水稻收获转运双机协同自主作业策略与试验

针对水稻收获机与转运车双机协同自主作业环节多、粮食转运过程复杂等问题,该研究设计了一种基于有限状态机（Finite State Machine,FSM）的水稻收获机与转运车协同作业策略,分析了水稻收获机与转运车协同作业模式,建立有限状态机模型。首先,基于作业环节设计触发条件、评估方法和执行流程等基础模块;然后,根据双机协同的各项状态建立状态信息矩阵;最后,依据协同触发事件与状态转移的逻辑设计状态转移链。构建协同作业时分复用控制逻辑框架,并运用Stateflow软件进行仿真分析,为验证所设计策略的田间实际作业效果,搭建了履带式水稻收获转运双机协同试验系统,收获速度为0.8 m/s,收割幅宽1.9 m,共28条收获边,协同路径选择在短边的机耕道上,连续协同工作时间大于等于120 min,采用套圈路径自主收获0.7 hm2水稻,期间共进行6次自动协同转运作业,将所收获的粮食转运到卡车上。试验结果表明,该策略可以实现水稻收获/卸粮转运自主作业,收获效率为0.35 hm2/h,为实现水稻收获双机智能转运协同功能奠定了基础,可为水稻无人农场建设提供技术支持。     

深松作业下多机协同任务分配优化方法

任务分配方式对农业机械作业油耗影响显著。在多机协同多任务分配过程中,与将完整田块作业任务分配给单台农业机械相比,拆分各任务田块作业量并采用多农机协同作业能进一步降低作业油耗。为实现农业机群高效节能协同作业,该研究以深松作业为例,首先系统地分析机群协同作业过程油耗;然后建立以农机作业量为优化变量、以最低机群油耗和最短整体耗时为优化目标的多目标优化模型,并采用INSGA-Ⅱ算法对模型进行优化求解;最后基于实际深松作业案例,分析了所提模型的有效性和实用性。案例分析结果表明:与传统NSGA-Ⅱ算法相比,INSGA-Ⅱ算法可降低4.35%机群油耗及4.51%整体耗时;与传统作业方式相比,根据本文模型进行多机协同任务分配可降低5.51%机群油耗及42.65%整体耗时。研究结果可为无人农场多任务多农机作业分配提供科学依据。     

收获机与运粮车纵向相对位置位速耦合协同控制方法与试验

针对主从导航收获协同卸粮作业过程中作业车辆纵向相对位置控制需求以及拖车驱动系统非线性度较高的问题,该研究设计了一种适用于主从导航协同收获卸粮作业的纵向相对位置协同控制方法.根据协同系统几何关系获得纵向相对位置偏差的平行协同模型,基于动力学原理和位速耦合控制方法设计了纵向相对位置控制器;通过面积辨识方法获取车速系统传递函...     

不确定场景下无人农机多机动态路径规划方法

在现代化农业中,越来越多的龙头企业或农村合作社提供一系列的农业作业专业化服务,引入多台农机进行规模化作业,不仅提高了效率,而且可以实现抢种抢收,减少自然灾害的风险。目前,多台农机并行作业仍以预先计划的固定农机和静态的固定路线为主,但在实际耕种、收割等作业中,常会出现农机突发故障、农机临时增加、农机工作效率不一致等不确定场景,这些不确定性给多台农机集群控制带来巨大挑战。因此,研究不确定场景下多机动态路径规划方法具有十分重要的理论意义和实用价值。该研究以总作业时长为综合优化目标,综合各种不确定场景,针对轮式自动驾驶拖拉机,提出了改进的迭代贪婪（Improved Iterated Greedy, IIG）方法进行多机动态路径规划,解决以往传统方法在不确定情况发生后路径规划结果低效甚至失效的问题。试验表明,该方法在不确定场景下可及时、高效的动态调整路径规划方案,能够为不同数量、不同性能的农机迭代找到当前最优路径。与传统的并排作业方法相比,IIG优化的矩形农田作业路径总作业时间平均下降约35%,且随着农机性能差异越大,节省时间越多;与迭代贪婪（Iterated Greedy, IG）方法相比,IIG在一般播种作业中总掉头时间平均减少约17%。该方法在不确定场景下路径优化效果较好,且具有很好的鲁棒性及环境适应性,可为农田无人作业多机路径规划提供参考。     

