智能投饵船研究现状与展望

饵料、药剂、微生物等精准投喂是水产健康养殖重要环节,智能投饵船因具备自动避障定位、多点精准投放、支持水质和视频监测集成等功能而逐渐受到关注。从投饵机构、路径控制、投饵策略3方面总结国内外智能投饵船研究现状,重点介绍现有下料机构及抛料机构、路径控制方式、航向控制算法、投饵路径策略和智能投饵技术,并针对当前研究不足,总结未来研发趋势：进一步改善抛饵破碎率及抛洒均匀性、融合5G通信和RTK视觉识别的高精度导航定位系统、开发计算简易的航向高精度控制算法、开发基于机器视觉与声学信息分析的智能投饵管控算法、实现智能投饵船的多功能化发展、构建数字孪生的智能投饵船远程监控系统。     

农用车辆自主导航控制系统设计与试验

集成软硬件系统搭建了一套农用车辆自主导航系统并进行了试验研究。硬件系统包括传感器、执行器和CAN-Bus通信网络;软件系统基于Windows操作系统、Visual Studio 2005开发环境,采用多线程编程技术开发。依据运动学规律建立了车辆运动模型,依据转向机构闭环响应曲线辨识了转向系统闭环模型,综合2个模型确立了航向与横向控制系统开环传递函数,基于PID理论设计了航向与横向控制器。试验结果表明:软硬件系统运行稳定;初始航向偏差在-86°与84°时,调节时间均在2 s以内,稳定后航向跟踪的精度均在1°以内;初始横向偏差在0.7 m和1.2 m时,横向偏差的最大值分别为10.4 cm与9.2 cm,横向偏差平均值分别为6.4 cm与3.5 cm,横向偏差标准差分别为2.6 cm与1.7 cm,横向控制器能够使系统平滑稳定地跟踪期望路径,跟踪精度在厘米级。     

河蟹养殖智能化投饵装备适用性能试验研究

针对虾蟹养殖过程中投饵采用沿塘抛洒、人工划船抛洒等无法做到均匀投喂,存在饵料利用率低、投饵作业效率低、影响水质、劳动强度大,饵料抛撒分布一致性和均匀性差等问题。开展颗粒饲料撒播无人机和智能投饵(药)船等智能投饵装备的投饵能力、投饵破损率、最大投饵幅宽、航线规划能力、自主控制模式行驶轨迹精度、续航能力的测定,测试机具作业性能;通过对生产率、投饵效率比、经济效益的测定,测试机具效能。试验结果表明：颗粒饲料撒播无人机和智能投饵(药)船投饵能力分别为2.04~35.10 kg/min和0.75~3.02 kg/min,破损率平均值分别为0.28%和2.07%,最大投饵幅宽平均值分别为14.85 m和10.402 m,航线规划能力分别为自动规划和人工规划,行驶轨迹精度最大水平偏航距分别为-0.17 m 和-0.73 m,班次生产率分别为7.918 hm2/h和3.841 hm2/h,投饲效率比分别为53.24%和-25.66%,平均费用分别为1 867.05元/hm2和5 244.6元/hm2。两款机型均进行颗粒饲料智能化投饵作业。颗粒饲料撒播无人机可在多个池塘间连续投饵作业,无需人工搬运机具进行换塘作业,投饵作业效率、可靠性和转移灵活度高于智能投饵(药)船和人工投饵作业;不受池塘形状尺寸、水草覆盖率、增氧管路、电线排布等影响;智能投饵(药)船可在下雨、刮风等恶劣天气进行投饵作业;作业续航时间较长,充一次电可满足当日投饵作业;可一次同时完成投饵和施药作业。     

