用高光谱成像技术检测柑橘红蜘蛛为害叶片的色素含量

为解决传统理化法检测柑橘树叶片受红蜘蛛为害后色素含量变化时存在的工作量大、效率低等问题,该文研究应用高光谱成像技术检测柑橘红蜘蛛为害叶片色素含量的方法。研究中对比了正常叶片与受害叶片的原始光谱以及原始光谱一阶微分曲线的差异,寻找反映叶片色素含量变化的特征波段;分析了特征波段反射率比值与叶片色素间相关性;采用单变量线性回归法分析了常用植被指数预测叶片色素含量的效果;采用逐步回归分析法建立了叶片色素含量预测模型,并对模型预测效果进行了F检验。结果表明:常用植被指数预测叶片色素含量结果不理想;选取的667/522、667/647和522/647 nm等3个特征波段反射率比值与叶片3种色素含量间具有较高的相关性;用于建立叶片色素含量预测模型的最佳特征波段反射率比值为667/522和667/647 nm,所建立的模型可较好地预测健康及受害叶片的叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量。     

基于发射功率自适应的稻田无线传感器网络节点设计

针对水稻生长过程环境因素变化较大以及传感器节点的能量大部分被无线射频阶段所消耗,设计了发射功率自适应的无线传感器节点,建立了长时间、稳定、高可靠性的稻田无线传感器网络。试验测试了水稻的株高、叶面积与生长天数的关系以及对无线信道的影响,结果表明水稻株高和叶面积的增加会降低无线信号强度和通信成功率;通过增大发射功率可以提高通信质量克服由于水稻生长因数对无线信道的影响。在软件设计方面,传感器节点采用睡眠、苏醒工作机制来降低功耗。同时为了延长工作时间、提高通信质量,提出了根据水稻生长周期、通信距离、接收信号强度、平均丢包率等因素自动调整节点发射功率的能量自适应功耗调整机制。田间试验结果表明,水稻田节点发射功率越大,有效通信距离越远,且水稻的密度和高度等对通信有重要的影响;节点发射功率在5 dBm以下时,发射功率的改变对节点工作电流影响较小,节点工作电流均小于40 mA;采用该机制对发射功率进行调整,增大节点发射功率可使通信成功率有大幅的提升;降低节点发射功率仍然保持良好的通信效果。水稻分蘖和抽穗2个生长时期的田间试验结果表明,采用发射功率自适应策略,提高了通信质量,平均丢包率在5%以下,通信成功率大于97%,达到了预期设计目的。     

单旋翼电动无人直升机辅助授粉作业参数优选

不同类型的农用无人直升机的结构不同,旋翼所产生气流到达作物冠层后形成的风场也有较大差异,对应的风速、风向和风场宽度等参数对花粉的运送效果直接影响到授粉的效果(母本结实率)、作业效率及经济效益。该文采用单轴单旋翼电动无人直升机,根据正交试验设计法设计了3因素(飞行高度、飞行速度和飞机及负载质量)3水平的正交试验,通过考察平行于飞行方向(X向)、垂直于飞行方向(Y向)、垂直地面(Z向)3个方向上的峰值风速(X、Y向越大越好,Z向越小越好)、Y向风场宽度(越宽越好)、动力电池的压降(放电越慢越好)3个指标,对单旋翼电动无人直升机用于水稻制种辅助授粉的田间作业参数进行优选,试验结果分析表明:SCAU-2型单轴单旋翼电动无人机在峰值风速1 m/s时对应的水稻冠层有效风场最宽可达8.1 m,最窄为4.9 m,该机型在所设计的试验条件下基本能满足传播花粉的需求;该机型在水稻冠层所形成风场的峰值风速主要受飞机的飞行速度、飞机及负载质量、飞行高度影响,且随着飞行速度的降低、飞机及负载质量的增加、飞行高度的降低,其峰值风速有逐步增大的趋势。结合有效风场宽度及电池电量消耗程度来考量,3种主要因素的主次排序及其较优水平依次为飞行速度1.56 m/s、飞机及负载质量14.05 kg和飞行高度1.93 m。该结果可为其他单轴单旋翼电动无人直升机用于水稻制种辅助授粉的田间作业参数设置提供参考,而且也可为制定基于农用无人直升机的水稻制种辅助授粉作业技术规范提供依据。     

