振动收获过程中杏果实脱落的动态响应

为研究杏果实脱落不同阶段内的瞬时响应状态与运动状态,该文建立了杏果实-果枝双摆动力学模型,利用双机位高速摄像仪记录果实受迫振动并发生脱落全过程。理论分析与试验表明:杏果实-果枝双摆系统在振动过程中主要表现为果枝摆动、果枝扭转和果实倾摆3种运动状态,果实在空间运动的轨迹接近椭圆形。使用PCC 3.1高速视频控制分析软件获得杏果实在不同平面内相对静止原点的速度、脱落前瞬时速度和加速度数据。试验中不同平面内果实振动脱落速度变化分为3个阶段,通过MATLAB对不同平面内果实相对于静止原点的速度进行傅里叶拟合,得到整体及各阶段速度拟合曲线及相应函数,同时推导出具有完整周期的前2个阶段的速度函数周期与振幅间的关系。通过对比杏果实-果枝实际连接力,分析果实振动脱落特性,为优化杏振动收获机设计参数、提高果实采收率提供理论依据。     

断梗激励下葡萄果粒的振动脱落特性与试验

针对夹剪式鲜食葡萄采摘中的断梗振动激励引起的果粒脱落问题,对断梗激励下鲜食葡萄的振动脱落特性与动态响应进行研究。首先建立葡萄果实-分梗动力学模型,推导果实脱落的理论角速度,分析果实-果梗摆动脱落的临界分离条件。然后利用ABAQUS软件分析单颗粒葡萄在断梗激振下的动态响应与摆动趋势,探索在无挤压状态下果实形变过程,从而预测串型葡萄在断梗激励下的实际振动响应。最后对串型葡萄的简化模型进行振动有限元分析,获得葡萄果实在脱落前瞬间相对于果梗结合处的位移、速度、加速度和应力应变等数据,从而确定葡萄的临界振动脱落参数组合。通过仿真试验和采摘振动试验验证模型的准确性。结果表明：在断梗激励下,葡萄果实出现不确定的各向异性扭转摆动;对整串葡萄进行0～25 Hz的扫频分析可知受振果实的临界脱落频率约为4 Hz;受振果实摆动幅度为49.88 mm,速度峰值0.92 mm/s,加速度峰值39.08 mm/s2时开始脱落;同一激励下,虽然各个果实位置不同,但它们振动特性变化趋势相同。该研究可为防脱落采摘机构参数设计提供理论依据。     

超声波果树冠层测量定位算法与试验

本文利用姿态航向参考系统、RTK-DGPS和超声波传感器,研究超声波果树冠层扫描时探测点在大地坐标系下的定位问题,建立了定位算法以校正车身倾斜对测量点位置计算的影响。文中考虑了车体的位置和姿态角信息以及超声波传感器安装的位置角度关系,利用一次、二次坐标转换建立算法模型,求解得到超声波探测点的绝对坐标位置。并利用农用拖拉机进行了直线行走试验和果树冠层扫描试验,其中的直线行走试验验证了校正模型的正确性。试验表明：通过姿态角和位置信息等建立的校正模型,消除了车体姿态角变化的影响,能正确解算作业车上任意点的大地坐标位置和冠层上超声波传感器探测点的大地坐标位置,使作业车辆在不平路面上工作时仍能准确地测绘出果树冠层形状。     

基于双目立体视觉的机械手移栽穴盘定位方法

为了解决自动化机械手移栽过程中穴盘放置偏斜和底部局部"凸起"而引起的移栽效果不理想的问题,为机械手提供穴盘精准坐标,对穴盘准确定位方法进行研究。首先,根据机械手移栽特点提出穴盘定位总体方法及图像获取手段。其次,利用单目相机获取的图像采用像素标记法和Radon变换法计算穴盘中心坐标和角度,完成穴盘平面定位。再次,对双目相机获取的图像采用SIFT(scale invariant feature transform)特征匹配的算法获得匹配点对坐标,并提出区域整合匹配点的方法。最后,利用整合的区域双目匹配点坐标配合相机标定结果重建匹配点的三维世界坐标,并且与穴盘平面定位结果相结合完成穴盘空间位置重构。试验结果表明,提出的穴盘定位方法能够真实地恢复穴盘空间姿态,中心像素横纵坐标相对误差分别在(-7,+7)和(-6,+7)像素内,角度检测值与实测值相对误差值在(-0.51°,+0.53°)内,利用SIFT特征匹配算法匹配双目图像,在2×4区域内对8对整合匹配点进行三维世界坐标重建,其中7个坐标的三个维度与测量值相对误差在2 mm内,1个坐标与测量值相对误差为4.6 mm内。该方法所应用的算法成熟,可以满足机械手移栽实际应用处理要求。     

