轮式农业机械自动转向控制系统研究

以日本久保田SPU－60型插秧机为对象进行轮式农业机械自动转向控制研究,提出了基于速度的自适应PD控制方法,利用航向偏差作为控制器输入,控制器可根据插秧机行进速度在线调整其PD参数,进而输出前轮期望偏角。仿真和试验结果表明,该方法可以较好地适应农业机械作业速度的变化,提高其转向的快速响应特性和稳定性,航向跟踪效果好。该研究为进一步开展轮式农业机械自动导航控制研究提供了依据。     

水产养殖自动导航无人明轮船航向的多模自适应控制

为降低水产养殖行业劳动作业强度和人力成本,解决劳动力日益匮乏的问题、提高鱼塘投饵效率和投饵均匀度,对适用于水产养殖的水面作业艇-明轮船的航行控制进行研究。为克服明轮船运动过程中航速、航向强耦合,给出改进的明轮船控制系统方案,实现航向、航速之间的解耦,建立明轮船航向系统的动态响应数学模型。根据明轮船的工作特点,对明轮船进行多模自适应控制,用计算机软件进行仿真和实船试验,并与PD(proportion differentiation)控制进行比较。通过仿真和试验的结果,证明所设计的控制器能解除明轮船的耦合效应,船速超调量不超过5%,稳态误差在3%以内,直线航行时的航向误差在3?以内。数据表明多模自适应控制方法能够对明轮船航行进行较好的控制,效果优于PD控制。     

农业机械自动导航技术研究进展

农业机械自动导航是精准农业技术体系中的一项核心关键技术,广泛应用于耕作、播种、施肥、喷药、收获等农业生产过程。农机位置测量方法、农机模型与导航路径跟踪控制方法是农业机械自动导航技术的研究重点,受到国内外科研人员的广泛关注。农机位置测量主要有相对测量和绝对测量二类方法,前者以基于机器视觉的测量方法为代表,主要利用图像处理技术识别作物行,进而确定导航基准线,实现农机与作物的相对位置与航向信息的测量;后者则以基于全球导航卫星系统的测量方法为代表,利用卫星定位技术实现农机位置的高精度测量,在农业生产中应用最为广泛;而面对复杂的田间环境变化,在位置测量中应用多传感器数据融合技术通常可以得到更好的测量结果。导航路径跟踪控制通常以农机运动学模型或动力学模型为核心,多采用最优控制、最优估计、自适应控制、人工神经网络、模糊控制、鲁棒控制等现代控制理论与方法;而无模型控制方法则可以避免建模不准确或者模型参数剧烈变化对农机路径跟踪控制性能所产生的负面影响。该文从上述2个方面综述分析了农业机械自动导航技术的研究现状及存在的问题,并对未来农机导航技术的发展做出了展望,指出采用卫星导航技术,开展农机地头自动转向控制、障碍物探测及主动避障、多机协同导航等高级导航技术研究,以及引入先进的物联网技术,是现代农机自动导航技术发展的主要趋势。     

农业机械机器视觉导航研究

该文对农业机械机器视觉导航的关键问题图像处理和路径控制进行了深入的研究,采用基于Hough变换和动态窗口技术的图像处理算法提取自然环境下的导航特征,根据系统辨识试验的结果和农业机械机器视觉导航的特点建立了仿真模型,并在通用型轮式拖拉机上建立试验系统对图像处理和控制算法进行验证,取得了良好的试验结果.     

农业机械导航路径跟踪控制方法研究进展

路径跟踪控制技术作为农业机械导航的核心,是提高控制系统控制精度和对环境适应性的关键,可提高农机具作业精度和效率,同时可避免重复作业和遗漏现象,减少农业生产资料浪费。该文根据农业机械导航路径跟踪控制方法中是否涉及农机模型,将路径跟踪控制技术分为与农机运动学模型相关、与农机动力学模型相关以及与模型无关的路径跟踪控制方法。通过对原理的解析明确了各类控制方法的优缺点,及对现有解决方案进行了总结分析,指出了现有方案存在共性或个性问题,由此完成了对现阶段国内外针对农业机械导航路径跟踪控制方法的研究进展的阐述。通过对各类控制方法适用性及农机导航产品发展现状的分析,提出了农机导航路径跟踪控制方法的发展展望,以期为后续路径跟踪控制方法的研究提供指导性方向和有针对性的参考,具体如下：1）明确了现有模型对农机运动过程描述的局限性,指出高精度农机模型研究的必要性;2）为提升控制方法自适应性和鲁棒性,研究需从常规工况向极限工况和复杂工况拓展;3）明确单一控制方法的局限性,明确多方法融合控制的发展趋势。     

