期刊简介
期刊名称： 农机化研究
创办日期： 1979年
主办单位： 黑龙江省农业机械工程科学研究院;黑龙江省农业机械学会
刊期： 月刊
电话： 0451-86631651/86662611
Email： nongjihuayanjiu@qq.com
国内统一刊号(CN)： 23-1233/S
国际标准刊号(ISSN)：1003-188X
基于相机与激光雷达融合的番茄果实三维定位研究
邹荣;李金炎;王权;白圣贺;沐森林;为满足复杂环境中番茄采摘机器人果实三维定位需求，克服番茄三维定位中光照变化对相机影响、三维点云定位的资源消耗和速度问题，提出了一种基于相机与激光雷达融合的番茄果实三维定位方法。首先，对传感器采集的数据进行预处理，基于改进的YOLOv5s模型对番茄图像进行感兴趣区域(Region of Interest, RoI)提取，通过传感器联合标定将RoI转换为带有点云信息的截锥体区域提议；其次，对区域内点云进行反射率分析，分割出番茄果实点云，通过SOM K-means聚类算法对分割出来的果实点云进行聚类，进而对果实重叠的点云进行个体分割；最后，使用多模态融合算法将二维的图像检测中心与番茄点云质心相关联。引入EIoU Loss对YOLOv5s网格的损失函数进行优化，改进的模型在测试集上的识别准确率为99.65%,与YOLOv5s和Faster RCNN相比，识别准确率分别提高了3.7个百分点、5.9个百分点。对随机选取的52株番茄果树样本进行定位，试验结果表明：改进后算法的定位准确率为95.48%,相比于双目立体视觉检测识别准确率提高了2.48个百分点，定位误差小于4.5 mm。机械臂采摘试验表明，改进后算法满足番茄采摘机器人视觉定位要求。
移栽机送苗装置的拓扑优化与减振研究
余城乐;赵雄;徐亚丹;代丽;对蔬菜自动移栽机的送苗装置侧板零部件进行了轻量化研究与设计，应用SolidWorks三维计算机辅助设计软件创建零部件的三维模型，以及棘轮棘爪碰撞冲击的数学模型。通过ANSYS Workbench通用有限元软件对零部件进行结构静力学分析，获得移栽机在移箱换行工况下送苗装置侧板的应力和位移云图。以单元密度为设计变量，以最小结构柔顺度和最小质量为目标函数，以位移和应力为约束条件，采用变密度法对模型进行拓扑优化研究与设计，并对优化后的零部件进行结构静力学分析校核强度。送苗装置整体运动建立振动学模型，根据拓扑优化设计的结构柔顺度目标函数前后变化小来确定振动学模型的不变参数，包括等效刚度、双螺旋轴横向推力、相位差，验证拓扑优化前后阻尼系数的变化和送苗装置整体振动响应的变化。结果表明：通过拓扑优化设计方法的应用，可以有效减少送苗装置整体质量约6.6%,实现了送苗装置整体的轻量化设计，装置整体振动位移响应下降约10.64%。
基于ISSA优化PID控制的果园机器人路径跟踪研究
赵建安;李长勇;针对果园机器人在路径跟踪过程中存在精度差、响应慢的问题，提出一种改进樽海鞘群算法ISSA(Improve Salp Swarm Algorithm)与传统PID控制相融合的控制方法。首先对果园机器人建立运动学模型；然后采用混沌映射、非线性收敛因子、灰狼算法狩猎机制多策略融合对樽海鞘群算法进行改进，利用8种测试函数将ISSA与4种算法进行测试对比分析，测试结果显示ISSA算法在收敛速度、寻优精度和稳定性等方面具有明显优势；接着使用改进樽海鞘群算法优化PID控制参数，并在Matlab的Simulink中进行多种路径跟踪仿真，调节时间相比传统PID控制器缩短84.4%、超调量降低47.9%;最后搭建果园机器人试验平台并开展路径跟踪试验，行驶速度分别为0.4、0.6和0.8 m/s,每组进行3次重复试验，3种速度下平均横向误差分别为5.27、6.29及7.81 cm,满足果园机器人工作要求。
基于仿人机械手关节速度反馈的水果硬度在线抓取识别
