水田激光平地机激光接收放大电路的优化设计

为解决水田激光平地机平地铲高程定位稳定性问题,该文采用试验方法研究了激光接收器的光电转换特征,对光电转换电路和放大电路参数进行了优化设计。并对影响激光接收器光电转换信号幅值的接收距离、太阳辐照度噪声、振动噪声与有效激光信号幅值频率等因素开展了相关性试验。试验结果表明,随着激光接收距离增加,接收到激光能量减小,激光光电转换信号幅值随接收距离增加按负指数衰减;随着阳光辐照度增加,光电转换硅光电池背景电流增加,光电转换效率降低,激光光电转换信号幅值按负指数衰减,而光电转换噪声按指数规律显著增加;机械振动噪声频率相对固定在低频段。在试验分析基础上,该文采用硅光电池内部等效电容和外接电感的直接光电转换电路,将激光脉冲电流信号调制为交流电压信号,优化带通放大电路参数,降低放大电路带宽对阳光辐照噪声和振动噪声的衰减,以提高激光接收器放大电路的信噪比。进一步田间试验表明,当采用定制的福田KF308发射器旋转频率为600 r/min,设计优化后的激光接收器可满足水田激光平地机的高程可靠定位检测要求。     

基于变距光电传感器的小麦精播施肥一体机监测系统设计

为实现小麦精播施肥过程的实时监测,确保播种作业质量,该文设计了一种基于变距光电传感器的小麦精播施肥一体机监测系统。该监测系统以STM32单片机硬件系统为下位机,通过反射式光电传感器和旋转编码器分别获取种肥流动与种肥轴转动信息,判断精播机运行状态,并通过Modbus通讯协议将信息传输至MCGS触摸屏上位机人机交互界面实时显示。下位机排种监测电路仿真测试结果表明,放大电路对种管光电传感器检测距离的改变值为4~7 mm;上下位机通讯测试结果表明,数据传输内容准确率为100%;监测系统样机试验测试结果表明,故障报警准确率≥92.5%,种肥缺失、堵塞、泄漏响应时间分别≤0.2、≤0.3、≤0.3 s。该监测系统实现了对小麦精播施肥机作业的实时高精度监测,有助于提高小麦精播机作业质量。     

机电式流量阀的模糊控制实现与测试

为在线混药式变量喷雾农药流量检测设计一种机电式流量控制阀和流量控制系统。采用模糊控制算法,依托STC12C5410AD单片机实现对农药流量的模糊控制。对所设计的系统进行静态跟踪测试和动态响应测试,静态跟踪误差为±3.0%;初始流量为1.5 mL/s,目标流量为3.1 mL/s,阶跃响应曲线上升时间为0.35 s,绝对稳态误差为 ±0.1 mL/s,相对稳态误差在±3.2%以内。测试结果表明该流量阀采用模糊控制,其控制性能,超调量、响应时间和稳态误差能达到变量喷雾的要求。     

拖拉机驱动轮滑转率估算法与验证

拖拉机作业环境恶劣,测量信号容易受到噪声干扰,其滑转率的计算过程对于输入信号的相对误差有极强的放大作用,因而造成其滑转率难以精确测量。该文提出带噪声观测器的变结构并行自适应数据融合算法,对轮速传感器、角加速传感器、车身加速度计和全球定位系统的信号进行融合,在不需要先验误差统计规律的前提下实现了对拖拉机驱动轮滑转率的在线精确估计。仿真测试结果证明:采用信息融合方法求得的驱动轮滑转率信号几乎与理论值曲线重合且鲁棒性好,平均误差为中值滤波的1/10左右,为卡尔曼滤波的1/5;算法的噪声观测器能够实时估算测量信号的白噪声方差,求得的稳态平均方差与已知精确先验误差的卡尔曼数据融合算法无明显差异;在从动轮速度信号受到有色随机噪声干扰的特殊工况下,算法的信息融合机制能够补偿大部分由有色噪声干扰造成的误差。实测试验证明:在拖拉机稳定工作工况,在线求得的测量信号噪声方差均值在5%的范围内波动,采用数据融合算法求得的驱动轮滑转率误差均值为0.012,误差绝对值最大值为0.027,与离线拟合得到的参考值非常接近。该研究为拖拉机实现精确控制提供了参考,其在线测量信号方差统计方法为拖拉机总线网络的传感器信息共享提供了技术基础。     

