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甘蔗整秆立式收获集捆装置多刚体动力学仿真与试验

徐凤英, 夏腾飞, 刘庆庭, 邹小平, 陈震, 罗菊川

徐凤英, 夏腾飞, 刘庆庭, 等. 甘蔗整秆立式收获集捆装置多刚体动力学仿真与试验[J]. 华南农业大学学报, 2025, 46(1): 124-132. DOI: 10.7671/j.issn.1001-411X.202401022
引用本文: 徐凤英, 夏腾飞, 刘庆庭, 等. 甘蔗整秆立式收获集捆装置多刚体动力学仿真与试验[J]. 华南农业大学学报, 2025, 46(1): 124-132. DOI: 10.7671/j.issn.1001-411X.202401022
XU Fengying, XIA Tengfei, LIU Qingting, et al. Multi-body dynamics simulation and experiment of pre-baling device for vertical harvesting of whole-stalk sugarcane[J]. Journal of South China Agricultural University, 2025, 46(1): 124-132. DOI: 10.7671/j.issn.1001-411X.202401022
Citation: XU Fengying, XIA Tengfei, LIU Qingting, et al. Multi-body dynamics simulation and experiment of pre-baling device for vertical harvesting of whole-stalk sugarcane[J]. Journal of South China Agricultural University, 2025, 46(1): 124-132. DOI: 10.7671/j.issn.1001-411X.202401022

甘蔗整秆立式收获集捆装置多刚体动力学仿真与试验

基金项目: 国家重点研发计划(2020YFD1000605); 国家糖料产业技术体系建设专项资金(CARS-170402)
详细信息
    作者简介:

    徐凤英,教授,博士,主要从事农业机械装备研究,E-mail: xu_fy@scau.edu.cn

    通讯作者:

    刘庆庭,教授,博士,主要从事甘蔗机械化和作物学研究,E-mail: qingting@scau.edu.cn

  • 中图分类号: S225.53

Multi-body dynamics simulation and experiment of pre-baling device for vertical harvesting of whole-stalk sugarcane

  • 摘要:
    目的 

    解决甘蔗整秆立式收获缺乏集捆装置,导致甘蔗收获机体型大、难于在复杂地形有序集捆问题。

    方法 

    设计了一种用于直立甘蔗整秆立式收获的集捆装置;基于多刚体动力学分析,采用仿真试验和台架试验分别考察了甘蔗整秆在不同控制因素(下转指高度和转速)组合模式下的作业指标与性能(甘蔗质心高度、集捆成功率)。

    结果 

    下转指高度和转速均显著影响甘蔗整秆的集捆成功率(P<0.05),台架试验与仿真试验的结果基本一致。在18个集捆模式中,下转指高度为400 mm、转速为30 r/min模式的集捆成功率100%,集捆过程中甘蔗整秆质心高度呈V型动态,作业安全性最高,推荐作为优选模式。

    结论 

    研制的甘蔗整秆立式集捆装置空间结构紧凑、集捆成功率高,可适应广大丘陵山区复杂地形条件下的甘蔗高效收获;揭示的集捆过程机制对研制甘蔗整秆联合收获机械有广泛的参考价值。

    Abstract:
    Objective 

    This article aims to address the challenges of upright sugarcane harvesting, specifically the lack of bundling mechanisms, which leads to large harvester sizes and difficulties in orderly collecting sugarcane on complex terrain.

    Method 

    A pre-baling device for vertical harvesting of whole-stalk sugarcane growing uprightly was designed. Based on multi-body dynamics analysis, simulation and bench test were used to quantify the pre-baling performance (centroid height of sugarcane and success rate of pre-baling) with different controlling factors (the height and rotational speed of the lower rotating finger).

    Result 

    Both the height and rotational speed of the lower rotating finger significantly affected the success rate of pre-baling (P<0.05), and the results of the bench test were basically consistent with the simulation results. Among the 18 pre-baling modes, the mode with the 400 mm height of the lower rotating finger and 300 r/min rotational speed achieved a 100% pre-baling success rate. During the pre-baling process, the centroid height of sugarcane showed a V-shaped dynamic, and the highest operational safety was achieved. This mode was recommended as the preferred mode.

