农业机械学报杂志

农业机械学报杂志2020年第8期

• 植保无人机飞控系统与航线规划研究进展分析

  曹光乔，李亦白，南风，刘东，陈聪，张进龙

  应用无人机开展植保作业是有效防治病虫害的重要途径。本文对植保无人机行业发展和相关应用研究进行了综述，分别从植保无人机飞控系统、单机作业航线规划、多机作业调度场景及优化方法3个角度进行了阐述，以增强植保无人机作业效果与提高作业效率为目标，分析了植保无人机飞行控制系统及航线规划与调度的研究现状。针对植保无人机因作业精度要求高而导致其飞控系统制造成本高的问题，提出应研发低成本、高精度、可适应植保无人机作业需求的测姿器件，开发相应的姿态估计算法；针对植保无人机航线规划、优化调度模型与实际作业需求不匹配的情况，总结了单机作业航线规划与多机调度优化场景、约束条件与优化方法。最后，提出应研发植保无人机自动补给平台，构建基于多机协同的作业管理与调度优化模型，以增强植保无人机在复杂作业环境中的作业效果，提高作业效率。?

• 基于轻量化YOLOv3卷积神经网络的苹果检测方法

  武星，齐泽宇，王龙军，杨俊杰，夏雪

  为使苹果采摘机器人在复杂果树背景下能快速准确地检测出苹果，提出一种轻量化YOLO（You only look once）卷积神经网络（Light-YOLOv3）模型与苹果检测方法。首先，对传统YOLOv3深度卷积神经网络架构进行改进，设计一种同构残差块串联的特征提取网络结构，简化目标检测的特征图尺度，采用深度可分离卷积替换普通卷积，提出一种融合均方误差损失和交叉熵损失的多目标损失函数；其次，开发爬虫程序，从互联网上获取训练数据并进行标注，采用数据增强技术对训练数据进行扩充，并对数据进行归一化，针对Light-YOLOv3网络训练，提出一种基于随机梯度下降（Stochastic gradient descent，SGD）和自适应矩估计（Adaptive moment estimation，Adam）的多阶段学习优化技术；最后，分别在计算机工作站和嵌入式开发板上进行了复杂果树背景下的苹果检测实验。结果表明，基于轻量化YOLOv3网络的苹果检测方法在检测速度和准确率方面均有显著的提高，在工作站和嵌入式开发板上的检测速度分别为116.96、7.59?f/s，F1值为94.57%，平均精度均值（Mean average precision，mAP）为94.69%。

• 击打式松果采摘机器人设计与试验

  王克奇，张维昊，罗泽，张怡卓

  针对人工采摘松果过程中存在严重安全隐患的问题，设计了一种击打式松果采摘机器人，该机器人系统主要由电机驱动模块、主控模块、视觉模块、夹持模块、采摘模块组成，视觉模块完成松果识别与定位，实时反馈给主控模块，并控制电机驱动模块，配合夹持模块和采摘模块作业实现松果采摘。采用Matlab仿真软件建立松果采摘机器人运动学模型，求解出机械臂工作空间为直径4.5?m的球体；基于冲量原理和Lagrange方程建立碰撞动力学模型，通过动态分析求解出碰撞后各关节保持原有运动规律所需的驱动力矩；运用静力学原理建立关键组件有限元模型，利用ANSYS Workbench对结构进行优化设计，优化后其安全系数最低为1.577?1，支撑关节最大变形?4.148?4?mm。仿?真结果表明：该机器人结构在运动学、动力学及静力学方面均满足设计要求。制作物理样机并在实验室环境下进行了松果采摘试验，样机初始状态尺寸1?000?mm×1?200?mm×1?100?mm，试验结果验证了机器人结构设计的合理性与实用性。

