检索结果-内蒙古大学图书馆

农业工程学报 2020年第23期36卷 229-240页

作者：侯加林蒲文洋李天华丁小明张观山山东农业大学机械与电子工程学院泰安271018 山东省农业装备智能化工程实验室泰安271018 农业农村部规划设计研究院设施农业研究所北京100125

为低成本实现对温室不同区域环境的全面感知,该研究设计了移动式温室环境监测系统,其采用超宽带(Ultra Wide Band,UWB)网状拓扑结构进行分布式组网,节点设备以一主多从的形式对移动工作台实时定位。利用优化后的双向双边测距算法计算各... 详细信息

为低成本实现对温室不同区域环境的全面感知,该研究设计了移动式温室环境监测系统,其采用超宽带(Ultra Wide Band,UWB)网状拓扑结构进行分布式组网,节点设备以一主多从的形式对移动工作台实时定位。利用优化后的双向双边测距算法计算各基站与标签之间的距离,通过距离的归一化残差分布判断是否存在非视距(Non Line of Sight,NLOS)误差,利用改进后的增量卡尔曼滤波算法消除NLOS误差,通过Chan算法解算标签准确位置。移动工作台以Arduino控制器为核心,搭载温度、湿度、二氧化碳和光照度传感器,实现对温室环境的实时监测和对移动工作台的远程控制。测试结果表明,系统静态定位最大横向偏差为7.92 cm,最大纵向偏差为7.98 cm,横向和纵向偏差的平均值均<5 cm;移动工作台以0.4 m/s的平均速度行驶,动态定位最大横向偏差为8.7 cm,平均横向偏差为4.7 cm;采集参数上传平均丢包率为2.78%;温度、湿度、光照度和二氧化碳浓度监测相对误差分别低于0.63%、0.34%、0.70%和0.67%,满足温室环境信息移动监测要求。该研究对温室环境调控和温室内作业机具精准定位技术的发展具有一定的理论意义和参考价值。

关键词：温室环境调控物联网 UWB 移动工作台定位

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椰糠条栽培番茄的蒸腾反馈智能灌溉系统研制

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农业工程学报 2021年第8期37卷 133-142页

作者：王柳丁小明李恺张凌风裴庆余尹义蕾王春辉侯永潘守江田婧鲁少尉农业农村部规划设计研究院设施农业研究所北京100125 农业农村部农业设施结构工程重点实验室北京100125

为满足番茄椰糠条栽培条件下自动精量灌溉的需要,该研究研制了一套蒸腾反馈智能灌溉系统,包括蒸腾检测组件、通信组件、决策组件和灌溉组件。蒸腾检测组件基于压力传感器测定番茄蒸腾量;决策组件基于椰糠条的持水特性和番茄蒸腾量的变... 详细信息

为满足番茄椰糠条栽培条件下自动精量灌溉的需要,该研究研制了一套蒸腾反馈智能灌溉系统,包括蒸腾检测组件、通信组件、决策组件和灌溉组件。蒸腾检测组件基于压力传感器测定番茄蒸腾量;决策组件基于椰糠条的持水特性和番茄蒸腾量的变化建立了灌溉精量控制模型,精确控制水泵启动和关闭,使灌溉量根据作物蒸腾量的多少变化,并根据回液量及其电导率(Electrical Conductivity,EC)值变化判断调用正常灌溉模式或淋洗模式,使椰糠条始终处于适宜的含水量范围内,保持一定的水气比,以利于番茄根系生长和吸收营养液,解决灌溉不足造成的干旱胁迫和灌溉太多造成的营养液浪费和回液处理量大的问题;通信组件用于各模块间信号的传递。以荷兰RIDDER公司研发的基于光辐射积累量控制的灌溉系统为对照,检验该蒸腾反馈智能灌溉系统的应用效果。结果表明,在番茄盛果期,该系统的灌溉量比对照增加9.4%,回液量减少18%,且回液EC值比较稳定;与定时灌溉相比,减少灌溉量32%,减少回液量57%,有更多的营养液被植物吸收利用。栽培效果显示,使用该系统灌溉的番茄产量、株高、节数与使用荷兰RIDDER公司研制的灌溉系统的没有显著差异,取得了与之相同的灌溉效果;而且,在5 000 m^(2)温室内设备设计使用年限10 a条件下,该智能灌溉系统年运行成本与之相比还降低了20.8%,并能够满足自动精量灌溉的需求。若根据基质类型不同调整灌溉控制模型参数,该系统也可应用于岩棉条栽培、混合基质盆栽等其他无土栽培的智能精量灌溉。