    Conclusion 

    With a compact structure and high pre-baling success rate, the vertical pre-baling device designed by this study can fill the harvesting requirement of sugarcanes growing on hillside areas with complicated terrain conditions. The pre-baling mechanism explored by this study has wide reference value for design of combined sugarcane harvester.

  • 水稻作为人类主要粮食之一,受众十分广泛,遍布亚、欧、非洲以及热带美洲,全球约一半的人口以稻米作为主食,因此水稻的产量问题一直备受关注,水稻产量预测也成为当前水稻生产中的一个重要研究方向。当前作物估产方面,主要有气象产量预测法、遥感技术和统计动力学模拟法[1],通常使用多元线性回归、决策树、神经网络等构建模型;水稻产量受多种因素影响,如气候、病虫害、农药化肥使用量等,导致产量数据呈现非线性分布,预测效果整体较差。

    现今我国的水稻主要有早、中、晚3种水稻,水稻的分布位置与气候条件密切相关,光照、温度、风向、水分等因素的变化会影响水稻的生长,进而影响水稻的产量。比如,气温变化会对水稻花器官分化、发育以及水稻同化物合成、累积、转运及分配过程产生影响;水稻在孕穗期和灌浆期对水分变化最为敏感,在这期间水稻缺水会阻碍分蘖穗的形成,并影响谷粒的灌浆充实程度;水稻从孕穗期到出穗期叶面积较大,蒸腾强度达到高峰,蒸发量过大会对水稻生长造成影响;水稻属喜阳短日照作物,光照强度直接影响水稻同化物的形成速率,进而影响产量[2-5]。当前,在气象估产方面,国内外学者已进行了相关的研究,比如,刘洪英等[6]利用四川省南充市1989—2018年气象数据和水稻单产数据,采用线性回归方法建立了基于气象因子的水稻产量预报模型;高俊杰等[7]利用1982—2020年广东省肇庆市高要区气象因子与早稻产量的数据,采用逐步线性回归方法建立了早稻产量预报模型;Chutia等[8]利用1990—2012年水稻作物产量数据和周天气数据,建立了阿萨姆邦13个地区的水稻产量预测模型;Kaeomuangmoon等[9]通过研究泰国77个区域的气候数据变化,利用Rice4cast平台预测季节性KDML 105水稻的产量;Traore等[10]使用决策分析针对萨赫勒地区气候条件进行水稻估产;Jha等[11]通过作物动态模型根据每日气象数据对尼泊尔水稻产量进行估产;Dhekale等[12]针对印度克勒格布尔市日降雨量数据,采用CERES-Rice(DSSATv4.5)模型进行水稻产量预测;Nain等[13]针对印度哈里亚纳邦卡尔纳尔地区的气象及水稻产量数据,使用多元线性回归等不同统计方法对该地区的水稻产量进行预测;Guo等[14]通过气象和水稻产量等农艺性状数据,分别使用反向传播神经网络和偏最小二乘法构建模型,预测华东地区的水稻产量;杨北萍等[15]通过长春市2个地区的气象、水稻遥感及产量数据,使用随机森林算法对2个地区的水稻产量进行预估;徐强强等[16]通过浙江省台州市椒江区的气象及水稻产量数据,使用指数平滑法对该地区早稻产量进行预测。其他作物方面,路智渊等[17]通过气象因子结合固原市小麦产量进行回归分析,进行小麦产量预测;马凡[18]基于气象数据及安徽省小麦产量,构建小麦产量预测模型。以上方法不同程度地存在模型精度低、预测区域级别过大、模型优化时间过长等缺陷,如模型的误差超过10%,预测区域的级别为国家或省市,使用群智能算法等优化神经网络时间过长等。为了解决上述问题,本文提出一种基于Spark的鲸鱼优化算法−反向传播神经网络 (Whale optimization algorithm-backpropagation,WOA-BP)水稻产量预测方法。首先,以县/市/区作为研究区域级别,避免研究区域范围过大和数据量太少的问题,可以很好地反映气象因素对县/市/区级别水稻产量的影响,在研究小区域水稻产量时更具有参考意义;此外,BP神经网络具有优良的非线性映射能力,利用其构建水稻产量模型能够提升模型的预测效果,同时利用WOA对BP网络的权值和偏置值进行优化,改善BP神经网络收敛慢、易局部收敛等缺陷,能够进一步提升模型的效果,避免误差较大等问题;最后,将现有的大数据技术与农业和人工智能进行结合,利用大数据Spark框架,搭建Spark集群,将改造后的WOA-BP算法在集群环境下实现并行化运算,减少算法优化过程的时间开销,充分发挥大数据技术的优势,实现对水稻产量与气象数据的快速建模以及县/市/区水稻产量的精准预测。

