三节臂机载式疏花机的研制与试验

为减小疏果环节繁重的用工压力、提升果园作业效率和降低用工成本,该文基于自主研发的三节臂机载式疏花机,在"Y"字棚架形翠冠梨园中进行了疏花试验研究。以达到50%的花蕾保留率为疏花目标,结合疏花绳击打力度测试,确定了疏花轴在0.44 m/s行进速度下的最佳作业转速:254 r/min。疏花机田间性能试验中,研究疏花机疏花与人工定果、手持式疏花器疏花与人工定果、人工疏花与定果3种作业方式相比于只人工疏果作业方式,对花蕾保留率、坐果率、作业效率、果实产量及品质的影响。试验结果表明:机械疏花与人工疏花在作业质量上无明显差异,但疏花机作业稳定性较其他作业方式高;疏花机可降低梨树的绝对坐果率,虽然对幼果坐果量有一定的影响,但是经过定果环节后并不影响后期果实的产量及品质;疏花机的疏花效率在所有试验组中最高,相比于单一的人工疏果方式可节约66.17%的时间,适合机械化梨园大规模作业;手持式疏花器的作业效率仅次于疏花机,相比于单一的人工疏果方式作业时间可节约37.26%,适用于中小规模梨园。该试验研究有利于提高疏花机作业质量,为梨园机械化管理提供参考。     

开沟深度定压电液仿形控制系统设计与试验

为克服机械被动仿形中弹簧形变量变化导致开沟深度不一致的问题,该文采用主动仿形方法设计开沟深度定压电液仿形控制系统,该系统基于PLC控制单元,以压力传感器检测的开沟器入土压力与设定值的偏差作为控制信号,控制电液比例减压阀输出压力,保证开沟器入土压力恒定,主要由机械系统、液压系统、控制系统组成。基于理想土壤条件下一定开沟深度对应的仿形压力输出要求,确定了系统液压回路结构、液压元件型号与参数以及控制元件类型与参数、硬件连接方式等,并开发了相应的软件程序。分别建立电液比例减压阀、液压缸、平行四杆机构等系统组成环节的传递函数,得到系统闭环传递函数,利用MATLAB对系统进行稳定性判别与单位阶跃响应分析。仿真结果表明,控制系统运行稳定,超调量为5.02%,响应时间为0.25 s,稳态误差为0.79%。搭建液压试验台,采用液压缸模拟地表起伏状况进行仿形系统试验,结果表明,在20~200 N的开沟力、10~80 mm 的开沟深度时,系统的平均响应时间为0.27~0.36 s,最大响应时间为0.4 s;平均稳态误差为1.4~1.8 N,最大稳态误差为2.7 N,标准偏差为0.78%~6.94%。试验值与仿真结果相比,平均响应时间高出4%~44%,最小标准偏差与稳态误差相差0.01%,验证了系统模型的可靠性与准确性。本文设计的控制系统降低了基于压力传感器的电液仿形控制系统的响应时间与稳态误差,可为电液仿形控制系统参数设定与理论分析提供借鉴。     

树冠环绕式仿形对靶施药机设计与试验

针对树冠横切面形状引起施药机喷头与树冠间距发生动态变化从而导致树冠内、外和两侧、中部等区域喷药量不均匀、较多药液喷洒在无效空间区域的问题,该研究提出一种基于激光雷达树干定位的树冠环绕式仿形对靶喷药方式。首先,基于喷头环绕树冠的运动需求,设计对称交叉布置的两自由度仿形机构,并建立喷头运动学模型,采用基于二环PID算法对喷杆伸缩和喷头旋转进行精准控制,通过匹配施药机前进速度实现喷头半圆和多边形轨迹仿形控制;然后采用平面激光雷达对树干高度的水平面进行扫描,提出基于DBSCAN(dnsity-based spatial clustering of applications with noise)密度聚类和3点树干形状拟合的树干动态识别和定位方法;再次,在FreeRTOS框架下搭建双层控制系统,对树干定位感知、动态喷头仿形轨迹控制、数据通信和操控交互等多任务进行并行处理,实现基于激光雷达树干位置信息的喷头动态伺服仿形控制。最后,以雾滴沉积量、雾滴密度、药液覆盖率和雾滴体积中值直径作为量化指标,在树冠不同区域布置10个检测点,对环绕式和定距施药开展6组对比试验。雾滴结果表明,树干纵向和横向定位误...     

