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玉米籽粒收获机清选筛堵塞规律及脱附试验

吉林大学学报（工学版） 2021年第2期51卷 761-771页

作者：程超付君陈志任露泉吉林大学工程仿生教育部重点实验室长春130025 吉林大学生物与农业工程学院长春130025 中国农业机械化科学研究院北京100083

针对玉米籽粒收获机清选筛堵塞引发清选作业质量降低的问题,选取筛片倾角37.5°、45°、52.5°、60°四组筛孔开度的鱼鳞筛,开展清选筛堵塞规律和脱附田间试验。作业量为1.5hm2时,上清选筛的堵孔比例分别为7.89%、7.59%、7.14%、6.91%,... 详细信息

针对玉米籽粒收获机清选筛堵塞引发清选作业质量降低的问题,选取筛片倾角37.5°、45°、52.5°、60°四组筛孔开度的鱼鳞筛,开展清选筛堵塞规律和脱附田间试验。作业量为1.5hm2时,上清选筛的堵孔比例分别为7.89%、7.59%、7.14%、6.91%,尾筛的堵孔比例分别为8.07%、7.81%、7.49%、6.78%,粮仓内籽粒含杂率分别为1.15%、1.29%、1.34%、1.45%,筛尾处籽粒损失率分别为1.13%、1.07%、0.93%、0.87%;上清选筛堵塞玉米芯轴的脱附力平均值分别为2.07、1.76、1.56、1.47 N,尾筛堵塞玉米芯轴脱附力平均值分别为2、1.73、1.59、1.48 N。

关键词：农业工程玉米籽粒收获机清选筛堵塞芯轴脱附

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玉米籽粒收获机辅助收获关键技术研究

玉米籽粒收获机辅助收获关键技术研究

作者：程尚坤安徽农业大学

学位级别：硕士

我国是农业大国,农业在我国的国民经济中占有重要地位。本课题以玉米籽粒收获机为载体,针对于传统玉米收获过程中,驾驶员大部分精力用于操作玉米收获机对行收获、调节割台高度和观察收获情况,为了减轻收获机驾驶员的劳动强度、提高收获... 详细信息

我国是农业大国,农业在我国的国民经济中占有重要地位。本课题以玉米籽粒收获机为载体,针对于传统玉米收获过程中,驾驶员大部分精力用于操作玉米收获机对行收获、调节割台高度和观察收获情况,为了减轻收获机驾驶员的劳动强度、提高收获机的自动化水平,本文对玉米籽粒收获机辅助收获关键技术进行了研究,能够实现收获机在玉米田间自动对行行驶、割台高度自适应调节及谷物产量实时监测。主要工作内容如下:(1)针对玉米籽粒收获机自动转向系统改装复杂、控制精度低及加工成本高等问题,设计了一种基于直流电机和转向柱相连的自动转向系统,主要由自动转向装置控制器、自动转向装置执行部分和玉米籽粒收获机原装的底盘转向机构组成;为了系统安全性,设计了自动转向模式切换人工接管模式的控制策略,并确定了控制阈值,最后通过试验验证了自动转向系统的控制平均偏差均小于0.1°。(2)提出了成熟期玉米的已收获区域与未收获区域边界线提取的算法。采用直通滤波对玉米点云进行地面、杂草的过滤以及检测区域的提取,并利用统计滤波进行去噪处理,并对点云坐标进行变换;然后利用最小二乘法实现作物行检测,并根据作物行检测结果确定了待收获区域与已收获区域边界线,最后进行了算法准确率验证,其平均偏差角为0.85°。(3)设计了基于玉米籽粒收获机的割台高度自适应调节系统,主要包括割台高度测量仿形机构、系统控制器组成。通过在收获机割台侧面安装自主设计的割台高度测量仿形机构,实时测量玉米籽粒收获机在作业时割台距离地面的高度并反馈给控制器,控制器得到反馈的高度信息后,对割台高度进行控制,并通过控制精度试验和田间试验验证出其控制精度分别为:3.5%、4.72%、4.2%。(4)设计了一种谷物产量实时监测系统,系统主要由信号采集处理模块、定位模块和可视化终端组成,系统的设置的采集频率为1KHz,响应耗时为2ms,当系统工作时,信号采集处理模块实时检测谷物升运器刮板上谷物遮挡的传感器信号时长,运用本文构建的基于低电平信号的玉米籽粒产量计算模型完成实时测产。通过搭建的模拟升运器试验台架,进行几种不同工况下台架试验,结果表明系统测产误差均小于5%;在中联重科4YZL-5BZH型联合玉米籽粒收获机上开展田间试验,结果得出测产的平均误差为3.72%,验证了本文设计的系统具有较高的测产准确率和测产实时性,可为精准农业和高产管理提供参考。(5)基于所研究的内容,对系统间的协同控制进行了设计。设计了系统间的通信协议,制定了三种工况下的各系统的工作情况,并设计了控制软件,能够实时监测收获机的作业状态。