    模型的训练在TensorFlow框架下完成,优化算法在Spark集群下运行,其中Spark集群由3台相同配置的联想台式电脑组成,硬件环境:联想3148主板、AMD Ryzen5 3600 6-Core双线程CPU、16 GB DDR4 3 000 MHz内存、TP-LINK路由器,软件环境:Ubuntu16.04系统、TensorFlow2.8、Spark3.2.0、Python3.7,编程语言为Python;通过路由器将3台电脑构成局域网,按照1主节点2子节点搭建Spark集群环境,Spark集群模式为Standalone模式。

    本文以广东省西部地区4座城市(湛江、茂名、阳江、云浮)23个区县2000—2020年水稻的单产(每667 m2)数据及该地区的气象因素作为研究对象,其中,该区域的水稻单产数据共计482条,数据来源于广东省统计局历年的《广东农村统计年鉴》;气象因素选取2000—2020年每年3—10月的每月气温(最高、最低、平均),土温(最高、最低、平均),露点温度(最高、最低、平均),积温,降水量,蒸发量和太阳辐射量,来源于欧洲中期天气预报中心(ECMWF)的气象数据。为了降低后期BP神经网络模型结构的复杂程度,通过主成分分析 (Principal component analysis,PCA) 对影响因素进行降维,降维后累积方差贡献度保持在0.95以上;此外为了加快BP神经网络的收敛,需对数据进行归一化处理,归一化公式如下:

    $$ \begin{array}{c}{X}'={\rm{MIN}}+\dfrac{X-{X}_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}}{{X}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}-{X}_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}}\left(\mathrm{M}\mathrm{A}\mathrm{X}-\mathrm{M}\mathrm{I}\mathrm{N}\right)\text{,}\end{array} $$ (1)

    式中,X为当前元素,$ {X}' $X归一化后的值,MIN、MAX分别为X整体数据集中所有元素的最小值和最大值,$ {X}_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}} $$ {X}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}} $为当前所在列的最小值与最大值。

    BP神经网络是1986年由Rumelhart等[19]提出,是一种按误差逆传播算法训练的多层前馈网络,是目前应用最广泛的神经网络之一。BP神经网络学习过程分为输入信息正向传播和误差反向传播2个阶段[20]

    WOA算法是由澳大利亚学者Mirjalili等[21]于2016年提出的新型群智能寻优算法,该算法主要分为座头鲸识别并包围猎物、螺旋泡网攻击、鲸鱼根据同类位置随机搜索捕食3个阶段;WOA算法已经被运用到复杂函数优化、路径规划、图像分割和光伏模型等领域,并取得显著效果[22]

    Spark是一个基于内存运算的大数据计算框架,在时间性能上优于MapReduce,Spark为了能够实现高并发和高吞吐率的数据处理过程,封装了弹性分布式数据集(Resilient distributed datasets,RDD)、累加器、广播变量3大数据结构,应对不同场景下数据处理,其中,RDD是Spark中最基本的数据单元,同时也是1个不可变、可分区且支持并行计算的数据集合。RDD用于支持Spark框架的并行计算,而累加器以及广播变量则用于数据同步,其中累加器是1个只写变量,变量一旦被修改,该变量在所有节点的值将同步更新;广播变量是1个只读变量,当变量被广播后,成为该节点的局部变量,节点修改该变量不会影响其他节点[23-24]