双导航模式果园运输机器人设计与试验

为解决果园苹果采后运输设备自主导航模式单一、无法在任意点起步或停车等问题,设计了一种双导航模式小型果园运输机器人,可根据需求选择行人引领导航或定点导航。根据选择的导航模式,采用基于OpenPose人体姿态识别的目标跟踪控制方法或基于RTK-GNSS(Real time kinematic-global navigation satellite system)的距离-方向控制方法,实现果园环境下的行人引领导航和定点导航。该运输机器人以额定负载为200 kg、速度为0.5 m/s的条件参数在果园自主作业时,行人引领导航模式下目标跟踪误差平均值小于9 cm,其标准差小于4 cm;定点导航模式下到达目标点的相对误差小于13 cm,其标准差小于1.5 cm,绝对误差小于7 cm,其标准差小于0.5 cm;定点导航模式下机器人急停避障的行驶路径与理想行驶路径间的横向偏差小于56 cm,航向偏差小于8°。试验结果表明,该机器人能满足果园自主运输和安全避障的需求。     

基于FPGA的播种机自主导航控制系统设计

为了提高播种机自主导航控制系统的精度和导航机器视觉系统图像的处理速度,实现实时导航功能,降低数据接收和参数解算的时间延迟,将FPGA引入到了导航系统的设计上,有效提高了播种机的导航精度和效率。以播种机导航中心线的追踪为例,通过追踪误差的仿真模拟,验证了FPGA在导航系统中使用的可行性。模拟仿真结果表明:采用FPGA反馈系统可以明显提高导航系统导航中心线追踪的准确性,从而提高导航系统的精度。     

轮式果园多功能自主导航作业平台设计

为实现果园作业机械的多功能应用,设计一款具备割草、喷药、搬运等功能的轮式果园多功能自主导航作业平台。根据作业需求对多功能平台进行总体设计,平台包括动力系统、行走系统、导航系统、控制系统、作业装置等。根据搬运需求计算确定整机驱动电机选型;对割刀进行运动和动力学分析,根据切削范围和稳定需求,计算确定割刀电机和电动推杆的型号;根据流体力学知识,计算确定满足喷药喷幅的药泵型号,并对其他关键部件进行计算选型。对样机进行最小转弯半径、割草性能、喷雾性能等基本性能试验。试验结果表明,所设计的平台最小转弯半径为120.75 cm,满足果园行间地头良好的通过性要求;割刀转速和高度可调,留茬高度可控制在5 cm以内,割草作业覆盖率在91.25%以上;喷药泵可根据车速、树形等进行压力调节,喷雾量均匀性变异系数在8.01%以内,保证喷雾均匀的同时减少农药浪费。     

基于无人船的水产养殖水质动态监测系统设计与实验

针对传统水产养殖水质监测多使用部署在固定位置的无线监测节点,存在监测范围小、监测位置不灵活和部署成本偏高等问题,设计了基于自动无人船的水产养殖水质动态监测系统。该系统融合无人船和多个传感器进行水质采样,测量水温、p H值和水体浊度等指标,通过岸基控制台将监测数据上传至云服务器。为保证系统的有效性和准确性,提出以自动无人船悬停采样为主的水质监测和低航速下的水质异常检测,结合基于地图解析的路径规划策略,实现无人船自主航行,以提升监测效率。经实验验证,与传统方案相比,动态监测得到的水温相对误差绝对值不大于0.5%,p H值相对误差绝对值不大于1.43%,浊度相对误差绝对值不大于4.9%,均在各传感器精度范围内,可满足监测需求。将该系统部署于水产养殖区,在9 800 m2水域内共采集731组有效数据,测得各水质指标数值均在正常范围内,监测区域覆盖达水域面积的68%。该方法为水产养殖业的水质监测和异常检测提供了解决方案。     

基于传感和信息采集的自主导航免耕播种机设计

为了提高免耕播种机的自动化程度,设计了一款新的具有自主导航和路径规划功能的免耕播种机。该播种机能够很好地估算出入射信号的个数和方向,克服了传统定位精度低的缺点,可以有效解决密集信号环境中多个辐射源的高分辨率、高精度测向定位问题。为了验证免耕播种机的性能,对使用DOA估计信号后的播种机进行了性能测试。测试发现:其播种误差要明显小于单纯使用最小二乘法和双曲线测量法,播种合格率最高达到了98.7%,变异系数最低为1.35%,播种的精确性和稳定性较高。通过对比传统播种机和本文设计播种机的播种时间,本文设计的播种机播种时间有所缩短,播种效率有了大幅度的提高,免耕播种性能好,可以在自动化播种作业中进行推广。     

