To address the low efficiency and high flower bud damage rate in camellia-fruit-picking machines, a multichannel camellia-fruit-picking device was designed. Three factors and levels of the quadratic orthogonal rotation combination test method were used in the test. The experimental results show that the fruit picking and bud damage rates were affected most by the roller speed, followed by the distance between rollers, and, finally, the roller diameter. The optimal parameter combination was determined to be the roller speed of 130 mm/s, distance between rollers of 21 mm, and roller diameter of 30 mm, as verified by outdoor experiments. The average camellia-fruit-picking and bud damage rates were 95.68% and 3.92%, respectively. Compared with a rotating rubber roller picking device, the average flower bud damage rate of the multichannel camellia-fruit-picking device was reduced by 14.71 percentage points.
In response to the problems of labor-intensive and inefficient manual cleaning of land-based factory aquaculture ponds, this paper designs an automatic cleaning robot for aquaculture ponds based on rail movement and with the function of over-pond cleaning. The robot consists of moving mechanism, a cleaning mechanism, and a control system. The moving mechanism moves backwards and forwards, left and right along the rails above the pond, the cleaning mechanism cleans the bottom and wall of the pond by rotating and telescoping up and down, and the control system realizes the precise control of the cleaning robot by means of an STM32F103 microcontroller. Path planning is carried out by establishing a full-coverage raster map, and automatic obstacle avoidance is achieved by using algorithms such as shortest tangent and wildfire method.
为研究日光温室内环境要素对番茄果期生长发育的影响,探究环境要素与番茄果实生长发育的量化关系.基于山东省德州市陵城区糜镇智慧农业产业园日光温室秋冬茬番茄果期生长数据和环境数据,分析数据间的相关性和多重共线性,采用逐步回归和主成分回归组合方法,构建设施番茄果期生长模型.结果表明:果实横径与各环境因子累计量存在较强的线性相关关系,果实横径与各环境因子(空气温度、空气湿度、光照强度、CO2 浓度、土壤温度)累计量的相关系数分别为0.96、0.95、0.95、0.94、0.94.温室内环境因子间存在较强的多重共线性,通过逐步回归分析出3个显著环境因子:空气温度、光照强度和CO2 浓度.通过主成分回归建立的设施番茄果期生长模型确定系数为0.93,拟合效果较好.
为满足实际种植环境下对病害叶片精准用药的需求,以设施环境复杂背景图像为研究对象,提出基于语义分割的复杂背景下黄瓜叶部病害分级方法.首先,使用Labelme标注软件对图像叶片和病斑进行标注,并对部分病害叶片进行图像增强以丰富数据集;然后,改进U-Net网络结构并构建基于深度学习的复杂背景下黄瓜叶片病害分割两阶段架构,对复杂背景下的黄瓜叶片、病斑进行分割;最后,提出黄瓜霜霉病、炭疽病病害严重程度分级模型D-MUNet,对病害等级进行划分.改进后的U-Net模型像素精度、平均交并比和Dice系数分别为90.48%、92.46%、0.6457,较原始模型提升2.36%、2.34%和0.0238.黄瓜霜霉病、炭疽病病害分级准确率分别达到92.11%和89.17%.基于语义分割的复杂背景下黄瓜叶部病害严重程度分级方法,能够对黄瓜病害实现有效地分割、分级,为病害的精准防治提供技术支撑.
为促进设施蔬菜生产机械化,针对设施蔬菜生产中"开种植沟、沟内施肥、覆土稳沟"的农艺要求,设计一种设施蔬菜生产无人开沟施肥机.该机由行驶底盘系统、开沟施肥作业系统、液压传动系统、自动控制系统、供电系统等组成,一次可完成开沟、施肥、覆土、稳沟等作业4～6行.作业时,由手机 APP经过运营商的 NB-IoT与该机上的PLC通信,并由PLC控制柴油发动机启停及液压传动系统工作,再由液压传动系统驱动整机行驶及开沟施肥作业.设计过程中,通过UG软件对该机进行三维建模并对主要受力部件进行结构强度分析,得出机架的刚度需适当加强.田间试验结果表明:开沟施肥深度90～130mm、肥料细碎匀混度≥90%、施肥均匀度≥90%、覆土厚度≥50mm,沟底土面宽度约100mm、沟底土面深度30～70mm、沟形稳固度≥95%,持续施肥时长≥1个大棚,远程控制距离≥2km,即各项指标符合设计要求.该研究对提高设施蔬菜生产中开沟施肥作业的质量和效率、降低劳动强度和劳动成本,有着重要意义.
