宽幅变量喷雾机智能控制系统设计

自走式宽幅喷雾机现场作业时,经常由于机组速度的变化导致喷施差异,影响了喷雾效果,甚至造成药害.为此,开发了基于嵌入式处理器和多传感器高效融合的变量喷雾控制系统,实现了喷洒压力和机组行走速度的在线协调控制.系统采用PID参数模糊自整定控制器,可自动根据作业速度调整喷雾压力和喷雾量,提高了单位面积施药量的均匀程度.通过对自主开发的变量喷雾样机进行实验表明,该模糊PID 控制器响应快速、适应性强,能迅速消除系统余差,使变量喷雾控制系统具有良好的动态和稳态特性.     

基于人工智能的汽油机瞬态空燃比控制策略研究

介绍并对比了基于神经网络和模糊控制的瞬态空燃比控制方法,二者均不要求控制对象为非常精确的模型。特别在应用的非线性理论建模还不十分完善的情况下。神经网络控制器和模糊控制器的这个优点更为突出。     

基于鼹鼠多趾结构特征的仿生切土刀片设计与试验

为降低土壤耕作阻力,分析了鼹鼠前肢手掌的多趾组合结构特征,得到鼹鼠多趾组合结构是一种多窄齿组合结构,且相邻齿间间距可调整,最终确定了多趾组合结构的数学模型。基于该模型,设计了具有仿生结构特征的切土刀片。通过土槽试验,采用四因素三水平的二次正交回归试验方法,分析仿生结构元素m和n、土壤含水率和切土倾角对水平阻力的影响,得到土壤含水率和切土倾角对水平阻力的影响更显著,最优仿生结构元素m为5、n为1.75。通过比较传统和仿生刀片在切土倾角10°~90°和土壤含水率10%~30%下的水平阻力,得到仿生几何结构对刀片切土的临界倾角无显著影响,但土壤含水率对其有显著影响：当土壤含水率为10%和20%时,临界倾角均为30°左右;当土壤含水率为30%时,临界倾角均在40°~50°之间。然而,仿生几何结构对刀片所受的水平阻力有显著影响,在相同的土壤含水率下,仿生刀片的水平阻力总小于传统刀片的水平阻力：当土壤含水率为10%、20%、30%时,仿生刀片的水平阻力分别减小11.48%~39.16%、17.81%~28.00%和11.19%~33.26%。此外,水平阻力的变化与土壤内聚力具有极大的相关性,研究表明土壤含水率为10%~20%时,仿生刀片具有更好的切土性能。     

横轴流式玉米柔性脱粒装置设计与试验

针对黄淮海地区玉米籽粒直收过程中籽粒破碎率和未脱净率高的问题,结合现有玉米脱粒滚筒的结构特点,设计了横轴流式玉米柔性脱粒装置。该装置内置柔性脱粒滚筒,脱粒元件采用柔性钉齿和弹性短纹杆组合结构,实现了玉米果穗的柔性低损伤脱粒。研究了滚筒关键设计参数对脱粒性能的影响,建立了该脱粒滚筒关键结构参数的设计方法;利用ADAMS软件进行了动平衡模拟仿真,开展脱粒系统的动平衡试验,保证了整机工作的可靠性;选取滚筒转速、脱粒间隙和喂入量作为试验因素进行了室内台架正交试验,确定较优参数组合:喂入量为8 kg/s,滚筒转速为450 r/min,凹板间隙为40 mm。在该条件下,玉米果穗的籽粒破碎率为0. 65%,未脱净率为0. 59%,符合国家相关标准要求。     

深松处理对豫北农田土壤水分与作物耗水的影响

为探索豫北潮土区冬小麦-夏玉米周年复种连作合理的深松技术指标,于2017—2018年在河南省获嘉县冬小麦播种前进行深松田间试验。采用2种深松机具(T,传统深松机; A,深松+施肥一体机),在传统深松机(T)上设置3个深松深度(D1,30 cm; D2,35 cm; D3,40 cm)和深松+施肥一体机(A)上设置1个深松深度(D2,35 cm),同时以常规旋耕(CK,平均耕作深度为15 cm)为对照,通过测定土壤容重、作物生育期内不同时间段的土壤含水率以及作物收获后的产量和产量性状,分析各深松处理对作物产量和水分利用效率的影响。结果表明,深松方式能够改变土壤容重,显著降低豫北农田10～30 cm土层的土壤容重。不同深松处理可以显著影响土壤含水率,增加田间蓄水能力,周年0～100 cm土层贮水量两季作物不同处理由大到小依次为TD2、TD1、TD3、AD2、CK,且各处理较旋耕对照依次分别显著增加34. 9%、28. 9%、28. 5%、27. 0%(p 0. 05)。深松处理还可以显著增加作物的穗数和穗粒数,提高作物产量,各处理两季产量较旋耕对照平均增加8. 3%,且冬小麦的增产效应大于夏玉米。同时,深松还能较大幅度地提高冬小麦-夏玉米复种体系作物的水分利用效率,深松处理两季较旋耕对照平均提高12. 4%,并显著降低了作物的耗水量和耗水强度,其中以传统深松机深松40 cm处理的效果最优。因此,在冬小麦播种前深松,有利于土壤耕层合理构建,并提高作物产量和水分利用效率,对以旱作冬小麦-夏玉米复种体系为主的豫北地区有很高的推广价值。     

