气动柔性果蔬采摘机械手运动学分析与实验

采用气动弯曲型柔性驱动器设计了一种带有柔性机械臂的多自由度果蔬采摘机械手。基于分段常曲率理论,根据柔性驱动器形变规律,建立了多关节串并联的采摘机械手运动学模型和抓持力模型,研究了机械手采摘作业时抓取模式、工作空间和手指输出力与气压的关系,并进行了相关实验验证。制作了机械手样机,并在实验室环境下进行了多种果蔬模拟采摘实验,结果表明,该果蔬机械手具有多种抓取模式,且动作灵活、柔顺可靠、易于控制,适用于球形和圆柱形果蔬自动化采摘作业。     

专用堆型对应的核主泵正反转流动数值模拟

为了研究核主泵在定转速工况下的正反转特性,采用相似换算法,基于SST k-ω 湍流模型与块结构化网格,对缩比系数为0.5 的核主泵模型泵进行数值模拟.定义流量从泵进口流向出口为“+”,反之为“-”.在正转工况下分别对-0.8Q_d到+2.0Q_d流量范围内的16个工况点进行计算、反转工况下对-1.4Q_d到+1.0Q_d流量范围内的14个工况点进行计算,得到其全特性曲线.计算结果表明:在相同流量工况下,核主泵正转时的扬程与转矩总是高于反转时的扬程与转矩,叶轮扬程与泵扬程存在不同的变化趋势;在正转工况下,在 -0.1Q_d到+0.4Q_d流量范围内,叶轮扬程曲线呈现反“N”型变化趋势;在反转工况下,在-0.4Q_d到+0.1Q_d流量范围内,叶轮扬程曲线呈一个明显的“V”型变化趋势;叶轮出口处产生二次流回流现象,这是正转小流量工况下叶轮扬程降低的主要原因,而叶轮与导叶之间过渡段区域内的环形高速带和叶轮流道内的大尺度涡是反转小流量工况下叶轮扬程降低的主要原因.     

大型喷杆喷雾机钟摆式主被动悬架自适应鲁棒控制研究

针对大型喷雾机喷杆钟摆式主被动悬架系统存在的参数不确定性和随机干扰导致控制精度低、稳定性差的问题,对基于模型补偿的自适应鲁棒控制算法进行研究。建立了钟摆式主被动悬架的非线性动力学模型和调节机构几何方程,基于模型设计了自适应鲁棒控制器,综合悬架系统和电液位置伺服系统模型中存在的参数不确定性,同时兼顾系统未补偿的摩擦力和外部扰动等不确定非线性因素,通过理论分析和试验证明,在同时存在模型参数不确定和不确定非线性的情况下,设计的控制器可以保证系统输出跟踪控制的暂态性能和稳态精度。以单出杆液压作动器驱动的28m大型喷杆主被动悬架为例,借助建立的大型喷杆悬架半实物仿真平台进行了控制算法的试验验证,并使用Stewart六自由度运动平台模拟底盘的运动干扰,与反馈线性化控制器、鲁棒反馈控制器、PID控制器进行了试验对比,结果表明,设计的基于模型补偿的自适应鲁棒控制器最大跟踪误差0.148°,而反馈线性化控制器最大跟踪误差0.201°,鲁棒反馈控制器最大跟踪误差0.51°,PID控制器最大跟踪误差0.48°。设计的控制器在同时存在参数不确定性和扰动的情况下,使用较小的反馈增益能够保证渐进跟踪性能和稳态跟踪精度。     

基于几何模型的绿萝叶片外部表型参数三维估测

为快速高效获取叶类植物叶片的外部表型参数、掌握植株生长状况,以绿萝叶片为研究对象,提出一种基于几何模型的叶长、叶宽与叶面积的三维估测方法。利用微软Kinect V2相机,自80cm高度垂直位姿获取绿萝叶片局部点云,并进行直通滤波去噪与包围盒精简等预处理,测量得到点云外形参数,输入预先建立的SAE网络分类预测得到几何模型参数,并基于曲面参数方程建立叶片几何模型。采用粒子群优化算法计算几何模型离散点云和局部点云间的空间距离,进行空间匹配,利用遗传算法求解最优匹配模型的内部模型参数,输出最优匹配模型的叶长、叶宽与叶面积作为估测结果。实验共采集150片绿萝叶片的局部点云数据,将估测结果和真实值进行数学统计与线性回归分析,得出叶长、叶宽与叶面积估测的平均误差分别为0.46cm、0.41cm和3.42cm2,叶长估测R2和RMSE分别为0.88和0.52cm,叶宽R2和RMSE分别为0.88和0.52cm,叶面积R2和RMSE分别为0.95和3.60cm2。实验表明,该方法对于绿萝叶片外形参数的估测效果较好,具有较高实用价值。     