为快速、精准的诊断辣椒叶绿素含量,采用测量方法简单、干扰因素较少的透过光谱进行定量分析.研究对叶绿素含量极其敏感的红边波段变化规律,利用一阶导数法计算代表红边波段特征的红边位置、红边幅值和红边面积三种红边参数,分析参数变量间的相关性和共线性,并基于特征参数分别建立最小二乘回归模型和岭回归模型.结果表明,最小二乘回归模型的验证结果相对误差为7.94%,岭回归模型的验证结果相对误差为7.75%,岭回归模型不仅解决参数间的共线性问题,并且提高模型验证结果的精确度,该模型可以作为辣椒生长状态快速诊断的技术基础.
为解决传统农业温控系统存在的大惯性、时变非线性和纯滞后性问题,以恒温水浴温度调控系统为研究对象,建立温度调控机构的一阶加纯滞后数学模型.充分考虑PID控制、模糊控制与灰色预测控制各自的优点,仿真评估灰色预测算法预测系统温度的相对残差均值为4.73×10-6,方差比为0.0018,反映出模型预测的可靠性很高;设计将模糊PID作为主控制器,灰色预测算法作为辅助控制器的协同温度控制模型.仿真试验结果表明:灰色预测—模糊PID控制器的超调量相对于传统PID控制器下降0.35%,相对于模糊PID控制器下降0.18%;灰色预测—模糊PID控制器的调节时间相对于传统PID控制器缩短232.8ms,相对于模糊PID控制器缩短204.9ms;灰色预测—模糊PID控制器的稳定温度值相对于传统PID控制器减小3×10-3℃,相对于模糊PID控制器没有发生变化;对于相同的扰动信号,灰色预测—模糊PID控制器的调节时间相对于传统PID控制器缩短252.3ms,相对于模糊PID控制器缩短248.2ms.灰色预测与模糊PID的恒温水浴协同温度控制与传统PID、模糊PID控制相比,具有更小的超调量、稳态误差和更快的调节速度以及更好的抗干扰性能.
蔬菜采摘机器人对蔬菜生产机械化、自动化、智能化具有重要意义.对国内外蔬菜采摘机器人研究现状、关键技术进行总结、分析,包括优化末端执行器提升采摘效率,优化图像处理算法和深度学习模型提高识别精度.并对蔬菜采摘机器人的夹持式、吸持式和仿生式三类末端执行器的特点及适合场景进行分析.分析蔬菜采摘机器人视觉系统的组成结构,对比三种识别方法:传统的图像处理方法基于颜色、纹理特征等;机器学习方法如K-means聚类算法和支持向量机SVM算法等;深度学习方法如YOLO、Faster RCNN和SSD网络等.根据不同蔬菜的生长环境及自身特性,归纳出适应的识别方法,并对比识别效果.最后,指出蔬菜采摘机器人在作业对象、作业环境、自身硬件、生产成本方面存在的问题;并在蔬菜种植模式、软件系统、硬件系统以及利用区域特性方面作出展望.
为提高农用机械面对偏载启动、负载突变和系统调速时的自适应性,提出一种基于BP-PID控制的全液压驱动农用机械同步控制系统.首先分析该系统液压工作原理,并提出转速控制原理和同步控制策略;其次分析BP神经网络原理并设计BP-PID控制系统;最后运用AMESim和Matlab/Simulink进行建模和联合仿真分析.仿真结果表明:采用BP-PID控制系统相对于PID控制系统,系统偏载启动时,响应速度提高36.4%,系统没有超调量,响应速度更快;负载突变时,系统转速变化量减少32%,系统响应速度提高25%,系统具有更好的鲁棒性;目标转速变化时,系统具有更好的调速性能.
为实现集约化水产养殖中的鱼类因病毒细菌等感染体表病症的快速、准确识别,帮助养殖户快速了解养殖池内的鱼病危害程度和分布情况,基于改进的 YOLOv5结合嵌入式技术设计一套鱼病的快速检测系统.使用改进过的YOLOv5神经网络模型生成鱼病的候选框,实现对鱼病的快速定级分类.检测系统根据候选框的数据对鱼病进行计数、分类,鱼病危害分类按正常、轻度、重度划分,结合患病鱼数形成对鱼病危害程度定量化测评的体系,最后引入GPRS模块获取检测点的位置信息,在软件端形成鱼病的热力图.模型测试结果表明:改进后的 YOLOv5模型检测精准率为99.75%,召回率为93.21%,测试模型mAP50、mAP50:95对比原YOLOv5模型在帧数轻微下降3.22帧的情况下AP达到99.38%、88.09%,表明其拥有出色性能,改进后模型内存下降至13.6 MB.改进后YOLOv5模型体积更小,性能优越稳定强,适宜部署在鱼病检测嵌入式系统中.系统整体测试结果表明:系统能够实时的检测鱼病的发生,检测时系统能按正常,轻度,重度划分鱼病,并将鱼病的情况结合定位系统形成可视化的热力图像.