联合收割机多机协同作业路径优化

随着我国土地流转政策的不断推进,种植实现规模化生产和管理,采用多台联合收割机同时进行收获作业,可不仅提高效率,而且对抢种抢收,减少自然灾害的风险,实现颗粒归仓意义重大。但是由于作业路径规划不当,常常发生作业冲突、反而效率降低,成本增加等问题,因此,研究如何规划和优化联合收割机多机无冲突协同作业具有十分重要的理论意义和实用价值。本文以总作业时间和作业时长为综合优化目标,综合考虑联合收割机转弯和作业冲突的情况,提出了联合收割机多机无冲突协同作业路径优化算法(improved genetic algorithm,IGA)。结果表明,与遗传算法(genetic algorithm,GA)相比,IGA优化的矩形农田作业路径总作业时间和作业时长平均分别下降了33.72%、34.00%,IGA优化的梯形农田作业路径总作业时间和作业时长分别下降了29.93%、30.00%,与并排作业相比,IGA优化的矩形农田作业路径总作业时间和作业时长平均分别下降了2.45%、2.29%,IGA优化的梯形农田作业路径总作业时间和作业时长分别下降了2.42%、2.02%。研究结果表明采用IGA进行多联合收割机作业路径优化是可行的,可为联合收割机多机无冲突协同作业路径规划提供参考。     

玉米去雄机去雄作业控制系统设计与试验

为推动中国玉米制种去雄机械化的进程,针对中国农业大学协助研制的去雄机,该文设计了一套包括主控板、显示屏和控制面板的去雄作业控制系统。系统可通过按钮操作实现去雄机构高度的手动调整,也可通过玉米穗高度信息的采集,控制算法的推导实现去雄机构高度的自动调整。系统控制参数由去雄机构的运动分析、车辆的作业车速和液压系统特性获得,并通过显示屏进行设置和显示。田间试验结果表明:去雄机安装本系统进行去雄作业,去雄效率是人工的18倍,去雄率达到96.16%,且去雄误差小于5%,满足去雄作业要求。该系统的设计为玉米去雄机的研制提供参考。     

智能化农业物料输送技术进展与趋势

农业物料输送技术是制约农场智能化应用的重要瓶颈。物料输送主要借助输送设备将物料由加料机输送至受料机中,提高受料机的续航时间,使其路程加大,以确保其高效率、持续性地正常工作。该研究按照物料特性和输送原理,将现有物料输送自动化技术与装备系统地划分为以下4类：固态种苗肥自动输送技术、液态水药燃油自动加注技术、收获物自动收集技术、收获物自动卸载技术,逐一对其研究现状和发展动态进行了重点阐述和深入剖析。总结了自主定位导航、物料流量实时监测及机群实时通信3项智能化物料输送关键技术的研究进展,并结合农场智能化技术要求和应用场景,从形成全生产环节物料输送技术体系、基于时空数据的农田物料需求决策技术、基于农田数字模型和变量作业处方的农机物料丰缺预测技术、物料车多机配送路径动态优化技术角度展望了农场智能化作业多机协同物料配送技术的发展趋势,以期进一步提高农场智能化作业效率、联动性能和应用效果。     

