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本專題我共整理了9篇文章，來自北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心、華中農(nóng)業(yè)大學(xué)、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)、中國農(nóng)村技術(shù)開發(fā)中心、上海市農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所、上海交通大學(xué)、上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院、石河子大學(xué)、山東農(nóng)業(yè)大學(xué)等單位。
文章包含農(nóng)業(yè)機(jī)械與信息技術(shù)融合發(fā)展、果蔬采摘機(jī)器手設(shè)計、自動導(dǎo)航與測控技術(shù)的應(yīng)用、天然橡膠割膠機(jī)器人、白蘆筍采收機(jī)器人、畜禽舍防疫消毒機(jī)器人、輪式谷物聯(lián)合收獲機(jī)、中國智能農(nóng)機(jī)裝備標(biāo)準(zhǔn)體系、油電混合果園自動導(dǎo)航車控制器硬件的設(shè)計與應(yīng)用等內(nèi)容。供大家閱讀、參考。
專題--農(nóng)業(yè)機(jī)器人與智能裝備
Topic--Agricultural Robot and Intelligent Equipment
[1]陳學(xué)庚, 溫浩軍, 張偉榮, 潘佛雛, 趙巖. 農(nóng)業(yè)機(jī)械與信息技術(shù)融合發(fā)展現(xiàn)狀與方向[J]. 智慧農(nóng)業(yè)(中英文), 2020, 2(4): 1-16.
CHEN Xuegeng, WEN Haojun, ZHANG Weirong, PAN Fochu, ZHAO Yan. Advances and progress of agricultural machinery and sensing technology fusion[J]. Smart Agriculture, 2020, 2(4): 1-16.
摘要： 為理清國內(nèi)外農(nóng)業(yè)機(jī)械與信息技術(shù)融合發(fā)展現(xiàn)狀，找到重點發(fā)展方向，借此大力推進(jìn)中國農(nóng)業(yè)機(jī)械智能化發(fā)展，本文首先分析了國外農(nóng)業(yè)機(jī)械與信息技術(shù)融合發(fā)展的現(xiàn)狀，總結(jié)了其發(fā)展的五大特點。之后指出中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展雖然成效顯著，但仍存在農(nóng)機(jī)信息化融合的區(qū)域及結(jié)構(gòu)發(fā)展不平衡、企業(yè)和農(nóng)民對農(nóng)業(yè)機(jī)械信息化的認(rèn)可度還不高、基礎(chǔ)研究與關(guān)鍵技術(shù)研究薄弱、農(nóng)機(jī)作業(yè)信息系統(tǒng)管理水平不高且缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)等問題。最后提出了中國農(nóng)業(yè)機(jī)械與信息技術(shù)融合發(fā)展的方向，包括促進(jìn)智能感知技術(shù)發(fā)展與導(dǎo)航技術(shù)研究、推進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備智能化、構(gòu)建農(nóng)機(jī)智慧作業(yè)系統(tǒng)、推進(jìn)農(nóng)機(jī)自主作業(yè)技術(shù)研究與無人農(nóng)場建設(shè)、加強(qiáng)農(nóng)機(jī)信息化技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)制定與復(fù)合型人才培養(yǎng)等。農(nóng)業(yè)機(jī)械與信息技術(shù)融合是中國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展的必然趨勢，利用信息技術(shù)促進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械的發(fā)展，能夠最大化發(fā)揮信息技術(shù)的引導(dǎo)效應(yīng)，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，對于推進(jìn)中國農(nóng)業(yè)機(jī)械高質(zhì)高效發(fā)展具有重要意義。
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[2]吳劍橋, 范圣哲, 貢亮, 苑進(jìn), 周強(qiáng), 劉成良. 果蔬采摘機(jī)器手系統(tǒng)設(shè)計與控制技術(shù)研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J]. 智慧農(nóng)業(yè)(中英文), 2020, 2(4): 17-40.
WU Jianqiao, FAN Shengzhe, GONG Liang, YUAN Jin, ZHOU Qiang, LIU Chengliang. Research status and development direction of design and control technology of fruit and vegetable picking robot system[J]. Smart Agriculture, 2020, 2(4): 17-40.
