三臂回转式水稻钵苗移栽机构反求设计与试验

针对前期正向设计得到的三移栽臂水稻钵苗移栽机构应用中存在绝对运动轨迹回程段前倾造成秧苗回带,以及推苗角偏小造成推苗直立度差的问题,提出一种基于局部运动轨迹的反求设计方法完成三臂回转式水稻钵苗移栽机构设计。首先,分析机构绝对运动轨迹和相对运动轨迹之间关系,结合原机构存在的问题预设局部较理想绝对运动轨迹回程段轨迹、取推苗角,确定移栽机构局部相对运动轨迹关键位置点,应用三次非均匀B样条曲线拟合生成相对运动轨迹;然后,建立基于相对运动轨迹的移栽机构反求设计模型,开发了基于Matlab的反求设计辅助分析软件,优化获得满足设计目标的移栽轨迹和机构参数;最后,对三臂回转式水稻钵苗移栽机构进行了结构设计、虚拟仿真与样机试验,结果表明：仿真轨迹、样机试验轨迹与理论计算轨迹基本一致,且移栽臂推秧角较原机构增大了9.08°以上、绝对运动轨迹回程高度大于120 mm、取推苗角度差与秧箱实际安装角误差控制在±2°以内,满足水稻钵苗高直立度移栽要求,验证了所提出方法和三臂回转式水稻钵苗移栽机构设计的正确性。     

基于MOPSO算法的工业机器人运行轨迹优化

针对工业机器人末端执行器,对其运行轨迹进行优化处理。采用五次B样条曲线函数得到了关节空间机械臂的运行轨迹曲线,考虑到多目标粒子群优化算法（MOPSO）计算简便、参数易调等优点,利用多目标粒子群优化算法实现了对上述五次B样条运行轨迹的多目标优化,最后得到了优化后的各关节的运动角度、角加速度和角加加速度的运动曲线,获得了加工时间更短、加工过程更加平稳、能量消耗更少和加工中冲击更小的运行轨迹,进一步证明了多目标粒子群算法对运动轨迹优化的可行性。     

穴盘苗补苗自动移栽路径规划优化研究

为了提高穴盘苗补苗自动移栽机的工作效率,需要对补苗自动移栽路径进行规划优化。本文构造了穴苗位置坐标与穴苗序号之间的映射关系公式,并基于欧式距离模型建立了移栽路径长度的目标函数。对于补苗自动移栽路径规划问题,采用遗传算法对目标函数进行求解。通过采取基于空穴孔数量染色体编码机制和最优染色体保存策略,提出了一个求解移栽路径规划优化的算法模型,并通过仿真试验对算法的有效性和效率进行了验证。结果表明,该算法与蚁群算法、标准遗传算法相比较,缩短了运算时间且可以获得最优的路径。     

行星轮栽植机构优化设计与试验

针对不同作物移栽时的不同株距问题,以自制行星轮转臂式栽植机构为研究对象,阐述了栽植机构组成及工作原理,构建了行星轮转臂平动机构及鸭嘴开合机构的运动学模型,在此基础上分析建立了栽植器前、后鸭嘴栽植点的运动轨迹数学模型。利用Matlab对该数学模型进行编程,建立其分析程序模型,并基于Matlab GUI 平台开发计算机辅助优化设计人机交互界面,借助该界面对栽植点轨迹数学模型进行求解,从而模拟得到鸭嘴式栽植器前、后栽植点的运动轨迹曲线。分析栽植机构的行星架旋转半径,开合机构的后鸭嘴摆杆长度、后鸭嘴摆杆初始位置与水平线夹角及后鸭嘴末端点至鸭嘴转轴中心的距离等主要参数对栽植点运动轨迹的影响,以特征系数λ大于1,栽植点轨迹环扣高度大于苗钵体高度,前后鸭嘴不带苗、不挂苗,前后鸭嘴轨迹与垄面交点处形成的穴口尺寸较小等条件为优化目标,通过人机交互优化得到一组能同时满足3种栽植株距要求的机构参数组合,并模拟验证该机构参数组合在3种栽植株距下的栽植轨迹。选用72孔穴盘培育的黄瓜苗为试验对象,以株距变异系数和直立度为评价指标,对优化得到的机构参数进行栽植性能试验。结果表明：在3种株距下的栽植直立度优良率高于81%,总优良合格率达94.8%以上,株距变异系数小于3.2%,证明优化设计的行星轮转臂式栽植机构能够满足多种株距移栽要求。     