关键词：灌溉蒸腾传感器无土栽培番茄压力传感器椰糠条

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考虑动态吸收率的玻璃温室覆盖层温度预测模型

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农业工程学报 2020年第5期36卷 201-211页

作者：张观山李天华侯加林山东农业大学机械与电子工程学院泰安271018 山东省农业装备智能化工程实验室泰安271018

覆盖层温度是影响温室热环境的重要因素之一。为了实现温室覆盖层温度预测,该研究以玻璃温室覆盖层为研究对象,综合考虑太阳辐射吸收、对流换热等能量传递形式,建立温室覆盖层温度预测模型。为提高模型精度,该研究进一步提出温室覆盖层... 详细信息

覆盖层温度是影响温室热环境的重要因素之一。为了实现温室覆盖层温度预测,该研究以玻璃温室覆盖层为研究对象,综合考虑太阳辐射吸收、对流换热等能量传递形式,建立温室覆盖层温度预测模型。为提高模型精度,该研究进一步提出温室覆盖层动态吸收率计算方法,并使用该方法将覆盖层太阳辐射吸收率分为直射辐射吸收率、散射辐射吸收率与地表反射辐射吸收率分别计算,进而精确计算覆盖层吸收太阳辐射。为验证模型正确性及其精度,在山东省泰安市选择3个时段开展相关验证试验并得出如下结论,温室覆盖层温度预测值与测量值变化趋势较为一致,模型计算值与覆盖层温度测量值的决定系数R^2最小为0.92,均方根误差RMSE最大为2.05℃,通过与相关模型对比得出该研究提出的模型能够精确预测覆盖层温度。

关键词：温度模型温室覆盖层动态吸收率太阳辐射能量传递

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基于环境预测状态的连栋温室节能控制关键技术研究

基于环境预测状态的连栋温室节能控制关键技术研究

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作者：张观山山东农业大学

学位级别：博士

近年来,中国引进诸多荷兰文洛型连栋玻璃温室,但由于能耗问题导致温室运行成本过高,进而导致大部分连栋玻璃温室处于亏损经营状态。由此可见,能耗问题已成为制约连栋温室产业发展的瓶颈问题。优化温室环境控制策略是降低温室能耗的有效... 详细信息