摘要： 鮮食果蔬收獲是難以實現(xiàn)機(jī)械化作業(yè)的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，高效低損采摘也是農(nóng)業(yè)機(jī)器人研發(fā)領(lǐng)域中的難題，導(dǎo)致目前市場化的自動化果蔬采摘裝備生產(chǎn)應(yīng)用幾乎空白。針對鮮食果蔬采摘需求，為改善人工采摘費時費力、效率低下、自動化程度低的問題，近30年來，國內(nèi)外學(xué)者設(shè)計了一系列自動化采摘設(shè)備，推動了農(nóng)業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展。在研發(fā)鮮食果蔬采摘設(shè)備時，首先要確定采收對象和采收場景，針對作物的生長位置、形狀和重量、場景的復(fù)雜程度、所需自動化程度，通過復(fù)雜度預(yù)估、力學(xué)特性分析、姿態(tài)建模等方式，明確農(nóng)業(yè)機(jī)器人的設(shè)計需求。其次，作為整個采摘動作的核心執(zhí)行者，采摘機(jī)器人的末端執(zhí)行器設(shè)計尤為重要。本文對采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分類，總結(jié)了末端執(zhí)行器的設(shè)計流程與方法，闡述了常見的末端執(zhí)行器驅(qū)動方式、切割方案，并對果實收集機(jī)構(gòu)進(jìn)行了概括。再次，本文概述了采摘機(jī)器人的總體控制方案、識別定位方法、避障方法及自適應(yīng)控制方案、品質(zhì)分類方法以及人機(jī)交互、多機(jī)協(xié)作方案。為了總體評價采摘機(jī)器人的性能，本文還提出了平均采摘效率、長期采摘效率、采收質(zhì)量、損傷率和漏采率指標(biāo)。最后，本文對自動化采摘機(jī)械的總體發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望，指明了采摘機(jī)器手系統(tǒng)將向著采摘目標(biāo)場景通用化、結(jié)構(gòu)形式多樣化、全自動化、智能化、集群化方向發(fā)展的趨勢。
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[3]王春雷, 李洪文, 何進(jìn), 王慶杰, 盧彩云, 陳立平. 自動導(dǎo)航與測控技術(shù)在保護(hù)性耕作中的應(yīng)用現(xiàn)狀和展望[J]. 智慧農(nóng)業(yè)(中英文), 2020, 2(4): 41-55.
WANG Chunlei, LI Hongwen, HE Jin, WANG Qingjie, LU Caiyun, CHEN Liping. State-of-the-art and prospect of automatic navigation and measurement techniques application in conservation tillage[J]. Smart Agriculture, 2020, 2(4): 41-55.
摘要： 實現(xiàn)智能化是提升保護(hù)性耕作機(jī)具作業(yè)質(zhì)量和效率的重要途徑，自動導(dǎo)航與測控技術(shù)作為智能化技術(shù)的重要組成部分，近年來在保護(hù)性耕作中的應(yīng)用發(fā)展迅速。本文首先從接觸式、機(jī)器視覺式和GNSS式三種免少耕播種自動導(dǎo)航技術(shù)入手，闡述了自動導(dǎo)航技術(shù)在保護(hù)性耕作中的應(yīng)用現(xiàn)狀；然后對作業(yè)參數(shù)監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展動態(tài)進(jìn)行了詳細(xì)介紹，包括地表秸稈覆蓋率的快速檢測技術(shù)、免少耕播種機(jī)播種參數(shù)監(jiān)測技術(shù)及保護(hù)性耕作機(jī)具作業(yè)面積監(jiān)測技術(shù)；之后闡述了保護(hù)性耕作機(jī)具作業(yè)控制技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，主要介紹了免少耕播種機(jī)漏播補(bǔ)償控制技術(shù)和作業(yè)深度控制技術(shù)。最后在總結(jié)自動導(dǎo)航與測控技術(shù)在保護(hù)性耕作中現(xiàn)有應(yīng)用的基礎(chǔ)上，展望了未來保護(hù)性耕作機(jī)具自動導(dǎo)航技術(shù)、作業(yè)參數(shù)監(jiān)測技術(shù)和保護(hù)性耕作機(jī)具作業(yè)控制技術(shù)三者的研究方向。
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[4]周航, 張順路, 翟毅豪, 王松, 張春龍, 張俊雄, 李偉. 天然橡膠割膠機(jī)器人視覺伺服控制方法與割膠試驗[J]. 智慧農(nóng)業(yè)(中英文), 2020, 2(4): 56-64.
