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农业机械学报
中国农业机械学会 中国农业机械化科学研究院
农业机械学报

中国农业机械学会 中国农业机械化科学研究院

任露泉

月刊

1000-1298

njxb@caams.org.cn

010-64882610，64882231

100083

北京德外北沙滩1号6信箱

农业机械学报/Journal Transactions of the Chinese Society for Agricultural MachineryCSCD北大核心CSTPCDEI
查看更多>>本刊是由中国科协主管、中国农业机械学会和中国农业机械化科学研究院主办的国家级学术期刊，农业工程类中文核心期刊，美国工程信息公司（EI）收录期刊。主要刊登农业机械、农业工程、农用动力和能源、农产品及食品加工机械、农机化以及有关边缘学科的基础理论、设计制造、材料工艺、测试仪器与手段的研究成果及发展动向,反映学科最新研究成果和学术水平。同时还将及时提供中国农业机械学会举办的国内外学术活动信息，可供农机乃至机械行业中、高级技术人员、大专院校师生及科研单位的有关人员阅读参考。
正式出版
收录年代

    推扫式双相机高光谱成像系统设计与试验

    史卓林杨增玲任朝霞于涞源...
    288-294,305页
    查看更多>>摘要：高光谱成像(HSI)是一种应用日益广泛的无损检测技术,HSI数据同时包含样品的空间与光谱信息,可用于表征物质性质的空间分布特征或快速获取内部异质性较强样品的性质特征.但受传感器以及光学器件材料性能和成本制约,单个高光谱相机仅能覆盖有限的光谱波段范围,但物质性质信息往往蕴含在不同波段的光谱中,导致使用单个相机监测物质性质的种类和精度受限.因此本文设计并搭建了一套推扫式双相机HSI系统,该系统在波段400～1 000 nm和1 000～2 500 nm的实际最小分辨率为140.31 μm和222.72 µm,光谱分辨率分别为2.8 nm和12 nm,共计有464个工作波段.使用C#和XAML语言编写了用户友好型数据采集软件MySpec HSI,可实现双相机HSI数据的便捷采集.为评估所搭建的推扫式双相机HSI系统性能,利用该系统对一组玉米样品冠层进行成像,建立了玉米冠层叶片生物量、叶绿素含量和全氮含量的偏最小二乘回归监测模型.基于可见近红外单相机的生物量、叶绿素含量和全氮含量监测模型的R2C分别为0.567、0.773和0.653,RMSEP分别为0.52 g、2.5和0.301％;基于短波红外单相机的生物量、叶绿素含量和全氮含量监测模型的R2C分别为0.566、0.719和0.652,RMSEP分别为0.53 g、2.8和0.309％,除叶绿素含量监测的可见近红外波段表现出略微优势外,其他情况二者的监测精度相当,表明基于任一单相机HSI均可实现玉米冠层叶片生物量、叶绿素含量和全氮含量监测.而基于双相机的生物量、叶绿素含量和全氮含量监测模型的R2C分别高达0.670、0.822和0.683,与单相机模型相比提升幅度最高分别为18％、14％和5％,RMSEP分别低至0.46 g、2.0和0.258％,与单相机模型相比降低幅度最高分别为13％、27％和17％,表明融合双相机HSI数据能有效提高玉米冠层叶片性质的监测精度.

