番茄串收机械臂运动规划方法与试验

番茄串的采收环境复杂,果实体积相对较大,机械臂采收运动路径规划不仅要考虑如何采摘,还需要考虑采摘后如何避开障碍,并从复杂环境中提取出番茄串.为此,该研究以温室栽培的番茄串采摘为对象,提出了基于空间分割的实时运动路径规划算法.首先通过聚类拟合环境中的枝条,简化空间障碍物;然后分割采摘空间,筛选可行采摘空间,并引入评价函数...     

连续体采摘机械臂末端静态承载姿态等效模型建立与验证

针对连续体采摘机械臂收获作业中末端负载时的姿态变形问题,该文提出一种求解连续体采摘机械臂末端负载姿态变形的等效方法,结合大挠度变形理论和单位力原理建立了连续体采摘机械臂负载姿态变形的标准数学模型函数,通过建立系统性多参数承载性能试验,验证了所提出的弯曲姿态变形函数模型的准确性,其误差均在7.8%范围内。分析归纳了连续体采摘机械臂在不同弯曲角参数和末端负载质量参数对模型误差的影响规律,并根据负载性能试验结果得出分析可知,连续体采摘机械臂末端负载时为50 g时,其理论模型姿态与试验姿态末端位置误差最小可至3.8%,负载质量的增加至150 g时,其误差最小可至7.2%,该研究可为连续体采摘机械臂收获作业的准确定位提供可靠的控制理论基础。     

基于碰撞变形能的机械采收蓝莓果实碰撞损伤评估

为解决机械采收蓝莓与接果设备碰撞导致果实内部损伤的问题,对果实变形能及其碰撞过程展开研究,以果实储存变形能大小评价其损伤程度.研究了果实下落过程的运动学和接触力学特性,果实损失的机械能转化为变形能,确定影响果实变形能因素,建立碰撞变形量方程.通过有限元仿真技术求解变形量及变形能的理论值.仿真结果表明,果实下落高度和接果板角度是影响变形能的主要因素.最后搭建物理样机进行果实下落碰撞试验,得到变形能试验值与理论值的误差为0.49×10-3 J.当蓝莓生长集中区域与蓝莓采收机接果板距离接近600 mm,接果板角度接近15°时,果实碰撞变形能小于0.68×10-3 J,果实损伤最少.该研究可以为蓝莓采收机作业参数及其他类似设备研究提供一定的理论依据.     

基于旋量理论的六自由度林果采摘混联机械臂运动学逆解

针对传统Paden-Kahan子问题求解机械臂运动学逆解时需确定关节轴线交点坐标的问题,对该子问题进行改进。利用末端执行器位姿信息获取轴线交点坐标,建立物体坐标与末端执行器期望位姿的映射关系,结合子问题求解6自由度林果采摘机械臂运动学逆解;根据主动关节变量取值范围分析所求逆解的可行性,得到可行封闭解,提高机械臂控制速度、稳定性和准确性。在实验室环境下利用所提出的算法求解10组工作目标位置信息对应的关节值,结果表明,所求逆解能使林果采摘机械臂到达正确位姿,末端执行器最大位置误差不超过夹持器最大开度的3.30%,最大姿态误差不超过1?,满足采摘要求。该算法为机械臂快速、稳定及精确地控制提供技术依据。     

芒果营养特性及平衡施肥效应研究

三年试验结果得出,当芒果产量为18668kg/hm2,果实养分吸收量为N 22.4kg/hm2,P2O5 9.0kg/hm2,K2O 44.7kg/hm2,Ca 3.2kg/hm2,Mg 3.0kg/hm2,S 2.3kg/hm2,养分吸收比例为:1:0.40:2.00:0.14:0.13:0.10.芒果适量配施氮、磷、钾、镁和硫肥能获得较高效益;适宜施肥量为N 342kg/hm2,P2O5 107kg/hm2,K2O 274kg/hm2,Mg 34kg/hm2,S 34kg/hm2.     