ZHOU Hang, ZHANG Shunlu, ZHAI Yihao, WANG Song, ZHANG Chunlong, ZHANG Junxiong, LI Wei. Vision servo control method and tapping experiment of natural rubber tapping robot[J]. Smart Agriculture, 2020, 2(4): 56-64.
摘要： 自動化割膠不僅可以把膠工從繁重的體力勞動和惡劣的工作環(huán)境中解放出來，還能降低對膠工的技術(shù)依賴，極大地提高生產(chǎn)效率。實現(xiàn)非結(jié)構(gòu)環(huán)境下作業(yè)信息自主獲取及割膠位置伺服控制是割膠機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)。針對工作環(huán)境復(fù)雜多變、作業(yè)信息疊加交互、目標(biāo)背景特征相近、亞毫米級作業(yè)精度要求等技術(shù)難點，本研究以人工橡膠林中橡膠樹為割膠對象研發(fā)割膠機(jī)器人，通過建立割膠軌跡的空間數(shù)學(xué)模型，規(guī)劃機(jī)器人快速接近和遠(yuǎn)離操作空間的**路徑；采用雙目立體視覺技術(shù)獲取樹干和割線結(jié)構(gòu)參數(shù)，融合機(jī)器人**學(xué)、機(jī)器視覺技術(shù)和多傳感器反饋控制技術(shù)研制了割膠機(jī)器人模塊化樣機(jī)。割膠機(jī)器人主要由軌道式機(jī)器人移動平臺、多關(guān)節(jié)機(jī)械臂、雙目立體視覺系統(tǒng)和末端執(zhí)行器等組成。在海南天然橡膠林進(jìn)行的割膠試驗結(jié)果表明，在割膠機(jī)器人切割1 mm厚的橡膠樹皮時，耗皮量誤差約為0.28 mm，切割深度誤差約為0.49 mm。該研究可為 探索 天然橡膠樹的自動化割膠作業(yè)提供技術(shù)參考。
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[5]李揚, 張萍, 苑進(jìn), 劉雪美. 白蘆筍采收機(jī)器人視覺定位與采收路徑優(yōu)化方法[J]. 智慧農(nóng)業(yè)(中英文), 2020, 2(4): 65-78.
LI Yang, ZHANG Ping, YUAN Jin, LIU Xuemei. Visual positioning and harvesting path optimization of white asparagus harvesting robot[J]. Smart Agriculture, 2020, 2(4): 65-78.
摘要： 依據(jù)筍芽出土狀態(tài)的選擇性收獲是目前白蘆筍公認(rèn)的最佳收獲方式。針對采收過程中機(jī)器視覺識別筍尖存在筍尖與壟面紋理和顏色相近等識別難題，本研究提出了一種變尺度感興趣區(qū)域（ROI）檢測方法，融合圖像色域變換、直方圖均值化、形態(tài)學(xué)和紋理濾波等技術(shù)，研究了筍尖識別與精準(zhǔn)定位方法；在定位多筍尖坐標(biāo)基礎(chǔ)上，提出了多筍芽的采收路徑優(yōu)化方法，解決了因采收路徑不合理導(dǎo)致的采收效率低的問題。首先，通過機(jī)器人視覺系統(tǒng)實時采集采收區(qū)域圖像并進(jìn)行RGB三通道高斯濾波，采用HSV色域變換并進(jìn)行直方圖均值化處理。在此基礎(chǔ)上，對筍尖、土壤進(jìn)行特征聚類分析，根據(jù)筍芽抽發(fā)程度研究變尺度ROI檢測方法，對采集圖像中筍尖的形態(tài)學(xué)以及筍尖和土壤的紋理進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析，設(shè)定筍尖的似圓度閾值，并參考紋理特征參數(shù)，判定筍尖位置，計算其幾何中心，獲得筍尖輪廓中心坐標(biāo)。其次，為實現(xiàn)白蘆筍的高效采收，根據(jù)多目標(biāo)點與集箱點的位置分布，本研究設(shè)計了一種基于多叉樹遍歷的采收路徑優(yōu)化算法，以獲得多個目標(biāo)筍尖的最優(yōu)采收路徑。最后，搭建采收機(jī)器人試驗平臺開展了筍尖定位與采收驗證性試驗。結(jié)果表明，視覺系統(tǒng)對白蘆筍的識別率可達(dá)98.04%，筍尖輪廓中心坐標(biāo)的定位最大誤差X方向為0.879 mm，Y方向為0.882 mm，采收筍的個數(shù)在不同情況下，采用路徑優(yōu)化后的末端執(zhí)行器**距離平均可節(jié)省43.89%，末端執(zhí)行器定位成功率達(dá)到100%，在實驗室環(huán)境下的白蘆筍采收率達(dá)到88.13%，驗證了采用視覺定位的白蘆筍采收機(jī)器人選擇性采收的可行性。
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[6]馮青春, 王秀, 邱權(quán), 張春鳳, 李斌, 徐瑞峰, 陳立平. 畜禽舍防疫消毒機(jī)器人設(shè)計與試驗[J]. 智慧農(nóng)業(yè)(中英文), 2020, 2(4): 79-88.
