水稻生产全程机械化关键环节虚拟仿真实验资源建设

针对水稻生产全程机械化教学实验和试验设计涉及的农业机械多,配备相应的资源成本高、维护难、共享性能差,且受水稻生长季节、农田条件影响大等问题,设计水稻生产全程机械化关键环节虚拟仿真实验平台。采用面向服务的软件架构,设计水稻生产全程机械化中5个关键技术环节和10种作业机具或装备的虚拟仿真教学资源体系,构建实验资源共享机制和科教融合的共享平台,并建立虚拟实验室管理模式,推动水稻生产全程机械化关键环节虚拟仿真实验教学资源的在线开放和共享;将南方特色作物生产机械技术特征和优势领域科研成果渗透到本科实践教学环节,创新实验教学方法,提升学生专业技能和解决实际问题的能力,提高人才培养质量。     

水田行间除草装置设计与试验

为减少化学除草剂的使用，解决现有水田除草机械除草效果差等问题，该研究设计了一种水田行间除草装置，包括压草浮板和除草辊等结构，工作时压草浮板先将压倒杂草，紧接着除草辊将压倒的杂草压入泥中。压草浮板先将杂草压倒，除草辊将杂草压入泥中的几率可提高9.98%。除草辊两端设有倒角，在避免或减少对水稻根系损伤的同时可扩大行间除草区域，最大可增加常规除草宽度的3%。对压草浮板和除草辊进行了参数设计，通过仿真试验分析了行间除草装置与土壤之间的相互作用规律，确定最佳作业条件为入土深度35 mm，前进速度0.8 m/s。以未除草、化学除草、人工除草和不同参数的除草辊为试验因素，以水稻植株高度、产量、产量构成因素和水稻根系参数为试验指标，进行田间试验，试验结果表明，行间除草装置平均除草率最高为87.51%，可以翻动土壤，增加土壤透气性。与常规宽度的除草辊相比，增加除草宽度，扩大行间除草区域最大可提高除草率7.3个百分点。不同的除草处理对水稻植株高度和产量等有显著影响（P<0.05），机械除草可以促进水稻的生长发育，其产量可以达到甚至超过化学除草和人工除草水平。不同参数的除草辊对植株高度、产量和根系等有显著影响（P<0.05），增加除草辊宽度同时两端设倒角，可以减少对水稻根系的损伤，有利于水稻的生长发育，提高水稻产量。研究结果可为水田除草机械装备的研究提供参考。     

智能农机多机协同收获作业控制方法与试验

为提高多台无人化智能收获机和运粮车协同作业效率，该研究以2台不同型号水稻收获机和1台运粮车为研究对象，开展了智能农机多机协同收获作业控制方法研究。根据协同作业控制决策约束条件，建立协同收获作业中有限个状态过程的改进型连续时间马尔科夫链模型。以减少非作业时间为优化目标，通过模型预测未来一段时间内每台收获机的卸粮时间，动态更新每台收获机的卸粮顺序和时间。仿真试验结果表明：本文控制方法相对于仓满后再召唤运粮车的卸粮方式有效减少了作业时间，协同收获任务的农机平均作业时间减少了13.58%。田间试验结果表明：智能农机多机协同作业控制方法实现了2台水稻收获机和1台运粮车协同自主作业，在场景1中，相对于仓满召唤卸粮模式，收获机1和收获机2非作业时间分别减少了71.25%和42%，收获效率提高了6.65%和5.22%；在场景2中，相对于仓满召唤卸粮模式，收获机1和收获机2非作业时间分别减少了77.64%和37.09%，收获效率提高了12.07%和5.78%。本文提出的控制方法可以实现收获-卸粮转运自主作业，减少了收获机的非作业时间，提高了作业效率，可为无人农场智能收获协同作业提供支撑。     

抗寒种衣剂包衣处理对水稻发芽和成苗特性的影响

【目的】探明抗寒种衣剂包衣处理对常温和低温环境下水稻发芽和成苗的影响.【方法】以湘早籼31号(常规稻)和Y两优1号(超级杂交稻)为材料,在华南农业大学研制成功的多成分、多功能的"齐苗快"浸种剂的基础上,结合黑龙江垦区常用拌种剂,添加杀菌杀虫剂、粘合剂等物质配备成种衣剂,设置未包衣浸种催芽(CK)、干种包衣(A)和浸种包衣(B)共3种处理方式,研究了抗寒种衣剂包衣处理对不同基因型水稻的发芽和成苗特性的影响.【结果和结论】结果表明:包衣处理后,在自然环境正常温度下,稻种发芽时间延长,但对种子发芽率有提高作用,对Y两优1号,干种包衣和浸种包衣处理分别比对照提高11.10%和16.55%,湘早籼31号分别提高了30.83%和37.68%;在低温环境下,稻种幼苗受到低温侵害后成苗率降低,但包衣处理相较于未包衣处理提高了稻种的成苗率,其中又以浸种包衣处理的成苗率最高,湘早籼31号和Y两优1号分别为54.95%、74.10%,相较于对照(CK)分别提高了120.24%、127.30%.同时,种衣剂包衣处理(A、B)提高了稻种秧苗受芽期低温侵害后的存活率,浸种包衣(B)处理提高了"二叶一心"期低温侵害后稻种秧苗的存活率.     

