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基于GA-BPNN的采后蜜桃预冷效果预测模型

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农业工程学报 2021年第23期37卷 264-272页

作者：谌英敏王贺苏勤赵锐宋海燕山西农业大学农业工程学院太谷030801 南京农业大学工学院南京210031

为精准监控采后蜜桃预冷效果以提高商业经济价值,该研究以大久保蜜桃为研究对象,建立了包含衬垫和果实内部热源项的单箱多层CFD-WIHS(Computational Fluid Dynamics-With Internal Heat Source)传热传质数值模型。通过对比试验结果发现... 详细信息

为精准监控采后蜜桃预冷效果以提高商业经济价值,该研究以大久保蜜桃为研究对象,建立了包含衬垫和果实内部热源项的单箱多层CFD-WIHS(Computational Fluid Dynamics-With Internal Heat Source)传热传质数值模型。通过对比试验结果发现该模型预测果温时的最大均方根误差为1.668°C,平均绝对百分比误差为13.65%,验证了该建模方法的可行性和通用性。在此基础上,利用高精度三维时空温度及流场分布数据,构建了GA-BPNN采后蜜桃预冷效果网络预测模型。该模型在冷藏转移时间和整体预冷均匀度方面的网络预测与测试值之间决定系数达0.9625和0.8638,且均方根误差和平均绝对百分比误差较BP模型分别低了30.22%、32.84%以及21.91%、39.45%,GA-BPNN比BP神经网络模型能更好表达采后蜜桃预冷效果与主控因素之间的非线性关系。研究结果为中小型果园实时监控蜜桃采后预冷均匀性和冷却时间以保障果实最佳预冷品质提供可靠的依据。

关键词：贮藏品质控制蜜桃预冷效果 GA-BPNN 计算流体力学强制风冷

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温室远程监控系统人机交互与番茄识别研究

农业机械学报 2022年第10期53卷 363-370页

作者：张美娜王潇梁万杰曹静张文宇南京农业大学工学院南京210031 江苏省农业科学院农业信息研究所南京210014 南京农业大学人工智能学院南京210031 江苏大学农业工程学院镇江212013

为提升设施农业远程监控系统的数据可视化与信息化程度,设计了一种温室远程监控系统,该系统主要由巡检机器人、移动通信网络、云服务器与远程监控中心组成,实现了温室端与远程监控中心端之间的文本、图像、视频3类数据传输。综合应用机... 详细信息

为提升设施农业远程监控系统的数据可视化与信息化程度,设计了一种温室远程监控系统,该系统主要由巡检机器人、移动通信网络、云服务器与远程监控中心组成,实现了温室端与远程监控中心端之间的文本、图像、视频3类数据传输。综合应用机器学习、深度学习算法实现人机交互与温室端番茄识别任务。基于Haar级联算法与LBPH算法实现了管理员人脸识别,识别成功率达90%;基于YOLO v3与ResNet-50算法分别识别手部与手部关键点,单手、双手的识别置信度分别为0.98与0.96;基于提取的食指指尖坐标与左右手部候选框中心点坐标实现了手指交互与图像尺寸缩放的功能。应用Swin Small+Cascade Mask RCNN网络模型,针对农业数据集有限的问题,对比分析了应用迁移学习方法前后的番茄检测效果。试验结果表明,应用迁移学习方法后,模型收敛速度有所提升且收敛后的损失值均有所下降;同时,IoU为0、0.5、0.75时的平均精度(mask AP)分别提升了7.8、6.4、7.2个百分点,模型性能更优。

关键词：温室远程监控人机交互番茄识别深度学习 Swin Transformer

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面向球果抓取的主动式手爪设计与试验

农业机械学报 2024年

作者：秦欢欢赖虹妃刘坤陈光明卢伟薛金林李佩娟南京工程学院工业中心南京农业大学工学院南京农业大学人工智能学院

为解决球形果实快速、稳定抓取问题，本文设计了一种主动式三指手爪。该手爪指部机构末端安装有球状主动滚轮，主动滚轮外附着柔性膜以增加手爪柔顺性与摩擦力。每个指部机构具有2个自由度，可实现手指开合以及主动滚轮旋转。工作时3根... 详细信息