    玉米冠层高光谱推扫成像双相机系统

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    基于深度学习的刺萼龙葵实时识别与计数方法

    杜世峰杨亚帅程曼袁洪波...
    295-305页
    查看更多>>摘要：刺萼龙葵(Solanum rostratum Dunal,SrD)作为一种全球性有害入侵杂草,已在多个国家广泛分布,对当地的农业和生态系统安全造成了严重威胁.设计了一种深度学习网络模型(TrackSolanum)进行刺萼龙葵的现场实时检测、定位和计数.TrackSolanum网络模型由检测模块、跟踪模块和定位计数模块3部分构成,检测模块采用YOLO_EMA检测刺萼龙葵,跟踪模块利用DeepSort对连续视频帧中刺萼龙葵进行多目标追踪,定位计数模块通过质心定位和目标ID过线失效实现刺萼龙葵的定位和计数.YOLO_EMA模型在测试集上的精确率(Precision,P)、召回率(Recall,R)、平均精度(Average precision,AP)和帧率(Frame per second,FPS)分别达到93.7％、93.6％、97.8％和91 f/s,证明了其在刺萼龙葵现场实时检测任务中的有效性.为进一步验证YOLO_EMA网络的检测性能,对原始YOLOv8、YOLO_EMA以及本团队前期设计的YOLO_CBAM进行了消融试验.此外,讨论了刺萼龙葵不同生长阶段对检测效果的影响,在刺萼龙葵幼苗期,TrackSolanum模型的精确率、召回率、平均精度和帧率分别为95.9％,96.4％,98.6％和74 Us.在刺萼龙葵生长期,TrackSolanum模型的精确率、召回率、平均精度和帧率分别为96.3％,95.4％,97.0％和71 f/s,均表现出良好的检测结果.现场试验结果表明,针对无人机飞行在2 m高度获取的视频,TrackSolanum模型的精确率和召回率分别达到94.2％和96.5％,多目标跟踪准确率(Multiple object tracking accuracy,MOTA)和IDF1分别达到80.6％和95.4％,计数失误率仅为3.215％.TrackSolanum模型可以用于刺萼龙葵的现场实时检测,并能够为刺萼龙葵入侵的危害评估和精准治理提供技术支持.

    入侵植物刺萼龙葵深度学习TrackSolanum模型实时检测定位和计数

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    基于气固耦合的脉冲集束式番茄授粉方法研究

    吴嘉鑫张学敏徐静曾斌亮...
    306-316页
    查看更多>>摘要：温室空间密闭,需要辅助授粉才能保证番茄的坐果率与产量.物理辅助授粉方法绿色健康,坐果率高,是主要发展的授粉手段.针对现有物理辅助授粉方法存在的易造成茎秆损伤、作用范围大、振动效果差等问题,提出了一种脉冲集束式番茄授粉方法,并搭建相应授粉装置.通过CFD仿真得到单、双出口数下喷嘴流场的速度分布,以射程、流体喷射角为评价指标,确定选取出口个数为2、单孔直径为1mm的喷嘴方案.通过观察番茄花的开花期形态,并分析其在脉冲气流作用下的摆动规律,基于气-固两相流数学模型,建立CFD-DEM耦合仿真模型模拟番茄花授粉过程.以气吹角度、气吹频率、气吹距离为试验因素,以有效粘附量为评价指标进行三因素三水平正交仿真试验.仿真结果表明,各因素对花粉有效粘附量的影响由大至小依次为气吹距离、气吹频率和气吹角度,当气吹距离为182 mm、气吹频率为24 Hz、气吹角度为76°时,花粉有效粘附量最大.同时,对仿真结果进行分析,得到在脉冲集束方法作用下番茄花的授粉过程.使用最优参数组合在温室中进行试验,仿真与试验结果相比,柱头花粉覆盖率最大误差为5.54％、平均误差为1.93％.授粉结束42 d后统计番茄果实情况,得到采用脉冲集束式授粉方法的番茄坐果率为82.81％,单果质量为229.60 g,畸果率为8.27％,效果优于其他辅助授粉方法.结果表明,所建立的耦合仿真模型准确可靠,为脉冲集束授粉方法在智能装备中的应用提供了理论依据.同时验证采用此授粉方法可以提高番茄的坐果率与产量,满足温室番茄授粉的农艺要求.

