电动甩绳式疏花机在翠冠梨园中的试验研究

基于自主研制的电动甩绳式疏花机,分别在小冠疏层形和"Y"字棚架形翠冠梨园中进行疏花试验研究。首先通过室内台架试验,建立了疏花轴转速与疏花绳击打力的函数关系模型,确定了翠冠梨树最小疏花转速为436.9 r/min。其次在田间试验中,以50%花蕾保留率为疏花目标,研究疏花机疏花与人工定果联合作业方式相比于单一的人工疏果作业方式,对花蕾保留率、坐果率、作业效率及成本、果实产量及品质的影响。试验结果表明:试验梨树花蕾保留率在49.46%～52.52%的范围内浮动,花蕾保留率变异系数在3.66%～8.65%的范围内浮动,疏花机作业质量好;疏花机可显著降低梨树的绝对坐果率,以减少果树营养浪费,虽然对梨树坐果有少量的影响,但不影响最终果实的产量及品质;疏花机可分别缩短小冠疏层形梨园30.71%、"Y"字棚架形梨园48.68%的人工疏果时间,小冠疏层形和"Y"字棚架形梨园的机具盈利面积分别为769.23 m~2/台和833.33 m~2/台;2种树形中,试验梨树留果率与单树果实总产量、单树优质果产量成正相关,与优质果单果质量、糖度呈负相关。电动甩绳式疏花机的研发有助于提高果园疏花疏果环节作业效率,该试验研究可为翠冠梨园的机械化管理提供参考。     

基于插值算法的靶标三维激光点云数据补偿研究

农用车辆搭载二维LiDAR传感器沿果树行行驶可获得靶标的三维点云数据。果园环境复杂,靶标探测传感器易出现噪声或数据丢失的情况,同时,搭载传感器的农用车辆行驶速度不均匀会引起获取的三维点云数据分布不均匀。为减少上述问题引入的测量误差,提出了一种插值算法对靶标三维点云数据进行数据补偿。首先,分析靶标原三维点云数据中每两个激光扫描面之间的距离差,查看数据分布均匀程度;然后,设置期望的距离差值作为插值算法的输入变量,遍历计算整个数据向量中的插值点个数;最后,循环调用插值函数进行插值直到插值点个数递减为零。其中,插值算法单次作业流程为查找定位、计算插值扫描面个数、计算插值扫面数据、数据补偿与数据返回。试验结果表明,对仿真树的三维点云进行插值补偿,相邻扫描面之间距离差值的期望值为0.03 m和0.02 m时,分别插入了13组和22组数据。通过插值算法补偿后的靶标三维点云数据更加完整,为后期基于靶标三维点云数据提取计算施药参数奠定了基础。     

冷冻保护剂对家畜精液冷冻保存的研究进展

家畜精液冷冻保存可以实现在不同时间、不同地点的人工授精,能有效提高优良种公畜的利用率,扩大其基因传播范围,同时也是家畜遗传资源易位保存的主要方法之一。在精液冷冻保存过程中,选择合适的稀释液成分对解冻后精子品质的影响十分重要。精子对低温非常敏感,在稀释液中加入冷冻保护剂可有效提升精子解冻后活力。文章综述了近几年渗透性冷冻保护剂(甘油、乙二醇、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、二甲基亚砜)和非渗透性冷冻保护剂(卵黄、大豆卵磷脂、蔗糖、脱脂乳)在猪、牛、羊、鸡、兔以及骆驼上的应用与研究,旨在为进一步深入研究家畜精子冻融损伤机制提供理论依据。     