关键词：玉米籽粒收获机自动转向玉米行边界线提取割台高度自适应调节产量实时监测

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玉米籽粒收获机破碎率检测装置设计与试验

玉米籽粒收获机破碎率检测装置设计与试验

作者：李志杰河南农业大学

学位级别：硕士

收获作业是整个玉米生产过程中最重要的环节,在玉米籽粒收获机作业过程中,作业参数调整不当时,容易造成玉米籽粒破碎,严重影响玉米的收获质量以及后续的储存、加工和销售。当发现玉米籽粒破碎率较大时,需调整作业参数以减少破碎率,提高... 详细信息

收获作业是整个玉米生产过程中最重要的环节,在玉米籽粒收获机作业过程中,作业参数调整不当时,容易造成玉米籽粒破碎,严重影响玉米的收获质量以及后续的储存、加工和销售。当发现玉米籽粒破碎率较大时,需调整作业参数以减少破碎率,提高收获质量。传统玉米籽粒破碎率是通过人工拣选、称重并计算得到,耗时耗力,无法实现玉米籽粒破碎率实时检测并反馈结果。针对以上问题,设计一种基于改进Mask RCNN的玉米籽粒破碎率实时检测装置,将该检测装置安装在试验台架和玉米籽粒收获机上进行了台架试验和田间试验以验证此检测装置的检测效果和适用性。主要研究内容与结论如下:（1）玉米籽粒取样装置设计与仿真。为实现玉米籽粒收获机作业过程玉米籽粒的实时取样,设计了一种可安装于玉米籽粒收获机粮箱内部的取样装置,该装置能够实现对获取的玉米籽粒单层化以满足图像获取的要求,且图像拍摄完成后将玉米籽粒倒入粮箱内。本文为防止取样装置对玉米籽粒造成破损,对所设计的籽粒取样装置工作过程进行EDEM离散元仿真,通过分析得出取样过程中玉米籽粒受到最大力值为45.35N,小于玉米籽粒压缩破碎的最小值76.17N,可知所设计取样装置不会对玉米籽粒造成破损,具有一定的适用性。然后根据三维设计进行取样装置整体框架的选材加工和电机、工业相机、输送带等关键部件的选型,依据正交试验选择了取样装置螺旋绞龙转速为31.37rpm、输送带移速为0.05m/s、单层化挡板高度为6.12mm的最优工作参数。（2）玉米籽粒图像数据集构建。在玉米籽粒收获机作业时,使用取样装置获取适当籽粒,将籽粒平散于黑色绒布上,采用工业相机随机拍取不同曝光程度、含有杂质的籽粒图像600张,将600张原始图像使用Lableme工具软件进行玉米完整籽粒和破损籽粒的手动标注,为训练出泛化能力和鲁棒性更强的网络模型,获得更多玉米籽粒的特征,使用添加噪声、增加曝光、水平翻转、垂直翻转、随机旋转等传统数据增强方法适当扩充数据,用于检测模型的训练及验证。（3）玉米籽粒检测模型改进。为实现Mask RCNN网络模型快速、准确的分割玉米完整籽粒和破损籽粒像素,在Mask RCNN网络模型中使用Dense Net121主干特征提取网络作为基础,Dense Net121的第四个Dense Block层后加上CBAM注意力机制,然后在Dense Net121＿CBAM的第二个Transition层、第三个Transition层和CBAM层构建FPN结构,以此替换Res Net50＿FPN作为Mask RCNN网络模型的主干特征提取网络,获得改进后的Mask RCNN网络模型。根据改进Mask RCNN网络方案进行玉米籽粒数据集训练及验证,验证结果表明:相比较原始Mask RCNN网络模型,改进后的Mask RCNN网络模型在MAPb50和MAPm50上分别提升了0.34%、0.37%,对比Res Net50＿FPN主干特征提取网络,计算量和参数量分别下降了3.87GMac、17.32M,特征提取时间减少了22ms,检测一张图片的总时间减少了395ms,改进后的Mask RCNN网络模型在训练时,相较于不使用预训练权重,使用预训练权重的损失函数收敛速度更快,证明了改进Mask RCNN网络模型的有效性。（4）玉米籽粒破碎率检测软件设计。使用最小二乘法建立玉米籽粒像素与质量耦合关系,回归分析结果表明玉米完整籽粒和破损籽粒像素与质量的决定系数R2分别为0.958、0.992,证明一元线性回归模型能够有效反映籽粒像素与质量之间的关系。将取样装置、改进的籽粒检测模型和籽粒像素与质量耦合关系三者结合设计玉米籽粒破碎率检测软件,该软件可实时检测所拍摄玉米籽粒图像的破损情况,并将检测图像和破碎率结果显示在主界面上。（5）玉米籽粒破碎率检测装置性能验证。将玉米籽粒破碎率检测装置安装在试验台架进行性能验证,试验结果表明,采用玉米籽粒破碎率检测装置检测的破碎率均值为3.69%;人工计算的破碎率均值为3.94%,破碎率检测装置与人工计算破碎率的平均相对误差为0.25%。为进一步测试玉米籽粒破碎率检测装置的效果,将玉米籽粒破碎率检测装置安装在玉米籽粒收获机上进行田间试验,试验结果表明,采用玉米籽粒破碎率实时检测装置检测的破碎率均值为3.63%;人工计算的破碎率均值为4.12%,破碎率检测装置与人工计算破碎率的平均相对误差为0.49%。台架试验和田间试验结果表明,本文所设计的玉米籽粒破碎率检测装置可对玉米籽粒破碎率进行实时检测,为提高玉米籽粒机械化收获质量提供装备支持。