陈家梁;李宁;刘飞;刘丽莎;宋小刚;针对现有水果分拣技术在非表观信息感知方面的不足，提出了一种基于关节电机速度反馈的仿人机械手硬度感知与分拣方法。通过内置速度编码器获取机械手与水果接触时的运动反馈，建立水果硬度与电机速度之间的映射关系，从而实现对水果成熟度的准确识别与分拣。首先，介绍了仿人机械手的整体结构与机械手指的模块化设计，构建了机械手运动学模型，并对手指的工作空间进行了分析，为后续抓取和硬度感知试验提供了理论支撑；然后，基于仿人机械手对不同硬度物体的抓取数据，深入分析了物体硬度与关节电机速度之间的映射关系，得出电机速度的变化能够有效反映物体硬度的结论。通过多次试验验证了映射关系的稳定性与可重复性，为此方法的可行性提供了试验依据。最后，提出了基于关节电机速度反馈的仿人机械手水果分拣方法，并对不同软硬程度的橙子进行分拣试验，结果表明：所提出方法的分拣成功率达到90%,具备有效性和可靠性。
柔性垂直摘锭式采棉系统刚柔耦合动态特性分析——基于ADAMS
刘超;古丽巴哈尔·托乎提;买买提明·艾尼;胡国玉;为打破国产采棉机的技术瓶颈，研究采棉头柔性垂直摘锭的动力学特性，提高采棉机的采净率和稳定性，以自主研发的新型柔性垂直摘锭式采棉机作为研究背景，通过ADAMS虚拟样机技术建立其刚柔耦合的动力学模型，对采棉系统的动态特性进行了研究。结果表明：运行过程中受皮带变形影响，摘锭轴加速度曲线在0位附近正负交替剧烈，有明显的振动现象，但很快便会恢复；每0.5 s为1个运动周期，起步时摘锭受力太大容易引起轻微振动，摘锭前后周期的受力曲线波动大致相同，能够平稳运行；在摘锭刚进入内外皮带时，转动方向改变，受力也会改变并达到最大值，产生的冲击引起摘锭轴的振动，进而对整个采棉系统产生一定影响；皮带和摘锭轴的最大等效应力均在各材料的抗拉强度之内，不会发生破坏。动力学计算结果可为后续国产采棉机结构设计、改进、分析提供数据参考和指导意义。
水培芥蓝茎秆粘弹性参数预测模型研究
董朝;邓楚恒;朱仕成;陈杰庆;杨腾;黄润鑫;夏红梅;为减少末端执行器夹持水培芥蓝过程中造成的损伤,提出一种水培芥蓝夹持部位粘弹性参数快速预测模型。首先以加载力、速度为因素,进行全因素蠕变试验,结果表明:加载力、时间和速度对芥蓝茎秆变形量有显著性影响,变形量和压缩比随加载力增加呈上升趋势,随加载速度提高呈下降趋势,得到芥蓝茎秆样本不损伤压缩比小于8.39%的临界条件。构建以加载力、时间和变形量为输入,粘弹性参数E1、E2、η1、η2为输出的GA-BP神经网络预测模型,结果表明:训练集和测试集数据中,E1、E2、η2的拟合系数R2均大于0.9,η1的拟合系数R2均大于0.8,GA-BP神经网络具有较好的预测精度。通过夹持验证试验可知:4棵芥蓝样本最小稳定加载力分别为14.4、12.9、13.4、13.1 N,最大抓取临界力分别为44.1、42.2、38.5、36.5 N,在最小加载力和最大抓取临界力范围内芥蓝均无损伤。由此表明,使用GA-BP神经网络预测粘弹性系数预测模型可靠性高,可为后续水培芥蓝快速无损力度控制系统的设计提供理论依据。
设施番茄采摘机器人末端执行器设计与试验
杨鑫宇;杨启志;刘磊;钟霞;曲广一;针对设施番茄采摘机器人末端执行器作业时存在采摘成功率不高、番茄夹损、枝叶遮挡等问题,设计了一款带有可伸缩吸盘的三爪设施番茄采摘机器人末端执行器。重点研究了该末端执行器的夹持特性,首先以设施粉太郎品种的番茄为研究对象,对其力学特性进行试验研究,为末端执行器的设计和力学分析提供理论依据;然后,通过对番茄受力分析得出夹持力的范围,基于末端执行器夹爪运动学分析确定末端执行器各关节参数和运动学参数;最后,通过夹爪与番茄相互作用分析确定夹持番茄运动过程满足力学设计要求,通过ADAMS仿真验证末端执行器的运动学参数和力学参数,并进行实地试验。试验结果表明,单果采摘耗时约为5.4 s,采摘成功率可达88%,满足番茄机械化采摘的要求。
基于云边端的小麦田智慧灌溉系统
