基于压电作动器驱动的微操作机构设计与运动控制

设计了一种由压电作动器驱动的微操作机构。基于柔顺机构原理设计了桥式位移放大机构,以改善压电作动器的输出位移。利用伪刚体法和Euler-Bernoulli柔性梁理论建立微操作机构的静力学模型,并通过Lagrange方法推导出其动力学方程,进而获得机构的自然频率。借助于差分进化算法进行柔性铰链几何尺寸优化,并与计算机有限元仿真分析进行交叉验证。最后,实验验证了所提出微操作机构能够获得位移放大倍数为9.8和行程为180μm;在基于观测器PID控制下,机构位移均方根误差和最大位移误差分别为0.071、0.128μm。本文提出的微操作机构具有精度高、鲁棒性强的运动效果。     

基于干扰观测器的直播机路径跟踪快速终端滑模控制

针对农田中存在不确定性干扰时,会导致建立的无人水稻直播机运动学模型精确度不高,从而使路径跟踪收敛时间长,跟踪效果较差等问题,提出由直播机运动学模型建立相应的非线性干扰观测器从而实现对不确定性复合干扰的精确观测。将观测到的干扰值补偿到运动学模型中以提高模型的精度,降低滑模控制的抖振。为了控制直播机沿指定路径作业并提高路径跟踪收敛时间,设计了一种快速终端滑模控制算法。基于李雅普诺夫判据检验了算法闭环系统的稳定性。使用Matlab/Simulink建立了农机运动学仿真模型,仿真结果表明,非线性干扰观测器能精确观测出系统的不确定性干扰。与不带干扰观测器的滑模控制算法相比,本文控制算法可有效减少收敛时间,抑制干扰带来的抖振。无人直播机水田作业实验表明,采用本文所提出的算法以1.2m/s的速度高效作业时,横向平均绝对偏差为0.0247m,均方差为0.0311m。并且转弯收敛速度快,无超调,路径跟踪精度满足实际作业要求。     

NaCl溶液处理亚热带土壤水分特征曲线差异与模型优选

携带大量盐分的低质水长期灌溉导致土壤存在极大的物理化学特性退化风险,为了探究盐分对土壤水分特征曲线影响的差异性,采用压力膜法对亚热带地区粘性潮土、沙性潮土、红壤、紫色土、水稻土等5种土壤进行室内测定,对比分析了各土壤在0、5、10、15 g/L等4个钠盐浓度水平下土壤水分特征曲线的差异,并利用RETC软件结合数理统计方法确定了各土壤不同钠盐浓度水平下相应的最优拟合模型。结果表明:钠盐处理均可提高各土壤的持水能力,且粘粒含量较高的土壤影响显著;钠盐处理减少了粘性潮土、沙性潮土和红壤的有效含水率,分别最大减少了40.8%、30.5%、31.5%,却提高了紫色土、水稻土有效含水率,分别最大提高了45.7%、28.9%。粘粒含量少或低浓度盐溶液处理的土壤水分特征曲线以BC模型拟合最优,而粘粒含量多且高浓度盐溶液处理的以DP-M模型拟合最优。     

山核桃物料风选机理与风选性能试验研究

破壳后物料分离是山核桃深加工的关键技术,仿真分析了山核桃破壳后各种形状壳仁的物理特性。研究利用物料的壳与仁的含水率的区分度、物料的力学参数与其形状系数使壳、仁和壳仁嵌合物的悬浮速度重合区间减小,并且研究了风速均匀性和控制风速精度对复杂物料风选的影响。混合物料试验确定了在风速8. 2 m/s、仁含水率为23. 6%、壳含水率为5%、迎风面容量比为50%左右时,总体清选率为99. 2%、误选率为0. 8%,剩余物料在含水率均为23. 6%、风速为11. 7 m/s时使清选率达到100%、误选率2. 3%,含水率为23. 6%时物料最大碰撞力为0. 003 1 N。     

活动导叶分布圆直径对混流式水轮机水力性能的影响

对于混流式水轮机,活动导叶与固定导叶以及转轮的相对位置直接影响导水机构和转轮内部流动,对水轮机安全、稳定、高效运行起到重要作用。采用商业软件ANSYS CFX 16. 0对某电站水轮机模型机全流道进行三维数值模拟计算,提出了5种活动导叶分布圆直径方案,分析不同方案下水轮机的外部能量特性与内部流场,寻找活动导叶安放的最佳位置。结果表明:适当增大活动导叶分布圆直径,可以有效改善叶片吸力面的低压区,降低活动导叶流域内水流的最大速度,改善转轮进口水流角,同时减小导水机构与转轮的水力损失。小流量工况下,D_0/D_1增大0. 031,水轮机效率提高了5. 28个百分点;设计工况与大流量工况下,活动导叶分布圆的变化对水轮机效率的影响相对于小流量工况较小,最高效率与最低效率的差值分别为0. 17%与0. 48%。因此,在一定范围内改变活动导叶的分布圆直径具有可实施性,对水轮机的优化设计有一定参考价值。     

