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旋转剪切式青花椒采摘装置设计与试验

农业工程学报 2024年第3期40卷 72-83页

作者：杨玲张原何志远李守太蒲应俊陈维汉杨仕杨明金西南大学工程技术学院重庆400715 丘陵山区农业装备重庆市重点实验室重庆400715

针对基于“下桩”采摘方法的青花椒采摘设备存在喂入困难、易堵塞而造成采摘效率低的问题,该研究设计了一种旋转剪切式青花椒采摘装置。首先基于花椒枝物理、力学特性确定旋转剪切式青花椒采摘过程包括花椒枝旋转驱动、花椒枝导向喂入... 详细信息

针对基于“下桩”采摘方法的青花椒采摘设备存在喂入困难、易堵塞而造成采摘效率低的问题,该研究设计了一种旋转剪切式青花椒采摘装置。首先基于花椒枝物理、力学特性确定旋转剪切式青花椒采摘过程包括花椒枝旋转驱动、花椒枝导向喂入和剪切采摘,剪切采摘功能由往复式切割器实现。并设计双动刀往复式切割器及其传动机构,确定了剪切采摘装置的结构和运动参数。进一步地,运用ANSYS/LS-DYNA构建花椒枝剪切仿真模型,确定最优齿形参数为:刀齿切割角20°,刀齿刃角50°,刀齿厚度2.5 mm,该条件下峰值切割力为3.739 N。最后通过单因素试验确定了花椒枝喂入角度、花椒枝喂入速度、花椒枝旋转速度的取值范围分别为40°~60°、20~40 mm/s、20~40 r/min;并采用BoxBehnken设计法制定三因素二次回归正交组合试验方案,运用Design-Expert 12对试验结果进行方差分析和响应面分析,得到旋转剪切式青花椒采摘装置的最优工作参数为:花椒枝喂入角度55°,花椒枝喂入速度33.21 mm/s,花椒枝旋转速度30 r/min;通过试验验证得出在最优工作参数下,单人单枝喂入时青花椒平均采摘效率为10.95 kg/h,平均采净率为95.57%,平均伤果率为12.87%。研究结果可为青花椒采摘机的研发提供技术参考。

关键词：农业机械优化有限元分析青花椒采摘下桩采摘法剪切采摘装置

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改进YOLOv5su模型检测桃树缩叶病

农业工程学报 2024年

作者：姚凌云周俊峰李丽西南大学工程技术学院重庆市丘陵山区农业装备重点实验室

为实现自然环境下桃树缩叶病的检测，该研究提出了一种基于YOLOv5su的桃树缩叶病识别改进模型DLLYOLOv5su。首先，针对桃树缩叶病目标特征变化较大的问题，在骨干网络最后一层C3模块中加入可变形自注意力模块（deformable attention,DA... 详细信息

为实现自然环境下桃树缩叶病的检测，该研究提出了一种基于YOLOv5su的桃树缩叶病识别改进模型DLLYOLOv5su。首先，针对桃树缩叶病目标特征变化较大的问题，在骨干网络最后一层C3模块中加入可变形自注意力模块（deformable attention,DA），使模型更加关注目标区域，降低背景对模型的影响，提高模型在复杂背景下的拟合能力。其次在SPPF（fast spatial pyramid pooling）模块中引入LSKA（large separable kernel attention）结构，大核卷积增大了模型的感受野，使模型能够关注更多信息。最后，提出了LAWD（lightweight adaptive weighted downsampling）模块，使用轻量化的下采样结构替换卷积模块，减少计算开销。在桃树缩叶病数据集上进行试验，结果显示，DLL-YOLOv5su模型权重大小为17.6MB，检测速度为83帧/s。识别准确率P、召回率R和平均精度均值mAP50分别达到了80.7%、73.1%和80.4%，相较于原始YOLOv5su分别提高了4.2、 2.4和4.3个百分点。与YOLOv3-tiny、 FasterR-CNN、YOLOv7和YOLOv8相比mAP50分别高出了28.5、11.8、2.1和4.1个百分点。改进模型识别精度高，误检、漏检率低，检测速度满足实时检测的要求，可以为桃树缩叶病的实时监测和预警提供参考。