    由于WOA算法优化BP神经网络时,存在大量迭代计算,除鲸鱼自身的信息不一样外,每头鲸鱼在寻找自身最优解以及更新自身位置信息的过程中,所有更新逻辑均相同,因此,结合Spark并行计算框架,实现基于Spark的WOA-BP算法并行化,减少算法的时间开销。图1为基于Spark的WOA-BP算法的并行化流程图,算法的具体步骤如下。

    图  1  WOA-BP算法的并行化流程
    Figure  1.  The parallelization process of the WOA-BP algorithm

    1)设置相关参数:设置种群规模,如鲸鱼数量n,参数维度d等,同时设置Spark广播变量。

    2)初始化种群:创建含d个元素的一维零数组,通过该数组构建RDD,之后通过map算子进行种群的初始化,实现并行化初始化操作,减少时间开销。

    3)更新鲸鱼位置和适应度:更新每头鲸鱼的位置信息,并进行越界检查,之后计算该鲸鱼的适应度(Fitness),以样本的均方根误差(Root mean square error,RMSE)作为适应度,计算公式如下:

    $$ \begin{array}{c}{\rm{RMSE}}=\sqrt{\dfrac{1}{mn}\displaystyle\sum _{i=1}^{n}\displaystyle\sum _{j=1}^{m}{\left({y}_{ij}-{{y}'}_{ij}\right)}^{2}}\text{,}\end{array} $$ (2)

    式中,n为样本数,m为网络输出层输出个数,$ {y}_{ij} $为样本的实际值,$ {{y}'}_{ij} $为网络的实际输出值。

    4)更新全局最优解和最小适应度:通过sortBy算子获取最小适应度以及该适应度对应的鲸鱼位置信息,更新全局最优解。

    5)终止条件判断:若不满足终止条件,则程序继续执行,否则,通过collect算子收集各个分区的数据,完成算法的优化阶段,得到全局最优解。

    6)构建BP神经网络:利用全局最优解对网络的权值和偏置值进行初始化,构建模型。

    本文以广东省西部地区2000—2020年县/市/区水稻单产及气象数据为基础,按照3∶1∶1进行数据集划分:2000—2012年数据作为训练集,2013—2020年数据作为验证集(50%)和测试集(50%),通过BP神经网络建模,分别使用粒子群优化算法 (Particle swarm optimization,PSO) 和WOA对BP神经网络进行优化,得到BP、PSO-BP、WOA-BP 3种产量预测模型,之后对模型的预测结果进行反归一化。图2是3种模型预测值与真实值的绝对误差对比,由图2可以清晰看出,WOA-BP模型的曲线整体上更加贴近横坐标,即测试集样本的整体绝对误差小于另外2种模型的。表1为3种模型的预测精度对比,可以明显看出,与传统BP模型相比,经WOA优化后的产量预测模型的平均绝对百分比误差(Mean absolute percentage error,MAPE)减少了1.286个百分点,平均绝对误差(Mean absolute error,MAE)减少了4.338 kg,RMSE减少了7.462 kg。虽然PSO-BP模型相较传统BP模型在精度上有一定提升,但效果明显不如WOA-BP。此外,试验过程中发现,相同种群规模下,WOA与PSO 2种算法的优化时间相差较大,其中WOA为26 637 s,PSO为48 518 s,WOA比PSO少了约45%的时间开销,显然WOA的时间性能更优。因此,WOA在算法优化的时间开销以及模型效果上均优于PSO,故本文采用WOA-BP对广东省西部地区县/市/区的水稻产量进行最终建模。

