Abstract:

东北黑土地保护性用养技术主要包括保护性耕作和地力培育等技术。本文在综述保护性用养技术应用面积、技术模式和实施效应的基础上，重点阐述了免少耕播种、深松、秸秆还田和有机肥施用关键技术的工作原理、技术特点，并分析归纳了现有保护性用养技术模式及配套机具的发展动态。结合黑土地保护与利用的研究进展与发展需求，在厘清当前黑土地保护性用养技术与机具发展存在的主要问题基础上，从加强基础理论研究、突破关键技术瓶颈、提升保护性用养技术与机具智能化、加强农机农艺融合和因地制宜发展黑土地保护性用养技术体系等方面展望了未来的发展方向。

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当前传统化学和物理除草方法面临环境污染和效率低等问题，因此智能化机械除草技术成为一种可行的替代方案。本文系统阐述了旱田智能机械除草机工作原理与关键技术，结合国内外研究现状与应用案例，重点探讨了作物行检测、避苗控制以及多传感器融合等核心环节。智能除草机基于高精度图像识别与深度学习算法，实现杂草精准定位与识别，并利用机械臂或其他执行机构完成高效除草作业，不仅有效降低了对化学除草剂的依赖，且可显著提高作物产量，兼具突出的环境与经济效益。然而，田间环境的复杂性和成本高昂等限制了其广泛应用。进一步探讨了作物行检测、避苗控制以及多传感器融合等旱田智能机械除草系统的关键技术，强调了提升系统实时性和除草精准度的必要性，并提出未来发展方向：多传感器融合、模块化设计及适应多样化作物环境个性化解决方案，以推动农业可持续发展。

Abstract:

玉米苗期行间除草是保障作物健康生长的重要环节，其作业精度直接影响除草效果。为提高玉米苗期行间除草精度和效率，设计了一种二级机械对行装置，并对其结构组成与关键参数进行了优化。装置由一级导向机构和二级行距调整机构组成，其中一级导向机构通过液压缸驱动平行悬臂实现整机对行，二级行距调整机构通过伺服电缸和滑轮组调整除草单体位置以适应不同行距。理论分析确定一级导向机构液压缸最小推力需满足7536.37N，二级行距调整机构伺服电缸额定推力为1409N。分别开展了室内模拟试验与田间试验，对伺服电缸性能及装置在不同速度下对行误差特性进行评估。室内试验结果表明，伺服电缸效率为82.3%，响应时间为21ms，具有较好的控制精度。在杂草密度大于30株/m2的非标准种植玉米田中开展田间试验，设定3种作业速度0.5、1.0、1.5m/s。试验结果表明，当速度为0.5、1.0m/s时，一级机构对行平均误差分别为1.987、3.619cm，角度误差为2.510°和2.660°，性能稳定；当速度为1.5m/s时，偏移误差增至2.603cm，角度误差增至3.024°，且二级机构误差出现离群值。原因为，在高速作业时系统动态响应能力下降，可能受地表不平整和图像识别频率限制的影响。该装置在低速和中速条件下具备良好稳定性和作业精度，能够满足精细化除草需求。但在高速作业条件下需优化控制算法，以提升动态响应能力和整体稳定性。研究结果为玉米苗期行间除草装置设计与应用提供了技术支持。

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针对玉米大垄双行种植模式下追肥作业效率低和排肥均匀性较差等问题，依据该种植模式下的追肥作业特点，设计一种适用于该种植模式的螺旋输送器排肥、多行集排、气流输肥的追肥装置，并对螺旋输送器式排肥装置和气力输送装置关键参数进行了理论计算和优化设计。依据排肥流量需求设计螺旋输送器叶片结构，并确定螺旋输送器驱动电机功率；确定气-肥输送主管道和气-肥输送分配管道结构尺寸；采用三通管将气-肥输送分配管道合并方式，使双苗带中间施肥量多于两侧。对该装置进行排肥试验，结果表明：螺旋输送器式排肥装置排肥稳定，排肥量与转速具有较好的线性相关性；设计二因素三水平排肥试验探究风速和排肥转速对肥料分配均匀性的影响，排肥转速、风速以及排肥转速与风速的交互作用均对各行排肥量一致性变异系数影响显著，各行排肥量一致性变异系数随着转速和风速的增大而增大；气-肥输送分配管道合并后，各行排肥量一致性变异系数略有增加，未合并出肥口各行排肥量一致性变异系数为6.5%~7.1%，合并出肥口各行排肥量一致性变异系数为3.8%~5.8%，合并出肥口排肥量为未合并出肥口排肥量的1.7倍左右，排肥性能达到设计目标，满足玉米追肥机械作业标准要求。

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针对现有玉米电驱精量播种机检测系统精度低、功能集成度差和同步性不足等问题，对检测参数所需传感器进行了选型，构建了传感器-检测参数模型，开发了信号同步采集、处理及交互程序，设计了基于cDAQ控制器的玉米电驱精量播种机作业工况参数检测系统。该系统基于高频、实时、同步采样原则，为各参数信号分别配置单独的采样通道，结合LabVIEW平台设计信号处理程序与人机交互界面，为所有信号采集循环设置统一的软件触发器，并配置网络，由上位机通过网络端口为系统提供时钟信号，实现作业速度、排种盘转速、排种量、播种深度、下压力、风压、振动等多种参数实时高精度检测。对系统开展了排种盘转速、排种量检测台架试验以及作业速度、播种深度检测和下压力检测田间试验。试验结果表明，排种盘转速检测平均绝对误差不大于0.44r/min，平均相对误差均不大于3.56%；排种量检测准确率不小于98.50%。当作业速度为0~15km/h时，作业速度检测平均相对误差为4.42%；当作业速度大于6km/h时，3行单体播种深度检测平均值、标准差、变异系数相对误差分别为2.70%~7.53%、10.07%~19.29%和13.99%~17.42%；下压力静态检测试验中，两组单体下压力平均差值接近实际差值，相对误差不大于5.93%，在低速3~6km/h与高速12~15km/h作业下，系统检测2组单体下压力平均差值与实际值最大相对误差分别为14.91%和19.30%。本系统检测精度高、检测参数多、同步性高，可以满足玉米电驱精量播种机工况参数检测需求。

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针对玉米免耕播种机播种镇压力稳定性差和镇压强度不均等问题，设计了一种基于PID控制的镇压力精准调控系统。该系统由镇压力检测单元、液压调节装置、控制器、终端和机械执行部件组成。基于拉力传感器、角度传感器测量数据，采用Origin软件构建镇压力与两传感器测量数据之间的关系模型。系统通过镇压力进行闭环反馈，应用PID控制算法计算控制变量，实时调节液压缸伸缩，实现对镇压力的精确控制。系统阶跃响应测试结果表明，镇压力精准调控系统调节时间均值为1.13s，稳态误差均值为2.7N，超调量均值为3.23%。田间试验结果表明，当设定目标镇压力为159、182N、播种机作业速度为5～9km/h时，基于液控调节方式下镇压力相对误差为3.08%～5.38%，均方根误差为6.63～10.09N，机械调节方式下镇压力相对误差为5.05%～11.48%，均方根误差为11.67～22.49N。基于液控调节方式的播种机试验指标显著优于基于机械调节方式的指标，提高了镇压力稳定性，为保障玉米免耕播种质量提供了技术装备支撑。

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针对深松作业质量评价指标单一、横向比较偏差显著等问题，通过在农机上装载智能终端设备，采集农机作业GNSS、作业深度等信息，基于最小-最大归一化法，分析深松作业面积、作业效率、作业覆盖率、作业深度达标率、作业时间利用率等深松作业特征向量，并基于专家打分的调查问卷法确定特征向量权重，构建深松作业质量指数（AMQI），评估深松作业综合质量。2022年在黑龙江省红星农场开展深松作业质量监测实验，通过对33台不同深松设备跟踪分析，并与传统分析方法进行对比，结果表明，归一化特征向量消除不同特征间量纲影响，反映农机特征大小分布，AMQI也反映深松作业综合质量，与达标面积评价法相比，评级维度更多，且评价更加全面和科学，可以为农机作业评价提供数据支撑。