基于Kinect V3的单株作物自动化三维重建与验证

为高效、精确地对单株作物进行三维重建,以点云方式无损测量作物表型信息,该研究提出一种基于Kinect V3深度相机的三维重建系统。使用步进电机搭建了一个旋转台,并将旋转台面设计成多颜色同心圆,利用同心圆计算平面法向量及圆心两特征信息,用于点云水平校准以及获取点云间的旋转平移矩阵;将Kinect V3采集的多视角点云变换到同一坐标系下,并结合裁剪迭代最近点（Trimmed Iterative Closest Point,TrICP）算法实现了多视角点云的粗配准与精配准,完成了作物三维重建。为检验该研究的三维重建效果,选取菜心、黄瓜苗为试验对象,与多视图立体视觉-运动恢复结构（Multi-View Stereo and Structure From Motion,MVS-SFM）算法重建点云进行对比,并提取叶面积参数与人工测量值进行比较。结果表明,两种方法下重建后的菜心点云间平均距离误差为0.59 cm,黄瓜苗点云间平均距离误差为0.67 cm,具有较高的相似度,而相较于MVS-SFM算法,该研究提出的方法的重建速度提高了约90%;该研究提出的方法所重建点云,菜心叶面积提取与标准参考值相对误差均值为5.88%,均方根误差为3.83 cm2,黄瓜苗叶面积提取与标准参考值相对误差均值别为6.50%,均方根误差为2.08 cm2,都显现出较高的准确性。该研究提出的方法能对单株作物进行快速三维重建,能有效提取叶面积参数,可为作物育种、栽培和农业生产提供高效技术手段和数据支持。     

芒果采收车机械臂运动特性分析及试验

为提高芒果采收车机械化采摘的适应性,该研究采用多体动力学理论方法对其机械臂的运动特性进行分析。首先,结合芒果生长和农艺特征及采摘机械臂几何构型与向量特性,运用D-H法建立了机械臂运动学模型以探索其运动特性,并进行末端执行器运动轨迹规划。轨迹规划结果表明末端执行器运动平稳,满足芒果采摘运动要求。进一步地,利用拉格朗日法构建了机械臂的动力学模型,对其进行了正逆动力学仿真验证,以深入了解机械臂的关节运动特性。动力学分析结果表明,在恒力矩工况下,伸缩装置和摆动装置的运动呈现一定的周期性,摆动装置、旋转装置角加速度和伸缩装置加速度均约在1.25、2.3、4.15 s达到阶段峰值;在仅做摆动周期运动的情况下,旋转装置、摆动装置所受驱动力矩均近似呈周期性变化,峰值分别为72.5与52 N·mm,且在一个运动周期内,均有两个极大值点。对机械臂结构进行仿真模态计算和模态试验,结果表明前六阶固有频率误差在5%以内,验证了芒果采收车机械臂多体动力学仿真建模的准确性。研究结果可为保证有效实现机械臂的采摘效果及提高其可靠性与稳定性提供依据。     

枸杞振动采收机理分析与试验

为深入研究枸杞振动采收机理,该文基于果-蒂分离条件及枸杞枝条间的动态传递特性进行试验研究分析,获得枸杞振动采收条件。利用振动分离试验台进行结果枝果-蒂振动分离试验,探寻最优采摘效果的振动参数组合,即激振频率18.22 Hz、激振振幅7.87 mm和枝条通过装置的行进速度20.93 mm/s,分析该组合参数下结果枝的加速度响应,获得枸杞果-蒂分离条件。在田间采用高速摄像系统对枸杞枝条间的振动传递情况进行跟踪拍摄,并用高速运动分析软件Pro Analyst对枸杞枝条的动态响应进行分析,获得枸杞三级枝和结果枝(四级枝)的加速度响应关系。对试验结果进行分析,获得了不同激振情况下枸杞振动采收所需加速度,即当所有结果枝被直接激振时,被激振处的加速度需要达到518.38~551.06 m/s~2,结果枝末端加速度需要达到347.64~390.56 m/s~2;当存在结果枝未被直接激振,而三级枝全部被直接激振时,三级枝被激振处加速度需要达到1 738.20~1 952.80 m/s~2。该文研究结果可为枸杞机械化采收提供参考。     

