拖拉机自动导航变曲度路径跟踪控制

针对当前拖拉机自动导航曲线跟踪控制精度不能满足生产需要的问题,该研究提出一种基于前轮转角前馈补偿策略的变曲度路径跟踪控制方法。综合考虑农机作业速度和目标路径曲度对前视距离的影响,通过调整前视区域和计算预瞄点,动态调整前视距离和前轮转角前馈量,在追踪预瞄点的过程中,利用农机与目标路径偏差设计变曲度路径跟踪模糊控制器,通过实时调整拖拉机前轮转角补偿量减小稳态误差。以DF2204无级变速拖拉机为试验平台,设计并研发了自动导航系统,开展21组变曲度路径跟踪控制试验。试验结果表明,拖拉机以1.0、1.5、2.0和3.0 m/s速度行驶时的平均绝对误差的平均值分别为2.7、2.7、3.3和4.0 cm,均方根误差的平均值分别为3.4、3.7、4.6和5.0 cm,满足农业生产需求。所提方法可有效提高农机曲线路径跟踪精度,减少漏耕,提高农田利用率。     

磁性示踪条件下坡面土壤侵蚀产流、产沙及侵蚀空间分异特征

在10°,15°,20°坡面上布设磁性示踪剂,通过模拟降雨(60mm/h)研究坡面土壤侵蚀产流、产沙及侵蚀空间分异特征。结果表明,随着坡度增大,坡面产流、产沙量递增;坡面坡度越大,达到稳定产流、产沙的时间点越靠后。10°坡面土壤磁化率降幅以上坡位最大,中坡位其次,下坡位最小;随着坡度增大,坡面土壤磁化率降幅以下坡位最大,中坡位其次,上坡位最小。坡面磁化率变化表明,10°坡面上坡位受到的土壤侵蚀最严重,在15°和20°坡面下坡位土壤侵蚀强度加大。     

无人驾驶农机自主作业路径规划方法

针对无人驾驶农机自主作业的应用需求,该研究设计了一种基于区块套行作业模式的路径规划方法,以生成含有速度指令和机具状态指令的可执行路径,重点解决田内作业的四边形地块适应性、无人驾驶农机适应性和农田作业路径完整规划等问题。该方法由农田信息处理模块和路径规划模块组成,农田信息处理模块将测绘产生的地块轮廓数据和障碍物数据处理为便于运算的地块轮廓点数据和障碍物轮廓点数据形式,然后由路径规划模块利用用户输入的作业方向、作业幅宽、转弯半径和起始方位等作业参数,经过作业梯形区生成、掉头区与作业区划分、作业条带分割、障碍物条带处理、作业条带路由、掉头路径生成和最终指令路径生成等子模块,最终生成无人驾驶农机的指令路径。仿真试验结果表明,相对于相邻法,该方法的作业面积比及作业路程比分别提升了10.0%和8.8%。播种作业田间试验结果表明,无人驾驶农机自主作业的横向偏差的均值和标准差分别为左偏0.002和0.027 m,满足作业要求。研究结果表明,该研究提出的方法适应不同的四边形农田和障碍物,可以结合不同的作业参数完成路径规划,能够满足无人驾驶农机自主作业的需求。     

聚丙烯酰胺对凹凸型坡土壤侵蚀影响的室内试验

通过室内人工模拟降雨试验,研究了聚丙烯酰胺(polyacrylamide,PAM)施用量(0、0.5、1.0和2.0 g/m2)对凸型坡(上、下坡坡度分别为5°、10°、15°和20°、25°)和凹型坡(上、下坡坡度分别为20°、25°和5°、10°、15°)土壤侵蚀规律的影响。结果显示,无PAM应用时,凹型坡或小坡度凸型坡(上坡坡度为5°)径流含沙量随降雨历时逐渐减小,而大坡度凸型坡(上坡坡度≥10°)径流含沙量在降雨过程中会急剧增大。凸型坡平均土壤流失量是凹型坡的8.4倍。PAM应用显著增大了凹型坡和小坡度凸型坡径流含沙量和土壤流失量(P0.05),但减小了大坡度凸型坡土壤流失量。PAM应用后,土壤流失量与坡度大小无明显关系,此时凸型坡平均土壤流失量为凹型坡的1.2倍。在生产实践中PAM可用于控制较陡(≥10°)凸型坡的土壤流失。     