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针对现有玉米播种装备缺乏土壤墒情在线检测系统，且已有的土壤墒情在线检测系统检测精度不高、环境适应差的问题，本文提出了一种基于电容法和深度补偿的土壤墒情检测方法，开发了一套机载式玉米播种种沟墒情在线检测系统。开展了电容器结构优化参数仿真试验，确定了最佳电容极板参数为：极板间距75.8mm、极板厚度0.7mm、极板相对面积5073mm2，其长度为100mm，宽度为50.73mm；系统硬件部分主要包括FDC2214型电容传感器、F4046型压力传感器和STM32F103型单片机，电容传感器用于获取待测土壤电容，压力传感器用于获取待测土壤压力，间接反推待测区域土壤深度；系统软件则利用Matlab平台进行开发，用于对土壤电容信号和压力信号的实时采集、计算、显示与存储。基于该系统探究了土壤墒情检测模型影响因素，构建了基于BP神经网络的土壤墒情检测模型，建模试验结果表明，当土壤墒情为7.23%～21.14%时，模型预测性能指标R2、RMSE和RPD分别为0.927、0.008和3.70，预测效果较好。最终，将构建的模型集成到土壤墒情在线检测系统，开展了台架与田间验证试验。台架试验结果表明，土壤墒情实际值与检测值的拟合决定系数R2均为0.852～0.927，土壤墒情预测结果绝对误差为-2.89%～2.57%，绝对误差平均值为1.01%；田间试验结果表明，土壤墒情检测值与实际值拟合曲线决定系数R2为0.842，土壤墒情检测绝对误差为-0.96%～0.45%，平均绝对误差为0.39%。本研究所研制的检测系统性能满足玉米播种机田间作业时土壤墒情检测需求。

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针对保护性耕作深松作业机具土壤扰动大的问题，设计了一种间隔深松机直注深松铲。利用离散元法和田间试验研究了不同铲体幅宽对土壤扰动行为的影响。以耕作比阻、土壤膨松度和土壤扰动系数为试验指标，对比不同铲体幅宽条件下土壤运动状态及各方向微观运动情况，分析直注深松铲土壤扰动效果。结果表明，当铲体幅宽为350mm时，耕作阻力最小；当铲体幅宽为450mm时，耕作比阻最小；土壤扰动随铲体幅宽增加而增大，铲体幅宽主要影响土壤侧向扰动、土壤回落及土垄高度，适当减小幅宽有利于减小土壤侧向扰动、增加土壤回落、降低垄高；铲体幅宽对土壤膨松度和土壤扰动系数有重要影响，当铲体幅宽为350mm时，土壤膨松度相对较小，土壤扰动系数相对较大；不同铲体幅宽对耕作阻力和扰动面积均有一定的影响，铲体幅宽对扰动面积影响大于对耕作阻力的影响；试验范围内土壤膨松度和扰动系数试验值和仿真值平均误差分别为6.36%和6.84%，耕作阻力和比阻试验值和仿真值平均误差分别为9.02%和12.41%。间隔深松机降低土壤扰动效果明显，可为深松机优化设计提供参考。

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针对玉米根茬与土壤形成的根土复合体影响保护性耕作条件下免耕播种的问题，提出了一种“对行挖掘-挤压破碎-振动清土”的玉米根茬处理模式，设计了一种对行挖掘式玉米根茬清土机，主要由双圆盘挖掘铲、拨茬机构、凹板-滚筒式根土分离机构、抖动式杆条输送机构等组成，可一次性完成玉米根土复合体挖掘、捡拾、根土分离等作业。对其关键部件结构进行了设计与运动分析，分析了双圆盘挖掘铲受力和运动，确定了其主要结构参数和作业参数；分析了根土复合体在根土分离各阶段输送状态及受力状况，确定了拨茬机构、凹板-滚筒式根土分离机构、抖动式杆条输送机构主要结构参数和运动参数，保证了根土复合体能逐步实现根土分离。双圆盘挖掘铲田间试验结果表明，玉米根土复合体挖净率可达100%。整机土槽试验结果表明，根土分离率为97.4%，分离效果较好，所设计的对行挖掘式玉米根茬清土机具备有效的根茬挖掘及根土分离能力。

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针对东北地区玉米免耕播种时被动式防堵装置难以兼顾切断效果与作业载荷的问题，基于动态滑切原理设计了一种被动式锯齿圆盘防堵装置，在充分应用滑切减阻效应的同时可有效提高秸秆切断效果。根据锯齿圆盘动态滑切特性构建了动态滑切转换模型，开展了支撑切割下玉米秸秆锯齿滑切特性试验，得到了锯齿结构下最优动态滑切角为15°~30°，针对在锯齿结构下所产生的两种特殊切割过程及力学曲线，假设锯齿前角对于接触切割过程产生影响，在此基础上对圆盘锯齿结构参数进行设计，结合土槽试验及离散元仿真试验对假设进行了验证。开展二次回归旋转正交试验，得到锯齿结构最优作业参数为：前进速度2.0m/s、锯齿前角21.3°、齿高6.0mm。根据仿真结果完成圆盘加工并开展田间试验，试验结果表明：当秸秆覆盖量为1.97kg/m2、作业速度2.0m/s时，锯齿圆盘秸秆切断率为76.2%，峰值下压力为875.7N，平均下压力为544.1N，通过对平面圆盘进行锯齿结构设计，切断率提高34.7个百分点，峰值下压力和平均下压力降低5.7%、7.9%。圆盘作业性能良好，满足东北地区免耕播种要求。

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为解决玉米株心定位困难及定位精度低的问题，针对复杂自然环境玉米叶冠数据，本文开发了一种基于高贴合旋转框的玉米株心定位方法，并提出了一种能有效减少边缘精度损失的标注策略。该定位方法首先通过使用高精度标注策略和构建具有自适性的轻量化渐进特征金字塔网络LC-AFPN，得到LCA-YOLO v7OBB玉米叶冠目标检测算法，然后利用色彩空间滤波算法分割叶冠区域，并使用间隙填充算法提升图像质量，最后利用图像矩原理准确计算株心坐标。实验结果表明，模型抗干扰能力强，株心定位准确度高。LCA-YOLO v7OBB模型平均检测精度可达85.19%，精确率和召回率达到91.83%和83.04%。与Rotated-FasterRCNN等12种旋转目标检测模型相比，LCA-YOLO v7OBB在准确性和召回率等综合性能方面表现最佳。模型泛化能力强，在自建黄瓜、茄子2种数据集上进行验证，其平均精度、精确率、召回率和F1值均有明显提升。本文方法能够为精准施肥、农机视觉导航等提供理论基础和技术支持。

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为提高风蚀仪集沙效率，准确掌握风沙运动规律，采用计算流体力学仿真方法并结合风洞试验分析风蚀仪内部风沙分离器结构参数对集沙效率的影响。在Fluent平台中建立风沙分离器模型，基于RNG k-ε模型进行数值分析，并采用离散相模型(DPM)方法计算集沙效率，完成风蚀仪内部相关颗粒动力学模拟。将风蚀仪从楔形改进为圆柱形，优化了风蚀仪结构，提高了集沙效率。研究了进气管入口风速、沙尘颗粒粒径与风沙分离器结构参数（进气管长度、排气管内插深度、锥形导流板锥角、筒体长度）对集沙效率的影响。仿真结果表明，当风速为13.8m/s时，粒径小于0.01mm沙尘是影响集沙效率的主要粒子。对风沙分离器结构参数进行单因素试验，优选出试验因素范围，开展Box-Behnken试验对参数进行优化取值，得到最优参数组合：进气管长度为12mm、排气管内插深度为70mm、锥形导流板锥角为40°、筒体长度为160mm，此时集沙效率为77.05%。按最优参数组合加工风蚀仪模型并进行风洞试验，得到集沙效率为74.38%，与仿真结果的误差为3.47%，相较常见楔形风沙分离器具有更好的集沙效果。

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针对东北垄作区秸秆还田后灭茬阻力大、功耗高、灭茬率低、作业后垄形差等问题，设计了一种与深松铲互作的锯齿式灭茬刀。通过离散元仿真确定锯齿式灭茬刀与深松铲安装间距为60mm，同时为满足锯齿式灭茬刀作业时正切刃与不同深度（30、60、90、120mm）的土壤颗粒产生相同的相对加速度，结合灭茬刀与深松铲动力学分析，得到不同深度的滑切角，确定了锯齿式灭茬刀正切刃的刃口曲线。以刀盘直径和灭茬刀安装角为试验因素，作业阻力、功耗为试验指标，进行二因素五水平中心组合试验，得到刀盘直径312mm、安装角73.2°时作业阻力和功耗最小（作业阻力为1167N、功耗为14.6kW）；田间试验以灭茬刀入土深度、机具前进速度为试验因素，作业阻力、垄高宽比、灭茬率为试验指标，优化得到灭茬刀入土深度为102mm、机具前进速度为0.65m/s时，灭茬刀作业阻力为1467N、垄高宽比为0.529、灭茬率为95.4%。在此最优作业参数下进行田间性能对比试验，结果表明锯齿式灭茬刀比传统灭茬刀作业阻力降低13%、垄高宽比提高6%、灭茬率提高1个百分点，工作性能稳定，满足机具作业质量及农艺要求。

