基于压电效应的果实采收超声切割机理分析

主流果蔬采收末端执行器根据采收的果蔬品种和果梗木制纤维材质的不同,结构差异较大,均存在占据空间大、结构笨重、易碰撞果实和易造成损伤等问题,不利于果梗切割,因此研究一种结构灵活、占据空间小、切割省力的适用于不同果梗木制纤维的超声切割刀应用于果蔬采收末端执行器非常重要。本研究采用理论-有限元-试验相结合的方式对超声切割刀切割果梗的机理进行分析。首先建立了超声刀具切割果梗的物理场模型,通过对切割过程进行时空分析,建立了其位移、速度、加速度等数学模型,分析了切割过程的时空不连续性,基于断裂力学对果梗切割机理进行研究并绘制Matlab响应面图,可以发现超声切割所需要的力小于常规切割。利用有限元分析软件,对超声刀具进行了模态分析和谐响应分析,得到了刀具在不同频率下的振动模态和利于切割的最佳频率。最后,利用自制试验台采用不同切割速度分别对不同直径的橘子和橙子果梗进行了超声切割试验。试验结果表明：切割速度和激振频率与采收切断力有关,在高频和低频振动下,随着果梗直径增加,切割时间变化在0.4s内,切割效率稳定;试验中超声切割的最大切断力远小于常规切割,且小于1N,超声切割可以很有效地降低切断力,减小切割时的冲击作用,相对于常规切割切断能力更强,适合将其应用到采收末端执行器,从而获得更高的采收效率。     

采后甘蓝单体排序定向输送装置设计与试验

针对采后甘蓝人工上料及定向排序劳动强度大、生产效率低、人工成本高等问题,结合采后甘蓝商品化处理工艺及转动惯量特性,设计了采后甘蓝单体排序定向输送装置。该装置采用气缸传动对空间堆叠状态的采后甘蓝进行翻转卸料,随后在单层喂入辊和曲面缓冲轨道作用下采后甘蓝呈单层状态排出,再经限位辊和变螺距输送辊引导完成采后甘蓝的单体排序输送,最终基于转动惯量特性在4个锥形辊形成的稳定空间内实现定向输送。对翻转卸料机构、单层喂入缓冲机构、变螺距单体排序机构、锥形辊定向输送机构等关键部件进行了结构设计,并试制了采后甘蓝单体排序定向输送装置样机。以“中甘15号”甘蓝为试验材料,以卸料气缸运行速度、单层喂入辊转速、变螺距输送辊转速和输送链条线速度为试验因素,以单体排序成功率和定向成功率为试验指标进行了正交试验。结果表明,最优参数组合为卸料气缸运行速度10mm/s、单层喂入辊转速50r/min、变螺距输送辊转速30r/min、输送链条线速度300mm/s,在最优参数组合下,采后甘蓝单体排序成功率平均值为96.50%,定向成功率平均值为95.17%,标准差分别为2.54%、3.28%,单通道作业效率约为1004kg/h。本研究为深入研发采后甘蓝多通道高通量单体排序定向输送装置、实现采后甘蓝商品化处理机械化作业提供参考。     

簇生番茄果梗超声切割过程仿真与试验

为揭示超声技术应用于簇生番茄切割采收的机理及优势,比较了簇生番茄果梗材料在常规切割和超声切割中的切割力和去除特性。首先测定了簇生番茄果梗和自制超声切割刀的参数,然后基于Abaqus进行仿真,将果梗纤维化,在宏观和微观仿真中对比常规切割和超声切割过程中的应力及去除机理。最后,自制试验台,通过改变超声切割刀的激振频率、输入电压、切割速度和切割角度进行切割力测定试验并采用响应面法的Box-Behnken进行四因素三水平分析,随后观察果梗断面形貌。结果表明：在自制超声刀工作频率(35～37 kHz)和电压(340～380 V)内,切割速度、角度对切割效果影响最显著,激振频率和输入电压在特定值附近时切割效果最好;在36 kHz、360 V、0.125 cm/s、0°的条件下,仿真中超声切割耗时约为8 s,平均最大切割力为0.635 N,相对于常规切割(1.019 N)降低37.7%;试验中超声切割耗时约为5.3 s,所需切割力最大为0.543 N,相较于常规最大切割力(1.017 N)降低46.6%,同时表面粗糙度降低20.9%,试验与有限元仿真的切割力结果误差为8.9%,基本吻合。超声切割可以...     