除草机器人机械臂的逆向求解与控制

设计了一种基于机器视觉导航和杂草识别的除草机器人模型,该机器人能沿作物行间自主行走并能准确地识别和“清除”杂草。设计了除草机器人的机械臂除草执行系统,求取了机械臂运动学逆解,用VC++开发了控制程序。试验显示,图像处理算法所需时间少,能够适应户外自然光线在一定范围的变化,机械臂能够平稳动作并精确定位杂草目标。     

凸轮摆杆式栽植机构运动分析及性能试验

该文针对钵苗栽植机构栽植直立度低的问题,设计一套凸轮摆杆式栽植机构。建立了栽植机构的运动学模型,得到机构栽植器栽植轨迹、栽植速度和栽植加速度方程。基于MATLAB/GUI开发了应用于栽植机构运动分析的图形交互界面,分析了栽植机构曲柄CD长度与初始相位角、摆杆OA长度与初始相位角以及平行杆AG长度对栽植轨迹的影响,并通过正交试验方法对移栽结构参数进行优化。根据优化所得参数加工出试验样机,以钵苗直立度为主要检测指标对该试验样机进行田间试验。试验表明:该栽植机构能够在0.556 m/s的工作速度和栽植频率60.7株/min条件下较好地满足钵苗农艺栽植要求,钵苗栽植直立度优良率为95%且其变异系数为2.03%,倒伏率为1.67%,栽植株距误差率为0.22%,无缺苗和漏栽现象。由此表明所设计栽植机构在高栽植效率的条件下,仍具有良好的栽植性能,所涉及的研究方法和试验结果可为后期样机的设计提供参考依据。     

对辊式红花采收装置参数优化及试验

为了提高对辊式红花采收装置的作业质量,以"裕民无刺"红花品种为试验对象,利用搭建的对辊式红花采收试验台,以对辊间隙、胶辊直径和胶辊转速为影响因素,采净率、掉落率和破碎率为评价指标,进行了二次旋转正交组合试验。通过Design-Expert 6.0.10软件,建立了评价指标与诸影响因素的数学回归模型,分析了显著因素对评价指标的影响,优化试验参数,确定最优参数组合为:胶辊直径40 mm、对辊间隙0.5 mm和胶辊转速1 400 r/min。根据优化参数组合,选取开花后1~5 d(含水率为44.6%~78.4%)的红花进行采收试验,试验结果表明:在优化参数组合下,红花采净率90.02%,掉落率2.46%,红花破碎率3.04%;在该试验参数组合,对含水率为22.9%~29.5%干花进行采收,出现大量红花残留在果球表面,作业质量急剧下降现象,因此红花适时收获时间为开花期1~5 d为宜。通过在新疆塔城地区裕民县进行红花田间采收试验,表明该采收装置能够满足红花采收的技术要求。上述研究成果丰富了红花采收技术,也为辊式采收机具的设计提供参考依据。     

立体苗盘管理机器人的机械臂参数优化与试验

为使立体苗盘管理机器人的机械臂能够在植物工厂狭窄的作业环境下,灵活、高效地完成目标工作空间的所有搬运和喷洒动作任务需求,同时尽量减小机械臂的操纵空间和结构尺寸,采用理论与试验相结合的方法对机械臂参数进行了优化设计。首先采用D-H法建立了机器人的运动学模型,然后通过工作空间分析确定出优化参数的工作空间约束条件。在此基础上,以"距离最短"和"结构紧凑"为性能指标建立目标优化函数,并利用遗传算法求解出最优的大臂杆长648 mm、中臂杆长472 mm和小臂杆长396 mm,最优机械臂关节转角极限值为96°、68°和126°。最后进行机器人样机的搬运和喷洒运动规划试验,并借助高速摄像系统标记机械臂末端运动轨迹坐标。试验结果表明:优化后的机械臂能够到达目标工作空间的所有极限位置及其他特征位置点,最大绝对定位误差为9.8 mm,最大相对定位误差为0.98%,在允许的误差范围内,能够满足机械臂工作空间对目标工作空间的有效包容。     

基于旋量理论的混联采摘机器人正运动学分析与试验

为满足油茶果机械化、自动化采摘的要求,避免利用传统的Denavit-Hartenberg(D-H)参数法对机器人进行运动学分析时的缺陷,提出了一种基于旋量理论构建混联采摘机器人运动学方程的方法。根据混联采摘机器人机械臂的结构特点进行简化;基于所提出的方法建立了机器人正运动学方程,获得末端执行器的位置正解;随机选取5组关节变量值,得出末端执行器在基础坐标系各坐标轴上的最大绝对位置误差为10.4 mm,远小于末端执行器200 mm的开度,满足该机器人末端执行器的采摘工作要求,验证了通过文中所提出的方法建立混联采摘机器人运动学正解方程的可行性及方程的正确性。该研究可为后续开展混联采摘机器人控制方法和轨迹规划研究提供参考。     

