高精度土壤温度原位测量系统

为分析土壤温度对地层水热参数的影响,以热电偶为测温传感器,设计了单片机控制的高精度土温测量系统.从硬件、软件曲线拟合算法等方面进行了研究,温度采集采用电桥法,并用最小二乘法对采样值与温度进行分段拟合,描绘出采样值与温度关系曲线,对测量误差进行了修正和补偿.结果表明:系统的实验测量绝对误差低于0.02℃.     

机压微灌管网系统布置与管径同步优化设计

微灌管网系统由轮灌管网(支毛管)和续灌管网(干管)组成,以往的研究没有将其作为一个系统,且不能实现布置与管径组合的同步优化,研究成果对坡度均匀的大型灌区机压微灌独立管网系统的优化也不适用。因此,提出了机压微灌管网系统优化的方法,并建立了优化设计数学模型,采取整数及实数编码的混合编码方法,通过遗传算法求解,同时实现轮灌管网及续灌管网的布置优化及管径组合优化,得出的管径为标准商用管径,无需调整。实例计算结果表明,该模型与算法在求解机压微灌管网系统优化设计问题上具有良好的优化性能和求解精度。与传统设计方案相比较,轮灌管网和续灌管网的优化设计方案单位面积年费用分别降低了14. 85%～35. 59%和4. 12%～12. 99%,节省投资效果明显。     

冬小麦生育中期农田水分与二氧化碳通量研究

以大兴实验站冬小麦为研究对象,采用涡度相关技术监测农田显热、潜热和二氧化碳通量,依据实测数据分析了冬小麦碳、热通量的变化特征,并研究各分量在抽穗期的关系和农田群体水分利用效率的变化规律。结果表明,①CO2通量的日变化成单谷型下凹曲线,极值出现在12:00左右,潜热和显热通量则呈单峰型上凸变化;②抽穗期,CO2通量与净辐射和潜热通量都呈现出极显著相关关系,而与显热通量在晴天成极显著相关关系;③作物农田水分利用效率在08:00—11:30较高,范围在0.02~0.04 g(CO2)/g(H2O)。     

基于GPS的农田坡面平整技术与试验

设计了一种基于GPS的农田土地坡面平整系统,该系统由自主差分GPS接收设备、车载式工控机、控制转换器、液压系统、铲运装备等几部分硬件组成,以Visual C++60为系统软件开发环境;系统可对农田进行动态地势测量及坡面平整作业．首先,将GPS接收设备安置在铲运设备上,利用拖拉机牵引铲运设备对农田进行动态蛇形测量,并通过相应的校正算法对测得的GPS数据进行误差校正;然后,根据校正后的数据,对农田进行三维地形成图及坡面建模,得到农田坡面期望高程;最后,将实时接收的农田实际高程与坡面期望高程进行比较,通过控制转换器输出液压控制信号驱动铲运设备进行挖填土方的平地作业．在田间试验条件下,根据农业工作者要求对纵向长度为180 m的地块进行1／1 000纵向坡降的平地试验,结果表明,平地后标准偏差值在5 cm左右,坡低的平均相对高程约为4062 m,坡顶的平均相对高程约为4078 m,坡面高差为16 cm,其理论坡面高差为18 cm,有效改善了农田坡面地形．     

基于深度学习的小麦抗旱相关根系表型原位测量与分析

根系是植物吸收水分的主要通道,根系表型与植物抗旱能力息息相关。为了快速准确地获取小麦根系表型指标,利用土培根盒法进行了小麦干旱胁迫实验,共采集18个时间点的根系时序图像。设计了一套基于深度学习的根系图像处理与分析流程,针对土壤遮蔽引起的断根问题,提出了一种融合目标检测网络和沙漏注意力网络的检测-修复两阶段断根修复方法,以修复根系断裂区域,并通过多尺度训练和自适应迭代法提高修复精度和鲁棒性。提取了小麦在干旱胁迫和对照处理下的根面积、总根长、根宽、根深、根宽深比、根密度6个表型性状,分析了小麦根系对干旱胁迫的表型响应。结果显示,干旱胁迫下,小麦会有更低的根系生物量、更深的根系扎根深度及更分散的根系构型。同时计算了小麦根系干旱胁迫耐受性指数,结合主成分分析法,对小麦品种的抗旱能力进行了描述和排序。     