温室风向风速测试系统的研究设计

该文介绍温室数字式风向风速传感器的工作原理、电路原理、风向风速信号测试系统的结构、风向信号的数据采集方法、风速脉冲信号的软件计数算法、风速脉冲信号计数程序运行周期的分析。实验结果表明,系统结构简单,可靠性好,抗干扰能力强,测量精度高,便于推广应用     

光电传感器结合旋转编码器检测气吸式排种器吸种性能

高速精密播种作业是大豆、玉米等作物播种的主要发展方向之一。该文针对高速精密播种作业中气吸式排种器,设计了排种器吸种状态检测系统(seed disc suction performance detection system,SDSPS),该系统采用凹形光电传感器采集排种盘吸种信息、应用光电旋转编码器采集排种轴转动角度等信息,通过对光电传感器的输出信号和光电编码器脉冲信号进行处理,得到排种盘每个吸孔的吸种情况,从而进一步获取整个排种器的工作状况。与排种器试验台常用的图像处理检测系统(seeding detecting system based on image processing,SDSIP)在6组作业条件下进行了试验台对比试验,并单独进行了检测单个吸孔吸种量可行性试验。试验通过F检验和T检验(α=0.05)得出2种系统测量值总体方差相同和均值一致。精度分析结果表明SDSPS相比于SDSIP的最大相对误差为0.31%,系统稳定性分析结果表明SDSPS与SDSIP的波动幅值比较接近,两者的最大相对偏差值都不超过1%,SDSPS检测单个吸孔吸种量的最大相对误差为16.67%。通过田间试验验证,SDSPS对于漏吸种量和多吸种量,检测系统检测值与实际值相对误差平均值分别为3.87%和8.42%。SDSPS能有效的进行排种盘吸种性能检测,对单个吸孔吸种量的检测也具有较高的可信度,可以为气吸式排种器性能检测与改进提供技术支撑。     

樱桃番茄叶柄方向光电自动探测方法与机构设计

采用机器人自动去除樱桃番茄腋芽时,为得到叶柄的位置及水平投影方向角,需调整摄像头位置与角度,以便于采集到主茎、腋芽和叶柄的主平面图像,并使后续机器视觉判别腋芽的步骤得以顺利进行。该文设计了光电式自动旋转测向机构;采用闭合环形机构环绕樱桃番茄主茎,并通过往复旋转方式使固定在活动环上的光电传感器能水平360°扫描叶柄,通过叶柄水平投影角度测量算法计算得到叶柄的水平投影方向角;分析8个光电传感器的运动轨迹,得到其线速度与角速度的关系及扫描系数。经试验表明:扫描系数为1.5,角速度为1.5πrad/s,线速度为20 mm/s时,检测成功率为95%;高度补偿设定为28 mm,成功率为93%;对42株樱桃番茄的153个叶柄进行测试,在1.8 m高度内的成功率为88.2%。研究结果为腋芽生长点判定与摘除提供参考。     

基于光电传感器和示踪法的径流流速测量系统的研究

坡面径流流速是决定土壤侵蚀强度的重要因素,也是坡面侵蚀预报模型考虑的关键问题。采用LabVIEW虚拟仪器,开发了一套室内模拟坡面径流流速测量系统,包括试验台、光电传感器、采集卡及测控软件等。系统以泡沫粒子作为示踪粒子,进行了室内模拟坡面径流流速的测试。结果表明,自行设计的试验台能实现水沙循环使用,在0～400 kg/m³含沙量、0～25°坡面的范围内,该测量系统能够测定径流流速,最大相对误差为2.29%,为坡面径流流速的快速、准确测量提供了一种新的有效的方法。     