箱涵式轴流泵装置进出水流道优化设计

基于RNGk-ε紊流模型和雷诺时均N-S方程,运用CFD商用大型软件对箱涵式进出水流道立式轴流泵装置进行了三维流动仿真计算及水力特性的优化设计。通过先部分后整体的方法先独自对箱涵式进水流道进行优化计算,而后在整体泵装置上对箱涵式出水流道进行优化计算。进水流道的优化以出口断面流速均匀度和水力损失为目标函数,出水流道的优化则以泵装置效率和水力损失为目标函数。通过数值计算得出,优化后箱涵式进水流道的水力损失由7.52cm降低到3.49cm,进水流道出口流速均匀度由42.41%提高到89.11%,进水流道的悬空高度H和进水喇叭管与叶轮间的连接角度α对进水流道水力特性的影响显著,设计时应该重点考虑。箱涵式出水流道的水力损失由87.15cm降低到76.37cm,出水流道的设计应重点关注导流墩与出水喇叭管的半径差Δr和出水导流墩的半径R,合适的出水导流墩半径在0.75倍导叶出口直径左右。泵装置模型试验在叶片安放角-4°时,设计工况下泵装置效率达到75.0%,泵装置最高效率为75.67%,高效区运行范围较宽;对比数值计算和模型试验的结果可以发现误差最大处低于5%,整体性能曲线的趋势相对良好,说明数值模拟对于泵装置的优化是合理的,对于实际工程具有指导意义。     

ET_0变化趋势分析及估算模型研究——以新乡站为例

【目的】参考作物蒸散量(ET_0)的估算是计算作物腾发量的基础,也是区域水资源评价与灌溉政策制定的前提,因此,研究ET_0变化趋势与估算模型能够对该地区农田灌溉用水预报提供基础支持,进而为灌溉制度的制定以及水资源高效利用提供科学依据。【方法】以河南新乡气象站1962―2016年气象资料为基础,运用Penman-Monteith模型计算ET_0序列,Mann-Kendall趋势检验法对年及季节尺度ET_0序列变化趋势进行分析,并用均值生成函数模型对其进行了拟合与验证。【结果】①新乡地区年尺度ET_0序列在1975―2016年间呈减小趋势,并在1985―2004年、2006年显著;②新乡地区春季ET_0序列在1982―1983年及1988―2003年间呈显著的减小趋势,夏季ET_0序列在1980―2012年间呈显著的减小趋势。③均值生成函数模型在对年尺度ET_0序列进行拟合时,其一致性系数达到0.83,绝对误差与相对误差分别在-120.8～120.0 mm及-14.0%～18.2%之间。④均值生成函数模型在对季节尺度ET_0序列进行拟合时,其一致性系数在春、夏、秋、冬各季节分别达到0.85、0.81、0.88及0.89,绝对误差分别在-60.2～64.3、-64.4～58.9、-39.6～32.8、-37.0～25.1 mm之间,相对误差分别在-20.1%～36.7%、-22.1%～32.1%、-18.0%～22.9%、-23.9%～24.6%之间。【结论】新乡地区年尺度ET_0序列在1985―2004年间显著减小,均值生成函数模型在对年及各季节尺度ET_0序列进行拟合时整体效果较好,因此,可通过其进行年及季节尺度ET_0序列的估算,且其在秋、冬二季的拟合效果明显好于春、夏二季。     