两级螺旋排肥装置的设计与试验

为了改变现有排肥装置对肥料形态特征要求高的缺陷及改善排肥效果,该文设计了一种两级螺旋排肥装置,研究了装置的排肥原理,建立了排肥螺旋的单圈排肥量的数学模型,分析了两级螺旋排肥装置的相关参数,并通过试验测试与分析了两级排肥装置的排肥性能。试验结果表明,在10~200 r/min转速范围内,对于芭田复合肥、水稻专用肥及吸潮后的芭田复合肥和水稻专用肥,两级螺旋排肥装置每分钟内的排肥量随转速的增加而增大,并呈线性关系,整体决定系数大于0.998,排肥螺旋的单圈排肥量的极差、标准差及变异系数较小,对于含水率2%的芭田复合肥和含水率5.6%的水稻专用肥的单圈排肥量的变异系数小于0.025;吸潮后含水率较高的芭田复合肥和水稻专用肥的单圈排肥量的变异系数整体上不大于0.040。同时,通过数学模型计算出的单圈排肥量与实际单圈排肥量一致较好,该模型能准确表达此类两级螺旋排肥装置的单圈排肥量。因此,该研究能有效地改善排肥效果,降低对肥料形态特征的要求,为同步播种施肥机具及变量施肥机具的研究与设计提供了参考依据。     

基于发射功率自适应的稻田无线传感器网络节点设计

针对水稻生长过程环境因素变化较大以及传感器节点的能量大部分被无线射频阶段所消耗,设计了发射功率自适应的无线传感器节点,建立了长时间、稳定、高可靠性的稻田无线传感器网络。试验测试了水稻的株高、叶面积与生长天数的关系以及对无线信道的影响,结果表明水稻株高和叶面积的增加会降低无线信号强度和通信成功率;通过增大发射功率可以提高通信质量克服由于水稻生长因数对无线信道的影响。在软件设计方面,传感器节点采用睡眠、苏醒工作机制来降低功耗。同时为了延长工作时间、提高通信质量,提出了根据水稻生长周期、通信距离、接收信号强度、平均丢包率等因素自动调整节点发射功率的能量自适应功耗调整机制。田间试验结果表明,水稻田节点发射功率越大,有效通信距离越远,且水稻的密度和高度等对通信有重要的影响;节点发射功率在5 dBm以下时,发射功率的改变对节点工作电流影响较小,节点工作电流均小于40 mA;采用该机制对发射功率进行调整,增大节点发射功率可使通信成功率有大幅的提升;降低节点发射功率仍然保持良好的通信效果。水稻分蘖和抽穗2个生长时期的田间试验结果表明,采用发射功率自适应策略,提高了通信质量,平均丢包率在5%以下,通信成功率大于97%,达到了预期设计目的。     

单旋翼电动无人直升机辅助授粉作业参数优选

不同类型的农用无人直升机的结构不同,旋翼所产生气流到达作物冠层后形成的风场也有较大差异,对应的风速、风向和风场宽度等参数对花粉的运送效果直接影响到授粉的效果(母本结实率)、作业效率及经济效益。该文采用单轴单旋翼电动无人直升机,根据正交试验设计法设计了3因素(飞行高度、飞行速度和飞机及负载质量)3水平的正交试验,通过考察平行于飞行方向(X向)、垂直于飞行方向(Y向)、垂直地面(Z向)3个方向上的峰值风速(X、Y向越大越好,Z向越小越好)、Y向风场宽度(越宽越好)、动力电池的压降(放电越慢越好)3个指标,对单旋翼电动无人直升机用于水稻制种辅助授粉的田间作业参数进行优选,试验结果分析表明:SCAU-2型单轴单旋翼电动无人机在峰值风速1 m/s时对应的水稻冠层有效风场最宽可达8.1 m,最窄为4.9 m,该机型在所设计的试验条件下基本能满足传播花粉的需求;该机型在水稻冠层所形成风场的峰值风速主要受飞机的飞行速度、飞机及负载质量、飞行高度影响,且随着飞行速度的降低、飞机及负载质量的增加、飞行高度的降低,其峰值风速有逐步增大的趋势。结合有效风场宽度及电池电量消耗程度来考量,3种主要因素的主次排序及其较优水平依次为飞行速度1.56 m/s、飞机及负载质量14.05 kg和飞行高度1.93 m。该结果可为其他单轴单旋翼电动无人直升机用于水稻制种辅助授粉的田间作业参数设置提供参考,而且也可为制定基于农用无人直升机的水稻制种辅助授粉作业技术规范提供依据。     