BCT-1型生物质燃气燃烧器的研制

该文介绍了生物质燃气的基本燃烧特性，并给出了BCT-1型生物质燃气燃烧器的基本结构。BCT-1型生物质燃气燃烧器采用鼓风扩散式燃烧，使用柴油作为点火介质，燃烧过程实现自动控制。该燃烧器适用于多种生物质气化燃气，试验表明燃烧器在稳定工作条件下燃烧效率为98％，烟气CO含量小于1×10^-6，各项性能指标达到燃气燃烧器的基本要求。     

构建VED-SegNet分割模型提取鱼类表型比例

为提高鱼类表型分割精度和准确度,实现鱼类表型智能监测,该研究基于深度学习算法构建了VED-SegNet模型用于鱼类表型分割和测量。该模型将cross stage partial network和GSConv结合作为编码器（VoV-GSCSP）,保持足够精度的同时降低网络结构复杂性。另一方面,该模型采用EMA(efficient multi-scale attention module with cross-spatial learning)建立强化结构,加强编码器和解码器之间的信息传递,提高模型精度,并实现了8个表型类别的输出。采用自建的鱼类表型分割数据集对VED-SegNet模型进行了测试,测量结果中鱼类各表型比例与实际测量值相接近,表型最大平均绝对和平均相对误差为0.39%、11.28%,能实现无接触式提取水产养殖中鱼类表型比例。对比其他常见语义分割模型,平均交并比mean intersection over union,mIoU和平均像素准确率mean pixel accuracy,m PA最高,分别到达了87.92%、92.83%。VED-SegNet模型在环境复杂、多鱼重叠的...     

东方红X-804拖拉机的DGPS自动导航控制系统

该文在东方红X-804拖拉机上开发了基于RTK-DGPS的自动导航控制系统。系统主要包括RTK-DGPS接收机、导航控制器、转向操纵控制器、电控液压转向装置和转向轮偏角检测传感器。其中转向操纵控制器、转向轮偏角检测传感器和电控液压转向装置构成转向轮偏角的闭环控制回路,该回路可根据导航控制器提供的期望转向轮偏角实现偏转角的随动控制。将拖拉机运动学模型和转向操纵控制模型相结合,建立了拖拉机直线跟踪的导航控制传递函数模型,模型的输入是横向跟踪误差,输出是期望的转向轮偏角。设计了基于PID算法的导航控制器,仿真分析了系统稳定性和动态响应性能,确定了PID控制参数的较佳取值。针对东方红X-804拖拉机转弯半径大的特点,采用跨行地头转向控制方式,提出了具体的控制流程及算法。田间试验结果表明：采用所设计的DGPS自动导航控制系统,在拖拉机行进速度为0.8 m/s时,直线跟踪的最大误差小于0.15 m,平均跟踪误差小于0.03 m,所提出的跨行地头转向控制方法对试验拖拉机具有良好的适用性。     

拖拉机自动转向系统容错自适应滑模控制方法

为提高拖拉机自动转向系统的可靠性,该文提出了一种具有前轮转角容错检测能力的径向基函数(radial basis function,RBF)网络自适应滑模控制方法。综合考虑拖拉机姿态信息和控制输出,基于卡尔曼滤波算法推导得出拖拉机前轮转角的两个估计值,并结合角度编码器实际测量值设计了前轮转角容错检测输出算法;以容错输出算法的输出值作为状态量,提出一种利用RBF网络进行干扰补偿的前轮角度自适应滑模控制方法,并通过仿真试验验证了算法的有效性。开展了拖拉机前轮转角容错检测和自动控制试验,结果显示:基于侧向加速度的转角预估值最大误差为2.94?,均方根误差为0.81?;基于横摆角速度的转角预估值的最大误差为1.73?,均方根误差为0.12?;当人为施加故障干扰时,算法可以提供容错的转角输出;拖拉机转向控制系统可以快速跟踪期望前轮角度且超调量较小,最大控制误差为0.21?,均方根误差为0.07?。试验结果表明,容错自适应滑模控制方法提高了自动转向控制系统的可靠性和准确性,有助于解决拖拉机前轮转角测量装置故障率高的问题。     