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针对我国东北地区玉米原茬地免耕播种机高速作业时，播种施肥触土部件堵塞导致播种作业质量降低等问题，改进设计一种适用于高速免少耕播种作业的侧向清茬刀。通过对正切刃折弯曲线及作业过程理论分析，确定了侧向清茬刀的结构和工作参数，构建了清茬防堵装置在田间作业过程中刀齿-土壤-根茬离散元仿真模型，进行了以清茬刀正切刃折弯角、作业速度和刀轴转速为影响因子，根茬清除率、土壤扰动率和当量功耗为评价指标的二次回归正交中心旋转组合仿真试验。依据参数优化仿真结果试制样机并进行田间性能试验，结果表明：在玉米残茬覆盖量1.73kg/m2、平均留茬高度400mm、土壤硬度20.8kg/cm2条件下，当正切刃折弯角34.5°、作业速度14.4km/h、刀轴转速380r/min时性能最优，此时根茬清除率91.6%、土壤扰动率26.6%、当量功耗12.62kW；安装优化清茬刀的清茬装置比安装侧向清秸刀齿的根茬清除率提高12.67%。

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针对大型净作精播机在原茬地上无法正常作业的问题，本文设计一种宽幅折叠式前置侧向种床整备装置，与现有大型净作精播机组成一套联合作业机组，在任何状态原茬地上，无需处理，一次进地可完成种床整备、施肥、播种、覆土镇压等全部播种作业环节。通过理论分析确定清秸单体结构、清秸刀齿排布方式和折叠机构关键参数范围，其中液压缸行程为500mm，通过仿真确定折叠与展开过程中折叠机构角速度、线速度变化均符合设计要求，牙嵌离合器碰撞冲击力随着主动牙嵌盘线速度呈非线性增长，当主动牙嵌盘轨迹线速度为150mm/s、折叠角速度为0.314rad/s时，碰撞冲击力为417N，液压系统各执行元件同步性能、转速和扭矩均满足作业技术要求。应用三因素三水平正交试验方法，以作业速度、刀轴转速和刀齿入土深度为试验因素，以清秸率、清秸行间一致性系数、当量功耗、覆秸均匀度为评价指标，实施田间参数优化组合试验。试验结果表明，当作业速度为7.2km/h、刀轴转速为600r/min、入土深度为40mm时，种床整备装置清秸率为90.02%、覆秸均匀度为91.11%、当量功耗为6.08kW和清秸行间一致性系数为91.26%。研究结果为提高大型净作精播机利用率，增加大型机具道路运输便捷性，减少机器多次进地对土壤产生压实破坏，降低生产成本提供技术支持。

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针对试验台检测排种器时未考虑种子触土偏移，导致检测结果理想化的问题，设计了一款铺料式排种器试验台。论证了试验台检测机理与地轮驱动式播种机排种机理之间的差异以及播种机所排种子残余速度的形成机理，推导出播种机残余速度的计算公式，并计算出工作速度为2.12km/h的花生分层施肥旋耕起垄播种机残余速度为0.25~0.42m/s。使用EDEM软件进行仿真分析，并记录球型种子与具有各向异性种子（以花生为例）在投种高度10~20cm、残余速度0~0.42m/s以及30种触土方式时的偏移距离与坠入深度，结果表明：种子坠入深度越大，偏移距离越小；残余速度一定、投种高度过低时，种子的坠入深度较小、偏移距离较大；投种高度越大、残余速度越小时，种子坠入深度越大、偏移距离越小；角速度与残余速度的特定组合可以减少种子偏移距离。使用本试验台对旋耕播种机的排种器进行中心组合试验，得到该排种器在工作速度为2km/h、投种高度为15cm、残余速度为0.21m/s时作业效果最好，作业合格率达到87%。田间试验结果表明：工作速度为2.12km/h、投种高度为15cm时作业效果最好，粒距合格率达到84%，证明所设计试验台可以准确检测排种器排种合格率并探究其最佳工作参数。

Abstract:

针对玉豆带状复合种植机械化播种过程中田间秸秆量大、代用机具播种质量差、作业效率低等问题，设计一种在收获后原茬地条件下一次进地可同步完成“清秸防堵种床整理-玉米大豆精播施肥-秸秆均匀覆盖”一体机。按照玉豆带状复合种植农艺要求，设计了一体机结构；采用正交试验与离散元仿真相结合方法，对清秸覆秸装置结构进行了仿真分析和参数组合优化，当作业速度为9.9km/h、刀轴转速为625r/min、清秸总成螺旋线头数为3、残茬抛撒控制板倾角为90°时，清秸率为91.03%、覆秸匀度为87.05%，当量功耗为9.79kW；在机收经粉碎秸秆残留量1.48kg/m2的玉米原茬地实施整机田间性能试验，结果表明：当作业速度为7.2km/h（保证试验样机排种器正常工作）、大豆粒距为8cm、玉米粒距为10cm、刀齿入土深度为50mm时，机具通过性良好，大豆、玉米粒距合格指数分别为79.50%、88.66%，重播指数分别为4.03%、3.66%，漏播指数分别为16.48%、7.68%，变异系数分别为28.49%、21.31%，大豆、玉米播深合格率为90%，施肥深度合格率为80%，种肥水平间距合格率为80%，覆秸匀度为88.97%，播后田间无晾籽现象。

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针对大粒径油莎豆种子表面凹凸不平、尺寸差异大而导致穴播器充种、携种不稳定及难以实现精量播种的问题，结合油莎豆一穴2粒、等距穴播的农艺要求，设计了一种双孔并行气吸式油莎豆精量穴播器。以油莎豆为研究对象，阐述了穴播器的结构和基本原理，对穴播器关键部件进行设计，确定其结构参数，对充种、携种过程进行力学分析并构建种子动力学模型。采用Fluent仿真模拟分析双孔不同分布组合下不同位置截面流场的压力、速度分布情况，优选确定了型孔最佳组合方式。结合单因素试验，进一步分析影响穴播器排种性能的主要参数，选取排种盘转速、气室负压、型孔直径为试验因素，以合格指数、漏播指数、重播指数为排种性能评价指标进行三因素五水平二次旋转正交组合试验。对试验结果进行多元回归分析，确定影响穴播器性能指标的主次影响因素，并通过多目标优化确定最佳参数组合：排种盘转速为34.3r/min、负压为19.79kPa、型孔直径为6.83mm，对此参数组合进行台架验证试验，合格指数为92.1%，漏播指数为3.63%，重播指数为4.27%，满足油莎豆精量播种要求，提高了排种均匀性。

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针对我国中小型育苗工厂育苗机械化程度低、不同批次标准化难控制、缺少芽苗播种辅助机械等问题，设计了一台轻简化分体式蔬菜育苗基质装穴机，主要包含5部分：搅拌机构、出料机构、穴盘传送系统、刮平机构与控制系统；试验结果显示其能够依次完成基质的加药预湿搅拌、出料、装穴以及穴盘基质刮平等工序，以及数字化显示预湿基质的温湿度、pH值和电导率（EC）；当出料口直径为34mm、双螺旋布料辊转速为80r/min、输送带运送速度为0.44m/s时，基质装穴合格率最高，达到99.05%，此时装盘效率为300盘/h；所选传感器可数字化显示搅拌后基质的温度、湿度、pH值EC值，便于大批量标准化工厂育苗。

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针对茄果类种苗嫁接前通过人工预切割效率低的问题，提出采用整盘机械式预切割的方法，以利于后续盘上嫁接作业空间增大和工作效率的提高。设计了一种高度可调节的种苗整盘预切割装置，能够适应不同砧、穗苗品种。采用ANSYS建立基于显微镜成像的番茄种苗、辣椒种苗和茄子种苗组织结构模型和不同刃角切刀的模型，进行不同刃角切刀切苗效果仿真，结果显示采用30°刃角切刀切割后苗截面最平整；以整盘番茄种苗、辣椒种苗和〖JP3〗茄子种苗为预切割对象，基于Design-Expert开展四因素三水平响应面分析试验。试验结果表明，当传送带速度0.3m/s、切割速率0.633m/s（电机转速3500r/min）、气吹角度140°、气流压强0.5MPa时，预切割效果最佳，平均成功率98.9%，预切割效率为600盘/h（72穴规格）。