农业机械室内动态模拟试验装置研制

为研究地面不平度对土壤机器系统工作性能的影响,研制了一套属无静差随动系统动态模拟试验装置,它主要由信号处理,输入环节,脉宽调节电路,驱动电路,电流传感器,位移传感器反馈环节等组成。该装置用于试验研究田间作业机械低频(≤10Hz)大振幅(≤100mm)信号的动态响应特性,试验表明,模拟精度较高。     

农业机械全方位视觉定位系统的定位算法

农业机械全方位视觉定位系统根据标识方位角角度估算传感器相对于标识坐标系的绝对位置,包括系统校正、除噪、标识特征提取、方位角度估算和定位算法,其中定位算法是实现农业机械全方位视觉定位系统的关键部分。该文主要研究了4个标识和3个标识的定位算法,并通过室外30m×30m平地上的定点试验和传感器倾斜试验验证定位精度及传感器倾斜对定位精度的影响。试验结果表明,试验点坐标的估算值与实测值之间距离的均方根误差与平均绝对误差分别为14.75和14.06cm,最大绝对误差为25.72cm;倾斜角度越大,对定位精度的影响越大。研究表明本文定位算法是可行的,且算法简单、运行速度快;实用中当传感器倾斜角度大于5°或者凹凸不平明显的作业环境中,有必要考虑传感器倾斜造成的定位误差的补偿。     

基于无人机航向的不规则区域作业航线规划算法与验证

为尽可能地减少飞行总距离和多余覆盖面积,节省无人机的能耗和药液消耗,研究了一种基于作业方向的不规则区域作业航线规划算法。该算法根据指定的作业方向,可快速规划出较优的作业航线,也可在未指定作业方向的情况下,给出某一推荐的作业方向与航线,使整个作业过程能耗和药耗最优。仿真结果表明,在一块面积为983.125 m2的不规则凸五边形作业区域内,采用该算法进行航线规划,无人机作业的多余覆盖率最低可达到11.5%,而且作业面积越大,优化效果越明显,在同样的地块进行田间试验,得到最低多余覆盖率为2.8%,证明了该算法的可行性。该研究可为自主作业无人机的航线规划算法提供参考。     

玉米行间导航线实时提取

针对高地隙植保机底盘玉米田间植保作业压苗严重的现象,该研究提出了基于车轮正前方可行走动态感兴趣区域（Region of Interest,ROI）的玉米行导航线实时提取算法。首先将获取的玉米苗带图像进行像素归一化,采用过绿算法和最大类间方差法分割玉米与背景,并通过形态学处理对图像进行增强和去噪;然后对视频第1帧图像应用垂直投影法确定静态ROI区域,并在静态ROI区域内利用特征点聚类算法拟合作物行识别线,基于已识别的玉米行识别线更新和优化动态ROI区域,实现动态ROI区域的动态迁移;最后在动态ROI区域内采用最小二乘法获取高地隙植保机底盘玉米行间导航线。试验表明,该算法具有较好的抗干扰性能,能够很好地适应较为复杂的田间环境,导航线提取准确率为96%,处理一帧分辨率为1 920像素×1 080像素图像平均耗时97.56 ms,该研究提出的算法能够为高地隙植保机车轮沿玉米垄间行走提供可靠、实时的导航路径。     

绿色技术在农业机械工程中的应用与推广

绿色技术在农业机械工程中具有较高的应用价值.为促进我国农业机械工程事业的稳步可持续发展,对绿色技术与农业机械工程相关内容进行概述,分析绿色技术在农业机械工程中的应用意义,并在绿色维修技术、网络协同技术、虚拟样机技术和绿色自动化技术应用的基础上,提出发挥政府的引导作用、发挥企业的主体作用、发挥高校的教育作用等推广措施.     

