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复杂地形下仿生轮腿式机器人位姿控制研究

农业机械学报 2024年第6期55卷 380-391,403页

作者：张庆潘烤鑫王振宇黄韶炯尤泳王德成中国农业大学工学院北京100083 中国农业大学草业机械装备研究中心北京100083

丘陵山地地势复杂、地形多变,农机装备作业环境以倾斜角度较大的斜坡为主,传统农机装备在丘陵山区复杂地形下作业时效率低、稳定性差,甚至会出现侧倾、翻车等现象。本文从仿生机械设计角度出发,提出一种在丘陵山地复杂地形下能够自主实... 详细信息

丘陵山地地势复杂、地形多变,农机装备作业环境以倾斜角度较大的斜坡为主,传统农机装备在丘陵山区复杂地形下作业时效率低、稳定性差,甚至会出现侧倾、翻车等现象。本文从仿生机械设计角度出发,提出一种在丘陵山地复杂地形下能够自主实现位姿调平控制的轮腿式机器人平台,提升复杂地形下的作业稳定性和安全性。以昆虫后足为仿生机械设计对象,并结合多连杆机构原理,完成新型变行程轮腿机构及机器人平台的整体架构设计。采用D-H参数法分析了轮腿机构运动学特性,结果显示轮腿式机器人离地间隙最大调整量为574mm,具备较强的越障能力。在空间坐标系上定义轮腿式机器人空间姿态参数,推导得到机身姿态角与轮腿伸缩量之间的空间姿态模型,并设计了基于NSGA-Ⅱ的机身空间姿态逆解算法。基于空间姿态逆解算法构建了轮腿式机器人全向位姿调平位姿控制系统,包含机身调平控制器、“虚腿”补偿控制器和质心高度控制器,在复杂地形下行驶时能够控制轮腿式机器人俯仰角、侧倾角、接地力、质心高度等空间姿态参数,然后通过搭建的轮腿式机器人ADAMS-Matlab联合仿真模型完成了位姿控制系统算法仿真验证。在机器人样机上开展了离地间隙自动调整和机身全向位姿调平试验,试验结果表明,试验样机离地间隙最大调整量为574mm,同时在复杂地形下能够实现机身位姿全向自动调平,调平平均时间约为1.2s,调平平均误差为0.8°,位姿控制响应速度与调平精度能够满足实际工作要求。

关键词：轮腿式机器人复杂地形仿生位姿控制样机试验

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一个预测紫叶生菜花青素含量的高光谱深度学习模型

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光谱学与光谱分析 2024年第3期44卷 865-871页

作者：张美玲陈勇杰王敏娟李民赞郑立华 “智慧农业系统集成研究”教育部重点实验室中国农业大学北京100083

紫叶生菜叶片内富含花青素、胡萝卜素、维生素、矿物质等元素,其中花青素作为叶片组织中的主要色素对植物提供多种修复及保护功能,其含量可反应紫叶生菜的生理状态,因此其高精度预测具有现实意义。为了高效、准确地估算紫叶生菜的花青... 详细信息

紫叶生菜叶片内富含花青素、胡萝卜素、维生素、矿物质等元素,其中花青素作为叶片组织中的主要色素对植物提供多种修复及保护功能,其含量可反应紫叶生菜的生理状态,因此其高精度预测具有现实意义。为了高效、准确地估算紫叶生菜的花青素含量,采集了紫叶生菜的高光谱数据并开展了高精度建模研究。对原始平均反射光谱数据进行了一阶导数(FD)、二阶导数(SD)、标准正态变换(SNV)、S-G滤波和多元散射校正(MSC)五种预处理操作,基于不同预处理光谱建立紫叶生菜花青素含量的偏最小二乘回归(PLSR)模型并进行性能对比,确定MSC为理想的光谱预处理方法。针对原始光谱及经MSC预处理的光谱,使用竞争自适应重加权采样(CARS)算法分别选择特征波段,基于全波段(原始光谱、经MSC预处理光谱)和特征波段(基于原始光谱的特征波段、基于MSC预处理光谱的特征波段)分别构建PLSR模型,表现最佳的MSC-CARS-PLSR在验证集上的决定系数(R2)和均方根误差(RMSE)分别为0.872和0.070 mg·L^(-1),剩余预测偏差(RPD)为2.862。为进一步提高预测精度,本文提出一种融合深度卷积特征和极限学习机(ELM)的回归分析框架Ensemble,基于改进的Inception模块设计了与输入光谱信号匹配的一维卷积神经网络(1DCNN)作为特征提取器,采用ELM代替全连接层作为高级回归器对提取的特征进行计算。通过对比分析,Ensemble性能优于单独的1DCNN模型、ELM模型以及基于预处理光谱构建的最佳PLSR模型,其在验证集上的R2和RMSE分别为0.905和0.060 mg·L^(-1),RPD为3.319,表现出较高预测精度以及极佳的稳定性。进一步分析了预处理操作对Ensemble预测精度的影响,实验结果显示Ensemble对于预处理操作的依赖程度远小于PLSR,表明该模型同时继承了1DCNN的深度特征表示和ELM的高泛化性,能够实现基于原始光谱进行端到端的高精度花青素含量预测,为及时、准确掌握紫叶生菜长势情况提供了理论支撑。

