小麦智能精播系统及自主导航机理研究与实现
发布时间：2021-04-25 16:13
小麦是我国主要粮食作物,本文着眼于国内小麦种植领域当前存在的技术难点,在小麦精播机电气驱动、控制模型、定位机制、自主驾驶等方面展开研究。旨在通过针对性的研究和探索,力求从根本上突破目前国内小麦精播机在机械部件设计、智能驱动控制两大方面的关键技术瓶颈,切实解决小麦种植过程中的漏播不匀、播量不准、手段落后、劳动力无法解放等问题。作为一名在职申请博士学位人员,在导师指导下,论文选题结合了我国农耕实际状况以及近年自己所主持和参与的工程课题。针对机械部件设计不合理和人工调节播量困难、不精确等诸多因素而造成的播种误差问题,对精播机主要机械部位进行优化改进和仿真设计;针对国内当前播种机无监控或监控手段低陋状况,以及不良地况引起地轮打滑、播种机姿态不稳等问题,采取改变驱动模式、改进跟踪监测方法、引入智能定位导航机制等手段加以控制,以求作业过程中提高精播机的自我补偿与校正能力,为实现小麦精播作业全程智能化、彻底解放劳动力奠定基础。论文主体分四大部分:精播机械设计与仿真;电控驱动取代地轮完成排种施肥作业、建立小麦精播智能系统模型;智能小麦精播样机试制及性能测试;精播机自主驾驶机理研究。主要研究内容如下:（...
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：189 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
符号说明
缩略词注释表
第一章 绪论
1.1 选题背景意义及课题来源
1.1.1 选题背景意义
1.1.2 课题来源
1.2 精播技术领域国内外研究现状
1.2.1 国外精播技术研究现状
1.2.2 国内精播技术研究现状
1.3 小麦精播技术发展趋势及面临问题
1.3.1 小麦精播技术发展趋势
1.3.2 小麦精播技术面临问题
1.4 智能小麦精播技术研究意义
1.5 主要研究内容及创新点
1.5.1 研究内容
1.5.2 创新点
1.6 论文结构与章节安排
第二章 智能精播机械系统设计与仿真分析
2.1 引言
2.2 智能精播机设计方案及结构原理
2.2.1 智能精播机总方案设计
2.2.2 智能精播机结构原理
2.3 精播机旋耕装置设计研究
2.3.1 旋耕机整体结构
2.3.2 旋耕机刀片的布置
2.3.3 旋耕机刀有限元分析
2.3.4 旋耕机刀轴的设计
2.4 宽幅组合式开沟器设计
2.5 宽幅小麦排种施肥装置设计研究
2.6 智能小麦精播机配套动力及技术指标
2.6.1 智能小麦精播机配套动力
2.6.2 智能小麦精播机技术指标
2.7 播种施肥离散元动态仿真分析
2.7.1 DEM基本方程
2.7.2 重要物理及力学参数测定
2.7.3 排种离散元动态仿真分析
2.7.4 排肥器离散元动态仿真分析
2.8 本章小结
第三章 智能小麦精播系统模型及其控制机理
3.1 引言
3.2 智能小麦精播主控系统结构及原理
3.2.1 智能小麦精播机主控系统结构
3.2.2 智能小麦精播驱动控制原理
3.3 智能精播控制系统硬软件设计
3.3.1 主控系统硬件设计
3.3.2 主控系统软件设计
3.4 智能精播控制系统数学模型建立
3.4.1 参数初值设定与运算规则
3.4.2 主控系统数学模型建立
3.5 排种施肥的精确控制
3.5.1 PID闭环控制设计
3.5.2 PWM调速功能的实现
3.6 智能精播监控系统设计
3.6.1 智能监控系统结构
3.6.2 智能监控系统原理
3.6.3 智能监控系统硬软件设计
3.6.4 监控系统功能仿真验证
3.7 智能系统抗干扰设计
3.7.1 数字滤波设计
3.7.2 指令冗余措施
3.7.3 看门狗应用
3.8 基于MCGS组态软件的人机界面
3.8.1 智控系统设备配置界面
3.8.2 智控系统用户界面
3.8.3 智控系统实时数据库配置
3.8.4 MCGS运行模拟仿真
3.8.5 MCGS触摸屏控制现场效果验证
3.9 本章小结
第四章 智能小麦宽幅精播样机试制及性能测试
4.1 引言
