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基于STM32的轮式水产监控车控制系统设计

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河北农业大学学报 2024年第2期47卷 119-125页

作者：杨佳敏张晨一席瑞谦任振辉河北农业大学机电工程学院河北保定071001 河北省丘陵山地农机装备技术创新中心河北无极052400

针对目前水产养殖监控装备自动化水平低、设备简陋等问题,设计了1套以STM32单片机为核心的轮式水产监控车控制系统。该系统由降压模块、无线通信模块、驱动模块等组成,其中驱动模块完成了监控车的行走、操作平台的升降及机械臂的伸缩等... 详细信息

针对目前水产养殖监控装备自动化水平低、设备简陋等问题,设计了1套以STM32单片机为核心的轮式水产监控车控制系统。该系统由降压模块、无线通信模块、驱动模块等组成,其中驱动模块完成了监控车的行走、操作平台的升降及机械臂的伸缩等功能。通过2.4G无线网络技术,将遥控推杆信号和按键信号发送至信号接收机,控制PWM波来改变驱动电机的电压值,实现了监控车的行走功能。利用霍尔传感器实时反馈监控车的行驶速度,采用专家PID算法进行车速调整,实现了监控车的平稳运行;利用电源正接状态和反接状态的相互切换,通过电动推杆实现了操作平台的升降功能;通过脉冲数调整步进电机的转速完成了机械臂的伸缩控制。现场测试结果表明:监控车行驶速度在8 cm/s至32 cm/s区间内电机转速相对稳定,操作平台升降高度能够达到1.2 m,机械臂向外伸出能够达到1.5 m,监控车控制系统性能稳定可靠,达到了设计要求。

关键词： STM32 水产监控车控制系统专家PID

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

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双平板与双弧板式透空堤消浪性能比较研究

海洋湖沼通报 2024年第1期46卷 12-20页

作者：谢天李雪艳彭晶曲红红解晓敏王庆鲁东大学海岸研究所&山东省海上航天装备技术创新中心山东烟台264025

为探究波浪作用下双平板与双弧板式透空堤消浪性能的异同,运用Fluent软件,基于N-S方程构建了波浪与板式透空堤相互作用的数值模型,并采用物模试验结果对其进行了验证。结果表明,潜深D=-0.04、0 m时,90%以上工况下,双弧板式透空堤的透射... 详细信息

为探究波浪作用下双平板与双弧板式透空堤消浪性能的异同,运用Fluent软件,基于N-S方程构建了波浪与板式透空堤相互作用的数值模型,并采用物模试验结果对其进行了验证。结果表明,潜深D=-0.04、0 m时,90%以上工况下,双弧板式透空堤的透射波能较双平板式小,最大减小量为71%;潜深D=0.04 m时,双弧板式透空堤的透射波能较双平板式大,最大增加量为82%。不同潜深情况下,双弧板式透空堤的反射波能均较双平板式小。不同潜深情况下,双弧板式透空堤的耗散波能均较双平板式大,且两者的耗散波能均随着相对板宽的增大而增大。综合考虑两种类型板式透空堤的透射波能、反射波能以及耗散波能占比可知,在静水面及其以上时,双弧板式透空堤的消浪效果较双平板式透空堤更为显著。在工程实践中,根据具体的水域条件,可以选择处于适当深度的双弧板式透空堤。

关键词：板式透空堤消浪性能 VOF方法 N-S方程

基于MGWR的滨海区土壤盐渍化分布空间预测及影响因素分析

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环境科学 2024年第7期45卷 4293-4301页

作者：宋颖高明秀王佳凡徐帻欣山东农业大学资源与环境学院泰安271018 国家农机装备创新中心洛阳471934 山东鲁研农业良种有限公司济南250100

定量分析土壤盐渍化影响因素的空间非平稳性特征,预测其空间分布,对于合理利用滨海盐渍土资源和制定局部针对性防控措施具有重要意义.以山东省东营市河口区为研究区,通过经典统计学方法对土壤盐渍化状况进行描述性统计分析;利用空间自... 详细信息

定量分析土壤盐渍化影响因素的空间非平稳性特征,预测其空间分布,对于合理利用滨海盐渍土资源和制定局部针对性防控措施具有重要意义.以山东省东营市河口区为研究区,通过经典统计学方法对土壤盐渍化状况进行描述性统计分析;利用空间自相关理论探讨研究区土壤盐渍化全局与局部空间结构特征;选取与土壤盐渍化相关的影响因素,采用多元线性回归(MLR)、地理加权回归(GWR)和多尺度地理加权回归(MGWR)方法对研究区土壤盐渍化空间分布进行建模预测,分析不同影响因素与土壤盐渍化的空间非平稳性特征.结果表明:(1)研究区土壤含盐量均值为5.84 g·kg^(-1),整体表现为重度盐渍化,全局Moran's I指数为0.19 (P<0.00),空间聚集特征明显;(2) 3种模型中,MGWR模型建模精度最高.与MLR模型相比,GWR和MGWR的Radj2分别提高了0.05和0.07,RSS分别减少210.13和179.95;(3) MGWR回归结果表明,从不同影响因素标准化回归系数均值看,表层土壤盐渍化空间分布主要受中层土壤含盐量、黏粒含量和植被覆盖度影响.不同影响因素对土壤盐渍化的空间非平稳性特征较为显著;(4) MGWR土壤盐渍化空间分布预测结果表明,土壤含盐量高值区域(≥6 g·kg^(-1))主要分布于研究区北部,空间上整体呈现从沿海向内陆降低的趋势.研究结果可为县区及更大范围利用MGWR开展土壤盐渍化影响因素分析与预测制图提供参考.