关键词：图像处理病害缩叶病目标检测 YOLOv5su 可变形自注意力大核卷积轻量化

丘陵山区小型玉米收获机单行去穗机构设计与试验

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中国农机化学报 2024年第1期45卷 28-34页

作者：向旺孙玉华王鹏王佩根龙海天谢守勇西南大学工程技术学院重庆市400715 丘陵山区农业装备重庆市重点实验室重庆市400715

玉米作为我国主要农作物之一,在丘陵山区玉米的产量并没有较大提升,其原因是丘陵山区玉米收获机械化程度较低。因此,针对丘陵山区玉米机械化收获的问题,设计一款单行不平行去穗机构。通过受力分析,玉米脱离方向的合力大小是决定玉米是... 详细信息

玉米作为我国主要农作物之一,在丘陵山区玉米的产量并没有较大提升,其原因是丘陵山区玉米收获机械化程度较低。因此,针对丘陵山区玉米机械化收获的问题,设计一款单行不平行去穗机构。通过受力分析,玉米脱离方向的合力大小是决定玉米是否从穗柄脱离的关键,摘穗辊的转速与植株结穗位置直径大小是影响合力的关键参数。同时,设计适应于丘陵山区的三角履带底盘,通过受力分析知道由三角履带底盘承载的玉米收获机能够在最大坡度19.2°的山坡作业,并通过试验验证。由Adams仿真得到玉米穗在受到竖直方向拉力时玉米穗脱离穗柄的力在100~200 N之间。同时,利用拉力试验机对随机选取的郑单958玉米进行5种不同拉力速度试验,验证仿真结果的准确性。基于试验与仿真的结果,确定摘穗辊的转速应大于473 r/min。最后在自制的小型单行玉米收获机上进行去穗试验,试验结果表明:籽粒破损率为0.69%,玉米穗撞击损伤率为0.83%,断穗率为6.7%,所设计的去穗机构去穗效果良好,同时搭载三角履带底盘能够满足玉米收获机在较大坡度山地的作业要求,可靠性较高。

关键词：丘陵山区玉米去穗机构动力学仿真拉力试验抗倾覆试验

双螺旋振动式马铃薯供种装置离散元仿真及优化

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中国农机化学报 2024年第4期45卷 23-31页

作者：周百冬牛琪喻炜谢守勇王丽红李成松西南大学工程技术学院重庆市400715 西南大学丘陵山区农业装备重庆市重点实验室重庆市400715

对丘陵山区马铃薯切块种薯播种机械化程度低的问题,提出一种双螺旋振动式供种装置,通过EDEM仿真试验对切块薯在料斗内输送过程进行研究,并设计正交试验通过响应面法对切块薯振动式供种装置关键参数进行优化,提高供种速率。通过理论分析... 详细信息

对丘陵山区马铃薯切块种薯播种机械化程度低的问题,提出一种双螺旋振动式供种装置,通过EDEM仿真试验对切块薯在料斗内输送过程进行研究,并设计正交试验通过响应面法对切块薯振动式供种装置关键参数进行优化,提高供种速率。通过理论分析和仿真试验表明,影响切块薯物料输送效率的因素包括振动装置工作电压、单个轨道螺距以及底面倾角,其中工作电压和单个轨道螺距通过改变物料在螺旋轨道上的运动速度来调整输送速率,而底面倾角通过改变物料分散进入螺旋轨道的速度来提高。通过正交试验和响应面法,得到较优参数:工作电压200 V,单个轨道螺距186.626 mm,料斗底面倾角为5.075°时,输送速率最高为214粒/min,满足马铃薯切块薯排种器供种需求。该研究为后续丘陵山区马铃薯精量播种技术提供理论参考。

关键词：马铃薯振动排种供种装置离散元法正交试验

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基于激光雷达自适应聚类半径的树冠检测研究

中国农机化学报 2024年第2期45卷 221-226,266页

作者：台少瑜李云伍赵颖林先卬黎远江王义成西南大学工程技术学院重庆市400716 丘陵山区农业装备重庆市重点实验室重庆市400716

为解决丘陵山地果园条件下激光雷达检测过程中面对多尺寸、多距离条件下出现的目标物体漏检、误检等欠分割和过分割问题,提出一种基于激光雷达的自适应目标聚类半径目标物体检测方法。首先,在使用激光雷达感知到周围环境的三维点云后,... 详细信息

