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基于垄间背景剔除优化小麦赤霉病遥感监测精度

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农业工程学报 2024年第7期40卷 219-229页

作者：朱文静戴世元冯展康邵长峰段凯文张慧月魏新华江苏大学农业工程学院镇江212013 江苏大学现代农业装备与技术教育部重点实验室镇江212013

为探究麦田垄间背景对无人机多光谱小麦赤霉病监测精度的影响,该研究以江苏省镇江市农科院灌浆期小麦为研究对象,利用大疆M600 Pro无人机搭载RedEdge-MX多光谱相机获取小麦冠层多光谱影像。通过筛选与小麦赤霉病相关性最高的植被指数(ve... 详细信息

为探究麦田垄间背景对无人机多光谱小麦赤霉病监测精度的影响,该研究以江苏省镇江市农科院灌浆期小麦为研究对象,利用大疆M600 Pro无人机搭载RedEdge-MX多光谱相机获取小麦冠层多光谱影像。通过筛选与小麦赤霉病相关性最高的植被指数(vegetation indexes,VIs):MSR和CRI2植被指数,并采用大津法(Nobuyuki Otsu method,OTSU)、阈值分割法和支持向量机(support vector machine,SVM)等方法对小麦赤霉病遥感图像进行精细化语义分割,降低田块边缘阴影背景和染病麦穗之间的误判率。试验结果表明:目视解译阈值分割法剔除背景的效果最好(总体精度:92.06%,Kappa系数:0.84),OTSU阈值分割法(总体精度:90.52%,Kappa系数:0.81)效果次之。采用偏最小二乘回归分别建立小麦病情指数(disease index,DI)与VIs、纹理特征(texture features,TFs)和VIs&TFs小麦赤霉病监测模型,其中VIs&TFs模型监测精度最高,剔除垄间背景前预测模型训练集的决定系数(coefficient of determination,R^(2))为0.73,均方根误差(root mean square error,RMSE)为5.52,相对分析误差(relative percent deviation,RPD)为2.01,验证集的R^(2)为0.68,RMSE为6.21,RPD为1.96;剔除垄间背景后VIs&TFs模型监测精度依然最高,训练集的R^(2)为0.75,RMSE为5.58,RPD为2.13,验证集的R^(2)为0.77,RMSE为7.13,RPD为2.11。综上所述,基于垄间背景特征的精细化语义分割有效地提高了小麦赤霉病的监测精度,可以直观地了解小麦病情分布情况,可对后续变量施药提供参考依据。

关键词：无人机遥感小麦病害语义分割特征提取

基于混合像元分解的分蘖期水稻基本苗数量估测方法研究

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农业机械学报 2024年第6期55卷 202-209页

作者：朱文静戴世元冯展康段凯文邵长锋魏新华江苏大学农业工程学院镇江212013 江苏大学现代农业装备与技术教育部重点实验室镇江212013

基本苗数量是反映水稻健康水平的重要依据,在分蘖期精准估测水稻基本苗数量可以指导后期的施肥量,从而调控水稻的最佳分蘖数。同时,对水稻长势监测和产量预测具有非常重要的意义。针对传统田间人工统计基本苗数量耗时长、成本高等问题,... 详细信息

基本苗数量是反映水稻健康水平的重要依据,在分蘖期精准估测水稻基本苗数量可以指导后期的施肥量,从而调控水稻的最佳分蘖数。同时,对水稻长势监测和产量预测具有非常重要的意义。针对传统田间人工统计基本苗数量耗时长、成本高等问题,以江苏大学附属农场镇江润果农场分蘖期水稻为研究对象,利用大疆无人机(M600 Pro型)搭载多光谱相机(Rededge-MX型)获取水稻分蘖期多光谱数据,对原始图像进行图像拼接、辐射校正、几何校正等预处理操作,根据像元纯度系数提取土壤端元和植被端元,建立波谱库,然后按照完全约束最小二乘法的方法执行混合像元分解,构建植被覆盖度和水稻基本苗数量的回归模型。该研究方法获得的模型决定系数R^(2)为0.891,均方根误差RMSE为4.6株/m^(2)。而传统的像元二分法模型(基于NDVI、VDVI和GNDVI植被指数计算植被覆盖度),其决定系数R2为0.834、0.744、0.642,其RMSE为5.7、7.1、8.4株/m^(2)。试验结果表明,基于完全约束最小二乘法的混合像元分解模型评价指标均优于像元二分法模型。本文基于混合像元分解方法有效提高了水稻基本苗统计精度,并且生成了水稻基本苗数量反演图,可以直观统计基本苗数量,为分蘖期水稻补苗、间苗提供指导。

