光谱技术结合水分校正与样本增广的棉田土壤盐分精准反演

棉田土壤盐分的精准反演对于棉花的种植管理具有重要意义。水分和盐分作为主要环境因素,共同影响棉田土壤的波谱特征,两者之间的耦合关系直接影响土壤盐分的检测分析。为了提高基于光谱技术构建的模型对棉田土壤盐分信息解析的准确性与可靠性,该研究联用可见/短波近红外（400～1 000 nm）和长波近红外（960～1 693 nm）技术,采集不同含水率与含盐量的新疆地区土壤样本的光谱;结合外部参数正交法（external parameter orthogonalization,EPO）,校正不同标样集与不同波段光谱中的土壤含水率干扰信息;引入基于不同卷积步幅的深度卷积对抗网络（deep convolutional generative adversarial networks,DCGAN）,进行样本增广与质量评估;参考三层残差神经网络设计一维卷积神经网络RNet,最终构建基于EPO-DCGAN-RNet的优化模型,用于棉田土壤盐分的反演。结果表明,与传统机器学习方法和基于VGG或EfficientNet结构一维卷积神经网络相比,该研究提出的EPO-DCGAN-RNet方法能够有效地滤除水分对盐分反演的影响、提高模型对特征波段的挖掘能力、降低深度学习算法对样本量的依赖性,并能得到更优的模型预测性能。EPO-DCGAN-RNet的建模集R²和均方根误差分别为0.942、115.420 μS/cm,验证集R²和均方根误差分别为0.910和136.472 μS/cm。研究结果可为新疆棉田土壤盐分快速精准检测提供理论指导和技术支持,有助于促进盐碱地区棉花种植的水肥科学管理。     

巨菌草种茎辊式排种器结构优化及排种动力学仿真与试验

针对目前巨菌草种植机普遍存在的重、漏播率高、人工劳动强度大、种茎易破损等问题,该文设计了一种槽型辊式排种器。先分析排种过程中的种茎受力状态,推导出种茎的受力角为目标值的函数,确定送种辊入种槽长宽尺寸为20 mm×20 mm;其次,采用弹性垫料改善送种辊排种进程,基于受力角为目标的函数,优化求解得到垫料侧边垫料厚4 mm、底部垫料厚8 mm;最后采用虚拟样机软件ADAMS建立了种茎排种动力学模型,对其排种过程进行仿真,并在此基础上进行了实验室台架试验和田间排种试验。台架试验表明,排种器实现种茎有序地排种,垫料有效地提高排种流畅度;田间试验过程中排种作业稳定,排种合格率均值为93.33%,排种间距变异指数均值为13.63%,平均漏排和重排指数均值为4.1%和2.5%,各项指标均符合巨菌草种植要求。该研究可为同类排种器和巨菌草种植机的研制提供参考。     

小型鲜莲子剥壳机的设计与试验

由于现有鲜莲子剥壳机的机型结构复杂、价格和维护成本较高,故未能在普通莲农中推广,大多数莲农仍采用手工加工。为了减轻广大莲农劳动负担,实现新鲜莲子机械化剥壳的普及,该文研制了一种结构简单、操作方便、适合普通莲农需求的低价位鲜莲子剥壳机,其整机长×高×宽为756 mm×878 mm×412 mm,质量为37 kg,制造成本约1 500元。测试了鲜莲子外壳的切透力、仁坚实度等机械特性,切透力平均值19.63 N、最大值25.8 N,莲仁坚实度平均值19.02N、最大值23.27 N,此数据可为莲子剥壳机结构参数和工作参数的确定提供参考依据。该机采用内充式空穴分离排料、二步滚动正位、振动切割、滚压脱壳的工作原理实现莲子剥壳。通过对4种不同切割方案的剥壳试验对比,结果表明:配置齿面防滑压板、具有滑切作用的悬挂式振动剥壳机构的剥壳率和剥壳质量均优于其他方案,其剥壳率为92%,整仁率100%,有轻微压痕的小于10%,能满足鲜莲子的剥壳要求。     

基于微生物燃料电池供能的无线温度传感系统设计

微生物燃料电池(microbial full cell,MFC)是利用微生物作为生物催化剂将碳水化合物转化为电能的装置。针对MFC输出电压低、功率小、内阻大的特点,该文研制了一种具有最大功率点跟踪(maximum power point tracking,MPPT)功能的能量收集电路和两级升压电路;基于MSP430和CC2500芯片设计了环境温度传感系统。测试结果表明,MFC的输出电压维持在316～390 mV范围内,实现了最大输出功率的跟踪,MPPT电路和升压电路分别输出1.1和3.5 V电压;无线温度传感器以每13ms的周期将环境温度无线传输到远程终端,验证了环境温度传感系统在最大功率点处对无线传感器网络节点供电工作的可行性,可为实现MFC主动式能量收集提供参考。     

