基于嗅觉和光谱技术融合的面粉脂肪酸值定量检测

提出了一种基于比色传感器数据和近红外光谱特征融合的储藏期面粉脂肪酸值的定量检测方法。开发比色传感器阵列、搭建便携式近红外光谱测量系统,分别采集不同储藏期面粉样本的比色传感器数据和近红外光谱。利用主成分分析分别对预处理后的比色传感器数据和近红外光谱数据进行特征降维,采用五折交互验证法在反向传播神经网络(BPNN)模型校正过程中进行优化,确定基于单技术分析模型的最佳主成分(PCs)个数。将优化后的基于单技术模型的最佳PCs在特征层进行融合,建立基于融合特征的BPNN分析模型,以实现对面粉储藏过程中脂肪酸值的快速检测。实验结果显示,基于比色传感器特征和基于近红外光谱特征建立的最佳BPNN模型的最佳PCs数量分别为3和4,基于融合特征建立的BPNN模型在预测集中的相关系数和预测均方根误差的均值分别为0.9276和1.9345 mg/(100 g)。研究表明,与单技术数据分析模型相比,基于比色传感器数据和近红外光谱特征融合模型的检测精度和泛化性能都有所提高。本研究可为粮食储藏品质的高精度原位监测提供一种技术方法。     

高地隙四轮独立驱动喷雾机路径跟踪模型预测控制

针对传统燃油驱动、前轮转向的高地隙喷雾机传动效率低、碳排放高、环境污染、智能化水平低、灵活性差等问题,本研究提出了一种适用于无人驾驶的高地隙四轮独立驱动（Four Wheel Independent Drive,4WID）喷雾机。其采用混合动力、前后双转向桥的4WID,转向半径小,前后轮的运行轨迹高度一致,能够减少田间植保作业时的压苗现象。考虑水田极端作业环境下驱动轮的滑移、陷坑等问题,基于喷雾机线性时变的运动学模型（LTV）,构建了考虑驱动轮滑移的分层路径跟踪控制。上层模型预测控制（Model Predictive Control,MPC）器根据预期路径、车辆当前位置,获得喷雾机的转向角和运动速度,实现路径跟踪。下层以模糊控制和积分分离PID控制构建驱动轮滑移控制器,从而实现路径跟踪、运动速度、驱动轮滑移的有效控制,提高了喷雾机在复杂作业环境中的稳定性和路径跟踪精度。采用Adams/Matlab的联合仿真结果表明,在复杂的工况条件下,喷雾机驱动轮的滑移率依然控制在±20%之内,防止驱动轮发生过度滑移对车速和转向角产生不良影响,有利于喷雾机稳定性的提升。本喷雾机能够快速准确地跟踪期望路径,与未考虑驱动轮滑移的控制相比,能够适应更加复杂的工作环境,跟踪精度有明显提升。     

农药残留检测方法及光谱技术在生菜农残检测中的应用

蔬菜农药残留给人们健康饮食带来很大安全隐患。为此,综述了几大类农药残留检测方法:活体测定法、理化检测法、快速检测法和光谱检测法,分析了它们各自特点。同时,基于光谱技术对生菜叶片上的农残进行了检测试验,比较了有农残叶片光谱与无农残叶片光谱,并通过PCA算法进行光谱特征提取,结合学习向量量化神经网络建立农残鉴别模型,取得了较好的鉴别结果。     