农用车辆自主导航控制系统设计与试验

集成软硬件系统搭建了一套农用车辆自主导航系统并进行了试验研究。硬件系统包括传感器、执行器和CAN-Bus通信网络;软件系统基于Windows操作系统、Visual Studio 2005开发环境,采用多线程编程技术开发。依据运动学规律建立了车辆运动模型,依据转向机构闭环响应曲线辨识了转向系统闭环模型,综合2个模型确立了航向与横向控制系统开环传递函数,基于PID理论设计了航向与横向控制器。试验结果表明:软硬件系统运行稳定;初始航向偏差在-86°与84°时,调节时间均在2 s以内,稳定后航向跟踪的精度均在1°以内;初始横向偏差在0.7 m和1.2 m时,横向偏差的最大值分别为10.4 cm与9.2 cm,横向偏差平均值分别为6.4 cm与3.5 cm,横向偏差标准差分别为2.6 cm与1.7 cm,横向控制器能够使系统平滑稳定地跟踪期望路径,跟踪精度在厘米级。     

三节臂机载式疏花机的研制与试验

为减小疏果环节繁重的用工压力、提升果园作业效率和降低用工成本,该文基于自主研发的三节臂机载式疏花机,在"Y"字棚架形翠冠梨园中进行了疏花试验研究。以达到50%的花蕾保留率为疏花目标,结合疏花绳击打力度测试,确定了疏花轴在0.44 m/s行进速度下的最佳作业转速:254 r/min。疏花机田间性能试验中,研究疏花机疏花与人工定果、手持式疏花器疏花与人工定果、人工疏花与定果3种作业方式相比于只人工疏果作业方式,对花蕾保留率、坐果率、作业效率、果实产量及品质的影响。试验结果表明:机械疏花与人工疏花在作业质量上无明显差异,但疏花机作业稳定性较其他作业方式高;疏花机可降低梨树的绝对坐果率,虽然对幼果坐果量有一定的影响,但是经过定果环节后并不影响后期果实的产量及品质;疏花机的疏花效率在所有试验组中最高,相比于单一的人工疏果方式可节约66.17%的时间,适合机械化梨园大规模作业;手持式疏花器的作业效率仅次于疏花机,相比于单一的人工疏果方式作业时间可节约37.26%,适用于中小规模梨园。该试验研究有利于提高疏花机作业质量,为梨园机械化管理提供参考。     

基于无人机采集的视觉与光谱图像预测棉花产量

为了高效管理农田,该文提出了一种应用低空遥感视觉与光谱图像预测棉花产量的方法。盛花期前的棉花图像由无人机遥感平台在距地面50m的飞行高度下采集,采集的局部图像通过拼接处理得到棉花地的全景RGB图像与CIR(color-infrared,彩色红外)图像。基于全景图像提取并计算了色度、植株覆盖率与归一化植被指数(normalized difference vegetationindex,NDVI)3个特征参数,用于构建棉花产量的预测模型。包括产量与特征参数的原始数据集随机分为训练集(90%)与测试集(10%)。训练集数据首先基于产量概率分布特征去除了10%的离群值,然后通过均值滤波器滤波,处理后的数据用于构建预测模型。通过SAS软件对比分析了单变量、双变量以及三变量构建的线性回归模型,预测模型由P值、决定系数R2、每0.4 hm2面积下估计值与真实值之间的平均绝对误差百分比(mean absolute percentage error,MAPE)这3个参数进行评估。试验结果表明,单变量、双变量以及三变量构建的共7个线性回归模型,其P值均小于0.05,则7个线性回归模型均具有统计学意义(5%显著性水平)。其中,由三变量构建的多元线性回归模型具有最大的决定系数R2=0.9 773,因此适应性最优。基于测试集验证模型精度,试验结果表明,采用多元线性回归模型进行产量估计,估计值与实际值之间的平均绝对误差百分比为4.0%。因此,无人机搭载图像传感器采集提取视觉与光谱特征能够有效用于作物产量的预测。     

