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联合收获机轻量级数字孪生系统构建方法研究

农业机械学报 2024年第5期55卷 108-120页

作者：马博文刘孟楠尹彦鑫孟志军张宾张亚伟温昌凯张安琪中国农业大学工学院北京100083 智能农业动力装备全国重点实验室北京100097 北京市农林科学院智能装备技术研究中心北京100097 北京市农林科学院信息技术研究中心北京100097

针对现有农机装备数字孪生系统开发难度大、配置要求高以及资源占用过高的问题,提出基于轻量级网络的联合收获机数字孪生系统构建方法,包含物理、虚拟、数据交互、模型计算以及人机交互等多个子系统的实现方法。基于数字孪生的技术特点... 详细信息

针对现有农机装备数字孪生系统开发难度大、配置要求高以及资源占用过高的问题,提出基于轻量级网络的联合收获机数字孪生系统构建方法,包含物理、虚拟、数据交互、模型计算以及人机交互等多个子系统的实现方法。基于数字孪生的技术特点和联合收获机的作业特性,设计了一种基于JavaScript语言的轻量级数字孪生系统框架。通过采用Solidworks和CMdevelopment kit工具进行数字孪生系统的模型轻量化处理及坐标系整合,实现了在不影响模型精度和功能的前提下,显著降低系统对硬件要求和内存占用量。以雷沃GM100型联合收获机为对象,开发基于轻量级网络的联合收获机数字孪生系统,为联合收获机孪生系统性能分析、实时监控、瞬时计算以及远程操纵提供联合仿真、分析以及验证平台。为验证数字孪生系统性能和功能,开展了孪生系统性能测试及油耗预测实验。实验结果表明,在数据更新频率20 Hz下,响应时间在78 ms以内,内存占用量在331 MB以内;性能测试中,系统在运行状态下CPU和GPU的平均占用率分别为17%和30%;即使在高强度操作下,系统帧率仍可保持在75.6 f/s;在正常作业下油耗预测模型平均误差为0.34 L/h,平均相对误差仅为2.51%。本系统提供了一种低成本、高效率的数字孪生轻量化构建方案。

关键词：联合收获机数字孪生轻量级运动逻辑建模齐次矩阵

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基于激光雷达的果树智能修剪系统设计与试验

农业机械学报 2024年第7期55卷 47-56,123页

作者：杨洋韩华宇安东王宇唐武刘京辉宋龙周艳安徽农业大学工学院合肥230036 智能绿色农业装备安徽省联合共建学科重点实验室合肥230036 新疆农垦科学院机械装备研究所石河子832000

针对传统果树修剪存在人员劳动强度大、修剪效率低及修剪质量难以保证等问题,本文设计了果树智能修剪机械臂,并利用固态激光雷达与可编程逻辑控制器开发了基于激光雷达的果树智能修剪系统,实现果树自动修剪。为了验证修剪臂的控制精度,... 详细信息

针对传统果树修剪存在人员劳动强度大、修剪效率低及修剪质量难以保证等问题,本文设计了果树智能修剪机械臂,并利用固态激光雷达与可编程逻辑控制器开发了基于激光雷达的果树智能修剪系统,实现果树自动修剪。为了验证修剪臂的控制精度,分别对修剪机的摆动机械臂、举升机械臂、修剪切割总成进行独立精度试验与修剪目标位置精度试验,独立精度试验结果表明摆动机械臂、举升机械臂、修剪切割总成控制精度平均误差分别为2.32%、3.75%、2.50%,修剪目标位置精度试验结果表明目标位置X_(b)、Z_(b)平均误差分别为2.98%、1.85%,修剪总成作业倾角α平均误差为4.35%,满足果树修剪精度要求。在新疆阿克苏果树种植基地开展了果树修剪试验,结果表明,搭载固态激光雷达的果树修剪机能够实时获取果树的三维空间信息,修剪机可以根据激光雷达探测到的果树树冠信息制定修剪策略,香梨园与苹果园修剪优良率分别为93.3%与86.6%。该系统能有效提高果树修剪效率,降低修剪人员劳动强度。

关键词：果树修剪机激光雷达自动修剪修剪策略

基于改进ECMS的混合动力拖拉机OS-ECVT构型的节能控制策略研究

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南京农业大学学报 2024年

作者：张凯王琳邓晓亭鲁杨张渤衢杨萌鲁植雄南京农业大学工学院智能农业动力装备全国重点实验室

[目的]该文旨在突破大马力混联式混合动力拖拉机的节能控制策略，提升大马力混联式混合动力拖拉机的燃油经济性。[方法]以大马力混联式混合动力拖拉机的行星齿轮式输出分流电动无级变速式（OS-ECVT）构型为研究对象，完成OS-ECVT动力学... 详细信息

