平行极板电容传感器介电式颗粒饲料水分检测仪设计与试验

为了实现颗粒饲料含水率的快速、无损检测,设计了以STM32F103ZET6单片机为控制芯片的颗粒饲料水分检测仪,采用平行极板电容传感器、温度传感器、质量传感器和相应的检测电路分别检测颗粒饲料样品的电容、温度和容积密度,经过单片机进行处理后实现颗粒饲料的含水率检测,并在OLED显示屏上显示检测结果。采用自制颗粒饲料水分检测仪,分析了含水率、温度、容积密度对颗粒饲料相对介电常数的影响规律,并建立了相对介电常数与含水率、温度、容积密度之间的关系模型,模型的决定系数为0.996 8。同时对颗粒饲料水分检测仪的检测精度进行了检验,含水率实测值与仪器检测值之间的决定系数为0.990 3。试验结果表明,与烘干法相比,所设计检测仪的绝对测量误差值在±0.6%以内,具有一定的实用价值。该研究为颗粒饲料水分快速、无损在线检测提供一种新的方法和技术支撑。     

基于RGB-D相机的油菜分枝三维重构与角果识别定位

为实现高效低成本的油菜植株三维建模和表型参数在线测量,提出一种基于RGB-D相机的油菜分枝三维重建和角果识别定位方法。使用Kinect传感器拍摄角果期油菜分枝在4个视角下的彩色图像和深度图像,进而获取油菜植株的三维点云并滤波。对配准的点云进行旋转变换,计算点云的曲面法矢量和曲率,并由曲率相近的点构成配对点对,再使用基于KD-tree搜索的最近点迭代(ICP)算法实现点云的初配准。将初配准误差作为参考值,调整ICP算法的对应点距离阈值,使用初配准的操作流程对初配准得到的新点云进行再次配准,完成精配准。结合该三维重建方法和针对性的彩色图像处理方法,得到去除主茎的单分枝油菜角果的完整点云,再进行欧氏聚类实现单个角果的空间定位。实验结果表明,提出的三维重建方法具有较强的实时性和鲁棒性,单个角果的三维形态清晰可见,点云平均距离误差小于0. 48 mm,角果总体识别正确率不小于96. 76%。     

外槽轮式播种机播量控制系统设计与试验

为提高外槽轮式排种器播量调节范围与控制精度,设计了一种外槽轮式播量自动控制系统,该系统通过采集机组行进速度信号,同时控制槽轮转速与槽轮长度,实现播量调节与控制。通过试验,建立了播量与槽轮转速、有效工作长度的数学模型,分析了槽轮转速、有效工作长度对播量变异系数与模型精度的影响。结果表明:模型最大误差小于5%,平均误差为3. 2%,满足精度要求;槽轮有效工作长度在14～30mm范围内、转速为40～60 r/min时,变异系数小于0. 5%。上述参数范围是所设计外槽轮式排种器播量自动控制系统适宜的控制范围。研究为外槽轮排种器的播量自动控制策略提供了理论依据。     

畜禽舍移动式智能监测平台研制

畜禽养殖场内温度、湿度及各种气体构成畜禽生长的外围环境,直接影响畜禽日常行为和生长速度及免疫状态。对这些畜禽养殖场内进行检测并监控畜禽健康状态及寻找二者间的联系,对优化养殖环境,发展健康养殖具有重要意义。该研究以STM32单片机为控制核心,在固定点传感器外设置移动式智能监测平台,通过无线定位系统UWB(Ultra Wide Band)和集成传感器对畜禽养殖场内环境进行监测,利用带图传功能摄像头和红外测温装置实时监控畜禽状态。传感器获取信息后将数据以UART、IIC或模拟量输出方式传递给STM32,STM32处理数据后通过物联网WIFI模块上传至阿里云IoT(The Internet of Things)物联网平台,用户登录网页页面即可对数据进行远程访问,并对畜禽状态进行实时监控。实测结果表明,智能检测平台检测数据与猪场内布置的传感器检测结果相近,二者偏差小于10%,在无遮挡情况下布置无线定位系统,定位误差接近10cm级。系统检测数据可信,数据传输正常,可持续长时间稳定运行。机动平台还开发了搬运功能,单次运送能力为200 kg左右。移动式智能监测平台为畜禽养殖场内实现全范围环境监控提供了设备基础。     