圆形多轴多旋翼电动无人机辅助授粉作业参数优选

圆形多轴多旋翼无人直升机与单轴单旋翼无人直升机相比,结构上有很大差异,因而其旋翼所产生气流到达作物冠层后形成的风场参数亦有所不同。该文采用3种圆形多轴多旋翼无人直升机,根据正交试验设计法设计了3因素(飞行高度、飞行速度以及飞机与负载质量)3水平的正交试验,通过考察平行于飞行方向(X)、垂直于飞行方向(Y)、垂直地面(Z)3个方向上的峰值风速、Y向风场宽度(越宽越好)、动力电池的压降(放电越慢越好)3个指标,对该机型用于水稻制种辅助授粉的田间作业参数进行优选,试验结果分析表明:圆形多轴多旋翼无人直升机在水稻冠层形成的X向风场宽度明显大于Y向的风场宽度;有别于单旋翼无人直升机,圆形多轴多旋翼无人直升机X向风场只有1个峰值风速中心,Y向风场存在2个峰值风速中心,这一现象主要由飞行器多个旋翼的侧向气流叠加形成,相互之间存在干扰,而且也影响了Y向风场的有效宽度。在实际应用中,对于能实现GPS自主导航飞行的机型,应根据作业的便利程度尽量利用X向的风力,更有益于辅助授粉作业;而对于未采用GPS自主导航飞行的机型,为便于飞控手对飞机位置的判断与姿态操控而必须沿父本行方向进行飞行作业时(即利用Y向风力),应充分考虑垂直于飞行方向风场宽度较窄的实际情况,通过降低作业效率来弥补。圆形多轴多旋翼无人直升机在水稻冠层所形成风场的峰值风速主要受飞机的飞行速度、飞机与负载质量、飞行高度影响。结合有效风场宽度及电池电量消耗程度来考量,3种主要因素的主次排序及其较优水平依次为飞行速度1.30 m/s、飞机与负载质量18.85 kg和飞行高度2.40 m。该结果可为其他圆形多轴多旋翼无人直升机用于水稻制种辅助授粉的田间作业参数设置提供参考,而且也可为制定基于农用无人直升机的水稻制种辅助授粉作业技术规范提供依据。     

基于爪齿余摆运动的株间机械除草装置研制与试验

为了实现作物株间区域精确机械除草,设计了一种利用除草爪齿余摆运动原理的株间机械除草装置,研究了装置的除草和避苗工作原理,建立了相应数学模型并分析了除草爪齿余摆运动的参数对除草效果的影响,获得了合理的工作参数。在试验平台上进行了基于爪齿余摆运动的株间机械除草装置避苗试验研究,试验结果表明,基于爪齿余摆运动的株间机械除草装置除草爪齿避苗和除草切换控制快速可靠,室内试验的伤苗率小于8%;能够满足株距20cm及以上栽种的作物株间除草要求,可以保证每个株间区域均有除草爪齿进入实施除草;除草装置的前进速度不影响进入株间区域的除草爪齿数量,但前进速度的增加会导致伤苗率增大;进入株间区域的除草爪齿数量与作物栽种株距均匀性无关,仅与作物栽种的株距有关。该文为爪齿余摆株间除草装置精准控制提供依据。     

Wind field measurement for supplementary pollination in hybrid rice breeding using unmanned gasoline engine single-rotor helicopter

无人驾驶直升机具有机动灵活、不需要专用机场等特点,目前已在农业航空植保中得到应用。杂交水稻制种中,利用无人直升飞机飞行时其旋翼产生的风力能使父本花粉传播更远,可扩大父本和母本相间种植的宽度,实现父本和母本的机械化耕种和收割,从而实现制种全程机械化。杂交稻制种辅助授粉的效果(母本异交结实率)、作业效率及经济效益与无人直升机飞行时产生的风速、风向和风场宽度等参数密切相关,但迄今尚不明确。该文采用风场无线传感器网络测量系统组成三向风速测量线阵和单向风速面阵在水稻田里对无人油动单旋翼直升机飞行时的风场进行了测量试验,目的在于探明无人直升机在辅助授粉作业时不同方向的风速和风场宽度等参数,以便决策出较佳的飞行作业参数,包括飞行高度、作业航向等。无人直升机授粉作业的飞行速度设置为3 m/s,作业载荷为3.75 kg,飞行高度为：9、8、7和6 m,测量的风向为：平行于飞行方向（X）、垂直于飞行方向（Y）、垂直于地面方向（Z）。测量试验结果表明,上述3个风向的风速值大小排序为VX>VY>VZ,且风速持续稳定,因此,在直升机辅助水稻授粉作业时,平行于飞行方向的风力（即沿着直升机前进方向的飞机尾风）更有益于辅助授粉作业;随着飞行高度不断降低,风场宽度亦有所增加,在飞行高度为6～8 m时,达到3级风的风场宽度最大可达到9 m,飞行高度为9 m时,达到3级风的风场宽度最大仅为4 m,明显缩小,综合考虑农艺要求、作业效率及安全性等因素,该文建议无人驾驶油动单旋翼直升机Z3机型的较佳飞行作业高度为7 m;直升机逆自然风方向飞行作业时到达水稻冠层的风力较小,很难形成能满足水稻制种授粉所需的风场宽度和风速,而顺风方向飞行时的风场宽度和风速较大,因此采用油动力无人直升机辅助水稻制种授粉时,宜避免逆自然风方向飞行作业。该研究可为无人直升机水稻制种辅助授粉技术的发展提供参考。