关键词：土壤盐渍化地理加权回归(GWR) 影响因素数字土壤制图河口区

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500m超长工作面刮板智能输送技术研究

煤炭科学技术 2024年第4期52卷 326-335页

作者：崔卫秀穆润青解鸿章闫世元中煤张家口煤矿机械有限责任公司河北张家口076250 河北省高端智能矿山装备技术创新中心河北张家口076250

在中厚煤层开采领域,超长工作面智能开采是煤炭开采技术的发展趋势,而智能运输是其重要组成部分。在总结现阶段国内400~450 m工作面智能开采中刮板运输系统问题的基础上,探索了500 m超长工作面智能刮板输送系统装机功率与运量合理匹配... 详细信息

在中厚煤层开采领域,超长工作面智能开采是煤炭开采技术的发展趋势,而智能运输是其重要组成部分。在总结现阶段国内400~450 m工作面智能开采中刮板运输系统问题的基础上,探索了500 m超长工作面智能刮板输送系统装机功率与运量合理匹配的方法,提出了解决500 m超长工作面刮板运输技术难题的可行性方案。基于综采三机选型配套技术方案及2000 kW以上高端传动系统的应用实践,研制了国产2500 kW大功率变频一体智能传动系统,包括变频一体电机、减速器、限矩器等,关键技术、关键部件均实现了国产化。为解决因传动装置重心位置后移、中部槽槽宽参数不变,不利于端头设备顺利推移的技术难题,研究了中等槽宽配置大功率传动装置的防偏沉技术,建立了机头(尾)推移部多工况推移模型,并对推移部进行了结构优化,解决了因传动装置偏沉造成机头整体失衡、漂溜严重、推移难度加剧的问题。针对刮板链断链后,中部槽内煤量负荷较大时,液压马达难以带动、断链事故处理较为困难的问题,选用了大扭矩数字液压马达并研制了数字马达控制系统,减小了维护刮板链的工作强度。基于刮板运输设备安全运行对链条进行实时变形补偿的需求,提出了500 m运距链条张紧控制策略,开发了运行过程中链条张紧度随负荷梯度智能调节技术,解决了500 m运距链条弹性变形的动态补偿问题,并通过在机尾架盖板上端加装AI高清摄像仪来实现对链条运行状态的实时检测,为工作人员对链条运行状态的实时掌控提供了便利。此外,为了提高伸缩机尾对多种复杂工况的适应性,确保其在使用周期内能够伸缩自如,提出了从结构、材料、制造工艺三方面来提高伸缩机尾的强度和刚度的技术方案,并研制了液压缸防护罩、伸缩机尾滑道自动冲洗系统,进一步提升了伸缩机尾的可靠性。井下现场工业性试验表明:该设备运量与装机功率匹配合理,2500 kW变频一体智能传动系统占用空间较小、传递扭矩精准,斜推式机头(尾)推移部稳定可靠,数字液压马达处理断链问题方便省力,伸缩机尾按负荷分梯度自动张紧时未出现卡滞,保障了煤炭的安全、高效运输,为500 m超长工作面智能开采提供了技术保障。

关键词： 500 m超长工作面刮板输送系统智能开采数字马达自动张紧

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模态间匹配学习的高光谱和激光雷达联合分类

遥感学报 2024年第1期28卷 154-167页

作者：杭仁龙孙瑜刘青山南京信息工程大学计算机学院南京210044 江苏省大气环境与装备技术协同创新中心南京210044

如何有效地提取和融合不同模态的特征是高光谱图像和激光雷达数据联合分类的关键。近年来,得益于深度学习强大的特征学习能力,其在高光谱图像和激光雷达数据联合分类领域受到了越来越多的关注。然而,现有的深度学习模型大多基于监督学... 详细信息

如何有效地提取和融合不同模态的特征是高光谱图像和激光雷达数据联合分类的关键。近年来,得益于深度学习强大的特征学习能力,其在高光谱图像和激光雷达数据联合分类领域受到了越来越多的关注。然而,现有的深度学习模型大多基于监督学习的模式,分类性能依赖标注样本的数量和质量。为此,本文提出了一种基于模态间匹配学习的联合分类方法,充分利用未标注样本的信息,减少对标注信息的依赖性。具体而言,本文首先通过高光谱图像和激光雷达数据之间的匹配关系和KMeans聚类算法,构造模态匹配标签。然后,利用该标签训练含有多个卷积层的匹配学习网络。该网络由两个并行分支构成,每个分支负责提取单个模态的特征。最后,以该网络为基础,构造高光谱图像和激光雷达数据联合分类模型。该模型的参数由匹配学习网络进行初始化,因而只需要少量标注样本进行微调即可达到理想的分类效果。为了验证本文方法的有效性,在Houston和MUUFL两个常用的高光谱图像和激光雷达数据联合分类数据集上进行了大量的实验。实验结果表明,与已有的分类模型相比,本文方法能够获得更高的分类性能。

关键词：遥感图像高光谱图像激光雷达数据深度学习匹配学习联合分类

新型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

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

【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... 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，构建多无人割草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总转弯时间和作业时长分别平均减少22.89%和19.36%；与分区作业相比，IGA优化后的矩形果园路径总转弯时间和作业时长分别平均减少45.53%和10.68%。此外，梯形果园中，与GA和分区作业相比，IGA也不受果树分布影响，总转弯时间分别平均减少14.38%和34.08%，作业时长分别平均减少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：路径优化多机协同作业遗传算法新型苹果园

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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

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：振动频率4～12 Hz、振幅10～20 mm、夹持位置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%，满足酸枣采摘要求。

关键词：酸枣手持摇枝式振动采摘参数优化

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