4.2 智能精播试验平台搭建与性能测试
4.3 智能精播样机试制
4.3.1 转速采集传感器的安装固定
4.3.2 排种施肥轴驱动电机的安装
4.3.3 智能精播样机的试制
4.4 智能精播样机试验测试与分析
4.4.1 空载时排种轴起动电压与转矩测试分析
4.4.2 空载时控制电压对种轴转速及转矩的影响
4.4.3 带载运行时排种器充种性能测试分析
4.4.4 智能精播样机大田试播效果验证
4.5 本章小结
第五章 精播机自主驾驶技术研究与仿真分析
5.1 引言
5.2 基于激光感知的农机作业导航技术
5.3 基于激光扫描的三维信息采集方法
5.3.1 三维激光信息采集系统构成
5.3.2 基于激光扫描的田垄识别方法
5.4 基于Otsu准则的耕作区与非耕作区边界识别方法
5.4.1 Otsu算法
5.4.2 田垄地头边缘线拟合
5.5 基于激光识别的区域设定
5.6 田垄边缘识别算法
5.7 精播机牵引车转向控制系统
5.7.1 精播机牵引车转向规划及原理分析
5.7.2 精播机牵引车转向跟踪控制
5.8 基于机器视觉的测速系统
5.8.1 基于机器视觉的测速原理
5.8.2 摄像机标定
5.8.3 基于机器视觉的运动目标检测方法
5.8.4 自主导航牵引车速度检测
5.9 基于Webots的自主驾驶技术的实现与仿真分析
5.9.1 精播机自主驾驶仿真平台构建
5.9.2 仿真程序设计及其功能实现
5.9.3 自主驾驶技术仿真结果与分析
5.10 本章小结
第六章 总结与展望
6.1 工作总结
6.2 研究展望
参考文献
致谢
攻读博士学位期间发表学术论文
攻读学位期间出版著作
攻读学位期间相关项目研究
攻读学位期间相关专利授权
攻读学位期间相关奖励
学位论文评阅及答辩情况表
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于变距光电传感器的小麦精播施肥一体机监测系统设计[J]. 赵立新,张增辉,王成义,荐世春,刘童,崔东云,丁筱玲. 农业工程学报. 2018(13)
[2]中心口锥底料罐中离散颗粒卸料特性的实验与仿真研究[J]. 郭健玮,孔建益,王兴东,盛汉桥. 武汉科技大学学报. 2018(03)
[3]耕地抛荒与休耕辨析[J]. 罗拥华. 农村经济与科技. 2018(09)
[4]国内外免耕播种机研究现状及展望[J]. 邱添,胡志超,吴惠昌,顾峰玮,徐弘博,吴努. 江苏农业科学. 2018(04)
[5]立式旋耕机旋刀系统的设计及受力分析[J]. 曹丽芳,张闯闯,张峻晖,刘存祥,赵皓. 农机化研究. 2018(08)
[6]玉米免耕播种机主动式秸秆移位防堵装置的设计与试验[J]. 王韦韦,朱存玺,陈黎卿,李兆东,黄鑫,李金才. 农业工程学报. 2017(24)
[7]外槽轮排肥器关键工作参数对排肥量影响的仿真与试验研究[J]. 汪博涛,白璐,丁尚鹏,姚毓香,黄玉祥,朱瑞祥. 中国农机化学报. 2017(10)
[8]基于机器视觉的卸砖机器人定位系统[J]. 龚斌,郭烈恩,李志农. 南昌大学学报(工科版). 2017(03)
[9]2BQJ-6型气吸式精密播种机使用与维修[J]. 姜贵川,段俊兆. 农业工程. 2017(04)
[10]玉米机械收获中的制约因素与改进[J]. 姜立军. 农技服务. 2017(11)
博士论文
[1]基于速度自适应的拖拉机自动导航控制系统研究[D]. 刘进一.中国农业大学 2017
[2]基于激光扫描的联合收割机自动导航方法研究[D]. 赵腾.西北农林科技大学 2017
[3]基于机器视觉的工程机械行走速度测量系统研究[D]. 金守峰.长安大学 2015
硕士论文
[1]基于机器视觉的同步碎石封层车控制系统设计[D]. 王文斐.河南科技大学 2018
[2]宽苗带小麦智控旋耕施播机的设计[D]. 李培建.山东农业大学 2017
[3]免耕播种机双圆盘开沟器结构参数对作业性能影响研究[D]. 禹栋栋.东北农业大学 2017
[4]前胡生产多功能一体机的设计与试验[D]. 娄帅帅.安徽农业大学 2017
[5]小麦旋耕施肥宽幅精密播种复式机的设计[D]. 曹瑶瑶.山东农业大学 2016
