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基于混合扩张状态观测器的农田平地机液压系统反步滑模控制研究

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农业机械学报 2024年第7期55卷 37-46页

作者：魏新华王庆壮吉鑫刘成良汪岸哲江苏大学农业工程学院镇江212013 智能农机装备理论与技术重点实验室镇江212013 上海交通大学机械与动力工程学院上海200240

为解决农田平地机液压系统在复杂地貌平地作业时控制精度低、抗干扰能力差等问题,设计了一种基于混合扩张状态观测器(HESO)的反步滑模控制器。其中,HESO基于输出反馈信号估计系统未知状态和总扰动,并在前馈通道中进行扰动补偿;基于快速... 详细信息

为解决农田平地机液压系统在复杂地貌平地作业时控制精度低、抗干扰能力差等问题,设计了一种基于混合扩张状态观测器(HESO)的反步滑模控制器。其中,HESO基于输出反馈信号估计系统未知状态和总扰动,并在前馈通道中进行扰动补偿;基于快速趋近律设计的反步滑模控制器输出连续光滑的控制量,增强了系统鲁棒性,克服了系统非线性与参数不确定性问题;通过Lyapunov稳定性理论对所提出的观测器和控制器稳定性进行验证,得到误差一致有界稳定结论;通过AMESim和Matlab/Simulink联合仿真与田间试验对本文控制算法的有效性和优越性进行了验证。在两条地貌情况较为复杂波浪地中单次平地和地貌情况较为相似的两田块进行3次遍历试验表明,使用本文控制方法,平地后高程相较于平地前标高的平均绝对误差、最大绝对误差、绝对误差标准差分别为0.053、0.146、0.037 m和0.02、0.041、0.011 m,较PID算法分别降低36.35%、28.32%、31.37%和62.6%、50%、51.83%。

关键词：农田平地机混合扩张状态观测器反步滑模控制联合仿真

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基于多目标综合评价的苹果水氮综合调控

中国农业科学 2024年第18期57卷 3654-3670页

作者：周罕觅马林爽孙旗立陈佳庚李纪琛苏裕民陈诚吴奇河南科技大学农业装备工程学院沈阳农业大学水利学院

【目的】探寻滴灌水氮综合调控对北方半干旱地区苹果树生长生理、水肥利用效率、产量和果实品质的综合影响，以确定最优水氮调控制度。【方法】试验设置灌水与施肥两个调控因素，灌水设3个调控水平，分别为田间持水量（θ_f）的75%—90%... 详细信息

【目的】探寻滴灌水氮综合调控对北方半干旱地区苹果树生长生理、水肥利用效率、产量和果实品质的综合影响，以确定最优水氮调控制度。【方法】试验设置灌水与施肥两个调控因素，灌水设3个调控水平，分别为田间持水量（θ_f）的75%—90%（W1）、60%—75%（W2）、45%—60%（W3）；施肥设4个调控水平，施用的N-P2O5-K2O分别为：18-12-6 g/株（F1）、15-12-6 g/株（F2）、12-12-6 g/株（F3）、9-12-6 g/株（F4），分析不同水氮处理对苹果树的生长生理、水肥利用效率、干物质量、产量、果实品质等的影响，以节水节肥、高产高品质为目标，建立基于AHP-CRITIC组合赋权与TOPSIS耦合模型。【结果】水肥交互对植株生长量、叶绿素含量（SPAD）、灌溉水利用效率（IWUE）、肥料偏生产力（PFP）、单果重和产量产生了极显著影响，对基茎生长量产生了显著影响。在不同水肥耦合处理下，适度亏缺的灌水和施氮处理更有利于提高苹果树植株生长量、基茎生长量、叶面积、干物质量、产量、水分利用效率（WUE）、水分生产率（WP）、IWUE、FPP和单果重，其最大值均出现在F2W2处理，SPAD、净光合速率和蒸腾速率随灌水量和施氮量的增加呈增加趋势，但轻度亏缺的灌水和施氮处理对生理指标的影响并不大，F1W2和F2W1处理与F1W1相比，分别仅降低了3.5%、3.1%、7.7%和3.5%、3.1%、3.8%。采用AHP-CRITIC组合确定指标组合权重，其中产量的权重最大，为0.406，其次为维生素C；采用TOPSIS算法构建苹果多目标综合评价体系，评选出F2W2处理下的综合评分最高，为0.8974,F1W2和F2W1处理次之，而F4W3处理评分最低，仅为0.0177。由建立的苹果生长水肥耦合交互响应模型可得出，灌水量和施肥量对苹果生长综合评分的效应均为开口向下的抛物线，苹果生长综合评分随灌水量或施肥量的增加表现出了先增后减的趋势，符合报酬递减效应，即灌水量和施氮量超过一定的范围后再继续增加会导致综合评分下降，对苹果综合生长改善不明显；当施肥量编码值X1为0.681、灌水量编码值X2为0.488时，苹果综合评分最高，为0.923，即施肥量为34.56 g/株（N-P2O5-K2O:16.56-12-6 g/株）、灌水量控制在82.32%田间持水量，此灌水施肥处理对苹果生长最为理想。【结论】应用AHP-CRITIC-TOPSIS法构建的综合评价体系，可以有效确定苹果最佳水氮调控制度，为北方半干旱地区苹果园实际生产提供理论与实践依据。