基于RGB-D相机的脐橙实时识别定位与分级方法

为实现脐橙采摘机器人对脐橙果实进行实时识别、定位和分级采摘的需求,该研究提出了一种基于RGB-D相机数据的脐橙果实实时识别、定位及分级的OrangePointSeg算法。首先利用微软最新消费级深度相机（Azure Kinect DK）采集脐橙果实的RGB-D数据,建立脐橙果实实例分割数据集及增强数据集。然后通过改进YOLACT算法对脐橙果实进行实时分割并生成实例掩膜,与配准后的深度图裁剪得到果实深度点云,再利用最小二乘法进行脐橙果实外形拟合,得到其相机坐标系下质心坐标及半径。试验结果表明,在果实识别阶段,改进YOLACT算法在该数据集上的检测速度为44.63帧/s,平均精度为31.15%。在果实定位阶段,1 400～2 000点云数量时的拟合时间为1.99 ms,定位误差为0.49 cm,拟合出的半径均方根误差为0.43 cm,体积均方根误差为52.6 mL,在大于800点云数量和距离1 m以内时,定位误差均控制在0.46 cm以内。最后通过引入并行化计算,OrangePointSeg的总体处理速度为29.4帧/s,能够较好地实现精度与速度的平衡,利于实际应用和工程部署。该研究成果可推广至其他类似形态学特征的果实识别中,为果园的智能化管理提供行之有效的技术支撑。     

多旋翼植保无人机悬停下洗气流对雾滴运动规律的影响

多旋翼植保无人飞机在农药喷洒和授粉作业等相关领域已开展广泛应用,但存在风场分布不明晰导致的分布不均问题。针对六旋翼植保无人飞机,结合雷诺平均N-S方程及Realizable k-ε湍流模型,建立了下洗气流三维数学模型,风场测试及非定常计算表明特征点z向速度的测量和模拟值相对误差在9%以内,验证了风场数值计算的可靠性;在机翼旋转诱导及外界气压的挤压下,下洗气流纵向主截面呈现出"收缩-扩张-再收缩"现象;"旋翼间干扰"使得下洗风场湍流效应明显,横截面的旋翼间区域出现了气流"引入"及"导出"区。引入雾滴离散相,并对连续相进行动量、能量方程修正,建立喷头含雾滴离散相的两相流模型,结合喷头喷幅试验来验证了该两相流模型计算雾滴运动轨迹的有效性;结果表明,粒径越小,雾滴水平方向分速度衰减越快,喷幅越小;雾滴粒径越大,竖直方向的最终分速度越大。建立了六旋翼植保无人飞机悬停条件下含雾滴离散相的三维两相流模型,计算分析表明,雾滴主要分布在"旋翼间干扰"明显的3个"引入区"、3个"导出区",下洗区内侧雾滴群交织,外侧大雾滴周向水平行程更大进而分布在外围;当雾滴粒径小于200?m时,雾滴运动范围无法覆盖全部的"引入区",雾滴多分布在下洗区中心;当雾滴粒径大于250?m时,雾滴运动区域逐渐覆盖所有"引入区"、"导出区"。该研究可为飞行施药过程中迎风气流、下洗气流、瞬时横风耦合风场扰动下雾滴的漂移、沉积研究提供参考。     

端曲面齿轮-连杆复合机构的特性分析与应用

为研究异形齿轮及其与其他机构复合之后的运动特性,以典型异形齿轮—端曲面齿轮副为例进行研究,根据其相交轴间变传动比的特点结合连杆机构,提出了一种可同时实现预期运动轨迹和运动速度的运动形式,端曲面齿轮—连杆复合运动机构。建立了复合运动机构的传动坐标系,以坐标变换为基础推导了复合机构运动方程,通过矩阵实验软件(matrixlaboratory,MATLAB)分析了复合运动机构的位移、速度和加速度的影响因子及其变化规律。并基于复合机构的传动特性,设计了一种饲草压捆机捆压机构;采用Solidworks和机械系统动力学自动分析(automatic dynamic analysis of mechanical systems,ADAMS)进行仿真加工,构建了该机构的仿真模型并进行运动仿真分析,同时加工了齿轮副部分进行试验,将试验结果与MATLAB的理论结果、ADAMS的仿真结果对比,得到的位移误差为0、速度误差为3.4%、加速度误差为3.6%,验证了理论分析的正确性,该研究在齿轮机构与连杆机构的复合运动、机构简化方面具有指导意义。     