王一晖;徐法虎;韩腾飞;张云皓;王瑜博;刘佳达;龚正;针对当前小麦灌溉设备自动化程度和水资源利用效率低等问题,开发了一套基于云边端的智慧灌溉系统,由数据采集上传、灌溉策略制定、灌溉决策下发、灌溉策略执行和PC控制终端五大部分组成。首先,系统通过自主设计的边缘计算控制器、传感器对农田气象因子进行实时的动态监测,并将部分计算任务在边缘端进行,提高系统数据处理的即时性;通过4G与LoRa通信技术传输和存储监测数据,降低了系统成本,并提高了系统的可拓展性。然后,对监测数据进行分析,制定灌溉决策模型,得出所需灌溉量;通过云平台下达命令,控制对应的执行模块进行灌溉。最后,进行系统测试,结果表明:系统网络通信稳定,在大田测试过程中未出现丢包现象;通过LoRa组网可以实现在丢包率低于2%的情况下最远距离达到了1.5 km;系统灌溉量的平均误差为1.552 L。在云平台命令控制流量的过程中,有效减少了人力与设备方面的成本,提高了小麦灌溉设备的自动化程度;通过灌溉策略的制定与部署,避免了水资源的浪费,为小麦的科学种植提供了保障。
精量播种机种子运移过程与装置研究进展
王光宇;衣淑娟;王淞;李帅霏;李衣菲;陶桂香;毛欣;精量播种是现代农业实现高产稳产的关键技术,精量播种机是实现高速、精量、节本增效的重要载体。种子在精量播种机内的运移过程主要由充种、携种、清种和导种4个环节组成。以种子在精量播种装置内的运移过程为基本分类,分别梳理了国内外精量播种机4个环节对应装置的技术特点和优缺点,得出无伤充种、平稳携种、有效清种和精确导种是提升精量播种技术精度和效率的主要技术措施。为满足现代农业生产对播种作业过程的精量化、有序单粒化、株距均匀化、节约资源和环境友好型农业技术的需求,指出了未来精量播种机种子运移过程与装置的重点研究方向,包括气力式充种环节中的气室压损最小化、电驱动排种环节中的精准控制技术、多级气力式清种环节中的种子有序单粒化,以及全约束导种环节中的“零速投种”原理和装置研究,旨在进一步提升精量播种技术的精度和效率,为满足现代农业对节能、高速、高效精量播种作业需求提供理论参考与借鉴。
基于改进YOLOv7的丘陵地区茶树叶部病虫害识别方法
彭炜峰;罗江华;为解决丘陵地区茶树叶部病虫害检测识别中存在的图像目标较小、漏检和误检严重、耗费人力、识别不准、效率不高等问题,提出了一种基于改进YOLOv7的丘陵地区茶树叶部病虫害识别方法。首先,引入AC-E-ELAN模块,促进模型获取丰富图像特征信息,提升模型的学习与推理能力;然后,添加DCNv2、CBAM模块,提升模型对微小特征的提取能力和抗干扰能力;最后,采用CARAFE上采样算子和WIoU损失函数,提高模型识别效率和效果。将改进YOLOv7模型与胶囊网络、残差密集网络、YOLOv7、YOLOv8等模型对茶树叶部常见4种病虫害的识别进行对比试验,结果表明:改进YOLOv7模型的各项评价指标均优于其他模型,具有较高的识别精度和能力。研究为提高茶树生产质量和产量提供了新思路和新方法,对推进农作物病虫害监测预警、统防统治和智慧农业发展具有借鉴和参考意义。
中国主要秸秆资源数量及其区域分布
毕于运;王亚静;高春雨;我国秸秆总产量居世界首位。根据已有秸秆总量计算中存在的不足,利用相关统计数据以及实地调查结果对我国秸秆总产量重新进行了计算,并就近年来我国秸秆总产量的变动和主要农作物秸秆数量进行了分析。同时,还根据我国主要农作物的地域分异规律,把我国秸秆资源分布及其分区开发利用研究划分为东北区、长江中下游区等8大区,并以此为基础,对我国秸秆总产量以及单位产量的区域分布、几种主要农作物秸秆的区域分布进行了分析和描述。
国内外水稻直播种植发展概况
王洋;张祖立;张亚双;崔红光;对国内外水稻直播种植方式的概况进行了阐述,详细地介绍了水稻直播的3种种植方法,并总结了水稻直播的很多显著优点;同时,综合分析了直播水稻存在的几个问题和直播稻的发展前景;最后,得出水稻直播前景广阔,可作为我国农业生产重点发展的一项技术。
农用植保无人机的研究现状及趋势