为解决丘陵山地果园条件下激光雷达检测过程中面对多尺寸、多距离条件下出现的目标物体漏检、误检等欠分割和过分割问题,提出一种基于激光雷达的自适应目标聚类半径目标物体检测方法。首先,在使用激光雷达感知到周围环境的三维点云后,去除地面点云并且使用体素滤波进行降采样的预处理,在减少数据量的同时去除点云中的噪声点。其次,建立K-d tree模型进行最近邻搜索,以加速欧式聚类的进程,通过自适应确定每颗树冠的聚类半径,使欧式聚类能够得到更好的聚类效果。最后为验证算法准确性和实用性,基于果园履带车平台,采用32线激光雷达对所提算法进行实车测试。结果表明:在丘陵山地果园中该算法可准确聚类果树树冠点云,且实地目标正检率为94.41%。

关键词：激光雷达树冠检测 K-d tree模型自适应聚类

大豆玉米带状种植模式下玉米摘穗机设计与试验

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中国农机化学报 2024年第2期45卷 7-12,70页

作者：王鹏谢守勇李明生陈行政张小亮刘伟西南大学工程技术学院重庆市400715 丘陵山区农业装备重庆市重点实验室重庆市400715

针对丘陵山区大豆玉米带状种植模式的玉米果穗收获有机难用、无机可用的现状,设计一款自走式小型玉米摘穗机。该机采用纵卧式摘穗辊实现果穗摘取,并通过输送装置收集装袋;采用“Y”型布局的L型小甩刀实现茎秆粉碎。对摘穗过程进行动力... 详细信息

针对丘陵山区大豆玉米带状种植模式的玉米果穗收获有机难用、无机可用的现状,设计一款自走式小型玉米摘穗机。该机采用纵卧式摘穗辊实现果穗摘取,并通过输送装置收集装袋;采用“Y”型布局的L型小甩刀实现茎秆粉碎。对摘穗过程进行动力学分析、对粉碎过程进行静力学分析,确定其核心装置设计参数并进行样机试制。以茎秆粉碎长度合格率、果穗损失率、籽粒破碎率为试验指标进行田间试验,来验证该机设计的合理性。试验表明:在生产率为0.8 hm^(2)/d、果穗籽粒含水率为26.38%、茎秆含水量为71.25%的条件下进行试验,茎秆粉碎长度合格率为92.4%、果穗损失率为2.06%、籽粒破碎率为0.61%。该机设计各项指标符合国家相关标准,能够满足丘陵山地地区玉米机械化收获需求。

关键词：摘穗茎秆粉碎甩刀玉米大豆玉米带状种植

基于CFD的果园喷雾风筒装置流体分析与试验

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中国农机化学报 2024年第1期45卷 96-102页

作者：王克超李云伍赵颖王柏林黎远江王义成西南大学工程技术学院重庆市400715 丘陵山区农业装备重庆市重点实验室重庆市400715

针对传统果园风送式喷雾机存在风能利用率低、风场较为分散等问题,开发一种与独立风机直接装配的小型喷雾风筒装置。运用CFD软件对该风筒装置内外流场进行模拟仿真,分析内流场风场云图及距外流场出风口不同距离平面中心区域的风速。结... 详细信息

针对传统果园风送式喷雾机存在风能利用率低、风场较为分散等问题,开发一种与独立风机直接装配的小型喷雾风筒装置。运用CFD软件对该风筒装置内外流场进行模拟仿真,分析内流场风场云图及距外流场出风口不同距离平面中心区域的风速。结果表明:风筒内流场风速线分布均匀,能很好地产生旋流风,风能损失小;在外流场中,各平面风速分散性较小,出口风速达到17.15 m/s,满足果园喷雾机的风筒出口速度要求。并通过试验平台验证在距离出风口0.6 m处,实际风速为10.48 m/s,与仿真分析结果相比,相对误差为2.58%,且竖直高度上喷幅可达0.650 m,覆盖宽度可达0.669 m,证明所设计的风筒装置在该喷雾距离下能对果树冠层有较好的覆盖性,为进一步设计机架及风筒装置布置方案提供理论支撑。