• 基于YOLOv3目标检测的秧苗列中心线提取方法

  张勤，王家辉，李彬

  针对秧苗列中心线的检测结果易受到水田中的浮萍、蓝藻以及水面反射、风速、光照情况等自然条件影响的问题，提出一种基于YOLOv3目标检测的秧苗列中心线检测算法。基于透视投影计算提取图像的ROI(Region of interest)区域，采用ROI图像构建数据集，对YOLOv3模型进行训练，训练过程中通过减少YOLOv3模型的输出降低运算量，利用模型识别定位ROI内的秧苗，并输出其检测框，对同列秧苗的检测框进行自适应聚类。在对秧苗图像进行灰度化和滤波处理后，在同类检测框内提取秧苗SUSAN（Smallest univalue segment assimilating nucleus）角点特征，采用最小二乘法拟合秧苗列中心线。试验结果表明，该算法对于秧苗的不同生长时期，以及在大风、蓝藻、浮萍和秧苗倒影、水面强光反射、暗光线的特殊场景下均能成功提取秧苗列中心线，鲁棒性较好，模型的平均精度为91.47%，提取的水田秧苗列中心线平均角度误差为0.97°，单幅图像（分辨率640像素×480像素）在GPU下的平均处理时间为82.6?ms，能够满足视觉导航的实时性要求。为复杂环境下作物中心线的提取提供了有效技术途径。

• 气流输送播种机压电式流量传感器设计与试验

  赵博，樊学谦，周利明，李阳，车宇，牛康

  为实现气流输送播种机播种质量的快速准确检测，设计了一种基于压电陶瓷的弧形阵列式播种流量传感器。在分析气流分配器出种口种子运动特性的基础上，对感知单元布局及传感器整体结构进行了优化设计；通过不同条件下种子碰撞试验，确定了感知单元的材料和结构尺寸；设计了信号调理电路与脉冲计数电路，实现了种子在线计量，并通过CAN通信实时发送。利用气流输送播种试验台架，分析了气流压力及排种量对传感器检测精度的影响，在正常工作气压范围内，检测误差与气流压力近似满足线性关系，进一步提出了传感器检测的校准模型，并进行了台架试验验证。结果表明：在推荐工作参数条件下，即气压为166?Pa、排种量低于170粒/s时，校准后传感器的检测误差在5%以内，且传感器对堵塞故障报警准确率达100%。该传感器能够有效地监测气流输送播种机的排种性能，有助于提高播种作业质量。

• 非圆齿轮系大蒜直立移栽机构优化设计与试验

  孙伟，冯江，蒋亦元

  根据大蒜鳞芽直立朝上栽植的农艺需求，设计了一种可实现复杂栽植轨迹的二阶非圆齿轮行星轮系移栽机构。采用D-H方法建立了移栽机构的数学模型，通过对大蒜移栽轨迹与姿态进行分析，确定了直立移栽机构所需实现的优化目标；在Matlab平台下编写了移栽机构的GUI优化设计软件，利用参数导引启发式优化算法对机构进行了多目标参数优化设计，通过人机交互优选出一组非劣解；采用自上而下的参数驱动设计方法，在CATIA中完成了移栽机构的参数化建模，并对机构进行了虚拟样机验证；通过台架试验，获得各试验因素对大蒜移栽后倾斜角的影响规律；提出了针对不同工况的优化模型，在最佳参数组合方案下进行了验证。结果表明，当移栽深度为?17?mm、?机构转速为29.6?r/min、匹配速比为100%时，获得的蒜瓣倾斜角平均值为8.54°，当提高机构转速时，通过对参数方案进行优选可将倾斜角控制在合理的范围内，以满足大蒜直立栽植的农艺要求。

• 油葵联合收获机专用割台设计与试验

  刘巍，黄小毛，马丽娜，宗望远，朱云飞

  针对国内现有油葵联合收获机割台存在的物料堵塞、堆积以及因拨禾轮回带导致的葵盘无法进入割台等问题，结合我国油葵种植模式和农艺要求，设计了一种拨禾轮式油葵联合收获机专用割台。对分禾过程中油葵茎秆的姿态进行分析，确定了内分禾器宽度、长度和内分禾器间隙；选取不同拨禾速比?λ?，对拨禾轮运动轨迹进行仿真分析，确定了拨禾速比取值范围，并得出拨禾轮的最优直径和转速；为降低输送器输送时拨指对葵盘的击打和油葵茎秆的缠绕，设计了刮板式输送器；为保证良好的切割效果，基于刀机速比?γ?，确定了往复式切割器切割速度。在新疆维吾尔自治区阜康市河南庄子村进行了油葵收获田间试验，当整机前进速度为0.8?m/s时，喂入量为3.3?kg/s，割台平均损失率仅为1.42%，整机作业效率0.69?hm?2/h。收获作业过程中整机运行平稳，割台收获过程无堵塞、无缠绕，满足油葵联合收获机割台的设计要求。