孔隙率直接关系到稻谷干燥介质迂曲度、能质传递、通风阻力的变化,是解析稻谷干燥过程和能耗的重要参数之一.为准确获取流动状态下稻谷层的孔隙率,设计稻谷流动层孔隙率检测装置;结合正交试验方法和参数的物理意义,分析检测装置的测量性能,并研究不同工况下稻谷流动层孔隙率的演变规律.结果显示,流动层孔隙率检测装置具有较好的可靠性,且多组试验结果的方差范围为0.0101-0.0229;在含水率为12.73%-32.01%区间,流动层孔隙率随稻谷含水率增大而逐渐减小;流动层孔隙率在稻谷流动层厚度为400-850mm范围内呈现先减小后增大的规律变化,且其最小值为63.1%;在开度为0-80mm区间内,流动层孔隙率随开度增大而升高.
为精确预测蝴蝶兰产量和对蝴蝶兰的生产进行科学管理,对大苗时期的蝴蝶兰植株花朵和花苞进行识别与检测,统计其花量.由于蝴蝶兰花苞目标体积较小,提出一种基于改进YOLOv5的蝴蝶兰花朵与花苞识别方法.首先,修改颈部网络的结构,在特征金字塔FPN(Feature Pyramid Network)和路径聚合网络PANet(Path Aggregation Network)中引入有利于小目标检测的160×160尺度特征层,以提升对小目标的检测效果;其次,使用K-means++聚类算法针对训练集生成更合适的先验框,并采用载入预训练权重和冻结主干网络的训练方式,以使模型更加容易学习,提高网络模型收敛速度和泛化能力;最后,在颈部网络加入轻量级注意力机制,加强对目标的关注,减少背景干扰,以提升模型的特征提取能力.试验结果显示,该算法对花苞的检测精确率达到89.54%,比改进前提升9.83%;对花苞和花朵的平均精确率达到91.81%,比改进前提升5.56%.该算法有优异的检测精度并有效提高对小目标的检测能力.
为研究射流混药器在实际喷雾作业时对喷雾系统的影响,搭建应用射流混药装置的喷杆式喷雾机在线混药系统.通过改变喷头型号、喷雾压力和混药喷雾系统的总喷雾量,研究射流混药装置在混药喷雾系统中的工作特性.结果表明,当混药系统的工作参数与射流混药装置匹配不当时,系统的药液管路会出现药液回流现象;射流混药装置在混药喷雾系统中有最小工作流量Qmin;为评价混药均匀性提出空间变异系数这一指标,试验结果表明该在线混药系统的空间变异系数在5%以内.
农业机械化对促进农民增收具有重要贡献,但鲜有文献从农机跨区作业视角探究农业机械化对农民增收的空间溢出效应及时间异质性.基于农机跨区作业的客观事实,利用2006-2021年全国31个省域面板数据和空间杜宾模型实证分析农业机械化对农民增收的空间影响效应.研究表明,农业机械化能够促进本地农民增收,并且对邻近地区农民增收具有显著正向空间溢出效应;从农民收入来源结构看,农业机械化对农民经营性收入和工资性收入增长均具有显著正向空间溢出效应;农业机械化对农民增收的本地直接效应和空间溢出效应存在时间异质性,以2014年农机跨区作业开始萎缩为时间节点,2006-2013年农业机械化对农民增收的空间溢出效应要强于2014-2021年,而2006-2013年农业机械化对农民增收的本地直接效应要弱于2014-2021年.鉴于此,应加快农业生产全程机械化,稳步提升农机装备水平,完善农机本地作业和跨区作业的协同机制.
为提高拖拉机的可靠性,减少维修次数,运用可靠性分析理论对其使用寿命进行分析研究.首先对某型号轮式拖拉机进行750 h的现场使用跟踪试验,将收集到的故障时间数据分析整理,采用二参数威布尔分布对其进行建模,然后利用四分段距法筛选有效数据,使用最小二乘法和极大似然估计法进行模型参数求解,选取最优的参数求解方法,最后采用K-S检验法对威布尔分布模型进行检验.结果表明,拖拉机的故障时间服从二参数威布尔分布.通过模型计算得到拖拉机的平均无故障工作时间为317.78 h,中位寿命为451.28 h,特征寿命为513.45 h,随后以A、B、C、D四台拖拉机为例,进行剩余寿命预测,得到使用时间和剩余寿命之间具体的对应关系,从而对拖拉机制定合理的预防性维修周期.