双螺旋对辊式辣椒收获装置的设计与试验

针对色素辣椒采收需求大,人工采收困难,采收效率低,破损率高等问题,该研究设计了一种双螺旋对辊式辣椒收获装置。首先通过对辣椒与螺旋钢棒接触点进行受力分析,确定影响采收性能的主要因素,并通过单因素试验确定优化试验中各因素选取范围。并以打完脱叶剂2 d后,辣椒茎秆含水率≤40%的新疆巴州焉耆县色素辣椒为试验对象,以采净率和破损率为试验指标,以工作速度、对辊转速、对辊间距和对辊螺距为试验因素,进行四因素五水平正交中心组合优化试验;运用Design-expert 10软件对试验结果进行参数优化,通过验证试验对优化后的参数进行验证。试验结果表明：当工作速度为2.1 km/h,对辊转速为142 r/min,对辊间距为24.3 mm,对辊螺距为10 cm时,采净率为98.7%,破损率为3.46%,满足色素辣椒收获机田间作业要求。研究结果可为色素辣椒收获机的设计和优化提供参考。     

板栗收获拍打式落果装置设计与试验

针对板栗人工收获效率低、高空落果易伤人等问题,该研究设计了一种板栗收获拍打式落果装置。装置采用无急回特性的摇杆机构,建立拍打摇杆的角位移、角速度和角加速度运动学方程,进行动力学数值仿真。通过板栗树果实与树枝的分离力试验,得出不同拉力角的分离力变化规律,0°～90°,随着拉力角的增大分离力逐渐减小,拉力角为0°时最大分离力为65.24 N。对4种常用材料的拍打条分别进行三因素三水平正交试验。结果表明,聚氨酯材料的拍打力小于板栗与树枝的分离力,铁片和玻璃纤维拍打力满足要求但作用力过大容易损伤板栗树枝,最佳拍打条材料为低密度聚乙烯,最优组合为电机转速600 r/min、拍打条长度350 mm、拍打角度20°,此时拍打力大小为70.71 N。田间试验结果表明,该落果装置能有效采摘板栗果实,平均落果率为90.5%,且对板栗树枝损伤较小。该设计满足板栗果实的采摘要求,对板栗收获机的研发提供了理论依据。     

正多杆变隙式油葵脱粒装置设计与试验

目前已有的油葵脱粒装置无法适用不同条件下的油葵脱粒需求,该文针对油葵在脱粒过程中油葵脱净率较低、籽粒破损率较高等问题,设计了一种基于多杆机构的变隙式油葵脱粒装置。重点介绍了变隙式油葵脱粒装置的结构及工作原理,并对变隙式凹板筛结构的间隙调节机构与角度调节机构进行运动学分析、通过运动轨迹分析和求解,确定了变隙式凹板筛可变间隙为20～60 mm。试制了变隙式油葵脱粒装置试验台,以滚筒转速、脱粒间隙、喂入量作为试验因素,以脱净率、破损率为指标开展正交试验,确定较优作业参数组合。试验结果表明:在脱粒过程中,影响油葵脱净率和籽粒破损率的因素主次顺序为脱粒间隙、滚筒转速、喂入量,较优作业参数组合为脱粒间隙35 mm、滚筒转速280 r/min、喂入量1.8 kg/s。在较优作业参数组合下进行重复试验验证,结果表明,油葵的平均脱净率为99.01%,籽粒破损率为2.28%,满足油葵脱粒作业需求。该研究的较优作业参数适用于该文试验的物料条件,实际作业中需调整脱粒凹板筛的直径大小,进而改变脱粒间隙等工作参数以适应不同条件下的油葵脱粒需求。研究结果可为后续油葵脱粒装置的设计提供参考。     

面向无人驾驶农机的高精度农田地图构建

农业劳动力短缺与成本高涨问题日益凸显,研发农机无人驾驶技术势在必行。该研究针对无人驾驶农机对高精度农田地图的需要,提出一种高精度农田地图构建方法。将地图分为地块信息层、障碍物层、作业信息层和动态感知层,并定义前两层的地图模型。针对地块信息管理,采用地块边界层为数据管理单元,定义了边界层的拓扑关系与限制信息。针对障碍物管理,并定义了不同几何属性的障碍物,分别表达形状、类型及语义等信息。同时提出了一种基于多旋翼无人机和Autoware的地图数据采集、标注与发布方法。在北京市密云区开展了地图构建试验,布设了12个检验点用于地图精度评价。结果表明,本研究制作的高精度地图的绝对定位精度优于0.1 m,平面误差的标准差小于2 cm,因建图产生的地图拉伸与压缩误差在厘米级以内。所提出的农田高精度地图架构可满足无人驾驶农机作业对地图精度的需求,可为农机作业路径规划和障碍物感知提供先验信息,降低无人驾驶应用对单机智能化的要求。     

