串番茄采摘末端执行器的设计与夹持实验

基于串番茄生长特性和采摘要求,设计了一种适应于采摘成串番茄的末端执行器。基于螺旋理论,建立了夹持接触力学模型,分析了夹持的力封闭性;同时,建立了稳定夹持模型,对夹指的可靠夹持力进行了分析,得出夹持力F≥8.24N。制作了物理样机,并对直径为3~8mm的串番茄母枝进行了负重干扰性能的夹持实验,实验结果表明:夹指所能承受的动态负重随母枝直径的增大而增大,最小动态负重为1.015kg,完全满足采摘串番茄时的夹持能力需求。     

基于逆运动学降维求解与YOLO v4的果实采摘系统研究

为提高采摘设备的执行效率，采用六自由度机械臂、树莓派、Android手机端和服务器设计了一种智能果实采摘系统，该系统可自动识别不同种类的水果，并实现自动采摘，可通过手机端远程控制采摘设备的起始和停止，并远程查看实时采摘视频。提出通过降低自由度和使用二维坐标系来实现三维坐标系中机械臂逆运动学的求解过程，从而避免了大量的矩阵运算，使机械臂逆运动学求解过程更加简捷。利用Matlab中的Robotic Toolbox进行机械臂三维建模仿真，验证了降维求解的可行性。在果实采摘流程中，为了使机械臂运动轨迹更加稳定与协调，采用五项式插值法对机械臂进行运动轨迹规划控制。基于Darknet深度学习框架的YOLO v4目标检测识别算法进行果实目标检测和像素定位，在Ubuntu 19.10操作系统中使用2000幅图像作为训练集，分别对不同种类的果实进行识别模型训练，在GPU环境下进行测试，结果表明，每种果实识别的准确率均在94%以上，单次果实采摘的时间约为17s。经过实际测试，该系统具有良好的稳定性、实时性以及对果实采摘的准确性。     

纵横刀组协同式马铃薯种薯切块装置设计与试验

针对马铃薯种薯切块机械化程度低的问题,设计了一种纵横刀组协同式马铃薯种薯切块装置,对其关键部件进行设计,通过对马铃薯种薯切割过程的力学分析、运动学分析和能量学分析,建立了切种能量的数学模型,确定了影响马铃薯切种效果的主要因素。以切种效率、切种合格率为评价指标,以圆盘刀半径、输送辊与圆盘刀垂直中心距、圆盘刀轴转速和夹持辊轴转速为试验因素,进行了四因素四水平正交试验。对正交试验结果进行方差和极差分析,结果表明:当圆盘刀半径为180 mm、输送辊与圆盘刀垂直中心距为190 mm、圆盘刀轴转速为115 r/min、夹持辊轴转速为56 r/min时,切种效率为74.5 kg/min,切种合格率为98.8%,满足马铃薯切种作业要求。     

基于双目立体视觉的重叠柑橘空间定位

果实的精准识别和定位是智能采摘面临的难题之一。基于双目立体视觉，提出了一种针对户外重叠柑橘的三维空间定位方法。首先，从双目左右图像中提取重叠柑橘果实轮廓并进行高斯平滑，通过曲率分析，找出异常的轮廓像素点；其次，依次连接相邻两个异常像素点，分析该线段上的像素点到柑橘轮廓的距离，在相邻两正常线段的交点处完成重叠柑橘轮廓分割，并通过寻找异常线段剔除对应的非柑橘轮廓像素点；再者，采用最小二乘椭圆拟合方法重建柑橘目标轮廓，并获取柑橘的中心；最后，根据双目极线约束和图像相似度，对重叠柑橘中心点进行匹配，并基于视差原理计算柑橘中心的深度值及三维空间坐标，确定重叠柑橘的遮挡关系。户外实验结果表明,所提出的方法定位误差为6.38 mm，满足柑橘采摘机器人户外采摘作业的定位精度要求。     

农药自动混药装置的研究现状与展望

目前,我国农作物病虫害防治主要依靠施用农药,现有的大多数农药剂型需要加水稀释,配制成一定浓度后再施用。近年,我国农业航空迅速发展,对农业航空的智能化农业机械装备的需求变得非常迫切。系统总结了农药自动混药装置类型以及农药自动混药装置特点,通过对农药自动混药装置研究发展概况分析,阐明了国内农药自动混药装置所存在的问题,展望未来农药混药装置的发展趋势,为后续的研究方向奠定基础。     

基于PID直流电机驱动的移动式采摘机器人设计

为了提高移动式采摘机器人的控制效率和移动精度,将直流电机驱动电路引入到采摘机器人移动控制系统的设计中,并采用PID算法对移动速度进行调节,从而避免采摘机器人在移动过程中产生较大的速度波动,提高其作业时的平稳性。为了验证PID算法在采摘机器人移动控制系统上使用的可行性,模拟葡萄采摘机器人的作业环境,对采摘机器人移动过程的速度控制进行了仿真模拟,结果表明:达到速度预定目标时,PID算法比常规算法具有更快的响应速度,调节过程也更加平稳。     