关键词：苹果生长生理滴灌水氮利用效率综合评价模型水氮调控

基于振动信号时域特性的传动系统故障分类与诊断

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机电工程 2024年

作者：张秋昕吕渊简红英袁俊杰张西良江苏大学机械工程学院江苏大学农业工程学院

包装机长期工作在往复变速运动及高粉尘、高水汽浓度环境下，其传动系统中的滚动轴承极易出现腐蚀故障和疲劳故障。针对这一问题，基于振动信号的时域特性，对包装机传动系统的滚动轴承进行了故障诊断研究。首先，以深沟球轴承6002为研... 详细信息

包装机长期工作在往复变速运动及高粉尘、高水汽浓度环境下，其传动系统中的滚动轴承极易出现腐蚀故障和疲劳故障。针对这一问题，基于振动信号的时域特性，对包装机传动系统的滚动轴承进行了故障诊断研究。首先，以深沟球轴承6002为研究对象，对不同封装速度下的振动信号进行了采集，结合包装机传动系统的构造与工作机理，研究了其常见故障特点及类型，并从振动信号中选取了受外部干扰最小的数据段；然后，对选取的数据段进行了幅值变化和功率谱分析，验证了其具有相同的运动特性或运动过程，从而进一步得到了任意数据段间在同一时间节点上的转速都一致，此时这些信号间处于“相对平稳运动状态”；最后，利用偏度、峭度、峰值等时域指标对数据段进行了分析，得到了故障特征区间，将其用以故障诊断。研究结果表明：该状态下数据段间处于“相对稳态运动”，解决了传统变速运动时域信息不可用的问题，提升了时域指标的诊断效率与稳定性，特别是峰值指标诊断准确率达到80%以上。该研究方法满足了工业生产中的实时在线诊断的要求，同时也为其他旋转机械的故障诊断研究提供了参考价值。

关键词：包装机传动系统滚动轴承故障诊断腐蚀故障疲劳故障振动信号动态特性时域指标

基于相位和高光谱的番茄果实多模态融合检测方法

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光子学报 2024年第7期53卷 258-272页

作者：戴海宸韦鑫宇徐一新陈元平徐媛媛季颖江苏大学物理与电子工程学院镇江212013

针对传统高光谱成像技术在农产品品质无损检测中信息表征不全、光谱反射率分布受形貌影响的问题,基于结构光成像原理和深度学习技术,提出一种易操作、速度快的样本三维形貌自动化重建算法及其与光谱分布数据匹配融合的方法,搭建了相应... 详细信息