FENG Qingchun, WANG Xiu, QIU Quan, ZHANG Chunfeng, LI Bin, XU Ruifeng, CHEN Liping. Design and test of disinfection robot for livestock and poultry house[J]. Smart Agriculture, 2020, 2(4): 79-88.
摘要： 針對畜禽養(yǎng)殖防疫消毒勞動強(qiáng)度大、安全性差的問題，設(shè)計了防疫消毒機(jī)器人系統(tǒng)，以實現(xiàn)畜禽舍防疫消毒噴霧的智能化作業(yè)。機(jī)器人系統(tǒng)由移動承載平臺、防疫噴霧部件、環(huán)境監(jiān)測傳感器以及控制器等4部分構(gòu)成，支持全自動運行和遙控操作2種工作模式。針對畜禽舍內(nèi)弱光、低應(yīng)激的工況條件，提出了“磁標(biāo)-射頻識別”組合的導(dǎo)航路徑探測方法，實現(xiàn)在畜禽舍內(nèi)養(yǎng)殖籠架間的自主移動。設(shè)計了風(fēng)助式藥液噴嘴，可同步實現(xiàn)消毒藥液的霧化和擴(kuò)散。通過對噴嘴內(nèi)腔風(fēng)場進(jìn)行流體動力學(xué)仿真，對噴嘴氣體導(dǎo)流和藥液霧化部件結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，確定了錐形導(dǎo)流墊塊和霧化柵板的傾角分別為75 和90 。最后，在禽舍內(nèi)對機(jī)器人導(dǎo)航和噴霧性能進(jìn)行了現(xiàn)場測試。試驗結(jié)果表明，機(jī)器人移動平臺可滿足0.1~0.5 m/s速度范圍的自動巡線導(dǎo)航，其實際軌跡相對磁釘標(biāo)記的最大偏移量為50.8 mm；風(fēng)助式噴嘴可適用于200~400 mL/min流量的藥液噴灑，形成的霧滴直徑（DV.9）為51.82~137.23 μm，霧滴沉積密度為116~149 個/cm2。本畜禽舍防疫消毒機(jī)器人可實現(xiàn)養(yǎng)殖舍內(nèi)消毒和免疫藥液的智能化噴霧作業(yè)。
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[7]丁幼春, 王緒坪, 彭靖葉, 夏中州. 輪式谷物聯(lián)合收獲機(jī)視覺導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計與試驗[J]. 智慧農(nóng)業(yè)(中英文), 2020, 2(4): 89-102.
DING Youchun, WANG Xuping, PENG Jingye, XIA Zhongzhou. Visual navigation system for wheel-type grain combine harvester[J]. Smart Agriculture, 2020, 2(4): 89-102.