不同水肥作用下西藏青稞生长动力学机制与模拟研究

【目的】构建西藏高原地区多因子作用下的青稞动态生长模型。【方法】于2016─2017年在西藏农牧学院农田水利试验场,监测了不同水分和氮素状态下的青稞动态生长过程,基于方差分析法研究了水分和氮素对青稞动态过程的交互作用,在此基础上构建了包括4个自由度、描述土壤水分和氮素对春青稞干物质形成以及累积过程函数关系,构建了多因子作用条件下的青稞动态关系模型,分别采用2016年和2017年的试验资料对模型进行了参数率定和验证。【结果】西藏高原地区青稞动态生长过程受到了多种因素的影响,青稞的干物质增量和累积量与土壤水分和氮素投入量表现出非线性响应关系;采用偏相关系数能够有效地反映青稞的产量与干物质指标关系。模拟不同水分和氮素条件下的青稞生长过程与实测结果相比,全生育内Nash-Sutcliffe系数平均值为0.873;5%的显著水平下,不存在系统性偏差。【结论】构建的青稞动态生长关系模型能够描述西藏地区气候和土壤条件对青稞生长动态过程影响机理,具有较高的模拟精度。     

不同亏缺灌溉方式对冬小麦产量及水分利用效率的影响

【目的】优选适宜的小麦节水灌溉模式。【方法】采用田间小区试验,以生育期内灌越冬水、拔节水和开花水为对照(CK),设置了3种不同的亏缺灌溉模式:浇拔节水和开花水(T1)、拔节水+开花水隔畦交替灌溉(T2)、返青水+孕穗水+开花水隔畦交替灌溉(T3)。在拔节期和开花期,测定了小麦光合速率、蒸腾速率、棵间蒸发量、干物质量,并测定了小麦的产量和水分利用效率。【结果】T1处理小麦的光合速率与CK无显著差异,但蒸腾速率显著低于CK。在T2、T3处理中,干区、湿区的光合速率与CK也无显著差异,但干区小麦的蒸腾速率显著低于CK和湿区。各处理棵间蒸发量均显著低于CK。T2、T3处理中干区小麦的棵间蒸发量均显著低于湿区。T1处理提高了小麦花后干物质积累量,但花前干物质转移量减少。T2、T3处理湿区小麦花后干物质积累量高于CK,但花前干物质转移量显著低于CK。T2、T3处理干区小麦花后干物质积累量均显著低于湿区,但花前干物质转移均高于湿区小麦。T1、T2和T3处理对小麦产量没有显著影响,但均显著减少灌溉水量和作物的耗水量。【结论】3种时空亏缺灌溉模式均显著提高了小麦灌溉水利用效率和水分利用效率。     

基于SEBAL模型和Landsat-8遥感数据的农田蒸散发估算

【目的】及时准确地获取农田蒸散发量,为科学管理农田灌溉、精准估算作物产量和预报土壤水分动态、合理开发水资源等提供有效依据。【方法】以广利灌区为研究对象,基于SEBAL模型利用Landsat-8数据对研究区域农田蒸散发进行估算,通过地表参数计算净辐射通量、土壤热通量和感热通量,利用余项法求得潜热通量及瞬时蒸散发。假定24 h内蒸散比不变,由瞬时蒸散发扩展到日蒸散发量,最终求得研究区的日平均蒸散发量,将模型计算结果与彭曼公式进行了对比,同时结合灌区提供数据对计算结果进行了验证。【结果】彭曼公式计算2014年5月6日和2015年9月14日蒸散量与实测结果相差分别为5.2%和9.4%,SEBAL模型估算得到2014年5月6日和2015年9月14日的日蒸散量与灌区提供日蒸散量相差4.5%、6.0%,且冬小麦及夏玉米蒸散发在空间上存在一定的差异性,主要集中在灌区中部区域及西南区域。【结论】SEBAL模型计算结果具有较高的精度,而且方法相对快捷高效。     

考虑主轴扭转变形的轴系振动模型

针对大型水力发电机组传统上忽略轴系扭转变形的假设可能导致轴系振动分析出现较大偏差的问题,采用Lagrange方法建立轴系振动方程和含轴系扭转效应的转子运动方程,通过定义广义动量,将这2个方程构建为统一形式的一阶微分方程组.以发电机转子上的阻力矩和水轮机转轮上的动力矩为纽带,构建包括水力系统、发电机、励磁、调速系统在内的完整水力机组模拟运行系统,并采用二阶Runge-Kutta法进行仿真计算.计算结果表明,在机组故障扰动条件下,计入轴系的弹性对轴系横向振动的影响不大,主轴扭转刚度对稳定工况下轴的扭转变形影响较大;故障扰动下,发电机转子和水轮机转轮之间的扭转角变化趋势与有功变化趋势基本一致.仿真表明,所建立的轴系扭振模型能反映轴系振动的基本特征,模型是合理的.