采摘机械手离线轨迹智能优化——基于改进差分进化算法

为了提高采摘机械手的采摘效率和轨迹的控制精度,设计了一种新的基于离散编程和改进差分进化算法控制的机械手,提高了机械手的作业效率和对复杂环境的适应能力。由于农业作业环境的复杂性,采用离散编程技术可以得到更好的效益,据此重点对离散编程系统进行了开发,使用Solid Works软件建立了机器人机械手的三维仿真模型,并利用VB软件实现了Solid Works库的引用和二次开发,利用VB代码将改进差分进化算法嵌入到了机械手离线编程控制系统中。最后,通过仿真计算得到了不同算法下机械手轨迹控制的计算精度和效率,得到了机械手位置圆弧轨迹,并输出了机械手位置和速度随时间变化的曲线。实验结果表明:改进差分算法可以较好地实现机械手的离线轨迹优化,机械手运动的稳定性较好。     

温室移动机器人轨迹控制系统的设计

以温室移动机器人的轨迹控制为主要目标,研究了线性控制算法在机器人轨迹控制中的具体实现,论证了其可行性,并分析了算法的稳定性约束条件,通过仿真分析了控制参数对运动轨迹的影响.将该算法应用到实际的机器人控制中,设计出基于陀螺仪和光电编码器的温室移动机器人控制系统.     

再生稻空间直取大偏移轮系宽窄行分插机构设计与试验

为了解决再生稻生产过程中,收获机履带碾压头季稻稻桩的问题,本文从机械栽植角度入手,在单位种植面积有效株数一定的条件下,通过合理增大栽植行距以增大履带行走行距。提出一种可实现大偏移、直取秧和小侧向穴口移栽轨迹的空间行星轮系分插机构。首先,结合栽植农艺规划宽窄行移栽轨迹并确定其上若干关键位置与姿态,建立了空间2R开链机构3精确位姿空间几何约束设计方程,采用同伦算法进行求解;然后,基于求解参数拟合、优化得到开链机构输入轴与输出轴相对角位移曲线,确定机构传动比与非圆齿轮节曲线,复演得到满足移栽要求的空间轨迹;最后,通过依附非圆齿轮副将开链机构两转轴运动耦合,设计得到一种由平面非圆齿轮与斜齿轮组合传动的轮系式再生稻宽窄行分插机构,并进行虚拟仿真与样机试验,结果表明样机实际运动轨迹姿态与理论设计基本一致;取苗至推苗横向偏移量ΔS1为65.59mm、侧向推苗角γ1为16.13°、侧向穴口宽度ΔS3为23.69mm,满足再生稻宽窄行移栽要求,验证了轮系式宽窄行分插机构设计的可行性。     

马铃薯输送臂防碰控制的研究——基于虚拟样机技术

结合马铃薯联合收获机输送臂系统的防碰工作原理,利用虚拟样机技术,建立输送臂的虚拟样机模型,并对二自由度输送臂系统的运动防碰进行了位置分析和预测,在基于对运动防碰问题分析的基础上,提出机械臂位置控制的算法。在虚拟样机软件ADAMS中建立了控制系统,并分析了系统运行的动态特性,得出输送臂的实际运动轨迹与理想轨迹基本接近的结论,解决了输送臂运动防碰问题,说明机械臂位置控的算法应用在马铃薯输送臂上是可行的。     

农机燃油经济性优化方法研究

在农机自适应巡航控制系统中,通过改变驱动策略可以提高燃油经济性。针对巡航模式下跟随农机的燃油经济性改善的问题,采用动态规划策略,考虑到加速时间短和滑行的模式有助于改善燃油经济性,在加速度-速度域内提出了一种有界最优控制算法,并在给定的速度范围内,得到了提高燃油经济性的最优加速和减速策略。为验证算法的有效性,搭建仿真平台,进行了相关的仿真实验。仿真结果表明:所提出的控制方法能实现对农机燃油经济性的优化,还可以确定最优的换档时间。     

基于轨迹法的山药播种机送种机构优化设计

针对我国山药种植机械化程度低,人工、半机械化种植成本高、效率低等问题,设计一种推送式山药段自动送种机构。该送种机构基于运动轨迹法进行执行部件的确定,用VB模拟送种爪运动轨迹确定四杆机构可以实现预想的轨迹并分析出变量对运动轨迹的影响;利用Newton-Raphson方法,进行位移分析,在VB进行可视化软件编写,找出满足运动轨迹的各杆长度的比例关系;在Auto CAD中确定优化四杆机构中L1～L6各杆长度为:22.1 mm、83.1 mm、75.9 mm、122.6 mm、86.2 mm、60 mm,并利用UG NX完成整机的建模,进行推送运动仿真。结果表明杆件尺寸参数设计合理,设计的四杆机构满足推送要求,为山药段自动排种装置的研制提供重要的参考价值。     