基于RFID和WSN的采摘机器人自主定位与导航设计

为了提高采摘机器人自主导航能力和定位精度及对复杂采摘作业环境的自适应能力,提出了一种基于FRID和WSN的自主导航与避障采摘机器人,通过ID识别技术和聚类算法的应用,实现了采摘机器人的高精度导航与路径规划。该机器人在自主导航和避障过程中首先对RFID标签进行阅读,将阅读结果采用WSN进行节点通信,然后调用距离,并对距离进行聚类分析,最后得到规划后的路径。对机器人的导航定位性能进行了测试,测试发现:机器人实际标定位置和定位导航位置曲线吻合程度较高,验证了采摘机器人具有较高的定位精度;进一步测试发现:机器人在各个节点位置的信号通信均正常,没有出现较大的偏差,其定位的最大均方差仅为0.082m,满足高精度采摘作业的需求。     

池塘养殖船自动导航系统的设计与研究

设计了一种基于超声波测距仪和电子罗盘组合的池塘养殖船自动导航系统,对系统的传感器组合导航方式进行了介绍,分析了系统的硬件结构,制定了基于PI算法的直线路径纠偏的算法,将自动导航技术应用在池塘养殖领域。在构建的平台上进行了测试实验,结果表明:基于PI算法、传感器组合导航算法的自动导航系统能够有效地纠正偏差,自动导航的总体精度控制在合理范围内。     

基于单片机和GPS定位的自主导航采摘机器人设计

为了提高采摘机器人的智能化控制水平和自主导航能力,改善机器人的应用限制和使用性能,提出了一种基于单片机和GPS的采摘机器人自主导航方法,克服了采摘机器人导航方式的缺点,显著提高了导航定位的效率和精度。该方法利用GPS实时接收卫星发射的时间、经纬度和高度等信息,通过RS232发送给单片机;单片机对GPS发送数据进行处理,得到控制所需的时间和位置等信息,通过与机器人所处的位置进行比较,调整机器人的姿态,实现路径的智能化追踪和规划。在实验日光温室内对采摘机器人的自主导航性能进行了测试,结果表明:利用单片机和GPS定位可以较为精确地对采摘目标路径进行跟踪,可以使机器人沿着既定路径移动,控制的精度较高,误差较小。     

倾斜抛物线型孔轮式小麦供种装置设计与试验

为解决淮北平原玉米秸秆覆盖地小麦播量较大且难以精量控制以及现有小麦集排供种装置结构较复杂的问题,设计了一种具有倾斜抛物线型孔轮式小麦精量供种装置。阐述了该供种装置结构和工作原理,分析并确定了主要相关参数,建立了型孔截面曲线限制方程,构建了小麦充种过程的力学模型,以型孔锥角、型孔轮转速和供种轮数量为试验因素,以供种速率、供种速率稳定性变异系数和种子破损率为试验指标,进行了供种性能试验研究。试验表明:倾角为40°抛物线型孔的供种稳定性较优,其供种速率稳定性变异系数小于1.8%,种子破损率低于0.2%;在型孔轮数量1~5、工作转速10~100 r/min条件下,小麦供种速率随型孔轮数目和转速增加呈上升趋势,其供种速率范围为30~1 500 g/min,供种速率稳定性变异系数随型孔轮数量增加呈下降趋势、随转速增加呈先降后升趋势,其稳定性变异系数均小于2.0%,种子破损率均不大于0.2%;以安装5个抛物线型孔轮供种机构建立单位面积播种量数学模型进行的主动供种匹配试验得出,模拟机组前进速度不大于9.8 km/h时,可实现较大范围的主动供种,其稳定性变异系数均小于2.0%;田间试验得出直播小麦种植密度为230~270株/m2,均匀性变异系数为21.97%。倾斜抛物线型孔轮可实现小麦高速供种并简化供种装置结构。     