为解决球形果实快速、稳定抓取问题，本文设计了一种主动式三指手爪。该手爪指部机构末端安装有球状主动滚轮，主动滚轮外附着柔性膜以增加手爪柔顺性与摩擦力。每个指部机构具有2个自由度，可实现手指开合以及主动滚轮旋转。工作时3根手指相互配合，在摩擦力的作用下球果向手爪内部运动，可在仅接触球果的条件下实现球果快速、稳定抓取，无需精确控制手爪位置和姿态。为阐述抓取过程中主动式手爪与球果的交互关系，推导了主动式手爪-球果交互模型。选取番茄、苹果以及橙子为典型球形抓取对象，开展了3款手爪（该主动式手爪、鳍状软爪以及平行刚爪）的抓取试验。抓取试验结果表明：所设计主动式手爪平均首次抓取成功率为96.7%，平均抓取无损率为98.3%以及平均任务时间为5.9 s，在抓取成功率、抓取质量以及抓取效率三方面均有较好表现，验证了该主动式手爪的有效性。

关键词：球形果实球果抓取主动滚轮主动式手爪柔顺性

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旋耕还田秸秆空间分布质量离散元分析

农业机械学报 2022年第6期53卷 44-53页

作者：何瑞银段庆飞陈信信徐高明丁启朔南京农业大学工学院南京210031 江苏省智能化农业装备实验室南京210031 江苏大学农业工程学院镇江212013

秸秆在土壤中的空间分布质量会对秸秆腐解速率、土壤养分分布等产生显著影响。为了探究不同旋耕作业参数对秸秆空间分布质量的影响,本文基于离散元法构建旋耕仿真模型,模拟秸秆旋耕还田作业过程,并结合田间试验对不同前进速度和刀辊转... 详细信息

秸秆在土壤中的空间分布质量会对秸秆腐解速率、土壤养分分布等产生显著影响。为了探究不同旋耕作业参数对秸秆空间分布质量的影响,本文基于离散元法构建旋耕仿真模型,模拟秸秆旋耕还田作业过程,并结合田间试验对不同前进速度和刀辊转速下的秸秆空间分布质量进行对比验证。对仿真及田间试验区域进行垂直分层和水平划分的空间分割处理,计算各区域内秸秆数量并以秸秆占比变异系数为指标评价不同旋耕作业参数下的秸秆空间分布质量。结果表明,在垂直分层处理中,刀辊转速的增加会使得各层秸秆占比变异系数呈递增的趋势,其中240 r/min时最小,仿真值与试验值分别为60.09%和80.65%,而随着前进速度的增加,变异系数呈先减少后增加的规律,其中0.50 m/s时变异系数最小,仿真值与试验值分别为61.00%和79.90%;在水平划分处理中,刀辊转速的增加对各层秸秆占比变异系数无明显规律性影响,但前进速度的增加可以减小纵向划分区域内的变异系数,最小值为0.75 m/s时的11.36%和20.12%,仿真值与试验值变化趋势基本一致。垂直分布和水平分布秸秆占比变异系数仿真值与试验值间差值平均最大分别为22.13%和12.23%,误差在可接受范围内。离散元仿真能够模拟不同旋耕作业参数下的秸秆空间分布状态,可以为旋耕秸秆还田作业质量的快速预测评价研究提供支持,也可为旋耕机械的作业参数选择提供理论依据。

关键词：秸秆还田旋耕作业参数空间分布离散元仿真

基于Compact-YOLO v4的茶叶嫩芽移动端识别方法

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农业机械学报 2023年第3期54卷 282-290页

作者：黄家才唐安陈光明张铎高芳征陈田南京工程学院机械工程学院南京211167 南京农业大学工学院南京210031 南京工程学院自动化学院南京211167

茶叶嫩芽精准识别是实现嫩芽智能化采摘的前提与基础,采用视觉和深度学习的嫩芽识别方法逐渐成熟,但该方法过度依赖于高性能硬件,不利于采茶机器人移动端的部署,针对这一问题,本文提出一种基于Compact-YOLO v4算法的茶叶嫩芽移动端识别... 详细信息

茶叶嫩芽精准识别是实现嫩芽智能化采摘的前提与基础,采用视觉和深度学习的嫩芽识别方法逐渐成熟,但该方法过度依赖于高性能硬件,不利于采茶机器人移动端的部署,针对这一问题,本文提出一种基于Compact-YOLO v4算法的茶叶嫩芽移动端识别方法。首先对YOLO v4算法的Backbone网络和Neck网络进行改进,将Backbone网络替换为GhostNet,将Neck网络中传统卷积替换为Ghost卷积,改进后的模型内存占用量仅为原来的1/5。接着运用迁移学习的训练方法提升模型精度,试验表明,Compact-YOLO v4算法模型的精度、召回率、平均精度均值、F1值分别为51.07%、78.67%、72.93%和61.45%。最后将本文算法模型移植到PRO-RK3568-B移动端开发板,通过转换模型、量化处理、改进部署环境3种方式,降低模型推理计算对硬件性能的需求,最终在保证嫩芽识别准确率的前提下,实现了优化模型推理过程、减轻移动端边缘计算压力的目的,为茶叶嫩芽采摘机器人的实际应用提供了技术支撑。