近年来,中国引进诸多荷兰文洛型连栋玻璃温室,但由于能耗问题导致温室运行成本过高,进而导致大部分连栋玻璃温室处于亏损经营状态。由此可见,能耗问题已成为制约连栋温室产业发展的瓶颈问题。优化温室环境控制策略是降低温室能耗的有效途径之一。然而,传统的温室节能环境控制策略仅根据过去和现在的环境状态测量值进行控制决策,对具有显著非线性、滞后性特点的温室环境系统难以取得理想的节能效果。通过对温室环境状态变化趋势进行研究和建模,将温室环境系统非线性、滞后性特点融入到温室环境状态预测模型,根据未来有限时域温室环境系统的预测响应合理的计算控制量,解决因温室环境系统非线性、滞后性特点而影响节能控制效果的难题,有利于实现温室节能降耗。为此,本文提出了基于环境预测状态的连栋温室节能关键控制技术并展开研究,主要研究内容如下:（1）构建室外太阳辐射预测模型。通过对比试验的方法从32个特征输入变量中确定最优特征输入变量组合,采用深度神经网络（DNN）模型训练数据集,采用气象预报服务获取的气象预测数据构建特征输入预测数据,建立了基于深度神经网络模型（DNN）和气象预报服务的室外太阳辐射预测模型。分别在山东省泰安市（36.08°N,116.95°E）、河北省廊坊市（39.23°N,116.44°E）对室外太阳辐射预测模型的预测效果进行检验,检验充分考虑了晴天、多云、阴天等太阳辐射幅度及波动不同的天气状况。试验期间,室外太阳辐射预测值与测量值的决定系数R2最大值为0.98,均方根误差RMSE最小值为15.2W/m2,平均绝对误差MAE最小值为7.82W/m2,通过与国内外太阳辐射预测模型进行对比,验证了本文所提基于深度神经网络模型（DNN）和气象预报服务的室外太阳辐射预测模型的预测精度。（2）构建连栋温室覆盖层太阳辐射模型。分别提出覆盖层表面太阳辐射、覆盖层太阳辐射动态透射率和吸收率、覆盖层吸收太阳辐射、透过覆盖层进入温室的太阳辐射的计算方法,建立了连栋温室覆盖层太阳辐射模型。为提高模型精度,进一步提出了覆盖层动态透射率和动态吸收率计算方法,并使用该方法将覆盖层太阳辐射吸收率分为直射辐射吸收率、散射辐射吸收率和地表反射辐射吸收率,将覆盖层太阳辐射透射率分为直射辐射透射率、散射辐射透射率和地表反射辐射透射率分别计算,进而精确计算覆盖层吸收太阳辐射和透过覆盖层进入温室的太阳辐射。最终,将连栋温室覆盖层太阳辐射模型引入覆盖层温度预测模型,并通过检验覆盖层温度预测模型的预测精度对连栋温室覆盖层太阳辐射模型进行验证。试验结果表明,覆盖层温度模型计算值与测量值的决定系数R2最大值为0.96,均方根误差RMSE最小值为1.42℃,通过与相关模型对比得出连栋温室覆盖层温度预测模型具有较高的预测精度,进而验证了连栋温室覆盖层太阳辐射模型的正确性。（3）构建连栋温室环境状态预测模型。综合考虑太阳辐射吸收、对流换热、长波辐射、潜热换热、热量传导等能量传递形式,基于能量平衡原理建立多个能量平衡方程。利用龙格库塔四阶积分求解算法对能量平衡方程求解,构建连栋温室环境状态预测模型。分别在温室内有、无作物两种情况下开展连栋温室环境状态预测模型验证试验,将模型状态计算值与测量值进行对比,验证模型对温室环境状态预测的精度。试验结果表明,本文构建的连栋温室环境状态预测模型具有较高的预测精度。（4）提出基于环境预测状态的连栋温室节能控制策略。将连栋温室环境状态预测模型、最优控制理论、反馈校正等融入到温室节能控制策略中,提出基于环境预测状态的连栋温室节能控制策略,实现温室最优节能控制。最后,通过对照试验验证基于环境预测状态的连栋温室节能控制策略的节能效果。

关键词：连栋温室环境状态节能控制能量平衡太阳辐射

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基于双目视觉的成熟番茄的识别与定位

基于双目视觉的成熟番茄的识别与定位

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作者：孙志立山西农业大学

学位级别：硕士

自2017年以来,我国番茄种植面积和产量稳居世界第一,年产量5500多万吨,约占蔬菜总产量的7%。随着当前社会工业化与信息化的推进,传统人工采摘质量差、效率低的弊端逐渐显现。近年来,人们对新鲜蔬果的品质要求越来越高,且随着我国的人口... 详细信息