关键词：水稻基本苗混合像元分解完全约束最小二乘法像元二分法

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便携式土壤土霉素提取-检测装置设计与试验

农业机械学报 2024年第4期55卷 32-39页

作者：张航高信刘倩由天艳江苏大学农业工程学院镇江212013 江苏大学现代农业装备与技术教育部重点实验室镇江212013

土壤中土霉素(Oxytetracycline,OTC)高性能的现场分析方法对于保护生态环境安全和维护人类健康具有重要意义。针对土壤中痕量OTC的现场检测难题,设计功能集成的便携式提取-检测装置,用于土壤中OTC的现场提取与精准分析。首先,基于集成... 详细信息

土壤中土霉素(Oxytetracycline,OTC)高性能的现场分析方法对于保护生态环境安全和维护人类健康具有重要意义。针对土壤中痕量OTC的现场检测难题,设计功能集成的便携式提取-检测装置,用于土壤中OTC的现场提取与精准分析。首先,基于集成电路技术与3D建模,研制具有称量、搅拌与离心功能的便携式装置,并通过与实验室用提取装置的性能对比,验证装置的提取精度;分别以LED和便携式电化学工作站为光电化学检测的光源驱动和信号采集装置,研制便携式检测装置;进行土壤中OTC的现场分析试验。结果表明,研制的便携式装置对土壤OTC的提取精度较高,检测的线性范围为1×10^(-8)~1×10^(-6) mol/L,检出限为5.33×10^(-9) mol/L;在现场分析试验中,对土壤中OTC检测的加标回收率为92%~97%,相对标准偏差为1.8%~5.2%,且准确度得到了国标法的验证。

关键词：土壤土霉素便携式装置提取现场检测光电化学传感器

基于语义分割网络的植保机器人视觉伺服控制方法

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农业机械学报 2024年第5期55卷 21-27,39页

作者：李秀智方会敏朱玉垒杜博文董泓佑北京工业大学信息学部北京100124 江苏大学农业工程学院镇江212013 现代农业装备与技术教育部重点实验室(江苏大学) 镇江212013

为实现稳定可靠的植保机器人视觉伺服控制,提出了一种基于语义分割网络的作物行特征检测方法。基于语义分割网络ESNet实现农田场景图像像素级带状区域检测,并利用最小二乘算法拟合得到每条行作物线特征;在此基础上通过设计一种主导航线... 详细信息

为实现稳定可靠的植保机器人视觉伺服控制,提出了一种基于语义分割网络的作物行特征检测方法。基于语义分割网络ESNet实现农田场景图像像素级带状区域检测,并利用最小二乘算法拟合得到每条行作物线特征;在此基础上通过设计一种主导航线提取算法获取导航路径,并利用卡尔曼滤波对主导航线几何参数进行平滑处理,有效抑制了不平整地面导致的机器人运动颠簸与视觉图像测量噪声引起的导航参数波动。继而构建机器人前轮转向、后轮差速的阿克曼运动学模型;在图像空间坐标下设计纯追踪控制器实现植保机器人的伺服运动控制。大田环境下的现场实验结果为:总体横向偏差为0.092 m,验证了本文方法的有效性。

关键词：植保机器人视觉伺服控制深度学习语义分割网络作物行特征检测

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联合收获机清选筛箱轻量化设计与试验

农业机械学报 2024年

作者：马征李毕辉宋志强刘延彬潘宇江苏大学农业工程学院江苏大学现代农业装备与技术教育部重点实验室

清选筛箱通过往复运动对脱粒后的混合物进行筛分，是组成联合收获机的核心部件之一。针对谷物联合收获机清选筛箱存在整体质量偏重、强度富余的问题进行轻量化设计。基于清选筛箱动力学分析，分析清选筛箱在工作状态下的固有频率和结构... 详细信息