摘要： 為提高聯(lián)合收獲機(jī)收獲質(zhì)量與效率，構(gòu)建了輪式谷物聯(lián)合收獲機(jī)視覺導(dǎo)航控制系統(tǒng)，結(jié)合OpenCV設(shè)計了谷物收獲邊界直線檢測算法識別水稻田間已收獲區(qū)域與未收獲區(qū)域邊界，經(jīng)預(yù)處理、二次邊緣分割和直線檢測等得到聯(lián)合收獲機(jī)視覺導(dǎo)航作業(yè)前視目標(biāo)路徑，并根據(jù)前視路徑相對位置信息進(jìn)行田間動態(tài)標(biāo)定獲得聯(lián)合收獲機(jī)滿幅收獲作業(yè)狀態(tài)；提出了一種基于前視點的直線路徑跟蹤控制方法，通過預(yù)糾偏控制實現(xiàn)維持滿割幅的同時防止作物漏割，以相對位置偏差值和實時轉(zhuǎn)向后輪轉(zhuǎn)角作為視覺導(dǎo)航控制器的輸入，并根據(jù)糾偏策略對應(yīng)輸出轉(zhuǎn)向輪控制電壓大小。稻田試驗結(jié)果表明，該導(dǎo)航系統(tǒng)實現(xiàn)了輪式聯(lián)合收獲機(jī)田間相對位置姿態(tài)的可靠采集及目標(biāo)直線路徑跟蹤控制的穩(wěn)定執(zhí)行，在田間照度符合人眼正常工作的情況下，收獲邊界識別算法檢測準(zhǔn)確率不低于96.28%，單幀檢測時間50 ms以內(nèi)；以不產(chǎn)生漏割為前提的視覺導(dǎo)航平均割幅率為94.16%，隨作業(yè)行數(shù)增多，割幅一致性呈提高趨勢。本研究可為聯(lián)合收獲機(jī)自動導(dǎo)航滿割幅作業(yè)提供技術(shù)支撐。
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[8]胡小鹿, 梁學(xué)修, 張俊寧, 梅岸君, 呂程序. 中國智能農(nóng)機(jī)裝備標(biāo)準(zhǔn)體系框架構(gòu)建與研制建議[J]. 智慧農(nóng)業(yè)(中英文), 2020, 2(4): 116-123.
HU Xiaolu, LIANG Xuexiu, ZHANG Junning, MEI Anjun, LYU Chengxu. Construction of standard system framework for intelligent agricultural machinery in China[J]. Smart Agriculture, 2020, 2(4): 116-123.
摘要： 針對中國智能農(nóng)機(jī)裝備標(biāo)準(zhǔn)化工作中缺乏系統(tǒng)性標(biāo)準(zhǔn)體系指導(dǎo)的問題，本研究構(gòu)建了中國智能農(nóng)機(jī)裝備標(biāo)準(zhǔn)體系框架。首先從標(biāo)準(zhǔn)體系、具體標(biāo)準(zhǔn)、國際化水平等方面分析了中國智能農(nóng)機(jī)裝備標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀及存在問題；依托智能農(nóng)機(jī)裝備標(biāo)準(zhǔn)體系框架構(gòu)建的目標(biāo)及原則，總結(jié)了級別、約束力、通用性、性質(zhì)、對象、標(biāo)準(zhǔn)類別、參考模型、行業(yè)分類、產(chǎn)業(yè)環(huán)節(jié)等構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)體系框架的維度。之后利用級別、類別、產(chǎn)業(yè)環(huán)節(jié)構(gòu)建了中國智能農(nóng)機(jī)裝備標(biāo)準(zhǔn)體系三維框架結(jié)構(gòu)，并將其二維分解為基礎(chǔ)層、共性通用層和應(yīng)用領(lǐng)域?qū)印Ｗ詈筇岢隽酥袊悄苻r(nóng)機(jī)裝備標(biāo)準(zhǔn)研究與編制的建議。本研究可為中國智能農(nóng)機(jī)裝備標(biāo)準(zhǔn)的制修訂、實施與服務(wù)提供系統(tǒng)性指導(dǎo)，引領(lǐng)中國智能農(nóng)機(jī)裝備產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。
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[9]吳應(yīng)新, 吳劍橋, 楊雨航, 李沐桐, 甘玲, 貢亮, 劉成良. 油電混合果園自動導(dǎo)航車控制器硬件在環(huán)仿真平臺設(shè)計與應(yīng)用[J]. 智慧農(nóng)業(yè)(中英文), 2020, 2(4): 149-164.
WU Yingxin, WU Jianqiao, YANG Yuhang, LI Mutong, GAN Ling, GONG Liang, LIU Chengliang. Design and application of hardware-in-the-loop simulation platform for AGV controller in hybrid orchard[J]. Smart Agriculture, 2020, 2(4): 149-164.
