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基于改进A-Star和LM-BZS算法的果园履带机器人路径规划

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农业机械学报 2024年

作者：张万枝赵威李玉华赵乐俊侯加林朱倩 1.山东农业大学机械与电子工程学院 2.山东省农业装备智能化工程实验室 3.山东省园艺机械与装备重点实验室山东农业大学机械与电子工程学院山东省农业装备智能化工程实验室山东省园艺机械与装备重点实验室

针对目前果园机器人在全局路径规划过程中存在规划效率低、规划路径折线段多、折线角度大、作业不稳定等问题，以果园履带机器人为运动学模型，提出一种基于改进A*和低阶多段贝塞尔曲线拼接（Low-order Multi-segment Bezier curve Spli... 详细信息

针对目前果园机器人在全局路径规划过程中存在规划效率低、规划路径折线段多、折线角度大、作业不稳定等问题，以果园履带机器人为运动学模型，提出一种基于改进A*和低阶多段贝塞尔曲线拼接（Low-order Multi-segment Bezier curve Splicing，LM-BZS）算法的路径规划方法。首先，根据先验地图获取果园环境信息，将果树和障碍物视作不可通行区域，并结合机器人本体尺寸，对不可通行区域进行膨胀拟合处理；然后，利用改进A*算法搜索路径，对初步生成路径进行树行节点调整；最后，采用LM-BZS算法对调整后的路径点进行优化处理，生成符合果园履带机器人作业要求的行驶路径。仿真试验结果表明，相较于传统A*算法，本文所提出的改进算法在无障碍和有障碍环境中，路径规划时间分别减少76.75%、86.40%，评估节点数量分别减少36.68%、39.37%；经LM-BZS算法优化所得路径在无障碍环境中，相较于传统A*算法和高阶贝塞尔曲线算法，平均曲率分别降低45.81%、18.94%；在有障碍环境中平均曲率分别降低56.98%、27.81%。场地试验结果表明，果园履带机器人在对本文算法生成路径进行跟踪行驶时，在无障碍和有障碍环境中，最大横向误差分别为0.428、0.491m，平均横向误差分别为0.232、0.276m，平均航向偏差分别为11.06°、13.76°，符合果园履带机器人自主行驶条件。

关键词：果园履带机器人改进A 算法路径规划贝塞尔曲线路径优化

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控释肥颗粒群仿真接触参数标定与试验

农业机械学报 2024年第6期 80-90页

作者：张宏建陈修波李宏立田园范国强许珺烁刘双喜王金星山东农业大学机械与电子工程学院山东省农业装备智能化工程实验室山东省园艺机械与装备重点实验室

接触参数影响控释肥颗粒离散元仿真结果。为了精准模拟控释肥颗粒力学行为与运动规律，本文基于离散元法对控释肥颗粒的接触参数进行标定与试验。首先，建立控释肥离散元基础模型，并利用台架和仿真试验相结合的方法，在EDEM中对控释肥... 详细信息

接触参数影响控释肥颗粒离散元仿真结果。为了精准模拟控释肥颗粒力学行为与运动规律，本文基于离散元法对控释肥颗粒的接触参数进行标定与试验。首先，建立控释肥离散元基础模型，并利用台架和仿真试验相结合的方法，在EDEM中对控释肥颗粒与PVC板之间接触参数进行标定。其次，通过碰撞弹跳试验、斜面滑移试验和斜面滚动试验测得控释肥颗粒与PVC板之间的碰撞恢复系数、静摩擦因数和滚动摩擦因数分别为0.539、0.507和0.105。最后，通过堆积试验、最陡爬坡试验和正交旋转组合试验，得到控释肥颗粒间的碰撞恢复系数、静摩擦因数和滚动摩擦因数分别为0.38、0.25和0.09,并通过无底圆筒提升试验和排肥台架试验进行验证。试验结果表明，堆积角实际值与仿真结果的相对误差为1.54%,排肥量实际值与仿真结果4种转速下的相对误差分别为4.38%、4.23%、4.41%、4.36%,所标定的控释肥接触参数精准有效，可为控释肥离散元仿真提供数据和模型支撑。

