本刊信息

主管单位:中国科学技术协会

主办单位:中国农业机械学会;中国农业机械化科学研究院集团有限公司

编辑出版:《农业机械学报》编辑部

主 编:任露泉

国际刊号:ISSN 1000-1298

国内刊号:CN 11-1964/S

CODEN:NUYCA3

收录机构:EI/SCOPUS/CA/CSA/JSTChina

刊期:月刊,每月末25日出版

国内邮发代号:2-363

国内发行:M289

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    农业采摘机器人专栏
  • 农业采摘机器人产业化进程分析与多臂高速化技术走向

    刘继展,江应星

    2024, DOI: 10.6041/j.issn.1000-1298.2024.10.001

    Abstract:

    在经历了长期的摸索和积累后,全球采摘机器人的产品化进程正在不断加速。随着我国农业生产对采摘机器人需求的快速刚性化,众多企业纷纷加入,生产销售逐步展开,但作业效率不足已成为其全面产业化和生产应用的核心障碍。本文在分析我国采摘机器人效率现状的基础上,归纳了机器人采摘的提效技术模式和多臂化途径,指出了国内外采摘机器人多臂高速并行的发展态势。在总结多臂采摘机器人臂型设计、视觉技术、任务与运动规划技术发展现状的基础上,提出了采摘机器人产业化的发展趋势与目标,认为从手眼高精准向综合强容差、从专用定制化向通用模块化、从专业性装备向用户型产品发展是采摘机器人产业化的技术走向。

  • 基于SwinS-YOLACT的番茄采摘机器人实时实例分割算法研究

    倪纪鹏,朱立成,董力中,崔学智,韩振浩,赵博

    2024, DOI: 10.6041/j.issn.1000-1298.2024.10.002

    Abstract:

    在设施番茄种植环境中,果实重叠遮挡等情况会影响识别精度。因此,本文提出了一种基于YOLACT的实例分割模型,提高识别精度。首先,对果实重叠遮挡的类别进行细分并增加该类数据集,从而接近真实采摘场景,并在采摘决策中改善重叠遮挡对识别精度的影响;其次,采用Simple Cope-Paste数据增强方法提高了模型的泛化能力,降低了环境因素对实例分割效果的干扰;然后,在YOLACT基础上,引用多尺度特征提取技术克服了单一尺度特征提取的局限性,并降低了模型复杂度;最后,引入Swin Transformer中的Swin-S注意力机制,优化了模型对于番茄实例分割的细节特征提取效果。实验结果表明,本文模型能够一定程度上缓解分割结果中出现的漏检、误检问题,其目标检测平均精度为93.9%,相比于YOLACT、YOLO v8-x、Mask R-CNN、InstaBoost分别提升10.4、4.5、16.3、3.9个百分点;平均分割精度为80.6%,相比于上述模型分别提升4.8、1.5、7.3、4.3个百分点;推理速度为25.6f/s。该模型综合性能有较强的鲁棒性,兼顾了精度与速度,可为番茄采摘机器人完成视觉任务提供参考。

  • 基于智能手机的手持式树上苹果果径测量系统设计与试验

    武振超,史宇飞,贺磊磊,李瑞,CHEN Chao,傅隆生

    2024, DOI: 10.6041/j.issn.1000-1298.2024.10.003

    Abstract:

    为解决现有接触式果径测量过程耗时,长时间测量精度容易受试验人员主观影响的问题,结合机械设计、串口通信、自动控制等技术设计了一款手持式树上苹果果径测量系统。该系统由手持式果径测量工具和数据接收APP两部分组成。在果园树上果径测量作业时,试验人员手持果径测量工具的握柄,通过按压握柄带动传动模块,夹持爪随之张开,从而实现夹持爪与被测果实表面贴合及果径测量,并通过蓝牙通讯来将数据传输到手机端APP以进行保存、删减、位置信息绑定及批量导出等操作。为衡量手持式果径测量工具精度,分别进行公制块规和苹果果径测量试验。公制块规测量试验结果表明,本文所提出的尺寸测量工具实现了亚毫米级别精度测量。苹果果径测量试验结果表明,测量误差随着果实尺寸的增加而增加,在测量成熟期果实时,尺寸测量工具获取结果的平均绝对误差(Mean square error,MAE)及均方根误差(Root mean squared error,RMSE)仍可控制在0.45mm以下,可满足苹果果径测量精度需求。

  • 基于3D点云分析的果园行间穿梭机器人路径规划方法

    毕松,余鑫

    2024, DOI: 10.6041/j.issn.1000-1298.2024.10.004

    Abstract:

    针对现有果园导航方法易受冠层密度、光照条件、种植不规整、地面不平整等条件影响,导致用于实现自主导航的树行方向估计方法与行尾识别方法稳定性低的问题,本文提出基于3D点云分析的果园行间穿梭路径规划方法,该路径规划方法包含树行识别定位方法、场景识别方法、路径规划方法,用于密植果园机器人行间自主穿梭的导航系统。首先,设计了基于点云语义分割网络的果树树干点云提取方法,实现了树行的识别与定位;其次,设计了基于卷积神经网络的位置场景识别方法,实现了行头等位置的场景识别;最后,设计了基于有限状态机的行间行进策略管理方法与基于RS曲线的行间路径规划方法,实现了果园多行连续行走。基于本文方法的树干点云分割平均交并比为88.3%,果树平均定位误差为2.04%(x方向)、1.54%(y方向),树行方向估计平均误差为1.11°,行尾识别正确率为96%,行内中线行走平均偏差为0.08m。实验结果表明,本文所提出路径规划方法能够满足果园环境下树行定位与位置场景识别准确性要求,有效规划行间穿梭路径,为果园激光自主导航提供有效参考。

  • 基于EP-YOLO v8的瓶栽金针菇最优抓取位置定位方法

    叶大鹏,景均,吴昊宇,李辉煌,谢立敏

    2024, DOI: 10.6041/j.issn.1000-1298.2024.10.005

    Abstract:

    针对工厂化瓶栽金针菇自动切根过程中,夹持末端因结构设计导致行程固定,进而影响抓取效果甚至切根质量的问题,本文基于YOLO v8(You only look once)构建改进的Enoki-pick_region-YOLO v8(EP-YOLO v8),实现瓶栽金针菇整体及最佳受力区域(关键抓取区域)的精准定位与轮廓提取,保障抓取参数的可靠性。该方法在网络优化基础上,基于最小欧几里得距离(Euclidean distance,ED)构建掩膜关系归属与判断模型,明确金针菇菇体与关键抓取区域掩膜间父子关系并合并优化。通过解析合并前后关键抓取区域的相对位置编码,确定抓取参数并进行坐标转换,为建立末端控制映射模型实现末端机械手运动行程的精确控制提供基础。实验结果表明,本文所提算法的金针菇菇体掩膜识别精确率达99.3%,关键抓取区域掩膜识别精确率达99.6%。同时,对比发现掩膜质量得到了提高,获取的参数抓取区域宽度与实际宽度之间的误差仅为0.7%,抓取参数基本满足抓取条件,能有效实现最优抓取位置的精准识别与定位。

  • 面向樱桃番茄采摘识别的轻量化Transformer架构优化研究

    赵博,柳苏纯,张巍朋,朱立成,韩振浩,冯旭光,王瑞雪

    2024, DOI: 10.6041/j.issn.1000-1298.2024.10.006

    Abstract:

    为进一步提升穗收型樱桃番茄识别准确率和识别速度,实现设施环境番茄自动采摘,提出了一种基于改进Transformer的轻量化樱桃番茄穗态识别模型。首先,构建了包含不同光照环境和采摘姿态的樱桃番茄数据集,并对樱桃番茄果穗姿态进行了划分。然后,提出了一种基于改进RE-DETR的轻量化穗收樱桃番茄识别模型,通过引入一个轻量级的骨干网络EfficientViT替换RT-DETR原有的骨干网络,显著减少了模型参数和计算量;同时设计了一个自适应细节融合模块,旨在高效处理并融合不同尺度特征图,并进一步降低计算复杂度。最后,引入加权函数滑动机制和指数移动平均思想来优化损失函数,来处理样本分类中的不确定性。实验结果表明,该轻量化模型在保持高识别准确率(90%)的同时,实现了快速检测(41.2f/s)和低计算量(8.7×109 FLOPs)。与原始网络模型、Faster R-CNN和Swin Transformer相比,平均识别准确率提高1.24%~15.38%,每秒处理帧数(FPS)提高25.61%~255.17%,同时浮点运算量实现了69.37%~92.37%的大幅降低。该模型在综合性能上有着较强的鲁棒性,兼顾了精度与速度,可为番茄采摘机器人完成视觉任务提供技术支撑。

  • 基于RANSAC拟合点云去噪的苹果采摘位姿构建方法

    江自真,周俊,韩宏琪,王运东

    2024, DOI: 10.6041/j.issn.1000-1298.2024.10.007

    Abstract:

    针对果园环境下果实重叠和光照等因素带入的难滤除点云噪声,导致借助点云构建的采摘位姿精度低的问题,本文提出了一种基于随机采样一致性(Random sample consensus,RANSAC)拟合点云去噪的采摘位姿构建方法。该方法通过RANSAC拟合算法从预处理后的果实点云中检测出多个潜在的球体,并以与点云采集设备垂直距离最短的球体球心作为目标果实的基准设置距离阈值,以便进一步滤除目标果实点云中难滤除的点云噪声,提高目标果实的位姿构建精度。在此基础上,利用最小二乘法对去噪后的点云进行球拟合得到球心坐标,并作为目标果实的采摘位置,然后结合实例分割算法获取的二值化掩膜图像质心三维坐标,构造接近向量作为采摘姿态,完成采摘位姿的构建。重叠果实点云去噪试验表明,本文方法能够有效滤除目标果实中难滤除的点云噪声;位姿构建评估试验结果显示,在室外仿果园环境下采用提出的位姿构建方法,果实定位精度达到15.0mm,相较于直接使用RANSAC拟合球的定位方法,定位精度最大提高28.1%,位置构建稳定性提高76.0%;果园采摘对比试验表明,采用提出的位姿构建方法定位成功率达到70.2%,相较于现有同类方法,定位成功率提高23.4%,采摘成功率提高38.4%。本文提出的方法可为复杂果园环境下的果实位姿准确构建提供参考。

  • 基于PIB-RRTstar的荔枝采摘机械臂运动规划方法

    熊俊涛,陈浩然,姚兆燊,宁起鹏

    2024, DOI: 10.6041/j.issn.1000-1298.2024.10.008

    Abstract:

    为解决非结构环境下,采摘机械臂路径规划时存在的效率低、采摘成功率不高的问题,提出一种结合人工势场法的四向搜索RRTstar算法。首先通过人工势场法对空间进行分割,获取空间分割点xsplit,进行四向搜索;其次结合人工势场法引导随机采样,提高采样节点质量;然后基于节点历史扩展信息,添加信息因子,实现自适应动态步长扩展。最后通过贪婪回溯对生成路径进行优化。通过二维模拟实验、6自由度机械臂下的仿真实验与采摘实验验证提出算法的有效性。二维仿真对比实验表明:相比于RRTstar算法,改进算法路径成本缩短2.01%,时间代价降低98.81%,迭代次数减少92.49%。在机器人操作系统(Robot operating system,ROS)中进行6自由度机械臂下的仿真实验,相比于RRTstar算法,规划时间减少93.17%,路径成本降低36.62%,扩展节点数减少97.00%。最后使用6自由度机械臂进行采摘实验,实验结果表明本文算法有效提升采摘成功率,采摘成功率达85%,并在结合姿态约束方法后,采摘成功率达95%。所提出的路径规划方法在路径规划时间上存在一定优势,采摘实验证明本文算法可提高荔枝采摘成功率。

  • 复合气动式苹果采摘手设计与试验

    史帅旗,杨福增,刘志杰,许翔虎,张福瑞,王峥

    2024, DOI: 10.6041/j.issn.1000-1298.2024.10.009

    Abstract:

    针对非结构化复杂果园环境下机器人无损采摘苹果难度大等问题,本文借鉴章鱼捕食猎物方式,设计了一种集吸盘吸附与手指抓握为一体的复合气动式苹果采摘手。根据陕西富士苹果的一般特征参数,完成了采摘手关键零部件设计及其尺寸参数确定。建立模型对吸盘吸附与手指抓握的运动学与动力学进行仿真分析,结果表明该采摘手具有良好的运动柔顺性和吸附与抓握的稳定性;通过搭建采摘手性能测试平台,对采摘过程中的手指接触压力数据进行处理与分析,验证了该采摘手整体系统的可行性与采摘流程的合理性;以六臂苹果采摘机器人为试验平台开展了采摘手果园实地试验,试验结果表明,该采摘手综合采摘成功率为84.7%,综合损伤率为0.88%,可以完成复杂果园环境下机器人采摘苹果工作。

  • 咬合式柑橘采摘末端执行器优化设计与试验

    马锃宏,余煌,谭励,杜小强

    2024, DOI: 10.6041/j.issn.1000-1298.2024.10.010

    Abstract:

    针对柑橘自动化采摘末端执行器剪切果柄难度大的问题,设计了一种采用球形闭合进行咬合剪切果柄的柑橘采摘末端执行器。对柑橘果柄进行剪切力学特性研究,通过对果柄直径、剪切速度、果柄斜角、树叶阻挡数、刀片间隙5个因素进行剪切试验,基于最小二乘法多项式拟合建立响应面进行影响因素分析;对末端执行器进行几何建模,并以控制刀片间隙为主要约束条件,以增大拢果定位容差为优化目标建立参数优化模型,优化后拢果定位容差由9.2%~48.8%提升到26.0%~71.7%;对关键部件进行了有限元仿真,仿真得到球壳变形对刀片间隙的影响结果。最后设计柑橘采摘末端执行器样机,在柑橘果园进行实地采摘剪切性能测试,直径小于等于4 mm的果柄采摘断柄成功率达95%,满足柑橘采摘要求。

  • 链喂入摘辊与柔性杆联合拨断式菠萝采摘装置研究

    刘天湖,麦宝锋,张锦翀,刘舒阳,陈嘉鹏,孙伟龙

    2024, DOI: 10.6041/j.issn.1000-1298.2024.10.011

    Abstract:

    针对菠萝采摘机械化程度不高的问题,设计了一种链喂入摘辊与柔性杆联合拨断式菠萝采摘装置。分析了影响该装置采摘效率的因素:摘辊长度、安装高度、间隙、半径和角速度。通过力学分析推断出该采摘装置工作时菠萝果实与茎秆分离模式为折断。为提高折断成功率,在摘辊上方安装一排旋转的柔性杆,并对柔性杆半径和角速度进行计算。该装置最佳参数组合为:摘辊高度200 mm、机具前进速度0.6 m/s、摘辊半径和角速度分别为35 mm和12 rad/s、柔性杆半径和角速度分别为20 mm和10 rad/s,在该参数组合下,试制样机并进行了田间试验,结果为菠萝采摘率为82%,损伤率为34.14%,综合评价指标为77.16%。

  • 切割脱离式鲜食朝天椒采摘末端执行器设计与试验

    赵雄,张号号,傅鸿妃,徐亚丹,陈建能

    2024, DOI: 10.6041/j.issn.1000-1298.2024.10.012

    Abstract:

    末端执行器是采收机器人重要组成部分,针对单生朝天椒果实朝天生长特征,本文设计了一款切割脱离式鲜食朝天椒采收末端执行器。针对朝天椒果实长度55~80 mm、果实最大直径9~13 mm、茎秆直径2~3 mm、茎秆长度20~30 mm,采用横断切、斜切、削切切割方式对品种“高辣878”朝天椒进行了生物特性试验,结果表明,在入切角70°、80°下朝天椒茎秆最大切割力为13.1 N。根据朝天椒生物特性设计了末端执行器,建立了末端剪切机构运动学与动态静力数学模型,并基于动态静力分析结果,以外部驱动力最小为目标采用遗传算法对末端执行器剪切机构杆件尺寸进行优化,优化得到曲柄长度为33 mm,连杆长度为60 mm,连杆延长杆长度为54 mm。为实现朝天椒茎秆切断,优化得到剪切机构需要外部驱动力矩0.94 N·m,根据优化结果选用舵机作为动力源。最后通过采收试验验证了朝天椒采收末端执行器的可行性。试验结果表明,末端执行器整体采收成功率为91.3%,验证了朝天椒末端执行器具有良好的采收性能。

  • 旋转式两工位名优茶采摘收集一体末端执行器设计与试验

    陈建能,陈倩雯,刘林敏,贾江鸣,贺磊盈,赵新雨,姚坤

    2024, DOI: 10.6041/j.issn.1000-1298.2024.10.013

    Abstract:

    针对现有的名优茶采摘末端执行器存在结构复杂、单工位工作效率低或切口氧化发红的问题,设计了一种结构简单、工作效率高、采摘质量佳的采摘收集一体旋转式两工位末端执行器。执行器两端软体采摘手指通过正反转循环处于采摘和收集工位,实现采摘与收集功能。通过对末端执行器采收动作进行分析和预试验,得到影响末端执行器采收成功率的因素:舵机臂转角、安装板角速度和硅胶厚度。采用Box-Behnken研究各因素对茶叶采收成功率的影响,以采收成功率为响应值建立二次回归模型,得到影响显著性的主次排序为:安装板角速度、舵机臂转角、硅胶厚度。利用Design-Expert软件,以采收成功率为目标,对各因素进行优化得到最佳参数:安装板角速度为265.329(°)/s、舵机臂转角为40°、硅胶厚度为4.986 mm。对优化后的参数取整并进行试验,试验值与预测值相对误差小于5%。本文研究的旋转式两工位名优茶采摘收集一体末端执行器能够实现茶叶高质高效采摘和收集。