关键词：紫叶生菜花青素高光谱偏最小二乘回归深度学习

基于改进遗传算法的湿式离合器压力自适应控制

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吉林大学学报（工学版） 2024年第3期54卷 852-864页

作者：张延安杜岳峰孟青峰栗晓宇刘磊朱忠祥中国农业大学工学院北京100083

以提升拖拉机动力换挡变速箱(PST)湿式离合器压力控制准确性为目标,提出了一种基于改进遗传算法的湿式离合器压力无模型自适应控制方法。首先,分析并建立了湿式离合器液压系统数学模型,基于偏格式动态线性化的无模型自适应控制(PFDL-MF... 详细信息

以提升拖拉机动力换挡变速箱(PST)湿式离合器压力控制准确性为目标,提出了一种基于改进遗传算法的湿式离合器压力无模型自适应控制方法。首先,分析并建立了湿式离合器液压系统数学模型,基于偏格式动态线性化的无模型自适应控制(PFDL-MFAC)算法构建了离合器压力控制器。然后,引入变比例精英保留策略、K-均值聚类算法和灾变策略改进遗传算法,提出了基于灵敏度分析和改进遗传算法的PFDL-MFAC控制器参数整定方法。最后,开展了基于拖拉机自动变速箱控制单元(TCU)硬件在环试验平台的离合器压力控制试验。结果表明:改进遗传算法的收敛速度和优化精度更好;与PID控制相比,PFDL-MFAC的离合器压力响应速度更快、鲁棒性更好,满足拖拉机湿式离合器压力控制要求;同时,基于本文算法的变速箱换挡品质更优,研究成果可为动力换挡拖拉机换挡品质的提升提供基础。

关键词：农业工程拖拉机湿式离合器无模型自适应控制遗传算法

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基于3D激光雷达的鸡舍通道中心线检测方法

农业工程学报 2024年第9期40卷 173-181页

作者：韩雨晓李帅王宁安娅军张漫李寒中国农业大学智慧农业系统集成研究教育部重点实验室北京100083 中国农业大学农业农村部农业信息获取技术重点实验室北京100083

针对笼养鸡舍环境下光照强度弱、作业通道内狭小导致机器人巡检时通道中心线检测困难的问题,该研究利用3D激光雷达对鸡舍通道中心线进行获取。首先通过机器人搭载的3D激光雷达对鸡舍作业通道信息进行采集,利用直通滤波、地面点滤波、体... 详细信息

针对笼养鸡舍环境下光照强度弱、作业通道内狭小导致机器人巡检时通道中心线检测困难的问题,该研究利用3D激光雷达对鸡舍通道中心线进行获取。首先通过机器人搭载的3D激光雷达对鸡舍作业通道信息进行采集,利用直通滤波、地面点滤波、体素滤波、统计滤波和平面投影对获取的3D激光雷达点云数据进行预处理,获取XOY平面上的点云数据。通过改变K-means聚类初始点选择方式和聚类函数对预处理后的点云数据进行数据分类。利用改进RANSAC算法对分类后的数据进行处理,提取通道中心线。试验结果表明该研究提出的改进K-means聚类算法平均耗时6.98 ms,相较于传统的K-means聚类算法平均耗时减少了29.40 ms,准确率提高了82.41%。该研究提出的改进RANSAC算法中心线提取准确率为93.66%、平均误差角为0.89°、平均耗时为3.97 ms,比LSM算法得到的平均绝对误差角高0.14°,平均耗时减少6.15 ms。表明该研究提出的鸡舍通道中心线检测方法基本满足笼养鸡舍环境实时自主导航的需求,为巡检机器人在鸡舍作业通道内进行激光雷达导航提供了技术支撑。

