广东省果园智能除草装备现状与展望

Gan Ling;Li Junlue;He Lin;Li Mutong(Guangdong Institute of modern Agricultural Equipment,Guangzhou 510630,China;Guangdong Hongke Agricultural Machinery Research & Development Co.,Ltd.,Guangzhou 510630,China)     

油电混合果园自动导航车控制器硬件在环仿真平台设计与应用

果园由于面积范围广、地形复杂、壕沟多、杂草丛生、土壤湿度较高且土质较为疏松，对自动导航小车（AGV）的机械结构、控制系统，以及能源动力系统的设计都提出了更高的标准和要求。混合动力AGV小车可以满足果园中长距离移动的需求。为探索合适的混合动力AGV控制系统算法以及能量管理策略，同时减少设计过程中由于果园地形复杂导致的控制器设计验证迭代、需求多样化问题带来的人力、物力，以及时间成本，本研究针对果园面积广的特点，选择串联式油电混合动力系统进行AGV动力能源系统模型的搭建。另外，针对果园AGV需要适应地形范围广的特点，采用履带车模型结构，利用硬件在环仿真技术，以树莓派作为控制系统搭载控制算法实物，利用Matlab和RecurDyn软件建立包含能源动力系统、电机驱动系统、履带车行驶部分模型以及路面模型的系统实时仿真模型，最终实现了串联式混合动力AGV控制器硬件在环仿真功能。基于串级比例积分微分（PID）以及模糊控制器控制算法的仿真验证表明，模糊控制器控制算法能够减少参数调节带来的时间成本，在转向角度小时响应速度加快了50%，在转向角度大时串级PID控制器产生了10%的超调，而模糊控制器无超调，转向更加平稳。结果表明硬件在环仿真平台能够有效地应用于果园AGV控制器的开发，避免了控制实物试验，在降低成本的同时可以加快果园自动导航小车的开发过程。     

扎压式玉米精播机扎穴机构研究与试验

玉米扎穴精播技术可以减少土壤扰动、降低投种高度、减少动力消耗、解决开沟器易被田间杂物缠问题,实现玉米的精量播种。为此,以扎穴式玉米精播机为研究对象,通过土槽试验,分析了扎穴机构的结构参数,研究了扎穴机构对成穴质量的影响规律。以开合销安装角度、成穴鸭嘴入土深度、成穴鸭嘴锥角为影响因子,采用Box-Behnken中心组合试验设计方法,分析出机构各参数对成穴质量的影响规律,并得出参数优化组合区间:开合销安装角度5°～13°,成穴器入土深度100～118mm,成穴器锥角15°。优化后的参数可满足玉米播种的性能要求,为进一步研究提供了依据。     

中耕作物精准穴施肥控制机构工作参数优化与试验

为增加中耕作物产量,有效提高肥料利用率,设计了玉米苗期自动穴施肥控制机构,通过土槽试验分析了穴施肥控制机构的结构和工作参数,研究了施肥传动机构工作参数对施肥控制精准度的影响规律。采用正交旋转组合试验,以动力输出轴转速、台车前进速度、触碰转针高度为影响因子,以穴株拟合度和伤苗率为响应函数,利用Design-Expert软件平台的回归分析法及响应面分析法,对3个因子进行单因素和多因素正交试验。结果表明:在台车前进速度为1.25 m/s,动力输出轴转速为16.5 r/min,触碰转针高度在5 mm的条件下,穴株拟合度可达到0.796,伤苗率接近10%,参数优化结果满足玉米苗期施肥控制性能的要求。     

锥盘排种器离心推送结构设计与充种机理分析

针对机械式排种器高速作业时存在的排种稳定性问题,提出了一种离心锥盘推送式充种方式,分析了影响籽粒在种腔内部充填性能的应力种类与力学规律,建立复合充填应力数学模型,通过理论分析找出提高充填力的有效方式,并借助Matlab与ORIRIN逐步修整数学模型,从而确定关键结构最优参数值。采用离散元仿真软件EDEM虚拟仿真并通过单体台架试验,对有离心推送结构和普通空腔结构的离心锥盘排种器进行对比试验,验证了附加离心推送结构的优越性。试验结果表明,在7~13 km/h高速作业区,其平均漏播指数降低了2.52%,同时,利用后处理功能所测得的标记颗粒充填力数值变化规律与预测值变化趋势基本一致,验证了理论模型的可行性,最大限度发挥了种层离心力对预充填籽粒的作用,且进一步扩大了有效充种区域。     

