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手持摇枝式酸枣振动采摘装置设计与试验

农业机械学报 2024年第9期55卷 194-204+215页

作者：刘洪杰李峻藤杨欣李建平王鹏飞河北农业大学机电工程学院河北省智慧农业装备技术创新中心

针对酸枣收获过程中人工采收效率低、大型机械采收困难等问题，设计了手持摇枝式酸枣振动采摘装置。通过建立酸枣“果实-枝条”单摆动力学模型，分析受迫振动下果实脱落条件，求解动力学模型，确定影响酸枣采摘效果的主要影响因素为振... 详细信息

针对酸枣收获过程中人工采收效率低、大型机械采收困难等问题，设计了手持摇枝式酸枣振动采摘装置。通过建立酸枣“果实-枝条”单摆动力学模型，分析受迫振动下果实脱落条件，求解动力学模型，确定影响酸枣采摘效果的主要影响因素为振动频率、振幅、夹持位置；利用ANSYS仿真软件对酸枣植株模型进行自由模态响应与谐响应分析，结果表明：当振动频率为4～12 Hz、振幅为10～20 mm、夹持位置为0.3～0.7时，主枝、挂果枝位移明显且对树体损伤较小。为确定采摘装置最佳工作参数，以酸枣摘净率为评价指标，进行三因素三水平振动采摘试验，得到酸枣摘净率和各影响因素的数学回归模型，利用Design-Expert软件对试验数据和响应曲面进行分析优化，确定最佳工作参数组合为：振动频率5.91 Hz、振幅15.30 mm、夹持位置0.45,此时酸枣摘净率为93.33%,验证试验表明，酸枣摘净率为94.18%,与优化值接近，模型优化可靠。

关键词：酸枣振动采摘手持摇枝式参数优化

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电动自走式玉米-花生带状复合种植模式施药机设计与试验

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农业机械学报 2024年第9期55卷 216-225+274页

作者：郝建军艾庆贺袁大超李兆玮杨淑华赵建国河北农业大学机电工程学院河北省智慧农业装备技术创新中心

针对玉米-花生带状复合种植模式施药农艺要求，设计了一款基于STM32单片机控制系统的电动自走式玉米-花生带状复合种植模式施药机。对施药机的驱动电机、转向机构、喷杆及防飘装置、施药管路等关键部件进行了选型与设计；采用流量传感... 详细信息

针对玉米-花生带状复合种植模式施药农艺要求，设计了一款基于STM32单片机控制系统的电动自走式玉米-花生带状复合种植模式施药机。对施药机的驱动电机、转向机构、喷杆及防飘装置、施药管路等关键部件进行了选型与设计；采用流量传感器和速度传感器实时采集管路药液流量和底盘行驶速度，通过增量式PID算法实时调节比例控制阀开度，实现了变量施药控制；开发了基于Android手机的APP控制软件，实现了对施药机的远程控制。流量控制精度试验表明，调控后单个喷头目标流量与实际流量的相对误差η≤4.0%;变量施药试验表明，施药系统平均超调量为2.7%,施药量与理论值相差2.1%;雾滴沉积试验表明，雾滴沉积个数极差为4个/cm2,单位面积最低沉积量为35个/cm2,符合国家标准。

关键词：玉米-花生带状复合种植模式电动自走式施药机变量施药 APP控制

来源：博看期刊

基于HER-TD3算法的青皮核桃采摘机械臂路径规划

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农业机械学报 2024年第4期55卷 113-123页

作者：杨淑华谢晓波邴振凯郝建军张秀花袁大超河北农业大学机电工程学院保定071001 河北省智慧农业装备技术创新中心保定071001

针对青皮核桃和树枝等障碍物无序生长导致机械臂采摘环境复杂、训练任务量大、稳定性差等普遍存在的问题,本文设计了一种同步带模组与机械臂协作的采摘装置,并采用基于事后经验回放的双延迟深度确定性策略梯度算法(Twin delayed deep de... 详细信息