基于模型预测控制的农机主从跟随作业控制方法

针对实际环境中由于农业机械（简称农机）作业过程的作业量以及土壤条件的变化等不确定性因素的影响,导致协同作业跟随农机的行驶工况不稳定、跟随协同作业响应慢、控制困难等问题,在综合考虑不确定性以及响应性能的基础上,提出了一种农机跟随分层控制架构,搭建农机田间作业下的纵向跟随动力学模型,并以间距保持、速度跟随、燃油经济性、加速度跟随性能为目标,进行基于模型预测控制（MPC）算法的上层控制器推导,基于前馈以及PI反馈的控制器作为下层控制,以上层控制器获得的控制加速度为目标,进行力矩（电流）跟踪,在保证抗不确定性以及干扰噪声的同时,提高跟随农机的响应能力。通过Matlab/Simulink仿真和田间试验验证,结果表明,该控制方法可以有效解决农机作业的跟随控制问题,与滑模变结构控制器相比,能够实现稳定跟随行驶,且速度误差和加速度误差更小,速度误差控制在-0.29132~0.18001m/s,加速度误差控制在-0.05678~0.05628m/s2,稳定跟随距离误差为±0.45m,具有良好的跟随效果。     

蔬菜嫁接机器人柔性夹持搬运机构设计与试验

针对现有蔬菜嫁接机器人单手爪夹持搬运机构作业时需要在上苗、切削和对接工位往复旋转作业,限制了机器嫁接生产效率,存在夹持伤苗、操作人员上苗等待时间过长、易疲劳等问题,设计了一种四手爪柔性夹持搬运机构,能够实现上苗、切削和对接工位同步作业,以及秧苗柔性夹持与快速搬运,有助于提高机器嫁接效率。提出了基于缓冲材料的柔性夹持手爪和夹持力调节方法,分析了不同厚度EVA缓冲材料的压缩力学特性,得到缓冲垫完全闭合夹持条件下对不同秧苗的夹持力。利用ADAMS软件建立夹持搬运机构动力学仿真模型,分析了秧苗不同夹持力与旋转位移的变化规律,得出当夹持力小于0.4N时秧苗脱离了夹持手的束缚,夹持力大于3.5N时秧苗夹持与旋转作业稳定。机构性能试验结果表明：选取白籽南瓜苗和黄瓜苗为测试对象,柔性夹持手爪平均夹苗成功率为98.5%,比弧形夹持手提高4.5个百分点,伤苗率降低3.5个百分点,柔性夹苗效果显著;该机构嫁接平均速度为1052株/h,是同类型单手爪嫁接机作业效率的1.72倍,嫁接成功率为96.67%,大幅提高了嫁接机器人生产效率,能够满足工厂化嫁接育苗生产需求。本文研究结果可为高速嫁接机器人的夹持搬运机构设计和优化提供技术参考。     

基于柔性夹持的青菜头收获机设计与试验

为解决西南丘陵山地青菜头机械化收获问题,结合青菜头生物特性和农艺要求,设计了一种具有柔性夹持功能的小型青菜头收获机。阐述了整机结构与工作原理,并对样机关键部件进行了结构设计和理论分析,柔性夹持装置初始间隙为60mm,最大允许通过青菜头直径为150mm,分析得到夹持输送带速度为0.37m/s、所需最大夹持力为38.04N;对割台架的仿地形能力和结构动力特性进行了分析,可得该结构允许地形起伏度为50mm,在安装割刀位置振幅最大,前5阶固有频率为115.63~783.60Hz,远大于发动机和地形产生的激励频率,因此不会发生共振现象。田间试验结果表明,切割及夹持输送机构运行平稳、振动小、切割有力、夹持力度适中;切割成功率为89.5%,青菜头损伤率为10.8%,实际工作效率为0.035hm2/h,各项性能指标基本满足设计和农艺技术要求。     

基于R2U-Net和空洞卷积的羊后腿分割目标肌肉区识别

针对前处理工序造成的羊肉智能精细分割目标肌肉区图像识别准确度低的问题,以羊后腿自动去骨分割工序为研究对象,提出一种基于R2U-Net和紧凑空洞卷积的羊后腿分割目标肌肉区识别方法。对传统的U-Net语义分割网络进行改进,以U-Net为骨架网络,采用残差循环卷积块替换原始U-Net的特征编码模块和解码模块中的卷积块以避免U-Net的梯度消失,在特征编码模块和特征解码模块之间增加一个紧凑的四分支空洞卷积模块对语义特征进行多尺度编码,实现缝匠肌图像分割模型的构建。一方面,针对缝匠肌这一核心目标肌肉区,采集羊后腿图像构建数据集训练与测试本文模型,以验证该方法的准确性与实时性;另一方面,通过旋量法标定夹爪坐标系、相机点云坐标系、机器人坐标系的齐次变换矩阵以计算分割路径,并采用主动柔顺的力/位混合控制方法操纵分割机器人进行目标切削运动,验证基于本文方法得到的目标图像开展目标肌肉分割的可行性。相关试验结果表明：当交并比为0.8588时,本文方法平均精确度为0.9820,优于R2U-Net的(0.8324,0.9775);单样本检测时间平均为82ms,说明本文方法可快速、准确分割出缝匠肌图像,满足机器人自主分割系统的实时性要求,优于U-Net、R2U-Net、AttU-Net算法。最后,在本文方法得到的缝匠肌图像基础上开展机器人实机分割试验,机器人对5条羊后腿的平均切削时间为7.9s,平均偏移距离为4.36mm,最大偏移距离不大于5.9mm,满足羊后腿去骨分割的精度要求。     

半主动油气悬架系统模糊控

以两自由度悬架模型为研究对象,针对半主动油气悬架系统,提出了以悬架动挠度为控制目标的模糊控制策略,并对系统进行仿真和实车道路试验.结果表明,采用模糊控制的半主动油气悬架在衰减车辆振动、提高车辆行驶平顺性方面优于传统被动油气悬架.