黄土坡面下坡位土壤侵蚀过程的模拟试验

在中国科学院水利部水土保持研究所,采用2个不同坡长小区室内模拟降雨试验方法,对黄土坡面下坡位侵蚀过程进行研究。结果表明：1）坡面下坡位侵蚀模数随降雨过程、降雨强度及坡度的变化均具有大小交错,上下波动的特征,侵蚀模数随降雨过程的变化总体呈先上升后趋于稳定的态势,随降雨强度的增大而增加,随坡度的增大而先增大后减小,再增大再减小;2）坡面上、下坡位侵蚀模数随降雨过程、坡度及降雨强度的变化均具有明显差异,下坡位明显不如上坡位;3）坡面上坡位汇流和下坡位产流与坡面上坡位输沙对坡面下坡位侵蚀模数的影响可用二元线性方程很好地描述,前者的贡献率为47．8％,后者为20．4％;只通过观测分析小区平均侵蚀特征得出的坡面侵蚀过程,掩盖了坡面下坡位的真实侵蚀过程,采取水土保持措施减少坡面上坡位汇流及增加降雨就地入渗,可以有效地治理坡面下坡位的水土流失。     

黄土坡面下坡位片蚀过程试验研究

坡面片蚀强度具有沿程空间变化性,阐明坡面不同坡位的片蚀过程对于完善坡面土壤侵蚀理论具有重要意义。采用组合小区模拟降雨试验方法对黄土坡面下坡位片蚀过程进行了研究,结果表明：（1）坡面下坡位片蚀特征与坡面上坡位及全坡面片蚀特征存在差异,下坡位片蚀规律性较差;（2）坡面下坡位片蚀随降雨过程、雨强和坡度的变化均呈现波动性,总体上随降雨过程先增大后稳定,随雨强及坡度的增大而增大;（3）坡面下坡位片蚀随雨强和坡度的变化可用二元线性方程描述,雨强的影响远大于坡度;（4）坡面上坡位汇流和下坡位产流及上坡位输沙对下坡位片蚀的影响可用二元线性方程描述,其中前者贡献率为56.9%,后者贡献率为25.4%,水的作用显著大于沙的作用。采取增加坡面入渗、减少径流的水保措施可有效防治坡面下坡位片蚀。     

轮式拖拉机线控液压转向系统路感特性与评价

针对路感特性是线控转向技术的难点之一,设计与评价了轮式拖拉机线控液压转向系统的路感特性。分析了路感的评价指标、产生机理及拖拉机等农用车辆行车环境差异大的特殊性;实测了拖拉机在旱地、土路、水泥路、沥青路等路面上的原地转向与行驶时的转向阻力,以指导设计模式化路感特性与模式识别系统。农田作业模式侧重于路感的轻便性,驾驶员作用在方向盘上的切向力为2~10.127 N,车速低于11 km/h;非农田作业模式侧重于路感的真实度,切向力范围为2.5~52.5 N,车速低于30 km/h。完成了路感的主观评价,评价结果表明模式化路感特性可以令驾驶员满意。设计的模式化路感可以有效改善拖拉机的驾驶感觉,推动线控液压转向系统的发展。     

基于DF2204无级变速拖拉机的农机无人驾驶系统研制

针对农机无人化作业需求,该研究基于DF2204无级变速拖拉机和机器人操作系统（Robot Operating System,ROS）,研发了一种适于田间作业的农机无人驾驶自主作业系统。系统由控制、规划、安全和总线通信等模块组成。对DF2204无级变速拖拉机进行硬件改造与集成,设计满足农机无人驾驶要求的控制器局域网（Controller Area Network,CAN）总线协议和ROS与CAN总线通信的消息结构,包括5类控制帧和2类状态帧;设计了基于比例-积分-微分（Proportion Integration Differentiation,PID）控制器的横向跟踪与纵向速度控制算法。在北京密云试验田开展田间小麦播种实际作业试验。试验结果表明,消息结构满足50 Hz通信负载,横向跟踪平均绝对误差为2.96 cm,纵向速度平均绝对误差0.68 m/s。研究结果可为无级变速拖拉机的无人化升级改造提供参考,提高农机智能化水平和作业效率。     