    温室番茄授粉方法气固耦合试验验证

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    基于ORB-SLAM2的温室移动机器人定位研究

    李旭阳奥凯刘青伍硕祥...
    317-324,345页
    查看更多>>摘要：针对温室内道路环境复杂,且温室移动机器人无法使用GNSS进行定位的问题,本文开展了基于ORB-SLAM2的温室定位研究.首先,对Realsense D455型深度相机获取的温室彩色图像和深度信息进行预处理,通过图像金字塔和灰度质心法实现ORB特征的尺度和旋转不变性,完成精确有效的特征点匹配;其次,利用跟踪线程参考关键帧跟踪、匀速模型跟踪和重定位跟踪进行粗定位,再使用局部地图跟踪进行精定位,实现对相机位姿的精确求解;再次,结合局部建图线程,在完成关键帧插入、近期地图点筛选、新地图点筛选、新地图点重建、局部BA优化和局部关键帧筛选的基础上,应用共视图方法建立地图点;最后,结合闭环线程,通过候选回环、计算相似变换、回环融合和位姿图优化对全图地图进行回环修正,从而实现温室内的实时定位与建图.选取辣椒生长初期、中期和成熟期3种不同作物生长期的温室进行实机测试,算法生成的轨迹与实际轨迹基本契合,X轴的均方根误差分别为0.686 2、0.355 0、0.492 5 m,平均绝对误差分别为0.588 3、0.2937、0.455 4 m,Z 轴的均方根误差分别为 0.1497、0.0718、0.368 6 m,平均绝对误差分别为 0.0986、0.046 4、0.282 5 m.试验结果表明该方法可为温室移动机器人的定位与导航提供技术支撑.

    温室机器人建图定位深度相机ORB-SLAM2

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    滴灌条件下椰糠内部水分时空双维度动态变化规律研究

    冯朝阳程曼袁洪波
    325-335页
    查看更多>>摘要：椰糠是一种逐渐得到广泛应用的栽培基质,但是滴灌条件下椰糠内部含水率在时间和空间两个不同维度的动态变化规律,尤其是在细小尺度上的水分传输和分布特性目前还未得到深入研究.针对这一问题,本文利用传感器阵列对椰糠内部水分动态变化情况进行长时间监测,并从水分运移速率、湿润体形态、湿润体内含水率时空分布特点等方面进行了研究.试验结果表明,在滴灌过程中,湿润锋垂直方向运移速率远高于水平方向运移速率,其运移距离和垂直运移速率与入渗时间呈幂函数关系,湿润体内含水率随时间呈S形曲线增长,并在灌溉20 h后湿润体内含水率达到相对稳定状态.随着入渗时间增长湿润体形状由倒锥形向桶状形变化,灌溉结束后,湿润体内部含水率变化可分为两个阶段,短期含水率下降较快且符合幂函数关系,中长期含水率以指数衰减函数下降,湿润体呈锥形逐渐收缩.

    椰糠含水率滴灌湿润体传感器阵列

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    基于距离校正和数据融合的苹果可溶性固形物含量预测模型优化

    李阳彭彦昆李永玉
    336-345页
    查看更多>>摘要：采用可见/近红外漫反射光谱技术对苹果可溶性固形物含量(Soluble solids content,SSC)检测时,光谱采集探头到苹果表面的距离变化是随机和不可控的,造成检测精度降低.并且采用特征波长筛选算法优化预测模型时,忽略了被舍弃光谱数据中所包含的与成分含量相关信息,造成光谱信息丢失.针对以上问题,通过探究检测距离对漫反射光谱的影响规律,提出一种距离校正方法(Distance correction,DC),并采用数据融合方法将特征波长和非特征波长数据中的有效信息相结合,以提高苹果SSC预测模型的预测性能.为了验证所提出方法的有效性,分别采用多元散射校正(Multiple scattering correction,MSC)、标准正态变换(Standard normal variate transform,SNV)和DC算法对苹果光谱预处理后,建立苹果SSC的偏最小二乘回归(Partial least squares regression,PLSR)模型.结果表明,DC能更加有效提升PLSR模型的预测性能.为了减少模型数据量、消除光谱中共线性和无效信息,在DC预处理光谱的基础上,采用竞争性自适应加权采样算法(Competitive adaptive reweighted sampling,CARS)、自举软收缩(Bootstrapping soft shrinkage,BOSS)和区间变量迭代空间收缩法(Interval variable iterative space shrinkage approach,iVISSA)对光谱数据进行特征波长筛选.建模结果表明,DC-CARS-PLSR模型具有较好预测结果,并且大幅减少了光谱数据量.为了充分利用特征波长和非特征波长数据中与苹果SSC相关的信息,将特征和非特征波长PLSR模型的潜变量得分相融合,建立融合PLSR预测模型.结果表明,所提出的数据融合方法能够进一步提高模型预测性能.其中CARS算法的特征波长和非特征波长数据融合建模结果具有最佳预测性能,校正集相关系数Rc、校正集均方根误差(Root mean square error of calibration,RMSEC)、预测集相关系数 Rp、预测集均方根误差(Root mean square error of prediction,RMSEP)和相对分析误差(Relative percentage difference,RPD)分别为 0.981、0.297％、0.957、0.469％和 3.424.

