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茶园仿生往复式开沟松土机设计与试验

农业机械学报 2024年第3期55卷 29-39页

作者：秦宽郎旭涛沈周高吴正敏毕海军曹成茂孙燕葛俊方梁菲安徽农业大学工学院合肥230036 安徽省智能农机装备工程实验室合肥230036 安徽农业大学茶与食品科技学院合肥230036 茶树生物学与资源利用国家重点实验室合肥230036

丘陵山区茶园土壤板结、石砾较多,使用传统旋转或移动式开沟机会出现打石跳刀、刀具无法入土、开沟不深、作业阻力大的问题。为此,依据人工铲土具有自发性以最低功耗完成最优作业路径的特点,设计仿人工铲土动作的曲柄摇杆式开沟装置,并... 详细信息

丘陵山区茶园土壤板结、石砾较多,使用传统旋转或移动式开沟机会出现打石跳刀、刀具无法入土、开沟不深、作业阻力大的问题。为此,依据人工铲土具有自发性以最低功耗完成最优作业路径的特点,设计仿人工铲土动作的曲柄摇杆式开沟装置,并研制小型茶园往复式开沟松土机。通过分析人工使用铁锹铲土的动作,建立入土、切土、抛土的运动模型,基于Matlab软件分析得到人工铲土时铁锹锹尖运动轨迹的拟合方程,以此方程为基准,建立曲柄连杆机构的目标函数,结合约束条件解出曲柄摇杆机构结构参数,同时对开沟铲进行开沟阻力分析,确定开沟铲的结构参数。建立Recurdyn和EDEM耦合的开沟铲-土壤互作仿真模型,并进行三因素三水平正交试验,对作业和结构参数进行优化,得到最优参数组合:机器前进速度v为0.06 m/s、曲柄转速n为42 r/min、入土倾角φ为80°。田间试验结果表明,茶园往复式开沟松土机作业平均开沟深度为211.5 mm,开沟功率为0.119 kW,沟深稳定性系数为90.9%,相较于传统旋转式开沟机,开沟功率降低6.3%,沟深稳定性系数提高3.1个百分点,整机作业质量满足茶园农艺要求。

关键词：茶园开沟松土机仿生曲柄连杆机构 Recurdyn EDEM

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桁架式农田高通量信息远程采集平台设计与试验

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农业工程学报 2024年第7期40卷 93-103页

作者：张刚王宇杨宇航唐武乔印虎杨洋安徽科技学院机械工程学院滁州239000 安徽农业大学工学院合肥230036 智能绿色农业装备安徽省联合共建学科重点实验室合肥230036

针对当前作物表型采集平台存在适用性差、采集数据量少、对农田配套设施要求高且需要人工实地采集等问题,该研究设计了一种基于桁架导轨结构的农田高通量信息远程采集平台。采集平台的运动轨道为桁架导轨结构,平台搭载相机、雷达、北斗... 详细信息

针对当前作物表型采集平台存在适用性差、采集数据量少、对农田配套设施要求高且需要人工实地采集等问题,该研究设计了一种基于桁架导轨结构的农田高通量信息远程采集平台。采集平台的运动轨道为桁架导轨结构,平台搭载相机、雷达、北斗及集成式环境传感器,可在轨道上进行前后(X轴)、左右(Y轴)、俯仰(P轴)运动,通过4G通信方式实现作物表型信息及农田环境信息的远程多方位采集。田间试验表明,4G远程通信端到端的最大延时不超过60 ms,远程监控端和采集平台端可在极短时间内进行数据交互;在远程监控端下发X、Y、P三轴阶跃信号控制指令,采集平台三轴的运动速度分别为0.5 m/s、0.0769 m/s和1.81°/s,表型传感器可在较短时间内到达目标位置进行信息采集,响应稳态误差分别为0.04 m/s、0.001 m和0.5°,运动过程平滑稳定,保证采集数据质量;Y轴从最左端移动到最右端跨度2 m的过程中,可有效对10行玉米产生近距离有效拍摄,P轴从-60°到60°的俯仰拍摄中,可对玉米苗带行垂直、前侧、后侧等几种不同的方向进行表型采集,且相机图像与雷达点云采集的一致,相机旋转俯仰拍摄的过程中受光照影响较小;对采集到相机及雷达数据融合得到具有颜色信息的三维点云,通过融合后的信息对油菜进行分株及提取株高信息,与人工实际测量株高值对比得到的R^(2)为0.96,表明采集数据效果满足后期实际作物表型参数的分析与处理;单区域的环境信息采集平均耗时10 s,各项环境参数组内无明显差异,与实测数据相比精度均大于0.95。研究结果表明该采集平台满足对农田高通量表型数据的智能化采集要求。