轮式拖拉机振动系统横向固有频率理论建模及验证

为了进一步研究拖拉机的振动特性,对拖拉机振动系统的横向固有频率进行研究,建立了无悬架拖拉机横向和侧倾2自由度振动模型,推导出拖拉机横向固有频率的理论计算公式。以江苏常发集团CF700型拖拉机为研究对象,用理论与试验相结合的方法进行了试验验证,试验分别在5、9、11、13和15 km/h的行驶速度下测得拖拉机的横向固有频率,并与其相应的横向固有频率理论计算值进行比较。结果表明,理论计算值与试验值最大相对误差为1.11%,验证了横向固有频率理论计算公式的准确性,该研究为拖拉机座椅横向减振系统的设计提供了重要参考。     

田间道路改进UNet分割方法

为了保证自动驾驶农机的安全行驶,需要对农田间道路进行高精度识别。该研究以北京市大兴区榆垡镇为研究地点,构建了农田间道路图像数据集,使用开源标注工具Labelme软件进行图像标注,以UNet为基本网络结构,针对分割过程中存在的道路边缘和远处道路分割效果较差等现象,提出了3个改进方向:在编码器网络中添加残差连接,增加网络复杂度;使用池化卷积融合结构完成下采样,增加可训练参数以减少信息损失。试验结果表明,使用ACBlock(Asymmetric Convolution Block,ACBlock)和DACBlock(Dilated Asymmetric Convolution Block, DACBlock)替换UNet中的卷积核,增加了卷积核"骨架"结构的权重和卷积核的感受野,提高了远处道路及道路边缘的分割效果,农田间道路分割的交并比值为85.03%,相较于原UNet提高了6.52个百分点,且高于ResUNet、UNet3+等网络。农机行驶速度在20 km/h左右,该研究网络对于1280×720像素大小的图片平均推理时间为163 ms,符合农机自动驾驶时间复杂度要求。该研究提高了自动驾驶农机对农田间道路的感知能力,为安全行驶提供了信息支持。     

采用滑转率-阻力区间划分法的拖拉机双流传动系统调速控制

为解决拖拉机作业过程中因作业阻力波动而导致生产效率降低的问题,该研究以自主开发设计的液压机械无级变速器(Hydraulic Mechanical Continuously Variable Transmission,HMCVT)为研究对象,通过对滑转率区间划分确定了滑转率控制和车速控制的优先级;通过对作业阻力范围划分确...     

基于速度自适应的拖拉机自动导航控制方法

针对速度因素对拖拉机自动导航系统稳定性的影响,提出了基于横向位置偏差和航向角偏差的双目标联合滑模控制方法,在建立两轮拖拉机-路径动力学模型和直线路径跟踪偏差模型的基础上,应用Matlab/Simulink进行整体系统仿真,验证了控制方法的可靠性;以雷沃TG1254拖拉机为载体搭建了自动导航控制系统田间试验平台,分别在定速和变速条件下,进行了拖拉机直线路径跟踪控制的田间试验;分析了不同速度条件下的动态跟踪控制效果,验证了设计的自动导航控制系统的稳定性和控制精度。试验结果表明:在拖拉机田间作业常见的定速直线行驶工况下,采用基于速度自适应的双目标联合滑模控制方法,拖拉机直线路径跟踪控制的横向位置偏差最大值为10.60 cm,平均绝对偏差在3.50 cm以内;航向角偏差最大值为3.87°,平均绝对偏差在1.70°以内;在进入稳态以后,前轮转向角最大摆动幅度为3°,摆动标准差为0.80°。结论表明,该文提出的基于速度自适应的拖拉机自动导航控制系统,能基本实现不同速度下的直线路径自动跟踪控制。     