针对传统高光谱成像技术在农产品品质无损检测中信息表征不全、光谱反射率分布受形貌影响的问题,基于结构光成像原理和深度学习技术,提出一种易操作、速度快的样本三维形貌自动化重建算法及其与光谱分布数据匹配融合的方法,搭建了相应的检测装置。对被测物的三维表面形貌,基于单目相机条纹成像原理,通过语义分割网络模型输出的像素语义信息来映射表面高度信息;对被测物物理形貌信息与生化成分信息的匹配融合,基于标准参考物体的线特征拟合对两异源图像进行配准和评估;利用所搭建的检测装置对番茄果实进行了试验。对直径4~8 cm的样本,所训练的网络模型可在0.75 s内预测出其三维高度分布,直径和最大高度误差均在4%以内;使用边缘提取算法、曲线拟合算法、线特征融合方法实现了三维映射与高光谱图像的实时配准融合。本文研究可为克服单一类型图像评估指标不足提供参考,为农产品无损可视化检测提供更丰富的评价数据。

关键词：高光谱成像形貌重建深度学习图像融合多维信息表征

酚酸类化感物质对根际土壤养分供应能力的影响

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生态与农村环境学报 2024年第10期40卷 1358-1365页

作者：徐香茹董郁付为国江苏大学农业工程学院江苏镇江212013

为探究酚酸类化感物质通过何种途径限制受体植物的养分吸收,以酚酸类物质中的对羟基苯甲酸(p-HA)和肉桂酸(CA)为化感物质,生菜和番茄为化感受体植物,采用盆栽控制实验,分析不同浓度p-HA和CA处理下生菜和番茄叶片中碳(C)、氮(N)、磷(P)... 详细信息

为探究酚酸类化感物质通过何种途径限制受体植物的养分吸收,以酚酸类物质中的对羟基苯甲酸(p-HA)和肉桂酸(CA)为化感物质,生菜和番茄为化感受体植物,采用盆栽控制实验,分析不同浓度p-HA和CA处理下生菜和番茄叶片中碳(C)、氮(N)、磷(P)养分含量及根际土壤中与C、N、P循环有关的土壤酶活性及微生物状况的变化。研究发现,随化感胁迫加剧,受体植物叶片C、N、P养分含量下降,生菜和番茄的根际土壤微生物生物量C、N、P含量和根际土壤中的蔗糖酶、淀粉酶、脲酶、蛋白酶、磷酸酶活性均随酚酸类化感物质浓度的增加呈下降趋势。结果表明,降低受体植物根际土壤微生物生物量C、N、P含量和降低受体植物根际土壤中与C、N、P元素循环有关的酶活性是酚酸类化感物质降低受体植物养分吸收的两条重要途径。

关键词：酚酸化感物质养分供应土壤酶活性

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新型巡检机器人移动底盘设计及越障性能分析

吉林大学学报（工学版） 2024年第2期54卷 356-364页

作者：聂建军侯军凯解晓琳鄢鸿桢中原工学院机电学院郑州450007 河南科技大学农业装备工程学院河南洛阳471003

针对石化行业户外巡检工作设计了一款带有新型H型平衡摇臂机构的路面自适应巡检机器人移动底盘,该底盘采用新型“4h”对称结构实现底盘的四轮驱动和转向操作。在介绍底盘总体结构的基础上,分析了底盘驱动机构和转向机构的设计原理,建立... 详细信息

针对石化行业户外巡检工作设计了一款带有新型H型平衡摇臂机构的路面自适应巡检机器人移动底盘,该底盘采用新型“4h”对称结构实现底盘的四轮驱动和转向操作。在介绍底盘总体结构的基础上,分析了底盘驱动机构和转向机构的设计原理,建立了底盘阿克曼4WS转向和原地转向的理论模型,为机器人底盘运动控制提供了理论依据。对机器人底盘的单侧越障过程进行理论分析和仿真,并与普通一体式底盘越障过程进行仿真对比,研究了越障过程中底盘的行驶稳定性。最后,进行了底盘样机的转向模式实验和单侧越障实验,结果表明:该移动底盘能实现驱动和转向模式的切换,在进行单侧越障时底盘运动姿态平稳,具有良好的路面自适应能力和越障性能。