采用高速摄影技术测定油葵籽粒三维碰撞恢复系数

为了建立油葵籽粒在收获、输送等机械化生产环节中与机具零部件间作用的碰撞模型。该文基于镜面反射原理和运动学原理,设计了模拟三维空间坐标系的油葵籽粒碰撞恢复系数测定装置。选取新疆收获期矮大头DW667品种油葵籽粒作为研究对象,借助高速摄影技术,记录油葵籽粒在空间碰撞运动中的三维动态坐标。针对影响油葵恢复系数的因素:碰撞材料、下落高度、碰撞角度、碰撞部位、材料厚度和含水率等开展了单因素试验和正交试验研究。单因素试验结果表明,油葵籽粒与Q235、铝合金、有机玻璃、橡胶等碰撞材料之间恢复系数依次减小;油葵籽粒与Q235之间恢复系数,随碰撞角度的整体变化趋势是随碰撞角度增加而增大,随着下落高度的增加而减小,随着材料厚度的增加而增大,随着含水率增大而降低,且在碰撞部位试验中,籽粒上侧与碰撞材料碰撞恢复系数最大。建立了下落高度、碰撞角度、材料厚度、含水率与恢复系数的回归方程,且方程的决定系数均大于0.95。正交试验结果表明,影响恢复系数各因素的次序为:碰撞材料>碰撞部位>下落高度>碰撞角度>材料厚度>含水率,其中碰撞材料、下落高度、碰撞角度、碰撞部位影响极显著,材料厚度、含水率影响显著。对比试验结果表明:基于古典牛顿法求解的恢复系数值小于能量角度求解的恢复系数值;三维碰撞法比二维碰撞法求解的恢复系数值高。验证试验结果表明:三维碰撞法计算出的预测反弹高度值更接近油葵籽粒实际反弹高度值。该研究结果可为油葵机械化生产关键部件优化设计提供参考以及为农业物料参数求解提供新的思路。     

基于改进YOLOv7模型的复杂环境下鸭蛋识别定位

在干扰、遮挡等复杂环境下,对鸭蛋进行快速、准确识别定位是开发鸭蛋拾取机器人的关键技术,该研究提出一种基于改进YOLOv7（you only look once）模型的复杂环境鸭蛋检测方法,在主干网络加入卷积注意力模块（CBAM,convolutional block attention module）,加强网络信息传递,提高模型对特征的敏感程度,减少复杂环境对鸭蛋识别干扰;利用深度可分离卷积(DSC,depthwise separable convolution)、调整空间金字塔池化结构（SPP,spatial pyramid pooling）,降低模型参数数量和运算成本。试验结果表明,与SSD、YOLOv4、YOLOv5_M以及YOLOv7相比,改进YOLOv7模型的F1分数（F1 score）分别提高了8.3、10.1、8.7和7.6个百分点,F1分数达95.5%,占内存空间68.7 M,单张图片检测平均用时0.022 s。与不同模型在复杂环境的检测对比试验表明,改进的YOLOv7模型,在遮挡、簇拥、昏暗等复杂环境下,均能对鸭蛋进行准确快速的识别定位,具有较强鲁棒性和适用性。该研究可为后续开发鸭蛋拾取机器人提供技术支撑。     

基于生物质灰的屋顶绿化基质加强层工艺优化

屋顶绿化可有效减少城市径流,减缓热岛效应和温室效应。为了解决屋顶绿化散体基质施工难度大、成本高等问题,该研究以生物质灰为主要原材料,辅以小麦秸秆和污泥,压缩为屋顶绿化基质底部加强层,并分别从粘结剂优选、配合比优化和压缩工艺参数优化3个方面对基质加强层的抗破坏强度进行了研究。结果表明:1)添加比例为4%的黄原胶对生物质灰成型块的抗破坏能力提升较高,抗弯强度和抗剪强度较对照分别提升了360.9(27.98倍)和355.8 N(32.94倍)。2)当生物质灰、小麦秸秆和污泥体积比为4∶1∶1(干物质量之比12.42∶1∶2.14)时,基质加强层抗弯强度和抗剪强度的试验观测数值达到最大值,分别为93.1和38.4 N;Scheffe三元二次多项式模拟结果显示,松弛密度的主要影响成分为秸秆(系数4.2),抗弯强度主要由生物质灰和秸秆共同影响(系数451),抗剪强度主要由秸秆和污泥共同影响(系数197.2),优化配比结果为生物质灰、小麦秸秆和污泥体积比3∶1∶1(干物质量之比9.31∶1∶2.14)。3)正交试验的分析结果表明,基质加强层的最优压缩工艺参数为混合原材料含水率25%、成型温度80℃、成型压力120 kN、保压时间5 min、105℃恒温加热烘干,此时抗弯强度和抗剪强度分别为184.6和162.7 N。该研究可为屋顶绿化加强层的机械化装配施工奠定配合比和压缩工艺基础,并为生物质灰等农业废弃物的资源化利用提供新思路。     