  • 农业装备与机械化工程
  • 宽苗带小麦播种机多行匀播分控系统设计与试验

    夏俊芳,魏有帅,郑侃,刘国阳,刘政源,程健,杜俊

    2024, DOI: 10.6041/j.issn.1000-1298.2024.10.014

    Abstract:

    针对长江中下游农业区稻茬田宽苗带小麦播种机曲线作业时各行播量不均匀的问题,设计了一种宽苗带小麦播种机多行匀播分控系统。通过多速率GNSS/IMU组合导航系统获取播种机组运动信息,根据机组刚体空间运动学模型计算各播种单元匀种器地面速度,结合宽苗带播种农艺要求得出排种器驱动电机转速控制量;基于CAN通讯和PID控制器,应用STM32单片机分别控制各排种轴转速,实现宽苗带小麦播种机曲线作业多行匀播。路面试验结果表明,当IMU传感器、RTK-GNSS采样速率分别为20、10 Hz时,组合导航系统播种机组运动信息估计精度优于其它组合,此时匀种器地面速度估计平均相对误差为4.18%,其方向同播种机组航向夹角估计平均相对误差为11.26%,各行播种均匀性变异系数平均值为7.68%;田间试验结果表明,不同作业路径下,宽苗带小麦播种机多行匀播分控系统各行播量合格指数不低于94.90%,各行变异系数不高于0.97%,满足长江中下游农业区小麦宽苗带播种农艺要求。

  • 非圆齿轮驱动式玉米直插穴播机设计与试验

    石林榕,赵武云,孙步功,戴飞,辛尚龙,孙伟,冯斌

    2024, DOI: 10.6041/j.issn.1000-1298.2024.10.015

    Abstract:

    针对西北旱区现有直插穴播机前进速度补偿机构运行不平稳、运转空间尺寸较大等问题,提出一种非圆齿轮驱动式前进速度补偿机构,基于此研制一种新型玉米直插穴播机。对整机结构组成、工作原理和技术参数进行阐述;对前进速度补偿机构和穴播器进行深入理论分析。优化得当穴距为330 mm、前进速度为0.5 m/s和播深为45 mm时前进速度补偿机构传动比和中心距,基于此生成非圆齿轮机构前进速度补偿机构。结合玉米种子尺寸确定取种轮上异形窝眼结构尺寸范围,并优化得当异形窝眼宽度为11.79 mm、异形窝眼高度为7.23 mm、异形窝眼开口角为15°时排种效果较好。田间验证试验结果表明,穴播机空穴率、穴粒数合格率、播种深度合格率平均值分别为2.0%、90.1%和92.3%;成穴器破膜膜孔较小,膜孔错位率为4.3%;成穴器水平方向土壤扰动量平均值为15 g,垂直方向为25 g。试验结果满足西北旱区玉米直插播种实际要求。

  • 双盘交错气压式玉米品字形密植高速精量排种器研究

    孙文胜,衣淑娟,齐海龙,王淞,李衣菲,戴智博

    2024, DOI: 10.6041/j.issn.1000-1298.2024.10.016

    Abstract:

    针对目前玉米宽窄行品字形密植模式下精量排种器高速(10~16 km/h)作业时排种均匀性差且对品字形播种效果缺乏针对性评价指标的问题,设计了一种双腔双盘交错同步回转的气压式高速精量排种器,并提出了品字合格指数对排种效果进行评价。阐述了排种器基本结构与工作原理,运用理论分析与数值模拟的方法确定了排种盘的关键结构参数,建立了种子充种过程的力学模型,确定充种高度、作业速度、气腔正压是影响排种器性能的主要因素;以充种高度、作业速度、气腔正压作为试验因素,以品字合格指数、双行株距变异系数作为试验指标进行了三因素五水平中心组合试验,得到了排种器最优参数组合并对其进行了试验验证,选用“和育187”、“迪卡C2235”、“奥洋红A9”、“法尔利1439”4种类型的玉米种子进行了排种器适播试验。结果表明:排种器最优参数组合为:充种高度40.598 mm、气腔正压3.763 kPa、作业速度11.358 km/h,验证试验表明该参数组合品字合格指数为94%、双行株距变异系数为6.11%,与优化结果相符,可满足玉米宽窄行品字形密植模式的高速精量播种要求。

  • 气力式油菜精量排种器管路负压监测系统研究

    李兆东,谢瑞,王天琪,张甜,刘立超,陈永新

    2024, DOI: 10.6041/j.issn.1000-1298.2024.10.017

    Abstract:

    针对油菜气力式精量排种器种子精准吸附过程中因配气管路负压实时监测困难且易导致排种性能下降问题,设计了一种基于虚拟仪器技术的油菜多行精量排种管路负压同步监测系统。以压力传感器为测量元件实时采集干、支管路负压,NI-9205型数采卡为数据采集模块,电动阀门对干路负压进行控制,在LabVIEW软件中进行压力转换和数据实时显示、分析、保存以及故障报警等。对管路负压监测系统精度进行了标定,结果表明:当种盘转速为20~60 r/min、阀门开度为18.3%~33.5%(干路静态负压1 000~3 000 Pa)时,监测系统监测值与风压计实测值相对偏差均不大于3.63%,负压稳定性变异系数不大于2.97%。台架试验结果表明,当种盘转速为20~60 r/min、阀门开度为18.3%~33.5%(1 000~3 000 Pa)时,具有锥柱锥列式配气机构短程配气系统负压损失率不大于18.99%,支路负压均匀性变异系数不大于2.3%,各行排量一致性变异系数不大于4.27%。田间试验结果表明,当播种作业种盘转速分别为23.1、34.2、44.5 r/min时,负压损失率均不大于18.75%,支路负压均匀性变异系数不大于2.95%,各行排量一致性变异系数不大于4.52%。该研究为解析气力式油菜精量排种器种子精准吸附及稳定运移机制与优化改进配气管路布局提供技术支撑。

  • 平行犁组翻扣与旋耕组合式油菜种床制备装置研究

    廖庆喜,张季钦,张青松,杜文斌,林建新,王立宗

    2024, DOI: 10.6041/j.issn.1000-1298.2024.10.018

    Abstract:

    针对长江中下游稻-油轮作区土壤黏重板结、秸秆量大,油菜直播机采用普通旋耕时易导致种床耕层浅、秸秆埋覆率低,现有犁旋一体机作业时纵向尺寸大的问题,结合油菜直播农艺要求和合理耕层构建需求,设计了一种平行扣垡犁组,提出了一种“圆盘犁刀切茬-压茬,平行犁组翻扣埋茬,旋耕刀辊碎土-匀土”的组合式耕整作业方案。采用直纹面法对扣垡犁的犁体曲面进行设计,构建了犁体曲面解析参数方程,建立了基于离散元方法的耕作部件-土壤-秸秆互作仿真模型,应用EDEM软件开展了二次正交旋转试验,分析了扣垡犁扣垡性能。仿真结果表明:当偏转角θ取12°、元线角差值Δθ取11°时,犁体扣垡效果最优。田间试验结果表明:当耕深为230 mm、作业速度为5.15 km/h时,扣垡犁平均扣垡率为91.3%,有较好埋茬效果;平行扣垡犁组在高茬秸秆工况下有较好的通过性,秸秆平均埋覆率达到82.5%,平均耕深达到218.6 mm,耕深稳定性系数达到90.2%。田间对比试验结果表明:在水稻收获后平均留茬高度为513 mm的工况下,平行犁组翻扣与旋耕组合式油菜种床制备装置平均耕深达229.7 mm,秸秆埋覆率为87.5%,碎土率为89.7%,厢面平整度为31.8 mm,相比于普通旋耕机作业效果,平均耕深增大90.9 mm,秸秆埋覆率和碎土率分别提高7.2个百分点和6.5个百分点,作业质量满足油菜播种要求,符合油菜“深翻埋茬,上松下紧”的种床合理耕层构建要求。

  • 种群直流舀种式胡麻精量穴播器设计与试验

    李辉,赵武云,石林榕,戴飞,孙步功,邓廷豪

    2024, DOI: 10.6041/j.issn.1000-1298.2024.10.019

    Abstract:

    针对传统舀种勺式穴播器在工作过程中,种群被舀种勺种室两侧分流,播种滚筒内种量较少时,舀种勺腔充种不完全的问题,基于胡麻种子物理特性和种植农艺要求,设计一种种群聚集、直接舀种的胡麻精量穴播器。通过分析穴播器工作原理确定其组成、聚种斜槽结构和直流舀种勺结构参数范围,对直流舀种勺舀种过程和清种过程进行运动分析,确定穴播器角速度范围;以直流舀种勺深度、过桥槽夹角和穴播器角速度为试验因素,以穴播器排种合格率、漏播率和重播率为试验指标,借助EDEM离散元仿真软件开展二次旋转正交组合试验,结果表明:当直流舀种勺深度为2.75 mm、过桥槽夹角为56.56°、穴播器角速度为2.71 rad/s时性能最佳,此时穴播器排种合格率为94.27%,漏播率为5.67%,重播率为0.06%。台架试验发现排种合格率、漏播率和重播率平均值分别为89.00%、8.33%、2.67%,台架试验结果与仿真试验结果基本一致。直流舀种勺和勺舌式舀种勺排种效果对比试验结果表明,直流舀种勺的排种效果优于勺舌式舀种勺的排种效果,穴播器排种合格率提高3.39个百分点,漏播率下降2.68个百分点,重播率下降2个百分点。

  • 基于电子果实技术的核桃多点同步振动参数监测与脱落条件研究

    贾娜,薄嘉成,张航宇,刘九庆

    2024, DOI: 10.6041/j.issn.1000-1298.2024.10.020

    Abstract:

    设计了一款面向核桃的电子果实系统,该系统整合了多点振动参数采集及模拟脱落功能,用于研究采摘过程中的动力学行为及脱落条件。通过建立核桃与树体的动力学模型并确定核桃脱落判定条件,研制了设备及其配套的室内实验平台。通过室内实验验证了电子果实系统的功能可靠性。在户外实地采摘实验中,通过电子果实系统多点同步采集果实振动数据并分析,结果表明,核桃在振动采摘过程中主要做法向振动,核桃所受法向力是导致其脱落的主要因素。整合了多点同步测量及模拟脱落功能的电子果实系统可为研究核桃的脱落条件提供有效的数据支撑。

  • 丘陵果园立式螺旋开沟施肥机设计与试验

    陈平录,苏江红,许静,刘木华

    2024, DOI: 10.6041/j.issn.1000-1298.2024.10.021

    Abstract:

    针对丘陵果园大型开沟施肥机无法进入,小型开沟施肥机因低功率限制无法达到所需开沟深度且功能单一的问题,设计了一种适宜丘陵地区25°坡度地形集开沟、施肥、覆土三大功能为一体的小型立式螺旋开沟施肥机。通过理论分析对开沟装置、施肥装置和覆土装置等关键部件进行了设计。根据丘陵果园土壤板结的特点选择Hertz-Mindlin with Bonding接触模型建立了开沟仿真模型,并以降低开沟旋转功耗、前进功耗、比功为目标,设计Box-Behnken试验对螺旋开沟刀结构参数进行优化。刀具优化仿真试验结果为:螺旋开沟刀的螺旋角、齿数、刃角、齿长分别取17.6°、10、30°、19.76 mm,此时,开沟旋转功耗、前进功耗、比功分别为6.74 kW、0.132 kW、0.165 kW·h/kg。将优化后的螺旋开沟刀试制并开展仿真验证试验,结果表明,试验与仿真测得开沟旋转功耗相对误差为5.6%,说明刀具优化结果正确。整机的田间试验结果表明,施肥机开沟深度稳定性系数、沟底宽度一致性系数、施肥均匀性系数、覆土率分别为96.91%、98.16%、97.08%、77.38%,各项指标均满足农艺要求。

  • 基于康达效应的玉米小区收获机除杂装置设计与试验

    鲍国丞,张振东,杨晓微,刘立晶,李建东,吕洲翼,杨薇

    2024, DOI: 10.6041/j.issn.1000-1298.2024.10.022

    Abstract:

    为了提高玉米小区收获机二级除杂作业效率和质量,解决传统清选除杂装置体积大、流场稳定性差、流场稳定所需时间长等问题,本文基于气流康达效应设计了一种翼型曲面除杂装置,并结合流场理论分析及计算流体动力学与模拟离散元法(CFD-DEM)耦合仿真试验确定其结构参数。通过对流场中的颗粒进行受力分析得知,曳力加速度主要受颗粒密度与直径的影响。设置单因素试验研究该装置对不同密度、不同直径的颗粒混合物分离效果,拟合并得出颗粒各密度、直径与其轨迹线偏转角的关系方程。通过台架试验验证该装置对玉米脱出混合物中轻质杂质分离功能的可行性,试验结果表明籽粒含杂率低至1.014%,作业性能指标满足设计要求。

  • 空化诱导的离心泵叶轮区流动特性与压力脉动分析

    郑源,赵雪莹,周文杰,田启彪,曹思宇,夏凯歌

    2024, DOI: 10.6041/j.issn.1000-1298.2024.10.023

    Abstract:

    空化是一种复杂的多相流现象,空化发展中液体和蒸汽之间瞬态相变的产生,导致多尺度旋涡运动。瞬态空化动力学与空化涡结构的演化密切相关。采用对比结合Q准则、Omega判别法两种涡识别方法,探究设计流量Qd为0.321 m3/s下不同空化程度时离心泵叶轮区的空泡、涡旋特性及其对压力脉动的影响。基于Schnerr-Sauer空化模型对立式单级单吸蜗壳式离心泵在空化初始阶段、空化发展阶段、空化状态转变阶段、空化恶化阶段4个不同空化程度时的全流道流场进行数值模拟分析。结果表明,空化情况下叶轮区域流动复杂,空泡形态与旋涡的生成变化相互影响,二者共同影响叶轮域内压力脉动的变化。Omega方法能够精准捕捉到叶轮进口的回流涡、叶轮流道内通道涡和叶轮尾缘处的尾迹涡;空化初期,受通道内大面积通道涡及蜗壳隔舌动静干涉的影响,出现各叶片上空泡大小不同的情况;空化严重时受空泡脱落影响出现气液混合的高速涡团,导致低频压力脉动信号增加,空泡移动至高压区溃灭释放的能量导致出口压力脉动显著升高。

  • 农业信息化工程
  • 基于改进生成对抗网络的甜樱桃数据增强方法

    韩翔,李玉强,高昂,马静怡,宫庆福,宋月鹏

    2024, DOI: 10.6041/j.issn.1000-1298.2024.10.024

    Abstract:

    为解决在数据不平衡条件下甜樱桃分类模型出现的长尾类不平衡问题,提出了一种基于深度卷积生成对抗网络(Deep convolutional generative adversarial networks,DCGAN)的缺陷甜樱桃图像增强方法。首先,在生成器部分引入多尺度残差块(MSRB)和CBAM注意力机制,增强了模型特征表达能力和生成图像细节质量,同时改善了梯度流;在判别器部分应用谱归一化技术,并引入Wasserstein距离和加梯度惩罚的损失函数,增强了模型训练稳定性和收敛速度。实验结果表明,与传统的GAN模型相比,本文模型可以生成更高质量的缺陷甜樱桃图像,两种缺陷甜樱桃图像的FID值(Fréchet inception distance)分别为64.36和59.97。本文模型生成的数据增强后,VGG19和MobileNetV3的甜樱桃分类准确率分别提高16.44个百分点和13.94个百分点。

  • 基于激光雷达与RGB相机融合的玉米作物行检测算法研究

    江庆,安东,韩华宇,刘京辉,郭延超,陈黎卿,杨洋

    2024, DOI: 10.6041/j.issn.1000-1298.2024.10.025

    Abstract:

    针对单一传感器在面对复杂田间环境适应性差的问题,本文提出了一种基于固态激光雷达(LiDAR)与RGB相机融合的玉米作物行检测方法。首先,研究了固态激光雷达和RGB相机联合标定方法,同步获取玉米作物行图像和点云数据并进行数据预处理。然后,将预处理后的图像数据和点云数据融合,实现点云“着色”,基于点云“着色”提出聚类感兴趣密度区域算法。利用“着色”点云完成聚类,并结合作物种植农艺标准(行距),分别验证点云信息和颜色信息的可用性,能够选择最优信息完成作物行感兴趣区域聚类。最后,通过划分点云水平条带的方式确定目标点云的特征点聚类区域,取作物行特征点,并利用最小二乘法拟合作物行检测线。仅需调整行距参数,算法可实现全生命周期的作物行检测,利用正常工况下玉米苗期、前期、中期和后期数据开展算法验证,作物行中心线平均误差不大于1.781°,准确率不小于92.69%,平均耗时不超过102.7 ms。此外,为验证算法鲁棒性,开展了复杂农田背景环境,如高杂草背景、断行、苗期杂草高度与玉米高度相近以及玉米完全封行4种工况作物行检测,算法平均误差不大于1.935°,准确率不小于91.94%,平均耗时不超过108.3 ms。通过讨论阐述了基于点云“着色”开展作物行中心线提取的优越性,本文算法可为作物行中心线可靠检测提供参考。