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为探究油菜毯状苗移栽机非圆齿轮行星系栽植机构因前进速度提升，导致倒伏率升高的根本原因，对栽植机构运移苗、推苗到苗块落地的运动过程进行了分析，建立了栽植过程动力学模型，推导了苗块与秧针、推苗部件、土壤作用的运动受力方程和立苗平衡方程；分析了椭圆齿轮行星轮系栽植机构轨迹参数对苗块落地角度、角速度和立苗的影响；基于Matlab GUI编写了毯苗运动过程辅助分析软件，优化出一组能够满足油菜毯状苗栽植工作要求的轨迹参数(椭圆齿轮偏心率为1.5、齿轮模数为2.3mm、齿数为19、行星架初始安装角为38°、栽植臂与行星架初始相位角为42°、行星轮中心到秧针尖长度为142mm)；进行了栽植轨迹验证和对比台架试验。结果表明：在苗龄35d、苗高80mm油菜毯状苗、栽植频率220穴/min作业条件下，随着前进速度增加，倒伏率增加、栽植合格率降低；在小于该试验条件下理论计算的立苗临界前进速度670mm/s时，当前进速度为600mm/s时，栽植机构倒伏率为9.67%(较优化前降低68.81%)，栽植合格率为88.67%(较优化前提高31.69%)，苗块落地姿态好，满足油菜毯状苗的移栽要求，验证了理论模型正确性和轨迹参数优化合理性。该研究可为油菜毯状苗移栽立苗机理分析和栽植机构优化设计提供参考。

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针对西北梯田地田小路窄的典型作业工况，马铃薯联合收获掉头转弯困难，以及大垄双行覆膜覆土种植方式下，多数联合收获装备存在作业效率低、分离效果差、伤薯率及含杂率高等问题，本文设计一种多模转向减粘碎土型马铃薯联合收获机。该机一次性完成挖掘、薯土分离、薯膜分离、清洁分选、收集装袋、自动卸袋等工作。结合西北梯田地马铃薯主产区收获农艺要求及作业工况，确定了整机结构和关键参数。利用仿生学原理、三维扫描技术、逆向工程建模方法和动力学数值分析等方法，设计并确定了多模转向轮式底盘、复合仿生楔形挖掘铲装置、碎土型分离升运装置、膜秧清除装置、人工除杂与自动清选装置等关键部件结构及核心参数。对整机进行设计并进行了田间试验。田间试验结果表明，平均损失率为1.98%，平均伤薯率为1.59%，平均破皮率为2.15%，平均含杂率为1.84%，平均生产率为0.21~0.36hm2/h。设计的多模转向减粘碎土型马铃薯联合收获机各项试验指标均满足国家及行业标准要求。

Abstract:

为实现苹果自动化采摘，设计了一种结构简单、便携安装在自动化采摘设备上的单驱动无缆式气动苹果采摘手，该采摘手采用微泵直驱，3根弧形爪指呈中心对称分布由单个线性气动柔性驱动器驱动。手爪保持常闭状态，作业时充压张开，泄压被动收拢抓取苹果。根据吉林地区苹果特征参数，确定了采摘手关键部件设计及其尺寸参数，设计集成无缆式采摘系统。基于驱动器变形和力学特性，建立了手爪运动学和抓持力模型，并进行了采摘手性能测试，获得了其充泄压下开合角度变化和力学特性，结果表明采摘手开合动作迅速，抓持力和开合角度满足目标苹果采摘需求。利用臂式移动机器人，开展了试验环境下苹果采摘试验和果园现场采摘试验，试验结果表明，在采摘全程中该采摘手能安全且稳定地抓持苹果，采摘成功率为84.9%，可实现复杂果园环境下苹果采摘作业。

Abstract:

为解决基于机器视觉的茶鲜叶分级输送速度控制精度低的问题，本文设计一种引入自适应权重与Circle混沌映射的PSO优化模糊PID控制器（AW-CPSO-Fuzzy-PID），并开展基于改进模糊PID的茶鲜叶分级输送速度控制。在茶鲜叶输送传动系统作业过程中，当设定输送速度为78.5mm/s时，每1ms记录一次，输送速度波动可控制在0.7mm/s内；改进模糊PID茶鲜叶输送传动系统响应时间比传统PID与模糊PID分别减少81.41%、61.74%；超调量分别降低81.24%、41.82%；采集目标图像平均峰值信噪比分别提高5.8、10.4dB。结果表明，本文提出的方法具有更好的寻优性能和收敛速度。研究结果为基于机器视觉的茶鲜叶自动分级系统精确而稳定的控制奠定了理论基础，为解决由输送速度波动导致的图像模糊问题提供了技术方案。

Abstract:

针对目前割胶机械割深不均匀、树皮起伏适应能力差等问题,设计一种激光测距控深割胶机，通过构建数学模型分析割胶作业中的轨迹动态，得到轨迹解析方程。基于割胶执行机构与橡胶树的几何关系确定割胶刀距离调整计算方法，明确测距点间隔角度对割胶刀调整误差的影响机制，利用Arduino控制板实现了割胶过程中的轨迹行走和刀具精准控制。以位移电机转速、耗皮量与切割深度阈值为试验因素，以单次割胶刀具调整次数、压力方差和切割深度合格率为评价指标，进行正交试验。试验结果表明：位移电机转速24r/min、不同耗皮量和切割深度阈值设定范围条件下，切割深度合格率均可达到87%，当位移电机转速为24r/min、耗皮量为1.3mm、切割深度阈值为-0.1～0.1mm时取得最优割胶效果，切割深度合格率为95.74%，平均刀具调整次数为22.33次，压力方差为14.89N2，且割面平滑度较好，满足割胶作业要求。

Abstract:

叶顶间隙不可避免地存在于轴流泵的叶轮室内，其所诱导产生的叶顶间隙泄漏涡及其空化流动极易造成扬程效率等关键性能参数的降低，并伴随振动、噪声等不良现象的增强，严重影响轴流泵的安全稳定高效运行，甚至造成水泵装置的损坏。为了研究叶顶间隙对水泵装置空化流动特性的影响，基于计算流体力学采用SST-CC模型结合ZGB空化模型对某倾斜安装的轴流泵（斜式轴流泵）开展数值研究，叶顶间隙尺寸选取小（δ/R=0.0010）、中（δ/R=0.0033）、大（δ/R=0.0067）以及无叶顶间隙4个方案，分析空化与水泵能量性能的相互作用关系。结果表明：叶顶间隙可降低斜式轴流泵的能量性能，所产生的能量损失与叶顶间隙尺寸呈正相关。空化流态方面，小叶顶间隙方案与无叶顶间隙方案相差较小，空化形态主要呈现为叶面空化；但是在中、大叶顶间隙方案中可见明显的片状空化，其与叶面空化相融合，最终形成楔形空化区。通过叶轮吸力面的流态和边界涡量流分布得知，空化导致叶轮吸力面产生水流汇聚，随后流向叶顶区域并导致流动分离；流动分离与叶轮尾流相互作用，并最终形成叶道涡。这种现象随着叶顶间隙尺寸的产生与增加呈现出更明显、更高程度的趋势。此外，针对叶顶间隙区域的三维流态分析表明，空化区域与叶顶间隙泄漏流区域高度重合，即片状空化为叶顶间隙泄漏流挟带空化气泡所形成。通过熵产理论分析表明，空化工况下斜式轴流泵能量性能下降的主要因素为叶道涡和叶顶间隙泄漏涡，两种涡的强度、影响范围及其造成的能量损失随着叶顶间隙尺寸的增加而增加。

Abstract:

针对当前固体废弃物在遥感影像中标注困难、特征复杂、边界提取精度低等问题，提出了一种基于弱监督学习的两阶段方法：第1阶段采用图像级标签数据集，在5种网络模型中进行对比实验，最后选择Swin Transformer作为特征学习模型。然后，采用梯度加权类激活映射图进行特征区域可视化，以得到热力图。随后融合自适应阈值法和色差法作用于热力图，获取固体废弃物粗轮廓。第2阶段采用DeepSnake模型进行优化以得到精细化轮廓。利用无人机多光谱遥感影像数据，对河北省廊坊市开发区内6个典型城乡结合地区进行实验。第1阶段，对5种网络模型进行测试，Swin Transformer优势显著，精确率93.8%、召回率95.0%、F1分数94.4%，同时通过注意力区域可视化对比也显示其识别效果最好；自适应阈值和色差法融合法的粗轮廓提取在二值化对比实验下显示出优势。第2阶段，精轮廓提取定量分析采用了COCO数据集的评价指标平均精度(Average precision,AP)进行评价，在IOU为0.5时，AP为91.3%；IOU为0.75时，AP为77.5%。同时，在1、2阶段轮廓提取的定性比较下，显示出DeepSnake的优化作用。实验结果表明：本研究能够利用图像级标签数据集精确识别提取固体废弃物，具有显著的精度优势，可为我国城乡生态环境治理等提供可行方法。

