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蔗田智割先锋——甘蔗智能收割探索者

申报人：陆瑜 申报日期：2025-01-06

基本情况

2025年批次
蔗田智割先锋——甘蔗智能收割探索者 学生申报
创新训练项目
工学
机械类
学生来源于教师科研项目选题
一年期
本项目创新了整秆式甘蔗收割机的切梢识别系统，在系统中加入人工智能算法以便快速识别切割点三维参数，通过利用连杆间的齿轮传动对刀盘机构进行可自动升降调节的创新改进，突破了刀盘机构难调节问题，以解决我国现有甘蔗收割机中含杂率高、适应性差、损失率大等问题，推动我国甘蔗收获机械化快速发展。
参与“蔗地之眼—甘蔗智能收割领军者”项目研究，并作为成员参与第十四届“挑战杯”比赛，大学生创新创业大赛，第八届中华职业教育创新创业大赛。
指导老师主持和参与广西教育厅教改、科研课题5项；获广西教育厅教学成果奖1项、桂林理工大学教学成果奖4项、广西职业院校信息化教学大赛3项；发表论文8篇、编写教材3部；参与国家自然科学基金1项，发表SCI论文1篇，发明专利公开1项，实用新型专利授权1项。
1.指导创新项目的研究思路及研究方法，对项目进行技术指导。
2.联系协调校企合作企业，进行技术测试引应用。
3.从指导教师主持的课题经费中给予一定经费支持，保证项目顺利完成。 
校级

项目成员

序号 学生 所属学院 专业 年级 项目中的分工 成员类型
陆瑜 南宁分校 机械设计制造及其自动化 2023 项目管理
陈吉隆 南宁分校 机械设计制造及其自动化 2023 项目运营
潘文粤 南宁分校 机械设计制造及其自动化 2022 财务管理
张隆达 南宁分校 机械设计制造及其自动化 2022 技术研发
谭贵东 南宁分校 机械设计制造及其自动化 2023 风险分析