关键词：控释肥离散元法接触参数标定试验堆积角

铡草机切碎辊作物喂入矢角参数模型构建与试验

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农业机械学报 2024年

作者：王征宋占华刘平闫银发李扬任龙龙宋月鹏 1.山东农业大学机械与电子工程学院 2.山东省园艺机械与装备重点实验室山东农业大学机械与电子工程学院山东省园艺机械与装备重点实验室

饲草收获机作物喂入矢角对切碎辊转矩负荷及切碎性能有重要影响，通过检测传动带压力与作物喂入矢角的相互关系，对收获机切碎特性与作物切碎过程进行了运动学、动力学分析，揭示了饲草作物切碎质量、能耗与作物喂入矢角的关系，建立收... 详细信息

饲草收获机作物喂入矢角对切碎辊转矩负荷及切碎性能有重要影响，通过检测传动带压力与作物喂入矢角的相互关系，对收获机切碎特性与作物切碎过程进行了运动学、动力学分析，揭示了饲草作物切碎质量、能耗与作物喂入矢角的关系，建立收获机切碎辊作物喂入矢角数学模型并进行了优化。试验结果表明：当优化参数组作物喂入量为5.5kg/s、切碎辊转速为1600r/min、传动带初始压力为1.2MPa时，该作业参数组下切碎作物喂入矢角数学模型精度最高，准确率达到79.52%，模型偏差为0.491MPa（0.957rad），能够有效地表征铡草机切碎作业负荷，同时在保证作物切碎质量下实现了铡草机作业能力的提高，优化的切碎喂入矢角模型下切碎扰动响应时间缩短约26.41%，单位作业能耗减小约11.36%。该切碎作物喂入矢角模型丰富了铡草机切碎作业的建模方法，为类属饲草作物铡草机负荷控制系统设计提供了参考。

关键词：铡草机切碎矢角数学模型构建

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基于特征融合和增强的蚕茧图像分类模型

蚕业科学 2024年

作者：刘莫尘侯欣韦伟张鑫山李法德宋占华张桂征梁光建闫银发山东农业大学机械与电子工程学院广西壮族自治区蚕业技术推广站山东省园艺机械与装备重点实验室山东省农业装备智能化工程实验室

为对原料茧中的上车茧和下茧进行准确分类，实现蚕茧分拣智能化、机械化。文中提出了一种基于多尺度特征融合和增强的双线性池化分类模型。首先以ResNet41作为特征提取骨干网络构建双线性池化模型，增强网络特征提取能力的同时得到不同... 详细信息

为对原料茧中的上车茧和下茧进行准确分类，实现蚕茧分拣智能化、机械化。文中提出了一种基于多尺度特征融合和增强的双线性池化分类模型。首先以ResNet41作为特征提取骨干网络构建双线性池化模型，增强网络特征提取能力的同时得到不同维度的语义信息；然后引入自适应空间特征融合模块，融合蚕茧的浅层图像信息和深层语义信息，解决ResNet41在特征提取过程中出现的信息丢失问题；最后采用挤压和激发模块抑制冗余信息，降低分类偏差。改进模型B-Res41-ASE在测试集中的分类准确率和F1值分别为93.7%和94.9%，对上车茧的分类精确率为97.8%，对黄斑茧、柴印茧、烂茧、瘪茧、薄皮茧等下茧的分类精确率分别为96.4%、93.7%、98.6%、94.5%、93.1%，相比于改进前模型和常用的细粒度分类模型均有明显优势，且B-Res41-ASE对蚕茧的可判别区域的聚焦更精准。实验结果表明，文中提出的优化方法在分类准确率、鲁棒性等方面优于其他蚕茧分类模型，可为蚕茧智能分拣提供理论依据。