娄尚易;薛新宇;顾伟;崔龙飞;周晴晴;王昕;病虫害是制约作物良好生长、粮食安全生产的重要因素之一。然而,在当前尚缺乏有效预警手段和物理防治方法的情况下,化学药剂防治仍然是防治病虫害的主要手段。为此,介绍了植保无人机相比传统地面施药的优势和特点,对国内外植保无人机的发展研究概况进行了梳理和总结,通过与发达国家精准施药技术的比较,分析了我国在施药关键技术和施药配套装备与技术方面的不足,并简要介绍了无人机振动源的研究现状,阐述了植保无人机未来的研究发展趋势,为后续的研究工作提供铺垫。同时,指出了无人机低空施药技术将会大幅提高病虫害防治效率,促进我国现代农业的发展。
我国农业机械化发展现状及对策
冯启高;毛罕平;论述了农业机械化在我国农业现代化中的功能和作用;分析了我国农业机械化发展现状和存在的问题;提出了今后我国农业机械化发展应采取的措施和战略选择,即建立农业机械化发展长效机制,健全农业机械化服务体系,注重农业机械化区域化发展,推进适合农业机械化作业的农业栽培技术,构建农机科技创新体系,提高农机制造水平,推进节约型农业机械化发展等。
农作物秸秆的综合利用与可持续发展
李海亮;汪春;孙海天;严晓丽;梁琦;农作物秸秆是一种宝贵的生物质资源,我国秸秆资源丰富,具有较大的综合利用潜力。为此,分析了秸秆的利用价值,对我国秸秆资源的利用现状、总量和分布进行了介绍,并从燃料化、饲料化、肥料化、原料化和基料化5个角度阐述了秸秆利用的技术特点和应用现状。研究结果表明:实现农作物秸秆的综合利用,对于促进农业可持续发展具有重要意义。
MATLAB在图像处理和分析中的应用
邓巍;丁为民;张浩;MATLAB中的数字图像是以矩阵形式表示的,这意味着MATLAB强大的矩阵运算能力用于图像处理非常有利,矩阵运算的语法对MATLAB中的数字图像同样适用。为此,介绍了如何利用MATLAB图像工具箱来实现经典的图像处理,并以血管三维重建为例,说明如何用MATLAB实现经典的数字图像处理,最后验证了该语言是简洁的、可读性较强的高效率编程软件。
我国农业机械化发展现状及对策
冯启高;毛罕平;论述了农业机械化在我国农业现代化中的功能和作用;分析了我国农业机械化发展现状和存在的问题;提出了今后我国农业机械化发展应采取的措施和战略选择,即建立农业机械化发展长效机制,健全农业机械化服务体系,注重农业机械化区域化发展,推进适合农业机械化作业的农业栽培技术,构建农机科技创新体系,提高农机制造水平,推进节约型农业机械化发展等。
生物质能利用技术的研究进展
郭海霞;左月明;张虎;生物质能是可再生能源的组成部分。生物质能的开发利用为能源和生态问题的解决提供了一条新的思路。为此,对近年来国内外生物质能利用技术的研究进展进行了综述;分析了目前我国生物质能源开发技术存在的主要问题;提出我国生物质能源研究开发的发展前景和建议。
基于DS18B20的单片机温度测量系统
陶冶;袁永超;罗平;DS18B20是美国DALLAS半导体公司生产的1-WIRE数字温度传感器,它可直接实现数字化输出和测试,具有控制功能强、高精度、传输距离远、抗干扰能力强、微型化和微功耗等特点。为此,介绍了单线数字温度传感器DS18B20的结构、特点和工作原理,设计了一种基于DS18B20和AT89S52单片机的温度测量系统的硬件结构及汇编程序,并阐述了其在农业中的应用。该装置具有显示精度高、价格低廉、结构简单、扩展方便和应用广泛等一系列优点。
农用植保无人机的研究现状及趋势
娄尚易;薛新宇;顾伟;崔龙飞;周晴晴;王昕;病虫害是制约作物良好生长、粮食安全生产的重要因素之一。然而,在当前尚缺乏有效预警手段和物理防治方法的情况下,化学药剂防治仍然是防治病虫害的主要手段。为此,介绍了植保无人机相比传统地面施药的优势和特点,对国内外植保无人机的发展研究概况进行了梳理和总结,通过与发达国家精准施药技术的比较,分析了我国在施药关键技术和施药配套装备与技术方面的不足,并简要介绍了无人机振动源的研究现状,阐述了植保无人机未来的研究发展趋势,为后续的研究工作提供铺垫。同时,指出了无人机低空施药技术将会大幅提高病虫害防治效率,促进我国现代农业的发展。
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