可快速拆装的模块化微耕机设计

针对南方丘陵山地耕地落差大,耕作机具在田间转移困难的问题,以LZ-1WG4.2Q型微耕机为原型,设计一款可快速拆装、易于转移、工作稳定性好的模块化微耕机。设计了发动机过渡节、变速箱过渡节与弹性动力座架总成等主要部件,对薄弱部件进行强度校核,利用有限元分析法对关键部件进行静态和模态仿真分析,结果证明该设计合理、可靠,为未来山地微耕机的模块化、便携化生产提供参考。      

“绿洲一号”穴盘苗茎秆力学特性试验

探究“绿洲一号”穴盘苗茎秆的力学特性,为研制、优化移栽取苗机构提供理论指导。采用万能物料试验机开展“绿洲一号”穴盘苗茎秆的拉伸、径向压缩、弯曲以及穴盘苗的脱盘试验并完成形态特征测量,结合有限元分析法对茎秆径向压缩进行仿真分析。结果表明：在加载速度相同情况下,0～20 mm段茎秆拉断力以及最大压缩力高于20～40 mm段;在相近试验直径下,加载速度越大,茎秆的抗弯特性表现更好;“绿洲一号”穴盘苗的脱盘力的范围为2.01～10.81 N、平均值为5.16 N,表明夹茎秆取苗方式可以满足取苗要求;开展径向压缩仿真分析,径向压缩时茎秆的上顶圆弧面处的应力与应变均为最大,并且得到仿真值与试验值的偏差范围为3.5%～15.5%。试验表明：0～20 mm段茎秆的力学性能优于20～40 mm段,结果可以为后续“绿洲一号”移栽取苗机构的设计提供理论参考。     

基于深度卷积生成式对抗网络的菌草丙二醛含量可见/近红外光谱反演

[目的/意义]菌草是多年生可用作饲料与生物质能源的草本植物,在温带种植需克服越冬问题。低温胁迫会对菌草的生长发育造成不利影响。丙二醛（Malondialdehyde,MDA）作为诊断菌草低温胁迫状态的有力诊断指标,利用光谱技术反演MDA含量,可快速无损地评估菌草生长动态,为菌草育种及低温胁迫诊断提供参考。[方法]本研究基于6个品种的菌草植株,设置低温胁迫组与常温对照组,获取菌草苗期的可见/近红外光谱（Visible/Near Infrared Spectrum,VIS/NIR）数据与叶片MDA含量信息,分析低温胁迫条件下菌草MDA含量及其光谱反射率均相应增加的变化趋势;为提升模型的检测效果,提出了改进的一维深度卷积生成式对抗网络（Deep Convolutional Generative Adversarial Networks,DCGAN）用于样本数量增广,并建立基于随机森林（Random Forest,RF）、偏最小二乘回归（Partial Least Squares Regression,PLSR）以及卷积神经网络（Convolutional Neural Networks,CN...     

基于AR特征的刀具状态识别方法

通过分析切削过程刀具产生的振动信号的特点,引入自回归(AR)模型来表征刀具切削过程的工作状态;并利用隐Markov模型(HMM)对经AR模型处理后得到的特征向量(AR系数)和由FFT得到的特征向量(幅值谱)进行比较.结果表明:对于切削过程产生的振动信号采用AR模型得到的特征参数比由FFT得到的幅值谱更能有效地表征这一过程中刀具的工作状态.     

面向温室大棚的自清洁式土壤参数监测仪研制

温室大棚土壤环境参数影响作物正常生长，需长期对其进行监测。针对现有固定式温室大棚土壤参数监测仪中传感器末端普遍长期埋于土壤中，导致传感器使用寿命缩短的问题，引入一种基于Arduino的土壤参数监测仪。该仪器可实现对土壤参数的定时检测，为植物生长所需土壤营养成分的配比和定时灌溉提供实时精准参考数据。在数据采集完成后实现对监测仪传感器探针部位的自动清洁和维护，减缓了传感器因长时间接触土壤造成的电化学腐蚀生锈，提高了传感器使用寿命。该监测仪为实现智能化温室环境动态监控物联网系统的开发奠定了一定基础。      

基于红外检测的原木自动化锯切翻转机锯切策略及锯切角度分析

为提高原木锯切装备的自动化程度和加工效率,同时保证原木锯切的出材率,设计了基于红外检测的原木自动化锯切翻转概念样机,分析了原木锯切策略和锯切角度算法,并搭建了原木外轮廓检测装置试验台来对上述计算算法进行验证。原木外轮廓检测装置采用红外测距传感器检测原木任意横截面外轮廓上均匀分布的8点位置参数,这8个点组成的多边形可近似表征原木截面的外轮廓,轴向不同截面的近似八边形轮廓用Weiler-Atherton算法裁剪,并进一步用最小二乘法将裁剪得到的多边形拟合成椭圆形的有效利用区域。结果表明,拟合椭圆与原木小头截面外轮廓形状的吻合度较高,依据该拟合椭圆提出的锯切策略和锯切角度计算方法,对于弯曲度和锥度较小的原木锯切分析具有可行性。