Abstract:

在维护生态安全和实现高质量发展的背景下，科学构建滨海地区生态安全格局可以有效协调区域发展与生态环境保护之间的关系。以东营市为例，采用生态敏感性评价提取生态源地，并根据陆、河、滩等重要生态要素的分布特征将生态源地分区，分别从初始生态源地和分区后生态源地2个角度构建“面（生态源地）-线（生态廊道）-点（生态夹点、生态障碍点）”生态安全格局，综合识别国土空间生态保护与修复关键区域。结果表明：东营市初始生态源地共49处，主要分布在北部和东部的低海拔滨海湿地区，经归并后划分成17个生态源地片区；研究区综合阻力最高达98.742，高阻力集中在建成区及其周边；以初始生态源地和生态源地片区分别构建生态廊道84条和24条，2类结果重叠的生态廊道具有显著生态意义；此外，识别生态夹点72处，位于河流廊道上的生态夹点需重点维护与管理；生态障碍点54处，主要分布在东营区、垦利区和利津县。对于不同类别的关键区，提出相应的保护、维护、管理以及修复策略，统筹“陆-河-滩-海”全域生态保护，可为其他滨海地区生态安全格局构建与优化提供参考。

Abstract:

为解决星载LiDAR(Light laser detection and ranging)GEDI（Global ecosystem dynamics investigation）发射波激光脉冲难以穿透密林区森林冠层从而精准获取林下地形信息，以及在高坡度地形会增加GEDI林分冠层回波与林下地形回波重叠度进而难以高精度估测森林冠层高度的问题，结合冬季阔叶林落叶特性及GEDI发射波激光脉冲有强穿透性的特点，对GEDI波形长度参数按照不同季节森林构建冠层高度估测模型，分析GEDI不同百分比波形长度参数rh_aN在夏季、冬季森林冠层高度估测精度；之后引入地形坡度因子DTM数据修正森林冠层高度估测模型，分坡度估测森林冠层高度，解决由高坡度地形引起的林分冠层回波与林下地形回波重叠导致森林冠层高度估测精度偏低问题。研究结果表明，夏季森林冠层高度估测决定系数R2为0.573，均方根误差（RMSE）为3.695m；冬季估测R2为0.633，RMSE为3.671m；冬季森林冠层高度估测模型经地形坡度校正后整体估测精度R2为0.709，RMSE为3.271m。冬季森林冠层高度估测精度明显优于夏季，且引入地形坡度因子后能有效提高不同地形坡度条件下森林冠层高度估测精度。

Abstract:

烟叶加料作为烟草加工制丝工艺中的关键环节，对改善烟叶的物理和化学特性，以及提升产品品质具有重要意义，但现有加料精度检测主要集中在用量监控，缺乏加料后效果的评估。本文针对加料后烟叶的微量添加物含量的无损检测及可视化分析，构建了基于高光谱成像和卷积神经网络（CNN）方法的烟叶微量添加物含量检测模型、光谱预处理方法与特征波长选择技术优化开展建模探究。通过高光谱成像系统采集添加不同比例丙二醇烟叶样本的光谱数据，分别采用标准正态变换（SNV）、多元散射校正（MSC）、Savitzky-Golay滤波平滑3种数据预处理方法对比，并通过竞争性自适应重加权算法（CARS）、主成分分析（PCA）筛选特征波长以及光谱曲线波谷点对应波长，确定了1146、1614、2511、2517、2522、1941nm 6个共同的一致关键波长。分别构建CNN、随机森林（RF）、偏最小二乘回归（PLSR）模型进行加料烟叶微量添加物丙二醇含量的检测。结果表明，SNV-PCA-CNN模型在训练集和测试集中的检测效果最佳，取前4个主成分数量累计贡献率可达99%，训练集决定系数R2C为0.9880、均方根误差RMSE为0.0020kg/kg，测试集决定系数R2P为0.9896、均方根误差RMSE为0.0021kg/kg，具备优良的拟合与泛化能力，深度学习CNN模型在测试集上的表现显著优于机器学习RF和PLSR方法。因此基于高光谱成像的CNN模型能够对加料烟叶微量添加物丙二醇含量及可视化进行准确检测及评估。

Abstract:

为了实现生物炭表面碳氧元素与活性基团的高精快速预测，基于课题组积累的120组生物炭样品，建立了包含生物炭中红外光谱和表面碳氧元素及其赋存形态定量表征信息的数据集；采用支持向量机(SVM)、随机森林(RF)机器学习智能建模方法，结合区间偏最小二乘法(IPLS)和主成分分析法(PCA)等特征筛选策略，构建了IPLS+RF、IPLS+SVM、PCA+RF、PCA+SVM共4种预测模型，实现了表面碳氧元素含量(S_C、S_O)以及8种碳氧赋存形态共计10个预测目标的定量快速预测。其中，碳氧赋存形态有来自C1s能谱的C=C、C—C、C—O、C=O、O=C—O共5种形态(C_C=C、C_C—C、C_C—O、C_C=O、C_O=C—O)以及来自O1s能谱的C=O、C—O、O=C—O共3种形态(O_C=O、O_C—O、O_O=C—O)。研究结果表明：生物炭表面碳元素的主要赋存形态为C_C=C、O_C—O,生物炭表面氧元素的主要赋存形态为C_C—O、C_C=O、C_O=C—O以及O_C=O；特征波段4000~3464cm-1和1588~650cm-1均包含与生物炭表面碳氧元素含量及其赋存形态高度相关的特征信息，但1588~650cm-1蕴含的信息更为丰富；从模型预测精度来看，IPLS+RF、IPLS+SVM、PCA+RF、PCA+SVM这4种预测模型均具有良好的预测能力，IPLS+SVM和PCA+SVM尤为突出，对10个预测目标的最优模型决定系数均在093以上；但从模型稳定性和泛化能力来看，C_C—C、C_O=C—O、O_C=O、O_C—O还有待进一步提升。

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针对自然环境下水稻病害检测准确性与效率不高等问题，本文提出一种改进YOLO v5s的轻量化检测模型YOLO-RD，并将其部署至边缘计算设备，设计便携式检测装置，实现水稻病害快速检测。通过引入GhostNet网络减少计算量和参数量。结合轻量级注意力机制Shuffle Attention和动态检测头DyHead(Dynamic head)，增强模型对水稻病害图像的特征提取和自适应检测能力。使用Shape-IoU替代CIoU损失函数，提升自然环境下检测精度。试验结果表明，YOLO-RD模型在平均精度均值(mean Average Precision, mAP)达到94.2%的同时，大幅降低计算复杂度和参数量，具有良好的轻量化效果，与基准模型相比计算量、参数量和内存占用量分别减少44.4%、43.2%和41.3%。与YOLO 11n、YOLO v8n和YOLO v5n等目标检测模型对比，本模型检测效果最佳。将模型在树莓派4B边缘计算设备上部署，单幅图像检测时间为1.97s，满足实际应用需求，可为水稻病害智能化检测提供高效可行的解决方案。

Abstract:

机器人自动化采收是温室串番茄收获作业的有效解决方案，其中串番茄成熟度是机器人采摘决策的重要依据。本文利用Deep White-Balance与Zero-DCE深度神经网络分别实现串番茄图像偏色修正和阴影细节增强，改善补光环境与夜间环境下图像偏色与局部弱光等问题。同时引入深度残差收缩网络，在YOLO v5s中构建RSBottleneck-CW模块对特征图进行软阈值化处理，抑制图像中的噪声干扰。实验结果表明，在夜间环境下，图像经Zero-DCE算法增强处理后，检测模型召回率达到0.924，捕获到了更多的番茄果实与果串目标。在补光环境下，图像经过Deep White-Balance与Zero-DCE联合处理后恢复了真实色彩并增强了纹理细节，检测模型平均精度均值(mAP)达到0.849，相比于处理前提升0.038。而嵌入RSBottleneck-CW模块的YOLO v5s对特征图噪声表现出了很强的适应性能，不管是否对图像进行深度增强，其mAP与F1值始终比原始YOLO v5s更高，夜间环境下mAP和F1值最高分别为0.902、0.844，补光环境下mAP和F1值最高分别为0.868、0.817。检测模型检测出果实与果串后，利用边框匹配算法可以获取到串番茄最终的成熟度。当串番茄成熟度为90%~100%时，夜间环境与补光环境下串番茄成熟度识别平均绝对误差分别为1.837%、1.067%，可为串番茄采摘机器人夜间自动采收作业提供决策依据。

