡品质和控制鲁棒性。     

基于知识工程的玉米果穗剥皮装置设计

收获机械结构复杂多样，使用季节性强，且用户多样性、定制化需求特征明显，传统研发模式存在设计周期长、效率低和质量难以保证等问题。本文以玉米联合收获机果穗剥皮装置为研究对象，根据剥皮装置结构特征、技术参数和性能评价指标之间的关系，提出了基于知识工程的玉米果穗剥皮装置设计方法。首先明确剥皮装置设计流程，制定模块化设计方案，按照功能划分为专用件模块、通用件模块和标准件模块，其中专用件模块为剥皮装置核心组成部件，主要包括剥皮辊、压送器，通用件模块包括喂入辊、输送机构、排杂器、传动机构和果穗回收机构等，标准件模块包括传动件、连接紧固件和轴承等。然后按照标准、规范和约束范围，建立剥皮装置相关设计知识库，分析玉米品种特性、作业形式、传动方案、结构参数和工作参数之间的数学关系，同时利用框架式表示法对剥皮装置进行分解，建立自顶向下的谱系层次结构。基于果穗运动学和动力学分析，融合文献资料、试验数据和专家经验，建立了剥皮装置工作性能评价模型，包括苞叶剥净率评价模型、籽粒损失率评价模型和籽粒破碎率评价模型。基于Visual Studio平台，融合知识库、推理机、评价模型和系统人机界面，开发了基于知识工程的玉米剥皮装置设计系统，实现用户需求参数输入下设计参数的实时计算输出及参数评价。基于上述研究，以TPJ16型玉米果穗剥皮装置参数为例，在交互界面输入功率7.5kW、喂入量16.6t，计算获取剥皮装置关键结构参数和运动参数，并进行设计参数的性能评价，求解结果表明该剥皮装置的苞叶剥净率为96.01%，籽粒破碎率为1.42%，籽粒损失率为3.25%。     

高速插秧机底盘快速设计专家系统

针对我国高速插秧机主要依赖于进口、自主设计能力较差、传统设计周期长等问题,在分析相关文献资料的基础上,收集整理了大量的相关设计知识.应用知识工程的理论,研究了高速插秧机底盘设计知识的表示方法和插秧机快速设计推理机制.建立了插秧机各零部件参数化模型,以Visual Studio 2008、Oracle、Pro/E为主要开发平台,开发了整个设计系统,融高速插秧机底盘设计知识库、推理机和参数化模型为一体,实现了基于知识的高速插秧机底盘快速设计.     

基于ZigBee技术的棉田滴灌监测与控制系统

设计开发了基于ZigBee无线传感网络技术的棉田滴灌监测与控制系统。该系统通过无线传感网络实时采集土壤环境信息,使用自适应加权融合算法对各节点土壤湿度数据进行融合,根据融合数据发送电磁阀控制命令,完成实时监测自动灌溉;结合棉花不同生育期对需肥量和施肥浓度的要求,根据灌溉水量设置注肥比例,系统通过无线传感网络实时采集液态肥流量,实时监控施肥量,并根据施肥量发送施肥电磁阀控制命令,完成水肥一体化灌溉。工作过程中,系统可以将传感器采集的数据通过ZigBee无线网络协调器传输给上位机并实时显示和存储。通过试验验证,该系统可以按照设计要求实现灌溉和施肥的自动控制与检测。     

高地隙自走式玉米去雄机驱动系统设计与特性分析

针对中国高地隙自走式玉米去雄机研究起步晚、技术基础薄弱等问题,该文提出了一种静液压驱动系统方案并对驱动系统特性进行了仿真分析和试验研究。根据去雄机的结构特点,建立了包含四轮独立悬架系统及驱动系统的高地隙自走式玉米去雄机整机数学模型。利用Matlab/Simulink建立了仿真模型并进行了仿真分析,利用去雄机样机进行了实车试验研究,得到去雄机在I挡、II挡和III挡时能达到的最高车速分别约为15、19和24 km/h,稳态压力分别为6.361、7.286和8.717 MPa左右,可分别满足不同的作业工况需求,驱动系统动态响应快,性能良好。通过对比分析有无悬架去雄机驱动系统压力对地面激励的响应,得出有悬架去雄机压力波动小、变化平稳,悬架有效地缓解了地面冲击、改善了驱动系统性能。研究结果表明该文所建整机模型是正确的。该文可为中国高地隙自走式玉米去雄机的研发提供参考。     

大型高地隙喷雾机喷杆主动悬架自适应模糊滑模控制

针对喷杆被动悬架在低频下隔离干扰性车身摆动性能不足的问题,该文在双连杆梯形喷杆被动悬架的基础上加装作动液压缸而获得喷杆主动悬架,并提出了基于自适应模糊滑模控制算法的喷杆主动悬架控制方法;在建立了喷杆主动悬架动力学模型和液压系统模型的基础上,应用Matlab/Simulink对主动悬架系统进行整体仿真分析,验证了该文控制方法的有效性;基于课题组开发的大型高地隙喷雾机搭建了实车试验平台,分别进行了实车静态跟随试验和田间试验。试验结果表明：采用基于自适应模糊滑模控制算法的喷杆主动悬架控制方法,喷杆倾角实车静态跟随响应时间和误差分别为2 s和0.002 rad,相较于PID控制的4 s和0.002 rad响应时间减小;同时,喷杆倾角田间试验摆动范围保持在-0.005～0.005 rad内。结论表明,该文提出的喷杆主动悬架控制方法具有良好的响应性、稳定性和准确性,可有效隔离干扰性车身摆动并保持喷杆稳定。该研究有利于提高中国大型高地隙喷雾机喷雾均匀性和喷杆作业稳定性。     

玉米收获机割台振动特性及其主要影响因素分析

针对收获机械割台振动剧烈、故障率较高等问题,研究了割台动态振动特性及其影响规律。以4YZP-3XH-1型玉米联合收获机割台为研究对象,首先建立了割台机架有限元模型并计算其自由模态,研究了割台模态试验方法,利用特征实现算法识别其模态参数;其次,利用模态试验验证了有限元模型的准确性和可靠性,在此基础上,计算获取割台机架的约束模态;再次,利用时域和频域方法分析振动时域信号,获得怠速、运输和田间收获工况割台的振幅分布特征、主振方向和频率分布规律;最后,研究了割台振动的影响因素及其振动主频与模态参数之间的对应关系,指出了振动频率激起模态振型的规律。研究结果表明,割台机架第1阶试验模态频率为27.260 Hz,第2~10阶模态频率范围为34.311~126.035 Hz,模态振型以弯曲振型和扭转振型为主,割台主轴(28.77 Hz)、切碎刀(29.63 Hz)、还田机(43 Hz)等工作频率均落入其前10阶约束模态频率内;在怠速、运输和田间收获作业工况下,工作部件运行工况相较于仅发动机工作,2种模式下割台振幅相差1个数量级;引起割台振动的主要因素为:发动机的2阶发火频率(76.25 Hz),割台主轴、切碎刀、搅龙、拨禾链、还田机等工作部件的耦合振动,以及道路激励(1.5、2.5 Hz)。对比割台约束模态与振动频率,发动机2阶发火频率引起割台弯扭组合振型,道路激励引起整体振动,割台主轴(28.77 Hz)和切碎刀(29.63 Hz)振动频率激起割台机架的一阶弯曲振型,还田机(43 Hz)振动频率激起割台的扭转振型。研究结果可为收获机械割台模态试验与振动特性分析、对标设计和优化提供参考。