丸粒化包衣种子识别检测系统设计与试验

由于存在包衣配方不统一、包衣机自动化水平低等问题,目前我国种子包衣合格率检测精度和效率较低。为此设计了一套丸粒化包衣种子识别检测系统,针对形状为类球体的包衣种子进行识别。首先,搭建拍摄平台,拍摄的图像传输至识别控制系统中进行图像前期处理。其次,根据图像处理后不同类型包衣种子特征提出了一种识别检测算法,根据破损包衣种子与其它包衣种子图像面积比例的差异,利用高级形态学处理实现破损包衣种子的识别。根据多籽种子与合格种子颗粒像素值的差异实现对多籽种子以及合格种子的识别。最后,对种子总数、合格数、多籽种子数及破损种子数进行检测,计算得到包衣合格率。以红三叶种子进行试验,结果表明：整套系统图像采集、处理与识别时间约为3s;运用高级形态学处理识别破损包衣种子准确率达98.8%;当试验样本为200粒时,总数识别算法的准确率达到99.1%;对合格包衣种子以及多籽包衣种子识别相对误差分别为1.18%与3.36%。该识别检测系统实现了拍摄、图像处理、检测识别以及结果保存等功能,实现了包衣种子的无损检测。     

基于XGBoost-Shapley的玉米不同生育期LAI遥感估算

针对当前快速准确获取叶面积指数（Leaf area index, LAI）时大部分遥感预测方法将光谱信息作为模型主要特征,忽略时序变化特征的问题,利用无人机搭载五通道多光谱相机获取研究区玉米不同生育期的影像数据,基于该数据计算玉米相应生育期植被指数,然后采用植被指数建立各生育期子模型,采用Shapley理论计算子模型均方根误差对全生育期模型均方根误差的贡献度,从而确定各子模型权重,根据权重组合形成具有LAI时序变化特征的估算模型,分别基于支持向量回归（SVR）、多层感知机（MLP）、随机森林（RF）和极限梯度提升树（XGBoost）算法构建组合估算模型。结果表明：采用Shapley理论构建的组合LAI估算模型估算效果优于直接构建的全生育期LAI估算模型。相较于SVR-Shapley、MLP-Shapley以及RF-Shapley模型,XGBoost-Shapley模型的估算效果最佳（R²为0.97,RMSE为0.021,RPD为6.9）。将最优模型XGBoost-Shapley应用于研究区LAI预测,预测结果符合不同生育期玉米长势。本研究为大田玉米长势遥感监测提供...     

基于注意力机制的时空卷积数控机床热误差模型研究

为了提高数控机床热误差模型的精度与泛化性,提出了基于注意力机制的长短时记忆卷积神经网络(Long short term memory convolutional neural network based on attention mechanism, AM-CNN-LSTM)热误差模型。利用卷积神经网络提取高维数据空间状态特征的能力和长短时记忆网络提取长时间序列状态特征的能力,构建具有2个支路的热误差模型,分别提取特征后输入到注意力机制中进行特征重要性重构,建立原始数据与热误差的特征映射,最后通过全连接层进行热误差预测。采用G460L型数控机床进行实验数据采集,将不同季节采集到的温度数据和热误差作为模型输入,采用循环学习率与正则化优化方法对模型进行训练。与LSTM、ConvLSTM和CNN-LSTM热误差模型对比,结果表明,AM-CNN-LSTM模型对特征还原能力最强,残差波动范围最小,其残差范围较最大值下降62.09%,模型预测精度在2.4μm以内。     

纤维基地膜侧开式滑切破膜播种单体设计与试验

针对秸秆纤维基地膜覆膜播种时膜孔尺寸大、形状不规则、播种质量差等问题,设计了一种侧开式滑切破膜精量播种单体,通过对其作业过程的理论分析确定了破膜成穴器、强开凸轮和播种单体的结构和作业参数,建立了膜孔长度数学模型,明晰了相关因素与膜孔尺寸互作规律,确定了影响装置工作性能的主要参数及其取值范围。采用四因素五水平二次回归正交旋转中心组合试验方法,以作业速度、压膜弹簧刚度、破膜刀楔角、破膜刀开启相位角为试验因素,膜孔长度合格率、粒距合格指数、播种深度合格率为评价指标实施田间试验,应用Design-Expert 8.0.6.1软件进行试验数据处理,结果表明：各因素对膜孔长度合格率影响由大到小依次为破膜刀楔角、作业速度、破膜刀开启相位角、压膜弹簧刚度;各因素对粒距合格指数影响由大到小依次为作业速度、破膜刀开启相位角、破膜刀楔角、压膜弹簧刚度;各因素对播种深度合格率影响由大到小依次为作业速度、破膜刀开启相位角、破膜刀楔角、压膜弹簧刚度。当作业速度为1.6～3.4km/h,压膜弹簧刚度为2N/mm,破膜刀楔角为30°,破膜刀开启相位角为-2.4°～1.8°时,膜孔长度合格率大于90%,粒距合格指数大于90%,播种深度合格率大于85%。     

