2025年 10期
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。
油茶果采收机收集系统设计与试验
曹春风;陈飞;李立君;廖凯;高自成;针对油茶果采收机收集率低、收集困难等问题，设计了一种收集系统，可完成推料、输送、收集任务，提高采摘效率。采用Box-Benhnken响应面试验设计理论，以螺距、叶片直径、叶片宽度和螺旋速度为影响因素，以推送率Y1和推送时间Y2为作业质量评价指标，进行四因素三水平正交试验。建立各因素与指标之间的回归数学模型，并分析各因素对响应值的交互影响，同时对模型进行优化求解，获得最优参数组合为：螺距59.9 mm、叶片直径60.5 mm、叶片宽度19.3 mm、螺旋转速118 r/min,对应的推送率为88.24%、推送时间为8.3 s。对得出的优化结果圆整再进行田间试验，结果表明：在最优参数组合下，平均推送率为87.6%,平均推送2 kg油茶果的时间为8.4 s,满足设计要求。研究结果可为油茶果采收机收集系统的设计和无轴螺旋运输大中颗粒物料提供参考。
基于曲面响应法的开沟施肥装置优化设计
黄敞;王玲玲;郑勇;黎土煜;刘友江;为进一步优化开沟施肥装置设计参数，采用响应面法(RSM)和中心组合旋转设计(CCRD)优化法，综合探究了刮板深度、施肥机前进速度和转盘转速3个影响因素对施肥规律的影响，以施肥效率和施肥密度为响应值，确定优化设计方案。试验结果表明：影响施肥效率和施肥密度的3个关键影响因子的影响顺序均为转盘转速>刮板深度>施肥机前进速度。优化方案为：刮板深度33.53 mm、施肥机前进速度0.65 m/s、转盘转速5.95 r/min时，以最优参数组合得到的施肥效率为15.00 g/s、施肥密度为25.00 g/m。在此条件下，回归模型的预测值与实验值的相对误差为-5.88%～+16.93%,实验值与理论预测值一致。通过研究，初步掌握了开沟施肥装置的优化设计方法和排肥规律，为精准化、智能化施肥机械关键部件的研发提供了参考。
电容式大蒜播种机排种检测系统设计
戴欣杰;崔荣江;缪月军;孙良;针对勺链式大蒜播种机排种出现漏种和重种的问题，基于电容感应原理设计了一种电容式排种检测系统。首先，建立了3种结构的电容传感器理论模型，证明了可以根据感应电容值确定检测区域内大蒜的数量；接着，利用Maxwell进行排种检测仿真，以最大电容变化量为目标确定电容传感器的最佳结构和尺寸参数，并使用单片机和AD7746电容转数字芯片建立电容数据采集系统。通过台架试验，获取了不同排种速度下取种勺单粒大蒜、漏种、重种的感应电容阈值，以此判定是否出现漏种或重种。排种检测试验表明：不同取种速率下，漏种检测的相对误差在0.83%～1.67%之间，重种检测的相对误差在-1.50%～-0.67%之间。排种检测系统能够实现勺链式大蒜播种机排种实时检测，为后续的补种与重种剔除提供技术支持。
长秧龄步行插秧机分插机构的优化设计与仿真
杨唐;尹建军;杨佳佳;周脉乐;赖海珠;针对现有步行式插秧机栽插长秧龄大苗时出现的秧箱推歪已栽秧苗问题和搭桥问题，设计了一种适用于栽插长秧龄水稻秧苗的曲柄摇杆式分插机构。通过建立曲柄摇杆式分插机构的运动学模型，编写了分插机构的辅助分析优化设计软件，并优化出一组满足水稻长秧龄大苗栽插要求的机构参数。运用反转法原理和解析法建立了复合在分插机构内的推秧机构运动学模型，通过编程计算获得满足推秧动作时序要求的精确凸轮轮廓。基于SolidWorks软件建立了完整的改进分插机构虚拟样机模型，采用ADAMS软件对其进行运动学仿真，获得分插机构秧针端点的静轨迹、动轨迹和速度曲线。相较于原分插机构，改进分插机构的虚拟样机仿真结果表明：秧针的取秧角为338°,秧针与秧箱之间夹角为78°,推秧杆的推秧角为281°,推秧杆与地面夹角为72°,分插机构具有更优的取秧角和推秧角，秧苗直立性更优；分插机构的工作轨迹高度可达302 mm,能够栽插350 mm高的秧苗，株距160 mm时对应的穴口宽度28.74 mm,满足长秧龄大苗栽插要求。
废弃蔬菜秸秆堆肥一体机的设计与试验
曾庆臻;齐自成;张琦峰;姚玉梅;针对在以废弃蔬菜秸秆为主要原料的好氧发酵过程中现有好氧堆肥一体机传质传热效率低、腐熟周期长、自动化程度不高等问题，研制了适用于大宗废弃蔬菜秸秆集约化处理的堆肥一体机。一体机为全封闭箱式结构，多层层叠铺料，通过优化曝气管道，实现单层独立定量增氧曝气，采用层间翻板导料翻堆，实现由上向下翻料，热量由下向上循环利用，形成类似“蒸笼”的结构，集成温度、压力、水分、氧气、臭气等多参数实时监测，实现自动控制。在此基础上，以废弃蔬菜秸秆∶鲜鸡粪∶秸秆为6∶3∶1混合均匀的堆肥物料，开展了为期12 d的堆肥试验，检测好氧堆肥过程中关键参数变化并测定堆肥产物相关标准。试验结果表明：堆肥一体机内部堆体1/3处和2/3处温度均在2 d内达55℃及以上，保持发酵温度60℃以上5～7 d,种子发芽指数均大于90%,试验效果良好。废弃蔬菜秸秆堆肥一体机可以实现蔬菜秸秆废弃物高效无害化处理，为提升全国大宗蔬菜产地秸秆废弃物资源高效处理与循环利用水平提供技术支撑。