    苹果可溶性固形物含量可见/近红外漫反射光谱距离校正特征波长筛选数据融合

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    基于轮廓整形单元的原料肉3D可视化成像系统研究

    卜令平高国伟乔真田惠鑫...
    346-355页
    查看更多>>摘要：针对3D激光扫描实现不规则原料肉轮廓成像时存在扫描轮廓不完整、部分信息缺失、体积估测精度低等问题,根据原料肉物性学特性,本文设计了一种基于轮廓整形单元的3D可视化成像系统,实现不规则原料肉的形态调整,以优化不规则原料肉的成像性能.阐述了原料肉轮廓整形单元的工作原理,设计了样品驱动传输单元、扫描外触发控制单元、可实现轮廓整形的成像检测平台等硬件模块,确定了整形单元中铰链螺栓旋转方向、电机旋转圈数和原料肉轮廓目标整形角度之间的关系.基于Halcon平台和C#语言编写了轮廓整形优化原料肉成像性能的3D可视化软件,利用点云处理模型重建算法和灰度膨胀(Gray dilation)孔洞补偿算法,实现不规则原料肉轮廓整形前后信息采集、数据分析及体积估测准确度对比.最后选用120块猪肉(后腿、里脊)在冷鲜和麻冻状态下验证整形单元对原料肉轮廓成像的优化性能.结果表明,与传输方向呈90°、180°、270°、360°时肉块扫描后成像精度均不小于90％,变异系数不大于3％.冷鲜肉和麻冻肉最佳整形角度范围分别为30°～50°和40°～60°,体积估测准确率从90％分别提高至94％和97％以上.整形后其轮廓形态可维持时间均大于6s,孔洞高度最大压缩比均小于0.77.研究证明,不规则原料肉经过轮廓整形单元后可有效提高成像性能,为后续基于轮廓成像实现不规则原料肉定量分切技术研发提供支持.

    肉品识别3D可视化轮廓整形激光扫描点云处理体积估测

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    不同试验条件下的大葱葱茎射频干燥特性研究

    李学姣刘光泽阮培英卢晓峰...
    356-363页
    查看更多>>摘要：通过分析不同试验条件下大葱葱茎在射频干燥过程中的温升、吸收功率以及失水率等,明确干燥物料及形态、容器材料及其放置高度、物料层厚、极板间距和加热目标温度等因素对于大葱葱茎射频干燥特性的影响,为后续大葱射频干燥研究提供合理高效的试验基本参数及其因素水平范围.在相同射频条件下,葱茎碎的温升速率约为葱茎片的3倍,且葱芯所需要的干燥时长约为葱白干燥时长的2倍,为避免干燥不同步导致葱白过度干燥,应将葱白与葱芯分别进行射频干燥.与聚四氟乙烯(PTFE)、聚乙烯(PE)材料的容器相比,葱茎碎在聚丙烯(PP)容器中的温升速率更高,因此PP材料更适合用作葱茎射频干燥的容器.在选定干燥物料及其形态与所用容器的基础上,通过试验发现层厚14 mm、质量650 g是葱白碎可以实现较快温升速率的最小层厚及质量;极板间距77～87 mm的范围既可以保证最大层厚28 mm的葱白在最小极板间距下不会发生过流和焦糊现象,也能保证最小层厚14 mm的葱白在最大极板间距下能较快速地到达75 ℃的目标温度.此外,将层厚14 mm和28 mm的葱白分别在容器垫高11mm和不垫高时进行同样条件的射频干燥,发现不同层厚葱白在垫高和不垫高时吸收的射频功率存在不同程度变化,并且失水率变化趋势也有差别;层厚14mm的葱白在不垫高时比垫高提高干燥效率约8％,而层厚28 mm的葱白在不垫高和垫高时具有相同的干燥时长.由于容器垫高11mm对不同层厚葱白在相同射频干燥条件下干燥特性的影响不同,选择不垫高容器更利于葱白的射频干燥研究.