农田信息采集车设计与试验

针对传统农业物联网系统存在传感器少、投入成本高、建设周期长和对环境不友好等问题,设计了一种可移动式农田信息智能采集车。利用Matlab仿真对关键部件机械臂的构成和运行情况进行了分析和模拟,对采集车进行了小麦田间性能测试。结果显示,采集车整体设计合理,车辆通过性强,越障最大倾斜角达30°,最大遥控距离45m,获取图像清晰。将传感器采集的数据与常用高精度仪器测量结果进行了比对,农田信息采集车所采集温度、湿度、光照强度、CO2浓度、风速、土壤温度和土壤湿度与高精度仪器设备所测数据的相关系数均大于0. 90,单个采样点平均采集时间为45 s,数据采集满足需求。该采集车可实现定时、定点大范围获取田间数据的功能,能够替代传统物联网系统或对其进行补充。     

农田环境信息采集机器人设计与试验

农业信息采集主要收集农作物的生长状况和所处的环境特征,作为农艺操作的依据。传统的信息采集主要依靠人工观察记载或仪器测量记录,获得的数据量有限,参考价值不高。为此,设计了一种以铝合金框架车体为平台的轮式机器人,具有行走控制、路径识别和信息采集的功能,且在农田环境中行走平稳,能够识别田间的空行和作物并规划行走路径。试验结果表明:机器人采集的信息数据与人工测量数据之间差异很小,符合农田环境的实际情况,可以为农业的信息化和智能化提供技术支撑。     

基于RSM的土壤原位测量参比电极制备优化与评估

农用电化学原位监测Ag/AgCl参比电极存在氯离子泄漏风险,探讨通过新型液态金属纳米纤维复合毡改进柔性参比电极稳定性,利用响应面分析方法(RSM)确定材料制备工艺对参比电极稳定性的影响趋势,获取优化方案并进行可行性验证。试验结果表明,液态金属纳米纤维复合毡制备主影响因素包括纺丝收集距离、纺丝混液质量配比和拉伸次数,影响程度依次降低;收集距离和拉伸次数对参比电极稳定性的耦合作用显著;当制备参数方案为质量比为1∶5、收集距离为19 cm、拉伸次数为1 150次时,参比电极稳定性最优,平均相对误差不大于4.4%;自制柔性Ag/AgCl参比电极,将其应用于土柱硝态氮和pH值监测原位测量,16 d的连续监测过程中硝态氮与pH值测试数据与离线商用电极测量值的绝对误差、相对误差和均方根误差分别小于5.55 mg/L、7.2%、1.98 mg/L和0.21、2.8%、0.17,参比电极持续提供稳定参考基准,保障了两工作电极与外检数据间良好的一致性,证明了自制Ag/AgCl参比电极在土壤农化分析中的可行性。     

基于SR300深度相机的褐蘑菇原位测量技术

褐蘑菇工厂化种植模式下,为了给蘑菇采摘机器人提供工作参数,采用结构光SR300深度相机采集菇床图像送入工控机进行原位测量。针对菇床上褐蘑菇的菌丝干扰背景,在深度图像中利用土壤表面深度的众数,结合蘑菇菌柄至少20mm的高度,自适应选择动态阈值,从菇床背景中提取蘑菇菌盖二值图;针对粘连的类圆形蘑菇,基于2-1圆形Hough变换初步检测其圆心、半径,进一步对蘑菇的边界点进行跟踪、去噪、插补,分割粘连的蘑菇,准确拟合单体蘑菇边界,获取蘑菇圆心和边界点的三维坐标;校准相机坐标系并基于陶瓷圆板验证原位测量方法的精度,由此计算世界坐标系中单体蘑菇的位置、直径、偏向角、倾斜角。现场试验表明,蘑菇直径最大误差为5.57mm,倾斜角最大误差为6.3°,视频帧的运行时间为206ms,单体蘑菇的运行时间为44ms,可满足蘑菇采摘机器人的现场需求。     