    图  2  3种模型的绝对误差
    Figure  2.  Absolute error of the three models
    表  1  3种模型精度对比
    Table  1.  Precision comparison of the three models
    模型
    Model
    平均绝对
    百分比误差/%
    MAPE
    平均绝对
    误差/kg
    MAE
    均方根
    误差/kg
    RMSE
    BP 8.354 31.320 41.008
    PSO-BP 7.890 29.999 38.786
    WOA-BP 7.068 26.982 33.546
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    表1图2的结果可知,经WOA-BP算法得到的预测模型效果最佳,但算法的优化时间仍旧较长,故在此基础之上,结合Spark并行计算框架,减少优化过程的时间开销。因此,使用3台台式主机按照1主节点2子节点的形式搭建Spark集群,同时改造WOA-BP算法实现并行化,并按照2倍物理核数的规则对RDD进行分区,提升集群整体的并行度,充分利用CPU性能。表2为不同节点性能对比及配置信息,图3为不同节点算法运行时间对比,由表2图3可以清晰看出,随着节点数量的增加,算法的优化时间随之减少,其中3节点比2节点和1节点分别减少了21.4%和39.3%的时间开销,大幅度缩短算法的优化时间。同时与“2.1”中非Spark的WOA的优化时间相比,减少了44%的时间开销,充分体现算法与Spark框架结合后的优势,真正实现对水稻产量与气象数据的快速建模。

    表  2  不同节点数量性能对比及配置信息
    Table  2.  Performance comparison and configuration information under different node number
    节点数量
    Node
    number
    总内存/G
    Total
    memory
    总物理核数
    Total physical
    nuclei number
    分区数量
    Partition
    number
    t/s
    116122424 534
    232244818 955
    348367214 895
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    图  3  不同节点数时间开销对比
    Figure  3.  Time overhead comparison under different node number

    本文以广东省西部地区所有县/市/区作为研究区域,针对气象因素对水稻单产的影响,提出一种基于Spark框架的WOA-BP水稻县/市/区级别的单产预测方法。首先通过WOA对BP神经网络进行优化,避免BP神经网络收敛慢、易局部收敛等缺陷,提升BP模型的整体预测精度;其次,结合Spark并行计算框架,实现WOA-BP算法并行化,加快WOA-BP算法的运算速度,减少算法的时间开销;最后通过WOA-BP算法得到的最优解对网络进行初始化并构建网络模型,之后进行水稻单产的预测。测试集的预测结果表明,该模型的预测精度较高,预测结果较精确,论证了该方法的可行性及有效性;同时,该模型可以很好地反映气象因素对广东省西部地区县/市/区水稻单产的影响情况,对研究广东西部县/市/区乃至整个广东的水稻单产具有一定的借鉴意义。

  • 图  1   甘蔗整秆立式收获−集捆装置结构简图

    1:甘蔗整秆,2:剥叶辊筒,3:切梢器,4:扶蔗器, 5:根切器, 6:拨蔗轮,7:夹持通道,8:打结器,9:立式集捆装置,10:排料器;图中红色框选区域为本文研究的立式集捆装置。

    Figure  1.   Brief structural diagram of the vertical harvesting-pre-baling device for whole-stalk sugarcane

    1: Whole-stalk sugarcane, 2: Stripping rollers, 3: Topper, 4: Pick-up device, 5: Base cutters, 6: Dividers, 7: Clamping feed-train, 8: Knotting device, 9: Vertical pre-baling device, 10: Discharging device; The red boxed area in the figure represents the vertical pre-baling device studied in this article.

    图  2   甘蔗整秆立式收获−集捆作业流程图

    图中红色框区域为立式集捆作业流程。

    Figure  2.   Vertical harvesting-pre-baling process of whole-stalk sugarcane

    The red boxed area in the figure represents the working process of vertical pre-baling.