一种农用气液两相喷头的设计与喷雾特性仿真

基于文丘里原理设计了一款农用气液两相喷头,并采用k-ε湍流模型,利用FLUENT和CFX求解器对喷头内部气流场进行了计算流体力学(CFD)仿真和试验验证。结果表明:喷头出口平面中心区域的气流速度达到亚音速和超音速,喷头出口的气流速度随着两相压力的增加而增加;当气相入口压力一定时,液相入口压力的增大可使喷头下方两侧气流朝喷头轴向集中,喷口中心区域气流速度的实测值与仿真值的相对偏差≤10%,仿真结果真实可靠。雾滴粒径测试结果表明:在0.05 MPa的恒定水压下,雾滴粒径随着气压的增高而降低;在常用工作气压下,距喷头喷射距离1.6 m处,粒径65μm以下的雾滴比例≥85%,雾滴体积中径(D_(50))50μm。所设计的喷头雾化性能优异,可获得烟雾级雾滴,适用于在设施农业中进行整棚弥散性喷雾防治病虫害。     

温室远程监控系统人机交互与番茄识别研究

为提升设施农业远程监控系统的数据可视化与信息化程度,设计了一种温室远程监控系统,该系统主要由巡检机器人、移动通信网络、云服务器与远程监控中心组成,实现了温室端与远程监控中心端之间的文本、图像、视频3类数据传输。综合应用机器学习、深度学习算法实现人机交互与温室端番茄识别任务。基于Haar级联算法与LBPH算法实现了管理员人脸识别,识别成功率达90%;基于YOLO v3与ResNet-50算法分别识别手部与手部关键点,单手、双手的识别置信度分别为0.98与0.96;基于提取的食指指尖坐标与左右手部候选框中心点坐标实现了手指交互与图像尺寸缩放的功能。应用Swin Small+Cascade Mask RCNN网络模型,针对农业数据集有限的问题,对比分析了应用迁移学习方法前后的番茄检测效果。试验结果表明,应用迁移学习方法后,模型收敛速度有所提升且收敛后的损失值均有所下降;同时,IoU为0、0.5、0.75时的平均精度（mask AP）分别提升了7.8、 6.4、7.2个百分点,模型性能更优。     

LiDAR传感器及技术在农业场景的应用进展综述

农业传感器是实现农业现代化发展的关键支撑技术,先进成熟的工业传感器向农业领域拓展应用有效补充了农业传感器的体量。LiDAR传感器由于其较强的抗干扰能力,在复杂多变的农业场景中应用越来越广泛、深入。首先,介绍LiDAR传感器的性能特点,工作原理与分类,市场应用与新技术;然后,基于国内外大量相关研究,系统介绍LiDAR传感器及技术在森林参数测量、果树靶标几何特征探测、作物几何表型特征检测、农业车辆自主导航定位以及农药雾滴飘移检测这5个农业场景的应用进展;同时,针对农业场景中探测对象的特殊性,讨论分析LiDAR传感器及技术在上述5类农业场景应用中的发展趋势;最后,展望LiDAR新技术在农业场景应用中的发展方向,即通过集成自动化采集系统装备与数据智能分析方法进一步提升LiDAR数据精准性、全面性、丰富性和实时性。     

基于性能指标的农用车辆路径跟踪控制器设计

该文以农用车辆为控制对象,设计了路径跟踪PID控制器。基于性能指标—ISE、IAE、ITAE和ITSE分别整定了PID控制器参数,给出了最优PID控制器,同时进行了仿真对比分析。仿真结果表明,以超调量和调节时间这2个时域指标为评价标准,基于上述4种性能指标准则,系统在所给控制器作用下均能获得令人满意的动态和稳态性能。ISE准则整定的PID控制器使闭环系统单位阶跃响应的超调量为25.55%,调节时间为5.07s。相比ISE准则,由IAE、ITAE和ITSE准则整定的控制器使闭环系统单位阶跃响应的超调量更小,为10.03%,调节时间更短,为3.95s。利用本文方法能够获得较好的PID控制器参数,可为农用车辆控制器设计提供理论依据。