基于轻量级SSD模型的夜间金蝉若虫检测

为实现夜间树上金蝉若虫的快速准确检测,该研究以自然环境图像数据集为研究对象,结合近距离实际应用场景,考虑到嵌入式系统的模型小型化和计算过程轻量化,在保持精度指标基本不变的前提下,基于适度削减模型深度、宽度的思路对已有目标检测网络MobileNet-SSD提出改进。具体措施包括：删除骨干网络末端的小尺寸特征图卷积层,逐级裁剪模型整体宽度、适当增加中高层卷积深度,在目标检测的分类层和预测框的回归层中使用深度可分离卷积代替传统3×3卷积等措施,先后获取3种改进的精简模型以进行比较。夜间图像测试结果表明,在基本保持网络性能的前提下,改进后的模型大小及计算量均呈现大幅减小,其中最优模型大小从原MobileNet-SSD的15.22 MB减少到1.51 MB,模型的浮点运算量也由原先的1.13×109减少到1.26×108,其平均准确率达90.46%,平均交并比达83.52%,F1分数达92.35%,GPU上的检测速度达179.3帧/s,CPU上的检测速度达到6.49帧/s,与改进前的模型相比具有更好的综合性能,白天图像的试验结果也显示出较好的泛化性能。该文提出的改进模型在大幅减少模型大小及其计算量的同时使模型性能保持在一个较高的水平,更适合部署在移动终端等资源受限设备上,可为金蝉的人工养殖提供有益参考。     

基于正交小波系数的阈值降噪法

依据信号与噪声小波变换系数的差异,提出的用阈值法去噪可以很好的使噪声得到抑制,且几乎保留了原始信号所有的特征点.本文详细阐述了小波分析信噪分离的基本原理和方法,通过仿真分析得到良好的效果,为信号去噪提供一条有效的途径.     

基于自适应模糊神经网络的无轴承异步电机控制

针对无轴承异步电机多变量、非线性、强耦合等特点,为实现其稳定悬浮控制,提出了一种基于自适应模糊神经网络推理系统(adaptive neuro-fuzzy inference system,ANFIS)的控制新策略。在分析无轴承异步电机径向悬浮力产生机理的基础上,推导出无轴承异步电机数学模型,基于ANFIS控制原理,完成了控制器设计,包括控制变量和隶属函数的选取、通过PID控制对输入输出数据的采集、根据选定的误差准则修正隶属函数参数以及采用Sugeno型ANFIS控制器训练FIS(fuzzy inference system)模型。基于MATLAB/Simulink仿真平台,对转速为6 000 r/min的无轴承异步电机控制系统的悬浮、转速、转矩响应进行了仿真分析。仿真结果表明该控制策略能在0.12 s内实现转子的稳定悬浮,且当负载转矩突变时,转子的悬浮性能并没有受到影响,转子径向偏移小于0.001mm。在转速突变后,控制系统也能较好的跟踪给定转速,稳定时的转速误差小于20 r/min,控制系统具有良好的动、静态性能。最后在无轴承异步电机控制系统试验平台上对所提策略开展了试验研究,试验结果同样表明,该控制策略能实现无轴承异步电机的稳定悬浮工作,转子径向位移峰峰值范围可以保持在80μm以内,系统响应快,鲁棒性强,控制精度较高,验证了该文提出的ANFIS控制方法的正确性和有效性。     

基于深度图像和生猪骨架端点分析的生猪步频特征提取

为高效提取生猪的行走快慢特征,以微软公司Kinect作为图像采集设备,采集生猪运动深度图像序列。在对各帧深度图像进行骨架提取、剪枝的基础上,采用基于路径相似性骨架图匹配法确定生猪前后肢骨架端点,进一步以骨架端点所属骨架枝子集像素值特征判定端点远近侧属性。以生猪前后肢远、近侧端点的帧间相对坐标变化建立了生猪运动模型,提出了通过帧间坐标变化点集拟合正弦曲线计算生猪行走完整步的方法。最后,通过计算序列完整步与序列采集时间长度比值提取生猪步频特征。通过对采集的28个生猪运动深度图像序列及其镜像序列共56个图像序列进行的试验,表明该文提出方法的正确率达到82.1%。该项研究对于开展生猪异常步态分析,进一步建立生猪多源特征融合的计算机视觉异常监测系统,提高生猪异常行为预警可靠性具有重要意义。     