车床静刚度测量系统试验研究与优化设计

为有效抑制外界振动对三向静刚度仪测量结果的影响,提高三向静刚度仪固有响应频率,提出了基于Hyper Morph形状优化的三向静刚度仪设计方法。以一阶固有频率最大化为目标优化函数,构建三向静刚度仪形状优化模型,通过LabVIEW虚拟技术,利用优化后的三向静刚度仪对车床静刚度进行系统检测,前6阶振动固有频率和LabVIEW软件系统测量表明:优化后的三向静刚度仪的一阶固有频率较优化前明显提高,具有较好的振动抑制性能,且优化后的三向静刚度仪测量更精确。该方法对抗外界扰动的工程结构设计具有实际意义,且利用LabVIEW虚拟技术能够提高实验测试的自动化程度和测试效率。      

温室大棚CO2浓度精准调控系统的设计与实现

CO2是绿色植物进行光合作用的主要原料,其含量严重影响植物品质,现有无线调控系统因成本高、层次多,不适合我国农业发展的现状。针对以上问题,基于不同环境、不同作物的不同要求,研制了以CC2430为中央处理芯片、采用Zigbee技术无线传输的CO2浓度精准调控系统。该系统采用模块化设计,包含中央处理单元、数据采集模块、控制模块、电源模块和人机交互模块,通过模块组合和加载软件的差异形成监测和控制2大类设备。各设备间通过Zigbee协议实现自组网方式下多跳数据交互,完成基于现场检测结果的CO2浓度的精准控制。在温室大棚的实用结果表明,其可实现上述设计功能,具有监测精度高、可靠性高、使用简单、成本较低和扩展性强等特点。     

坡耕地鸭嘴式玉米排种器间歇同步充补装置设计与试验

针对坡耕地环境下鸭嘴式玉米排种器排种质量差及性能不稳定等问题,以鸭嘴式玉米排种器为载体,设计了一种配套的间歇同步充补装置。阐述了排种器整体结构及工作原理,分析了种子在排种器内部排种、补种及导种过程,优化了间歇同步充补装置摇杆、内棘轮和鸭嘴式排种器直角导种部件等关键部件结构参数。结合理论分析和坡耕地播种农艺要求,选取作业速度、回位弹簧预紧力和作业坡角为试验因素,合格指数和变异系数为性能指标进行了单因素试验、正交试验及台架对比试验。试验结果表明,性能指标随作业速度和作业坡角增加先增加后降低,随回位弹簧预紧力增加先增加后趋于平稳;当作业速度为1 m/s、回位弹簧预紧力为15.6 N(型号T4,丝径为1 mm,中径为7 mm,原长为25 mm)、作业坡角为12°时,其排种性能较优,合格指数为98.7%,变异系数为10.2%;较传统鸭嘴式排种器其合格指数提高了9.5个百分点,满足坡耕地环境下精量播种作业要求。     

高地隙农田信息采集机器人设计与试验

为适应水田行走和不同垄宽等复杂的农艺条件,设计了一种轮距宽度可调的高地隙四驱农田信息采集机器人。利用SolidWorks对整体结构进行设计分析和零部件选型,设计了基于GNSS和INS的组合导航与路径跟踪控制系统,并对机器人进行了水田行走性能测试和信息采集试验。结果表明,机器人四轮驱动方式具备较好的速度一致性,地隙与轮距调节机构调节到位误差率为1.33%和0.73%;直线路径跟踪的平均横向误差为6.8 cm,直角转弯的平均收敛时间为25.6 s;机器人最大行驶速度为1 m/s,单点信息采集平均耗时为24.5 s,传感器采集的各类数据均满足使用要求,该信息采集机器人可实现复杂条件下的农田信息采集工作。     