自2017年以来,我国番茄种植面积和产量稳居世界第一,年产量5500多万吨,约占蔬菜总产量的7%。随着当前社会工业化与信息化的推进,传统人工采摘质量差、效率低的弊端逐渐显现。近年来,人们对新鲜蔬果的品质要求越来越高,且随着我国的人口老龄化问题日趋严重,传统农业面临着劳动力资源不足的难题。本课题基于双目立体视觉与深度学习算法,研究成熟番茄的识别与定位,对实现番茄的快速自动采摘具有重要意义。针对实际温室应用环境条件下,机器视觉番茄采摘过程中不可避免的受到太阳辐射折射光变换、果实与枝叶颜色相近、枝叶遮挡和果实遮挡与重叠等影响,及设施农业自动化发展对番茄采摘机器人的应用需求,提出了一种基于双目视觉与深度学习的番茄目标识别与定位算法。本课题主要研究内容及成果如下:(1)基于成熟番茄目标识别图像处理技术研究。在不同时间、角度和距离条件下,采用Bumblebee Xb3双目相机获取10560张实际应用环境中的番茄图像,经RGB、HSV和Lab三种颜色空间模型对比分析,对采集到的图像数据进行预处理,利用图像增强和图像滤波改善采集图片质量,最后利用Label Img软件对处理后的图像进行标定,建立训练集和测试集。结果显示:RGB每个通道的图像番茄与背景的差异都比较明显,并且保留了丰富的纹理特征;对番茄图像进行增强(直方图均衡化)和中值滤波,消除原始图像中存在的噪声,提高算法的处理速度和运算能力,提高番茄目标的识别率。(2)基于VGG网络的Faster-RCNN算法的番茄多目标识别研究。采用小批量梯度下降法训练YOLO V3算法、SSD算法和Faster R-CNN算法。结果显示:基于Darknet-53网络的YOLO V3算法其稳定状态下的模型的AP值为0.885,识别速度为0.107 s/幅;基于VGG网络的SSD算法,模型的AP为0.905,识别速度为0.096 s/幅;Faster R-CNN也是基于VGG网络,使用区域推荐网络(RPN)来检测目标,其AP值达0.930,识别速度为0.115 s/幅,虽与另外两种算法相比识别速度较低,但是识别精度最高,且将来还有优化的空间,因此本文最终选择了具有较高性能,高精度的Faster R-CNN算法应用于实际环境下的多目标识别。(3)基于番茄采摘中心点的三维空间定位实验。通过研究摄像机成像模型以及双目标定原理,利用MATLAB对双目摄像机进行标定,得到双目摄像机的内外参数,基于双目立体匹配原理,选定使用SIFT特征点匹配方法对成熟番茄进行定位,并运用RANSAC算法消除大量的误匹配点,提高定位准确率,最后基于三角测距原理设计并实现了番茄三维实验。结果显示:实测与模型测量距离误差在15 mm之内,相对误差在5%以内,满足温室环境下自动番茄采摘机器人视觉系统的需求。本文基于双目视觉和深度学习,完成了对成熟番茄的识别与定位,为研究果蔬采摘机器人在温室环境中的应用奠定了基础。

关键词：双目视觉深度学习目标识别三维定位番茄

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玻璃温室小气候模型及控制策略研究

玻璃温室小气候模型及控制策略研究

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作者：韦玉翡山西农业大学

学位级别：硕士

设施玻璃温室作为设施农业的重要组成部分,在计算机控制系统及各类现代化设备介入温室设施的今天,建立一个通过各项设备的有效操作来改善室内环境因子的控制系统是十分必要的。温室小气候模型的建立是实现温室有效控制的关键环节,温室... 详细信息

设施玻璃温室作为设施农业的重要组成部分,在计算机控制系统及各类现代化设备介入温室设施的今天,建立一个通过各项设备的有效操作来改善室内环境因子的控制系统是十分必要的。温室小气候模型的建立是实现温室有效控制的关键环节,温室内温湿度环境因子不仅受温室结构、温室设施以及温室环境的影响,还受室外气候条件的相互影响,故而需要有效调控对温室环境有较大影响的环境因子。本文提出建立基于各生育期作物生长发育最优参数以及温室小气候模型来综合控制的温室模糊控制系统,该系统结合作物自身发育要求及温室环境的影响来调控温室设施,促使温室环境更趋于作物生产发育环境。本文以温室番茄为研究对象,采用基质栽培方式,利用温室小气候预测模型及模糊控制来实现玻璃温室室内气候的调控,课题主要研究内容及结果如下:(1)建立适合我国北方气候特征的现代化温室温湿度预测模型。充分考虑室内外环境因子及围护结构的影响,应用改进的热量传递理论及质能平衡方程,对温室小气候环境进行研究分析,主要展开对温室外气体层、温室覆盖层、温室内气体层、加热管道层、植物覆盖层以及地表土壤层的热量平衡,建立温室作物与室内外环境因子的质量平衡关系,建立温室小气候的温湿度动态预测模型,并具体分析各环境参数对温室小气侯所造成的影响。此研究旨在考查温室环境参数对温室小气候的敏感程度,同时也涉及了温室结构以及介入设施等的影响程度。(2)通过改进的热量传递理论及质能平衡方程,考虑室内外太阳辐射量、室内外温度、风速、通风率、围护结构等因素建立温室内温湿度动态预测模型,其结论是室外温度及太阳辐射量是影响室内温度的主要因素(冬季尤其要考虑加热设施的介入),室内湿度变化主要受植物蒸腾速率、室内温度以及通风换气的影响。该模型在各个生育期(幼苗期、开花期、结果期)预测温度的相对误差分别为6.8%、6.1%、5.2%,绝对误差为1.33℃、1.32℃、1.04℃,标准误差均方根为1.43℃、1.36℃、1.21℃;预测湿度的相对误差分别为5.2%、3.3%、1.55%,绝对误差为4.94%、2.65%、1.40%,标准误差均方根为3.46%、2.22%、1.50%,验证该模型可靠有效,可为后续温室环境模糊控制与决策管理提供支持。(3)利用番茄各生育期温度、湿度、太阳辐射度的最优参数值,将其与预测值(微控制器采集到的环境数据带入温室小气候预测模型所得)进行对比,获得最优值同预测值的偏差及其变化率和其变化率的变化率,再利用三维模糊控制器来确定控制量,进而调节七个执行机构(遮阳帘、保温被、天窗、供暖设备、湿帘外翻窗、风机、湿帘水泵)的启停促使温室环境更趋于作物最佳生长环境,具有良好的控制效果。