针对青皮核桃和树枝等障碍物无序生长导致机械臂采摘环境复杂、训练任务量大、稳定性差等普遍存在的问题,本文设计了一种同步带模组与机械臂协作的采摘装置,并采用基于事后经验回放的双延迟深度确定性策略梯度算法(Twin delayed deep deterministic policy gradient with hindsight experience replay,HER-TD3)对采摘机械臂进行路径规划,通过HER算法提高智能体的探索能力,缓解稀疏奖励的问题;通过TD3算法提高智能体的稳定性,减少了训练中出现的震荡现象。为了证明HER-TD3算法的可行性和泛化能力,引入TD3、HER-DDPG算法进行对比,采用降维训练方法对3种深度强化学习智能体进行训练,结果表明HER-TD3算法模型在完成路径规划任务中成功率达到98%,与HER-DDPG算法相比提高4个百分点,与TD3算法相比提高19个百分点;在CoppeliaSim软件中搭建三维模型仿真环境,设计初始姿态和碰撞检测,使用YOLO v4识别青皮核桃,通过该算法模型能够引导虚拟采摘机械臂避开树枝障碍物达到目标位置,完成无碰撞路径规划,无障碍物和有障碍物时路径规划成功率分别为91%和86%;利用物理样机进行青皮核桃采摘试验时,仍能较好地完成路径规划任务,无障碍物时采摘路径规划成功率为86.7%,平均运动时间为12.8 s,有障碍物时采摘路径规划成功率为80.0%,平均运动时间为13.6 s,验证了HER-TD3算法对复杂环境具有较好的适应性和稳定性。

关键词：青皮核桃采摘机器人机械臂 HER-TD3算法路径规划

苹果园内无人割草机多机协同作业路径优化算法

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华南农业大学学报 2024年第4期45卷 578-587页

作者：谢金燕刘丽星杨欣王潇洒王旭刘树腾河北农业大学机电工程学院河北保定071000 河北省智慧农业装备技术创新中心河北保定071000

[目的]提高新型苹果园内多台无人割草机协同作业时的工作效率。[方法]提出一种改进的遗传算法(Improved genetic algorithm, IGA),为每台割草机分配并优化作业路径。根据实际无人割草机作业情况,以总转弯时间和作业时长为综合优化目标,... 详细信息

[目的]提高新型苹果园内多台无人割草机协同作业时的工作效率。[方法]提出一种改进的遗传算法(Improved genetic algorithm, IGA),为每台割草机分配并优化作业路径。根据实际无人割草机作业情况,以总转弯时间和作业时长为综合优化目标,构建无人割草机多机作业路径优化模型。通过设定任务阈值,引入改良圈策略和Metropolis准则改进遗传算法(Genetic algorithm, GA)以求解模型。[结果]仿真试验结果表明,IGA为每台割草机分配的任务量均衡,与GA相比,IGA优化后的矩形果园路径平均总转弯时间和作业时长分别减少22.89%和19.36%;与分区作业相比,IGA优化后的矩形果园路径平均总转弯时间和作业时长分别减少45.53%和10.68%。在梯形果园中,IGA不受果树分布影响,与GA和分区作业相比,平均总转弯时间分别减少14.38%和34.08%,平均作业时长分别减少23.71%和10.07%。[结论]所提出的IGA性能更好,能有效优化机群的作业路径,缩短作业时长,提高作业能力。

关键词：路径优化无人割草机协同作业遗传算法苹果园

面向松木表面缺陷检测的改进RT-DETR模型

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农业工程学报 2024年第7期40卷 210-218页

作者：胡继文张国梁沈明哲李文浩河北农业大学机电工程学院保定071001 河北农业大学林学院保定071000 河北农业大学智慧木匠创新工作室保定071000 河北省智慧农业装备技术创新中心保定071001

为提高松木表面缺陷检测精确度,保证检测速率,该研究提出一种改进RT-DETR的检测模型RIC-DETR。首先,从木材表面缺陷公开数据集中获取图片,并进行标注及数据增强,构建一个包含13642张图片的表面缺陷数据集;其次,对比VGG11、VGG13、ResNe... 详细信息

为提高松木表面缺陷检测精确度,保证检测速率,该研究提出一种改进RT-DETR的检测模型RIC-DETR。首先,从木材表面缺陷公开数据集中获取图片,并进行标注及数据增强,构建一个包含13642张图片的表面缺陷数据集;其次,对比VGG11、VGG13、ResNet18和VanillaNet13等网络架构,选用计算复杂度低且检测精度较高的ResNet18作为主干特征提取基准网络;然后,引入反向残差移动模块更新ResNet18中的基本块,扩展模型的感受野,改善层间的特征交互;最后,使用EfficientViT模型中的级联分组注意力机制对反向残差移动模块进行二次创新改进,降低计算资源的消耗,提升模型的表达能力。试验结果表明,RIC-DETR的精确率、召回率、平均精度均值分别为95.4%、96.0%、97.2%,均优于目前主流的YOLO系列模型,对比基准模型RT-DETR,RIC-DETR在保持高精度的情况下,参数量、浮点运算量和内存占用量大幅减少,分别降低了54%、57%、52%,同时检测速度可达63.5帧/s。RIC-DETR模型具有复杂度低、准确率高、检测速度快的特点,可为松木的表面缺陷检测提供技术支持。