为克服传统农药喷洒方式混药不合理和喷洒控制复杂及高成本的缺点,设计一种水和药独立供给控制的变量喷洒系统.首先通过分析SK、SX和SH三种混合器的性能,确定单元数为3的SK型混合器.然后设计喷头转速、喷头高度等试验方案,测得喷头转速为11750r/min(占空比为75%),幅角为112.6°,喷头高度为1.0m时,作物单位面积颗粒数达48个/cm2 以上,施药浓度误差不大于3%.最后以小麦返青时节纹枯病为防治对象,对人工作业区、无人机作业区、变量喷洒区以及对照区域进行喷洒试验.结果表明:在喷洒15天和30天后,变量喷洒区域的1级和2级生长情况之和占比均达到97%,小麦返青期纹枯病的防治效果较理想,高于其他区域.
针对某型单缸农用柴油机在标定工况下铸铝齿轮室盖结构振动问题,采用现代信号处理技术结合有限元模态分析技术分析齿轮室盖的结构动态特性.首先采用变分模态分解方法(VMD)与同步压缩小波变换法(SWT)相结合的方法获取了齿轮室盖结构振动的主变分模态分量,分析其时频特性,然后通过频率响应法识别齿轮室盖结构的固有特性,分析两者相关性,在此基础上再利用有限元模态分析技术进一步研究齿轮室盖结构振动的模态特性,找到导致其动态特性变差的薄弱环节,最后采用加强筋结构改进设计措施提高齿轮室盖的模态频率,避开结构共振,优化结构动态特性.
为解决蔗芽识别在蔗种定向机械化种植速度不匹配问题,提出基于改进YOLOv4-Tiny的蔗芽快速识别方法.将主干网络融合SE-Resnet模块实现注意力机制以增强蔗芽的特征;颈部网络结构多增加一层预测尺度并进行锚框的K-means重聚类,利用浅层网络的细节信息来提高模型对小目标蔗芽的检测能力;设计人机交互界面实时显示蔗芽识别定位信息.该研究将改进YOLOv4-Tiny算法和NCS2加速推理部署在树莓派4B设备中测试,试验结果表明:识别蔗芽精度达到95.87%,平均精度均值mAP为92.46%,基于树莓派检测速度为0.61s,模型大小仅为23.2MB.实现部署在嵌入式设备中准确快速识别蔗芽,解决蔗种蔗芽识别速度慢制约蔗种机械化播种速度问题,为蔗种机械化定向种植提供解决方案.
针对果园作业机质量较重、强度富余的问题,对某果园作业机车架结构参数进行以减轻质量、改善结构静力特性与模态特性为目标的优化设计.建立车架有限元模型,分析其在典型作业工况下的结构静力特性与结构模态特性,通过灵敏度分析方法选出对车架的质量、结构静力特性和模态特性影响较大的结构参数作为设计变量,采用最优拉丁超立方实验设计法设计样本点,运用Kriging方法构建车架质量、最大应力、低阶固有频率的多目标优化系统的近似模型,综合多目标遗传算法与层次分析法对近似模型进行优化,得到最优解.结果表明:优化后的车架在满足结构静强度的同时,质量减小11.6%,1阶固有频率和2阶固有频率分别提高12.3%和7.2%,有效减小果园作业机自重,改善车架结构模态特性.
为定量评价波涌灌间歇入渗中灌水技术参数及交互作用对间歇入渗减渗作用的影响,通过室内土柱入渗试验,进行地下水浅埋下间歇入渗试验,以累积入渗量和减渗率作为试验指标,通过两种方法(偏最小二乘法和逐步选择法)对循环率、周期供水时间以及周期数3因素进行回归分析,并建立线性回归方程,对方程及其各因素进行方差分析.采用响应优化分析法对回归模型进行指标优化.试验结果表明:所建回归方程线性相关性较好,其决定系数R2 大于0.97,误差平方和SSE小于1.1,较好地反应各单因素及其交互作用下的入渗指标.与偏最小二乘法相比,逐步选择法可满足较高精度要求,当周期数为3、周期供水时间为30min、间歇入渗循环率为1/4时,入渗量为6.29cm,减渗率为19.15%,标准误差值均小于0.01,合意值均达0.8以上.为波涌灌灌水技术进一步研究奠定科学基础.