番茄收获机械手奇异性分析与处理

为解决番茄收获机械手的奇异性问题,分析了该机械手雅可比矩阵的奇异值和可操作度,利用阻尼最小二乘法对其奇异性进行处理与仿真试验。结果表明,番茄收获机械手经奇异性处理后,阻尼伪逆矩阵的最小奇异值远离零位置,各关节运动速度和位移变化平缓,奇异位形消失,系统工作平稳,满足番茄收获机械手作业要求。     

苹果四臂采摘机器人系统设计与试验

针对鲜食苹果智能化高效采收需要,该研究设计了四臂并行采摘的“采-收-运”一体式机器人系统,以代替人工采收作业。以中国矮砧密植高纺锤果树为对象,根据树冠内果实空间分布特征,提出了四臂并行采摘执行部件的作业方式;建立了基于多任务深度卷积网络的果实可见区域识别模型,实现受遮挡果实离散区域语义分割及其归属关系的端到端判别;在此基础上,根据果实表面局部点云信息对其质心进行空间定位;提出了基于时间最优的四臂协同采摘任务规划方法,以实现机械臂对树冠内不同区域的高效遍历。最后在采摘机器人关键部件集成的基础上,在矮砧密植标准果园进行生产试验。试验结果表明,机器人对树冠内可见果实的识别率为92.94%,被识别果实中定位精度满足机器人采摘操作要求的比例为90.27%;机器人平均采摘效率为7.12 s/果,其中四臂协同采摘效率约为单臂采摘效率的1.96倍;对可见果实采摘成功率为82.00%,对树冠内全部果实的采收率为74.56%,枝叶遮挡干涉是造成采摘失败的主要原因。该研究可为鲜果智能化采摘模式的探索应用提供技术支撑。     

激光控制平地系统控制技术的研究与试验

该文基于模糊控制理论,研制开发了一套与中国常用中等功率拖拉机匹配、面向旱田土地精细平整作业、具有自主知识产权、价格低廉、性能优良的激光平地机的控制系统。试验结果表明：研制的液压控制装置具有良好的静动态特性,泵的卸荷压力为0.4 MPa,平地铲提升时的滞后时间为80 ms,下降时的滞后时间为44 ms,并且无静沉降;激光控制平地系统的平整精度可达到2.5 cm,作业效率0.81 hm²/h。     

垄沟集雨系统Laio土壤水分动态随机模型参数敏感性分析及优化

水文模型参数的敏感性分析、优化和验证对提高模型计算精度和效率具有重要意义。为探讨Laio土壤水分动态随机模型(Laio模型)各参数在垄沟集雨系统的敏感性,同时,确定参数优化和模型验证的最佳方案,本文结合多因素敏感性分析法以及改进单纯形法(ISM)、粒子群优化算法(PSO)和混合粒子群优化算法(HPSO),利用中国气象局定西干旱气象与生态环境试验基地2012—2013年垄沟集雨燕麦生长季降雨、径流和土壤水分等实测数据,对垄沟集雨系统Laio模型的13个参数进行敏感性分析、优化和验证。结果表明,平均降水量α和凋萎系数s_w对土壤水分概率密度函数p(s)最敏感,p(s)对参数α的敏感性在低土壤含水率下更明显,对参数s_w的敏感性在高土壤含水率下更明显;3种算法(ISM、PSO和HPSO)的优化参数值均能对垄沟集雨系统土壤水分概率密度函数进行较好模拟,峰值(CPV)、峰值位置(PP)和95%置信区间(CI95%)实测值与模拟值的相对误差均小于10%,CM指数均大于0.5;同时,HPSO算法优化参数的模拟效果和收敛速度均显著优于PSO算法和ISM算法,能较显著克服ISM算法和PSO算法存在的缺陷。HPSO算法可作为垄沟集雨系统土壤水分动态随机模型参数优化的待选方案。     

玉米机械粒收籽粒含杂率与穗轴特性关系分析

明确玉米机械粒收籽粒含杂率及其与穗轴特性的关系,对于实现高质量粒收,推动玉米机械粒收技术发展具有重要意义.该研究于2018—2020年在四川中江同一地块,采用同一机械、操作人员进行分期收获试验,调查籽粒含杂率、各杂质组分绝对含量、穗轴弯曲强度和含水率,探讨各收获期杂质组分和穗轴特性变化规律,以期明确籽粒含杂率与穗轴特性...     