基于机器视觉的水下河蟹识别方法

为了探测河蟹在池塘中的数量及分布情况,为自动投饵船提供可靠的数据反馈,提出了基于机器视觉的水下河蟹识别方法。该方法通过在投饵船下方安装摄像头进行河蟹图像实时采集,针对水下光线衰减大、视野模糊等特点,采用优化的Retinex算法提高图像对比度,增强图像细节,修改基于深度卷积神经网络YOLO V3的输入输出,并采用自建的数据集对其进行训练,实现了对水下河蟹的高精度识别。实验所训练的YOLO V3模型在测试集上的平均精度均值达86. 42%,对水下河蟹识别的准确率为96. 65%,召回率为91. 30%。实验对比了多种目标检测算法,仅有YOLO V3在识别准确率和识别速率上均达到较高水平。在同一硬件平台上YOLO V3的识别速率为10. 67 f/s,优于其他算法,具有较高的实时性和应用价值。     

旋流泵菜籽-水两相流浓度特性实验与流场数值模拟

为探索旋流泵固液两相流内部流场及变浓度输送特性,分析了旋流泵固液两相流动基本原理及其特点。在32WB8-12型样机上完成输送清水及菜籽体积分数CV分别为6%、10%的外特性实验,得出泵流量-扬程、流量-轴功率、流量-效率和流量-临界汽蚀余量性能曲线。采用Mixture多相流模型及RNG k-ε湍流模型,对旋流泵在清水最优工况流量qv=9. 31 m~3/h下输送菜籽固液两相流流场进行了数值模拟,求解采用SIMPLE算法,得到3个轴面静压、速度矢量和固粒体积分数分布图。通过对比分析,数值模拟准确性得到了验证。综合分析了泵外特性变化与内部流场之间的定性因果关系,并提出了两相流泵优化设计改进措施。     

生物炭对不同坡度坡耕地土壤水动力学参数的影响

在3种地形坡度条件下,开展了施加生物炭后连续两年的土壤水动力学效应试验研究,探究不同坡度坡耕地施加生物炭当年和次年对土壤水分常数、土壤水分特征曲线、比水容量、非饱和导水率K(h)和非饱和扩散率D(θ)的影响。结果表明:施用生物炭当年和次年均使土壤田间持水率和饱和含水率增大,且随坡度增加其增率变大,生物炭因子两年内对土壤水分常数的影响显著(P <0. 015),而坡度因子影响不显著(P> 0. 05),即生物炭因子作用更明显;施用生物炭两年内,在各个土壤吸力条件下土壤含水率均增大,土壤持水性增强,且同地形坡度呈正相关关系、同年限呈负相关关系;生物炭在两年内均增大土壤比水容量,使其供水能力加强,最大增量1. 830 207×10^-3cm^3/cm^4;地形坡度对K(h)无明显影响,但施加生物炭可使K(h)增大,土壤导水性增强,2016、2017年K(h)最高分别增加239. 61%、164. 04%;施加生物炭可降低D(θ),抑制土壤水分的水平运动,随地形坡度增加抑制效果增强。生物炭施用当年对各土壤水动力学参数的影响大于施用次年。研究结果可为东北黑土区坡耕地农业水土保护和利用提供理论依据。     

稻田总磷迁移规律与最佳灌排模式研究

以超级稻为试验对象,采用随机试验设计,利用测桶试验,研究浅水勤灌、控制灌溉、浅湿调控、覆秸秆旱作灌排模式下地下排水及不同深度土壤渗漏液的总磷迁移规律。结果表明,与浅水勤灌和浅湿调控相比,控制灌溉和覆秸秆旱作显著降低了灌水量、灌水次数、地下排水量、总磷浓度和总磷流失负荷,有明显的节水省工减排效果。不同灌排模式地下排水总磷质量浓度波动下降,最大为0. 450 mg/L;不同灌排模式、不同深度土壤渗漏液中,总磷浓度表现不同,除分蘖后期外均为表层最高,且随土壤剖面深度的增加而降低。浅湿调控和覆秸秆旱作的土壤渗漏液总磷浓度高于浅水勤灌和控制灌溉。控制灌溉、覆秸秆旱作两年灌溉水分生产率均显著高于浅湿调控、浅水勤灌。与浅水勤灌相比,控制灌溉显著增产10. 45%,覆秸秆旱作显著减产14. 69%。综合灌排水量、灌水次数、磷素流失负荷、产量和灌溉水分生产率,控制灌溉是节水、省工、减排、高产的最佳灌排模式。     

八轮四摆臂无人机动平台越障性能分析与试验

针对南方山区丘陵地带地形复杂、传统农田运输车辆通过性不足的问题,提出并设计了一种具有仿生液压驱动摆臂机构的八轮无人机动平台,其车体姿态可通过四摆臂协同动作进行调节,以适应不同形式地面障碍。越障性能是制约平台通过性的根本因素,建立了无人平台姿态规划模型和关键越障过程动力学模型,得到无人平台在典型垂直障碍的越障性能。为验证理论分析,在ADAMS建立了二次开发仿真平台,并进行了样机动力性试验。研究表明,八轮四摆臂无人机动平台可攀爬高度为轮胎直径1. 13倍的垂直障碍,具有良好的复杂地面环境通过能力,可满足丘陵地带农用运输车辆在复杂农田地形的行走需求。