高光谱图像技术在掺假大米检测中的应用

为了有效判别出优质大米中是否掺入劣质大米,该文研究了一种针对大米掺假问题的快速、无损检测方法。从市场上购买了东北长粒香大米和江苏溧水大米,按纯东北长粒香大米、3∶1、2∶2、1∶3和纯江苏溧水大米共5个掺合水平进行大米试验样本的制备。利用可见-近红外高光谱图像采集系统(390~1050 nm)获取了200个大米样本的高光谱图像。采用ENVI软件确定高光谱图像的感兴趣区域(region of interest,ROI),并提取出所有样本在ROI内的平均高光谱数据。采用支持向量机(support vector machine,SVM)建立全光谱波段下的大米掺假判别模型,径向基(radial basis function,RBF)核函数模型交叉验证准确率为93%、预测集正确率为98%。由于高光谱信息量大、冗余性强且受噪声的影响较大,该文采用主成分分析方法(principal component analysis,PCA)分别对大米高光谱图像和高光谱数据进行处理,从特征选择和特征提取2个角度对原始高光谱数据进行处理,通过主成分权重系数图选择了531.1、702.7、714.3、724.7、888.2和930.6 nm 6个特征波长,通过留一交叉验证法(leave-one-out cross-validation,LOOCV)确定并提取出PCA降维后的最优主成分数(number of principal component,PCs)为9。最后分别将优选出的特征波长和提取出的最优主成分数作为模型的输入,建立SVM模型。试验结果表明,基于特征波长SVM模型的交叉验证准确率为95%、预测集正确率为96%,基于最优主成分数SVM模型的交叉验证准确率为94%、预测集正确率为98%。该研究结果表明,该文建立的基于特征波长和基于最优主成分数的SVM模型均具有较优的预测性能,且利用高光谱图像技术对大米掺假问题进行检测是可行的。     

电动拖拉机PC-DSPM电机电子变极策略与分析

针对田间作业和转场运输等不同工况时的行驶速度需求,该研究提出使用双凸极变极永磁（pole-changing doubly-salient permanent magnet,PC-DSPM）电机作为电动拖拉机的驱动电机,通过变极获得驱动电机的多种机械特性。基于气隙磁场调制理论,将PC-DSPM电机气隙磁场中的主要工作谐波分为2组,采用电子变极改变电枢绕组连接方式,从而选择不同组别的气隙磁场谐波参与机电能量转换,形成PC-DSPM电机3种运行模式。根据不同模式下的转矩-转速曲线,选取电机在恒功率区的2个变极切换点,并据此将拖拉机的运行速度划分为0～7.7、7.7～10.5和10.5～32.7 km/h共3个区间。为实现平滑变极,构建自抗扰控制和跟踪微分器的PC-DSPM电机变极策略。与采用自抗扰控制的阶跃响应变极相比,虽然2个切换点处的变极时间分别延长至400和600 ms,但变极过程中dq轴电流过渡平稳,转矩波动分别下降8.5%和11.8%,转速恒定在920和1 250 r/min。研究结果可为实现电动拖拉机多工况高效运行及变极永磁电机平滑切换提供理论参考。     

基于滑模变结构控制的温室喷药移动机器人路径跟踪

为解决作物种植密集,地面障碍与空间障碍并存等非结构化环境因素对温室喷药移动机器人路径跟踪运动控制精度的影响,在建立移动机器人运动学模型的基础上,设计一种基于指数趋近律的滑模变结构控制方法以保证系统对不确定参数及外界干扰的鲁棒性。与此同时,为有效解决滑模控制固有的抖振问题,提出一种加权增益趋近律算法,在该趋近律的积分项中引入负的加权值,可有效避免当系统状态不在滑模切换时的切换增益的增大,使得控制器输出量平滑,并利用Lyapunov函数证明了其稳定性,并采用该文所设计的基于加权积分增益趋近律的滑模控制器对喷药移动机器人进行路径跟踪控制。试验结果表明,该算法可以顺利消除横向偏差,使实际运动轨迹平稳跟随理想作业路线,避免在作业区域产生较严重的重喷和漏喷现象,其研究成果为温室作物实施精准喷药提供了依据。