基于体感交互的仿上肢采摘机器人系统设计与仿真

为提高农业自动化程度,保持农业机械化水平,提高农业生产效率,该文设计了一种基于仿生学,能够实时模仿人类上肢采摘行为的果实采摘机器人系统。该文首先分析了当操作者的采摘动作发生时,系统利用深度相机Kinect采集人体关节骨架信息,通过空间向量计算,计算出关节的位置偏移量和骨骼转动角度等信息,利用这些特征构建人体三维骨架模型;其次分析了人体上肢的生理学结构和自由度,依据仿生学的特点建立了人体上肢五自由度运动学模型。系统将识别到的动作指令发送到动作执行模块,带动机械臂的转动。最后,为了验证模型的有效性,进行了机器人动作模仿仿真试验,统计了系统对动作的识别率。分析结果表明,系统对采摘动作的平均识别率为90%以上,从而验证了原理设计的有效性。该系统设计可为五自由度机械臂模型的开发和控制提供参考。     

基于改进的轻量化卷积神经网络火龙果检测方法

在自然环境下对火龙果进行实时检测是实现火龙果自动化采摘的必要条件之一。该研究提出了一种轻量级卷积神经网络YOLOv4- LITE火龙果检测方法。YOLOv4集成了多种优化策略,YOLOv4的检测准确率比传统的YOLOv3高出10%。但是YOLOv4的骨干网络复杂,计算量大,模型体积较大,不适合部署在嵌入式设备中进行实时检测。将YOLOv4的骨干网络CSPDarknet-53替换为MobileNet-v3,MobileNet-v3提取特征可以显著提高YOLOv4的检测速度。为了提高小目标的检测精度,分别设置在网络第39层以及第46层进行上采样特征融合。使用2 513张不同遮挡环境下的火龙果图像作为数据集进行训练测试,试验结果表明,该研究提出的轻量级YOLOv4-LITE模型 Average Precision（AP）值为96.48%,F1值为95%,平均交并比为81.09%,模型大小仅为2.7 MB。同时对比分析不同骨干网络,MobileNet-v3检测速度大幅度提升,比YOLOv4的原CSPDarknet-53平均检测时间减少了132.33 ms。YOLOv4-LITE在GPU上检测一幅1 200×900的图像只需要2.28 ms,可以在自然环境下实时检测,具有较强的鲁棒性。相比现有的目标检测算法,YOLOv4-LITE的检测速度是SSD-300的9.5倍,是Faster-RCNN的14.3倍。进一步分析了多尺度预测对模型性能的影响,利用4个不同尺度特征图融合预测,相比YOLOv4-LITE平均检测精度提高了0.81%,但是平均检测时间增加了10.33 ms,模型大小增加了7.4 MB。因此,增加多尺度预测虽然提高了检测精度,但是检测时间也随之增加。总体结果表明,该研究提出的轻量级YOLOv4-LITE在检测速度、检测精度和模型大小方面具有显著优势,可应用于自然环境下火龙果检测。     

柴油机活塞二阶运动对内冷油腔机油振荡流动与传热的影响

柴油机活塞的二阶运动不仅影响活塞侧击力、摩擦磨损、机油耗和漏气量,而且还对活塞内冷油腔内机油的振荡流动与传热性能产生影响。在活塞动力学与运动学分析的基础上,结合活塞内冷油腔内的振荡传热性能模拟试验结果,采用计算流体力学仿真方法,建立了包含往复运动与二阶运动的计算流体力学仿真模型,研究了活塞二阶运动对内冷油腔内机油的振荡流动与传热性能的影响规律。研究结果发现,二阶运动的径向运动主要影响内冷油腔中机油的振荡流动,偏摆运动主要影响内冷油腔的瞬时换热性能。二阶运动使内冷油腔的瞬时充油率降低,循环平均降低4.6%。对油腔壁面的瞬时换热性能影响很大,最大的变化幅值为24.9%。对于整个换热过程,虽然充油率降低,但平均换热系数变化不大。因此,二阶运动对内冷油腔综合换热性能的影响可以忽略不计。该研究可为耐高温高强度铝合金活塞的设计提供理论和技术参考。     

油菜精量直播机凸轮摇杆式播量调节机构设计与试验

针对不同区域的油菜种植农艺差异、不同播期播量差异及播量范围变化大的生产实际,该文设计了一种输出轴与输入轴转速速比范围为0.1～0.45的凸轮摇杆式油菜精量直播机播量调节装置。解析了调节机构的基本运动原理,分析了凸轮摇杆机构凸轮轮廓曲线及从动件运动规律,所设计凸轮轮廓曲线呈纺锤形,从动件位移曲线为螺旋曲线,从动件速度变化曲线为一峰三柱点曲线,从动件角速度变化曲线为2条不同振幅与频率的正弦曲线合并而成。开展了播量调节装置速比精确性和对排种器排种性能影响试验。试验结果表明,不同输入轴转速下,速比为0.2～0.45时播量调节装置输出轴转速相对误差值对比速比为0.1～0.2时较小,平均误差低于3.8%;不同输入轴转速、种床带前进速度下播量调节装置对排种器排种性能影响较小,播量调节装置可实现油菜不同播量需求。预调播量为5 500和6 720 g/hm2进行田间试验,结果表明,油菜各行1 m内平均苗数为16和20,符合预调播量;各行苗数一致性变异系数为6.48%和8.19%,播量调节装置满足油菜对变量播种的农艺要求。     

