水稻无人机撒肥系统设计与试验

针对水稻穗肥撒施效率和机械化程度低的问题,为提高无人机撒肥均匀性,基于多旋翼无人机平台设计了一种水稻撒肥系统,确定了离心盘、流量调节装置等主要结构参数,同时应用EDEM软件仿真分析了离心盘转速、落入位置角、肥料流量、无人机飞行速度和飞行姿态对肥料分布的影响。试验表明:肥料分布呈同心圆时,撒肥有利于幅宽边界确定;幅宽随着离心盘转速的增加而增大,肥料分布峰值随流量增大由左侧逐渐变为右侧;撒肥均匀性随流量增加呈先增、后减的趋势,无人机俯仰角与横滚倾斜角对肥料分布均有影响,俯仰造成肥料向中部堆积,横滚使肥料向单侧堆积。肥料流量、无人机飞行速度和离心盘转速与落入位置角均存在交互作用,对撒肥均匀性有显著影响。当落入位置角为40°、离心盘转速为1 100 r/min、肥料流量为3 460颗/s、飞行速度为5 m/s时,撒肥性能最佳,此时变异系数为8.86%。田间试验结果表明,无人机施肥效率约为人工施肥的12.5倍。本研究为水稻穗肥的机械化施用提供了解决方案,可为水稻穗肥的无人机撒肥系统设计提供参考。     

基于工作空间的果园作业平台结构参数优化与试验

为提高果园作业平台的适用性和操作灵活性,根据乔砧密植的纺锤形苹果种植模式确定其目标工作空间,以工作空间尺寸偏差、工作空间体积和平均可操作度描述其可达工作空间性能,分析了平台主要结构参数杆长和关节变量（关节角、连杆偏移）对工作空间性能的影响。建立了以可达工作空间性能和结构紧凑为指标的优化模型,利用遗传算法求解得出最优参数为：杆2和杆4的长度分别为988、879mm,关节1、3的关节角范围分别为[107°,256°]、[-118°,-76°],关节5、6的连杆偏移最大值分别为720、340mm。优化后其可达工作空间尺寸偏差分别减小96.09%、95.60%,体积减小4.69%,平均可操作度增加1.43%。对优化后的果园作业平台进行了实地果园工作空间试验,结果表明：承载质量为65kg、横坡坡度为15°、纵坡坡度为15°时,工作空间尺寸偏差最大,分别为16.2、16.7mm,比原型分别减小93.89%、93.76%。     

基于Lab颜色空间的非监督GMM水稻无人机图像分割

为解决传统水稻冠层图像分割算法性能在很大程度上依赖于训练数据集的质量,且分割效果易受田间多变光照强度影响,导致水稻生产参数估计精度不高等问题,提出一种基于Lab颜色空间的非监督贝叶斯方法,用于田间水稻无人机图像分割。模型参数从每个独立、未标记的无人机图像直接学习获得,无需训练。不同图像会有不同的模型参数,该算法能够适应各种不同环境拍摄的图像。将提出的算法应用于分蘖后期田间水稻的无人机图像分割,并与RGB-GMM、HSV-GMM和All-GMM算法进行对比,在高度10 m图像中平均查全率、平均查准率和平均F1值分别为0.8427、0.7570和0.7948,在高度15 m图像中分别为0.8756、0.7133和0.7788,优于RGB-GMM、HSV-GMM和All-GMM算法。研究表明,本文提出的方法可以从复杂大田环境拍摄的无人机影像中准确提取水稻像素。     