摘要： 果園由于面積范圍廣、地形復(fù)雜、壕溝多、雜草叢生、土壤濕度較高且土質(zhì)較為疏松，對自動導(dǎo)航小車（AGV）的機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)，以及能源動力系統(tǒng)的設(shè)計都提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)和要求。混合動力AGV小車可以滿足果園中長距離移動的需求。為 探索 合適的混合動力AGV控制系統(tǒng)算法以及能量管理策略，同時減少設(shè)計過程中由于果園地形復(fù)雜導(dǎo)致的控制器設(shè)計驗證迭代、需求多樣化問題帶來的人力、物力，以及時間成本，本研究針對果園面積廣的特點，選擇串聯(lián)式油電混合動力系統(tǒng)進(jìn)行AGV動力能源系統(tǒng)模型的搭建。另外，針對果園AGV需要適應(yīng)地形范圍廣的特點，采用履帶車模型結(jié)構(gòu)，利用硬件在環(huán)仿真技術(shù)，以樹莓派作為控制系統(tǒng)搭載控制算法實物，利用Matlab和RecurDyn軟件建立包含能源動力系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)、履帶車行駛部分模型以及路面模型的系統(tǒng)實時仿真模型，最終實現(xiàn)了串聯(lián)式混合動力AGV控制器硬件在環(huán)仿真功能。基于串級比例積分微分（PID）以及模糊控制器控制算法的仿真驗證表明，模糊控制器控制算法能夠減少參數(shù)調(diào)節(jié)帶來的時間成本，在轉(zhuǎn)向角度小時響應(yīng)速度加快了50%，在轉(zhuǎn)向角度大時串級PID控制器產(chǎn)生了10%的超調(diào)，而模糊控制器無超調(diào)，轉(zhuǎn)向更加平穩(wěn)。結(jié)果表明硬件在環(huán)仿真平臺能夠有效地應(yīng)用于果園AGV控制器的開發(fā)，避免了控制實物試驗，在降低成本的同時可以加快果園自動導(dǎo)航小車的開發(fā)過程。
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如何用matlab求三維框架結(jié)構(gòu)
如何用matlab求運貨車三維框架結(jié)構(gòu)三維框架結(jié)構(gòu)的受力分析？
求解方法有三維框架結(jié)構(gòu)，方法①結(jié)合結(jié)構(gòu)力學(xué)和材料力學(xué)的知識，利用拆桿法對各支桿進(jìn)行受力分析，然后求出運貨車上各支桿的應(yīng)力和撓度；方法②使用有限元法求解，有限元方法是結(jié)構(gòu)分析的一種計算方法，由于該方法以矩陣計算方法為基礎(chǔ)，用matlab來處理計算是最合適的一種軟件。
用有限元法求解思路如下：
第一步：按單元剖分原則，把運貨車框架結(jié)構(gòu)分解成若干個梁單元。
第二步：對各單元進(jìn)行分析，列出各單元的剛陣【K】i,對于有角度關(guān)系的需要進(jìn)行單元坐標(biāo)變換。
第三步：單元綜合。把各單元組合起來，形成原結(jié)構(gòu)的整體，求出結(jié)構(gòu)的總剛陣【K】=Σ【K】i，總外力列陣【F】,總位移列陣【q】。
第四步：利用邊界條件（如固定支點，其變形量為零），減縮方程組（劃去變形量為零所在的行和列）。
第五步：由【q】=【K】^(-1)【F】方程，求解各單元的各單元的。
第六步：由【F】=【K】【q】方程，求解各單元的支反力。
第七步：由材料力學(xué)的應(yīng)力公式，求解各單元的應(yīng)力。
根據(jù)上述步驟，編寫matlab運行程序，是可以得到其各單元的各單元的、支反力和應(yīng)力。
由于題主沒有提供具體的單元尺寸和材料特性（E，G）,所以無法給出計算結(jié)果。
建筑設(shè)計飄積原理是什么