Abstract:

针对三七叶片病害中灰霉病与疫病表型特征高度相似、炭疽病等病害病灶区域小且形态复杂导致的图像分割特征提取困难与识别精度不足问题，本文提出了Transformer-DCNv2-BlendMask（TD-BlendMask）三七叶片多类别病害图像分割模型。首先，为了解决三七叶病害视觉相似问题，引入了Transformer编码器来捕获多种病害类别的长距离依赖性。其次，可变形卷积网络（DCNv2）通过引入偏移量，使其在分割各种复杂形状的病害方面具有更好的适应性。最后，与其他常用的实例分割模型（如BoxInst、ConInst、SOLOv2、Mask R-CNN和YOLO v8-seg）在包含多类别疾病的三七叶片病害数据集上进行比较。实验结果表明，所提出模型精确度（AP）达到86.14%，比基准模型高3.17个百分点，相比经典的Mask R-CNN模型高出4.37个百分点。在灰霉病、疫病和炭疽病类别上，分别提高0.16、4.32、4.46个百分点。因此，本文所提出的方法为在复杂环境中准确分割形状复杂且视觉高度相似的病害提供了有效解决方案，有助于实现病害准确量化。

Abstract:

针对传统蚁群算法在农机导航路径规划中存在前期搜索盲目、死锁、收敛速度慢、收敛路径质量低的问题，本文提出基于跳点优化蚁群算法(Jump point optimized ant colony algorithm, JPOACO)的路径规划方法。首先，使用优化跳点搜索算法对地图进行预处理，获得简化跳点；其次，通过简化跳点对栅格地图进行信息素初始化，以加强简化跳点的引导能力和减少前期盲目搜索；接着，设计蚂蚁死亡惩罚机制，以降低陷入死锁蚂蚁走过路径的信息素，减少死锁问题的发生；再者，通过重新设计启发式信息函数并引入分级式信息素因子改进状态转移概率函数，以提高收敛速度，缩短路径长度；最后，采用路径优化策略删减不必要路径节点，以进一步缩短路径长度、提升平滑度，提高路径质量。仿真结果表明,在简单环境中，JPOACO算法求得的路径长度较传统蚁群算法和另一种优化蚁群算法短约22.6%和2.0%，收敛迭代次数、收敛时间分别减少约77.0%、77.5%和49.3%、87.8%，零死亡迭代次数和零死亡时间较后者减少约19.5%和80.5%；在复杂菠萝种植环境中，JPOACO算法较传统蚁群算法和另一种优化蚁群算法求得的路径长度短16.6%和4.7%，收敛迭代次数、收敛时间分别减少约77.1%、17.4%和73.7%、47.4%，零死亡迭代次数和零死亡时间较后者减少约34.3%和58.2%，表明本文算法具有较高的适用性和可行性。

Abstract:

随着生猪养殖业向规模化和集约化转型，非侵入式个体识别技术对于追踪溯源、食品安全、疾病控制等方面至关重要，而猪只面部关键点定位技术是实现猪只非侵入式个体识别的前提。本研究基于SimCC关键点定位算法提出一种猪只面部关键点定位模型FCM-SimCC，使用FasterNet代替原算法的CSPDarkNet作为特征提取网络；通过在FasterNet中嵌入CA注意力机制，提高模型对长距离特征的捕获能力；使用MLT自适应权重多任务损失函数联合KL散度损失函数与Wing Loss损失函数对模型进行监督。在包含多个猪只品种、多种面部姿态的4861幅图像的数据集上进行实验，结果表明本研究模型平均精度均值、50%平均精度、75%平均精度分别为76.12%、93.44%、83.25%，相比原模型分别提升3.14、1.77、4.47个百分点，浮点运算量为2.79×109，参数量为1.38×107，浮点运算量减少38.68%，参数量减少20.16%。并与DarkPose、HRNet、YOLO X-Pose等主流关键点定位方法进行对比，实验结果表明FCM-SimCC模型能够在较低的浮点运算量与较少模型参数量的基础上实现快速精准的猪只面部关键点定位，为猪只面部关键点定位及后续的猪只个体身份识别等提供技术支持。

Abstract:

为提高奶牛热应激预测模型的准确性和可解释性，本研究采用奶牛红外体表温度和热应激潜在影响因子作为特征，基于极限梯度提升算法（XGBoost）构建个体热应激预测模型，并引入基于Shapley值的可加性特征归因算法（SHapley Additive exPlanations，SHAP）解释预测结果。选取了躯干、前乳（UD）、脸部以及眼部的最高温度（IRTmax）和平均温度（IRTave）作为体表温度变量，并结合环境参数和奶牛相关变量构建了特征子集。结果显示，热应激情况下，奶牛4个部位的IRTmax和IRTave均显著高于无热应激情况（p<0.01）。对比随机森林、自适应提升和梯度提升树模型，结果表明，使用前乳平均温度（IRTave_UD）作为输入特征，并经过网格搜索优化的XGBoost模型在预测奶牛热应激方面表现最佳，其准确率为80.8%，F1值为79.2%，ROC曲线下面积（AUC）为0.873。SHAP分析表明，前乳平均温度（IRTave_UD）与热应激发生呈正相关，而泌乳天数与其呈负相关，这两者可作为奶牛热应激识别的关键指标。研究结果可为奶牛舍夏季精准降温管理提供技术支持和参考。

Abstract:

传统人工测量方法在蛋鸡鸡冠肉垂面积测算中存在接触性应激风险、人畜共患病隐患及测量误差较大等问题。为此，本研究提出基于YOLO v7与改进U-Net的鸡冠肉垂自动分割与面积计算方法。构建两阶段检测框架：利用YOLO v7完成鸡头姿态筛选与ROI提取，有效消除非正视角图像干扰；提出融合Contextual Transformer的CoT-UNet模型：通过将CoT块融入U-Net编码器实现动态和静态上下文特征融合，结合本文构建的DyC-UP上采样模块（采用动态可调卷积核强化不规则边缘特征提取），显著提升不同鸡冠特征分割能力；建立像素-面积转换算法：基于标定系数实现从图像空间到物理空间的精准映射。实验结果表明，改进CoT-UNet相较基线模型，在鸡冠和肉垂分割任务中，IoU提升4.77、8.75个百分点，精确率提升5.31、5.06个百分点，分割质量改善显著。在面积计算精度方面，鸡冠面积绝对误差（0.62~3.50cm2）和肉垂面积绝对误差（0.10~2.93cm2）较传统手工测量（3.58~7.27cm2）具有明显优势。多场景验证显示，在不同姿态（3类）、拍摄角度（2种）和距离（2种）条件下，鸡冠面积相对误差为2.41%~13.62%，肉垂面积相对误差为1.00%~29.21%。本研究实现了非接触式禽类生物特征精准测量，为智慧化种鸡选育提供了可靠的技术支持。

Abstract:

为实现笼养蛋鸡声音的准确分类，实现蛋鸡健康、情绪、生产状态等信息的智能化、非接触式检测，提出了一种基于改进MobileNetV3的笼养蛋鸡声音分类识别方法。以欣华二号蛋鸡为研究对象，采集蛋鸡在笼养条件下发出的热应激声、惊吓声、产蛋声以及鸣唱声，经过声音预处理将一维声音信号转化为三维梅尔频谱图，建立了包括8541幅梅尔频谱图的蛋鸡声音数据集。通过在MobileNetV3中引入高效通道注意力(Efficient channel attention, ECA)模块，提高了笼养蛋鸡声音分类准确率。试验结果表明，MobileNetV3-ECA模型准确率、召回率、精确率以及F1分数分别达到95.25%、95.16%、95.02%、95.08%，相比原始模型分别提高1.99、2.08、2.00、2.04个百分点。通过与分别引入坐标注意力(Coordinate attention, CA)、卷积块注意力模块(Convolutional block attention module, CBAM)的模型对比，引入ECA模块后模型准确率分别提高2.11、2.03个百分点，其他指标同样有更明显的提高。与ShuffleNetV2、DesNet121和EfficientNetV2模型相比，MobileNetV3-ECA准确率分别提高1.99、2.03、2.50个百分点。本文提出的基于MobileNetV3-ECA的蛋鸡声音分类识别方法，能够有效且准确地实现对包括热应激声在内的不同种类蛋鸡声音分类识别，为蛋鸡规模化养殖中的自动化、智能化声音检测提供了算法支持，为禽舍巡检机器人功能优化提供了参考，同时为规模化笼养蛋鸡热应激预警开辟了思路。