[6]基于多目标优化的多电机伺服系统的结构/控制一体化设计[D]. 刘天虬.北京理工大学 2016
[7]茶园离心撒肥装置工作参数优化与试验研究[D]. 杨叶成.江苏大学 2016
[8]肥料颗粒流掺混与时滞排肥模型及预测控制研究[D]. 刘勤华.山东农业大学 2015
[9]单垄双行自动补种式马铃薯播种机的设计[D]. 唐海军.山东农业大学 2015
[10]精准播种环境下的油菜品质预测[D]. 姜贵飞.安徽农业大学 2015
本文编号：3159693
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：189 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
符号说明
缩略词注释表
第一章 绪论
1.1 选题背景意义及课题来源
1.1.1 选题背景意义
1.1.2 课题来源
1.2 精播技术领域国内外研究现状
1.2.1 国外精播技术研究现状
1.2.2 国内精播技术研究现状
1.3 小麦精播技术发展趋势及面临问题
1.3.1 小麦精播技术发展趋势
1.3.2 小麦精播技术面临问题
1.4 智能小麦精播技术研究意义
1.5 主要研究内容及创新点
1.5.1 研究内容
1.5.2 创新点
1.6 论文结构与章节安排
第二章 智能精播机械系统设计与仿真分析
2.1 引言
2.2 智能精播机设计方案及结构原理
2.2.1 智能精播机总方案设计
2.2.2 智能精播机结构原理
2.3 精播机旋耕装置设计研究
2.3.1 旋耕机整体结构
2.3.2 旋耕机刀片的布置
2.3.3 旋耕机刀有限元分析
2.3.4 旋耕机刀轴的设计
2.4 宽幅组合式开沟器设计
2.5 宽幅小麦排种施肥装置设计研究
2.6 智能小麦精播机配套动力及技术指标
2.6.1 智能小麦精播机配套动力
2.6.2 智能小麦精播机技术指标
2.7 播种施肥离散元动态仿真分析
2.7.1 DEM基本方程
2.7.2 重要物理及力学参数测定
2.7.3 排种离散元动态仿真分析
2.7.4 排肥器离散元动态仿真分析
2.8 本章小结
第三章 智能小麦精播系统模型及其控制机理
3.1 引言
3.2 智能小麦精播主控系统结构及原理
3.2.1 智能小麦精播机主控系统结构
3.2.2 智能小麦精播驱动控制原理
3.3 智能精播控制系统硬软件设计
3.3.1 主控系统硬件设计
3.3.2 主控系统软件设计
3.4 智能精播控制系统数学模型建立
3.4.1 参数初值设定与运算规则
3.4.2 主控系统数学模型建立
3.5 排种施肥的精确控制
3.5.1 PID闭环控制设计
3.5.2 PWM调速功能的实现
3.6 智能精播监控系统设计
3.6.1 智能监控系统结构
3.6.2 智能监控系统原理
3.6.3 智能监控系统硬软件设计
3.6.4 监控系统功能仿真验证
3.7 智能系统抗干扰设计
3.7.1 数字滤波设计
3.7.2 指令冗余措施
3.7.3 看门狗应用
3.8 基于MCGS组态软件的人机界面
3.8.1 智控系统设备配置界面
3.8.2 智控系统用户界面
3.8.3 智控系统实时数据库配置
3.8.4 MCGS运行模拟仿真
3.8.5 MCGS触摸屏控制现场效果验证
3.9 本章小结
第四章 智能小麦宽幅精播样机试制及性能测试
4.1 引言
4.2 智能精播试验平台搭建与性能测试
4.3 智能精播样机试制
4.3.1 转速采集传感器的安装固定
4.3.2 排种施肥轴驱动电机的安装
4.3.3 智能精播样机的试制
4.4 智能精播样机试验测试与分析
4.4.1 空载时排种轴起动电压与转矩测试分析
4.4.2 空载时控制电压对种轴转速及转矩的影响
4.4.3 带载运行时排种器充种性能测试分析
4.4.4 智能精播样机大田试播效果验证
4.5 本章小结
第五章 精播机自主驾驶技术研究与仿真分析
5.1 引言
5.2 基于激光感知的农机作业导航技术
5.3 基于激光扫描的三维信息采集方法
5.3.1 三维激光信息采集系统构成
