无人驾驶的农机可以帮助减轻劳动力强度，降低投入成本并提高盈利能力。近二十几年来，农机自动导航有了重大进展。目前的研发主要集中在具有更强自主作业能力的农机装备方面，而最终目标是要发展无人驾驶车辆或田间机器人。本文综述了无人驾驶车辆领域的最新技术进展，包括定位、导航控制、作业任务规划、环境感知及安全避障、农具控制等，探讨了该领域的技术趋势与未来发展方向。

在农业可持续发展进程中，病虫害问题一直是人们关注的焦点。无人机喷雾以其灵活、便捷等特点，在植保领域受到广泛关注，并在病虫害防治上取得新进展。但是，无人机喷雾技术仍存在雾滴飘移、药液流失等问题，且雾滴的沉积效果是无人机喷雾作业中最被关心的问题。本文综述了无人机喷雾雾滴的沉积分布特点，并总结分析了雾滴沉积分布的影响因素，同时列举了目前检测雾滴沉积的方法。研究表明，雾滴沉积效果受飞行参数、自然因素、喷雾雾化设备和喷雾方式等多因素影响，因此在做出采用无人机施药决策时，需要综合考虑多方面的因素，尤其是下旋风场对雾滴沉积的影响。此外，需要进一步研发出新型喷嘴及雾滴沉积检测技术，为提高雾滴沉积效果提供保障。

无人机具有机动、灵活的特点，将其搭载传感器用于农田监测不易受天气影响，且可获得高分辨率影像，对辅助农田精准管理具有重要意义。另外，无人机也可搭载农机，实施农田作业，有利于提高作业效率，减少对作物生长的扰动。近年来，将无人机应用于农业生产管理已成为研究热点，并已陆续开展了系列研究。但总体而言，这方面的研究还处于起步阶段，需要对发展现状进行系统梳理，并分析存在的问题，以促进无人机技术更好地在农业上进行应用。本文从农用无人机的硬件设备及农用无人机在植物长势监测、产量估测、氮素营养诊断、病虫害监测、田间管理等领域的应用等方面出发，归纳总结了无人机在农业生产中的应用现状，并在此基础上提出未来的若干发展方向，以期为相关领域的深入研究提供参考。

为研究航空喷施作业时液滴对叶片的润湿性能及其影响因素，通过正交试验和单因素试验分析了叶片位置、喷施液体种类和浓度、助剂浓度、液滴大小和接触瞬间速度等因素对液滴润湿叶片时接触角的影响。结果表明，添加助剂和保证液滴与叶片接触速度至少为1.55 m/s 能有效提高叶面肥对叶片的润湿性，液体的种类、浓度和液滴的大小对叶面肥的润湿性有一定影响，而叶片的正反面位置对叶面肥的润湿性影响并不显著。最优组合（喷施叶片反面+高浓度“稼多宝”叶面肥+1%助剂+小液滴）对应的叶面肥润湿叶片的接触角最低可达到8.5°。本研究可为提高农用航空喷施液态肥作业效果提供参考。

以农田导航的实际应用为目的，以美国Swift 公司的Piksi 定位模块为基础，构建实时动态载波相位差分（real time kinematic, RTK）系统进行定位精度研究。结果显示：Piksi 单个模块静态单点的定位精度（2 倍均方根误差，置信度为95%）约为8 m，RTK的静态精度（2 倍均方根误差，置信度为95%）约为1.5 cm。设计的动态双轨试验验证了用直线拟合评估动态直线精度的可行性，当流动站在0.4～2.3 m/s 的平均速度范围内进行直线运动时，通过拟合得到的定位精度约为1.5 cm。采用测量点到拟合圆心距离与拟合半径的差值评估圆周运动的定位精度，发现在0.4～1.6 m/s 的平均线速度范围内运动时，流动站的精度约为1.5 cm；考虑到实际应用过程中点对点的问题，拟合分析得到的测量误差整体偏小，初步判定Piksi RTK的真实动态精度为3～5 cm，可以满足农业实际需求。

针对无人机高光谱遥感数据的高维特性，本文提出了一种基于主基底分析的降维方法。选取对叶绿素敏感的400～1 000 nm波段进行Gram_Schmidt 变换找到投影空间，构造集中波段信息的主基底，建立最小二乘回归模型来进行叶绿素含量估算。结果表明：基于主基底分析降维方法的建模决定系数（R²）为0.689，均方根误差（root mean square error, RMSE）为2.20，验证模型的RMSE为1.20；与3 种植被指数PRI、RD2 和MCARI降维后建立的相同模型预测精度相比，该方法的建模R²有了很大的提升，而验证模型的RMSE有所降低。研究结果验证了所提算法的有效性，对植物叶片的叶绿素含量估算具有重要意义。