基于自动导航的小麦精准对行深施追肥机设计与试验

针对冬小麦返青期地表追施氮肥使氮素挥发导致肥料利用率低的问题,结合目前在小麦追肥过程中缺少深施氮肥作业装备的现状,进行了基于拖拉机自动导航技术实现精准对行深施氮肥的技术研究,设计了小麦精准对行精量深施追肥机。追肥机采用安装有自动导航系统的拖拉机牵引实现精准对行,以RTK-GNSS接收机测取的作业速度为基准,通过液压系统驱动排肥机构工作,双圆盘开沟器开沟深施,采用PID控制排肥轴转速与车辆行驶速度实现实时匹配,达到精量控制追肥量的目的。田间试验结果表明:设置目标追肥量为200 kg/hm2,车辆行驶速度为5 km/h时,追肥机能完成对行深施追肥作业,机具对行作业误差在±6 cm以内,追肥量偏差小于9%,可满足实际生产需求;对照撒肥机表层撒肥作业,每公顷减施氮肥25 kg左右,小麦每公顷增产486.5 kg左右。     

四轮转向喷杆喷雾机平移换行导航控制系统设计与试验

针对传统喷杆喷雾机在转弯、换行过程中调头空间有限、转向半径大、易碾压作物等问题,提出了一种可利用车辆平行移动来实现换行作业的控制方法。基于平移换行方式设计了四轮转向喷杆喷雾机的导航控制系统,该控制系统采用RTK(Real time kinematic)定位模块和姿态传感器进行组合导航,以喷雾机位置信息和姿态信息作为输入,在四轮转向运动学模型基础上,结合运动学解算实现了喷杆喷雾机非转弯调头换行的自动导航跟踪控制,根据喷雾作业要求设计了基于有限状态机的自动作业策略。开展了传统PID(Proportion integration differentiation)控制器与单神经元PID控制器的实地对比测试。在常规方形硬质平整地块试验时,搭载常规PID控制器的喷雾机在平移换行过程中的最大跟踪偏差、平均绝对偏差为7.63、4.27 cm,而搭载单神经元PID控制器的喷雾机在平移换行过程中的的最大跟踪偏差、平均绝对偏差为6.48、3.24 cm。在常规方形田间地块试验时,搭载常规PID控制器的喷雾机在平移换行过程中的最大跟踪偏差、平均绝对偏差为11.01、6.66 cm,而搭载单神经元PID控制器的...     

池塘养殖船自动导航系统设计与试验

针对池塘养殖中投喂作业需要全塘均匀覆盖的应用场景,存在人工投饲强度大、饲料利用率低的问题,设计一种能够适应不同多边形池塘的养殖船自动导航控制系统。控制系统采用低成本北斗定位模块和高精度电子罗盘进行组合导航,获取池塘养殖船的位置和航向信息作为导航控制器的输入,通过构建基于PD算法的导航控制器,实现航行过程中的路径跟踪。设计一种多边形回纹线导航路径规划算法,能够快速实现多边形池塘的导航路径规划。开展池塘导航试验,试验结果表明：采用所设计的自动导航系统,养殖船能够按照规划的路径航行,在水面行驶速度为0.4~0.5 m/s时,稳定跟踪后最大误差小于2.62 m,平均跟踪误差小于1.30 m,导航精度满足池塘养殖自动投饲要求。     

自主导航农业机器人全方位视觉目标识别与跟踪研究

随着我国信息化技术的逐渐提高,机械自动化、集成电路、智能控制系统和测试计量等行业得到了快速发展,使得移动机器人达到了一个全新的高度,农业机器人也因此被广泛应用。在机器人众多研究问题中,全方位视觉的目标识别与跟踪一直是比较复杂并较难解决的问题。为此,基于全方位的自主导航技术,根据农业机器人工作特点和运动特性,建立了机器人工作空间的环境模型,提出了一种陆标导航和运动目标跟踪系统的视觉伺服方案,开发了以DSP控制器为核心的全方位视觉图像处理系统。试验结果表明:所设计的农业机器人全方位视觉目标识别与跟踪系统精准度高,可靠性和实时性强,各项性能指标优。