农机跨区作业紧急调配算法适宜性选择

目前农机跨区紧急作业中供需信息不对称,农机部门缺乏科学合理的紧急调配方案,无法在紧急状况下指导农机进行及时有效的调配。针对上述问题,该文研究了农机跨区作业紧急调配模型和算法。首先分析了多机多任务紧急调配过程,建立了以最小化调配成本和损失为目标的紧急调配模型,提出了基于距离最近优先的多机多任务紧急调配算法(shortest-distance first algorithm,SDFA)和基于贡献度最大优先的多机多任务紧急调配算法(max-ability first algorithm,MAFA),前者是搜索当前距离最近的农田和农机,进行优先分配,后者是搜索当前贡献度最大的农田和农机并进行优先分配。采用该文算法对河北省邯郸市2017年的真实数据以及随机生成的农田和农机实例库进行计算与分析可知,当农机数量充足时,算法MAFA的平均调配成本要比SDFA的平均调配成本降低4.34%。当农机不足时,SDFA的平均损失和平均调配成本要比MAFA的平均损失和平均调配成本分别下降了12.79%和4.11%。进一步验证可知,当农田数量为6时,上述2种算法比笔者之前提出的基于非合作博弈紧急调配算法(non-cooperative game algorithm,NCGA)的平均运算性能均提升25%以上,当农田数量为30时,性能均提升41%。该研究可为农机管理部门紧急调配与决策分析提供科学依据。     

无人农机作业环境感知技术综述

推进农业装备智能化能够有效解决农业劳动力短缺的问题。环境感知是农业装备智能化的首要条件。然而,农业环境的动态变化和非结构化特性限制了无人农机的环境感知能力。该文对无人农机的作业环境信息感知技术进行全面梳理,首先介绍了无人农机作业环境的典型要素和各类感知传感器,并分析了不同传感器的优缺点,然后分别从障碍物感知、作物行感知和农田边界及高程信息感知等方面,对无人农机作业环境信息感知技术进行归纳总结,最后讨论了无人农机作业环境信息感知技术面临的挑战及发展趋势,旨在推动环境感知技术在农业领域的应用,促进农业机械的智能化转型。     

农机购置补贴对农户购机投入模型与影响分析

农业机械购置补贴是一项重要的现行农业政策,但现有文献对补贴效果的时空差异、农机类型差异和内生性问题讨论不足。为了更准确地评估政策效果,并分析政策效果的时空差异和农机类型差异,该研究基于国家油菜产业体系18省（区）农户固定观察点3 287个农户2008－2018年之间15 089个样本的大样本调查数据,采用非平衡面板固定效应模型、面板高维固定效应模型、Box-Cox模型和分位数回归模型,考察了农业机械购置补贴对农户农业机械购置金额投入在不同年度、地形区域和不同类型农机具之间的差异化影响,并分别采用面板工具变量固定效应模型、面板Tobit固定效应模型和Heckman样本选择模型进行了稳健性检验。结果显示：1）农机补贴金额对农户农机购置投入金额的边际效应为2.530 8,激励效应显著,有效带动了农户购机投入;2）补贴在平原县的边际效应为1.408 5,在丘陵山区县的边际效应为3.108 2,在平原地区和丘陵山区之间存在显著差异;3）补贴的激励效应在年度间存在明显波动,部分年份表现为挤出效应;4）补贴效果总体上随着农机具价值增加而增强,对大中型农机具的政策效果更高。因此,建议未来继续实施农机补贴政策,并继续坚持向非平原地区和大中型农机具适当倾斜,对农机生产企业研发丘陵山区机械化所需机型和大型先进农机具给予适当研发补贴,鼓励各地在农机补贴新产品补贴试点目录中及时纳入丘陵山区适用机型和大型先进农机具,加快新产品转化和推广应用步伐,同时,根据补贴实施情况和农机化发展情况不断调整完善补贴方式。     