    图  3   甘蔗整秆立式输送姿态与受力分析

    1:甘蔗整秆,2:上转指,3:下转指,4:基座;ABCO为外力作用于甘蔗的接触点; F1F2F3FfG为作用于甘蔗整秆上的外力;h1h2hs为作用于甘蔗整秆的外力与支撑点间的距离。

    Figure  3.   Posture and force analysis of whole-stalk sugarcane in vertical transport

    1: Whole-stalk sugarcane, 2: Upper rotating finger, 3: Lower rotating finger, 4: Base; A, B, C, O: Contact points of external forces on sugarcane stalk; F1, F2, F3, Ff, G: External forces acting on the sugarcane stalk; h1, h2, h, s: Distances between external forces and support points.

    图  4   甘蔗整秆立式集捆装置的结构组成

    1:上拨指;2:下拨指;3:下转指;4:基座;5:上转指;6:喂入组件;7:集料区;8:打结器;9:转运过渡区;10:压捆打结区;11:送绳机构;Ⅰ:时序控制部件;Ⅱ:转运集拢部件;Ⅲ:打结部件;Ⅳ:喂入部件。

    Figure  4.   Structure diagram of the vertical pre-baling device for whole-stalk sugarcane

    1: Upper bundling finger; 2: Lower bundling finger; 3: Lower rotating finger; 4: Base; 5: Upper rotating finger; 6: Feeding component; 7: Collecting area; 8: Knotting device; 9: Transfer transition area; 10: Baling and knotting area; 11: Rope feeding mechanism; Ⅰ: Sequential control part; Ⅱ: Transfer and pre-baling part; Ⅲ: Knotting part; Ⅳ: Feeding part.

    图  5   不同下转指高度和转速下的甘蔗整秆质心高度动态仿真结果

    Figure  5.   Simulation results of the centroid height dynamic of whole-stalk sugarcane under different heights and rotational speeds of lower rotating finger

    图  6   甘蔗整秆立式集捆装置的台架试验平台

    1:喂入部件;2:甘蔗整秆;3:打结器;4:转运集拢部件;5:时序控制部件; 6:液压站;7:电脑;8:电器控制箱。

    Figure  6.   Bench test platform of the vertical pre-baling device for whole-stalk sugarcane

    1: Feeding part; 2: Whole-stalk sugarcane; 3: Knotting device; 4: Transfer and pre-baling part; 5: Sequential control part; 6: Hydraulic station; 7: Computer; 8: Electrical control box.

    图  7   仿真试验(a)与台架试验(b)对比

    Figure  7.   Comparison of simulation test (a) and bench test (b)

    表  1   不同下转指高度和转速下的仿真集捆成功率

    Table  1   Pre-baling success rates of simulation under different heights and rotational speeds of lower rotating finger %

    下转指高度/mm
    Height of lower rotating finger
    15 r/min 30 r/min 45 r/min
    300 100 100 100
    400 100 100 100
    500 100 100 100
    600 100 80 93
    700 73 80 93
    800 53 46 53
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    表  2   台架试验不同下转指高度和转速下的集捆成功率1)

    Table  2   Pre-baling success rates under different heights and rotational speeds of lower rotating finger in bench test %

    下转指高度/mm
    Height of lower
    rotating finger
    15 r/min 30 r/min 45 r/min
    300 93±8aA 100±0aA 100±0aA
    400 98±4aA 100±0aA 100±0aA
    500 53±7bcB 55±14bB 91±4aA
    600 57±10bB 48±4bcB 75±10bA
    700 37±8cA 40±6cdA 37±8cA
    800 37±14cA 28±4dA 26±7cA
     1)同列数据后的不同小写字母表示不同下转指高度间差异显著(P<0.05, Duncan’s 法),同行数据后的不同大写字母表示不同转速间差异显著(P<0.05, Duncan’s 法)。
     1)Different lowercase letters of the same column indicate significant differences among different heights of lower rotating finger (P<0.05, Duncan’s method), while different uppercase letters of the same row indicate significant differences among different rotational speeds (P<0.05, Duncan’s method).
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-01-15
  • 网络出版日期:  2024-12-10
  • 发布日期:  2024-12-15
  • 刊出日期:  2025-01-09

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