旱地回转扎穴式播种器设计与试验

为进一步提高穴播质量,针对排播过程中触土部件的壅土、堵塞等问题,结合精密播种技术要求并运用四杆运动学原理,提出一种旱地回转扎穴式播种方式及其配套机具。通过建立扎穴结构数学模型并采用VB可视化编程平台选取了核心运动参数,同时对关键部件型孔凹轮和回位压簧进行了优化设计。以玉米为播种对象,以主轴转速和压簧线径为试验因素,以合格指数和变异系数为试验指标进行二次正交旋转组合试验,采用Design-Expert10.0.3软件对结果进行数据处理,选取最优工作参数。通过田间验证试验测得,在主轴转速为27 r/min,压簧线径为1.5 mm的工况下,播种器作业合格指数为92.1%,变异系数为2.5%,堵塞率为0。结果表明,该机构在满足精密播种作业技术要求的同时,进一步改善了入土可靠性和粒距均匀性。     

丘陵果园除草机器人底盘系统设计与试验

针对丘陵果园环境非结构化且复杂多变,常规的除草方式效率低等问题,设计了一种果园除草机器人底盘系统。根据果园丘陵地形地貌环境,确定车体控制方式和除草机器人底盘的总体结构方案,主要包括液压传动系统、电气控制系统等。设计配套的除草车电气控制系统和遥控接收、车载主控和导航功能的CAN通信协议。以运动控制为核心,采用角度传感器、电机驱动、车载主控、导航模块,构成闭环控制。使用自抗扰控制算法,以油阀控制电机为对象应用Simulink仿真,仿真结果显示自抗扰控制相比PID控制调节时间减少0.42s,超调幅度减小11.5%,稳定时间缩短0.14s。田间试验表明,运用自抗扰控制、结合导航功能的除草机器人行走速度均值为6.2km/h,均方差0.037km/h,作业效率0.51hm2/h,有效除草率均值97.46%,可在25°斜面上正常行走,对导航路径的跟踪误差标准差为4.732cm,运动控制响应及时,能够提高除草作业安全性和准确性。     

山地果园轨道运输机研究应用进展

我国是水果种植大国,水果品种资源丰富,分布地域广阔。随着农村产业结构的调整和林果产业的不断发展,林果种植面积不断扩大,但由于我国果园地形以丘陵为主,地势陡峭,作业环境复杂,这些均制约了果园经济的发展。因此,研究适合山地果园的轨道运输机至关重要。本文研究了国内轨道运输机的现状,指出轨道运输机对果园的重要性;在此基础上,归纳了山地果园轨道运输机研究应用存在的问题和未来发展方向,为后续研究提供参考。     

基于Mask R-CNN的单株柑橘树冠识别与分割

针对在复杂果园背景中难以识别分割单株果树树冠的问题，研究了基于Mask R-CNN 神经网络模型实现单株柑橘树冠识别与分割的方法。通过相机获取柑橘园图像数据，利用Mask R-CNN神经网络实现单株柑橘树冠的识别与分割，根据测试集的预测结果评估模型的性能和可适应性，并分析模型的影响因素。结果表明：参与建模的果园单株树冠识别分割准确率为97%，识别时间为0.26s，基本上可满足果园精准作业过程中的树冠识别要求；未参与建模果园的单株树冠识别分割准确率为89%，说明模型对不同品种、不同环境的果园具有一定的适应性；与SegNet模型相比，本文模型准确率、精确率和召回率均约高5个百分点，说明在非目标树冠较多的复杂果园图像中具有较好的识别分割效果。本研究可为对靶喷药、病虫害防护、长势识别与预估等果园精准作业提供重要依据。     

丘陵山区果园单轨运输装备的设计

为解决山地农业运输运量大、道路条件差、人力运输劳动强度大等问题,设计了一种适合丘陵山区果园使用的单轨运输设备。该设备以汽油机作为动力,采用自走式行走方式,运输装备能装载350 kg左右的货物,行走速度约为0.7 m/s,最大可以在坡度45°左右的陡坡单轨上安全行驶。试验表明,该单轨运输设备可适用于丘陵山区果园运送果实、肥料和农机具等,也可配备喷雾装置或相应监测设备等进行作业。