苗间除草部件入土深度PID自动控制系统设计与台架试验

除草部件入土深度(松土深度)对苗间机械除草装置的作业性能有较大影响。为提高大豆苗间机械除草装置除草部件入土深度的稳定控制、降低伤苗率和埋苗率,该文提出了基于超声波测距的苗间机械除草部件入土深度控制方法。在梳齿式苗间机械除草装置研究基础上,设计了除草部件入土深度控制系统。建立了除草部件入土深度调节液压控制系统的数学模型,并对建立的传递函数在Matlab/Simulink中进行了仿真和PID校正。仿真结果表明:该系统采用PID控制算法对期望松土深度值进行跟踪调节,其稳态响应时间为0.48 s,静差为0.06～0.09 mm。在室内苗间除草台架上进行了超声测距动态试验与松土深度控制试验。超声测距试验表明:应用HC-SR04型超声波模块并结合设计的仿形台对地表进行动态测距不再受地表苗、草等影响,在0.278、0.556和0.833 m/s 3种行进速度下,针对各个样本点的位置与人工测量相比,二者平均对照误差分别为:4.95、5.36和5.90 mm,最大对照误差分别为:6.6、7.4和8.3 mm。除草部件入土深度控制台架试验表明:控制系统能够实现苗间机械除草作业松土深度的稳定控制,在土槽行进速度0.278 m/s时,松土深度可稳定控制在(30±8)mm范围内,满足苗间除草的深度控制要求。该研究为解决苗间除草部件松土深度稳定控制问题提供新思路和借鉴。     

基于模糊PID控制的再生稻自适应仿形割台性能试验与分析

为促进水稻再生季穗头萌发,头季稻机械收获时需保证300～450 mm的留茬高度,但水田泥脚深浅不一,收获时割台高度上下浮动,留茬高度难以保证,严重影响再生季产量。为此,该研究设计了一种自适应仿形割台,可实现割台高度及水平自适应调整。首先,对自适应仿形割台结构进行设计。然后,在Matlab/Simulink中搭建控制系统仿真模型,设计模糊规则,采用模糊PID控制方法对自适应仿形割台进行性能仿真,以超调量、响应时间和稳定性为指标,验证控制方法的可行性;以阶跃信号作为激励,对比分析了传统PID和模糊PID的控制效果,结果表明,模糊PID控制比传统PID的上升时间和到达稳态所需时间分别减少78.9%和81.6%,超调量由46 mm下降到8.2 mm。最后,搭建割台试验平台进行性能试验。结果表明,采用模糊PID控制时割台提升过程的平均响应速度约为0.216 m/s,下降过程的平均响应速度约为0.244 m/s,割台高程调节的平均误差6.75 mm,水平调节的平均误差为0.64°,割台调整迅速,定位准确度高,可满足再生稻头季收获使用需求。     

基于LabVIEW的八爪式机械株间除草装置控制系统

基于LabVIEW设计了八爪式机械株间除草装置的控制系统,采用除草铲齿与作物之间的距离作为阈值实现株间除草控制,对八爪株间除草装置控制进行了试验验证。通过对试验数据的分析,得到八爪除草装置在控制系统的作用下能够满足株间除草和绕苗的要求,使平均株距在30 cm以上的作物的伤苗率控制在10%以内,株间间隙覆盖率达到50%以上,并得出伤苗原因与台车位移误差、电磁装置吸合时间、铲齿初始位置有关。     

果树施药仿形喷雾的位置控制系统

按照仿形喷雾的原理，研制了一种以单片机为核心的非接触式仿形喷雾位置控制系统，即采用超声波位置传感器检测果树的位置和实际形状，由系统控制步进电机带动喷头组运动，使喷头在理想的喷雾距离下工作。为了适应喷雾对象和环境的不确定性，设计了自适应模糊控制程序，带动喷头的步进电机则采用数字脉宽调制方式(DPWM)控制。试验结果表明，该控制系统满足仿形喷雾的技术要求。     