农田作业机械测速方法试验

实时对地速度测量是精准农业智能装备必备的一项功能。该研究的目的是评价不同农田作业机械地速测量传感器的性能情况,选用多普勒雷达、霍尔元件、RTK-GPS、RTD-GPS和单点定位GPS 5种不同测速设备,在小麦地、翻耕地、未耕地和水泥地等4种典型地表环境下进行农田作业机械测速性能试验。试验结果表明：在作业机械匀速行驶过程中,差分GPS（RTK-GPS和RTD-GPS）输出的速度值变异系数较大,单点定位 GPS、雷达与霍尔元件传感器输出的速度值相对稳定,与平均速度接近。而在作业机械加速和减速过程中,各种传感器测速误差均增大,其中单点定位GPS速度误差和测速延迟显著增大。田间试验和分析表明,低成本单点定位GPS和霍尔元件在正常旱田作业条件下,可以作为精准农业智能装备有效的测速手段。     

基于不同农业经营主体的农业绿色生产机械购置行为

农业绿色生产是农业绿色发展的重要内容,而绿色生产机械的购置与运用是农业绿色生产的关键,基于不同农业经营主体的农业绿色生产机械购置行为研究,有助于提升相关政策的有效性和针对性。文章基于计划行为理论,提出了理论假设,构建了结构方程模型,通过社会调查获得数据,运用AMOS软件,对模型进行了检验,对假设进行了验证。计算结果显示,"行为态度"、"主观规范"、"知觉行为控制"3个潜变量和"购置意愿"潜变量之间的路径系数分别为-0.208、0.5、0.434,"购置意愿"和"购置行为"之间的路径系数为0.693,"身份"、"经营规模"个体特征变量和"购置意愿"之间的路径系数分别为0.146、0.053。研究认为,农业经营主体购置农业绿色生产机械的行为意愿受主观规范影响最大,也比较显著;感知行为控制的影响次之,行为态度和购置意愿关系失调。购置意愿和购置行为呈显著正向关系。农业经营主体的个性特征对购置意愿的影响存在差异,其中,身份和经营规模显著影响购置意愿,文化程度和年龄对购置意愿的影响不显著。因此,应培育农业绿色生产机械购置与使用主体,强化绿色生产宣传和典型示范,完善绿色生态导向的补贴政策,形成绿色生产机械有效需求和有效供给,推动绿色生产机械的购置与使用,助力农业绿色发展。     

无人驾驶农机自主作业路径规划方法

针对无人驾驶农机自主作业的应用需求,该研究设计了一种基于区块套行作业模式的路径规划方法,以生成含有速度指令和机具状态指令的可执行路径,重点解决田内作业的四边形地块适应性、无人驾驶农机适应性和农田作业路径完整规划等问题。该方法由农田信息处理模块和路径规划模块组成,农田信息处理模块将测绘产生的地块轮廓数据和障碍物数据处理为便于运算的地块轮廓点数据和障碍物轮廓点数据形式,然后由路径规划模块利用用户输入的作业方向、作业幅宽、转弯半径和起始方位等作业参数,经过作业梯形区生成、掉头区与作业区划分、作业条带分割、障碍物条带处理、作业条带路由、掉头路径生成和最终指令路径生成等子模块,最终生成无人驾驶农机的指令路径。仿真试验结果表明,相对于相邻法,该方法的作业面积比及作业路程比分别提升了10.0%和8.8%。播种作业田间试验结果表明,无人驾驶农机自主作业的横向偏差的均值和标准差分别为左偏0.002和0.027 m,满足作业要求。研究结果表明,该研究提出的方法适应不同的四边形农田和障碍物,可以结合不同的作业参数完成路径规划,能够满足无人驾驶农机自主作业的需求。     