清选筛箱通过往复运动对脱粒后的混合物进行筛分，是组成联合收获机的核心部件之一。针对谷物联合收获机清选筛箱存在整体质量偏重、强度富余的问题进行轻量化设计。基于清选筛箱动力学分析，分析清选筛箱在工作状态下的固有频率和结构强度，确定了最大等效应力位置及主要应力分布区域。基于等效静态法将动态响应转化为静态响应，以柔顺度最小为优化目标，以结构强度和质量响应约束条件对清选筛箱侧壁进行拓扑优化。采用尼龙作为轻质材料对抖动板结构进行设计，以拓扑优化结果为基础，提取主要结构特征进行模型重构和动力学分析。结果显示，优化后的清选筛箱的前6阶固有频率变化最大为1.68Hz，最大等效应力由56.59MPa下降至52.46MPa，降幅为7.29%，质量由75kg降至66.85kg，降低了10.86%。在此基础上，利用优化后的清选筛箱搭建了试验台架，开展实际工况下的应变试验和耐久性试验，试验结果验证了优化后的清选筛箱满足实际工作的强度、刚度要求，有效提高了清选筛箱的工作性能。

关键词：清选筛箱动力学分析拓扑优化轻量化设计

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基于混合像元分解的水稻基本苗数量估测

农业机械学报 2024年

作者：朱文静戴世元冯展康段凯文邵长锋魏新华江苏大学现代农业装备与技术教育部重点实验室江苏大学农业工程学院

基本苗数量是反映水稻健康水平的重要依据，在分蘖期精准估测水稻基本苗数量可以指导后期的施肥施氮量，从而调控水稻的最佳分蘖数。同时，还对水稻长势监测和产量预测具有非常重要的意义。针对到传统田间人工统计基本苗数量耗时长、成... 详细信息

基本苗数量是反映水稻健康水平的重要依据，在分蘖期精准估测水稻基本苗数量可以指导后期的施肥施氮量，从而调控水稻的最佳分蘖数。同时，还对水稻长势监测和产量预测具有非常重要的意义。针对到传统田间人工统计基本苗数量耗时长、成本高等问题，本试验以江苏大学附属农场镇江润果农场分蘖期水稻为研究对象，利用大疆无人机(M600 pro型)搭载多光谱相机(Rededge-MX)获取水稻分蘖期多光谱数据，对原始图像进行图像拼接、辐射校正、几何校正等预处理操作，根据像元纯度系数提取土壤端元和植被端元，建立波谱库，然后按照完全约束最小二乘法的方法执行混合像元分解，构建植被覆盖度和水稻基本苗数量的回归模型。该研究方法获得的模型决定系数R2为0.891，均方根误差RMSE为4.6株/m。而传统的像元二分法模型(基于NDVI、VDVI和GNDVI植被指数计算植被覆盖度)，其决定系数R为0.834、0.744和0.642，其RMSE为5.7、7.1和8.4株/m。实验结果表明，基于完全约束最小二乘法的混合像元分解模型评价指标均优于像元二分法模型。本文对基于混合像元分解能否有效提高水稻基本苗统计精度进行了探究，并且生成了水稻基本苗数量反演图，可以直观统计基本苗数量，为分蘖期水稻补苗、间苗提供指导。

关键词：水稻基本苗混合像元分解完全约束最小二乘法像元二分法

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插秧机自主驾驶控制系统设计与试验

农机化研究 2024年

作者：胡聪魏新华江苏大学农业工程学院现代农业装备与技术教育部重点实验室

为了满足插秧机自动驾驶作业需求,提高插秧机路径跟踪精度与作业效果,设计了插秧机自主驾驶控制系统。以电控化改造的久富2ZG-6D(G6)型插秧机为研究平台,基于北斗/GNSS定位建立了插秧机路径跟踪模型,提出一种改进的变论域模糊PID控制算... 详细信息