水稻秧棚苗床精平机自动调平系统设计与试验

针对水稻棚室育秧环节中苗床平整地缺失高效作业机械的现状，结合寒区水稻标准化棚室育秧技术要求，该研究设计了一种自走式水稻秧棚苗床精平机机电液一体化的自动调平控制系统。调平系统以液压油泵及直流步进电机为动力端，融合机具作业的姿态角数据，利用自动控制策略实时驱动机电式横滚角调平机构及液力式俯仰角补偿装置进行调平作业，保证苗床平整度。采用Simulink模块对横滚角调平进行仿真，结果表明：横滚角调平时间为1.62 s，超调量为1.5%，具有良好的响应速度及精度。将自动调平控制系统嵌入1ZJP-2型苗床精平机进行田间试验，搭载自动调平系统的作业机具横滚角平均值为-1.88°，均方根误差为1.95°，平均绝对误差为1.88°；对照组作业机具横滚角平均值为-2.37°，均方根误差为2.43°，平均绝对误差为2.31°；俯仰角补偿碎土刮板油缸动作的 平均均方根误差为0.145 cm，试验结果表明自动调平系统效果良好，满足稳定控制要求。利用光学水准仪检验平地作业效果，应用自动调平控制作业后苗床高程最大平均标准差比作业前降低了1.05 cm；而无调平系统的苗床高程最大平均标准差降幅仅为0.325 cm，平地作业效率比普通作业方式提高了229%～500%，每平方米内地高程标准偏差S_d值较比常规作业方式降低了268%～384%。该系统提升了水稻棚室育秧苗床平地机械作业自动化程度。     

株间除草装置横向偏移量识别与作物行跟踪控制

株间机械除草技术与装置能有效摆脱田间除草的繁重体力劳动并消除化学除草方法所带来的危害,株间机械除草装置的牵引拖拉机在跟踪作物行时总会产生航向偏差,导致除草装置出现横向偏移,甚至无法进入除草的株间区域,同时还会增加伤苗率。为增大株间机械除草的作用区域和降低伤苗率,该文提出了通过作物行信息识别出株间机械除草装置与作物行横向偏移量的方法,并设计了株间机械除草作物行跟踪机构和控制器,实现了株间机械除草跟随作物行。采用正弦波和三角波2种标准信号作为横向偏移补偿量信号,对作物行跟踪控制器的性能进行了测试,试验结果表明：作物行跟踪控制器能较好地控制除草装置跟随横向偏移补偿信号,前进速度为0.5 m/s时正弦波信号跟踪最大误差10 mm,平均误差0.8 mm,三角波信号跟踪最大误差11 mm,平均误差1.2 mm。除草试验表明,作物行跟踪控制系统能较好地控制株间除草装置跟踪作物行,在0.5 m/s前进速度下跟踪最大误差为20.8 mm,平均误差2.5 mm;作物行跟踪控制明显减少了除草爪齿未进入株间区域的比例,在300 mm株距下,可保证93.3%的株间区域有除草爪齿进行除草作业,在200 mm株距下为85.9%;作物行跟踪控制降低了除草爪齿对作物的损伤,伤苗率从20%以上降到了12%以内,提高了株间机械除草的作业效果。     

水稻精量穴直播机仿形与滑板机构的优化设计与试验

基于农机与农艺相结合,该文主要对水稻精量穴直播机仿形与滑板机构进行了优化设计。水稻精量穴直播机采用乘坐式高速插秧机头为动力底盘,包括机架、开沟起垄装置、水平仿形装置、高程仿形装置、动力传动装置、播种装置和液压提升架。结合同步开沟起垄、播量和穴距可调、仿形作业、压茬(草)播种的农艺要求并针对实际大田生产试验中发现原水稻精量穴直播机存在的问题,如压茬效果较差、仿形系统不完善等,该文主要对高程仿形系统、水平仿形机构以及滑板角度等进行了优化设计,并对穴直播机的性能与可靠性进行了试验验证,结果表明:优化后水稻精量穴直播机的纯作业效率为0.67 hm~2/h,穴距合格率达100%,变异系数为2.5%,穴粒数合格率为95%,空穴率为0,各行排种量一致性变异系数为3.8%,总排量稳定性变异系数为1.5%,播种后田面左右高差小于3 cm;平均首次故障前作业量(MTTFF)为30.4 hm~2/m,有效度为98.2%,各项性能指标和可靠性指标均达到了相关国家标准,具有广阔的应用前景。     

基于超声波传感器和DGPS的果树冠径检测

为实现果园果树的仿形精确喷雾，适时获取果树冠径信息，采用超声波传感器，GPS接受机和电子罗盘等在拖拉机上建立了一套果树冠径检测试验系统。并在室外对5个圆柱规则外形树冠进行了检测试验。试验分别采用4种树冠直径检测计算方法，并选择0.31 m/s和0.65 m/s两种不同拖拉机行驶速度进行检测。采用误差分析的方法检验果树冠径检测系统的实际检测效果。误差分析表明拖拉机分别以0.31 m/s和0.65 m/s速度行驶时，应用超声波探测果树树冠两个轮廓边缘计算5个树冠直径的平均相对误差分别为5.54%和5.80%。用电子罗盘和DGPS数据进行加权平均融合修正拖拉机行驶轨迹，由超声波检测到的果树两个轮廓边缘的位置信息计算果树直径，在两种检测速度下的平均相对误差为14.38%。研究结果为果树仿行喷雾控制和果园果树生长信息采集提供了技术方法。     