关键词：蚕茧分类双线性池化自适应空间特征融合可视化分析

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智能农机多机协同收获作业控制方法与试验

农业工程学报 2024年第1期40卷 17-26页

作者：满忠贤何杰刘善琪岳孟东胡炼黄培奎汪沛罗锡文华南农业大学南方农业机械与装备关键技术教育部重点实验室广州510642 广东省农业人工智能重点实验室广州510642

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... 详细信息

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:该研究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%。该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。

关键词：农业机械无人农场收获多机协同策略运粮

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智能化阀口独立电液控制系统安全性能评估

机械工程学报 2024年第4期60卷 101-112页

作者：丁孺琦熊文杰程敏徐兵华东交通大学载运工具与装备教育部重点实验室南昌330013 重庆大学高端装备机械传动全国重点实验室重庆400044 浙江大学流体动力基础件与机电系统全国重点实验室杭州310027

阀口独立电液控制系统通过电子化反馈与复杂进出口独立控制策略提高系统智能化水平,但高安全风险也制约了其大规模市场化应用。为此,提出一种面向ISO 13849机器安全标准的阀口独立控制系统安全性能评估方法。针对阀口独立控制系统特有... 详细信息

阀口独立电液控制系统通过电子化反馈与复杂进出口独立控制策略提高系统智能化水平,但高安全风险也制约了其大规模市场化应用。为此,提出一种面向ISO 13849机器安全标准的阀口独立控制系统安全性能评估方法。针对阀口独立控制系统特有的多自由度控制、多变量反馈、多模式切换特点,结合故障树分析法和布尔代数运算建立系统四象限工况安全性模型,构建该模型至ISO13849中预定义安全结构类别的映射,推导系统安全性能等级PL值及其每小时发生引起危险的停机故障概率(PFHd)的量化方法。考虑常规控制、故障诊断与主动容错控制器三类控制方法,分析系统安全结构由类型1单通道至类型3双通道的变换。评估结果表明,系统PL仅为b级,难以满足移动机器d级要求;引入故障诊断后,PL仅提高至c级;增加故障主动容错后,不增加额外硬件冗余情况下PL可增加至d级甚至最高e级。研究工作为智能化电液系统控制、诊断、容错设计构建遵循机器功能安全的评估与指导。

关键词：阀口独立控制安全性能 ISO 13849 故障树分析故障诊断与容错

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苹果颗粒离散元接触参数标定与仿真试验

农业工程学报 2024年第12期40卷 66-76页

作者：张宏建韩欣杨化伟陈修波赵光泽孙经伟孙林林王金星山东农业大学机械与电子工程学院泰安271018 山东省农业机械科学研究院济南252100 山东省园艺机械与装备重点实验室泰安271018

为精准确定红富士、花牛和黄元帅苹果的接触参数,该研究基于离散元法对3种苹果颗粒的仿真模型进行接触参数标定试验。首先,创建3种苹果的离散元填充模型,并通过电子秤、万能试验机等试验设备,确定其本征参数。其次,通过碰撞弹跳试验、... 详细信息

为精准确定红富士、花牛和黄元帅苹果的接触参数,该研究基于离散元法对3种苹果颗粒的仿真模型进行接触参数标定试验。首先,创建3种苹果的离散元填充模型,并通过电子秤、万能试验机等试验设备,确定其本征参数。其次,通过碰撞弹跳试验、斜面滑移试验和斜面滚动试验,得到红富士、花牛和黄元帅苹果与亚克力板的碰撞恢复系数分别为0.473、0.432和0.466;与亚克力板的静摩擦系数分别为0.435、0.536和0.519;与亚克力板的滚动摩擦系数分别为0.007 7、0.013 8和0.008 8。最后,通过堆积角试验、最陡爬坡试验确定二次回归正交旋转组合试验,得到红富士、花牛和黄元帅同种苹果间的碰撞恢复系数分别为0.487、0.348和0.469;静摩擦系数分别为0.584、0.869和0.644;滚动摩擦系数分别为0.084、0.096和0.093。试验结果表明,红富士、花牛和黄元帅苹果仿真试验与物理试验的休止角相对误差分别为5.95%、6.55%、8.67%。研究结果可为苹果物理特性和低损采收技术研究提供理论依据和模型支撑。