Abstract:

为揭示不同水肥一体化模式下苹果树细根时空分布规律，探明不同滴灌施肥参数对苹果树细根生长的调控效应，2019—2021年进行二因素二水平完全组合设计田间试验，毛管布设方式设置一行一管和一行两管，施肥周期设置15d和30d，采用微根管原位监测技术，持续观测苹果树活跃生长期内细根的生长和死亡情况，分析了苹果树细根生长和周转对毛管布设方式和施肥周期的响应动态。细根现存量和生长量随季节动态变化为单峰曲线，细根死亡量为双峰曲线。与施肥周期30d相比，施肥周期15d在时间和空间分布上均能显著提高细根现存量、生长量和死亡量。毛管布设方式对苹果树细根现存量和死亡量的影响在时间上未达到显著水平，对细根生长量的影响随季节的变化而变化；在空间分布上，一行两管的细根现存量、生长量和死亡量在19~38cm土层中显著大于一行一管，在57~76cm土层中规律相反。毛管布设方式和施肥周期及其交互作用均对根系周转率有显著影响，一行一管、施肥周期15d较其他处理能够加快细根周转。施肥周期对苹果树细根生长和死亡有较明显的调控效应，而毛管布设方式能调节细根的空间分布，一行一管、施肥周期15d处理较其他处理更有利于提高细根现存量和生长量，加快细根周转，优化细根空间分布。

Abstract:

内蒙古自治区作为中国北方重要的生态安全屏障，研究其植被变化与水热因子的影响机制对北方地区的生态安全意义重大。基于内蒙古地区1982—2020年归一化植被指数(Normalized difference vegetation index，NDVI)与气象数据，采用通径分析方法分析内蒙古地区气温和降水量对植被覆盖变化的直接及间接影响作用，利用Copula函数建立概率分布函数来描述降水量-NDVI、温度-NDVI的依赖关系，为该地区生态建设提供科学依据。结果表明：1982—2020年，内蒙古地区降水量以速率0.357mm/（10a）（P=0.276）减少，气温以速率0.243℃/（10a）（P＜0.001）增加，NDVI以速率0.009/（10a）（P=0.228）增加，植被退化面积远小于改善面积。降水量和温度通过彼此抑制植被生长，降水量对植被NDVI综合通径系数均为正（0.927），温度对植被NDVI综合通径系数均为负（-0.809），且降水量对植被生长的直接作用远大于气温的间接作用。当降水量高于阈值7mm（西部）、15mm（中部）、20mm（东部）和10mm（全区）时，NDVI分别大于0.16、0.3、0.5和0.3，植被指数随降水量和联合概率增加而增加。NDVI随温度自西向东降低而有所增加，有利于植被发育的温度范围向低温区扩大，呈阶梯状分布。

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为探讨不同滴灌淋洗模式对南疆盐碱化棉田的影响，采取淋洗量和淋洗时期2因素交互设计，淋洗量设置4个水平：W1（75mm）、W2（150mm）、W3（225mm）和W4（300mm），淋洗时期设置3个处理：T1（在苗期1次淋洗）、T2（在苗期和蕾期2次淋洗）和T3（在苗期、蕾期和花铃期3次淋洗），及1个灌溉量为85%ETC（棉花生育期需水量）无淋洗的对照组（CK），进行大田试验。试验结果表明：在盐碱化棉田滴灌淋洗中，可将盐分进行淋洗。与CK处理相比，W4和W3在2020、2021年分别降低0~100cm土壤含盐量13.17%和26.57%，增加产量104.13%和59.36%。各处理地上部干物质量Logistic拟合效果良好（决定系数R2≥0.9654，P<0.05）。在相同淋洗时期下，地上部干物质量累积量、籽棉产量与淋洗量呈正相关，而经济系数与淋洗量之间存在差异性。主成分分析法、基于组合赋权的理想点法模型、灰色关联度分析法和隶属函数分析法两两之间具有良好的相关性，各模型之间相关系数为0.92～0.99。基于整体差异组合评价模型得出W4T2处理最优。考虑到该地区干旱少雨，盐碱化棉田生育期内淋洗量225mm、淋洗时期为苗期和蕾期，棉田综合指标评价值为1.3765，为适宜的盐碱化棉田滴灌淋洗制度。本研究可为南疆盐碱化棉田生育期滴灌淋洗水盐科学管理提供理论指导。

Abstract:

开展室内冻融循环试验，设置不同土壤初始含水率（15%、20%、25%）、不同含盐量（原始土壤、施加0.2% NaHCO3）、不同生物炭粒径（0~0.5mm，S处理；0.5~2mm，L处理）与未处理组（CK），分析冻融循环过程中不同调控措施下土壤孔隙结构变化对土壤渗透性与水盐再分布的影响，并定量表征土壤水盐运移过程。结果表明：冻融作用促使土壤孔隙扩张，骨料破碎，导致土壤饱和导水率（ks）上升、冻土饱和导水率（kfs）下降。且土壤初始水盐含量提升均会增加冻融作用对土壤结构的破坏，增加土壤孔隙扩张幅度与冻融循环结束后ks与kfs变化幅度，并加剧冻融期土壤水盐上迁比例。施用生物炭可降低冻融期土壤孔隙扩张幅度并提高土壤团聚体稳定性。与CK相比，各含水率及各含盐量S、L处理分别使冻融后ks平均降低48.35%、37.69%，kfs下降幅度平均降低55.44%、78.55%。同时，生物炭处理可降低表层土壤（10cm处）含水率与电导率上升幅度。土壤大孔隙占比与小孔隙占比分别为ks和kfs的关键驱动因子。本研究表明施加0.5~2mm生物炭对冻融条件下土壤渗透性能及水盐再分布状况的调控效果最佳。研究结果可为冻融土壤水盐迁移理论研究体系提供理论依据和技术支撑。

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针对寒区冬季密闭式畜舍内现有的温湿环境调控热量损失大、补温能耗高，以及仅依赖温度或湿度等单一指标调控而导致环境调控效果不佳等问题，基于课题组前期研发的寒区畜舍内循环除湿系统，提出一种改进的多目标优化算法（Improved non-dominated sorting genetic algorithm-Ⅱ，INSGA-Ⅱ）优化该系统保温、除湿和能耗的运行效果。INSGA-Ⅱ采用自适应差分变异算子和改进精英保留策略的方法，增加最优解的种群多样性，避免算法陷入局部收敛。通过Zitzler-Deb-Thiele（ZDT）系列测试函数验证，改进INSGA-Ⅱ算法的反向世代距离（Inverted generational distance，IGD）和世代距离（Generational distance，GD）指标都优于传统NSGA-Ⅱ算法，与真实解更为接近。内循环除湿系统优化调控性能数据表明，空间广泛性评价指标（Spacing，SP）从NSGA-Ⅱ的0.1118降低到INSGA-Ⅱ的0.0202，最优解分布域显著增加，可为系统运行的优化调控提供更为广泛的参考依据，同时求解速度提高106.42%。在除湿系统仿真调控效果方面，INSGA-Ⅱ算法调控平均降温比NSGA-Ⅱ算法减少1.43℃，降幅为23.06%，减少了由除湿带来的舍内降温，能够获得更好的保温节能效果。因此，改进INSGA-Ⅱ优化算法有助于提升畜舍内循环除湿系统工作性能，为畜舍温湿环境精准调控提供可行的技术支撑。

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超声是一种有工业应用前景的食品物理加工技术。为开发适合食品加工的超声设备，利用COMSOL多物理场仿真软件对狭缝式连续超声设备在单频（28、40kHz）和双频（28/40kHz）模式下的声场分布进行了数值模拟计算，并通过铝箔腐蚀试验对仿真模型计算的准确性进行了验证。仿真结果表明，单频超声声场在换能器正下方产生负相位声压，在换能器周围辐射交汇区域形成振动稳定的正相位声压。铝箔腐蚀结果证实铝箔表面在负相位声压区呈现不规则波浪型形变，在正相位声压区呈现颗粒状点蚀。通过仿真数据计算超声声场在换能器正下方以及换能器周围辐射区域绝对总声压的相对标准差得出28kHz最低相对标准差为0.764，40kHz最低相对标准差为0.960，28/40kHz最低相对标准差为0.658。28/40kHz双频超声最低相对标准差是28kHz单频超声声场的86.1%，是40kHz单频超声声场的68.5%。研究表明双频超声声场分布更为均匀。本研究可以为研发高效的食品超声加工装备提供依据，为狭缝连续式超声用于食品加工提供指导。