为了满足插秧机自动驾驶作业需求,提高插秧机路径跟踪精度与作业效果,设计了插秧机自主驾驶控制系统。以电控化改造的久富2ZG-6D(G6)型插秧机为研究平台,基于北斗/GNSS定位建立了插秧机路径跟踪模型,提出一种改进的变论域模糊PID控制算法,并结合仿真和田间实车试验,对控制系统性能进行验证。仿真试验中,插秧机路径跟踪过程中横向偏差绝对值始终控制在0.03 m之内;田间试验时,插秧机按照规划的目标路径进行路径跟踪,横向偏差绝对值多控制在0.05 m之内,正、负横向偏差均值为0.031、0.034 m。试验结果表明:插秧机在作业行直线跟踪精度较高,设计的控制系统满足插秧作业需求。

关键词：插秧机自动驾驶路径跟踪

基于灰色关联分析的收割机喂入量检测方法研究

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农机化研究 2024年

作者：李川高原源王爱臣江苏大学农业工程学院江苏大学现代农业装备与技术教育部重点实验室

为了提高联合收割机喂入量检测的准确性,提出了基于灰色关联权重的联合收割机喂入量检测方法。以水稻作为试验对象,中联重科PL60型联合收割机为试验平台,进行了喂入量检测田间试验。通过灰色关联分析确定了割台主动轴扭矩和发动机从动... 详细信息

为了提高联合收割机喂入量检测的准确性,提出了基于灰色关联权重的联合收割机喂入量检测方法。以水稻作为试验对象,中联重科PL60型联合收割机为试验平台,进行了喂入量检测田间试验。通过灰色关联分析确定了割台主动轴扭矩和发动机从动轴扭矩与喂入量关联度较大,分别建立了割台主动轴扭矩和发动机从动轴扭矩与喂入量回归模型,根据灰色关联权重对两个回归模型进行加权融合,并通过田间试验对融合后的喂入量检测模型进行验证。结果表明:检测模型的平均绝对误差为0.09 kg/s,平均相对误差为6.28%,能够实现喂入量的准确检测。

关键词：联合收割机喂入量检测灰色关联分析

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基于干扰观测器的插秧机路径跟踪滑模控制

农机化研究 2024年第6期46卷 80-85,95页

作者：李晋阳熊宏江周脉乐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

针对插秧机作业时,因农田环境复杂及空间差异性,在未知外部干扰下车辆容易发生滑移,从而影响路径跟踪效果、跟踪收敛时间长等问题,提出了一种基于干扰观测器的插秧机路径跟踪滑模控制方法。首先,建立了包含滑移的扩展运动学模型,在此基... 详细信息

针对插秧机作业时,因农田环境复杂及空间差异性,在未知外部干扰下车辆容易发生滑移,从而影响路径跟踪效果、跟踪收敛时间长等问题,提出了一种基于干扰观测器的插秧机路径跟踪滑模控制方法。首先,建立了包含滑移的扩展运动学模型,在此基础上引入横向和航向的复合干扰,设计非线性干扰观测器对干扰精准观测,降低滑模控制的抖振。为了避免奇异现象和提高收敛速度,提出采用快速非奇异终端滑模面和变指数幂次趋近律设计的控制器削弱干扰。在MatLab软件平台上建立了无干扰模型对比仿真,相比于快速幂次趋近律,选择的变指数幂次趋近律快速性更好,相比于快速终端滑模,设计的快速非奇异终端滑模动态性能更好。仿真结果表明:非线性干扰观测器能精确观测复合干扰;与无干扰观测器的滑模控制器相比,所设计的控制器能快速有效收敛、削弱干扰、降低抖振。在速度0.8 m/s的实际水田作业试验中,整体直线路径跟踪的横向平均绝对偏差为2.50 cm,均方根为2.90 cm,偏差总体数值较小,有效提高了控制系统稳定性和快速性,满足路径跟踪精度要求。

关键词：插秧机路径跟踪干扰观测器快速非奇异终端滑模变指数幂次趋近律