多光谱低空遥感图像光照辐射度校正

为了提高受云层阴影影响的遥感图像的信息提取准确度,该文以水稻小区试验过程中为进行氮素水平检测而采集的低空机载高分辨率多光谱遥感图像为对象,对受云层阴影影响的高光谱图像进行光谱校正,从而提高氮素水平检测的精度。试验中采用机载的双摄像机同步采集可见光和近红外的水稻遥感图像,并将两摄像机的图像进行几何校正后合成得到彩红外(color infrared,CIR)光谱图像;同时在图像采集区域布置3块不同反射率的1.2 m×1.2 m标定靶,利用便携式光谱仪测定标定靶的反射光谱曲线,并统计标定靶在图像中各通道的亮度均值。以标定靶在晴天无云和有云图像中的亮度值为节点,对G、R和近红外(near infrared,NIR)通道分别建立分段的线性变换模型进行校正。为验证校正精度,在遥感图像中分别选择大田水稻、小区试验田块和裸地3个不同区域的图像的G、R和NIR通道像素亮度均值及归一化植被指数(normalized differential vegetation index,NDVI)作为评价指标。试验结果表明,和传统的整体线性变换相比,采用分段线性变换校正具有较高精度,G、R和NIR通道校正后的平均误差为8.6%,9.1%和11.7%,NDVI平均误差为11.5%,有效提高了阴影条件下的遥感图像的信息提取精度,提高了受云层影响遥感图像的利用率。研究为低空遥感的图像校正提供了参考。     

风送式喷雾机喷筒结构优化数值模拟与试验

采用动参考系模型,将可动风机的转速作为仿真的初始值,分段划分喷筒内计算区域中的网格,利用数值及正交试验的方法,对风送式喷雾机的喷筒结构进行了优化设计,仿真计算喷筒出口处的风速。为验证模型的正确性,在对应风机转速下,实测了喷筒出口各采样点的风速,并将实测值与仿真结果进行了覆盖率统计及χ2检验。结果表明:影响喷筒压力损失及喷筒出口风速的因素依次为:出风口直径、柱形喷筒长度、锥形喷筒长度;在喷筒出口采样点上,仿真计算出的风速区间覆盖实测风速的概率为95%;χ2检验表明在水平0.05下,喷筒出风口风速的仿真值均服从其实际测量值的分布;因此,利用动参考系方法,以风机转速为初始条件,对喷筒出风口速度的数值模拟是可信的。     

基于Retinex图像增强的不同光照条件下的成熟荔枝识别

为了满足自然环境下荔枝采摘机器人视觉定位系统的有效性和实时性的要求,针对不同光照条件的荔枝彩色图像,采用基于双边滤波的Retinex图像增强算法凸显图像中的荔枝果实和果梗,对增强处理后的图像在HSI颜色空间中进行H分量旋转的处理,再对旋转处理后的H分量进行Otsu自动阈值分割去除荔枝图像果实和果梗外的复杂背景;然后通过将双三次插值算法和传统的模糊C均值（FuzzyC-Mean）算法融合,对去背景后的荔枝图像在YCbCr颜色空间中进行Cr分量模糊聚类分割,实现荔枝果实和果梗的识别。荔枝图像的分割试验结果表明：该算法对晴天顺光、逆光、遮阴、阴天顺光等光照条件的荔枝图像能够有效地分割,对阴天弱光照、果实被遮阴条件下的荔枝也能较好的识别,并保持荔枝果实和果梗区域的完整性,4种光照条件荔枝图像分割正确率分别为96%、90%、89.3%和88.9%,成熟荔枝识别的正确率达到了90.9%,该研究为水果采摘机器人的室外作业的实时性和有效性提供指导。     