关键词：玉米籽粒收获机籽粒破碎率取样装置 EDEM离散元仿真 Mask RCNN

玉米籽粒收获机清选损失在线监测系统研究与设计

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玉米籽粒收获机清选损失在线监测系统研究与设计

作者：魏德欣中国农业科学院

学位级别：硕士

作业损失是衡量玉米籽粒收获机作业质量的重要指标,清选损失是总损失的主要来源之一。现阶段玉米籽粒收获机缺乏清选损失等在线监测装置,虽然通过人工测算可以进行作业质量分析,但是该方法所需劳动力多、效率低,难以将信息进行及时反馈... 详细信息

作业损失是衡量玉米籽粒收获机作业质量的重要指标,清选损失是总损失的主要来源之一。现阶段玉米籽粒收获机缺乏清选损失等在线监测装置,虽然通过人工测算可以进行作业质量分析,但是该方法所需劳动力多、效率低,难以将信息进行及时反馈,导致实际作业过程中无法根据作业质量实时调整收获机工作参数,从而造成大量的损失。在玉米籽粒收获机工作时对清选损失进行实时监测,并根据清选损失等指标对清选装置的工作参数、收获机行走速度、割幅等进行调节以降低清选损失,提高作业质量。本文根据国内现有玉米籽粒收获机清选损失监测的实际需求,开展清选损失监测系统研究。清选损失监测传感器是由敏感板与信号处理电路组成,根据信号质量设计由冲击板和压电陶瓷组成的敏感板,通过信号采集与分析,设计能够提取籽粒信号并且能够根据输出信号得到籽粒数量的信号处理电路。同时利用其它硬件设备与软件进行监测系统整体设计,能够实时获取、显示、保存损失等作业信息。本文的主要研究内容和结论如下:1.分析国内外在谷物、玉米等收获机清选损失监测技术研究现状,研究玉米籽粒收获机清选损失在线监测方法。统计用雷沃GE40收获含水率为32.28%,品种为伟科702的损失情况,结果为清选损失率为1.52%、总损失率约为7.7%,清选排出物中碎芯与籽粒在重量上的比例约为15.76:1。通过测量玉米籽粒、碎芯尺寸,并对碎芯进行尺寸划分,分析探索提高监测系统监测精度的方法。根据监测系统的工作原理与现有玉米机械收获的情况,确定玉米籽粒收获机清选损失监测系统的设计要求和总体设计方案。2.清选损失监测传感器的研究。传感器由冲击板、压电陶瓷与信号处理电路组成,排出的籽粒、碎芯等碰撞到冲击板上产生振动信号,压电陶瓷将振动信号转化为电信号,信号处理电路对信号进行处理,以获取籽粒损失信息。以相同撞击条件下,产生振动信号的衰减速度快、频率高,应变量大为目标,通过ANSYS进行模态分析等,最终确定了冲击板的材料为304不锈钢、边长为200mm、厚度为1mm。冲击板与压电陶瓷组成敏感板,采集碎芯与玉米籽粒碰撞敏感板产生的时域信号,利用快速傅里叶变化,将时域信号转化为频域信号,统计分析得籽粒信号的频率重心约为4339.4HZ,碎芯信号的频率重心约为2291.2HZ。