基于区块链的农机跨区域调度模型构建与应用

由于各区域之间的调度策略与农产品种类存在差异使得相互之间难以管理,因此农机跨区域调度呈现无中心的管理模式。且由于区域之间距离较远导致个体农户与调度方之间难以建立信任关系,从而无法充分利用已有的农机资源,难以有效降低各区域农机的购买成本。针对上述问题,该研究构建了基于区块链的农机跨区域调度系统。首先,对农机的调度成本进行分析,建立以农机数量、农机需求量与机手数量为约束条件的农机跨区域调度模型;然后以调度成本最小化为目标,采用基于最短距离的农机跨区域调度匹配方法求解农机调度方案,并通过区块链智能合约自动执行调度匹配算法;最后根据江苏省宜兴市与安徽省广德市的农田与农机数据以及随机生成的调度任务进行仿真试验,并与区域内的调度成本与农机利用率进行对比。结果表明：区块链的去中心化特点可以满足无中心的跨区域调度需求,其身份认证机制与高透明度、不可篡改的技术特性可为用户提供技术上的信任保障。在各区域农机总量充足的情况下,跨区域调度可以减少农机购买成本,并将农机利用率提升至90%,相较于域内调度,跨区域调度的投入成本随着任务数的增加而下降,当任务数为10时,成本下降大约21.3%。研究结果可为农机跨区域调度模式的建立提供科学依据。     

基于GPS轨迹的农机垄间作业重叠与遗漏评价

为了有效评估农机作业过程的重漏程度,该文采用地理信息系统的空间分析方法,基于GPS轨迹数据分析农机垄间作业重叠区域面积和作业遗漏区域面积,提出表征农机作业完整性、无重叠的量化评估指标,即作业重叠率和作业遗漏率。基于农田作业机械GPS轨迹的历史数据,分别计算多个地块不同农作管理过程中的作业重叠率和作业遗漏率。其中,小麦收获作业重叠率高于遗漏率,最高作业重叠率达13.30%;施肥作业遗漏率高于重叠率,最高作业遗漏率达13.80%;喷药作业重叠率高于遗漏率,最高作业重叠率达12.93%,上述结果与实际作业情况相符。结果表明,农田作业机械无导航情况下的作业重叠与遗漏显著,导致作业成本高、作业效率低,甚至会影响农田环境安全。该研究方法为农机作业过程监管提供有效地评价技术手段。     

农业机械污染排放控制技术的现状与展望

农业机械作为一种重要的非道路机械类型,其主要动力源为柴油机,而柴油机固有的燃烧方式会导致其颗粒物(PM)和氮氧化物(NOx)等污染物排放严重,开展农业机械污染排放控制技术的研究对人体健康和环境保护均具有重要意义。该文从农业机械排放法规、降低农业机械污染排放的单项技术路线、满足更高排放限值要求的组合技术路线3个方面进行阐述。农业机械排放法规分析了欧盟、美国和中国法规对排放限值和测试循环的要求以及各国法规的差异。中国目前正在实施的农业机械国III排放标准,与欧盟的Stage IV和美国Tier IV标准相比,排放限值相对宽松;欧盟农业机械排放法规的NRSC测试循环主要包括8工况循环和5工况循环,而中国和美国规定,19 k W以下的非恒定转速的农业机械柴油机也可使用6工况循环进行测试;欧盟和中国规定污染物测量的最终结果为冷启动循环结果的10%和热启动循环结果的90%的加权,而美国将冷启动循环结果的比例调低至5%。单项技术路线对油品技术、机内净化技术和机外排气后处理技术进行了介绍。其中,油品技术包括提升燃油和润滑油品质、采用替代燃料等;机内净化技术包括农业机械柴油机本体优化设计、增压及增压中冷、燃油喷射优化和废气再循环(exhaust gas recirculation,EGR)等;机外排气后处理技术包括柴油机氧化催化转化技术(diesel oxidation catalyst,DOC)、柴油机颗粒捕集技术(diesel particulate filter,DPF)和选择性催化还原技术(selective catalytic reduction,SCR)等。组合技术路线总结了满足国III和国IV阶段以及国外最新排放标准的技术路线。"优化燃烧+SCR"技术路线的柴油机比采用"EGR+DPF/CDPF"技术路线的柴油机节省5%~7%的油耗,若扣除尿素消耗,前者仍有一定节油优势;模块构建和单体式后处理系统等先进的农业机械污染排放控制技术是满足Stage IV/Tier IV和Stage V的重要技术路线。最后,针对农业机械污染排放控制技术研究,进行了总结和展望。为满足未来国IV排放标准,加装机外排气后处理催化器已经成为一种重要手段;开发低成本、高净化效率的集成式机外排气后处理催化器,是未来农业机械污染排放控制的重要研究方向。