双自由度多铰接仿形免耕精量播种单体设计与试验

针对2BMFJ系列原茬地免耕覆秸播种机播后镇压效果和播种深度一致性不理想的问题,设计了双自由度多铰接仿形免耕精量播种单体,应用保守系拉格朗日方程建立了种沟深度数学模型,初步确定了影响种沟深度的关键结构与工作参数。采用四因素五水平二次回归正交旋转中心组合试验方法,选取弹簧初始增量、初始牵引角、弹簧刚度、机具作业速度为影响因素,开沟深度合格率、土壤坚实度合格率和开沟深度变异系数为性能评价指标,得到影响开沟深度合格率各因素由大到小顺序为:弹簧刚度、机具作业速度、弹簧初始增量、初始牵引角,影响土壤坚实度合格率各因素由大到小顺序为:弹簧刚度、机具作业速度、初始牵引角、弹簧初始增量,影响开沟深度变异系数各因素由大到小顺序为:初始牵引角、机具作业速度、弹簧刚度、弹簧初始增量。对试验数据进行优化处理,结果表明,在初始牵引角0°、弹簧刚度10 N/mm条件下,弹簧初始增量15～19. 5 mm、机具作业速度6. 7～7. 8 km/h范围内,开沟深度合格率大于95%,土壤坚实度合格率大于95%,开沟深度变异系数小于10%。     

格点天气预报数据与机理模型耦合的冬小麦干旱预警方法

为了开展大范围的冬小麦干旱预警,以中国北方冬小麦区为实例,构建了土壤水分动态预报模型,结合未来10 d高精度天气要素预报、土壤自动水分观测和冬小麦发育期观测数据,建立了北方冬小麦区干旱预警系统。利用该系统对2018年4—5月进行逐日的冬小麦干旱预警,对干旱预警产品的分析表明:系统对未来10 d土壤相对湿度预报的决定系数在0. 63～0. 91之间,均方根误差在5. 6%～18. 2%之间,预报时效越近,准确率越高。从不同的干旱等级预测准确率看,对于干旱等级较高的重旱和特旱预报准确率较高,轻旱和中旱的预报准确率略低。该系统基本满足冬小麦干旱预警需求,对国家级农业气象部门大范围农业干旱监测和预警业务是有益的补充。     

生物炭对北方寒区农田土壤热性能参数的影响

为揭示生物炭对土壤热特性参数的影响规律,以施加不同生物炭的北方寒区农田土壤为研究对象,设置土壤含水率水平分别为0%、8%、16%、24%、32%、40%,利用ISOMET2114型热性能分析仪,测定土壤在15～-15℃温度范围内导热率、热扩散率和体积热容量的变异特征,探究生物炭调控作用下土壤热特性参数对水热环境的响应机理。研究结果表明:在冻结与非冻结状态下,随土壤含水率增加,土壤导热率、体积热容量和热扩散率均表现出增大趋势,在3℃条件下,生物炭含量为0 t/hm2、含水率为24%和32%时,土壤导热率相对于含水率为16%时分别增加0. 141 4、0. 580 5 W/(m·K)。随生物炭含量增加,土壤导热率和热扩散率呈降低趋势,体积热容量在非冻结情况下呈降低趋势,在冻结情况下则呈增大趋势,在-3℃条件下,含水率为32%、生物炭含量为4 t/hm2和6 t/hm2时,土壤体积热容量相对于0 t/hm2水平分别增加0. 16、0. 20 J/(cm3·K)。土壤导热率与含水率呈对数函数关系,土壤体积热容量与含水率呈线性函数关系,土壤热扩散率与含水率呈二次函数关系。本研究结果可为准确描述北方寒区农田土壤热性能和生物炭改良土壤技术提供理论依据。     