  • 基于语义分割的中后期玉米行间路径导航线检测

    苏童,王琳,班超,迟瑞娟,马悦琦

    2024, DOI: 10.6041/j.issn.1000-1298.2024.10.026

    Abstract:

    中后期玉米行间路径存在光照不足、遮挡等因素的干扰,不利于农业机器人自主作业时导航线的检测。针对此问题,本文提出一种基于改进Fast-SCNN语义分割模型的中后期玉米行间路径导航线检测算法。首先,针对目前路径语义分割模型在中后期玉米环境下边缘分割不够准确的问题,提出一种Edge-FastSCNN模型,在模型分支中引入本文提出的边缘提取模块(Edge extraction module, EEM)以获取准确的路径边界信息,并在模型中引入空间金字塔池化(Atrous spatial pyramid pooling, ASPP)模块以融合图像边界信息和深层特征。然后,基于模型预测的行间路径掩码,通过像素扫描法检测路径掩码左右边界点,通过加权平均法求得路径掩码中点。最终利用最小二乘法拟合导航线,实现中后期玉米行间路径导航线的检测。为验证所提出方法的性能,基于中后期玉米正常光照无遮挡、光照不足、阴影、杂草遮挡、叶片遮挡等5种环境,进行了模型性能对比实验和导航线检测实验。实验结果表明,模型平均交并比为97.90%,平均像素准确率为98.84%,准确率为99.39%,推理速度为63.0 f/s;模型在上述5种环境下的平均交并比为96.93%~98.01%,平均像素准确率为98.33%~99.03%,准确率为98.53%~99.12%;预测导航线与真实导航线在上述5种环境下的航向角偏差平均值为1.15°~3.16°,平均像素横向距离为1.89~3.41像素;导航线检测算法的单帧图像平均处理时间为90.04 ms。因此,本文提出的导航线检测算法满足中后期玉米行间路径导航任务的准确性和实时性要求。

  • 基于SAW-YOLO v8n的葡萄幼果轻量化检测方法

    张传栋,高鹏,亓璐,丁华立

    2024, DOI: 10.6041/j.issn.1000-1298.2024.10.027

    Abstract:

    葡萄簇幼果果实受背景色、遮挡和光照变化的影响,检测难度大。为了实现对背景色、遮挡和光照变化具有鲁棒性的葡萄簇幼果检测,提出了一种融合随机注意力机制(Shuffle attention,SA)的改进YOLO v8n模型(SAW-YOLO v8n)。通过在YOLO v8n模型的Neck结构中融入SA机制,增强网络多尺度特征融合能力,提升检测目标的特征信息表示,并抑制其他无关信息,提高检测网络检测精度,在不明显增加网络深度和内存开销的情况下,实现了葡萄簇幼果的高效准确检测;采用基于动态非单调聚焦机制的损失(Wise intersection over union loss,Wise-IoU Loss)作为边界框回归损失函数,加速网络收敛并进一步提高模型的准确率。构建了葡萄簇幼果的数据集GGrape,该数据集由3 780幅复杂场景下的葡萄簇幼果图像及对应标注文件组成。通过该数据集对SAW-YOLO v8n模型进行训练和测试。测试结果表明,基于SAW-YOLO v8n的葡萄簇幼果检测算法的精度(Precision,P)、召回率(Recall,R)、平均精度均值(Mean average precision,mAP)和F1值分别为92.80%、91.30%、96.10%和92.04%,检测速度为140.85 f/s,模型内存占用量为6.20 MB。与SSD、YOLO v5s、YOLO v6n、YOLO v7-tiny、YOLO v8n等5个轻量化模型相比,其mAP值分别提高16.06%、1.05%、1.48%、0.84%、0.73%,F1值分别提高24.85%、1.43%、1.43%、1.09%、1.60%,模型内存占用量分别降低93.16%、56.94%、37.63%、47.00%、0,是所有模型中最小的,具有明显的轻量化、高精度优势。讨论了不同遮挡程度和光照条件的葡萄幼果检测,结果表明,基于SAW-YOLO v8n的葡萄幼果检测方法能适应不同遮挡和光照变化,具有良好的鲁棒性。结果表明,SAW-YOLO v8n不仅能满足对葡萄簇幼果检测的高精度、高速度、轻量化的要求,且具有较强的鲁棒性和实时性。

  • 基于多视角图像形态颜色纹理特征融合的生物量获取

    张慧春,田啟飞,边黎明,GE Yufeng

    2024, DOI: 10.6041/j.issn.1000-1298.2024.10.028

    Abstract:

    可见光成像以其快速、经济和非破坏性等优势,正成为高通量植物表型和遗传研究的有效工具,但仍有待解决基于可见光图像评估肉眼不可见的产量表型特性。本文针对植物叶片遮挡重叠及变量尺度单一导致图像数据精度受限的问题,提出了一种利用多视角图像融合多类别特征评估高粱地上生物量的技术方法。对15个种质基因的300株高粱进行了双因素(水分和养分)双水平(高和低)试验。基于旋转平台,利用可见光相机对每株高粱等角度间隔自动采集10幅侧视图像和1幅俯视图像,通过植物掩膜图像提取每株高粱形态特征(俯视、侧视投影面积)、颜色特征(RGB像素值)与纹理特征(均值、协方差、同质性等),将多个视角下的信息平均化处理,并基于图像R、G、B像素值构建16个颜色植被指数。结果表明,相对于考虑单一类型变量和单视角下的图像信息,基于多视角平均化图像信息融合形态、纹理、颜色特征能显著增加对高粱地上生物量表型的获取能力。利用SVR、RF、BPNN算法融合21组优化图像数据变量构建高粱地上生物量回归模型,精度最高的RF算法模型测试集决定系数R2为0.881,均方根误差(RMSE)为60.714 g/m2,平均绝对误差(MAE)为42.364 g/m2。为进一步优化RF算法模型的参数,选取GA、GS、SSA对RF算法模型进行超参数寻优。结果表明,SSA-RF优化模型测试集R2提升至0.902,RMSE为48.706 g/m2,MAE为39.877 g/m2。基于多视角图像形态-颜色-纹理特征融合能从有限的信息中衍生得到更多有效信息用于估测高粱地上生物量,从而为高粱生长监控、胁迫检测、水肥精确施用和良种快速筛选提供理论依据和技术支持。

  • 轻量级多场景群养猪只行为识别模型研究

    漆海霞,冯发生,尹选春,杨泽康,周子森,梁广升

    2024, DOI: 10.6041/j.issn.1000-1298.2024.10.029

    Abstract:

    针对现有猪只行为识别模型体积大、识别场景单一、部署应用硬件要求高等问题,本文提出轻量级多场景群养猪只行为识别模型YOLO v5n-PBR(YOLO v5n for pig behavior recognition)。首先通过拍摄和收集不同养殖场景、不同猪只数量及不同角度的群养猪只行为数据构建多场景群养猪只行为数据集,并根据该数据集中猪只行为目标的特点引入迁移学习方法和OTA(Optimal transport assignment)标签分配方法对YOLO v5n模型进行训练,加快模型收敛速度并提升模型精度,构建高精度多场景群养猪只行为识别模型;然后利用L1-norm剪枝算法筛选并删减模型中不重要的通道,去除冗余参数;最后通过微调训练和中间特征知识蒸馏去除剪枝带来的性能劣化,从而得到轻量级多场景群养猪只行为识别模型YOLO v5n-PBR并进行嵌入式设备部署。实验结果表明,YOLO v5n-PBR模型平均精度均值 (mean average precision,mAP)为96.9%,参数量、计算量和内存占用量分别为4.700×105、1.20×109和1.2 MB,在两种不同系统和不同硬件配置的嵌入式设备上的部署实时识别帧率分别为12.2帧/s和66.3帧/s,与原始模型YOLO v5n相比,mAP提高1.1个百分点,参数量、计算量和内存占用量分别减少73.3%、70.7%和68.4%,部署实时识别帧率分别提高74.3%和83.1%。此外,基于多场景群养猪只行为数据集训练得到的YOLO v5n-PBR模型在4个单场景或双场景的群养猪只行为数据集上的mAP均能达到98.1%,对2种不同养殖场景的6段猪只行为视频的嵌入式设备部署识别统计结果与人工统计结果相近,平均精确率和平均召回率均为95.3%,以较少的参数达到较强的泛化性。本文提出的YOLO v5n-PBR模型具有精度高、体积小、速度快、泛化性强等优点,可满足嵌入式设备部署要求,为猪只行为的实时、准确监测及猪只行为识别模型的部署应用提供技术基础。

  • 基于YOLO-DCL的复杂环境油茶果遮挡检测与计数研究

    肖伸平,赵倩颖,曾甲元,彭自然

    2024, DOI: 10.6041/j.issn.1000-1298.2024.10.030

    Abstract:

    为解决复杂环境中油茶果因遮挡造成的检测与计数难题,提出了一种基于双主干网络(Dual-backbone)和连续注意力特征融合模块(Consecutive attention feature fusion,CAFF)的检测模型。该模型结合了两种不同主干网络的优势,实现了对不同特征的高效提取。此外,设计了双输入单输出的连续注意力特征融合模块,取代了传统的拼接操作(Concat),优化了多尺度特征信息的融合策略。为了在精度与模型内存占用量之间取得平衡,采用了幻影卷积模块(Ghostconv),并去除了空间金字塔池化层(Spatial pyramid pooling fast,SPPF),加快了训练速度,减少了参数量。改进后的YOLO-DCL(YOLO dual-backbone & consecutive attention feature fusion & lightweight)模型在各类遮挡检测任务上表现优秀,平均精度均值达到92.7%,精确率为90.7%,召回率为84.9%,而模型内存占用量仅为5.7 MB。相较YOLO v8n模型分别上升4.0、8.6、2.3个百分点,内存占用量下降9.5%。该模型还具备油茶果遮挡类别的自动计数功能,可降低人工统计的劳动成本,适合在野外复杂环境中部署应用。

  • 农业水土工程
  • 黄淮海平原植被日光诱导叶绿素荧光对骤旱的响应

    陈治仲,陈上,缐子仪,周聪,肖薇

    2024, DOI: 10.6041/j.issn.1000-1298.2024.10.031

    Abstract:

    为探明黄淮海平原骤旱的时空分布及其对植被光合作用的影响,基于ERA5气候再分析资料和SMCI1.0土壤湿度数据集,分析了黄淮海地区2001—2020年气候要素时空变化特征,识别了骤旱事件并研究其演变规律和主要气象影响因子,对比星载日光诱导叶绿素荧光(Solar-induced chlorophyll fluorescence,SIF)、标准化差异植被指数(Normalized difference vegetation index,NDVI)以及增强植被指数(Enhanced vegetation index,EVI)对骤旱的响应,探究了不同类型植被光合作用对骤旱的敏感性。结果表明:黄淮海地区2001—2020年整体呈暖湿化趋势,北部地区增温明显。黄淮海北部和东南部地区骤旱频发,大部分地区发生超过20次骤旱,累计受旱时长超过90候,且骤旱多发生于秋季。黄淮海地区年骤旱次数和累计骤旱时长整体呈上升趋势,增加速率分别为0.6次/(10a)和2.2候/(10a),且呈上升趋势的格点主要位于骤旱频发区。研究区骤旱次数与气温(显著正相关)、风速(负相关)以及降水量(负相关)的相关性较高。相较于NDVI和EVI,SIF随土壤水分的变化更加同步,适用于骤旱监测。黄淮海地区灌木植被SIF对骤旱最敏感,但存在较大的不确定性,农田、森林和草地等植被类型光合作用对骤旱的响应逐渐降低,但不同植被SIF与骤旱次数的最大相关系数均较为接近。

  • 基于流量调节阀的变量喷灌装置设计与试验

    张廷宁,朱德兰,李钊,赵航,纳扎罗夫·胡代贝尔迪,柳昌新

    2024, DOI: 10.6041/j.issn.1000-1298.2024.10.032

    Abstract:

    为实现Senninger i-Wob2型喷头的喷灌流量精准变量调节,在喷头前安装V型流量调节阀作为执行机构,通过阀体水力性能试验,建立阀前压力、阀体开度和喷头流量之间的数学关系,据此设计变量喷灌控制系统,实现喷灌流量的精准调节。研究结果表明:确定压力-开度-流量的数学模型特征流量系数KL为20.40,阀后压力预测系数KP为0.97,流量预测系数Kφ为7.08;喷头射程和流量在相对开度为60%前,随阀体开度变化较为明显;而在相对开度为60%后,射程与流量随相对开度的变化幅度越来越小;调节阀流量调节的稳态相对偏差不超过6.67%,调节时间不超过42 s,测量精度在96%以上。该研究实现了基于流量调节阀喷灌流量的精准控制,为流量调节阀在变量灌溉中的应用提供了数据支持。

  • 基于旱排控盐模型的沿黄灌区不同地类间水盐运移与平衡分析

    闫妍,史海滨,苗庆丰,王国帅,苏永德,杨舒雅

    2024, DOI: 10.6041/j.issn.1000-1298.2024.10.033

    Abstract:

    在地下水埋深较浅的干旱半干旱地区,耕荒地分布较为分散破碎,旱排控盐是减轻土壤盐渍化的重要管理手段。旱排控盐使不灌溉的盐荒地成为蒸发盐汇区域,接收邻近灌溉农田的水分和盐分。本研究以河套灌区一个典型的旱排单元(盐荒地和相邻的不同作物农田)为例,利用Darcy定律计算并揭示了盐荒地与相邻农田之间的水盐分布及迁移规律。结果表明:不同农田类型腾发量(ET)存在较大差异,玉米农田平均ET比葵花农田和盐荒地分别高23.47%和88.97%,葵花农田ET较盐荒地高53.06%;不同作物根区土壤(0~100 cm)盐分存在明显差异,葵花农田含盐量为玉米农田的2.10~2.47 倍,盐荒地平均土壤含盐量为耕地的2.81~6.95 倍。此外,在春灌和作物生长阶段,灌溉和降水使农田地下水埋深最大上升157 cm,从而促使水盐从农田向未灌溉的盐荒地迁移,减轻了耕地作物根系的盐分,维持了作物生长;在春灌时期,葵花地灌溉水渗漏并快速排泄到未灌溉地类,导致水盐通量达到最大值,水分迁移量平均为0.045 cm/d,盐分迁移量为0.013 mg/(d·cm2)。盐荒地作为耕地的排泄区域,具有维持水盐平衡的功能,该研究量化分析了耕荒地间水盐的迁移规律,可为干旱区水盐平衡规律提供理论依据。

  • 达拉特旗黄河南岸盐碱化土壤不同含盐量估算模型对比

    刘霞,胡宇,张圣微,白燕英,张欢

    2024, DOI: 10.6041/j.issn.1000-1298.2024.10.034

    Abstract:

    内蒙古自治区鄂尔多斯市达拉特旗黄河南岸由于气候干旱,降水量少,年蒸发量远大于年降水量,靠近黄河地下水位高,导致土壤盐渍化问题突出。以达拉特旗黄河南岸盐碱地为研究对象,基于Sentinel-1、Sentinel-2、Landsat-8和SRTM DEM多源数据,采取相关性分析和连续变量投影结合索套回归(Lasso)、随机森林回归(Random forset,RF)、轻量梯度提升机模型(Light gradient boosting machine,LightGBM)、极端梯度提升模型(Extreme gradient boosting,XGBoost)、一维卷积神经网络(One dimensional convolutional neural networks,1DCNNs)、深度神经网络(Deep neural network,DNN)6种模型进行春季裸土期与植被覆盖期土壤含盐量估算。结果表明:XGBoost模型精度最高,春季裸土期、植被覆盖期测试集决定系数(R2)为0.76、0.58;均方根误差(RMSE)为5.76、7.22 g/kg;平均绝对误差(MAE)为3.38、4.33 g/kg。多源遥感数据结合变量筛选方法利用XGBoost模型揭示研究区不同季节土壤盐分空间分布最有效,含盐量反演结果与野外实际调查分析结果基本吻合。变量重要性分析表明春季裸土期、植被覆盖期重要反演因子分别为:盐分指数(48.3%)、地形因子(33.8%);植被指数(22%)、地形因子(47.9%)。本研究为达拉特旗黄河南岸盐碱地遥感反演提供了有效方法,为春季裸土期与植被覆盖期盐碱化土壤监测及预防提供了理论依据。

  • 基于环境变量辅助的不同地形单元土壤类型数字制图研究

    叶回春,聂超甲,张越,周艳兵,王红叶,黄元仿

    2024, DOI: 10.6041/j.issn.1000-1298.2024.10.035

    Abstract:

    土壤类型图反映了不同土壤类型的地理分布及其特征,为土壤资源利用、保护和管理提供了科学基础。基于土壤-环境关系的数字土壤制图方法是快速获取高精度、高分辨率土壤空间分布信息的重要手段,但针对不同地形单元的适用性及制度精度仍需进一步探讨。本文以北京市平谷区为研究区,将其划分为山地丘陵区和平原区2个地形单元,基于土壤调查点和随机森林算法,构建土壤-环境变量关系模型,进行不同地形单元的土壤类型数字制图。结果表明,山地丘陵区土类、亚类、土属和土种数字制图总体精度(Overall accuracy,OA)分别为100%、93.1%、89.7%和75.9%;而平原区土类、亚类、土属和土种数字制图OA分别为73.7%、55.3%、52.6%和23.7%。这表明在山地丘陵区,环境变量辅助的土壤类型数字制图具有较好的精度,而在平原区,这种精度会显著降低。随着土壤类型分类单元从土类到土种的精细化,环境变量辅助的土壤类型制图精度也逐渐下降。建议在资源有限的情况下,对于山地丘陵区,可以充分利用易获取的环境变量数据来提升土壤类型制图精度;而对于平原区,则需适当增加土壤类型剖面数量以提高制图精度。研究结果为其他地区土壤类型数字化制图提供了实践案例和技术支持。