迪拜美國大學(xué)研究、創(chuàng)新和設(shè)計中心主任喬治·卡查米（Georges Kachaamy）教授提出的“上升的綠洲”（Rising Oases）項目描繪了一個可能的未來，城市里有平臺，人們可以把自己從日常的束縛中解放出來。建筑師關(guān)于城市街道上空無約束空間的設(shè)想可能看起來有些牽強(qiáng)，但當(dāng)人們意識到這些可能性時，就會真正地相信，這些可能性并不遙遠(yuǎn)。
“上升的綠洲”
飄浮建筑的潛在好處是多種多樣的。超越空間限制可以實現(xiàn)更有效的規(guī)劃，減少建設(shè)所需的土地，減少對可以保留或擴(kuò)大的綠地的壓力。飄浮建筑還可以增強(qiáng)對地震和洪水等自然災(zāi)害的抵御能力。在繁忙的城市中，漂浮建筑是解決空間限制的潛在方案，也是增強(qiáng)抵御自然災(zāi)害能力的一種手段。
飄浮建筑可以提供可持續(xù)的解決方案
近年來人們對飄浮建筑的興趣和創(chuàng)新不斷增長。目前的飄浮系統(tǒng)利用的是磁懸浮，適用于無摩擦的高速列車——通過兩塊相反的磁鐵來提升物體。磁懸浮電梯的發(fā)展是另一個令人鼓舞的跡象，而且一個問題也得到了解決。這是訪問飄浮架構(gòu)的方法之一，也可能是未來對于飄浮建筑創(chuàng)建的一個有效思考途經(jīng)或切入點。
營造飄浮的效果
飄浮建筑現(xiàn)階段來看，的確是一個需要不斷探索的構(gòu)想，但它希望創(chuàng)造更多空間的理念是可以運用在設(shè)計中的。我們現(xiàn)在所能達(dá)到的技術(shù)支持，可能是盡可能地減少主題與地面間的支撐，運用最少的材料和能耗在主體和地面間增加可能空間，以一種視覺效果來實現(xiàn)建筑的飄浮。
下面這個方案靈感來源于芬蘭典型的地形，那里的一個空洞是由埋藏的冰川融化形成的。該方案旨在創(chuàng)建一個包含靈活的組織系統(tǒng)的大膽的博物館。博物館以民族浪漫主義建筑為特色，是對工業(yè)化和機(jī)械生產(chǎn)的回應(yīng)。設(shè)計體現(xiàn)了對象飄浮在景觀中的精神。
下部建筑在功能上與上部建筑相互連接，在視覺上相互分離。設(shè)計還將大部分功能置于地下，允許保留現(xiàn)有的地上公園，同時通過反射性的建筑語言建立上下結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)系。
半透明的立面賦予體量短暫的云狀外觀。通過提升體量作為一個懸浮體，一個看似下沉的房間被創(chuàng)建，將方案分為兩個個層次。上層成為了整個建筑的“形象”表達(dá)。下層是一個公園，利用地面與下沉的大堂形成物理聯(lián)系。靈活的展覽空間布局可以很容易地連接或分離，允許多種安排。
實際上，地理是不斷變化的，我們生活在變化之中，而不是靜態(tài)的環(huán)境中。建筑需要融入變化的動力，而不是把它們視為生活和進(jìn)步的障礙。建筑如何與氣候變化相聯(lián)系是至關(guān)重要的，在設(shè)計中應(yīng)考慮到潛在的災(zāi)難。在未來，城市棲息地很有可能會上升和飄浮。
例如面對未來海平面上升，漂浮的預(yù)制生活單元將由桅桿系在現(xiàn)有社區(qū)受威脅的海岸線內(nèi)，作為維持居住的一種手段。拴著的模塊可以逐漸上升，同時仍然保持在基地附近。居民使用的桅桿作為一個調(diào)諧儀器，以調(diào)整緊張，以平衡振蕩和避免**。在惡劣天氣時期，多個單元可能會連接在一起，以獲得更好的穩(wěn)定性，從而產(chǎn)生一種新的社區(qū)和睦鄰習(xí)慣。
未來的飄浮建筑
在我們的作品集制作過程中，未來建筑是一個能夠表達(dá)發(fā)散性設(shè)計思維的選題，而飄浮建筑的設(shè)計方法十分新穎也充滿挑戰(zhàn)。通過了解了飄浮建筑設(shè)計的目的和對于城市未來發(fā)展的優(yōu)勢，以及打造飄浮效果的可能方式，解下來就讓我們從幾個具體的學(xué)術(shù)案例，看看飄浮建筑是如何體現(xiàn)在作品集中的。
光公園摩天樓