番茄收获机械手轨迹跟踪模糊控制仿真与试验

针对番茄收获机械手动力学模型不精确和外界扰动问题,该文采用计算力矩-模糊补偿相结合的控制方法进行了番茄收获机械手轨迹跟踪控制研究。通过自适应模糊逻辑系统补偿机械手动力学模型中的不确定部分,模糊逻辑系统的参数基于Lynaponv稳定性理论自适应调节,并利用ADAMS与MATLAB进行仿真试验。结果表明,对比计算力矩法,计算力矩-模糊补偿控制算法中各关节轨迹跟踪误差明显减小且收敛趋势明显。关节1至关节7平均轨迹跟踪精度分别提高了70.29%、94.72%、0.61%、74.29%、89.75%、86.41%和67.14%。该控制方案中各关节控制力（矩）均呈规律性变化,增加扰动信号亦未使输出力（力矩）出现抖振和突变,启动力（矩）最大出现在移动关节2和转动关节4,分别为453N和98.33 N·m。研究结果可为番茄收获机械手轨迹跟踪控制系统的深入研究奠定基础。     

育种马铃薯单株收获根系稳定性分析与试验

针对育种试验马铃薯机械收获过程中根系团聚体易破碎、株间块茎易混杂,导致后续块茎性状信息提取困难、工作效率低等问题,以中原二作区无性一代马铃薯为研究对象,建立入土角-植株运动模型和根系振动模型,并对马铃薯根系在挖掘过程和输送过程进行受力和运动分析,得出单株根系稳定性随着挖掘铲入土角的增大而减小,随输送时间的增加,块茎在振动方向和输送方向呈往复性运动的规律;进一步应用离散元仿真分析方法建立了块茎-根系-土壤离散元模型,确定了挖掘铲的最佳入土角度范围为20°～28°;设计了以挖掘铲入土角、机具前进速度和输送装置的振动频率为试验因素,以单株完整率为试验指标的正交旋转组合试验,并进行响应曲面分析,结果表明,单株完整率最大时的最佳参数组合为：挖掘铲入土角21.8°,机具前进速度0.96 km/h、振动频率1.44 Hz,单株完整率为100%,该参数组合下田间试验平均单株完整率为95.1%。该研究可为育种试验马铃薯收获机的设计提供工作参数选取依据和理论基础。     

干红花收获机立式辊刷采摘装置设计与试验

针对旱地干红花人工采收时不易捏取导致采摘效率低、掉落率高等问题,该研究结合红花的物理特性和种植模式,设计了立式辊刷干红花收获机采摘装置。根据机具结构对刷丝排布方案进行理论分析,确定刷丝排布方案为螺旋式,螺旋升角为30°,旋向为右旋。对辊刷采摘干红花进行力学分析,得出使花丝脱离果球的关键作用力为法向力F_N。采用Hertz弹性接触理论对F_N进行分析,并建立刷丝-果球接触力学模型,揭示干红花的采摘原理,明确影响采摘质量的主要因素为刷丝材质、丝径、长度和辊刷转速,进一步对立式辊刷结构与运动参数进行分析,得出采摘装置优化参数组合为：辊刷长度300 mm,辊刷直径100 mm,辊刷转速360 r/min,刷丝材质为聚酰胺610(PA-610),刷丝长度30 mm,刷丝丝径0.3 mm。通过植株通过率试验确定立式辊刷与栅条架的间隙为12 mm。田间采摘试验表明,该装置的红花采摘率和伤果率分别为87.04%和4.19%,机具采摘效率为人工采摘效率的7.71～10.92倍。研究结果可为辊刷式干红花收获机的设计与优化提供参考。     

茶鲜叶嫩梢捏切组合式采摘器设计与试验

针对条形名优绿茶依赖人工采摘、无专用采摘器的问题,该研究设计了适用于名优茶采摘的捏切组合式采摘器。首先分析人工采摘嫩梢的运动过程及茶叶嫩梢物理特性,设计了基于盘形凸轮的捏切、送、甩、抛循环式采摘机构和柔性捏切一体采摘爪。通过算法控制采摘臂旋转速度,采摘器实现了低振动、准确采摘。样机试验表明：采摘器单次作业最大时间小于0.6 s,实际采摘成功率稳定在100%,说明捏切组合式采摘器符合茶园嫩梢采摘连续、快速的需求。喂入深度和采摘高度越大采摘成功率越高,根据茶叶生长环境和农艺要求确定较优采摘高度和喂入深度均为10 mm、采摘角度为0°。试验结果表明采摘器采摘的茶叶嫩梢与人工采摘品质相同。该研究可为茶叶嫩梢低损、快速采摘提供参考。