关键词：温室小气候系统温度模型湿度模型模糊控制

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基于机器视觉的番茄表型参数测量方法研究

基于机器视觉的番茄表型参数测量方法研究

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作者：王昕波山西农业大学

学位级别：硕士

番茄作为中国重要的蔬菜品种之一,其出口量和出口额均居全球首位,在中国具有重要的经济地位。番茄表型参数对其产量有重要影响。目前,针对番茄表型参数的测量依然处于人工测量阶段,这种方式存在人员主观判断、劳动强度高和效率低等缺点... 详细信息

番茄作为中国重要的蔬菜品种之一,其出口量和出口额均居全球首位,在中国具有重要的经济地位。番茄表型参数对其产量有重要影响。目前,针对番茄表型参数的测量依然处于人工测量阶段,这种方式存在人员主观判断、劳动强度高和效率低等缺点,也难以满足高通量测量需求。因此利用智能化技术实现对番茄表型参数的快速测量,对番茄培育种植具有重要意义。本课题针对番茄表型参数测量需求,基于机器视觉技术对番茄表型(种子千粒重、茎粗、叶夹角、叶面积及株高)进行相关研究。课题主要研究成果如下:(1)对番茄种子千粒重计数方法进行研究,为解决人工计数效率低的问题,采用灰度化和二值化方法来减少图像数据量,运用腐蚀运算对黏连种子进行分割,最后利用边缘检测实现种子计数的目的。开发番茄种子计数人机交互界面(GUI),可更加方便快捷进行种子计数,试验结果表明,该方法相对误差为3.66%,具有较好的计数效果。同时分别对四种番茄品种种子进行了千粒重研究,为番茄种子数据库提供参考数据。(2)对番茄株型参数(茎粗、叶夹角和叶面积)测量进行研究,株型参数对番茄培育有重要影响,为实现株型参数自动测量,研究利用图像骨骼化、图像滤波及图像分割等技术进行株型测量。试验结果表明:茎粗测量相对误差为2.3%,叶夹角相对误差为2.55%,叶面积相对误差为1.52%。文中提出的方法与人工测量相比具有较高的准确率,可以使用到其他作物表型测量中。(3)利用深度学习技术对番茄株高测量进行研究,株高是判断植株生长状况的重要性状。为解决株高无损测量的问题,通过采集不同时期的番茄植株图像制作数据集,并利用迁移学习技术实现对深度学习模型的训练。利用基于VGG16-SDD的深度学习模型实现番茄的株高测量研究,试验结果表明,株高测量相对误差为4.29%,与基于阈值分割法的传统测量方法进行对比,在背景复杂情况下测量结果优于阈值分割法。综上所述,本研究一方面利用图像处理和深度学习技术实现对番茄表型参数的测量,另一方面为番茄表型组学和遗传育种的研究提供了可借鉴的思路或方法。