    大葱葱茎射频干燥物料形态容器材料放置高度物料层厚

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    稻谷热风干燥工艺分析与模型探究

    刘春山陈苏陈思羽张艳...
    364-372页
    查看更多>>摘要：为探究装置不同干燥工艺对稻谷干燥特性及品质的影响,通过多因素试验,以干燥温度、初始含水率和滚筒转速为影响因素,以稻谷干燥速率、爆腰率、蛋白质含量、脂肪酸值和食味值为评价指标,探究稻谷最佳干燥工艺参数,对比6种数学模型在热风干燥中的适用性.结果表明:干燥温度对稻谷干燥特性和品质的影响最大,其次是稻谷初始含水率和滚筒转速,随着干燥温度的升高,稻谷的干燥速率增大,稻谷爆腰率、蛋白质含量、脂肪酸值增大,食味值减小;采用自然晾晒方式将稻谷含水率降至18％,在干燥温度40 ℃、滚筒转速30r/min的干燥条件下,稻谷干燥品质最佳;最佳数学模型为Wang and Singh模型;随着干燥温度的升高稻谷水分有效扩散系数也升高,干燥温度由40 ℃升到60 ℃,其稻谷水分有效扩散系数由9.433×10-11升到1.885×10-10,稻谷的干燥活化能为30.153 kJ.

    稻谷干燥品质热风干燥数学模型正交试验

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    基于侧偏力矩检测的旋耕起垄拖拉机自主导航控制方法

    林熙淼叶云翔王梦想贺磊盈...
    373-382,391页
    查看更多>>摘要：拖拉机拖挂机具进行旋耕起垄作业时,由于田地不平坦且土壤紧实度不均匀,机具与土壤间存在不可预测耕作阻力,从而产生侧偏力矩,影响车辆行进位姿,进而降低导航跟踪精度.为实现在复杂农业环境下旋耕起垄的精准自主导航作业,设计了一种基于侧偏力矩检测的旋耕起垄拖拉机自主导航控制方法.首先,根据拖拉机三点悬挂结构及作业场景,分析机具悬挂点受力对导航车辆的影响,研制了一种二维轴销传感器并以此搭建了侧偏力矩采集系统,用于检测土壤相对车辆产生的侧偏力矩,试验结果表明侧偏力矩导致导航作业横向误差滞后性增加.其次,将侧偏力矩引入旋耕起垄拖拉机运动学模型中作为外部随机扰动,采用分离控制策略和线性反馈机制实时计算预测状态误差,设计了鲁棒模型预测控制(RMPC)算法控制器.最后,基于ROS框架开发导航控制系统,并将软硬件集成部署至旋耕起垄拖拉机,在单次灭茬处理的甘蓝农田进行作业试验,试验结果表明,导航平均横向误差绝对值为0.022 m,平均航向误差绝对值为0.034 rad,平均垄体直线度为4.4 cm,整体作业质量可以满足作物种植要求.

    无人拖拉机旋耕起垄鲁棒模型预测控制自主导航侧偏力矩

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