无人农机作业环境感知技术综述

推进农业装备智能化能够有效解决农业劳动力短缺的问题。环境感知是农业装备智能化的首要条件。然而,农业环境的动态变化和非结构化特性限制了无人农机的环境感知能力。该文对无人农机的作业环境信息感知技术进行全面梳理,首先介绍了无人农机作业环境的典型要素和各类感知传感器,并分析了不同传感器的优缺点,然后分别从障碍物感知、作物行感知和农田边界及高程信息感知等方面,对无人农机作业环境信息感知技术进行归纳总结,最后讨论了无人农机作业环境信息感知技术面临的挑战及发展趋势,旨在推动环境感知技术在农业领域的应用,促进农业机械的智能化转型。     

农机购置补贴对农户购机投入模型与影响分析

农业机械购置补贴是一项重要的现行农业政策,但现有文献对补贴效果的时空差异、农机类型差异和内生性问题讨论不足。为了更准确地评估政策效果,并分析政策效果的时空差异和农机类型差异,该研究基于国家油菜产业体系18省（区）农户固定观察点3 287个农户2008－2018年之间15 089个样本的大样本调查数据,采用非平衡面板固定效应模型、面板高维固定效应模型、Box-Cox模型和分位数回归模型,考察了农业机械购置补贴对农户农业机械购置金额投入在不同年度、地形区域和不同类型农机具之间的差异化影响,并分别采用面板工具变量固定效应模型、面板Tobit固定效应模型和Heckman样本选择模型进行了稳健性检验。结果显示：1）农机补贴金额对农户农机购置投入金额的边际效应为2.530 8,激励效应显著,有效带动了农户购机投入;2）补贴在平原县的边际效应为1.408 5,在丘陵山区县的边际效应为3.108 2,在平原地区和丘陵山区之间存在显著差异;3）补贴的激励效应在年度间存在明显波动,部分年份表现为挤出效应;4）补贴效果总体上随着农机具价值增加而增强,对大中型农机具的政策效果更高。因此,建议未来继续实施农机补贴政策,并继续坚持向非平原地区和大中型农机具适当倾斜,对农机生产企业研发丘陵山区机械化所需机型和大型先进农机具给予适当研发补贴,鼓励各地在农机补贴新产品补贴试点目录中及时纳入丘陵山区适用机型和大型先进农机具,加快新产品转化和推广应用步伐,同时,根据补贴实施情况和农机化发展情况不断调整完善补贴方式。     

基于农机智能管理平台的田间燃油配给策略

在农业规模化生产中,为保证作业效率,农机燃油配给往往需要在田间完成。然而,现有的田间燃油配给方式存在不安全、不及时、缺乏科学系统的配给决策,导致燃油配给效率低、配送成本高等问题。针对上述问题,该研究结合农机燃油需求特点,提出基于农机智能管理平台的农机田间燃油配给策略。首先,以农机智能管理平台的实时数据为基础,基于可信性理论建立农机田间燃油配给的两阶段数学模型：第一阶段预优化,根据平台数据建立具有模糊需求和模糊时间窗的多目标车辆路径规划模型,第二阶段根据实际生产中发生的动态事件更新相关信息,重新规划未配送订单的配送路径;其次,以总配送成本最低及总满意度最高为目标,结合改进遗传算法求解农机田间燃油配给模型。最后,应用嫩江农场的数据进行实证分析,并与农场当前的配送成本等指标进行对比,验证可行性及实用性。结果表明：基于农机智能管理平台实时数据构建的农机田间燃油配给策略可以在降低配送成本的同时,保证较高的订单平均满意度,即时效性,与当前生产方案相比,配送路径减少了14条,虽然满意度较实际稍低,为72.85%,但总配送成本较当前方案降低了93.38%。研究结果可为农机田间燃油配给的智能化管理提供科学依据。     