设施果园自动对靶精准变量施肥控制系统

针对目前果园条施肥过程中缺乏精准变量对靶施肥装置的问题,该研究研制了一种排肥轮槽口体积可根据果树目标施肥量及冠层直径大小自动调节,排肥轮转速随施肥车速自动变化的果园精准变量自动对靶施肥装置与控制系统。该装置采用外槽轮式结构,槽口体积可连续调节自动变化。采用激光雷达传感器实时探测果树冠层位置,使用霍尔传感器检测施肥车行驶速度,以STM32F407VET6单片机为核心设计了控制器。分别以尿素、复合肥、有机复合肥3种颗粒肥料为试验材料,标定了不同排肥轮槽口开度在不同排肥轮转速下的排肥量,单个槽口排肥量与排肥轮转速呈负线性关系,决定系数R2不小于0.93;建立了单棵果树目标施肥量与排肥轮转速、施肥车速、槽口体积以及果树冠层直径4个变量之间的关系及排肥轮转速控制规则。室内台架试验结果表明,单棵柑橘树实际施肥量与给定目标施肥量相对误差最大为5.17%,变异系数最大为1.47%,可在施肥车速变化情况下准确施用不同颗粒肥料。大棚柑橘果园自动对靶施肥试验结果表明,单棵柑橘树实际施肥量与给定目标施肥量相对误差最大为4.83%,变异系数最大为6.96%,且施肥均在果树冠层直径范围内完成。该装置能够根据果树冠层直径大小对靶按需施肥,适应不同种类颗粒肥的少量或较大量定量施肥,满足不同大小果树不同需肥量的精准变量自动施肥要求。     

3WQ-400型双气流辅助静电果园喷雾机设计与试验

为解决农药雾滴难以沉积到果树叶片背面,克服荷电雾滴荷电量在环境空间中快速衰退的难题。该文提出双气流辅助系统与静电喷雾系统相结合的方法,以拖拉机动力输出轴为液压传动系统动力源,研制了牵引式双气流辅助静电果园喷雾机。试验结果表明,19 kW 的拖拉机动力配置可以满足系统动力要求,轴流风机和离心风机的转速分别为1400、1800 r/min 可以满足所选试验对象对气流速度的要求;单个喷头喷出的雾滴在0.2 m 处的荷质比为1.0 mC/kg,且在喷雾距离为1.8 m 处依然带电;风送喷雾系统的垂直雾量分布规律、气流速度分布规律与纺锤型果树生物量分布规律相一致,其最大雾量与气流速度均出现在0.5～1.5 m 范围内;在施药量为3.5 L/min,作业速度为0.84 m/s 条件下,单侧喷雾时果树叶片正反面雾滴覆盖密度分别为115和47个/cm2,可以满足防治害虫的要求;冠层前部静电喷雾雾滴覆盖密度比非静电喷雾提高了20%,而冠层后部雾滴覆盖密度仅提高了7.2%。该研究为风送静电喷雾机设计与使用提供了参考。     

间伐改形对陇东密闭苹果园树体枝条和花芽及果实品质的影响

为研究间伐改形对陇东成龄乔化密闭富士苹果园树体枝类组成、花芽形成及果实品质的影响,以16年生密闭红富士苹果园为研究对象,对隔株间伐改形和不间伐改形树体枝类组成、花芽形成、质量和果实品质等指标进行比较分析。结果表明,间伐改形后长枝和中枝占比率比不间伐改形分别减少5.97、5.88百分点;短枝占比率和优质短枝占比率比不间伐改形分别增加11.85、24.97百分点;顶花芽量比不间伐改形提高35.4%;花芽坐果率比不间伐改形提高23.4百分点;果实单果质量、硬度分别比不间伐改形分别提高16.7%、17.3%;着色面积和可溶性固形物分别比不间伐改形提高12.3,1.03百分点。间伐改形后花芽在冠层中的立体空间分布均衡,有效改善了不间伐改形树体花芽外移和上移现象。可见,间伐改形不仅能够有效解决密闭果园枝量繁多、树形紊乱等问题,还可有效改善枝条组成比例,提高花芽质量及坐果率,明显提高果实品质。     