指导教师

序号 教师姓名 所属学院 是否企业导师 教师类型
黄荣学 南宁分校 否
朱昌炜 南宁分校 否

立项依据

根据《国务院关于加快推进农业机械化和农机装备产业转型升级的指导意见》、广西农业机械化高质量发展“十四五”规划中推进甘蔗生产全程机械化的政策要求可知，在我国，农业发展具有深远的影响力，尤其是在广西等地区的甘蔗种植产业，其经济效益格外显著。然而，现代化甘蔗收割技术的发展过程面临着诸多挑战。
从行业角度分析，甘蔗收割领域存在诸多的显著问题。例如，种植区域的分散性加剧了收割作业的复杂程度；大部分甘蔗收割依然严重依赖人工方式，导致效率低下且劳动力需求庞大，无法满足大规模生产的需求；尽管收割机械化是趋势，且其在速度和劳动成本方面均有优势，但在切割位置的精确度上存在明显不足，这不仅对甘蔗的保存效果产生负面影响，如导致甘蔗纤维损伤、糖分流失，进而影响品质，还可能引发甘蔗堆放不稳定，容易出现压碎、断裂等现象，降低了利用率。
在应对上述问题中，我国政府及相关部门积极推动农业机械化发展，加大对甘蔗机械收割上技术方面的研究投入。基于此，本研究项目遵循国家政策初衷、致力于开发一款高精度新型甘蔗收割设备，旨在攻克当前甘蔗收割领域的技术难题，特别是解决切割位置精度等关键问题。
通过对本项目的深入探讨和实际应用，我们期望显著优化甘蔗收割机械的性能，实现对人工收割的有力替代，降低劳动力投入，同时提升甘蔗的产量与品质。
从技术角度推动甘蔗收割行业的创新发展，进而加速我国农业机械化进程，为我国农业可持续发展贡献力量，切实解决当前甘蔗收割领域所面临的诸多问题。 
针对以上问题，本项目研究一种新型整秆式甘蔗收割机，可实现在甘蔗切梢过程对收割点的智能化识别和切梢控制，从而提高甘蔗采集的效率和质量。
本项目主要对切梢识别系统与刀盘机构进行智能化改进。我们计划利用人工智能算法和自动化控制技术，使这两个关键组件能够协同工作，达到优化的效果。
1、图像处理与识别技术
我们将采用先进的图像处理技术和人工智能算法，提升切梢识别系统的准确性和速度。通过训练深度学习模型，系统将能够快速识别甘蔗的梢部，得出相应三维参数并进行智能化运算，为后续的切割操作提供精准的指导。
2、刀盘自动升降控制系统
我们将开发一套自动升降控制的刀盘机构，使刀盘机构能够根据识别的结果自动调节高度。这将极大地提高切割的效率和安全性，避免因传统手工和机械操作带来的误差和风险。 
通过知网等文献查询平台检索可知，我国从20世纪70年代开始引进甘蔗收获机械，在学习国外甘蔗收获机械技术及样机的基础上，已研制出十几种型号的甘蔗收获机械。主要广泛应用的有切段式收割机和整秆式切割机。
切段式甘蔗联合收割机是仿照国外大型甘蔗联合收割机改进而成。广西农机院研制的4GZ-250型自走切断式甘蔗联合收割机采用是发动机功率为190kW的全液压驱动[1],这种大功率驱动不适合我国小地块种植。整秆式甘蔗收割机从收获方式看可分为联合式和分段式整秆收获两种。联合式整秆甘蔗收割机可一次性完成：切梢、扶倒、切割、输送、清选、剥叶等工序。代表机型为广西农机研究院研制的以中马力轮式拖拉机作底盘KALTOR—80型甘蔗联合收割机。分段式整秆收割机可一次性完成扶倒、切割输送不铺放（或打捆）等工序。这类机型中的4ZL-1型整杆式甘蔗收割机，其切茬合格率提高了5.9个百分点、宿根破头率降低了6.3个百分点、蔗茎合格率提高了3.2个百分点、断尾合格率提高了5.1个百分点、总损失率降低了2.6个百分点、未剥净率提高了3.0个百分点5[2]。
通过知网等文献查询平台检索可知，国外一些产蔗大国，如澳大利亚、巴西早已实现了甘蔗切割收获机械化。国外甘蔗收割机主要分为两种类型：切段式甘蔗收割机和整秆式甘蔗切割机（配套剥叶机）。大型切段式甘蔗联合收割机在国外得到了广泛应用，其能够一次性完成：扶倒、切梢、收割、切段、清选、装载、蔗叶切碎还田等工序[3]。对于整秆式甘蔗收割机，适用于小田块蔗田，其结构特点是：以手扶拖拉机底盘为动力和行走装置，安装有地面仿型装置，割台可调程度高等。
虽然我国的甘蔗收割机械的生产得到了一定的发展，但其与国外的甘蔗收割机械在质量和技术上还存在一定的差距，在实际收割应用过程中还存在诸多的问题，例如：由于切割点不精确，导致收割的甘蔗参差不齐，不利于甘蔗收割后的存放和运输；甘蔗的损坏率、破头率比较高，很多甘蔗都在收割的过程被损坏，不利于储藏[4]。 
创新点：
1.甘蔗断尾点目标检测方法：提供基于轻量化 YOLOv7 的甘蔗断尾点目标检测方法，涵盖数据集构建、处理、算法改进、训练及检测等步骤，为精准收割提供数据支持。
2.可自动升降刀盘机构：创新刀盘机构，采用连杆间齿轮传动实现自动升降调节，能根据不同甘蔗动态调整切割位置，提升切割精准度。
3.切梢识别与刀盘快速调控：切梢识别系统含自主研发人工智能算法，可快速调控刀盘机构，使其对指令快速响应，提高收割质量与效率。
项目特色：
1.提高收割效率与质量：切梢识别系统与自动升降刀盘配合，有效提升甘蔗收割效率与质量，降低杂质含量。
2.解决行业痛点问题：针对我国甘蔗收割因切割位置不精确导致的含杂率高、储存难、损失率大及地形差异造成的机械化收割推广难等问题提出解决方案。