为避免由于全球定位系统信号不稳定或者受到风的影响，空气动力船在水田作业时与水田边缘及行进前方移动障碍物发生碰撞，本文提出了一种基于激光传感器的防撞系统。该系统基于大津法（Otsu 算法），将激光束数据分为水岸数据集和田内数据集2 类，寻找边界位置点的最优解，进而确定空气动力船到水田边界的距离信息。动态试验结果表明，当空气动力船沿与水田边界相距3 m的方向行进时，均方根误差为0.18 m，可以满足防撞要求。针对船体前方的移动障碍物，设计了一个矩形危险区域，并构建结构体数组，用于记录危险区域中障碍物的数量、障碍物与船间的距离等信息。结果表明，当障碍物进入危险区域后，空气动力船制动，直到障碍物移出危险区域，从而避免碰撞的发生。

为解决目前脉冲宽度调制（pulse width modulation, PWM）比例电磁阀控制方式的电流纹波大、控制精度不高等问题，本文提出采用双PWM对比例电磁阀进行控制，其中双PWM是指在一个PWM周期内，增加第二个调制。结果表明，双PWM调制模块工作提高了比例电磁阀的控制精准度，减小了比例电磁阀的电流纹波，从而减少对比例电磁阀的冲击，增加了电磁阀的寿命，降低了产品零件的维护和更换成本；而且在非道路机械产品换挡时使控制电流波动降低近1/3，有效减缓了换挡引起的速度突变，消除了换挡顿挫感。

麦冬是一种生长在浙江的中草药，通常被种植在畦装的土地中。在收获麦冬时如果牵引的拖拉机不小心落入畦沟中，则三点悬挂的麦冬收获机的杆件易被拉断。为解决这一问题，本文研发出了一种自动水平控制系统，它由总控制器、电子控制单元（electronic control unit, ECU）、双天线GPS接收机、拉绳传感器、油缸和液压阀组成，可使收获机一直处于水平姿态。总控制器先后采集到拖拉机的横滚角、油缸的位移量，估算出收获机的横滚角。采用比例微分（proportion integration differentiation, PID）控制算法产生液压阀的控制量。在麦冬田中的试验结果显示，左、右点之间的高程差是1.04 cm，标准差是2.39 cm，收获机可一直保持水平姿态，其构件没有再次断裂。

为缩短研发周期，减少成本，通过计算流体动力学（computer fluid dynamics, CFD）技术对风送式喷雾机的风送系统进行设计和优化，从最大限度地减小气流能量的损失和涡流、提高流场分布均匀性的原则出发，设计了最佳的风箱结构和具体参数。为实现根据树冠形状调整风送系统高度和倾角以适应不同生长时期不同类型的果园，通过CFD模拟计算和试验，探究了风送式喷雾机的气流速度和安装角度对气流速度场的影响规律，并模拟分析了喷雾机流场分布规律。在获取了风送距离与风送速度的关系（随着风送距离的增加，风速逐渐减小，减小的幅度也逐渐减小）后，建立了喷雾高度与喷头倾角的线性关系模型。结果显示：当喷头倾角大于85°或小于40°时，喷头倾角变化对于气流场的改变影响不大；当喷头倾角为40°～85°时，随着喷头倾角的增加，喷雾高度也相应地增加。本研究为实现仿形喷雾的自动化提供了理论依据。

为提高原木锯切装备的自动化程度和加工效率，同时保证原木锯切的出材率，设计了基于红外检测的原木自动化锯切翻转概念样机，分析了原木锯切策略和锯切角度算法，并搭建了原木外轮廓检测装置试验台来对上述计算算法进行验证。原木外轮廓检测装置采用红外测距传感器检测原木任意横截面外轮廓上均匀分布的8 点位置参数，这8 个点组成的多边形可近似表征原木截面的外轮廓，轴向不同截面的近似八边形轮廓用Weiler-Atherton 算法裁剪，并进一步用最小二乘法将裁剪得到的多边形拟合成椭圆形的有效利用区域。结果表明，拟合椭圆与原木小头截面外轮廓形状的吻合度较高，依据该拟合椭圆提出的锯切策略和锯切角度计算方法，对于弯曲度和锥度较小的原木锯切分析具有可行性。

为了明确玉米在籽粒收获过程中的碰撞损伤机制，寻求较小损伤的收获方式，利用三维扫描技术逆向建立玉米籽粒的三维实体模型，通过基于HyperMesh 和LS-DYNA 的籽粒碰撞有限元分析，研究在不同含水率（11.78%、17.63%、23.45%、29.31%、34.73%）、不同碰撞速度（4、6、8、10、12 m/s）下籽粒损伤动态过程，量化在不同因素水平下的碰撞过程中接触力、Von Mises 应力和变形的变化，以确定在不同含水率下籽粒的损伤临界速度；提取关键的数字和图像结果，利用回归分析和响应曲面分析研究单因子及交互效应对响应值的影响规律；结合非线性多目标优化的计算方法，对碰撞参数进行优化计算，以验证所建立的回归模型的合理性。结果表明：玉米籽粒在碰撞时，应力由较小的接触区域向四周扩散，最大接触力、最大Von Mises 应力随含水率的增大而减小，随碰撞速度的增大而增大，最大变形则相反；籽粒在含水率为11.78%、17.63%、23.45%、29.31%、34.73%时的临界损伤速度分别为5.51、6.75、8.15、9.36、10.57 m/s；建立的预测模型具有合理的决定系数，最佳碰撞参数组合为含水率26.99%，碰撞速度5.17 m/s，对应的最大接触力为19.30 N，最大应力为40.64 MPa，最大变形为0.73 mm，与实际仿真试验结果的误差小于8%，证明了回归模型的可靠性。