关键词：茶叶嫩芽识别轻量化 Compact-YOLO v4 移动端部署

秸秆土壤旋耕机交互下秸秆位移与埋覆效果研究

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农业机械学报 2022年第7期53卷 23-29页

作者：徐高明丁启朔汪小旵梁磊何瑞银陈信信南京农业大学工学院南京210031 江苏省智能化农业装备重点实验室南京210031 江苏大学农业工程学院镇江212013

分析秸秆土壤机具之间的交互关系,明确秸秆运动规律及分布效果,对秸秆管理及耕作机械优化设计具有重要的作用。为探究秸秆土壤旋耕机交互下的关键作业参数对秸秆位移和埋覆效果的影响,利用Design-Expert软件,根据BoxBehnken试验原理进... 详细信息

分析秸秆土壤机具之间的交互关系,明确秸秆运动规律及分布效果,对秸秆管理及耕作机械优化设计具有重要的作用。为探究秸秆土壤旋耕机交互下的关键作业参数对秸秆位移和埋覆效果的影响,利用Design-Expert软件,根据BoxBehnken试验原理进行了室内土槽试验。以旋耕埋草作业中的秸秆长度、耕作深度、刀轴转速为影响因素,以秸秆位移和埋覆率为指标进行三因素三水平的二次回归正交试验。通过建立响应面数学模型,分析了各因素对旋耕埋草效果的影响。试验结果表明:影响秸秆埋覆率和位移的主次顺序为耕作深度、秸秆长度、刀轴转速;秸秆长度与耕作深度交互作用对秸秆埋覆率和位移影响显著,其余参数交互作用不显著。多目标优化结果表明:当秸秆长度为5 cm、耕作深度为14.99 cm、刀轴转速为320 r/min时,埋草效果最优,其对应指标秸秆埋覆率与位移分别为95.5%和27.6 cm。利用优化后的参数进行试验验证,秸秆埋覆率与位移分别为93.3%和28.1 cm。研究结果可为旋耕埋草作业参数调整提供参考,为秸秆土壤机具交互机理研究提供理论支撑。

关键词：旋耕埋草秸秆土壤旋耕机埋覆率秸秆位移作业参数正交试验

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秸秆-土壤-旋耕刀系统中秸秆位移仿真分析

农业机械学报 2016年第1期47卷 60-67页

作者：方会敏姬长英 Ahmed Ali Tagar 张庆怡郭俊南京农业大学工学院南京210031 信德农业大学农业工程学院坦杜阿拉亚70060

秸秆-土壤-旋耕刀之间的相互作用机理对于分析耕作过程有着重要作用。为研究秸秆-土壤-旋耕刀的宏观及微观相互作用,对系统中的秸秆位移进行了仿真分析。首先建立了秸秆-土壤-旋耕刀相互作用的三维离散元模型;其次,对仿真结果与室内土... 详细信息

秸秆-土壤-旋耕刀之间的相互作用机理对于分析耕作过程有着重要作用。为研究秸秆-土壤-旋耕刀的宏观及微观相互作用,对系统中的秸秆位移进行了仿真分析。首先建立了秸秆-土壤-旋耕刀相互作用的三维离散元模型;其次,对仿真结果与室内土槽实验结果进行对比分析,在土槽实验中采用示踪器方法测量秸秆位移;仿真中导出每个时刻的秸秆位置用来描述秸秆仿真位移;最后,利用仿真数据对秸秆位移进行三维分析。实验和仿真都在恒定前进速度0.222 m/s和耕深100 mm及4种转速(77、100、123、146 r/min)下进行。实验与仿真结果皆显示秸秆位移随着转速增加呈现增加的趋势;秸秆的水平运动位移总是大于同转速下的侧向位移;高转速下的实验与仿真位移误差约为40%,低转速下为70%。利用拟合的误差方程和仿真值可以估算秸秆的水平和侧向位移值,估算值与实验值误差为8.7%和9.3%。通过追踪不同位置的秸秆颗粒发现:初始位置不同的秸秆颗粒具有不同的运动:位于正切刃内侧的秸秆在刀刃切开土壤时,沿正切刃边缘滑出;而位于侧切刃下方的秸秆在开始时被侧切刃挤压随刀刃一起运动,而后随土壤一起被抛起;远离旋耕刀工作范围的秸秆,则因受土壤扰动影响而仅有微小的位移。紧靠侧切刃及过渡刃周围的秸秆颗粒在考察时间段内被直接旋耕入土。可以利用秸秆的垂直方向受力情况,优化旋耕刀刃口曲线提高秸秆在旋耕过程中直接入土的比例;还可以整合秸秆水平和侧向位移及分布,寻找最优工作参数使秸秆在3个方向都能均匀分散,从而提高秸秆分布均匀度。