5.3.2 基于激光扫描的田垄识别方法
5.4 基于Otsu准则的耕作区与非耕作区边界识别方法
5.4.1 Otsu算法
5.4.2 田垄地头边缘线拟合
5.5 基于激光识别的区域设定
5.6 田垄边缘识别算法
5.7 精播机牵引车转向控制系统
5.7.1 精播机牵引车转向规划及原理分析
5.7.2 精播机牵引车转向跟踪控制
5.8 基于机器视觉的测速系统
5.8.1 基于机器视觉的测速原理
5.8.2 摄像机标定
5.8.3 基于机器视觉的运动目标检测方法
5.8.4 自主导航牵引车速度检测
5.9 基于Webots的自主驾驶技术的实现与仿真分析
5.9.1 精播机自主驾驶仿真平台构建
5.9.2 仿真程序设计及其功能实现
5.9.3 自主驾驶技术仿真结果与分析
5.10 本章小结
第六章 总结与展望
6.1 工作总结
6.2 研究展望
参考文献
致谢
攻读博士学位期间发表学术论文
攻读学位期间出版著作
攻读学位期间相关项目研究
攻读学位期间相关专利授权
攻读学位期间相关奖励
学位论文评阅及答辩情况表
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于变距光电传感器的小麦精播施肥一体机监测系统设计[J]. 赵立新,张增辉,王成义,荐世春,刘童,崔东云,丁筱玲. 农业工程学报. 2018(13)
[2]中心口锥底料罐中离散颗粒卸料特性的实验与仿真研究[J]. 郭健玮,孔建益,王兴东,盛汉桥. 武汉科技大学学报. 2018(03)
[3]耕地抛荒与休耕辨析[J]. 罗拥华. 农村经济与科技. 2018(09)
[4]国内外免耕播种机研究现状及展望[J]. 邱添,胡志超,吴惠昌,顾峰玮,徐弘博,吴努. 江苏农业科学. 2018(04)
[5]立式旋耕机旋刀系统的设计及受力分析[J]. 曹丽芳,张闯闯,张峻晖,刘存祥,赵皓. 农机化研究. 2018(08)
[6]玉米免耕播种机主动式秸秆移位防堵装置的设计与试验[J]. 王韦韦,朱存玺,陈黎卿,李兆东,黄鑫,李金才. 农业工程学报. 2017(24)
[7]外槽轮排肥器关键工作参数对排肥量影响的仿真与试验研究[J]. 汪博涛,白璐,丁尚鹏,姚毓香,黄玉祥,朱瑞祥. 中国农机化学报. 2017(10)
[8]基于机器视觉的卸砖机器人定位系统[J]. 龚斌,郭烈恩,李志农. 南昌大学学报(工科版). 2017(03)
[9]2BQJ-6型气吸式精密播种机使用与维修[J]. 姜贵川,段俊兆. 农业工程. 2017(04)
[10]玉米机械收获中的制约因素与改进[J]. 姜立军. 农技服务. 2017(11)
博士论文
[1]基于速度自适应的拖拉机自动导航控制系统研究[D]. 刘进一.中国农业大学 2017
[2]基于激光扫描的联合收割机自动导航方法研究[D]. 赵腾.西北农林科技大学 2017
[3]基于机器视觉的工程机械行走速度测量系统研究[D]. 金守峰.长安大学 2015
硕士论文
[1]基于机器视觉的同步碎石封层车控制系统设计[D]. 王文斐.河南科技大学 2018
[2]宽苗带小麦智控旋耕施播机的设计[D]. 李培建.山东农业大学 2017
[3]免耕播种机双圆盘开沟器结构参数对作业性能影响研究[D]. 禹栋栋.东北农业大学 2017
[4]前胡生产多功能一体机的设计与试验[D]. 娄帅帅.安徽农业大学 2017
[5]小麦旋耕施肥宽幅精密播种复式机的设计[D]. 曹瑶瑶.山东农业大学 2016
[6]基于多目标优化的多电机伺服系统的结构/控制一体化设计[D]. 刘天虬.北京理工大学 2016
[7]茶园离心撒肥装置工作参数优化与试验研究[D]. 杨叶成.江苏大学 2016
[8]肥料颗粒流掺混与时滞排肥模型及预测控制研究[D]. 刘勤华.山东农业大学 2015
[9]单垄双行自动补种式马铃薯播种机的设计[D]. 唐海军.山东农业大学 2015
[10]精准播种环境下的油菜品质预测[D]. 姜贵飞.安徽农业大学 2015
本文编号：3159693
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