通过频域图以及统计发现两者信号的主要区别为频率不同,因此根据频率分布这一特征值进行信号处理电路的设计研究。依据理论计算与NI Multisim14.0仿真对元器件参数进行确定与优化,设计了由截止频率为8.07KHz的VCVS高通滤波电路、包络检波电路、电压比较电路组成的信号处理电路,完成清选损失监测传感器的设计研究。3.玉米籽粒收获机清选损失监测系统硬件及软件研究设计。根据传感器输出信号、监测系统的工作环境等,对监测系统的硬件组成进行了探讨,为了使监测系统更加集成,选用搭载STM32F103ZET6单片机的开发板作为本研究装置的控制器,根据显示与输入需求,选用了带有触摸功能的TFTLCD液晶屏,为了方便安装与获取信号,选用光电传感器获取收获机的行进速度,随后根据各模块的用电需求选择了合适的升压模块以及电源模块。通过Keil软件编写程序实现对各硬件模块进行控制,使其正常工作,通过设计合适的人机交互界面实现监测系统的实用性,设计的软件主要包含中断程序、触摸屏显示及输入程序、数据计算、存储程序等。4.玉米籽粒收获机清选损失监测系统试验。在试验室对监测系统的性能进行试验,通过分析多个籽粒同时碰撞传感器时的监测准确率对程序与信号处理电路中R进行微调。随后通过两因素中心组合试验设计,对传感器的最佳安装位置进行试验探究,试验物料分为两部分,一部分全部为玉米籽粒,另一部分为籽粒与碎芯的混合物,对试验结果进行统计分析,并建立回归模型,确定了传感器的最佳安装高度为30cm、最佳安装角度为30°,此时物料全部为玉米籽粒的监测准确率为91.77%,物料为籽粒与碎芯的混合物时的监测准确率为90.63%。将损失监测系统安装在雷沃GE40机型上,通过田间预试验,确定了实际损失粒数与监测到的损失率数之间的修正系数k为0.398。玉米籽粒收获机分别在0.8、1.0、1.2m/s的工作速度下,监测系统测得的平均清选损失率分别为1.41%、1.58%、1.83%。测得本次收获的平均损失率为1.61%,与统计的清选损失率1.52%相比,清选损失监测系统的误差为6.6%。试验结果表明,玉米清选损失监测系统的研究与设计达到了预期效果。

关键词：玉米籽粒收获机清选损失监测系统敏感板信号处理电路玉米籽粒

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玉米籽粒收获机发动机设计

农业机械 2021年第10期 82-84页

作者：杨明波吴佳男杨国涛周立春周长飞潍柴动力股份有限公司

由于农作物收获质量要求逐渐严格,直接推动农业装备细分化发展,近几年新疆东北等市场对玉米籽粒直收的需求逐年增加,玉米籽粒收获机发展潜力较大。目前国内基本没有针对玉米籽粒收获机工作环境和使用特性开发的专用发动机,根据玉米籽粒... 详细信息