[目的]该文旨在突破大马力混联式混合动力拖拉机的节能控制策略，提升大马力混联式混合动力拖拉机的燃油经济性。[方法]以大马力混联式混合动力拖拉机的行星齿轮式输出分流电动无级变速式（OS-ECVT）构型为研究对象，完成OS-ECVT动力学模型的搭建。基于庞特里亚金极小值原理（PMP）的改进策略提出基于改进的等效燃油消耗最小策略（ECMS）的节能控制策略，在犁耕作业工况下进行节能控制仿真，并与基于最佳经济性的节能控制策略（OOL）的进行对比分析。[结果]基于改进的ECMS的节能控制策略的发动机的99.5%的工作点位于小于等于194 g·kW-1·h-1的区间，而基于OOL的节能控制策略仅有7.12%的工作点位于该区间，且基于改进的ECMS的节能控制策略的发动机输出功率更加合理，有效提升了发动机的经济性。基于改进的ECMS的节能控制策略的MG2（调速电机）的92.5%的工作点位于大于0.9的效率区间内工作，而基于OOL的节能控制策略仅有0.37%位于该区间，基于改进的ECMS的节能控制策略的无级变速性能与功率分流性能更加高效。较基于OOL策略，基于改进ECMS的节能控制策略的MG1（主发电机）转矩调节功能更加优异，SOC（电池荷电状态）变化更加经济。基于改进的ECMS的节能控制策略较基于OOL策略的减少9.23%等效燃油消耗量，有效提升了整机的燃油经济性。[结论]该研究可为大马力混联式混合动力拖拉机节能控制策略的开发提供参考。

关键词：混合动力拖拉机庞特里亚金极小值原理无级变速输出分流等效燃油消耗最小节能控制

基于杠杆拓扑法的混合动力拖拉机ECVT构型设计与节能控制

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农业机械学报 2024年

作者：张凯鲁植雄王琳邓晓亭张渤衢孙晓旭南京农业大学工学院智能农业动力装备全国重点实验室

传统大功率拖拉机燃油经济性差，推动了混合动力拖拉机的发展，旋耕作业输出端(Power take-off，PTO)输出转速与拖拉机行驶速度无法解耦输出，使行星齿轮式电动无级变速(Electronic continuously variable transmission，ECVT)拖拉机得... 详细信息

传统大功率拖拉机燃油经济性差，推动了混合动力拖拉机的发展，旋耕作业输出端(Power take-off，PTO)输出转速与拖拉机行驶速度无法解耦输出，使行星齿轮式电动无级变速(Electronic continuously variable transmission，ECVT)拖拉机得到推广，但行星齿轮式ECVT的功率循环现象降低了分流效率，为此，基于杠杆平衡法分析了2K-H型周转轮系的功率分流原理与功率循环产生机理，提出了大功率混合动力拖拉机ECVT构型设计的杠杆拓扑法，以高效地搜索可行构型。提出了大功率混合动力拖拉机ECVT构型的最终方案，并进行了可行性验证。首先，采用杠杆拓扑法和功率输出分流原理拓扑了ECVT构型，然后，通过分析每种拓扑构型的传动特性优选出了最佳构型，通过加装离合器与制动器满足拖拉机作业需求及各种模式切换的可行性，并在后驱动系统搭配高低挡、主减速器与轮边减速器，形成最终构型方案。同时，推导了该构型4种工作模式的动态特性方程，明确了构型的传动过程及PTO转速与拖拉机行驶速度解耦输出的可行性，最后，分别在犁耕与旋耕工况下对基于动态规划算法的混合动力拖拉机ECVT能量管理策略进行了整机节能控制仿真分析，结果表明：提出的ECVT构型较对比构型在犁耕工况下等效燃油消耗量降低约5.45%，旋耕工况下降低约5.38%，有效提升了大功率混合动力拖拉机燃油经济性。2种工况下均无功率循环现象产生，保证了混合动力传动系统的平稳运转及分流效率，实现了PTO转速与拖拉机行驶速度的解耦输出，为动力输出轴独立于轮胎进行单独的转速控制提供解决方案，提出的能量管理策略有助于混合动力系统的节能控制。

关键词：混合动力拖拉机拓扑法 ECVT构型功率循环输出分流节能控制

基于语义分割的中后期玉米行间路径导航线检测

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农业机械学报 2024年

作者：苏童王琳班超迟瑞娟马悦琦中国农业大学工学院智能农业动力装备全国重点实验室

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... 详细信息

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、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，模型的平均交并比为97.90%，平均像素准确率为98.84%，准确率为99.39%，推理速度为63.0f/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耗时为90.04ms。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。

关键词：中后期玉米行间导航导航线检测语义分割图像处理

联合收获机轻量级数字孪生系统构建方法与性能验证

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农业机械学报 2024年

作者：马博文刘孟楠尹彦鑫孟志军张宾张亚伟温昌凯张安琪北京市农林科学院信息技术研究中心智能农业动力装备全国重点实验室中国农业大学工学院北京市农林科学院智能装备技术研究中心

针对现有农机装备数字孪生系统开发难度大、配置要求高以及资源占用过高的问题，提出基于轻量级网络的联合收获机数字孪生系统构建方法，包含物理、虚拟、数据交互、模型计算以及人机交互等多个子系统的实现方法。基于数字孪生的技术特... 详细信息