关键词：离散元模型苹果接触参数标定与试验堆积角

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基于视触觉感知的番茄尺寸和姿态解析方法

农业机械学报 2024年第1期55卷 223-232页

作者：马锃宏谭励曾伟贺磊盈杜小强浙江理工大学机械工程学院杭州310018 浙江省种植装备技术重点实验室杭州310018 农业农村部东南丘陵山地农业装备重点实验室(部省共建) 杭州310018

针对传统农业机器人抓取过程中视觉识别番茄果实尺寸和姿态存在枝叶遮挡的问题,提出了一种基于视触觉感知的番茄尺寸和姿态解析方法。在果实抓取过程中通过视触觉传感器得到果实外轮廓接触局部点云信息,然后通过相机参数标定以及各手指... 详细信息

针对传统农业机器人抓取过程中视觉识别番茄果实尺寸和姿态存在枝叶遮挡的问题,提出了一种基于视触觉感知的番茄尺寸和姿态解析方法。在果实抓取过程中通过视触觉传感器得到果实外轮廓接触局部点云信息,然后通过相机参数标定以及各手指关节变换矩阵,将不同传感器坐标系下的点云信息变换到同一基坐标系下,进而通过点云改进PCA算法和ICP算法解析抓取果实的尺寸和姿态信息。为了评估所提出解析方法的性能,在实验室环境下进行了番茄尺寸和姿态检测试验。通过游标卡尺测量和深度相机扫描分别获得番茄果实尺寸和姿态的真实值,并与本文方法解析结果进行对比。检测试验结果表明,本文方法获得的番茄横向尺寸和纵向尺寸平均相对误差分别为8.66%和11.08%,番茄果轴与视场投影面的水平夹角和垂直偏转角平均相对误差分别为10.03%和14.02%。本文方法解析的番茄果实尺寸与姿态信息,可应用于番茄果实抓取过程中的姿态调控,从而提高番茄果实抓取采摘的可靠性。

关键词：番茄采摘视触觉传感器尺寸与姿态解析 PCL点云库改进PCA算法 ICP算法

基于响应面与狼群算法的电火花线切割加工性能与放电能耗建模及优化

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计算机集成制造系统 2024年第4期30卷 1324-1334页

作者：马军叶红伟袁杰李晓科曹阳明五一郑州轻工业大学河南省机械装备智能制造重点实验室河南郑州450002

结合电火花线切割加工绿色、精密、高效的发展趋势,提出面向加工性能与放电能耗的电火花线切割加工工艺建模与多目标优化方法。针对电火花线切割加工GH4169高温合金材料开展正交试验设计,以脉冲宽度、放电间隙、管数、加工限速为输入,... 详细信息

结合电火花线切割加工绿色、精密、高效的发展趋势,提出面向加工性能与放电能耗的电火花线切割加工工艺建模与多目标优化方法。针对电火花线切割加工GH4169高温合金材料开展正交试验设计,以脉冲宽度、放电间隙、管数、加工限速为输入,以放电能耗EEV、表面粗糙度Ra和材料去除率MRR为输出,构建了电火花线切割加工性能与放电能耗多目标优化响应面模型,并采用改进的狼群算法对模型进行优化求解。优化结果与实验结果对比表明,Ra、EEV和MRR的平均误差均不高于10%,且随机优化实验结果优于75%以上的正交试验设计的实验结果,验证了优化模型及求解方法的有效性。

关键词：绿色制造电火花线切割加工放电能耗响应面法狼群算法