关键词：桁架数据采集远程控制高通量作物表型

基于皮层-基底神经节环路模型的经颅磁声电刺激对大鼠行为决策的影响

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电工技术学报 2024年第2期39卷 356-368页

作者：张帅由胜男党君武杜文静王磊省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室河北工业大学天津300130 河北工业大学河北省生物电磁与神经工程重点实验室(筹) 天津300130 天津市生物电工与智能健康重点实验室河北工业大学天津300130

经颅磁声电刺激(TMAES)是一种新型、无创、可改变不同脑区电活动的神经调控方法。前额叶皮层与基底神经节中各脑区相互影响,在行为决策中起着关键作用,然而目前涉及其调节机理的研究相对较少。前运动皮层神经元活性和前额叶皮层突触可... 详细信息

经颅磁声电刺激(TMAES)是一种新型、无创、可改变不同脑区电活动的神经调控方法。前额叶皮层与基底神经节中各脑区相互影响,在行为决策中起着关键作用,然而目前涉及其调节机理的研究相对较少。前运动皮层神经元活性和前额叶皮层突触可塑性与行为决策关系密切。该文基于皮层-基底神经节回路模型,模拟分别对健康大鼠、帕金森大鼠施加刺激后,不同脑区在奖赏选择任务中的神经活动,仿真分析不同感应电流强度对皮层神经元放电率和脑区间突触权重的影响。并通过行为学实验进一步探讨经颅磁声电刺激对健康大鼠与帕金森模型大鼠行为决策的影响。仿真结果显示,对健康大鼠施加刺激可提高前额叶皮层与纹状体、前运动皮层之间的突触权重;对帕金森大鼠施加刺激可提高前运动皮层神经元放电率,调节前额叶皮层与纹状体、前运动皮层之间的突触权重。实验结果显示,施加刺激后,大鼠的学习探索能力和空间记忆能力均得到了提高,且帕金森模型大鼠受刺激的作用效果更显著。研究结果表明,经颅磁声电刺激可提高大鼠的运动积极性和学习效率,且有助于改善基底神经节的功能失衡。研究结果为进一步探索经颅磁声电刺激调节决策认知功能的作用机制奠定基础。

关键词：经颅磁声电刺激皮层神经元基底神经节行为决策突触权重

面向夹持采收的油菜薹夹段茎秆离散元参数标定与优化

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农业工程学报 2024年第7期40卷 104-116页

作者：谢伟欧阳琛蒋蘋孟德鑫罗海峰湖南农业大学机电工程学院长沙410128 智能农机装备湖南省重点实验室长沙410128

为提高离散元法对指导油菜薹有序采收装备设计与优化的准确性和可靠性,该研究以双行垄作移栽的“农大1号”双低甘蓝型油菜机械化适收期油菜薹夹段茎秆为对象,测定其本征参数、表面接触参数以及破碎力学参数,利用EDEM仿真软件Hertz-Mind... 详细信息

为提高离散元法对指导油菜薹有序采收装备设计与优化的准确性和可靠性,该研究以双行垄作移栽的“农大1号”双低甘蓝型油菜机械化适收期油菜薹夹段茎秆为对象,测定其本征参数、表面接触参数以及破碎力学参数,利用EDEM仿真软件Hertz-Mindlin无滑移模型和Hertz-Mindlin with bonding粘结模型建立夹段茎秆堆积仿真标定模型和破碎仿真标定模型。采用逐步调整仿真参数使仿真试验值与物理试验值逼近的方法,利用夹段茎秆堆积仿真标定模型,以休止角仿真试验值与实际物理试验值的相对误差为目标,完成夹段茎秆表面接触参数的标定与优化;利用破碎仿真标定模型,以轴向压缩和弯曲仿真试验与实际物理试验的最大轴向压缩力和最大弯曲力的相对误差为目标,利用标定后的表面接触参数完成夹段茎秆粘结参数的标定与优化。最后,利用夹段茎秆的径向压缩与剪切、内芯与表皮拉伸的破碎仿真力学试验和有序采收EDEM-Recurdyn耦合仿真试验验证标定后的表面接触参数和粘结参数。结果表明,仿真与实测试验的破碎力学参数相对误差在5%以内,且仿真与实测的“时间-载荷”曲线变化趋势一致,低速、中速和高速档的有序采收仿真试验结果与实际物理试验结果相对误差在7.0%以内。研究结果表明,采用离散元仿真方法研究油菜薹采收过程具有可行性,标定结果可用于指导油菜薹机械化生产。