关键词：机器视觉番茄表型组参数测量深度学习

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基于作物表型组的温室番茄水肥供给决策研究

基于作物表型组的温室番茄水肥供给决策研究

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作者：高安琪山西农业大学

学位级别：硕士

依据设施农业精细耕作发展战略,现代化农业朝着规模化、专业化、自动化、节约化及高收益的生产方向发展,对设施作物灌溉的精准性、普及性和易操控性提出了更高要求,极大程度上提升水肥利用率、产量与品质。本研究从设施农业领域中应用的... 详细信息

依据设施农业精细耕作发展战略,现代化农业朝着规模化、专业化、自动化、节约化及高收益的生产方向发展,对设施作物灌溉的精准性、普及性和易操控性提出了更高要求,极大程度上提升水肥利用率、产量与品质。本研究从设施农业领域中应用的Penman-Monteith模型出发,通过对番茄表型组（株高和茎直径）最大增长率反馈探究温室番茄最佳灌溉量与灌溉模式,采用相关算法建立了“环境-表型”模型,并设计了水肥一体化滴灌系统。本课题具体研究内容及成果如下:（1）研究温室番茄全生育期蒸发蒸腾量（ET0）变化规律。试验于2019年9月-2020年11月在山西省晋中市太谷县山西农业大学农业工程学院科研温室（北纬37°25′,东经112°34′）中分三批（试验1、2、3）进行,采用修正后的Penman-Monteith模型探索不同品种番茄在不同季节环境下的蒸发蒸腾量变化规律。结果显示,试验1、2、3全生育期的平均蒸发蒸腾量为1.33 mm/d、2.57 mm/d、2.28 mm/d;“冬春茬”温室番茄蒸发蒸腾量变化规律为:苗期>开花期>结果期>采收期;“夏秋茬”变化规律为:结果期>开花期>苗期>采收期。在最适栽培环境条件下,较好的温度与光合有效辐射状态下,番茄蒸发蒸腾量最大,为设施农业环境管理及水肥灌溉提供数据支持。（2）探究温室番茄栽培管理最佳灌溉量和灌溉模式。通过灌溉量和灌溉模式研究对番茄表型组生长反馈状况,设计了探索温室番茄灌溉试验W1（100%ET0）、W2（80%ET0）、W3（60%ET0）和灌溉模式试验M1（辐照累积50 KJ）、M2（基质湿度）、M3（定时）。结果显示,试验W2番茄株高和茎直径增长率最大分别达到6.23%、11.74%、12.53%和3.01%、3.88%、5.83%;试验M1番茄株高和茎直径增长率分别达到6.23%、11.74%、13.64%和3.01%、3.88%、5.83%。因此,温室番茄最佳灌溉量为80%ET0,最佳灌溉模式为辐照累积,为设施番茄节水灌溉提供理论指导。（3）番茄表型组（株高和茎直径）模型建立与验证。通过最佳灌溉量与灌溉模式下番茄表型生长状态建立“环境-表型”模型,采用本质非线性回归法建立实际气压（P）、环境温度（T）、辐照积（DTEP）与株高的表型模型,采用多元二次回归法建立环境温度（T）、辐照积（DTEP）与茎直径的表型模型。结果显示,株高模型拟合度（R2）达到0.9977,实测值与模拟值决定系数达到0.965;茎直径模型拟合度（R2）达到0.9940,实测值与模拟值决定系数达到0.9468。（4）根据设施农业节水灌溉需求和设计原则分析,基于ARM处理器设计了一套低成本、高精度及水肥混合均匀的水肥一体化滴灌系统。该系统由水处理系统、水肥一体机自动控制系统、输水管道网系统三部分构成,依据系统构件的工作原理进而调控及确定水肥进出口端压力、水肥混合、水肥流速、水肥量及输水管道网布局与内径。本系统水处理系统和人机交互极大提升了水质和操控的智能化,以最佳灌溉量与模式供给策略提升设施水肥利用率。

关键词：温室番茄作物表型组 Penman-Monteith模型灌溉量灌溉模式水肥一体化系统

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基于前后激光雷达的温室机器人导航系统设计与试验

基于前后激光雷达的温室机器人导航系统设计与试验

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作者：蒲文洋山东农业大学

学位级别：硕士

为提高温室综合作业效率,以连栋温室为应用对象,以温室内精确定位、温室作业路径规划等为重点研究内容,基于机器人操作系统(Robot Operating System,ROS),使用激光实时定位与地图构建(Simultaneous Localization And Mapping,SLAM)技术... 详细信息