  • 基于环境变量筛选与机器学习的土壤养分含量空间插值研究

    咸阳,宋江辉,王金刚,李维弟,张文旭,王海江

    2024, DOI: 10.6041/j.issn.1000-1298.2024.10.036

    Abstract:

    为了提高农田土壤养分含量空间插值精度,准确掌握土壤养分的空间分布特征,以新疆玛纳斯河流域绿洲为研究区域,测定土壤有机质含量、全氮含量、有效磷含量、速效钾含量、pH值和盐分含量,协同经度、纬度、地形、气象和植被指数因子作为环境变量,经过皮尔逊相关系数(Person correlation coefficient,PCC)、方差膨胀系数(Variance inflation factor,VIF)和极端梯度提升(Extreme gradient boosting,XGBoost)算法进行变量筛选,采用决策树(Decision tree,DT)、随机森林(Random forest,RF)、径向基函数神经网络(Radial basis function,RBF)和长短期记忆网络(Long short-term memory,LSTM)4种机器学习模型与普通克里格(Ordinary Kriging,OK)方法,对研究区农田土壤有机质、全氮、有效磷和速效钾含量进行空间插值。结果表明:研究区土壤有机质、全氮、有效磷、速效钾含量分别为0.226~32.275 g/kg、0.117~1.272 g/kg、3.159~53.884 mg/kg和81.510~488.422 mg/kg,变异系数为30.636%~43.648%,均属于中等程度变异。PCC、VIF和XGBoost变量筛选均表明,土壤有机质、全氮、有效磷和速效钾间具有一定的关联性,可用于目标属性空间插值的环境变量,但不同变量筛选方法对经度、纬度、地形、气象和植被指数因子筛选结果具有一定的差异性。XGBoost方法可以更有效地筛选出对空间插值结果重要的环境变量,且基于此方法筛选变量后建立的模型精度明显优于PCC和VIF筛选变量后建立的模型精度,而且协同环境变量的机器学习模型精度普遍优于未加入环境变量的OK模型精度,同一土壤养分含量空间插值模型精度从大到小依次为RF、LSTM、RBF、DT、OK,其中基于XGBoost筛选出的变量对土壤有机质、全氮、有效磷和速效钾含量构建的RF空间插值模型精度相较于未加入环境变量的OK模型有显著提高,决定系数分别提高43.02%、101.00%、86.04%和137.89%,均方根误差分别降低27.39%、42.78%、13.12%和28.39%,平均绝对误差分别降低29.01%、43.84%、11.20%和29.62%。利用RF模型对研究区农田土壤养分进行反演得到土壤有机质和全氮含量具有较强的空间分布一致性,含量较高的主要集中在研究区南部和东部区域,有效磷和速效钾含量具有一定的空间相似性,东南部、中北部区域含量较低。综上,XGBoost变量筛选方法结合RF模型可以更好地实现土壤养分空间插值,可作为土壤养分空间插值的有效方法。

  • 基于稀疏自注意力和可见-近红外光谱的土壤氮含量预测

    冀荣华,李常昊,郑立华,宋丽芬

    2024, DOI: 10.6041/j.issn.1000-1298.2024.10.037

    Abstract:

    氮是影响作物生长的关键因素,精准获取土壤氮含量是实施各类农田水肥管理技术的基础。利用可见-近红外光谱技术可以快速检测土壤氮含量,预测模型精度和泛化能力是制约将光谱技术应用于土壤氮含量检测的瓶颈。为此,提出了一种基于稀疏自注意力和可见-近红外光谱的土壤氮含量预测模型(Visible-near-infrared reflection spectrum and sparse transformer,VNIRSformer)用于提升预测精度和泛化能力。模型由输入层、嵌入层、编码器、解码器、预测层和输出层组成。采用大型公开数据集(Land use/cover area frame statistical survey,LUCAS)训练模型以提升模型泛化能力。实验测试VNIRSformer模型在15种不同光谱波长间隔下的性能,发现:随着波长间隔增加,预测精度先升后降,模型规模不断变小。波长间隔为1 nm时模型预测精度最低,RMSE为0.47 g/kg,R2为0.78。波长间隔为5 nm时模型预测精度最高,RMSE为0.35 g/kg,R2为0.89。当波长间隔从0.5 nm增加至1 nm时,模型规模下降最快,下降比例约为72%。当增加至5 nm后,模型规模匀速下降,下降比例约为5%。综合考虑模型规模及性能,最佳波长间隔设为5 nm。与6种不同预测模型(2种卷积神经网络、传统自注意力模型、偏最小二乘回归、支持向量机回归和K近邻回归)进行对比实验,发现:VNIRSformer模型性能最佳,RMSE为0.35 g/kg,R2为0.89,RPD为2.95。测试VNIRSformer对不同等级的土壤氮含量预测能力,发现:VNIRSformer模型能够较好预测小于5 g/kg的土壤氮含量。将VNIRSformer模型直接应用于自采数据集,发现:R2下降约0.17,表明模型具有一定泛化能力。研究表明,选取波长间隔为5 nm的光谱数据作为VNIRSformer模型输入,预测性能最佳,规模适中;稀疏注意力机制有助于提升模型预测精度,降低模型训练时间;预测模型具有一定泛化能力。研究结果可为基于可见-近红外光谱的土壤氮含量预测技术田间实际应用提供理论支持。

  • 农业生物环境与能源工程
  • 基于CO2排放量检测的秸秆腐解动态监测系统研究

    李奇辰,霍丽丽,姚宗路,赵立欣,杉原敏昭

    2024, DOI: 10.6041/j.issn.1000-1298.2024.10.038

    Abstract:

    针对秸秆腐解产物复杂,导致在线监测困难的问题,提出以秸秆腐解CO2排放量作为反映秸秆腐解动态特性的指标。并针对市面CO2传感器成本高、体积大,在秸秆腐解监测中普及困难的问题,基于小型、低成本非色散红外(Non-dispersive infrared, NDIR)CO2传感器、环境传感器及Arduino板,设计了秸秆腐解动态监测系统,实现秸秆腐解过程环境参数、秸秆温度以及CO2浓度多位点的监测,并结合微生物群落数据,分析了秸秆腐解规律。以市面TR-76Ui CO2记录仪为基准,对每个低成本NDIR CO2传感器进行测试与校准,1829个数据点的线性回归模型决定系数R2为0.97~0.99,RMSE为14.56~56.36 μL/L,表明低成本NDIR CO2传感器具有良好的检测精度和稳定性。秸秆堆体内部CO2浓度具有周期性变化规律,变化趋势与温度的变化趋势一致,且振动幅度随秸秆干燥逐渐减弱,该现象反映了微生物活动的生物节律,揭示了秸秆堆体内部CO2变化能够反映秸秆腐解的行为特征。分析表明,秸秆腐解速率与温度和含水率呈正相关,决定系数R2分别为0.813 7与0.892。调节秸秆含水率大于40%后,秸秆腐解速率迅速下降,至第4天趋于平稳。添加微生物菌剂后秸秆腐解速率在第7天开始明显下降,至第12天开始趋于平稳。监测周期内传感器未发生明显漂移,有较好的稳定性,检测精度可以满足秸秆腐解试验的分析需求,小型、低成本硬件对于秸秆腐解动态监测具有很好的推广应用潜力。

  • 农产品加工工程
  • 振动整流式颗粒饲料尺寸检测仪设计与试验

    牛智有,杨天圆,李洪成,孔宪锐,曾荣

    2024, DOI: 10.6041/j.issn.1000-1298.2024.10.039

    Abstract:

    针对颗粒饲料尺寸检测操作繁琐,自动化水平低的实际问题,为了实现颗粒饲料尺寸的自动测量,设计了基于图像处理技术的振动整流式颗粒饲料尺寸检测仪。利用离散元软件Rocky Dem建立颗粒饲料-槽型整流板相互作用的仿真模型,以槽型整流板的振幅、振动频率、安装倾角和滑槽转向系数为试验因素,颗粒饲料滑移均速和滑移速度变异系数为评价指标,通过单因素仿真试验,分析颗粒饲料在槽型整流板滑槽内的滑移运动特性,结果表明,影响颗粒饲料滑移运动特性的主要因素为振幅、振动频率及安装倾角。采用正交组合仿真试验,建立各试验因素与评价指标间的数学模型,并对模型进行参数优化,当槽型整流板安装倾角为6.33°、振动频率为101.49 Hz、振幅为0.50 mm时,颗粒饲料的滑移均速和滑移速度变异系数综合最优,分别为0.31 m/s和4.10%。分别采集环模孔径为3、4、5 mm的颗粒饲料,对检测仪的测量精度进行验证,通过与人工测量相比较,检测仪对颗粒饲料直径自动测量结果平均绝对误差分别为0.048、0.020、0.012 mm;颗粒饲料长度自动测量结果平均绝对误差分别为0.164、0.162、0.103 mm。研究结果表明,所设计的颗粒饲料尺寸检测仪具有良好的准确性和可靠性,满足实际生产检测需求。