基于Random Forest的水稻细菌性条斑病识别方法研究

为了快速、准确、有效地识别发病早期的细菌性条斑病,提出基于随机森林(Random forest,RF)算法的水稻细菌性条斑病识别方法,利用光谱成像技术获取该病害的高光谱数据,通过多元散射校正减少和消除噪声及基线漂移对光谱数据的不利影响。利用随机森林特征重要性指标,选取逻辑回归(LR)、朴素贝叶斯(NB)、决策树(DT)、支持向量分类机(SVC)、k最近邻(KNN)和梯度提升决策树(Gradient boosting decision tree,GBDT)算法进行对比试验。同时筛选出12个位于450~664 nm范围内对识别模型有重要影响的光谱波段,并与全波段进行分类结果比较。试验结果表明:RF算法的分类准确率为95.24%,与试验选取的其他算法相比,效果最优,比NB准确率提高了20.97个百分点;与全波段分类结果相比,利用RF算法基于12个波长的识别,波长数减少了98.05%,识别精确率为94.66%,召回率为99.55%,F1值为97.04%,准确率为94.32%。虽然精确率减少了2.97个百分点、准确率减少了0.85个百分点,但召回率增加了4.4个百分点、F1值增加了0.67个百分点,模型精度满足要求。     

基于多变异分组遗传算法的多机协同作业静态任务分配

为解决农业机械（简称农机）多机协同作业前的任务分配问题,提出了基于多变异分组遗传算法的同种农机多机协同作业静态任务分配方法。首先,根据农机合作社实际作业模式,基于农机性能参数和任务参数,综合考虑机群的作业时间、作业油耗和路程代价等因素,建立了多机协同代价函数;根据多机协同作业特点,构建了多变异分组遗传算法,设计了两段式编码、分组交叉算子和多种变异算子,并建立了农机多机协同作业静态任务分配模型;通过仿真试验对比分析了算法的性能,并采用不同的代价权重进行了任务分配仿真试验;最后,采用不同的权重对实际深松作业进行任务分配试验,对本文提出算法进行了验证。结果表明：在不同权重下,基于多变异分组遗传算法的多机协同静态任务分配的机群代价比实际作业代价降低了29.48%~55.00%,选取合理权重的静态任务分配具有较高的分配效率和分配性能,能够满足实际多机协同作业中任务分配的要求。     

基于地学信息图谱的山东省国土空间转型分析

开展国土空间转型研究对综合评估国土空间变化、探求人类活动与国土空间变化系统的耦合规律具有重要意义。以山东省为研究区,基于多期土地利用遥感监测数据,对该省国土三生空间进行分类评价,运用地学信息图谱论并结合转型理念,分析并揭示了1980—2018年国土空间时空转型特征。结果表明：山东省国土以农业生产空间为主,城镇生活空间扩张幅度显著高于农村生活空间,水域生态空间和工矿生产空间面积波动变化,其他生态空间面积持续性下降;不同时间段表现出不同的国土空间转型特点,2000—2018年比1980—2000年转型更为强烈。1980—2000年以农业生产空间转型至生活空间、生态空间转型至生产空间为主,2000—2018年则主要为生活空间与生产空间、生产空间与生态空间的交互转型;1980—2000年涨势图谱主要为工矿生产空间、农业生产空间和城镇生活空间,2000—2018年新增国土总面积为1980—2000年的3.42倍,其中农村和城镇生活空间分别增长至4.29倍和2.65倍;城镇生活空间落势图谱面积均偏低,而农村生活空间萎缩面积持续增长、生态空间迅速萎缩。     

水氮耦合对黑土稻作产量与氮素吸收利用的影响

为探明不同水氮耦合模式下黑土区水稻产量形成和氮素吸收利用的规律,设置常规淹灌（F）、浅湿灌溉（W）和控制灌溉（C）3种灌溉模式,0、85、110、135kg/hm2（N0、N1、N2、N3）4个施氮量水平,共12个处理,研究不同水氮耦合模式对水稻干物质、产量、氮素吸收转运、水氮利用效率的影响。结果表明：常规淹灌和浅湿灌溉模式下,水稻地上部各器官干物质累积量随施氮量的增加而增大,而控制灌溉模式随施氮量的增加先增大后减小;水稻地上部不同器官氮素累积量随施氮量的增加而增大,相同施氮水平,控制灌溉模式的叶、茎鞘和穗氮素累积量较常规淹灌提高了27.80%~43.42%、18.32%~24.97%、13.85%~24.25%,较浅湿灌溉提高了0.96%~13.18%、10.73%~12.86%、10.53%~12.61%;3种灌溉模式下,水稻地上部干物质、氮素累积速率均随施氮量的增加而增大,且控制灌溉模式高于浅湿灌溉和常规淹灌模式,干物质、氮素累积始盛期随施氮量增加而提前;水稻植株平均氮素累积速率达到峰值时间比平均干物质累积速率达到峰值时间提前11.39d;相较于常规淹灌和浅湿灌溉模式,控制灌溉模式更有利于提高水稻产量,其中CN2处理产量最大,为10272.57kg/hm2;控制灌溉模式显著提升氮肥农学利用效率和氮肥偏生产力;相同灌溉模式下,叶、茎鞘氮素转运率以及穗部氮素转运贡献率随施氮量增加而减小。水稻产量与灌溉水分利用效率、水分生产效率、氮肥农学利用效率、百千克籽粒吸氮量之间呈极显著正相关（P<0.01）,与氮素籽粒生产效率之间呈极显著负相关（P<0.01）。适宜水氮耦合模式可提高水稻产量和氮素吸收利用,综合考虑CN2处理为最佳水氮耦合模式。     