3.推动产业发展：促进广西制糖产业智能化、高质量发展，推动我国甘蔗种植业机械化进程，助力农业现代化。 
1.技术路线
我们团队通过建立机器视觉硬件参数试验平台，模拟收割机不同前进速度下、不同自然光条件下，研究在视觉系统的各项参数如光源、相机分辨9率、相机帧率、镜头参数等不同组合状态下的获取的图像质量，从中选出较优的参数组合。
采集一定数量不同品种的甘蔗图像，进行图像空间转换，分别获取不同图像的 H 分量图和 S 分量图，通过对比研究找到 H 分量和 S 分量的最佳分割阈值范围对图像进行分割处理，将 H 分量图和 S 分量图合成得到合成图，完成图像预处理。
构建不同结构的卷积神经网络，用经过处理的图像制作训练集、测试集和验证集，以训练网络，获取最优的切割点识别模型。
建立若干种不同的控制器模型和切梢器机电液耦合模型，进行计算机联合仿真正交试验，从中筛选出 2-3 种对控制信号响应较快的控制器-切梢器组合。
通过智能切梢识别系统对切割点进行精确识别，根据识别结果动态调整刀盘位置。首先通过摄像头识别确定切割点的三维数据，将数据经过人工智能算法，算得到精确的识别结果，进而根据识别结果对刀盘位置进行升降调整。
2.拟解决的问题
（1）解决因蔗田起伏不平、割台可调性差而造成割茬不齐、破头率高的问题；
（2）解决因切割点位置不精确而造成甘蔗剥净率低、含杂率高、损失率大的问题；
（3）解决因地形差异而造成机械化收割推广难的问题。
3.预期成果
本应用新型整秆式甘蔗收割机，通过对甘蔗机切梢刀盘进行定点切梢的改进，为我国甘蔗收割领域提供更可靠、高效、精确的技术支持，大大地提高了整杆式甘蔗收割领域的技术，在甘蔗收割中，能够降低收获的甘蔗的含杂率，确保制糖原料甘蔗的高质量高品质。其本身的智能化、自动化的科技技术，是未来机械化生产的发展趋势。 
1.第一阶段：设计策划阶段（2024年11月—2024年12月）
(1)组建项目团队，确定研究课题，撰写开题报告。
(2)制定调研方案，完成前期调研资料整理汇总。
(3)进行市场调查，开展问卷调查，汇总调查结果并分析、归纳，撰写报告。
(4)产品初步落地测试。
2.第二阶段：项目生产阶段（2025年1月—2025年4月）
(1)整合设备资源，设计三维零件图，并通过虚拟仿真进行调整、改进。
(2)建立实践平台模拟，通过调试及对地区甘蔗收割机的深入走访，剖析此项目的不足与优势，结合实际情况进行数据分析，并且有针对性地对项目的发展模式进行改进。
(3)进行实地调查，到周边的甘蔗地实地观察甘蔗机收割甘蔗，询问当地农民甘蔗机收割对甘蔗尾梢地切割情况，对实际情况进行记录，分析。
(4)通过分析新型整秆式甘蔗收割机的市场数据，并不断地进行实验实施，更新设备，提高技术水平，不断记录分析数据，以满足市场多样化需求，对项目发展模式进行正向调整，完善项目。
3.第三阶段：项目验收阶段（2025年4月—2025年6月）
(1)整理研究数据，形成研究报告。
(2)组织内部评估，邀请指导老师进行总结评估。
(3)整理课题建设材料，进行总结、评估，完成结果分析并撰写相关论文，申报并迎接评审。
(4)参与校企合作等 
1. 与本项目有关的研究积累和已取得的成绩
（1）项目已申请发明专利1项，实用型专利3项。
（2）我们的项目已在南宁钛银科技有限公司进行测试应用，反馈效果良好。目前已与该公司签署合作协议。
2. 已具备的条件，尚缺少的条件及解决方法 
已具备的条件：
（1）已有工业机器人、三维建模、控制工程等相关专业导师指导；
（2）已有人工智能算法和自动升降刀盘机构等相关技术支持；
（3）已有校企合作基地（钛银科技）进行测试；
（4）已有整秆式甘蔗收割机进行调试及运作，并有相关结果展示。
（5）已与某科技公司达成生产与销售合作，有一定的经营途径。
尚缺少的条件：
（1）经费支持；
（2）缺少对项目的整体调试；
（3）部分成员对于新型整秆式甘蔗切割机实物的实践经验不足。
（4）缺少项目成员对产品技术创新的培训。
解决方法：
（1）向学校申请经费支持；
（2）尽快完成项目的整体制造、组装，并进行实地调试；
（3）多进行机器实地试验，持续监控和评估，改进不足，积累经验。 

经费预算

开支科目 预算经费（元） 主要用途 阶段下达经费计划（元）
前半阶段 后半阶段
预算经费总额 9400.00 研发 6075.00 3325.00
1. 业务费 4700.00 研发 2775.00 1925.00
（1）计算、分析、测试费 1500.00 项目分析，测试 750.00 750.00
（2）能源动力费 850.00 购置齿轮，马达 850.00 0.00
（3）会议、差旅费 290.00 会议，差旅 145.00 145.00
（4）文献检索费 60.00 检索文献 30.00 30.00
（5）论文出版费 2000.00 申请专利 1000.00 1000.00
2. 仪器设备购置费 1900.00 购置齿轮等设备 1900.00 0.00
3. 实验装置试制费 2400.00 装置测试 1200.00 1200.00
4. 材料费 400.00 购置原材料 200.00 200.00
结束

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