• 纵横刀组协同式马铃薯种薯切块装置设计与试验

  吕金庆，杨晓涵，李紫辉，李季成，刘中原

  针对马铃薯种薯切块机械化程度低的问题，设计了一种纵横刀组协同式马铃薯种薯切块装置，对其关键部件进行设计，通过对马铃薯种薯切割过程的力学分析、运动学分析和能量学分析，建立了切种能量的数学模型，确定了影响马铃薯切种效果的主要因素。以切种效率、切种合格率为评价指标，以圆盘刀半径、输送辊与圆盘刀垂直中心距、圆盘刀轴转速和夹持辊轴转速为试验因素，进行了四因素四水平正交试验。对正交试验结果进行方差和极差分析，结果表明：当圆盘刀半径为180?mm、输送辊与圆盘刀垂直中心距为190?mm、圆盘刀轴转速为115?r/min、夹持辊轴转速为56?r/min时，切种效率为74.5?kg/min，切种合格率为98.8%，满足马铃薯切种作业要求。

• 马铃薯中耕前期圆盘式中耕机设计与试验

  衣淑娟，孙志江，李衣菲，李紫辉，李季成，吕金庆

  针对现有马铃薯中耕机在第1次中耕作业时存在作业效果不佳、易伤苗的问题，对圆盘式马铃薯中耕机进行设计与试验。阐述了该机的工作原理，通过理论计算对其关键部件进行设计，根据农艺培土、除草等作业要求，确定了圆盘式马铃薯中耕机主要结构参数和作业参数；采用单因素和二次旋转正交组合试验，以耕作深度、机车前进速度、调节角为试验因素，以除草率及伤苗率为试验指标进行了样机试验。试验结果表明，当耕作深度为0.13?m、机车前进速度为4.6?km/h、调节角为52°时，除草率为95.2%，伤苗率为3.9%，满足国家标准伤苗率不大于5%、除草率不小于90%的要求。

• 花生联合收获青贮机秧捆包膜装置设计与试验

  杨然兵，王政增，尚书旗，陈明东，王婕，王志超

  针对我国花生秧蔓包膜青贮设备自动化程度低、无法实现花生果秧联合收获的问题，在4HB-2A型花生联合收获机的基础上，增设了固定式秧捆包膜装置。选择宽25?cm、厚25?μm的聚乙烯拉伸膜，通过分析其拉长率和包膜重叠率，确定秧捆包膜时拉伸膜拉长率和包膜重叠率均为50%。根据拉伸膜拉长率的要求设计导膜机构，通过导膜机构受力分析得出扭转弹簧扭转角大于68°，导膜辊绕膜角大于108°。基于对秧捆规格、拉伸膜横向收缩率及包膜重叠率的分析，确定装置旋转和秧捆自转的角速度比为18，通过对包膜装置传动配合关系和承载滚筒的设计，使装置旋转和秧捆自转的角速度比达到预期值。基于ASAMS对包膜装置气压缸推动提升角度进行仿真，确定装置提升角为66°。样机田间性能试验表明，所设计的固定式包膜装置拉伸膜拉长率为51.4%，包膜2、4、6层的包膜效率分别为10.5、8.4、7.6?s/层，均匀性变异系数分别为12.20%、7.70%和4.70%，各项指标均符合标准要求，包膜质量满足花生秧蔓青贮要求。

• 喷雾降温风机风筒优化设计与试验

  杜哲，胡永光，仇树成，陈永鑫

  为缓解高温热害对茶果树的影响，基于圆弧板型叶片模型设计了一种喷雾降温风机，并对风筒结构进行建模和动力学仿真。以出风口直径、进风段长度和出风段长度为试验因素，以风机出口总压和风速为试验指标，采用Design?Expert 8.0.6软件优化风筒结构参数。优化结果表明，各因素对出口总压和风速的影响由大到小依次为出风口直径、出风段长度、进风段长度。最优参数组合为出风口直径1?070?mm、进风段长度350?mm和出风段长度?270?mm。?选取WJ-7010、WJ-8010型喷嘴，利用优化后的风筒结构进行了风速试验和喷雾降温性能试验。风速试〖JP2〗验表明，当风筒出风口直径和总长度分别为1?070、840?mm时，出风口风量为701.30?m??3?/min，最大风速为16.00?m/s，〖JP〗有效送风距离约为55.00?m。喷雾降温性能试验结果表明，当使用WJ-8010型喷嘴时，与对照组相比，平均温度降低0.68~11.11℃，最大温差范围为1.80~13.90℃。在38℃高温环境下，喷雾降温风机在20?m范围内的降温幅度接近5℃，降温效果良好。?