为提高温室综合作业效率,以连栋温室为应用对象,以温室内精确定位、温室作业路径规划等为重点研究内容,基于机器人操作系统(Robot Operating System,ROS),使用激光实时定位与地图构建(Simultaneous Localization And Mapping,SLAM)技术,研制基于前后激光雷达的温室机器人导航系统,可实现在温室环境下的实时定位与地图构建、路径规划和路径跟踪。为温室各作业阶段提供基础平台,提高温室管控精细化水平。主要研究内容如下:(1)构建温室机器人导航系统数学模型,主要包括机器人底盘运动学模型、航迹推算模型、激光雷达测距和噪声观测模型以及温室环境表达模型;(2)基于模块化的设计理念和分层式的思想,从硬件和软件两个方面设计温室机器人导航系统。本系统针对温室特有障碍物的空间分布特性,采用倒挂式激光雷达安装方式,提高障碍物检测能力,并创新性采用前后激光雷达检测温室环境信息,与单激光雷达相比,增加了环境信息扫描范围,提高了建图效率和实时避障能力;(3)对比分析SLAM与路径规划算法,确定针对温室环境下的最优应用方案,对方案中各算法实现过程进行详细理论推导。通过扩大搜索层数的方式对A*算法规划路径进行平滑处理,减少转弯次数。最后通过仿真验证方案在温室应用的可行性;(4)针对由于温室环境相似,易造成回环错误导致的构图精度下降问题,通过基于延迟决策的回环检测算法,提升回环检测质量,减小计算压力,提高了Cartographer算法的建图精度与鲁棒性。针对地面潮湿,车轮行进易打滑等原因造成的里程计偏差问题,提出一种基于特征点识别的位置信息自更新算法,减小偏差,提高定位精度;(5)单双激光雷达建图效率对比试验结果表明,系统搭载双激光雷达,可增加环境扫描范围,提高建图效率。实时避障能力测试试验结果表明系统搭载双激光雷达可提高实时避障能力。导航精度测试试验测量结果表明,车载系统分别以0.2、0.5和0.8 m/s的速度运行时3组试验实际行驶路径与目标路径的平均偏差小于11 cm,标准差小于5 cm,满足机器人执行温室任务中的导航精度需求。该研究可为温室机器人导航系统研制提供理论依据。

关键词：温室机器人导航系统激光雷达 SLAM 路径规划

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铁锰离子对海水移动床生物滤器的影响研究

铁锰离子对海水移动床生物滤器的影响研究

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作者：赵桂瑶青岛理工大学

学位级别：硕士

近年来,随着人们生活水平的提高,对海产品的需求量增大,工厂化循环水养殖蓬勃发展。在循环水养殖中,多采用生物方法去除有机物和氮盐等有害物质,其中生物膜法因其具有高效的微生态系统和强抗冲击能力等诸多优势而获得广泛应用,移动床生... 详细信息