基于GNSS姿态与电机编码器的农机转向角度测量系统研制

典型的农业机械自动驾驶系统需要在车辆转向轮上安装角度传感器测量转向角度,存在安装不便与可靠性差问题。该研究提出一种基于GNSS模块和电机编码器组合的转向轮转向角度测量系统。该系统通过组合利用GNSS姿态测量值与运动模型得到转向轮期望角度,利用电机转向速度和全液压转向阀的传递模型推算转向角度变化值,经卡尔曼滤波融合解算得到车辆转向轮的实时转向角度。与霍尔式绝对角度传感器对比的动态测试结果表明,该系统在直线行驶时的测量标准方差小于0.91°,在转向轮-10°～+10°区间,测量标准方差小于1.0°;直线自动驾驶作业时的导航误差小于2.5 cm,曲线作业自动驾驶的导航误差小于9.0 cm,满足农机自动调头等场景应用。     

农机具姿态倾角测量系统设计与试验

农机具姿态倾角测量技术是实现农机装备精准作业的关键技术之一。为进一步提高农机装备作业质量,以ADIS16445微惯性MEMS传感器和STM32F446核心处理器搭建硬件平台,以欧拉角法解算姿态,建立卡尔曼滤波模型融合加速度计与陀螺仪信息,实现农机具姿态倾角的精准测量。融合算法模型考虑陀螺仪零偏特性,并根据MEMS微传感器运动特性,自适应模型误差协方差矩阵Q与R,适应不同工况下农机具姿态倾角测量。采用SGT320E三轴多功能转台与BD982双天线定位测姿模块对系统进行测试与验证。三轴多功能转台试验结果表明,ADIS16445内置陀螺仪与加速度计性能合格,满足系统设计硬件要求;卡尔曼滤波融合模型精准有效,倾角静态测量误差精度为0.15°,动态测量精度典型值为0.3°,最大测量误差为0.5°。田间作业试验结果表明,自适应模型能保证农机具姿态倾角测量系统在不同工况下的测量精度,更稳定可靠,测量平均误差为0.55°。该文研究的农机具姿态倾角测量系统可满足农机装备精准作业要求。     

基于点特征检测的农业航空遥感图像配准算法

针对当前无人机遥感图像配准算法普遍存在匹配精度差与配准速度慢等问题,该文以点特征检测方法为基础,结合矩阵降维处理方法,提出一种适用于农业航空遥感图像配准的改进算法—SNS(scale-invariant feature transform and singular value decomposition)算法。SNS算法以高斯函数同步检测尺度空间极值点的坐标和特征尺度,利用海森矩阵消除伪特征点,获取特征点精准定位,在求取特征点的模值与方向基础上,采用奇异值分解方法进行矩阵优化,实现数据降维再重构。试验结果表明,SNS算法与经典算法相比,配准速度平均提高5.01%,配准精度均方根误差平均降低10.48%,说明SNS算法在压缩数据量的同时,提高了整体配准精度,具有配准速度较快和鲁棒性较好的特点。研究结果可为农业航空遥感图像快速配准提供参考。     

基于EDEM的离心甩盘撒肥器性能分析与试验

为提高颗粒肥料撒施均匀性,该文对离心甩盘式撒肥器进行甩盘转速、喂入量、喂入角和喂入位置角对抛撒均匀性单因素离散元仿真分析,完成多元回归正交旋转仿真试验和目标参数优化并进行台架试验,分析结果表明,喂入位置角与转速及喂入位置角与喂入角间交互作用对撒肥均匀性影响均高度显著;各因素影响主次顺序为甩盘转速、喂入角、喂入量、喂入位置角;当甩盘转速900 r/min、喂入量4 275颗/s、喂入角110°、喂入位置角64°时均匀性变异系数为12.48%,仿真验证和实际试验验证结果与优化结果相吻合。机器前进速度为5.4 km/h时实际工况动态仿真得到工作幅宽内均匀性变异系数为11.43%,满足田间撒肥作业要求。研究结果可为颗粒肥撒施机设计提供参考。     