深松旋耕组合作业机的研制与试验研究

根据国内中等功率拖拉机配套农机具的研究现状,以机组匹配理论为依据,研制了与中型拖拉机配套的深松旋耕组合作业机,并进行了单独深松、单独旋耕和组合工况的试验。试验表明所研制的机具在作业时能充分发挥拖拉机的动力性,减少拖拉机的功率消耗。机具配置的深松铲和旋耕刀片排列合理,深松扰动影响宽度和旋耕宽度相匹配,作业时波动范围较小,偏牵矩对拖拉机方向的稳定性基本没有影响。机具的研制也为与大功率拖拉机配套新型农机具的开发提供了借鉴。     

基于实际作业工况的拖拉机能效评价

为深入了解拖拉机实际作业的能效情况,该研究提出基于实际作业工况的拖拉机能效评价方法,对拖拉机整体能效进行全面度量。基于距离最短分区原理,通过K-means聚类与成对比较矩阵方法进行拖拉机发动机常用工况点提取;通过对186台162 kW的拖拉机能效分析,提出拖拉机能效等级划分标准,确定能效限值和各级能效比限值,并对不同作业环节的平均能效进行分析。研究结果显示:拖拉机发动机实际8工况点和ISO稳态8工况点区别较大;不同拖拉机能效差异较大,50%的拖拉机能效值分布在3.20～3.65 (kW·h)/kg区间;162 kW拖拉机实际能效合格限值为3.07 (kW·h)/kg;拖拉机不同作业环节的平均能效值差异大,旋耕作业的平均能效值最高,行走模式最低。研究结果可为发动机节能减排技术升级提供数据基础,也可为农机节能考核、与绿色化作业水平挂钩的应用补贴方法研究等提供参考。     

黄土路堑边坡土壤水分空间分布特征及影响因素

基于西安市三条道路黄土路堑边坡植被防护调查和室内土壤含水率测试结果,研究分析了坡位、坡度、坡向、植被类型和植被防护模式对黄土路堑边坡土壤水分空间分布特征的影响。结果显示,中坡位土壤含水率大于下坡位,下坡位大于上坡位;高坡级边坡土壤含水率大于低坡级;小坡度边坡土壤含水率大于大坡度;阴坡土壤含水率大于阳坡;贴地植被土壤含水率大于直立植被土壤含水率;草灌结合模式的边坡土壤含水率小于灌木单一模式,但前者的生长状况优于后者。     

电动拖拉机田间巡航作业驱动转矩管理模型

针对电动拖拉机整机控制中与驱动转矩相关且通用性较强的功能环节,在驱动系统上层搭建了一种通用型的驱动转矩管理控制模型。以满足田间作业需求、提升作业质量为目标,将输入信号标定为期望作业车速,并进一步转化为电机目标转速。根据实际转速与目标转速的偏差,计算电机目标输出转矩,以使电机需求功率与作业负载相平衡。进一步考虑巡航作业过程中驱动转矩变化引起的整机冲击度、当前转速下电机可用最大转矩以及驱动系统过温、电池放电欠压的影响,依次搭建了针对目标输出转矩的斜坡限制、基于转速的转矩容量限制和极端工况下的比例减载限制模型。搭建了包括电池、驱动电机以及整机纵向动力学在内的电动拖拉机模型。基于驱动转矩管理模型设计了目标控制器,并搭建了dSPACE硬件在环测试平台,分别对转矩管理模型中的各个参数进行了标定,并对牵引作业工况下驱动系统的输出特性进行了测试,结果表明:在牵引作业时,实际车速可平稳跟踪期望作业车速,跟踪误差主要取决于驱动轮的滑转程度,当期望车速改变时,实际车速按标定斜率向期望值平缓过渡;作业过程中,模型输出转矩始终处于电机转矩容量范围以内,且转矩变化率不超过35N·m/s,与未经斜坡限制处理的原始目标转矩相比,转矩变化趋于缓和;当电池输出电压低于欠压报警阈值时,驱动转矩管理模型根据电池欠压程度将模型输出转矩比例缩减10%～27%,确保电池输出电压不低于停机阈值。所搭建的驱动转矩管理模型可为电动拖拉机整机控制器的设计提供技术参考。     