关键词：果树冠层风筒喷雾 CFD模拟内外流场喷雾试验

基于改进Deeplabv3+模型的果树语义分割研究

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中国农机化学报 2024年第1期45卷 209-216页

作者：黎远江李云伍赵颖台少瑜王克超西南大学工程技术学院重庆市400716 丘陵山区农业装备重庆市重点实验室重庆市400716

针对丘陵山区果园存在地形、光线、边界干扰等环境因素对单株果树难以精准识别分割的问题,提出一种改进的高精度Deeplabv3+语义分割网络模型。首先,该模型以ResNet50为主干网络提取特征,引入金字塔拆分注意力(PSA)机制,获得更清晰的果... 详细信息

针对丘陵山区果园存在地形、光线、边界干扰等环境因素对单株果树难以精准识别分割的问题,提出一种改进的高精度Deeplabv3+语义分割网络模型。首先,该模型以ResNet50为主干网络提取特征,引入金字塔拆分注意力(PSA)机制,获得更清晰的果树轮廓边界信息;继而,将条纹池化(SP)模块串联到解码部分,通过SP加强特征提取,分别沿水平和垂直维度获取丰富的上下文信息,扩大感受野范围并保证信息完整性和连续性。通过语义分割可得以下结论:在使用Labelme工具进行自主图像标注的丘陵山区果树树冠图像数据集中,果树单株识别分割准确率PA为98.91%,果树分割的平均交并比MIoU为74.94%,相较于PSPNet、UNet、FCN和Deeplabv3+,PA分别提高2.5%、1.88%、1.03%和1.85%,MIoU分别提高10.93%、8.19%、2.78%、5.73%,有较明显的数据提升。该研究成果可为智能农业装备在果园对靶喷药、长势识别等精细化作业方面提供数据支撑。

关键词：果树树冠分割 Deeplabv3+ 语义分割条状池化注意力机制

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基于机器学习的空气源热泵干燥能耗回归预测

农业工程学报 2024年第2期40卷 41-51页

作者：杨仕陈维汉杨明金张原李守太蒲应俊杨玲宋卫东西南大学工程技术学院重庆400715 丘陵山区农业装备重庆市重点实验室重庆400715 农业农村部南京农业机械化研究所南京210014

为了降低空气源热泵干燥过程能耗,研究了空气源热泵干燥能耗特性,采用多元线性回归模型(multivariate linear regression model, MLRM)和BP神经网络(back propagation neural network, BPNN)模型来预测干燥工艺能耗。在分析干燥能耗影... 详细信息

为了降低空气源热泵干燥过程能耗,研究了空气源热泵干燥能耗特性,采用多元线性回归模型(multivariate linear regression model, MLRM)和BP神经网络(back propagation neural network, BPNN)模型来预测干燥工艺能耗。在分析干燥能耗影响特征参数的基础上,提出将干燥工艺过程进行切分处理的方法以降低数据获取难度。选取烘房设定温度、烘房设定湿度、烘房初始温度、烘房初始湿度、环境平均温度、环境平均湿度、物料质量和初始含水率8个特征参数作为模型输入,能耗和物料结束含水率作为模型输出。使用MLRM模型、BPNN模型和其他机器学习模型进行能耗预测,MLRM模型对能耗拟合的决定系数为0.739,对物料结束含水率拟合的决定系数为0.931;BPNN模型使用Sigmoid函数作为激活函数时对能耗拟合的决定系数最高,为0.828,使用Identity函数作为激活函数时对物料结束含水率拟合的决定系数最高,为0.942,拟合效果优于其他机器学习模型,能够满足实际生产需求。以复水豌豆为干燥对象设计加载物料65 kg、持续时间4 h的完整变温变湿干燥工艺进行验证试验,结果表明:试验总能耗为15.066 kW·h,MLRM模型和BPNN模型的预测总能耗分别为14.476 kW·h、15.183 kW·h,预测精度分别为96.08%、99.23%;试验结束含水率为8.541%,MLRM模型和BPNN模型的预测结束含水率分别为9.560%、8.889%,预测精度分别为88.07%、95.93%。该研究提出了一种使用MLRM模型和BPNN模型对空气源热泵干燥能耗进行分段精准预测的有效手段,对于优化干燥工艺和降低干燥能耗具有实际意义。

关键词：热泵干燥能耗模型回归预测机器学习工艺切分