关键词：旋耕刀秸秆运动离散元仿真微观分析

基于光子传输模拟的苹果品质高光谱检测源探位置研究

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农业工程学报 2019年第4期35卷 281-289页

作者：王浩云李亦白张煜卓周小莉徐焕良南京农业大学信息科技学院南京210095 南京农业大学农业工程博士后研究站南京210031

光谱无损的检测方法是质检测最常用的方法之一。传统的光谱仪光源探头位置和源探距离相对固定,导致品质检测精度受限。为解决这个问题,提出基于蒙特卡洛的苹果多层组织的光子传输模拟,分析了光子入射最佳位置和源探距离,并用点光源高光... 详细信息

光谱无损的检测方法是质检测最常用的方法之一。传统的光谱仪光源探头位置和源探距离相对固定,导致品质检测精度受限。为解决这个问题,提出基于蒙特卡洛的苹果多层组织的光子传输模拟,分析了光子入射最佳位置和源探距离,并用点光源高光谱仪实际拍摄红富士苹果进行验证。分析表明,光子在苹果赤道位置入射,具有73.12%概率到达更深的深度。源探距离与苹果的光学参数有关,形状为圆环,源探距离内外半径为1.5～10.15 mm。点光源高光谱仪采集红富士苹果的光谱信息,光子入射位置为赤道,源探距离为距离光源点半径2.7～11.7mm的圆环,与模拟数据分析结果基本一致。蒙特卡洛光子传输模拟方法为研究高光谱苹果品质无损检测开辟了新思路,分析结果可以为研究高光谱品质检测试验设计和苹果便携式品质检测光学仪器设计提供理论基础。

关键词：果实无损检测光谱法

含角接触球轴承和粗糙间隙表面滑动轴承关节的平面柔性多连杆机构动态误差分析与优化设计

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机械工程学报 2022年第1期58卷 69-87页

作者：章永年陶亚满蒋书运朱松青郑恩来史金飞南京农业大学工学院南京210031 东南大学机械工程学院南京211189 南京工程学院机械工程学院南京211167

传统旋转间隙关节接触模型假定衬套和销轴的接触面是光滑的并仅考虑接触区域的初始接触点的影响,常忽略接触区域中其它接触点的作用,不可避免导致模型分析精度下降。为此,提出一种含角接触球轴承和粗糙间隙表面滑动轴承关节的平面柔性... 详细信息

传统旋转间隙关节接触模型假定衬套和销轴的接触面是光滑的并仅考虑接触区域的初始接触点的影响,常忽略接触区域中其它接触点的作用,不可避免导致模型分析精度下降。为此,提出一种含角接触球轴承和粗糙间隙表面滑动轴承关节的平面柔性多连杆机构动力学建模、分析与优化的计算方法。考虑粗糙旋转间隙关节多点接触状态,建立了一个新颖粗糙间隙接触模型,运用一种无剪切锁定变形梁单元对柔性连杆进行离散化。同时,基于赫兹理论,推导了角接触球轴承的动态径向等效刚度。与基于传统光滑间隙模型的结果相比,基于所提出的粗糙间隙模型的多连杆机构动态响应更接近于试验值,验证了所提出计算方法的有效性。仿真结果表明,粗糙的关节接触面能够降低滑块速度和加速度偏差,却增加滑块的位移偏差。冲压工况下含角接触球轴承和粗糙间隙表面滑动轴承关节的平面柔性多连杆机构的动态响应偏差大于空载工况下的结果,冲压载荷易增加滑块的动态响应偏差。此外,基于NSGA-II算法对平面柔性多连杆机构中滑动轴承关节间隙进行优化设计并得到优化的间隙尺寸值。

关键词：多连杆机构间隙角接触球轴承柔性多体动力学粗糙表面