农用无人机移动补给平台自主降落算法与试验

为实现根据无人机作业位置改变中途补充能源或喷洒物的起降地点,增加无人机有效作业时间,提高无人机作业效率,设计了无人机移动补给平台。通过研究农用无人机自主降落过程,提出一种基于模糊逻辑和比例积分微分(Proportional-integral and derivative,PID)分段控制的农用无人机跟踪降落算法,该算法既拥有PID算法的高精度,又兼顾模糊控制算法响应速度快、超调量小、鲁棒性强的优点。目标轨迹跟踪预测由粒子滤波器跟踪算法和轨迹拟合算法相结合进行求解。仿真和现场试验表明,与单一的PID算法和模糊逻辑算法相比,分段控制算法能够把农用无人机对移动补给平台的跟踪误差缩小到6. 7 cm以内,在移动补给平台上的降落精度控制在7. 2 cm以内。     

柔性机械式大豆精量排种器设计与试验

针对免耕播种作业时沙土和碎秸等飘浮物被气吸式排种器吸入充种室内,导致排种工作部件损坏、排种质量降低等问题,设计了一种柔性清护种机械式大豆精量排种器。对排种器工作过程进行理论分析,确定了影响工作性能的主要结构与工作参数;通过单因素对比试验确定了对排种性能影响最小的护种毛刷材料;采用三因素五水平二次正交旋转中心组合试验方法,以作业速度、充种倾角、护种距离为试验因素,以合格指数、漏播指数、重播指数和破损指数为评价指标,应用Design-Expert 8.0.6.1软件对试验结果进行方差分析。结果表明：各因素对合格指数的影响显著性由大到小依次为作业速度、护种距离、充种倾角,各因素对漏播指数的影响显著性由大到小依次为护种距离、作业速度、充种倾角,各因素对重播指数的影响显著性由大到小依次为作业速度、充种倾角,护种距离影响不显著,各因素对破损指数的影响显著性由大到小依次为护种距离、作业速度、充种倾角;当作业速度为8~12km/h、充种倾角70°、护种距离为-1.5mm时,排种合格指数大于94%、漏播指数小于3%、重播指数小于3%、破损指数小于0.2%,满足免耕大豆高速精量播种作业要求。     

脉冲式烟雾水雾机热力雾化水剂农药效果分析

针对脉冲式烟雾水雾机在喷施水雾剂农药时常出现滴液、流液或较大雾滴群等雾化不良现象,通过改装6HYW-60S型脉冲式烟雾水雾机,将药液流量设置成可调的测试装置,设定5个油门开度及4个药液流量,测试了脉冲发动机喷药前后的气流速度、温度及各喷药工况下的雾滴粒径分布。结果表明,在最小的油门启动开度到最大的油门工作开度可调范围内,对应的脉冲发动机燃油消耗率变化范围较小（相对变化13.0%）,喷管内对应的气流温度与速度也发生同等程度的变化。喷药时,喷管口处的气流温度与速度发生明显变化,由不喷药时约700℃的高温气流下降为75℃左右的雾滴流,相应的气流速度下降了16%左右;油门开度及药液流量对雾滴流温度的影响非常小,但对雾滴流速度的影响非常明显,油门开度增大,雾滴流速度明显增加,药液流量增大,雾滴流速度明显下降。在各油门开度下,对最小药液流量20L/h的雾化效果均不佳,尤其距喷雾出口较近处存在大量的300μm以上的较大雾滴,这些大雾滴极易跌落至地面,无法有效喷施到目标物上;药液流量增大至40L/h及以上时,各油门开度下的雾滴体积中径均较小,同一工况下各位置点的平均值不超过60μm。热力雾化的雾滴粒径分布曲线不是单一峰值的正态分布形态,常会出现不同中心雾滴粒径的雾滴群,且这些雾滴群的中心雾滴粒径基本保持一致。从喷雾出口喷出的雾滴流中,喷管中心轴线上的雾滴细小均匀、雾化充分,中心轴线上方的雾滴一般比中心点处稍大,中心轴线下方雾滴明显增大,且距中心轴线越远的下方,雾滴增大越明显,即雾滴流中较大雾滴群的量逐渐增加。以药液流量60L/h及油门开度90°为最佳雾化工况,在整个喷施区域内均形成了良好的雾化效果。