我国4种主要苹果树形冠层结构和辐射三维分布比较研究

树体结构和辐射分布是影响果树冠层光合生产力和果实产量品质的主要因素。本文以"富士"苹果(Malus domestica Borkh.cv.‘Fuji’)为试材,采用田间调查方法,系统研究了我国苹果生产中4种主要树形的树体结构参数以及叶面积密度(LAD)和光合有效辐射(PAR)的三维分布特征。结果表明,开心形树冠的枝量(894×103·hm-2)和叶面积指数(LAI,2.53)最小,其他3种树形中小冠疏层形分别为2 280×103·hm-2、4.14,疏散分层形分别为2 119×103·hm-2、3.98,纺锤形分别为2 190×103·hm-2、3.88。不同树形LAD三维分布各不相同,小冠疏层形苹果树的叶片主要分布在树冠的0.5~1.5 m之间,疏散分层形和纺锤形主要分布在0.5~2.0 m之间,开心形主要分布在1.0~2.0 m之间。通过对不同树形LAD和PAR三维分布比较发现,每种树形的PAR都随树冠深度的增加而降低,在树冠中部LAD最大部位辐射消减最快,PAR的三维分布主要与叶片分布有关。其中开心形树冠的平均PAR最高,分布最均匀。4种树冠内叶片得到的平均相对PAR小冠疏层形为24.85%,疏散分层形为28.84%,纺锤形为27.71%,开心形为37.28%。开心形树冠内低光区的叶片所占比例只有35%,其他树形都超过50%。研究表明,不同相对PAR范围内的叶片比例能够更好地反映果树冠层的辐射情况,开心形树冠在辐射分布上优于其他3种树形。     

图像拼接重建苹果树冠层器官三维形态

为重建苹果树年生长期冠层器官三维形态,以休眠期、疏花期、成熟期苹果树冠层为研究对象,分别针对基于光合混合探测技术(photonic mixer detector,PMD)的摄像机与彩色摄像机获取的强度图像与彩色图像开展冠层图像拼接技术研究。利用Scale invariant feature transform算法的尺度不变特征,并结合Random sample consensus算法精确确定图像映射模型,避免了果园非结构光及图像尺度变换的影响。以此为基础,应用拉普拉斯金字塔分解与重构算法、分层确定融合规则,实现了不同生长期的冠层图像拼接,有效克服了传统融合算法反映细节信息能力差、拼接痕迹明显等缺点。果园不同环境下(晴天顺光、晴天逆光、阴天)的试验表明:提出的拼接方法适合于苹果树年生长期的冠层器官图像拼接,且算法的鲁棒性、速度及拼接精度均能满足冠层三维重建工作的要求,研究成果对提升剪枝、疏花、测产、采摘等果园管理的信息化水平具有重要意义。     

基于LiDAR的果园对靶变量喷药控制系统设计与试验

传统果园喷药方式带来的非靶标区域农药沉积和飘移造成了环境污染,同时农药过量喷施导致农药残留.该研究基于前期获得的果树冠层网格化体积计算方法建立单喷头流量脉宽调制(Pulse Width Modulation,PWM)控制模型,根据果园喷药作业需求建立控制器局域网络(Controller Area Network,CAN...     

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。     

丘陵山地柑橘果园多方位自动喷药装置研制

针对现有自动喷药装置对丘陵山地不同树冠大小的柑橘果树适应性差的问题,该文设计了一种双向多方位自动喷药装置。通过模式转换机构,实现竖直喷药模式、45°倾斜喷药模式和对地喷药模式的任意切换,以满足喷药装置对不同大小柑橘树的适应性需求,提高农药的利用率。采用自动对靶模块检测果树冠层高度和高压雾化喷头组件至冠层表面距离;采用车速测定模块实时检测履带式手扶拖拉机行进速度。室内试验结果表明:在3种喷药工作模式下,装置射程与喷幅均符合植保机械作业质量要求;单次喷药量为72～190 L/hm2,符合低剂量喷药要求;超声波传感器布置在喷杆前方0.8 m处,当履带式手扶拖拉机行驶速度3～8 km/h时,有效降低了信号检测与处理滞后带来的对靶误差,对靶精度为99.7%,符合设计要求。田间试验结果表明:在竖直喷药模式和45°喷药模式下进行喷药工作,柑橘树冠层表面雾滴平均覆盖率分别为82.5%和78.7%,沉积密度分别为109滴/cm2和106滴/cm2;冠层内部雾滴平均覆盖率分别为16.1%和30.6%,沉积密度分别为35滴/cm2和64滴/cm2,喷药效果满足国家标准要求。