基于模糊控制的肥液自动混合装置设计与试验

为提高混肥精度,该文在基于脉宽调制的文丘里变量施肥装置的基础上,对其结构进行了改进,并利用电导电极设计了一个电导率测量仪用以实时反馈肥液浓度,使之构成一个闭环控制的自动混肥装置。该装置采用粗细2级调节的控制策略,首先根据检测的入口水压调用对应的函数关系,自动调节电磁阀PWM（pulse width modulation）控制的占空比进行混肥;然后以电导率测量仪实时反馈混肥浓度,并采用模糊控制算法进一步细调PWM的占空比,使混肥浓度尽量逼近目标浓度。试验结果表明,电导率测量仪的有效测量范围为0~12.64 mS/cm,它所测量的电导率与肥液浓度呈显著的线性关系,其决定系数R2为0.997。对混肥装置进行了实测验证,结果表明混肥时的最大浓度误差为0.04%,控制装置达到稳态的响应时间为7.8～10.4 s,能满足实际应用的要求。     

瓜类嫁接苗生物力学特性的试验分析

为给瓜类蔬菜斜插自动嫁接机器人的研制提供设计依据和有关设计参数,该文采用自制植物茎力学性能测试装置,选取瓜类常用嫁接作物为研究对象,对不同瓜类嫁接作物的形态指标、抗拉特性、压缩特性及压杆稳定特性进行了试验研究。试验结果得出在不损伤作物茎前提下,在夹持部位粘贴弹性EVA(乙烯一醋酸乙烯共聚树脂)软质垫片可以获得稳固的夹持效果,最大抗拉力2.38N;在常用嫁接砧木中,黒籽南瓜的横向压缩屈服极限力最大为7.288N,瓠瓜的屈服极限力最小为3.474N;在常用嫁接砧木品种中黑籽南瓜的失稳临界载荷最大为1.49N。并利用StatView软件对生物形态指标与生物力学性质进行了相关性分析,结果表明不同作物力学性能指标与长轴直径相关性较大。该文为设计开发新型自动嫁接装置提供依据。     

保鲜运输用液氮充注气调的温度调节性能优化

为解决保鲜运输用液氮充注气调产生的果蔬低温伤害问题,建立了液氮充注气调试验装置,通过改变液氮罐出液阀孔径、汽化盘管长度、横管开孔方向、开孔隔板开孔率、通风风速、回风道长度等因素,研究各因素对液氮充注温度调节性能的影响,优化液氮充注气调的温度调节性能。结果表明:当液氮罐出液阀孔径为1.5mm,汽化盘管长度为4m,横管开孔吹向风机,开孔隔板开孔率为4.03%,通风风速为8m/s,回风道长度为1.5m,厢体内氧气体积分数自20.95%降至5%时,液氮气调的温度调节性能较优,开孔隔板出气口最大温差仅为1.3℃,开孔隔板出口处与回风道内的最大温差仅为2.72℃。液氮充注气调在43min内可快速将厢体内氧气体积分数由20.95%降至5%,还可利用液氮的冷量为保鲜环境降温。研究结果对果蔬液氮气调保鲜运输车的设计具有一定的参考价值。     

步进式水田中耕除草机的研制与试验

为解决水田的除草问题,增加现有机具的作业功能,该文在步进式插秧机底盘结构的基础上,研制了一种步进式水田中耕除草机。该机由步进式插秧机底盘提供动力,主要由机架、传动系统、仿形及耕深调节机构以及复合式除草部件指辊和刀辊等组成,可实现对杂草的拉拔和埋压。田间试验结果表明:该机配备复合式除草部件、工作速度为0.5m/s、除草深度为50mm时,行间除草率为83.7%,伤苗率为4.1%,可在草量多、杂草高的水田中进行有效除草。