关键词：离散元模型油菜薹仿真参数标定

基于颗粒放尺效应的逆旋开沟机刀辊功耗分析与试验

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农业工程学报 2024年第7期40卷 83-92页

作者：刘敏章谢方平刘大为王修善湖南农业大学机电工程学院长沙410128 智能农机装备湖南省重点实验室长沙410128

为探究粗粒化建模对逆旋开沟机刀辊功耗的影响,提高离散元法的计算效率,该研究以1K-50型开沟机开沟部件为对象,利用EDEM软件构建适于南方葡萄园土质环境的刀辊-土壤离散元模型,将仿真模型中的土壤颗粒分别放大2~5倍进行开沟仿真试验,对... 详细信息

为探究粗粒化建模对逆旋开沟机刀辊功耗的影响,提高离散元法的计算效率,该研究以1K-50型开沟机开沟部件为对象,利用EDEM软件构建适于南方葡萄园土质环境的刀辊-土壤离散元模型,将仿真模型中的土壤颗粒分别放大2~5倍进行开沟仿真试验,对刀辊功耗、工作阻力及土壤运动状态进行分析。结果表明:在土壤颗粒直径为5 mm、刀辊转速132 r/min、前进速度0.06 m/s、开沟深度0.3 m工况下,刀辊稳定作业阶段的功耗、水平阻力及垂直阻力平均值分别为3.73 kW、923.85 N和148.30 N,仿真功耗相对实际功耗的误差为9.9%。开沟仿真过程中刀辊的功耗、工作阻力平均值及土壤运动状态随放尺比例的变化而变化,其中刀辊功耗与水平阻力平均值随放尺比例增大而减小,垂直阻力平均值随放尺比例先减小后增大再减小,且增大放尺比例使得土垡从刀片正切面的抛出时刻提前,抛出速度减小,土垡逐渐松散,壅土高度增加,但不改变正切面上各深度土层的土壤分布顺序。放尺比例为2~5时,仿真计算时间相较原尺状态减少99%,但仿真功耗相对实际功耗的误差超过32%,当放尺比例为1.2时,能够将功耗相对误差控制在11.1%,仿真时间为22.9 h,仿真数据量313.72 GB。研究结果可为农机领域离散元放尺计算及构建刀辊-土壤粗粒化模型提供一定参考。

关键词：农业机械离散元法葡萄园开沟机颗粒放尺效应功耗

结合生成对抗网络的电阻抗断层成像技术在肺通气监测中的应用

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生物医学工程学杂志 2024年第1期41卷 105-113页

作者：赵明康刘珺郭忠圣陈祥琪张帅郑天予河北工业大学生命科学与健康工程学院天津300130 河北工业大学省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室天津300130 天津市生物电工与智能健康重点实验室天津300130

电阻抗断层成像(EIT)技术在肺通气监测和区域性肺功能检测中发挥着重要作用。然而,EIT算法固有的病态特性导致从含有噪声的电压数据中求解电导率时存在明显偏差,难以获得准确的电导率变化分布图像以及清晰的边界轮廓。为了提高EIT在肺... 详细信息

电阻抗断层成像(EIT)技术在肺通气监测和区域性肺功能检测中发挥着重要作用。然而,EIT算法固有的病态特性导致从含有噪声的电压数据中求解电导率时存在明显偏差,难以获得准确的电导率变化分布图像以及清晰的边界轮廓。为了提高EIT在肺通气监测中的成像质量,本文提出将EIT算法与深度学习算法相结合的方法。首先,引用优化因子对卡尔曼滤波算法进行修正并将吉洪诺夫(Tikhonov)正则化引入算法的状态空间表达式,以获得初始肺部重建图像;其次将初始成像结果输入生成对抗网络模型,以重构出精确的肺部轮廓。仿真实验结果表明,该方法生成的肺部图像边界清晰,对噪声具有更强的鲁棒性,基本实现了可视化的效果,可为计算机断层扫描等影像的诊断提供参考意义。

关键词：电阻抗断层成像卡尔曼滤波生成对抗网络图像重建

基于控温控湿的沙棘红外联合热风干燥均匀性与工艺

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农业工程学报 2024年第6期40卷 120-133页

作者：耿智化李孟卿朱丽春于贤龙胡斌张茜王军扬杨旭海石河子大学机械电气工程学院石河子832003 农业农村部西北农业装备重点实验室石河子832003 山东省农业机械科学研究院济南250100 新疆一七零团丝路沙棘生物科技有限公司塔城834612 现代农业机械兵团重点实验室石河子832003

新鲜沙棘含水率高且易腐烂变质,干燥是延长货架期的重要方式之一。针对现有沙棘热风干燥周期长、品质差、能耗高等问题,该研究基于控温控湿设计了一种红外联合热风干燥装置,并对装置的气流分配室结构进行了优化,设计了一种圆柱形扰流板... 详细信息