农机具自动调平控制系统设计与试验

为了使农机具在田间作业时保持水平,该文设计了一种农机具自动调平控制系统。采用拖拉机横向倾角卡尔曼滤波算法融合加速度计和陀螺仪2个传感器数据获得拖拉机实时倾斜角度,直线位移传感器测量调平液压油缸伸长量并建立农机具和拖拉机的相对倾斜角度转换函数,通过控制电磁换向阀实现农机具水平控制。在三轴多功能转台上对拖拉机倾角实时测量算法进行了测试,并在田间对农机具自动调平系统进行了试验,结果表明,拖拉机横滚角传感系统能在动态条件下准确地测量拖拉机实时倾角,在转台上测量角度平均绝对误差≤0.15°,均方根误差≤0.18°,在水田激光平地机作业时测量角度平均绝对误差0.40°;自动调平控制系统能较好地实现平地铲调平控制,平地铲倾斜角度平均绝对误差0.52°,均方根误差0.24°,最大误差1.15°,相对于原水田激光平地机水平控制系统控制精度提高了0.5°。该研究为农机具水平自动调平提供了方法,能够提升农机具作业质量。     

基于模糊双曲正切模型的车辆路径跟踪算法

为了实现铰接式车辆无人驾驶技术。针对路径跟踪问题,该文提出了基于模糊双曲正切模型的铰接式车辆路径跟踪控制算法。首先根据实地试验测得铰接式车辆的横向偏差、横向偏差变化率、航向角偏差、航向角偏差变化率和转向角的样本数据,建立其模糊双曲正切模型。在此基础上,采用改进的自适应反向传播(back propagation,BP)神经网络对模型进行参数辨识,并推导了基于Cauchy鲁棒误差估计器的权系数调解率公式。然后设计基于极点配置方法的控制器,得到转角的反馈控制率。从试验数据可以看出:车辆横向位置偏差、航向角偏差、转角控制量分别控制在0.008 m、0.07 rad(0.5°)、0.21 rad(12°)附近,各向偏差均稳定,误差控制在1%以内。该种路径跟踪控制算法的研究可为铰接式车辆无人驾驶提供参考。     

基于低频信号注入法的无轴承异步电机转速自检测控制

针对无轴承异步电机运行中悬浮转子转速检测问题,提出了一种基于低频信号注入法的无速度传感器控制新策略。该策略在无轴承异步电机基波模型基础上,通过注入低频信号引起的响应来构造转子位置偏差角,进一步通过PI控制器对偏差角进行调节,得到电机气隙磁场旋转速度,进而估计电机转速。运用该转速自检测方法,在Matlab/Simulink平台中搭建了无轴承异步电机无速度传感器矢量控制系统仿真模型,并进行了仿真研究。仿真结果表明,该方法能够在0.15 s内快速跟踪转子转速,并且具有优良的悬浮和转矩特性。试验结果同样表明,该方法不仅具有良好的转速在线自检测能力,而且能在无速度传感器方式下实现转子稳定悬浮运行,验证了所提方法的有效性和实用性。     

油菜精量气压式集排器排种性能试验

为提高油菜精量气压式集排器的排种性能,该文通过对充种和清种2个基础过程解析,明确了影响排种性能的主要因素,确定了相关试验因素的范围,并以华油杂62种子为对象,采用L27(313)正交试验设计研究了清种气嘴口截面形状、充填高度、清种气流流速和排种滚筒转速对集排器排种性能的影响。结果表明,清种气嘴口截面形状、充填高度、清种气流流速和排种滚筒转速对排种均匀性影响显著,清种气嘴口截面形状、充填高度和排种滚筒转速对各行排量一致性有显著影响,并确定了其较优参数组合。优化组合试验得出选择矩形截面形状的清种气嘴,充填高度27 mm,清种气流流速10 m/s,排种滚筒转速20 r/min的最佳参数条件下,排种均匀性变异系数为8.07%,各行排量一致性变异系数为1.95%,种子破损率低于0.1%。该研究为油菜精量气压式集排器结构优化与排种性能的提升提供了参考。