基于JKR粘结模型的蚯蚓粪基质离散元法参数标定

为确定不同含水率下蚯蚓粪基质的多种参数,提出了通过测定基质含水率,预测休止角,通过休止角合理推测其他参数的思路,并提出了一种散体休止角测定方法。以休止角作为参照,基于JKR粘结模型,使用离散元参数标定的方法,从与蚯蚓粪基质颗粒有关的10个参数中,筛选出颗粒间静摩擦因数、颗粒间滚动摩擦因数和JKR表面能3个对休止角影响显著的参数,建立了休止角与这3个显著参数之间的二次多项式回归模型。试验结果表明,该模型可以根据休止角预测蚯蚓粪基质参数,根据预测得到的参数建立离散元模型,休止角仿真结果与实际试验结果较为接近,差异分别为1.53%和0.22%。同时测定了不同含水率下蚯蚓粪基质的休止角,建立了休止角与含水率之间的关系模型。研究结果可为其他类似散体物料休止角的测定提供参考,并提供了一种通过测定易于测定的参数(如含水率)来推导其他难测参数的思路。     

油菜精量直播机播种监测系统传感装置改进及通信设计

针对油菜播种作业质量实时监测、播种量计量的问题,设计了油菜精量直播机播种监测系统。该监测系统由多路油菜种子流传感装置和油菜播种监测显示终端装置组成,油菜种子流传感装置安装于油菜精量排种器下方输种管道上,利用MSP430单片机系统的时间捕获中断程序及定时计数程序实时记录油菜种子流的排种时间间隔序列、排种频率、排种总量并根据国家标准计算获得漏播指数、合格指数,采用"多对一"传输方式无线发送至油菜播种监测显示终端装置。监测显示终端实时显示多路播量信息、排种性能指标信息以及每一路的排种频率曲线。设计了应答模式的轮询数据通信协议实现监测系统在数据传输过程中的可靠性、容错性、准确性。播种监测系统台架试验及田间试验结果表明:该播种监测系统工作稳定可靠,播种质量监测准确率达96%以上,在田间较空旷场地传输距离达60 m,满足播种监测的需要,并为油菜播种状态图的生成提供了技术支撑。     

气力式小粒径种子精量排种器吸种效果影响因素研究

针对油菜、青菜等类球形小粒径种子粒径小、质量轻,通过排种合格指数、漏播指数等指标研究吸种环节影响机制易受后续卸种、导种等串联环节影响的问题,以正负气压组合式小粒径种子精量排种器为研究对象,通过吸种运移状态图像拍摄试验,确定型孔漏吸、单粒吸种及重吸发生概率,开展吸种环节研究。吸种状态分析发现小粒径种子质量轻,-200Pa时即可被吸附,在负压绝对值较大时会出现4～6粒重吸;型孔单粒吸种发生概率与种子千粒质量、排种盘转速、型孔直径、工作负压等因素相关性极显著(P0.01);排种器存在稳定吸种临界负压,当工作负压在临界负压1～2倍范围内,型孔单粒吸种概率高于0.92,漏吸与重吸发生概率均低于0.04;结合吸种过程受力分析可知排种盘转速变化造成单粒吸种概率变化的主要机制是影响型孔与种子吸附作用时间,进而影响单粒吸种可靠性;当转速增加,实现稳定吸种的临界负压绝对值增大,吸种负压计算的可靠性系数应增大;以漏吸概率0.02及单粒吸种概率0.92的工作负压为参考值,建立了可靠性系数与排种盘工作转速及型孔直径相关的数学模型,利用该模型计算排种器吸种可靠性系数,进而确定吸种负压临界值,可使排种器漏吸发生概率小于0.04,单粒吸种概率大于0.92,排种器稳定工作。研究明确了正负气压组合式小粒径种子精量排种器吸种环节影响机制和用于计算吸种临界负压的可靠性系数模型,为气吸式排种器设计与性能提升提供了参考。