关键词：导航机器人激光雷达鸡舍 K-means聚类随机抽样一致性算法中心线拟合

植物根系特征与根区土壤水分高通量监测管道机器人研制

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农业工程学报 2024年第6期40卷 192-202页

作者：颜小飞王韵博宋晓波向梓薇杜太生程强北京林业大学工学院北京100083 中国农业大学信息与电气工程学院北京100083 中国农业大学中国农业水问题研究中心北京100083

研究水分胁迫下的根系特征对于节水农业的发展具有重大意义。针对现有根系观测与土壤水分监测方法难以满足野外条件下根系和根区水分的同步、原位、高通量监测的不足,该研究研制了一种基于STM32芯片的管道机器人系统。系统由管道机器人... 详细信息

研究水分胁迫下的根系特征对于节水农业的发展具有重大意义。针对现有根系观测与土壤水分监测方法难以满足野外条件下根系和根区水分的同步、原位、高通量监测的不足,该研究研制了一种基于STM32芯片的管道机器人系统。系统由管道机器人、数据基站与PVC透明管道组成,通过在土壤中埋设管道机器人系统,控制机器人搭载的微距相机与土壤水分传感器在巡航时拍摄根系图像,并获取土壤水分数据。由根系图像识别分割与提取程序对图像进行畸变校正与根系识别,获取管道方向上植株的根系面积、长度与密度等特征参数。实验室条件下进行相机拍摄效果、图像畸变校正、识别与分割误差及里程轮测距误差测试,以及土壤水分传感器标定试验。测试结果表明:1)管道机器人能够清晰地拍摄到根系图像,图像畸变校正效果较好,单个像素点长度和面积分别为44μm和0.002 mm^(2),单张根系图像的拍摄范围为14.17 mm×10.60 mm;2)土壤水分传感器输出电压与土壤体积含水率之间呈现良好线性关系,决定系数R^(2)为0.990;3)自主巡航定位准确度较高,平均相对误差为1.47%。在田间条件下进行的根系生长动态监测、根系信息提取、土壤水分监测与电池续航试验表明:1)管道机器人系统能够在田间环境下高通量地拍摄根系图像,监测根系的生长动态,并进一步提取出根系长度、面积、根面积密度等特征参数;2)根区土壤水分监测较为准确,测量结果与烘干法结果平均相对误差为2.23%;3)在系统初始满电量状态下,管道机器人系统独立运行时长不少于7 d,最大巡航监测距离约为48 m。本文研制的管道机器人系统可在田间条件下实现根系特征以及根区土壤水分的原位、高通量测量,为节水灌溉与根系生长研究提供技术支持。

关键词：机器人土壤水分图像识别根系特征高通量

日光温室作物冠层夏季光照强度与空气温湿度时空变化规律研究

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农业机械学报 2024年第5期55卷 368-378页

作者：吕欢欢牛源艺韩雨晓李顺达张漫李寒中国农业大学智慧农业系统集成研究教育部重点实验室北京100083

针对温室内不同时间、位置的环境参数存在变异性,且随天气与季节变化,日光温室冠层光照强度、空气温度和空气相对湿度的分布差异性问题,构建了基于无线传感器网络的环境监测系统。环境感知节点部署在作物冠层位置,集成了光照强度、空气... 详细信息

针对温室内不同时间、位置的环境参数存在变异性,且随天气与季节变化,日光温室冠层光照强度、空气温度和空气相对湿度的分布差异性问题,构建了基于无线传感器网络的环境监测系统。环境感知节点部署在作物冠层位置,集成了光照强度、空气温湿度等传感器。首先,基于实时采集的温室环境数据,采用反距离加权算法进行插值分析,得到环境参数的离散曲面;其次,通过基于质心坐标的K-means聚类算法,得到了温室内连通及非连通区域的代表性特征点;最后,采用半变异函数与变异系数方法对温室环境的空间变异性与时间变异性进行分析。实验结果表明,夏季日光温室在下午表现为高温与高光照,08:00、16:00的光照强度分别为12:00的24.2%、72.9%,08:00的空气温度(27.7℃)较12:00、16:00低约6.0℃,对应的空气湿度(90%)高约30%。晴天最大光照强度分别为阴天、雨天的1.4倍和4.6倍,晴天、阴天最高空气温度高于雨天(29.5℃)约6℃,最小空气相对湿度远低于雨天(84%)。夏季日光温室晴天与阴天表现为高温和低湿,雨天表现为高湿和低光照。各环境参数中,光照强度的空间变异性最强,变程为10.34 m。空气温湿度的空间变异性较弱,整体分布均匀。光照强度、空气温度和空气相对湿度的时间变异性均为中等变异程度。环境参数的特征点及时空变化规律有助于日光温室传感器的高效部署,为揭示作物与环境的交互作用提供了基础。