基于植被指数的猕猴桃根域土壤水分反演影响因素研究

针对现有监测方式难以大面积准确监测植株个体水分状况,且猕猴桃果园的郁闭性导致根域土壤含水率（Root domain soil water content,RSWC）监测方法匮乏的问题,使用多层感知机（Multi-layer perceptron,MLP）和冠层植被指数来预测果实膨大期（5—9月）徐香猕猴桃植株40cm深度的RSWC。在MLP训练数据的预处理中,采用Pearson相关系数作为输入（植被指数）与输出（RSWC）的相关性评价指标,采用单因素方差分析作为输入与输出的显著性评价指标。进一步考虑冠层采集范围可能对模型精度造成的影响,将数据分割为不同尺度对MLP进行训练评估。结果表明,重归一化植被指数（Renormalized difference vegetation index,RDVI）与RSWC具有最高的相关性与显著性,相关系数和P分别为0.744和0.007,该指数可以作为RSWC反演的输入量。对不同尺度RDVI的建模数据表明,模型精度与RDVI采样面积A及对角线长度L有着较强的相关性（R2分别为0.991和0.993）,为了使模型精度最大化,采样面积应在2.540~3.038m2之间。通过使用该尺度的RDVI建立的MLP模型达到最大精度（R2为0.638,RMSE为0.016）。本研究可为建立非接触性猕猴桃果园土壤含水率估算方法与果园灌溉系统设计提供依据。     

基于空地多源信息的猕猴桃果园病虫害检测方法

针对现有检测方式难以大面积准确检测果园单株猕猴桃病虫害信息，且仅凭地面或者遥感数据获取信息不全的问题，通过搭建地面数据采集设备，配合无人机采集遥感图像，从空地两个角度获取了更全面的猕猴桃冠层叶片病虫害信息。选取Pytorch深度学习框架，使用YOLO v5s算法进行病虫害叶片的目标检测。计算单株果树被害率时，通过图像处理统计被害叶片与冠层叶片的像素数来代替数量统计。在冠层像素数计算过程中，对比K-means聚类分析与大津法阈值分割算法，后者用时更少，操作更加简单。最终得到每株果树冠层不同部分的病害率和虫害率，结果表明，该检测模型精确率为99.54%,召回率为99.24%,验证集目标检测和分类损失值均值分别为0.084 69和0.000 83。同时，分别选取无人机和地面病害和虫害数据20个，将检测模型获得的病虫害叶片数量的预测值与人工标注的真实值进行比较，遥感和地面的病害与虫害检测模型的平均绝对值误差分别为3.5、2.5、0.9和0.45。地面数据检测效果好于遥感数据检测效果。本研究可为建立猕猴桃果园病虫害检测系统提供依据，同时为猕猴桃果园的精细化管理提供指导。     

单偏心式油橄榄振动采收机仿真优化与试验

为提高油橄榄的振动收获效率，针对油橄榄密植果园的种植环境，设计一种单偏心块悬挂式油橄榄采收机。通过对果实进行受力分析得到果实脱落加速度可简化为果实果柄结合力与果实质量的比值，测量得到脱落加速度的90%分位数为1 113.35 m/s²。通过正交试验仿真研究果树树形参数(主干直径、主干高度、主枝夹角)和激振参数(激振频率、激振力)之间关系，并对仿真与试验相关性进行分析，表明仿真与试验的平均相关系数为0.73,平均相对误差为26.5%,主干直径和主干高度对激振参数有显著影响。使用采收样机对油橄榄(莱星)进行了试验，结果表明：夹持点振幅与激振频率呈正相关关系；果树侧枝3个监测点的共振频率为22.5 Hz,与响应面试验结果的21.8 Hz相近；油橄榄树的平均采净率约为91.22%,且无果实损伤。