关键词：木材模型松木表面缺陷检测 RT-DETR RIC-DETR YOLO

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木质重组材单板卷曲辊压成型平台设计与试验

农业工程学报 2024年第11期40卷 271-281页

作者：张国梁沈明哲胡继文邢义虎李文浩河北农业大学机电工程学院保定071001 河北农业大学林学院保定071000 河北省智慧农业装备技术创新中心保定071001 河北农业大学智慧木匠创新工作室保定071000

低品质木制单板制备重组材是其高值化利用的重要途径,研发连续式重组材成型技术有利于提高其生产效率,对促进木材可持续发展和经济社会绿色发展具有重要意义。该研究设计一种木制重组材单板卷曲辊压成型平台,并以木质管道制备为例对工... 详细信息

低品质木制单板制备重组材是其高值化利用的重要途径,研发连续式重组材成型技术有利于提高其生产效率,对促进木材可持续发展和经济社会绿色发展具有重要意义。该研究设计一种木制重组材单板卷曲辊压成型平台,并以木质管道制备为例对工艺参数进行优化试验研究以测试平台工作性能。设计单板卷曲辊压成型平台的整机机械结构并描述其工作原理,对辊压机构、卷木轴刹车防滑机构、施胶压紧装置等关键部件进行详细设计和理论计算。对物理样机进行性能试验,以芯轴转速、单板厚度、施加压力为试验因素,木质管道的环刚度和轴向压缩强度为试验指标,运用Box-Benhnken试验方法,建立因素与试验指标的回归方程,优化参数组合为芯轴转速16 r/min,单板厚度2.15 mm,施加压力293 N。此时预测木质管道的环刚度为26 016.6 N/m^(2),轴向压缩强度为23.11 MPa验证环刚度与预测值误差为1.07%,轴向压缩强度误差为4.46%。进一步使用优化参数对内径为5.08、7.62、12.70 cm的木质管道进行试验,得到环刚度分别为43 812、32 655、17 532 N/m^(2),轴向压缩强度为25.83、24.71、20.17 MPa。该研究成果可为木质重组材卷曲辊压成型技术及装备的工业化应用提供参考。

关键词：单板辊压成型木质管道响应面试验

基于改进算法融合与切换的采摘机械臂路径动态规划

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农业机械学报 2024年

作者：李娜高笑杨磊姜海勇张立杰陈广毅河北农业大学机电工程学院河北省智慧农业装备技术创新中心

针对苹果采摘任务中因自然环境复杂造成的机械臂路径规划时间长、效率低、成功率差等问题，提出一种改进的融合切换路径动态规划算法。该算法以RRT算法为基础，引入动态阈值的目标偏置采样策略与人工势场法，通过引力场与斥力场改变新... 详细信息

针对苹果采摘任务中因自然环境复杂造成的机械臂路径规划时间长、效率低、成功率差等问题，提出一种改进的融合切换路径动态规划算法。该算法以RRT算法为基础，引入动态阈值的目标偏置采样策略与人工势场法，通过引力场与斥力场改变新节点的生成位置，增加采样的目的性并提高收敛速度；在斥力势场系数中引入相对距离，通过与目标点之间的距离来克服目标不可达的问题；为增强算法的鲁棒性，设定阈值划分区域空间，根据当前节点所在位置动态切换至FGA-RRT(Failure-guided adaptive sampling region RRT algorithm)算法搜索，解决狭窄通道的问题，提高规划成功率；基于贪心算法对所得路径树进行优化处理，去除冗余节点，进一步缩短路径长度并优化路径平滑度，保证采摘机械臂运动的平稳性。分别对RRT算法、RRT*算法、GB-RRT算法、普通融合算法和改进的融合切换算法，在简单障碍、狭窄通道、复杂障碍以及简单三维空间中等不同环境进行仿真分析，结果表明：改进的融合切换算法在不同环境中都具有良好的适应性，规划效率高，迭代次数少，路径质量高。基于林间苹果园生长环境，搭建6自由度机械臂仿真实验室环境，进行避障采摘路径规划试验，改进的融合切换算法采摘效率比RRT算法提升74.74%，路径长度减少32.03%，采摘成功率提高8%。试验结果表明本文算法在多变的苹果采摘场景中有更强的搜索能力，为提高采摘机械臂作业效率提供了参考。