基于改进凹点分割的小麦播种籽粒落种分布在线检测方法

针对播种性能参数人工计算效率低及在线检测软件缺乏等问题,提出了一种基于图像处理的小麦播种时籽粒落种分布在线检测方法,建立了基于连通区域面积和轮廓周长的粘连种子判据,创建了改进凹点分割粘连种子方法,对分割后的种子进行计数与坐标定位,实现落种均匀度、准确度和离散度的计算检测。搭建了落种分布检测装置并开发了检测软件,试验结果表明：在不同播量、播种行进速度条件下,改进凹点分割算法平均准确率均在95%以上,相比凹点分割算法平均准确率有明显提高,说明该方法对种子颗粒总数识别准确率较高;随着播量增加,种子粘连概率提高,出现假凹点几率增大,算法准确率降低;随着播种行进速度增加,图像中种子变形和失真几率增加,导致部分粘连种子难以分割或错误分割,算法准确率亦降低;播量及播种行进速度对落种均匀度、准确度、离散度的影响不显著,与人工计算测量结果吻合,表明了该落种分布检测方法的可行性。     

农用光伏水泵最大功率的跟踪方法

提出了一种基于Fibonacci搜索算法的、用于光伏水泵最大功率的跟踪(MPPT)方法,它能在部分遮蔽或者日照突变的情况下,实现简单有效的控制来跟踪实际最大功率点。通过修改Fibonacci搜索算法来适用于时变的光伏组件的P-V特性。实验证明,该算法工作可靠,即使在部分遮蔽或者日照突变情况下,也有较快的响应速度和较高的准确性。     

基于蚁群算法的泵站运行优化及投影寻踪选优策略

针对泵站优化运行计算时最优解评价指标单一的问题,建立了包含机组开停机约束的泵站优化运行数学模型和运行方案选优的投影寻踪决策模型.提出了求解泵站多机组优化运行模型的蚁群算法,并通过分析模型的特性改进了算法中启发式信息和信息素更新方式.对江都四站多机组日优化运行计算的结果显示,变量同等离散的情况下,利用蚁群算法优化的结果比用动态规划逐次逼近法优化的结果节省了2.8％的电费,前者相比设计工况运行时节省了29.2％的电费,且蚁群算法优化结果对应的运行方案中叶片调节次数少,机组运行时间短;方案选优时投影寻踪决策模型能够兼顾多个评价指标的优选,得到的运行方案不仅运行成本低,且更合理,更贴切于日常运行,可见改进后的蚁群算法结合投影寻踪决策模型在泵站优化运行及相近的领域有较大的实用价值.     

基于三维点云的叶面积估算方法

为实现低成本无损精确测定叶片面积,基于运动恢复结构算法获取点云,提出了一种融合叶片点云分割、表面重建及叶片面积无损估测等过程的植物叶片面积提取方法。首先,基于运动结构恢复算法,以智能手机获取的可见光图像重建植物的三维点云;其次,为了还原叶片表面形状,基于HSV颜色空间,使用阈值分割法去除叶片点云的噪点;使用K-means聚类算法对点云的三维坐标矩阵进行分类,实现单片叶片点云的分割;基于滚球算法重建叶片的表面网格模型;最后,通过计算网格面积求得叶片面积。与常规叶面积测定方法进行了对比,本文方法的计算结果与扫描叶片法测定值相比平均误差为1.21cm2,误差占叶片面积的平均百分比为4.67%;与叶形纸称量法测定值相比平均误差为1.41cm2,误差占叶片面积的平均百分比为6.05%。结果表明,本文方法成本低、精确度高,可满足植物叶片面积无损精确测定的需求。     

基于SICK和Kinect的植株点云超限补偿信息融合

针对传统点云信息融合需要限制传感器之间位置以及繁杂标定和Kinect传感器室外工作受光照条件影响会出现目标边缘缺失的问题,提出了基于SICK和Kinect相机组合探测的植株点云超限补偿信息融合方法。首先采用SICK二维激光传感器融合实时行进速度传感器,实现对植株三维点云重构,同时通过Kinect传感器获取植株彩色和深度图像合成彩色点云,然后分别对SICK和Kinect异源点云进行阈值滤波预处理和体素栅格下采样,求取各点法线及快速点特征直方图,利用采样一致性初始配准方法使异源点云之间拥有较好的初始位置关系,再进一步使用ICP算法精确配准,通过近似最近邻搜索和超限补偿的方法完成点云信息融合。在超限补偿方法中,通过对比转换后点云间误差,判断数据有效性,实现对数据的最终融合。试验结果表明,本文方法可以有效、准确地实现不同点云之间的信息融合,并能有效抑制阳光的干扰。     

小型水电站的优化调度

本文以面临时段采用来水预报值的随机动态规划法解决四岭水率的长期优化调度问题。递推中采用六点分格法寻优。以约束的办法使优化在兴利库容的发电库容内进行。优化中采用了惩罚系数法,并允许水库水位在发电库容以下时作常规灌溉调度,使方案满足设计保证率要求。程序设计中采用菜单形式,以适应四岭水库有全日发电及半日发电的情况。选用不同的优选方法计算比较。     