关键词：日光温室光照强度空气温湿度时空变化 K-means 无线传感器网络

基于三参数威布尔分布的锆合金疲劳寿命高准确度预测模型构建方法

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重庆大学学报 2024年

作者：胡述伟祁童百惠郭姗邱玺尹泓卜兰峋高士鑫辛勇中国核动力研究设计院核反应堆技术全国重点实验室中航(成都)无人机系统股份有限公司

反应堆运行时，锆合金包壳会承载一定循环载荷，在设计过程中必须要考虑包壳材料的疲劳性能，防止疲劳失效。为了更准确地拟合和预测锆合金的疲劳性能，以2种不同热处理状态锆合金疲劳试验数据为数据基础，采用概率权重矩方法得到三参... 详细信息

反应堆运行时，锆合金包壳会承载一定循环载荷，在设计过程中必须要考虑包壳材料的疲劳性能，防止疲劳失效。为了更准确地拟合和预测锆合金的疲劳性能，以2种不同热处理状态锆合金疲劳试验数据为数据基础，采用概率权重矩方法得到三参数威布尔分布模型拟合得到可靠度-应力-寿命（R-S-N）曲线，并与基于传统Basquin模型的R-S-N曲线拟合结果进行对比验证，发现基于三参数威布尔分布的R-S-N曲线具备更高的拟合准确度，显著优于传统方法拟合结果，对锆合金疲劳性能分析与预测具有良好的适用性。

关键词：锆合金 S-N曲线威布尔分布疲劳性能寿命评估

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乡村全面振兴视域下乡村文化的独特价值

人民论坛 2024年第6期 100-103页

作者：左停中国农业大学人文与发展学院中国农业大学国家乡村振兴研究院

乡村文化是一个整合了居民生产生活、自然景物景观和社会历史记忆的有机文化系统。乡村文化具有满足精神文化需求的效用性和价值性,如何开发其效用和价值是乡村文化振兴的重要议题。推动乡村文化价值实现需要政府、市场和社会多方主体... 详细信息

乡村文化是一个整合了居民生产生活、自然景物景观和社会历史记忆的有机文化系统。乡村文化具有满足精神文化需求的效用性和价值性,如何开发其效用和价值是乡村文化振兴的重要议题。推动乡村文化价值实现需要政府、市场和社会多方主体共同加深对乡村文化的理解认知,协同开发多样的乡村文化产品,助推乡村文化产业发展,并在更加宏观的层面谋划乡村公共文化事业建设,通过城乡融合不断提升乡村文化价值开发的深度和广度,为乡村文化价值实现拓展更多路径。

关键词：乡村全面振兴乡村文化文化建设

气候变化对农户农地流转行为的影响--来自全国农村固定观察点的证据

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中国农村经济 2024年第5期 40-61页

作者：刘东陈景帅冯晓龙赵启然司伟中国农业大学经济管理学院中国农业大学全球食物经济与政策研究院

气候变化深刻影响着农户的生产要素配置行为,然而,尚未有研究提供气候变化与农户农地流转行为之间因果关系的证据。本文使用全国农村固定观察点2010-2020年的农户数据,系统考察气候变化对农户农地流转行为的影响。研究发现:气候变暖和... 详细信息

气候变化深刻影响着农户的生产要素配置行为,然而,尚未有研究提供气候变化与农户农地流转行为之间因果关系的证据。本文使用全国农村固定观察点2010-2020年的农户数据,系统考察气候变化对农户农地流转行为的影响。研究发现:气候变暖和极端天气事件频率增加均会对农户农地流转行为产生显著影响,气候变暖和极端天气事件频率提高整体上增加了农地转出概率和规模、减少了农地转入概率和规模。进一步分析发现,不利的气温和降水条件促使小农户增加农地转出、减少农地转入,但规模农户并不倾向于转出农地,反而会通过增加农地转入面积提升气候变化适应能力。气候变暖和极端天气事件频率增加会促使兼业程度较高的农户转出农地,但对纯农户农地转出行为的影响较小。据此,本文认为,应该重视气候变化对农户农地经营决策调整的影响,优化农业支持政策,进一步增强不同类型农户应对气候风险的能力。

关键词：气候变化农地流转经营规模兼业化