智能农机GNSS/INS组合导航系统设计

为提高自动导航农机的定位精度和可靠性,该研究设计了基于全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)和惯性导航系统(Inertial Navigation System,INS)的智能农机组合导航系统,该系统根据来自INS的三轴姿态角速度、加速度信息以及高精度定位板卡...     

基于多学科技术融合的智能农机控制平台研究综述

农业机械的自动化和智能化包含内容广泛,有农机定位与导航,动态路径规划,机器视觉和远程监控等,牵涉到大量的工程技术学科,包括导航、图像、模型与策略、执行器以及数据链等。农机定位与导航一般采用基于农机运动学模型结合GPS(global positioning system)/IMU(inertial measurement unit)组合导航信息,在导航路径规划算法指引下实现农机轨迹跟踪的方法。建立的农机运动学模型精度,GPS数据的连续性以及惯导器件误差系数漂移等因素都会影响该方法的有效性。路径跟踪通常采用各种现代控制理论与方法,而面对复杂的田间作业环境变化,农机的自主避障以及动态路径规划能力也会影响轨迹跟踪精度。机器视觉的稳定性和目标特征信息分离度影响着农机环境感知能力,目前目标识别主要采用hough变换,hough变换的全局检测特性决定了该算法运算量较大,需要探究改进特征提取算法。远程监控农机作业是智能农机发展的一个方向,构建无线导航,控制和视频数据传输网络有助于提高农机的智能化水平,可以采用分布式哈希表(distributed hash table)来研究网络覆盖和互联技术。该文融合多个学科,从高精度定位与导航技术、复杂环境及工况下农机运动精确自主控制技术、稳定清晰的机器视觉感知技术和基于4G网络和新一代物联网的高覆盖数据传输技术几个方面,论述了智能农机在光机电液多个学科领域内的研究现状,并指出采用北斗地基增强网络和网络RTK(real-time kinematic)技术、惯导定位误差精确建模与补偿、环境感知与自主避障、立体结构自组网技术以及多机协作是现代农业机械的发展方向。以期为现代化智能农业机械的设计提供参考。     

拨杆喂入式菠萝采收机构设计与试验

为解决菠萝采收效率低、成本高等问题,该研究根据菠萝果实的几何特征和花萼结合处易折断、茎秆较脆等生物学特性设计了一种拨杆喂入式菠萝采收机构,分析了影响收获效率的主要因素,包括：拨禾轮半径、拨禾轮转速、履带行走机的前进速度等,并确定了关键部件的结构和运动参数。在对菠萝果实与茎秆分离的运动学和动力学分析的基础上,确定了菠萝果实在花萼与茎秆连接处或在靠近花萼的茎秆处断裂的力学依据,其中成熟度较高时,菠萝花萼处的脱落区结合强度较小,受切应力作用而断裂;成熟度较低时,茎秆较细处因弯曲过大而断裂。建立采收过程的多体运动学仿真模型,分析了收获过程中菠萝植株的力学和动力学特征,求解不同运动情况下拨杆接触果实时的接触力峰值。两因素五水平正交台架试验表明,菠萝收获效果最佳的参数组合为前进速度0.4 m/s、拨禾轮转速22.8 r/min。最优参数组合的田间试验结果表明：拨杆喂入式菠萝收获机进行收获作业时工作顺畅,采收后的植株生长状态良好;菠萝果实收获成功率为84%,损伤率为9.53%,综合评价指标为85.94%。研究结果可为菠萝采收机械的研究提供参考。