基于干扰观测器的直播机路径跟踪快速终端滑模控制

针对农田中存在不确定性干扰时,会导致建立的无人水稻直播机运动学模型精确度不高,从而使路径跟踪收敛时间长,跟踪效果较差等问题,提出由直播机运动学模型建立相应的非线性干扰观测器从而实现对不确定性复合干扰的精确观测。将观测到的干扰值补偿到运动学模型中以提高模型的精度,降低滑模控制的抖振。为了控制直播机沿指定路径作业并提高路径跟踪收敛时间,设计了一种快速终端滑模控制算法。基于李雅普诺夫判据检验了算法闭环系统的稳定性。使用Matlab/Simulink建立了农机运动学仿真模型,仿真结果表明,非线性干扰观测器能精确观测出系统的不确定性干扰。与不带干扰观测器的滑模控制算法相比,本文控制算法可有效减少收敛时间,抑制干扰带来的抖振。无人直播机水田作业实验表明,采用本文所提出的算法以1.2m/s的速度高效作业时,横向平均绝对偏差为0.0247m,均方差为0.0311m。并且转弯收敛速度快,无超调,路径跟踪精度满足实际作业要求。     

3DMAX应用下的智能插秧机外观优化

为进一步提高智能插秧机的结构布局协调性与感染力水平,利用3DMAX应用平台进行插秧机外观优化研究。考虑土壤湿润程度对插秧刀具的影响等因素,结合插秧机分插机构传动部件与插植臂等执行部件的相互关系与约束条件,以偏心齿轮啮合传动特性,建立用于智能插秧机外观优化的数学模型,得到关键部件与机构的三维物理模型与无缝装配模型。从结构细化设计与外观造型设计两大角度分别对插秧机体、驾驶座、车轮、插秧装置等曲线参数优化,插秧作业场景与插秧特征提取及组件元素3D建模等操作进行3DMAX场景下智能插秧机的外观呈现与界面设计布局,实现了智能插秧机的3D可视化管理与动画效果展示,且动作一致性较好,设计合理可行。农机三维建模技术对准确实现结构优化有很好的预知功能,对大型农机设备结构设计搭建人机交互虚拟平台有一定的参考价值。     

基于直剪试验的稻谷粮堆力学性质研究

为揭示粮仓建设和粮食运输途中粮堆的强度与剪胀特性,开展了在垂直压力为25~200kPa、含水率分别为8.41%、10.59%、13.88%和16.25%条件下的稻谷直剪试验。结果表明:稻谷粮堆剪切变形可分为弹性变形、塑性变形和籽粒压缩3个阶段;不同含水率下,稻谷粮堆强度特性基本符合莫尔-库伦强度准则,随着含水率增加,稻谷粮堆粘聚力逐渐减少,内摩擦角逐渐增大;含水率对稻谷粮堆的剪胀特性影响不明显,但随着垂直压力的增大,其剪缩性越明显;在垂直压力较小的条件下,含水率对稻谷粮堆的抗剪强度影响较大,随着垂直压力的增大,含水率对抗剪强度的影响逐渐减小。研究结果可为粮食仓储和运输、装载粮食机械的设计、粮堆数值仿真建模提供参考。