纳米级Z轴坐标测量系统设计与实验

基于最小化阿贝误差的理念,设计了带有重力补偿器的整体结构对称的Z轴测量平台,其次,使用扫面静电力显微镜组成配套的探针系统,最后,对设计的核心内容分两组进行分离测试以验证设计的合理性与有效性。测试首先验证了测量系统分别在静态和动态下重力补偿器的可行性,然后验证经过双高度法补偿后的扫描静电力显微镜探针系统的有效性,实验结果表明,设计的纳米级Z轴坐标测量系统可实现超高精度空间分辨率,具有50 mm的有效行程范围,同时具有对部分非导体的测量能力,使得微纳米测量机的适用范围得到延伸,具有较高的应用价值。     

农作物几何特征量测量系统设计与试验

为实现复杂背景下农作物几何特征量的实时测量,设计了交互式软件系统和便携式硬件结构。软件基于Matlab图像处理技术和多个作物几何特征量的计算模型,提出了动态交互式颜色特征提取方法和逐点颜色分量差值筛选法,实现了目标作物与背景的有效分离。研究了非旋转体作物体积与投影面积的关系,提出了测量这类作物的体积等特征量的新思路;建立了单位像素实际值与物距的对应关系,避免了需要在背景中设置参照从而计算单位像素代表作物几何特征量的实际值。软件渗透了人机交互和分类设计的思想,具有较好的交互性、通用性和扩展性。硬件采用高配的PC机核心部件、快速响应的工业触摸屏、自动定焦对焦工业相机和可控的相机支架、大容量锂电池。结构紧凑(29.8 cm×19.9 cm×6 cm)、操作简便、便于手持式和分体式测量。系统经过精度测量和实时测试,能完成多种作物的几何特征量测量,一般测量误差4%~8%,自动处理时间平均1.63 s(建好颜色特征库时),装置有较好的处理速度,有一定的实用价值。     

二氧化碳热泵干燥技术

介绍了二氧化碳热泵干燥的基本原理，并指出其优点。结合二氧化碳热泵干燥机的应用实例，表明其节能潜力为53％和65％，最后指出二氧化碳热泵干燥技术的发展方向。     

农田精准平整过程中三维地形实时测量方法研究

为提高农田平整作业过程中平后区域田面地形实时测量精度,本文提出一种农田精准平整过程中三维地形实时测量方法(Real-time 3D terrain measurement, Rt3DTM)。以安装有GNSS双天线和姿态传感器的支撑轮式旱地平地机为地形测量平台,利用卡尔曼滤波器融合GNSS与加速度提高定位精度,通过建立平地铲运动学模型获得支撑轮底点的车体坐标,结合平地铲位姿信息对支撑轮底点进行世界坐标解算,并利用最邻近插值法生成地形图。静态试验表明,Rt3DTM方法能准确解算支撑轮底点坐标,平面测量均方根误差小于10 mm,高程测量均方根误差不大于20 mm。水泥路面试验结果表明,在3组不同车速下测量同一段水泥路面三维地形,与真值的高差均方根误差均小于30 mm。田间试验结果表明,Rt3DTM测量的高程均方根误差为16.5 mm,平整度为16 mm,小于30 mm的高差分布列为95.8%,相比机载GNSS测量方法的均方根误差准确性提高29.5%,平整度准确性提高11.1%,高差分布列准确性提高9.5%。提出的Rt3DTM方法能实时准确地获取平整作业过程中平后区域的地形信息,为无人化农田平...     

超临界CO2的管内对流换热研究

概述了超临界CO2流体管内对流换热的研究,指出了影响换热的主要因素有热流密度、浮升力、压力、润滑油等,提供了多种公开发表的超临界流体在冷却工况下的换热关联式,同时指出了现有研究内容的不足。     

农田灌溉决策支持系统的设计与实现

农田灌溉决策支持系统是基于农田灌溉用水管理的复杂性和实时性，结合江苏省山市安镇农田灌溉管理的具体情况研制的。系统根据采集的土壤墒情、作物旱情、水源水情等信息，进行计算、分析、决策，作出灌溉预报，确定精确的灌溉时间和最佳灌溉水量，利用决策结果对灌溉设备进行自动控制与监测，从而达到高效、节水的目的。