仿螃蟹步行机构及其通过性试验

仿生步行机构的研究对于复杂地形的行走机构开发具有十分重要的意义。为了设计出性能优越、结构简单的仿生步行机构,通过分析中华绒螯蟹的行走步态,提出了仿螃蟹步行机构的设计方案。由于螃蟹尾端的两只步足较少参与行走,为简化设计,将步行机构设计成6足式,腿部运动由六连杆机构实现。利用三维建模软件CATIA建立了步行机构整体模型,并在ADAMS中完成了运动学分析,得到步行机构足端运动轨迹,结果表明该步行机构能够完成预期的动作。根据设计加工出样机,在非常规地面上与轮式模型车进行通过性对比试验,结果表明仿螃蟹步行机构在农业生产所涉及的松软地面上具有较高的通过性能,在崎岖硬地面上波动比轮式模型车降低5%~75%。该步行机构还可作为试验平台,通过对其腿部杆件尺寸和足端触地方式的优化,为开展提高步行机构在不同地面通过性提供基础研究设备条件。     

原粮包装机凸轮撑袋机构的设计与试验

针对定量原粮包装机由不同气缸分别驱动撑袋机构与夹袋机构,导致同步难、效率低、低温环境下气动系统易结露、以及工作环境粉尘较大而引起的气动部件动作迟缓甚至失灵等问题,该研究设计了一种随夹袋机构同步运动的凸轮撑袋机构。利用一台电机驱动平面六杆机构带动凸轮撑袋机构与夹袋机构,实现撑袋、夹袋和复位的同步运动;基于几何坐标变换和矢量法建立撑袋机构的凸轮工作廓线参数方程和空间凸轮机构的压力角求解方法,确定撑袋运动规律和凸轮工作廓线;建立凸轮撑袋机构三维模型,利用ADAMS软件对凸轮撑袋机构的撑袋运动规律进行仿真分析,结果表明：撑袋运动规律理论计算与仿真分析结果基本一致,最大压力角23°小于许用压力角,满足机构工作要求;开展气缸驱动与电机驱动撑夹袋机构的对比试验,得到后者的生产率达10袋/min,验证了机构设计的合理性,研究可为北方寒区原粮包装机设计提供一种设计思路和理论分析方法。     

桁架式可移动作物生长远程监控系统设计

针对固定式图像采集设备终端在实时采集过程中存在的采集角度和范围有限等问题,研究开发了一种固定桁架式地面移动多点作物图像远程获取系统。系统采用网络摄像机和电动变焦镜头作为图像摄取设备,通过全方位智能控制云台、螺旋四杆机构和水平滑块导轨机构的设计与选型,建立了作物图像摄取设备的水平移动、垂直移动、360°空间转动、俯仰运动等子系统。开发了远程控制软件,建立了作物图像数据库和远程管理系统,实现了监测区域内所有植株不同部位图像信息的远程控制获取和管理。系统在温室中进行了运行测试,运行正常可靠。该系统可为作物远程在线水肥诊断提供了一种空间移动多点实时监测和远程管理平台。     

三维激振果品采收机构优化设计与试验

振动式采收因其能够快速有效地使果品脱落而成为目前常用的果品采收机构,但其采收效率仍然不高.本文提出通过三维激振载荷对果树同时施加沿树枝径向和轴向的激振作用,利用ANSYS建立果树模型,分析比较了一维、二维和三维激振载荷下果树上各点的加速度响应.根据三维激振位移载荷的生成方法及其果树动力学仿真结果,设计了三维激振采收机构,并基于遗传算法对该机构尺寸进行优化,以达到最大的输出加速度目标.最后加工了三维激振果品采收机构样机,并开展田间果树加速度响应试验,结果显示三维激振果品采收机构与偏心振动电机对果树激振的平均加速度变异系数分别为0.67和0.72,表明用三维激振采收方式能使果树各分支加速度分布更均匀,从而减少逐个树枝激振的次数,提高采收效率.