针对现有农机装备数字孪生系统开发难度大、配置要求高以及资源占用过高的问题，提出基于轻量级网络的联合收获机数字孪生系统构建方法，包含物理、虚拟、数据交互、模型计算以及人机交互等多个子系统的实现方法。基于数字孪生的技术特点和联合收获机的作业特性，设计了一种基于JavaScript语言的轻量级数字孪生系统框架。通过采用Solidworks和CMdevelopment kit工具进行数字孪生系统的模型轻量化处理及坐标系整合，实现了在不影响模型精度和功能的前提下，显著降低系统对硬件的要求和内存占用。以雷沃GM100型联合收获机为对象，开发基于轻量级网络的联合收获机数字孪生系统，为联合收获机孪生系统的性能分析、实时监控、瞬时计算以及远程操纵提供联合仿真、分析以及验证平台。为验证数字孪生系统的性能和功能，开展了孪生系统性能测试及油耗预测实验。实验表明，在20Hz的数据更新频率下，响应速度在78ms以内，内存占用在331MB以内；性能测试中，系统在运行状态下CPU和GPU的平均占用率分别为17%和30%；即使在高强度操作下，系统的帧率仍可保持在75.6帧；油耗预测模型在正常作业下平均误差为0.34 L/h，平均相对误差仅为2.51%。本系统提供了一种低成本、高效率的数字孪生轻量化构建方案，为数字孪生在农机装备领域的进一步推广应用提供了有益参考。

关键词：联合收获机数字孪生轻量级运动逻辑建模齐次矩阵

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混合动力拖拉机能量管理策略综述

拖拉机与农用运输车 2024年第2期51卷 7-15页

作者：杨萌王琳邓晓亭鲁杨南京农业大学工学院江苏南京210031 智能农业动力装备全国重点实验室河南洛阳471039

对混合动力拖拉机进行研究,可有效提高燃料经济性,而能量管理策略的研究则是提高混合动力拖拉机燃油经济性的核心技术问题。通过文献整理及文献翻译,对能量管理的内涵进行分析。从基于规则和基于优化两个角度,对几种常见的能量管理策略... 详细信息

对混合动力拖拉机进行研究,可有效提高燃料经济性,而能量管理策略的研究则是提高混合动力拖拉机燃油经济性的核心技术问题。通过文献整理及文献翻译,对能量管理的内涵进行分析。从基于规则和基于优化两个角度,对几种常见的能量管理策略进行分类。根据不同种类混合动力拖拉机的构型,分析其所适合的能量管理策略及其特点,并对之后能量管理控制策略应用于拖拉机上的研究方向做出了建议。

关键词：混合动力拖拉机能量管理控制策略综述

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大功率拖拉机湿式离合器液压系统特性分析

拖拉机与农用运输车 2024年第5期51卷 15-21页

作者：吴志康王东青张延安杜岳峰高辽远郭晓博中国农业大学工学院北京100083 智能农业动力装备全国重点实验室河南洛阳471039

大功率拖拉机湿式离合器具有复杂、高阶、非线性强等特点,是动力换挡变速箱(Power Shift Transmission,PST)执行换挡动作的关键部件。首先,分析了大功率动力换挡拖拉机湿式离合器液压系统的组成和工作原理,然后,搭建了基于dSPCE的湿式... 详细信息

大功率拖拉机湿式离合器具有复杂、高阶、非线性强等特点,是动力换挡变速箱(Power Shift Transmission,PST)执行换挡动作的关键部件。首先,分析了大功率动力换挡拖拉机湿式离合器液压系统的组成和工作原理,然后,搭建了基于dSPCE的湿式离合器液压系统试验台,开展了湿式离合器液压系统特性试验,分析了比例减压阀和湿式离合器的稳态特性和动态特性。最后,通过改造离合器试验台,采集离合器活塞位移和离合器油压,掌握了PST湿式离合器的活塞位移行程和基本运动特性。研究成果可为离合器压力控制和换挡质量控制研究提供模型依据。

关键词：动力换挡变速箱湿式离合器液压系统特性分析

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大功率拖拉机湿式离合器液压系统建模与验证

拖拉机与农用运输车 2024年第4期51卷 32-38页

作者：吴志康王东青张延安杜岳峰高辽远郭晓博中国农业大学工学院北京100083 智能农业动力装备全国重点实验室河南洛阳471039

湿式离合器是动力换挡拖拉机执行换挡动作的关键部件,具有复杂、高阶、强非线性等特征。首先,通过分析大功率动力换挡拖拉机湿式离合器液压系统的结构与工作原理,建立了其数学模型;然后,基于MATLAB和AMESim搭建了系统仿真模型;最后,通... 详细信息

湿式离合器是动力换挡拖拉机执行换挡动作的关键部件,具有复杂、高阶、强非线性等特征。首先,通过分析大功率动力换挡拖拉机湿式离合器液压系统的结构与工作原理,建立了其数学模型;然后,基于MATLAB和AMESim搭建了系统仿真模型;最后,通过对比MATLAB与AMESim模型仿真结果,验证了所建数学模型的准确性。研究成果可为离合器压力控制及换挡品质控制研究提供模型基础。

关键词：动力换挡变速箱湿式离合器液压系统数学模型