新鲜沙棘含水率高且易腐烂变质,干燥是延长货架期的重要方式之一。针对现有沙棘热风干燥周期长、品质差、能耗高等问题,该研究基于控温控湿设计了一种红外联合热风干燥装置,并对装置的气流分配室结构进行了优化,设计了一种圆柱形扰流板和方形挡风板,利用数值模拟软件COMSOL对干燥装置中速度场、温度场和湿度场进行了模拟,结果表明通过增加半圆柱扰流板能够改变干燥层间气流量,解决干燥不均匀性问题;借助增设扰流板能够提高气流速度,利用自由流区域高温低湿干燥介质的干燥能力,防止干燥层内不同区域出现干燥不均匀的现象。优化后的干燥室结构将5个干燥层间的最大速度偏差比显著降低。以沙棘为研究对象对干燥工艺进行了试验研究。结果表明,不同干燥温度对沙棘控温控湿红外联合热风干燥时间有显著影响,干燥水分比随干燥时间的增加呈现指数下降趋势。基于层次分析法得到各干燥特性和干燥品质权重,采用综合评价方法得到不同干燥温度下75℃干燥条件综合评分最高。不同介质湿度干燥条件下,当介质湿度为10%干燥时,干燥所需能耗最低,干燥后沙棘复水比最高,具有最高的维生素C(vitamin C,Vc)保留率和总黄酮含量,综合评分最高。40%介质湿度不同持续时间下,40 min得到的沙棘亮度值、复水比、Vc保留率和总黄酮含量最高,综合评分最高。该研究明确了控温控湿沙棘红外联合热风干燥最优工艺,对提升沙棘产地初加工机械化水平,促进沙棘产业健康持续发展具有重要意义。

关键词：能耗干燥控温控湿沙棘均匀性品质特性

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随机森林算法在超声缺陷识别中的应用研究

电子测量与仪器学报 2024年

作者：魏新园周京欢钱牧云李丹黄三傲安徽省智能破拆装备工程实验室安徽工业大学电气与信息工程学院

超声波检测是一种常见的钢材缺陷检测方法，通过机器学习算法建立分类模型能够实现有效的缺陷识别。神经网络是目前最常采用的一种算法，但存在模型结构复杂且需要大量训练数据的问题。对此，提出一种基于随机森林的超声缺陷识别方法，... 详细信息

超声波检测是一种常见的钢材缺陷检测方法，通过机器学习算法建立分类模型能够实现有效的缺陷识别。神经网络是目前最常采用的一种算法，但存在模型结构复杂且需要大量训练数据的问题。对此，提出一种基于随机森林的超声缺陷识别方法，能够实现对缺陷类型的智能、准确识别，以解决模型结构复杂和训练数据需求大的问题。首先对方体试件中的不同形状、尺寸和深度的缺陷进行超声检测实验，基于实验数据利用随机森林算法建立超声缺陷识别模型；进而对模型的缺陷识别效果进行分析，并与支持向量机、K-近邻分类算法、AdaBoosting算法和卷积神经网络比对分析缺陷识别效果；然后利用验证试件进行缺陷识别验证实验，以进一步验证所建立缺陷识别模型的有效性。结果表明，所提缺陷识别方法相比其他算法具有最高的准确率，验证实验中缺陷分类准确率达到94.6%。

关键词：随机森林超声探伤缺陷识别不同形状和尺寸分类准确率

基于改进YOLOX-S的苹果成熟度检测方法

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中国农机化学报 2024年第3期45卷 226-232页

作者：黄威刘义亭李佩娟陈光明南京工程学院南京市211167 东南大学南京市210096 南京农业大学南京市210031 江苏省智能化农业装备重点实验室南京市210000

准确检测果园中未成熟与成熟的苹果对果园早期作物的负荷管理至关重要,提出一种能够实时检测苹果成熟度,并估算出整棵果树果实数量的方法。为提高YOLOX-S网络在复杂场景下的检测能力,在FPN(特征金字塔)的残差连接处增加了CoordinateAtte... 详细信息

准确检测果园中未成熟与成熟的苹果对果园早期作物的负荷管理至关重要,提出一种能够实时检测苹果成熟度,并估算出整棵果树果实数量的方法。为提高YOLOX-S网络在复杂场景下的检测能力,在FPN(特征金字塔)的残差连接处增加了CoordinateAttention(位置注意力);为更好地检测图像中生长密集、存在遮挡、尺寸较小的苹果,将位置损失函数IoU_Loss更换为CIoU_Loss。试验结果表明,所提出的改进YOLOX-S检测算法相较于原算法,mAP值提高约1.97%,苹果低成熟度、中等成熟度和高等成熟度的AP值分别为90.85%、95.10%和80.50%。

关键词：苹果 YOLOX-S 目标检测位置注意力成熟度检测