基于三维点云的群体樱桃树冠层去噪和配准方法

樱桃树的栽培密度影响其冠层的光照分布,通过研究群体樱桃树的三维结构,可分析不同栽植密度下温室甜樱桃树冠层光照分布规律,指导樱桃树的科学种植,进而提高甜樱桃产量和品质。高质量的点云数据是构建群体樱桃树三维结构的基础,而点云去噪和点云配准是点云数据预处理的关键环节。本文提出一种基于三维点云的群体樱桃树去噪和配准方法,搭建群体樱桃树三维信息采集平台,使用2台固定的DK深度相机获取群体樱桃树彩色点云数据;提出基于颜色区域生长的二分类方法,设置颜色阈值分割点云并进行二分类处理,可有效去除彩色点云数据中的异常无效点,并设置点云离散度和RGB值,作为点云去噪评价标准;结合人工标记法和双相机位姿矩阵,提出基于颜色特征改进的ICP方法,解决传统ICP配准算法多依赖初始位姿且配准速度较慢的问题。该方法通过对点云粗配准,得到较好的初始位姿,使用SIFT算法提取颜色特征点,将颜色特征与ICP算法结合进行点云精配准,然后使用PCL中随机采样一致性算法,去除错误匹配点,有效减少配准时间,提高配准精度。以夏季和冬季的群体樱桃树20组点云数据为实验对象,对比分析ICP算法、NDT算法、SAC-IA算法和本文配准方法的配准精度和配准时间,结果表明,本文配准方法平均耗时分别为5.01、4.30s,均方根误差分别为2.316、2.100cm,有效减少了配准时间和配准误差,验证了本文算法的有效性和普适性。     

基于人工势力场和遗传算法的播种机路径规划设计

为了提高播种机对复杂地块的自适应能力,提升播种机的播种精度和播种效率,提出了适合精播机的基于子区域的折返全区域覆盖路径规划方法,并对播种机的排肥器和排种器进行了改进,以适应自动路径规划的需要。为了优化基于子区域的路径搜索方法,使用人工势场和遗传算法对寻优方法进行了优化,提高了算法的效率。为了测试该方法的有效性和可靠性,将路径规划系统安装到了播种机械上,通过对播种的测试发现,该方法实现了复杂地块播种的全区域覆盖,并且可以有效地躲避障碍物。对3种不同的算法进行对比测试发现:基于遗传算法的子区域路径规划模型的寻优效果最佳,其覆盖面积大,转弯次数少,用时少,最短时间为11.25 min,仅为其他算法时间的1/2,路径划分效率较高,满足智能化精密播种机的需求,可以在精密播种机的路径规划系统中使用。     

一种汽车车身曲面数据点云的分块方法

在测量数据点云重构车身曲面过程中,由于车身曲面复杂多变,难以直接拟合,需要对点云数据进行区域分割,分片处理。文中结合车身曲面造型特点,将一种点云分割的算法-基于平面度的直接分割方法应用于车身曲面重建中,可实现不同性质的曲面片分块。最后给出了不同的分割实例,证明了该方法的有效性。     

基于激光点云的三维虚拟果园构建方法

针对果园管理数字化程度低、构建方法较为单一等问题,本研究提出了一种基于激光点云的三维虚拟果园构建方法。首先采用手持式三维点云采集设备（3D-BOX）结合即时定位与地图构建-激光测距与测绘（Simultaneous Localization and Mapping-Lidar Odometry and Mapping,SLAM-LOAM）算法获取果园点云数据集;然后通过统计滤波算法完成点云数据离群点与噪声点的去除,并结合布料模拟算法（Cloth Simulation Filtering,CSF）与DBSCAN（Density-Based Spatial Clustering of Applications with Noise）聚类算法,实现地面去除与果树聚类分割,进而使用VoxelGrid滤波器降采样;最后利用Unity3D引擎,构建虚拟果园漫游场景,将作业机械的实时GPS（Global Positioning System）数据从WGS-84坐标系转换为高斯投影平面坐标系,并通过LineRenderer显示实时轨迹,实现作业机械运动轨迹控制与作业轨迹的可视化展示。为验证虚拟果园构建方法的有效性,在海棠果园与芒果园开展果园构建方法测试。结果表明,所提出的点云数据处理方法对海棠果树与芒果树聚类分割的准确率分别达到了95.3%与98.2%;通过与实际芒果园的果树行距、株距对比,虚拟芒果园的平均行间误差约为3.5%,平均株间误差约为6.6%。并且将Unity3D构建出的虚拟果园与实际果园相比,该方法能够有效复现果园三维实际情况,得到了较好的可视化效果,为果园的数字化建模与管理提供了一种技术方案。