近年来,随着人们生活水平的提高,对海产品的需求量增大,工厂化循环水养殖蓬勃发展。在循环水养殖中,多采用生物方法去除有机物和氮盐等有害物质,其中生物膜法因其具有高效的微生态系统和强抗冲击能力等诸多优势而获得广泛应用,移动床生物滤器(MBBR)是循环水养殖系统水处理过程中的核心单元。地下海水水质良好且供水稳定,是我国海水工厂化养殖的重要水源之一,由于地下水还原性强,且具有较低的p H,使得地下水铁锰离子浓度远高于海水中铁锰离子浓度。水中铁锰离子的存在可能会刺激微生物产生应激反应,从而改变胞外聚合物组分特征,影响生物膜系统传质性和稳定性,进而影响生物滤器的运行效率。有数据显示很多地区地下海水铁离子浓度在8～10mg/L,个别达到30.05mg/L,部分地区锰离子浓度达到7～8mg/L。因此,本文通过动态测定人工模拟海水移动床生物滤器在不同铁锰离子浓度下水质处理效果,探究铁锰离子对海水移动床生物滤器生物膜成熟过程和运行效率影响;利用理化分析和高通量测序技术研究铁锰重金属离子对MBBR生物膜EPS组分、含量及微生物群落结构特征的影响,进而解析铁锰重金属离子影响生物滤器成熟和运行效率的生态学机制,以期为复杂水质条件下高效生物滤器的研制提供参考。本论文实验研究结果表明:(1)通过定期监测MBBR生物反应器在启动挂膜过程和成熟后水体中氨氮(NH4+-N)、亚硝酸盐氮(NO2--N)和硝酸盐氮(NO3--N)的含量变化,探究MBBR在不同浓度铁锰离子养殖废水环境下生物膜成熟过程和运行效率。试验结果表明,该实验系统能在PPC填料载体上成功培养出生物膜;在Fe3+实验组,养殖废水中三类无机氮盐的处理效果随着Fe3+浓度增加而增加,其中8mg/L Fe3+浓度组率先挂膜成熟,第7周期的第一天去除率达到79.5%,相较于空白组高出23%;在Mn2+实验组,5组系统自然挂膜稳定的时间分别为第10、6、10、9和11周期,且氨氮的周期降解实验结果说明,1mg/L Mn2+有助于生物膜的形成和提高废水处理效果,而8mg/L Mn2+明显抑制了生物膜的生长和活性。(2)填料挂膜成熟后24h水质连续监测结果表明:8mg/L Fe3+浓度组微生物降解活性最高,第18h NH4+-N即可完全去除,较空白组相同时间处理效率高35%;空白组、1mg/L Mn2+浓度组、8mg/L Mn2+浓度组NO2--N达到最高值的时间分别为18h、13h和21h,1mg/L Mn2+浓度组在第15h NH4+-N即可完全去除,去除率分别比空白组及8mg/L Mn2+浓度组高出31.64%和42.76%。(3)Fe3+和Mn2+可以通过影响微生物生理或者间接影响EPS组分对生物膜活性产生重要作用。生物膜EPS组分分析结果表明,Fe3+的浓度不同可显著提高生物膜的EPS总量,且随Fe3+浓度增加而增加,五组的EPS总量分别为155.7mg/g、167.45mg/g、184.44mg/g、195.70mg/g和212.06mg/g,Fe3+在8mg/L时最有利于EPS的形成;而在Mn2+实验组表现为低促高抑的趋势,低浓度(1～2mg/L)Mn2+会显著刺激黏附型EPS的大量分泌(P<0.05),这为微生物提供缓冲保护层,不仅有助于生物膜的形成还可以使得系统能在短时间内适应环境的变化,但是Mn2+在8mg/L浓度会对微生物产生显著的毒性效应,EPS分泌总量低于空白组36.89%。(4)通过分组对比空白对照组和8mg/L Fe3+浓度组、1mg/L Mn2+浓度组及8mg/L Mn2+浓度组中生物膜微生物群落的差异,进而解析铁锰离子影响生物滤器成熟和运行效率的生态学机制,结果表明,铁锰离子对MBBR中微生物群落结构有一定影响,其中8mg/L Fe3+浓度组OTUs数量比空白对照组高出20.10%,且Simpson指数、Shannon指数、Chao 1和ACE指数均高于空白对照组,所以Fe3+的投加使得生物膜具有更高的微生物群落多样性,另一方面,变形菌门(Proteobacteria)细菌和浮霉菌门(Planctomycetes)得到了显著富集,从而使其系统具有更强的抗外界干扰和环境的适应能力以及较高的氮代谢水平;1mg/L Mn2+浓度组菌群多样性指数高于空白对照组,且假交替单胞菌(Pseudoalteromonas)、亚硝化单胞菌属(Nitrosomonas)和硝化螺旋菌属(Genus of Nitrospiraceae)丰度较高,有利于生物膜结构的稳定和硝化反应的进行;而8mg/L Mn2+组多样性指数最低,且增加了弧菌属(Vibrio)、拟杆菌属(Bacteroides)等条件致病菌的丰度,不利于生物膜的结构和功能的稳定。Fe3+及低浓度Mn2+提高了微生物群落多样性,强化了MBBR高

关键词：养殖海水移动床生物滤器生物膜铁离子锰离子

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