针对国内蔬菜育苗生产领域缺乏自动化流水线的问题，结合国内蔬菜种子的播种工艺，设计了气吸滚筒式穴盘精量播种流水线。该流水线包括无动力压穴装置、滚筒镶嵌式凸型吸嘴、输送与滚筒同步传动的种子精播机等机构。设计的气吸滚筒式穴盘精量播种流水线检测数据为：播种精度98%，播种空穴率0.6%，生产率580 盘/h，播种量145 盘/（kW·h），种子破碎率0.4%。上述结果表明，流水线的技术指标符合标准，设计合理可靠，能够满足流水线实际使用的需求。

割台损失是油菜籽粒损失最严重的部分，影响了油菜收获作业的质量和效率。为了解决这一问题，本文首先采用单因素试验方法得出拨禾轮水平位置、拨禾轮垂直位置、拨禾轮转速分别对损失率、喂入量的影响，在单因素试验的基础上运用Box-Benhnken中心组合试验方法对割台结构参数和运动参数进行试验研究，以拨禾轮水平位置、拨禾轮垂直位置、拨禾轮转速进行三因素三水平二次回归正交试验，建立响应面数学模型，分析各因素对收获效果的影响，同时对影响因素进行优化。结果表明：拨禾轮水平位置、垂直位置和转速对损失率都有一定的影响，而对喂入量影响显著的只有拨禾轮转速，响应面试验结果与单因素试验结果相一致；对割台损失率影响显著的顺序为拨禾轮垂直位置＞拨禾轮转速＞拨禾轮水平位置；割台最优工作参数组合为拨禾轮水平位置50 mm、拨禾轮垂直位置1 056 mm、拨禾轮转速30 r/min。在该最优条件下，割台损失率的优化值为0.97%，实测值为1.01%，喂入量的优化值为8.35 kg/s，实测值为8.48 kg/s，且实测值与优化值的相对误差小于5%。该研究结果的优化值可为油菜联合收割机割台结构优化设计和作业参数优化提供参考。

通过计算机视觉测定岱衢族大黄鱼F₂、F₃ 代2 类选育群体的24 个形态参数，利用主成分分析（principalcomponent analysis, PCA）和连续投影算法（successive projections algorithm, SPA）对形态参数进行特征提取和选择，获得PCA变换主元特征、PCA选择特征和SPA选择特征3 组不同的特征变量集，最后以特征变量集为输入建立岱衢族大黄鱼F₂、F₃代选育群体的稀疏表示识别模型。PCA、SPA特征提取和选择结果表明，全长/体长、全长/头长、全长/尾柄长、体长/头长、尾柄长/尾柄高是反映岱衢族大黄鱼F₂、F₃代选育群体之间形态差异的主要特征变量。稀疏表示模型的识别结果表明：3 组特征变量集对岱衢族大黄鱼F₂、F₃代选育群体样本都能较好地进行识别，平均识别准确率为88.3%、79.0%、80.5%；其中PCA变换主元特征对岱衢族大黄鱼F₂、F₃代的识别准确率最优，为88.3%。本研究结果为建立岱衢族大黄鱼外形指标及开展外形评价提供了有效手段。

为了克服人工观测鱼群异常行为费时费力的问题，本文提出了一种基于图像处理和压缩感知算法的鱼群低溶氧胁迫异常行为的自动检测方法。以锦鲤（Cyprinus carpio）为研究对象，通过获取常氧和低氧2 种情况下的鱼群运动视频图像，利用图像处理技术得到鱼群位置直方图，提取鱼群位置的均值、方差、歪斜度、峰态和能量5 个参数，构成每幅图像的鱼群运动特征参数。在此基础上构建数据词典矩阵，并利用压缩感知分类方法实现低溶氧胁迫下的鱼群异常行为检测。实验结果表明，该方法能有效实现低溶氧胁迫下的鱼群异常行为检测，准确率达到98.50%。

为解决鸭茅状摩擦禾种子因形态结构复杂、种壳坚硬厚实而导致的脱壳困难问题，本研究通过测定和分析完整种子、种壳和颖果的物理力学特性，探讨可行的机械化脱壳方法。结果表明：四倍体品种Meadowcrest 种子尺寸和质量均大于二倍体品种Pete，Meadowcrest 和Pete 这2 个品种的颖果质量各占完整种子质量的1/4 和1/3，其完整种子长度均约为颖果长度的2 倍；种壳含水率显著低于颖果含水率；种子破裂力大小与压缩方向有关，轴向压缩时完整种子的破裂力为颖果破裂力的1/2～2/3。种子尺寸、水分和破裂力特性共同决定了轴向压缩可能是一种有效分离鸭茅状摩擦禾种子的种壳并获得无损伤颖果的方法。