关键词：车辆工程移动机器人底盘阿克曼转向原地转向越障性能

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高光谱成像的黄瓜病虫害识别和特征波长提取方法

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光谱学与光谱分析 2024年第2期44卷 301-309页

作者：李杨李翠玲王秀范鹏飞李余康翟长远江苏大学农业工程学院江苏镇江212013 北京市农林科学院智能装备技术研究中心北京100097 国家农业智能装备工程技术研究中心北京100097

黄瓜霜霉病和斑潜蝇是制约黄瓜产业发展的严重病虫害。为实现黄瓜病虫害快速在线识别,采用高光谱成像和机器学习研究快速识别黄瓜霜霉病和斑潜蝇虫害的方法,为开发实用的基于多光谱成像的黄瓜病虫害快速识别设备奠定基础。使用高光谱成... 详细信息

黄瓜霜霉病和斑潜蝇是制约黄瓜产业发展的严重病虫害。为实现黄瓜病虫害快速在线识别,采用高光谱成像和机器学习研究快速识别黄瓜霜霉病和斑潜蝇虫害的方法,为开发实用的基于多光谱成像的黄瓜病虫害快速识别设备奠定基础。使用高光谱成像系统采集黄瓜无症状叶片、霜霉病叶片、斑潜蝇虫害叶片的高光谱图像,在病斑区域选择若干个感兴趣区域(ROI),计算每个ROI的平均反射率数据作为叶片原始光谱数据。使用Kennard-Stone算法将光谱数据按照3∶1的比例划分为训练集和测试集。使用直接正交信号校正(DOSC)、多元散射校正(MSC)、移动窗口平均平滑(MA)3种方法对原始光谱数据进行预处理。采用空间迭代收缩法(VISSA)、竞争性自适应重加权算法(CARS)、迭代保留信息变量法(IRIV)、随机蛙跳算法(SFLA)对MA预处理后的光谱数据进行特征波长提取,分别提取出53、20、26、10个特征波长。然后使用连续投影算法(SPA)分别对特征波长光谱数据进行二次降维,最终VISSA-SPA提取的特征波长为455、536、615和726 nm;CARS-SPA提取的特征波长为452、501、548和578 nm;IRIV-SPA提取的特征波长为452、513、543和553 nm;SFLA-SPA提取的特征波长为462、484、500和550 nm。分别对全波段光谱数据、一次降维光谱数据、二次降维光谱数据进行支持向量机(SVM)、Elman神经网络、随机森林(RF)建模,结果表明,MA预处理后的全波段光谱数据所建模型识别效果最好,其中MA-RF模型测试集总分类精度(OA)达到97.89%,Kappa系数为0.97。采用一次降维光谱数据所建模型中,MA-VISSA-RF模型效果最好,测试集OA为98.19%,Kappa系数为0.97。采用二次降维光谱数据所建模型中,MA-IRIV-SPA-SVM模型效果最好,测试集OA为96.23%,Kappa系数为0.95。研究结果表明,使用高光谱成像技术识别黄瓜霜霉病和斑潜蝇虫害具有良好的效果,452、513、543和553 nm可以作为识别黄瓜霜霉病和斑潜蝇虫害的特征波长,为开发黄瓜病虫害快速识别设备提供了理论依据。

关键词：高光谱成像机器学习特征波长霜霉病斑潜蝇虫害

无人机多光谱影像的小麦倒伏信息多特征融合检测研究

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光谱学与光谱分析 2024年第1期44卷 197-206页

作者：朱文静冯展康戴世元张平平嵇文王爱臣魏新华江苏大学农业工程学院江苏镇江212013 江苏大学现代农业装备与技术教育部重点实验室江苏镇江212013 江苏省农业科学院粮食作物研究所江苏南京210014 江苏省洪泽湖农场集团有限公司农业科技研究所江苏宿迁223900