脱二氧化碳装置对循环水养殖系统pH的影响

为了调节循环水系统中养殖水体的pH,根据气体交换原理,设计一种脱二氧化碳(CO_2)装置。采用该装置去除养殖水体中的CO_2,并对由于CO_2含量累积造成的pH下降进行调节,使养殖鱼类处在一个适宜的pH环境中。试验时水温控制在(25±0.5)℃,每1 h取水样测1次pH,每4 h测1次碱度。水样取自养鱼桶内的水,检测前先对水样用40μm孔径针头过滤器进行过滤处理,实验周期24 h。结果显示,循环水系统加装脱二氧化碳装置能有效去除CO_2,使水体稳定在一个适宜的pH范围(7.39~7.42);CO_2质量浓度呈降低趋势,24 h后由开始的13.16 mg/L降低到7~8 mg/L,降低近50%,而不加装脱二氧化碳装置的循环水系统CO_2质量浓度持续上升,24 h后增加到37 mg/L左右,pH持续降低,最终降低到6.72~6.81。研究表明,脱二氧化碳装置能够有效去除水体中的CO_2,使水体pH维持在一个适宜鱼类生长的范围。     

玉米空间分层施肥装置结构优化与试验

针对玉米分层施肥作业中开沟宽度大、回土效果差导致的肥料分层效果不明显、各层肥量难以控制等问题，设计了一种各层肥量可调的空间分层施肥装置，肥料可在土壤中形成半包围种子的分布状态。通过理论分析和设计计算确定了空间分层施肥装置的基本结构参数，明确了影响分层施肥装置内肥料颗粒运动的主要因素。运用离散元法对分层施肥装置工作过程进行仿真分析，选取施肥调节片前端宽度、后端宽度和安装角为试验因素，以上层和中层排肥口出肥量为试验指标，进行二次正交旋转组合仿真试验，建立了试验指标与影响因素的回归模型，仿真结果表明，当施肥调节片前端宽度为3.61mm，后端宽度为21.52mm，安装角为43.23°时，上、中、下3层排肥口施肥量比例为最佳施肥比例3∶3∶4。为验证仿真分析结果，在不同作业速度和不同施肥量条件下，进行了空间分层施肥装置的样机性能试验，试验结果表明，空间分层施肥装置能够实现各层肥量的目标施肥配比，在不同作业速度和不同施肥量下各层施肥量变异系数不大于4.3%，各层肥料深度误差在10mm以内，各层肥料横向距离误差在6mm以内，工作性能稳定。     

油菜覆膜打孔穴播机打孔装置设计与试验

为实现油菜等小粒径作物覆膜种植中膜上均匀打孔的功能,针对传统膜上成穴装置结构庞大复杂、工作时易黏土挑种及撕挑地膜等问题,设计了一种法兰式滚轮与螺纹式圆锥型锥钉组合式结构的打孔装置,确定了其主要结构参数范围;构建了打孔装置运动学模型,分析了打孔锥钉关键点的运动轨迹,确定了膜上打孔过程,并基于轨迹方程分析了膜孔尺寸参数;运用ADAMS运动学仿真,采用四因素三水平正交试验方法,以打孔锥钉顶角、打孔锥钉直径、打孔滚轮半径、机组前进速度为试验因素,以膜孔长度、膜孔间距偏差为试验考核指标,进行了打孔装置结构和运动参数的仿真试验。仿真结果表明:影响膜孔长度的因素主次顺序为打孔滚轮半径、打孔锥钉顶角、打孔锥钉直径、机组前进速度;影响膜孔间距偏差的因素主次顺序为打孔滚轮半径、机组前进速度、打孔锥钉顶角、打孔锥钉直径;基于参数优化,获得较优参数组合为:打孔锥钉顶角53°、打孔锥钉直径16 mm、打孔滚轮半径65 mm、机组前进速度4 km/h。以打孔装置较优结构参数组合进行了田间验证试验,结果表明:打孔装置所打膜孔形状较规则,普遍呈类圆形状,膜孔长度均在18 mm以上,膜孔间距较为均匀,与仿真结果基本一致;各行膜孔长度一致性变异系数为4.98%,各行膜孔间距均匀性变异系数为3.44%。结果表明试验参数组合选取合理,打孔装置符合设计要求。     

夹指链式残膜回收机脱膜装置设计与试验

针对现有残膜回收机脱膜困难的问题,该研究设计了一种夹指链式残膜回收机脱膜装置,主要由刮板总成、曲柄摇杆机构和膜杂分离机构等组成,可一次性完成脱膜、膜杂分离和输膜作业。为增加夹指随夹指链转过上收膜轮的过程中与刮板接触的次数,将刮板总成中的刮板设为双层,并通过作业过程分析对其结构参数进行设计;使用ADAMS软件对刮板末端运动轨迹进行仿真分析,并根据仿真结果对曲柄摇杆机构的杆件长度及安装角进行设计;通过对残膜受力情况的分析,确定了曲柄摇杆机构的安装位置;通过运动学分析获得了夹指不被漏刮时上收膜轮角速度与曲柄角速度比的最大值;为实现输膜与膜杂分离,设计了往复摆动式膜杂分离机构,并通过作业机理分析及性能试验对相关部件的结构参数进行设计。田间试验结果表明,当机具作业速度为4.5 km/h、刮板宽度为100 mm、曲柄回转中心与上收膜轮中心间的水平安装距离为290 mm、竖直安装距离为200 mm、上收膜轮角速度与曲柄角速度比为0.5、输膜筛相邻棒条间的安装距离为50mm时,残膜回收率为93.12%,脱膜率为98.2%,含杂率为16.08%,能够满足残膜回收机田间作业要求。研究成果可为相关装置的设计提供参考。