由于农作物收获质量要求逐渐严格,直接推动农业装备细分化发展,近几年新疆东北等市场对玉米籽粒直收的需求逐年增加,玉米籽粒收获机发展潜力较大。目前国内基本没有针对玉米籽粒收获机工作环境和使用特性开发的专用发动机,根据玉米籽粒收获机的整车工作需求,对玉米籽粒收获机用发动机的设计理念进行分析和探讨。基于玉米籽粒收获机动力输出、特殊边界结构和安全性需求,提出发动机多样化动力输出结构、布置合理性、保养便利性和防火方面设计理念;基于玉米籽粒收获机特殊性能需求,提出匹配转速区间恒功率和恒转速控制的性能设计理念。

关键词：玉米籽粒收获机发动机结构设计性能设计

基于三螺旋结构的玉米籽粒收获机卸粮装置设计

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基于三螺旋结构的玉米籽粒收获机卸粮装置设计

作者：赵禹豪河北农业大学

学位级别：硕士

玉米籽粒型收获机是我国玉米收获机械化产业今后的发展方向,而卸粮装置作为籽粒收获机的一个关键部件,对玉米籽粒的收获品质有直接影响。卸粮装置的卸粮效率高低将直接影响籽粒收获机的工作进程。由于各地所使用的运粮车型号各异,所以... 详细信息

玉米籽粒型收获机是我国玉米收获机械化产业今后的发展方向,而卸粮装置作为籽粒收获机的一个关键部件,对玉米籽粒的收获品质有直接影响。卸粮装置的卸粮效率高低将直接影响籽粒收获机的工作进程。由于各地所使用的运粮车型号各异,所以卸粮装置的卸粮高度直接影响产品的适用性,卸粮高度较高的籽粒收获机则适应范围广。破碎率是评价玉米籽粒收获机好坏的一个重要指标,故卸粮装置对二次破碎有严格的要求。本课题结合“十三五”玉米联合收获机与智能装备研发项目重点课题,以河北中农博远农业装备有限公司的4YL-5型玉米籽粒收获机为研究对象,以提高卸粮效率,增加适应性和降低二次破碎率为目标进行了设计。论文的主要研究内容及成果如下:(1)在深入研究了国内外玉米收获机卸粮装置的基础上,结合了河北中农博远农业装备有限公司前期机型卸粮装置的功能特点,采用三螺旋组合的方式来实现卸粮操作。(2)通过对卸粮装置的工作对象进行研究,根据玉米籽粒散粒物料的性质对玉米籽粒在螺旋输送装置中的力学状态进行了分析,并根据分析结果提出了在螺旋输送装置参数确定过程中对于螺旋角和转速的要求。(3)基于虚拟样机技术,运用EDEM分析软件对完成设计建模的卸粮装置进行模拟仿真,以玉米籽粒的物理学特性为基础,建立籽粒物料在卸粮装置中的运动模型,确定了颗粒半径、泊松比、滑动摩擦系数和滚动摩擦系数等关键参数。并通过分析结果得出了籽粒在卸粮装置中的运动规律,验证了卸粮装置模型的正确性。(4)通过样机试验对卸粮装置的输送效率以及籽粒的破碎率进行验证,确保卸粮装置的工作效率及破碎率符合实际要求。(5)最后,运用微电子和自动控制技术,对籽粒收获机的粮箱进行了自动化监控设计。当粮箱中物料达到指定位置时,控制器会自动向处在远端的运粮车发送信号,以提示运粮车提前到达工作位置准备进行卸粮操作。当粮箱中的物料将要达到顶部时,控制系统会在驾驶室内的控制面板上报警,以提醒驾驶员及时停机,防止物料溢出。使得产品的实用性得到了进一步提升,也为今后该产品的智能化研究奠定了基础。

关键词：玉米籽粒收获机卸粮装置三螺旋结构虚拟样机技术