• 基于RSM和NSGA-Ⅱ的苜蓿种子离散元模型参数标定

  马文鹏，尤泳，王德成，尹世杰，郇晓龙

  为寻求最优苜蓿种子离散元模型接触参数组合，设计了一种可同时测定物料休止角与堆积角的装置，并提出测定方法，将实际试验与仿真试验相结合，以苜蓿种子休止角和堆积角的实测值与仿真值误差为指标，对苜蓿种子模型参数进行标定。通过Plackett-Burman试验筛选出对指标影响显著的接触参数，采用响应曲面法（RSM）建立显著性参数与指标之间的二阶数学模型，采用非支配排序遗传算法Ⅱ（NSGA-Ⅱ）进行多目标寻优计算，获取最优苜蓿种子离散元模型接触参数组合，即种间碰撞恢复系数为0.47，种间静摩擦因数为0.24，种间滚动摩擦因数为0.08。采用槽轮式排种器进行了试验验证，结果表明，在不同排种轮转速条件下，苜蓿种子质量流率实测值和仿真值的平均相对误差为2?89%，该苜蓿种子离散元模型和接触参数能够满足离散元仿真试验要求，基于RSM和NSGA-Ⅱ的多目标优化方法具有科学性和可行性。?

• 基于Netty和Marshalling的青饲机工况远程监测系统研究

  毛文华，韩少云，赵博，王丽丽，汪凤珠，汪洋?

  针对青饲机工况信息数据的采样频率、并发量不断增大时，会造成I/O速度降低和数据丢包率上升等问题，研究了车载终端与云服务的数据通信协议和长字符串编解码方法，分析了Netty框架和传统NIO框架对并发量的影响，比较分析了Java序列化、Protobuf和Marshalling等3种编解码方法，提出数据采集、数据传输、Web应用三者分开的技术方案，设计了基于CAN总线技术、Netty自定义通信协议的青饲机工况信息远程监测系统。模拟试验结果表明，在500?ms发送周期下，本系统比传统的数据采集系统在并发总量上提高了0.8倍；在200、100、50?ms发送周期下，采用Marshalling的系统性能比采用Java序列化的系统，在I/O速度上分别提高0.4、3.9、1.5倍。田间试验结果表明，系统运行平稳，具有很好的稳定性和可靠性。对青饲机主要部件的工况数据统计分析表明，数据对工况诊断具有参考性，系统基本满足对青饲机主要部件工况的监测需求。该系统能够在高频次、高并发量下提高I/O速度，保证稳定的数据接入量。

• 黑龙江省近50年大豆需水量与干旱时空分布特征研究

  李玖颖，王欣亮，王忠波，聂堂哲

  基于黑龙江省28个气象站1966—2015年逐日气象数据和20个农业气象站1991—2008年大豆生育期观测资料，计算大豆不同生育阶段的有效降雨量、需水量和水分盈亏指数(Crop water surplus deficit index)及三者的气候倾向率，并根据水分盈亏指数制定干旱等级，计算各生育阶段干旱频率和干旱强度，利用ArcMap空间分析功能绘制相应分布图。结果表明，黑龙江省大豆生育期内年均有效降雨量为253~370?mm，平均值为321?mm，除生长前期外，其他各生育阶段均表现为中部高和东西部较低的分布趋势，大豆生育期有效降雨量气候倾向率为-6.16~9.09?mm/(10a)，平均值为2.41?mm/(10a)，生长前期有效降雨量总体呈上升趋势，生长后期有效降雨量总体呈下降趋势；大豆年均需水量为336~465?mm，平均值为388?mm，各生育阶段需水量均呈中部低、东西部高的空间分布规律，大豆生育期内需水量气候倾向率为-16.01~2.42?mm/(10a)，平均值为-5.17?mm/(10a)，各生育阶段需水量总体呈下降趋势；大豆生育期内年均水分盈亏指数为-44.5%~8.9%，均值为-15%，自西向东呈先增大后减小的趋势，水分盈亏指数的气候倾向率为-1.89~4.92%/(10a)，水分盈亏指数总体呈上升趋势；大豆各生育阶段干旱频率分布与需水量空间分布大致相同，其中生长前期和快速发育期干旱频率高于生长中期和生长后期，易发生春旱和夏旱。本研究可为黑龙江省大豆的灌溉管理和旱灾预防提供理论依据和参考。?