为探究多特征融合方法在作物倒伏领域快速精准识别中的适用性,利用无人机获取多田块冠层尺度的不同倒伏率麦田多光谱数据,对原始倒伏图像进行图像拼接、辐射校正、几何校正等预处理,并利用重归一化差值植被指数和阴影指数分别剔除土壤... 详细信息

为探究多特征融合方法在作物倒伏领域快速精准识别中的适用性,利用无人机获取多田块冠层尺度的不同倒伏率麦田多光谱数据,对原始倒伏图像进行图像拼接、辐射校正、几何校正等预处理,并利用重归一化差值植被指数和阴影指数分别剔除土壤和阴影背景,提取小麦倒伏DSM模型和植被指数分别与多光谱图像进行多特征图像主成分变换融合,筛选差异性较大的纹理特征,采用支持向量机(SVM)、人工神经网络(ANN)和最大似然法(MLC)监督分类模型对多光谱和DSM融合图像、多光谱和归一化植被指数(NDVI)融合图像、多光谱图像和纹理特征图像进行监督分类,并采用总体精度(OA)、 Kappa系数和提取误差综合评价各监督模型的分类性能和倒伏提取精度。分类结果表明:各监督分类方法在不同倒伏区域提取结果建模效果趋势一致,SVM和ANN整体提取精度高于MLC,在高倒伏区域,多光谱与NDVI融合图像的SVM监督模型(OA:92.63%, Kappa系数:0.85,提取误差:1.11%)提取效果最好;在中倒伏区域,多光谱与DSM融合图像的SVM监督模型(OA:90.35%, Kappa系数:0.79,提取误差:9.34%)提取效果最好;在低倒伏区域,均值纹理特征图像的ANN监督模型(OA:91.05%, Kappa系数:0.82,提取误差:8.20%)提取结果较好。本研究将DSM模型、植被指数、纹理特征与多光谱图像进行融合对比,并对多特征融合方法能否高精度有效提取小麦倒伏信息进行了探究,结果表明无人机多光谱遥感结合特征融合技术能有效提取小麦倒伏面积,提取效果优于单特征小麦倒伏图像。本研究结果可为助力小麦倒伏灾情调查数据的精确获取方法提供参考。

关键词：无人机遥感图像处理多光谱特征融合倒伏小麦

基于TLBO-LIBSVM的联合收割机振动筛螺栓故障诊断

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农机化研究 2024年

作者：李鹏程顾新阳梁亚权章浩唐忠江苏大学农业工程学院

联合收割机振动筛工作时的瞬时冲击与交变载荷易导致振动筛螺栓结构发生失效。为解决联合收割机振动筛螺栓故障诊断问题,提出了一种基于多元特征融合TLBO-LIBSVM的振动筛螺栓失效故障诊断方法,通过提取特征矩阵,分别将时域特征、频域特... 详细信息

联合收割机振动筛工作时的瞬时冲击与交变载荷易导致振动筛螺栓结构发生失效。为解决联合收割机振动筛螺栓故障诊断问题,提出了一种基于多元特征融合TLBO-LIBSVM的振动筛螺栓失效故障诊断方法,通过提取特征矩阵,分别将时域特征、频域特征、WOA-VMD能量熵特征组合归一化得到多元融合高维特征矩阵,导入经验参数LIBSVM模型,得到的成功率分别为64.44%、74.44%、81.11%、90%。结果表明:随着特征矩阵维数不断增加,失效特征信息不断完善,识别成功率不断提升,也验证了联合收割机振动筛螺栓频域特征敏感性高于时域特征。通过运用TLBO算法对LIBSVM模型超参数进行优化,得到最佳参数组合下的识别成功率为98.89%,完成了联合收割机振动筛螺栓失效故障的高精度识别,可为联合收割机振动筛螺栓故障的精确诊断提供参考。

关键词：振动筛螺栓变分模态分解鲸鱼优化算法支持向量机模型教与学优化算法故障诊断