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原料粉碎是饲料加工的重要工艺环节，锤片式粉碎机筛网破损是常见的故障。针对筛分式粉碎机筛网破损识别装置中颗粒筛分过程离散元仿真缺乏粉碎颗粒有效接触参数，数值模拟不准确等问题，以玉米为试验材料，在获得粉碎机筛网冲击特性和粉碎玉米颗粒粒度分布特征的基础上，选择粉碎玉米颗粒的特征粒径制作试验样本，采用碰撞斜板法和漏斗法试验结合离散元仿真，以多面体颗粒模型代表粉碎玉米颗粒，对粉碎玉米颗粒接触参数进行标定。研究结果表明，筛网上部和下部的平均冲击强度和更大且冲击频率高，更容易破损，粉碎玉米颗粒间和粉碎玉米颗粒与碳钢间碰撞恢复系数分别为0.14和0.44，仿真验证试验相对误差为0.56%和1.95%，粉碎玉米颗粒间和粉碎玉米颗粒与碳钢间动摩擦因数分别为0.77和0.85，仿真验证试验相对误差为3.04%和3.56%。研究结果为解析粉碎机筛网冲击特性和筛分式筛网破损识别装置优化提供基础数据和理论依据。

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提出了一种新型的便携式实时荧光检测系统，旨在实现生鲜猪肉新鲜度的实时检测。该系统主要由两大部分组成：氮掺杂石墨烯量子点（N-GQDs）荧光纳米材料的研究和便携式荧光检测装置的创制。通过透射电子显微镜、傅里叶变换红外光谱和X射线光电子能谱等技术对N-GQDs形貌、结构和表面官能团进行分析，证实N-GQDs被成功合成；探讨了N-GQDs的光学特性，证明了N-GQDs对胺类物质具有优异的灵敏度和选择性；通过响应机理分析，表明N-GQDs与NH3之间产生了静态猝灭效应。便携式荧光传感器检测装置包括硬件设计和软件设计，主要包含5个模块，分别是光源激发模块、荧光检测模块、温湿度检测模块、无线通讯模块和阈值报警模块；通过无线通讯模块将检测数据实时传输至手机APP和上位机，实现了数据的可视化和存储。将N-GQDs荧光纳米材料与便携式荧光检测装置结合开发了便携式实时荧光猪肉新鲜度检测系统，并在生鲜猪肉中进行了系统性能实验验证。实现冷藏（4℃）和室温（25℃）条件下猪肉TVB-N含量精准检测并表现出优异的线性关系（R225℃=0.97，R24℃=0.92）。

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生鲜农产品易发生品质劣变，其中氨气是反映其品质变化的重要检测指标。针对传统有芯片氨气传感器电路设计复杂、寿命有限问题，设计了一种无芯片射频识别(Radio frequency identification, RFID)氨气传感器，用于生鲜农产品挥发性氨气检测。首先，基于高频电磁仿真软件（High frequency structure simulator，HFSS）设计了微带贴片天线结构，研究了传感器天线的电磁场分布、回波损耗S11和极化特性，通过在微带天线上加载金属短路和寄生单元优化了传感器结构；采用激光雕刻技术制备传感器标签，并选择了在室温下对氨气具有良好选择性的ZnO/TiO2纳米复合材料，将其喷涂在微带天线表面辐射单元上；其次，结合氨气射频检测原理，搭建了基于无芯片RFID的生鲜农产品挥发性氨气测试系统，分析了传感器的交叉敏感性和低温高湿环境下的稳定性，最后，对实际测试结果进行了主成分分析和Pearson相关分析。试验结果表明，该无芯片RFID传感器中心谐振频率为2.25GHz，加载金属短路后增益提升0.13dB，在实验室氨气质量浓度0~100mg/L环境下灵敏度达到0.11dB·L/mg，实际测试过程中，鸡肉氨气传感响应值较高，为9.0dB；虾肉氨传感响应值较低，为4.5dB。此外，传感器检测响应能有效区分干扰气体（H2S、CO2、CH4、C2H5OH），相关系数绝对均值均小于0.5；在低温高湿环境下，传感器能够有效完成氨气检测，且稳定性良好。

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针对电动拖拉机双电机驱动系统（Dual motors drive system，DMDS）模式切换瞬时冲击度大、作业稳定性差等问题，提出一种基于DMDS瞬态特性的接合/分离驱动模式切换控制方法。建立瞬态湿式多片电磁离合器摩擦转矩模型及驱动系统动力学模型，提出模型预测控制（Model predictive control，MPC）接合策略及扭矩转移控制（Torque transfer control，TRC）分离策略，在模式切换过程中协调控制牵引电机（Traction motor，TM）、PTO电机（PTO motor，PM）输出扭矩及离合器摩擦转矩。以冲击度和作业速度偏差为评价指标，开展DMDS模式切换台架试验，结果表明：MPC接合策略最大冲击度为15.86m/s3，最大作业速度偏差绝对值为0.17km/h，相较于传统PID控制分别降低56.24%和51.42%；TRC分离策略最大冲击度为9.06m/s3，最大作业速度偏差绝对值为0.07km/h，相较于传统PID控制分别降低74.92%和76.66%。本文提出方法兼顾DMDS关键部件动作特性和负载时变特性，提升了DMDS模式切换平顺性和作业稳定性，满足拖拉机牵引作业需求，可为电动拖拉机多源驱动控制研究提供参考。

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针对燃料电池拖拉机在设计之初因使用质量未知而无法获取拖拉机动力性指标约束的问题，以双轴驱动燃料电池拖拉机为研究对象，本文提出了一种参数自适应优化方法。采用质量闭环算法解决动力系统因使用质量未知导致无法准确获取动力性指标约束的问题。为了提高运行效率，采用遍历搜寻算法对前后轴减速器传动比进行优化。以能耗最小化为目标将质量闭环算法、遍历搜寻算法和遗传算法融合形成使用质量未知下双轴驱动燃料电池拖拉机参数自适应优化方法。参数自适应优化方法可同时优化燃料电池拖拉机使用质量、动力性参数和前后轴减速器传动比。为验证该方法合理性，制定了规则设计方法作为对比方法，并在犁耕工况下对两种方法进行了仿真。结果表明，采用参数自适应方法得到的双轴驱动燃料电池拖拉机使用质量和等效氢气消耗量比规则方法分别降低14.44%和8.41%，其中动力源电机运行效率分别提升3.28、5.29个百分点，能量源燃料电池和动力电池输出功率分别降低6.81%和38.59%。该方法为使用质量未知情况下燃料电池拖拉机参数设计提供了理论基础。

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梯形四杆直线机构是一种具有特殊位形的近似直线机构，其过定点时连杆曲线为近似直线、且连杆平行于机架，在多足机器人领域具有较好的应用前景。为了完善和简化此类机构轨迹综合方法，在解析法基础上，研究其图解综合方法。基于无限接近运动几何学理论并结合公式与图解，证明了在一定条件下，梯形四杆直线机构特殊位形和曲率驻点曲线蜕化之间互为充要条件；提出了一种图解综合方法，在给定鲍尔点位置和直线运动方向前提下，各铰链位置和各连杆尺度可通过平面作图确定，并编写Matlab程序验证了所提方法。在此基础上提出了机构直线性能评价指标“直线段相位比”，列举了不同条件下机构直线性能，并结合遗传算法探索了该指标下的最优机构，优化得到一种直线段相位比为0.665的四杆直线机构。

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大功率外啮合齿轮泵在高转速运行时容积效率较低，无法满足电动工程机械高速化需求。首先建立传统泵三维模型，并基于三维模型的结构参数推导齿腔吸油流量-压力数学模型，对数学模型进行分析，提出一种基于“π”形槽设计的吸油流道优化方案；然后采用Pumplinx对全因子正交设计的结构参数进行计算，建立优化泵容积效率的预测模型；最后通过试验验证优化泵的性能。结果表明：径向吸油时，过流面积小，齿腔充满油液所需的瞬时压力较大，且高转速运行时，齿腔充液时间缩短，导致泵高转速运行时容积效率快速下降；通过径向-轴向联合吸油的方法，在3000r/min时所需Δp≥0.1MPa的最小齿腔容积占比比径向吸油减小42.62个百分点，具有较高齿腔充液率；被优化结构参数对容积效率的影响程度从大到小依次为d2、Rm、d1，且容积效率预测模型R2为0.9971，具有较高可靠性；传统泵运行转速大于2700r/min时容积效率快速下降，在3000r/min时容积效率降至81.87%，而优化泵在2700r/min后容积效率下降趋势较为缓慢，在2800、2900、3000r/min下容积效率分别提高1.8、6.79、11.64个百分点。