• 基于最小响应单元的地下水埋深时空分异特征研究

  牛腾，岳德鹏，于佳鑫，于强，王朋冲，胡雅慧

  采用协同克里金插值方法，以2005、2009、2013、2017年4a翁牛特旗地下水埋深为主变量，以NDVI（归一化植被指数）、降水量和河网密度为协变量，计算研究区内的地下水埋深，运用改进水文响应单元模式，在空间上将协同克里金插值后的地下水埋深栅格数据转换为矢量数据，将传统的简单插值分析方法运用协同克里金和最小响应单元进行改进，使之更贴合实际地下水汇流情况，获取最小响应单元551个，并据此进行空间整体与局部自相关分析。结果表明，在研究区空间上，地下水埋深东西分异规律明显，地下水位呈现西高、东低的态势，受降水和河流影响逐渐变大；在时间序列上，地下水埋深平均变化不大，但逐渐呈现聚集的趋势。

• 基于高光谱成像的肥城桃品质可视化分析与成熟度检测

  邵园园，王永贤，玄冠涛，高冲，王凯丽，高宗梅

  肥城桃采摘后转色快、易腐烂，导致果品等级下降。采用高光谱成像技术对其进行可溶性固形物含量（SSC）和硬度可视化分析与成熟度检测，以提高果品质量，实现优果优价。首先，采集成熟度为70%和90%的各80个肥城桃的高光谱信息、SSC和硬度，通过蒙特卡罗偏最小二乘法分析剔除异常值，利用光谱-理化值共生距离划分样本集，采用竞争性自适应权重采样算法（CARS）和连续投影算法（SPA）选取特征波长，并建立多元线性回归（MLR）模型。研究表明：CARS-MLR模型性能优于SPA-MLR模型；预测SSC的CARS-MLR模型，??R??2?c?和??R??2?v?分别为0.819?1和0.843?9，RPD为2.0；预测硬度的CARS-MLR模型，??R??2?c?和??R??2?v?分别为0.951?8和0.877?2，RPD为2.1。然后，基于CARS-MLR模型计算肥城桃每个像素点的SSC和硬度，生成可视化分布图，实现不同成熟度肥城桃SSC和硬度可视化检测。最后，利用顺序前向选择算法优选特征波长，建立人工神经网络成熟度预测模型，获得98.3%总识别准确率。

• 聚乙二醇对大豆分离蛋白美拉德反应和功能特性的影响

  满朝新，谭兆伦，胡淼，李杨，谢凤英，齐宝坤

  利用聚乙二醇（Polyethylene glycol, PEG）使大豆分离蛋白（Soy protein isolate, SPI）与葡聚糖（Dextran, D）在拥挤液体系下进行美拉德结合反应，通过提高PEG质量浓度改变溶液中的溶质拥挤程度，探究不同拥挤程度对SPI-D美拉德反应的影响，并研究SPI-D复合物结构的变化。利用接枝度和十二烷基硫酸钠-聚丙烯酰胺凝胶电泳（SDS-PAGE）研究不同PEG质量浓度下SPI-D复合物的结合情况，通过红外光谱、表面疏水性、游离巯基含量、溶解度及乳化性能等分析不同糖化程度对SPI的结构变化及功能性质表达的构效关系。结果表明：随着PEG质量浓度的增加，复合物结合程度不断加深，蛋白结构发生改变，α?螺旋等结构减少，无规则卷曲增加，表面疏水性不断降低，乳化性能持续改善。当PEG质量浓度在0.06?g/mL以上时，SPI-D复合物糖化增速放缓。