关键词：采摘机械臂路径规划改进RRT算法改进人工势场法算法融合与切换

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管道输送装置苹果下落过程分析与仿真

中国农业大学学报 2024年第4期29卷 152-163页

作者：张阔刘洪杰李建平刘树腾李绍波徐硕河北农业大学机电工程学院河北保定071001 河北省智慧农业装备技术创新中心河北保定071001

针对苹果采后管道输送过程中果实碰撞损伤较大的问题,对苹果在输送管道内下落的运动规律及管道输送装置最优参数组合进行研究。应用Ansys Workbench LS-DYNA软件进行苹果下落动力学仿真分析,并建立苹果在输送管道内下落的动力学模型,理... 详细信息

针对苹果采后管道输送过程中果实碰撞损伤较大的问题,对苹果在输送管道内下落的运动规律及管道输送装置最优参数组合进行研究。应用Ansys Workbench LS-DYNA软件进行苹果下落动力学仿真分析,并建立苹果在输送管道内下落的动力学模型,理论分析与仿真模拟相结合探究苹果在管道内的运动规律;以输送管道曲率半径、苹果果径和缓冲材料类型为因素,以苹果与果筐碰撞时的等效应力为试验指标,进行单因素仿真试验和3因素3水平正交试验,获得管道输送装置最优参数组合;应用对标试验对苹果输送过程仿真结果的可靠性进行验证。单因素试验结果表明:随着输送管道曲率半径的增大,苹果与果筐碰撞位置越靠近筐底,苹果与果筐碰撞时的等效应力逐渐增大;随着苹果果径的增大,苹果与果筐碰撞时的等效应力逐渐增大;缓冲材料对缓冲效果的影响顺序为,珍珠棉>EVA泡棉>保温保湿带>气泡膜>瓦楞纸衬垫。正交试验结果表明:3个因素对响应值影响均显著,显著程度由大到小为输送管道曲率半径>缓冲材料类型>苹果果径。当苹果果径为75 mm时管道输送装置最优参数组合为输送管道曲率半径200 cm、缓冲材料为珍珠棉,苹果与果筐撞击时的等效应力最小为26.48 kPa,管道输送装置对苹果保护作用最好。建立的苹果管道下落模型能准确模拟苹果下落的真实过程,可为设计与优化苹果管道输送装置提供依据。

关键词：苹果管道输送动力学仿真等效应力

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基于玉米播种的无人驾驶电动拖拉机设计试验

农机化研究 2024年

作者：李珊珊吴正开王家忠孔德刚袁永伟刘江涛王泽河河北农业大学机电工程学院河北省智慧农业装备技术创新中心

针对传统拖拉机进行玉米播种时作业直线度差、播种过程中动力传递不平稳的问题,设计了一台特征滑移率下牵引力超过10 kN的无人驾驶电动拖拉机。首先,根据玉米播种农艺和播种作业要求,设计无人驾驶电动拖拉机播种机组整机架构、拖拉机的... 详细信息

针对传统拖拉机进行玉米播种时作业直线度差、播种过程中动力传递不平稳的问题,设计了一台特征滑移率下牵引力超过10 kN的无人驾驶电动拖拉机。首先,根据玉米播种农艺和播种作业要求,设计无人驾驶电动拖拉机播种机组整机架构、拖拉机的软件和能量传递架构;然后,分析无人驾驶电动拖拉机常见作业工况下的动力需求,根据开沟阻力计算关键部件功率需求,得到整机参数;最后,进行行走、播种工况试验测试,验证车辆性能。试验结果表明:在行走工况中,特征滑移率下的牵引动力为10 417 N,满足设计要求;电压、电流稳定输出,横向偏差在5 cm之内,满足作业要求。在播种工况下,特征滑移率下牵引动力为11 491 N,播种出苗后,苗直线度偏差在5 cm之内,满足农艺要求。标准工况下,动力电池单体在不同温度下稳定放电,电池以1 C放电时,容量在5～100 A·h之间能稳定运行,符合农业作业标准。

关键词：无人驾驶电动拖拉机玉米播种行走工况播种工况