  • 气相旋转螺旋槽管式换热器结构优化与性能试验

    万霖,黄宇佳,车刚,王洪超,李俊鹏,郑宇,田金凯

    2024, DOI: 10.6041/j.issn.1000-1298.2024.10.040

    Abstract:

    粮食干燥生产中换热损失大,存在烟气热量无法高效传递,导致换热效率低等问题。本文以集管壳与列管式换热于一体的气相旋转螺旋槽管式换热器为研究对象,基于场协同与热力学理论优化螺旋槽管关键部件,探究螺旋槽管参数对换热性能的影响。以螺距、槽深及内外径比为试验因素,以努塞尔数和阻力系数为评价指标,进行三因素五水平二次正交旋转组合试验,采用多目标优化方法确定最优参数组合,当螺距为24.845 mm、槽深为1.753 mm、内外径比为0.897时,Nu为164.637,〖KG*4〗f为0.348。对优化结果进行验证试验,试验结果与优化结果基本一致。螺旋槽管平均场协同角β相较于圆管降低约2°,揭示了置于壳程内的螺旋槽管管束进口、出口及中间截面内场协同角的分布特征,整体范围内的场协同效果有所增加,结论符合场协同原理。利用强化换热综合性能指数(Performance evaluation criteria, PEC)进行评价,结果表明气相旋转螺旋槽管式换热器PEC在1.031~1.267之间,验证了螺旋槽管在换热器应用的合理性。

  • 基于属性可搜索加密的农产品区块链追溯隐私数据访问控制方法

    刘晓辉,罗娜,邢斌,高官岳,孙梅,孙传恒

    2024, DOI: 10.6041/j.issn.1000-1298.2024.10.041

    Abstract:

    区块链追溯对于保障食品安全、提升农产品品质、维护消费者权益至关重要。针对农产品供应链中隐私数据安全与保护需求,提出了一种基于属性的可搜索加密的农产品区块链追溯隐私数据访问控制方法,该方法允许追溯供应链数据拥有者利用基于属性的可搜索加密技术对访问控制中的访问控制策略进行加密处理,追溯供应链数据请求者通过生成陷门与加密策略进行匹配,以确保访问控制的安全性,有效抵御恶意节点伪造信息非法获取权限的行为,隐藏用户身份,避免策略信息泄露问题,确保了隐私数据的安全性。采用以太坊权威证明共识机制搭建私有链进行仿真实验,系统测试结果表明,可搜索密文生成时间为2.5 ms,陷门生成时间为39.8 ms,可搜索密文与陷门的匹配时间为8.6 ms,同时密文生成时间不随属性数量增加而线性增长,具有稳定性特征。可搜索密文和陷门上传至区块链平均时间为2033 ms,查询匹配时间为3.54 ms。因此,本研究提出的访问控制方法实现了访问控制策略隐藏,保障了追溯隐私数据的安全共享,适用于农产品区块链追溯环节中。

  • 车辆与动力工程
  • 重型拖拉机全动力换挡变速箱自动换挡策略研究

    王建,朱孝凯,谢太林,郭华,尹必峰

    2024, DOI: 10.6041/j.issn.1000-1298.2024.10.042

    Abstract:

    以一种用于220 kW拖拉机全动力换挡变速箱为研究对象,基于经济性、动力性为控制核心制定了道路运输和田间作业(犁耕)模式的标准型自动换挡策略,在全动力换挡变速箱基础上实现全自动换挡。为进一步提升不同工况下自动换挡策略的工况适应性,制定了智能型自动换挡策略,在道路运输自动换挡策略中,以燃油消耗总量为优化目标,换挡点车速和换挡延迟时间作为设计变量,对控制策略进行优化;在犁耕作业自动换挡策略中,引入滑转率变化量和车速变化量2个修正参数,通过模糊控制规则实时修正换挡点车速。基于AMESim和Matlab/Simulink建立了拖拉机仿真模型,开展自动换挡策略仿真。仿真结果表明,相较于标准型自动换挡策略,道路运输工况下,拖拉机燃油消耗总量下降6.71%;犁耕作业工况下,换挡次数降低36.5%,燃油消耗总量下降2.85%。通过台架试验验证了道路运输模式自动换挡略的有效性。

  • 机械设计制造及其自动化
  • 基于状态估计的轮毂电机驱动控制策略研究

    权凌霄,唱荣蕾,耿冠杰,郭锐,高静,郭长虹

    2024, DOI: 10.6041/j.issn.1000-1298.2024.10.043

    Abstract:

    为克服轮毂电机响应慢,控制精度和抗干扰性差的难题,本文在滑模控制(Sliding mode control, SMC)的基础上,开发基于转速和角度在线状态估计的超螺旋滑模(Super-twisting sliding mode control, STSMC)轮毂电机转速转矩联合控制策略。采用单移线工况,轮毂电机汽车匀速换变道时分别对各轮毂电机进行转速控制,满足阿克曼转向要求,变道后采用正弦过渡方法对各轮毂电机进行转矩控制,电机快速平滑输出期望转矩,车辆直线加速。为防止转速和角度传感器误差或者损坏,轮毂电机控制中采用最大相关熵平方根广义高阶容积卡尔曼算法(Maximum correlation entropy square root generalized high-order cubature Kalman filter, MCSRGHCKF)对转速和转子角度进行无传感器估计,实验测试得到转子角度估计误差为-0.05 rad,转速误差为0.3 r/min,满足电机控制要求。从电机启动到匀速运行阶段采用STSMC算法控制,转速超调量为6.33%,最大输出转矩为0.35 N·m,响应时间为0.22 s,稳态转速脉动为±0.5 r/min,转矩脉动为±0.01 N·m,相比PID和SMC算法,控制效果更佳。在转速切换转矩控制,转矩可按照正弦函数平滑过渡,最大超调仅为2.86%,电机运行平稳。

  • 出口压差补偿的负载口独立控制系统防气穴特性研究

    刘凯磊,顾秀琴,强红宾,杨静,康绍鹏,朱勇

    2024, DOI: 10.6041/j.issn.1000-1298.2024.10.044

    Abstract:

    传统液压系统采用1根阀芯同时控制液压执行器进出口油路,系统能耗大、效率低,且在主动型负载工况下,易出现气穴现象。为防止液压缸在主动型负载工况下产生气穴现象,本文分别对传统液压系统、负载口独立控制系统、进口压差补偿负载口独立控制系统和出口压差补偿负载口独立控制系统4种液压系统防气穴特性进行了理论分析,获得了进、出口阀开口度比μ与空气分离压力Pm、负载力FL等参数之间的关系,建立了4种液压系统仿真模型,设置相同负载力FL、进口阀开口度K1等仿真参数,仿真结果表明,除传统液压系统外,其他3种负载口独立控制系统均可以通过改变μ使进口压力Pa大于0,从而避免气穴现象,且出口压差补偿负载口独立控制系统无需检测负载力FL。通过试验验证了仿真结果的可行性。

  • 分布式独立二次调压电液控制系统设计与仿真

    丁孺琦,姜佑鹏,李刚,孙国华

    2024, DOI: 10.6041/j.issn.1000-1298.2024.10.045

    Abstract:

    通过多路阀实现负载敏感电液控制(LS)系统等集中式液压系统流量分配,会产生较大的节流损失,能量效率较低。分布式独立电液控制系统(DIEHCS)采用单泵单执行器的排量控制方式,基本消除节流损失,节能效果显著,但普遍存在独立式驱动装机功率大、分布式安装结构不紧凑等问题。为此,本文以6 t挖掘机为对象,提出了一种分布式独立二次调压电液控制系统(DIEHCS-SPR)。该系统主要由3个独立布置于臂架上的开式电液执行器(EHA)及1个恒压控制的主泵(布置于舱室内)组成。各EHA根据执行器预期速度和负载力方向实现四象限工况的精确运转。6 t挖掘机虚拟样机仿真结果表明,在同一个工作周期下,提出的DIEHCS-SPR系统相比于LS系统节能率可达42%~46%。相比于现有DIEHCS,所提出系统各EHA峰值输出功率最高可降低70%~74%,可显著减小各EHA外形尺寸和质量,不仅节约了关键元件(EHA)的制造成本,更降低了分布式安装时自重所产生的额外能耗。

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