轮胎胎压和车速对无悬架拖拉机横向乘坐振动特性的影响

为研究轮胎胎压和行驶速度对驾驶员横向乘坐振动特性的影响,该文以两轮驱动式无悬架国产拖拉机为研究对象,建立无悬架拖拉机横向-垂向平面三自由度模型,通过仿真和试验相结合,分别获取不同轮胎胎压和行驶速度下拖拉机座椅处横向加速度功率谱密度、横向加速度均方值以及总加权加速度均方根值,并分析各自的影响规律.结果表明:拖拉机座椅处横向固有频率试验值与理论计算值的最大相对误差为4.67%,座椅处横向加速度均方根试验值随后轮胎胎压和速度的变化规律与仿真是一致的,且试验值比仿真值要小,其相对误差最大值为5.26%,误差均在可接受范围内,表明建立的理论和仿真模型是可行的;前轮胎压的变化对两轮驱动式拖拉机乘坐横向振动特性的影响不大;当轮胎胎压不变时,试验获取的拖拉机座椅处总加权加速度均方根值随行驶速度的增大而增大;当行驶速度不变时,总加权加速度均方根值随后轮胎压的增大而波浪式增大.该研究为拖拉机多维减振悬架系统的设计提供参考.     

内江市微地形条件影响下土壤团聚体稳定性及分形特征

以季节性干旱区-川中丘陵区-内江市农耕地作为研究对象,选择坡向、坡位、土层厚度作为影响土壤团聚稳定性的作用因子,采用标准化平均质量直径和分形理论,探讨了土壤团聚体的稳定性、分形特征及二者之间的关系.结果表明:研究区土壤团聚体稳定性标准化平均质量直径(NMMD)表现出阳坡>阴坡、下坡>中坡>上坡、15-30cm>30-45cm>0-15cm的特点,说明在坡向上,阳坡的土壤团聚体与阴坡相比较稳定;在坡位变化上,下坡团聚体稳定性最高、中坡次之、上坡最低,在土层深度变化上,15-30cm团聚体稳定性最高,30-45cm次之,0-15cm最低.微地形条件下分形维数的变化特征为:阴坡>阳坡,下坡>中坡>上坡,15-30cm>30-45cm>0-15cm;3个地形因子作用下,分形维数与<0.1mm的粒级质量分布达到极显著正相关,与其他粒级的质量分布相关性呈显著或不显著.研究结果可以为研究区土地利用及农业耕作提供一定的理论依据.     

Operator assessment of tractor roll angle with and without a tractor stability visual feedback device

According to a 2004 National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH) report, approximately 250 to 350 fatalities occur each year due to incidents involving production agriculture workers and tractors. Tractor overturns account for about 150 to 200 of these deaths. The goals of this project were to study operators' understanding of tractor roll angles and test a device to effectively deliver stability information to the tractor operator. This project required the design and construction of a full-scale tractor cab roll simulator that was used to identify lateral roll angles at which volunteer participants felt uncomfortable, as well as lateral roll angles at which they would no longer operate a tractor. In addition, the participants performed a series of tasks to test the functionality of a visual slope indicator that was designed to help them estimate slope angles. The project tested 231 tractor operators' perceptions of safe operation on side slopes and 128 participants' interactions with the visual slope indicator. Testing showed that the visual slope indicator was able to influence the angle estimations of the novice tractor operator population and helped the entire population of participants more accurately rank the simulator scenarios.     

蓝莓采收机高通过性自行走装置设计及性能研究

针对国内蓝莓采收面临的难题,对蓝莓采收机自行走装置进行设计,该装置由液压驱动,采用框架式结构,由行走车架、发动机、液压执行元件、驾驶区等组成,对车架进行满载弯曲和扭转工况有限元仿真,确定车架强度满足力学性能要求,具有良好载荷配比及抗扭能力。对整机行走、转弯及升降性能分析,确保整机操纵轻便。该装置配置采收系统,对整机上下坡、横坡行驶及横向滑移稳定性分析,获得整机极限翻倾角及不同路面横向滑移角度范围。对样机进行试制及田间试验,试验结果与理论分析基本一致,整机行驶性能良好,最大行驶速度为11km/h,最小转弯半径为3 160 mm,适用果树高度1.1～2.0 m;整机作业稳定性强,上下坡及横向行驶翻倾角分别为51°、50°及44°,横向极限滑移角为40°;自行走装置与采收系统匹配性良好,采收效率为6.95 kg/min,果树重度损伤率为3.5%。