世界主要城市人口的迅速增長導(dǎo)致了貧窮的發(fā)展和嚴(yán)重的城市設(shè)計問題，包括缺乏基礎(chǔ)設(shè)施、住房和娛樂場所。在北京，這個歷史中心的大部分已經(jīng)被拆除。在這個擁擠的城市，為居民提供稀缺的綠色和娛樂空間的一個方法是建造一座飄浮在地面上的摩天大樓，將新的開發(fā)項目帶到空中。
光公園之所以能飄在空中，要歸功于它頂部的一個蘑菇狀的氦氣球。公園、**場、綠色房屋、餐廳和其他用途的綱領(lǐng)性平臺通過加固鋼索從結(jié)構(gòu)頂部懸掛;平臺圍繞球罐向不同方向旋轉(zhuǎn)以平衡其重量。這些樓板也是錯開的，以最大限度地暴露在每一層的陽光下。半透明的太陽能板覆蓋在容器的頂部，為下面的使用提供動力，而集水器也位于頂部，直接向過濾器沉淀，將干凈的水輸送到整個結(jié)構(gòu)中。
旅游用螺旋摩天大樓
旅游是一種社會經(jīng)濟(jì)現(xiàn)象，它使人們在世界各地遇到新的經(jīng)歷。它為全球經(jīng)濟(jì)作出了重大貢獻(xiàn)，為當(dāng)?shù)鼐蜆I(yè)率帶來了好處，同時也為文化交流提供了機(jī)會。然而，眾多人在季節(jié)性決定的時間段內(nèi)流動，造成了對住房的巨大需求。這種需求在城市和環(huán)境層面上都存在問題。對于大多數(shù)旅游目的地來說，需求在一年中的某些時候會激增。傳統(tǒng)的模式是建造酒店等接待設(shè)施來滿足這種需求。但旺季之外，為了減少維護(hù)和資源成本，它們通常會被關(guān)閉。不幸的是，對于重新改造為旅游目的地的定居點來說，其影響是重大和有害的。
該方案的重點是找到更好的旅游住宿設(shè)計方案，首先調(diào)查了旅游對卡帕多西亞的影響，卡帕多西亞是土耳其著名的旅游目的地，以其獨特的地質(zhì)和文化歷史而聞名。該方案提出了一種靈活的、可定制的、臨時的住宿形式。摩天大樓由獨立的單元組成，由氦氣球支撐，可以根據(jù)一般需求和游客的具體需求進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)游客在一個特定地點的旺季繼續(xù)到達(dá)時，更多的單元可以堆疊在一起形成一個集群。
為了使擬議的摩天大樓得到最佳的調(diào)整，最合理和最適宜的結(jié)構(gòu)是螺旋結(jié)構(gòu)。螺旋形的形式最大化了幾何形狀的潛在靈活性。當(dāng)作為一個螺旋裝配時，單元能夠支持表面上的連續(xù)性。螺旋形摩天大樓的大小和形狀也將作為一個視覺指標(biāo)。一旦旺季結(jié)束，需求下降，這些集群就會遷移到另一個旺季即將來臨的地區(qū)。因此，擬議中的摩天大樓能夠尊重特定地區(qū)的旅游周期，而不會在旅游季節(jié)結(jié)束時破壞當(dāng)?shù)丨h(huán)境。由于沒有留下永久性的定居點，擬議中的摩天大樓可以在全年的遷移過程中不斷地被重復(fù)使用、調(diào)整和重新適應(yīng)。該設(shè)計為游客住宿提供了一個可持續(xù)的解決方案。
空中的垂直監(jiān)獄
一些研究表明，刑滿釋放的犯罪率非常高，罪犯的監(jiān)禁只是暫時的解決辦法，因為他們沒有機(jī)會在一個理想的社區(qū)康復(fù)。這個項目探討了在天空中創(chuàng)建一個垂直監(jiān)獄的可能性，囚犯將在一個社區(qū)工作和生活，為下面的主辦城市做出貢獻(xiàn)。監(jiān)獄里有農(nóng)田、工廠和可循環(huán)利用的工廠，罪犯可以利用這些工廠回饋社會。他們將“自由地”生活，直到服刑期滿并準(zhǔn)備重返社區(qū)。垂直監(jiān)獄有自己的運輸系統(tǒng)，由不同的“隔”組成，供官員、囚犯、消防員和其他工人使用。
飄浮的PH值調(diào)節(jié)器
歐洲自1750年以來爆發(fā)的工業(yè)革命，不可避免地帶來了嚴(yán)重的環(huán)境污染。最明顯的后果是大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生的廢物所造成的酸沉積。由于大量使用化石燃料，加之交通繁忙，SO2和NOX將大氣的PH值控制在5.6以下。這些酸性物質(zhì)逐漸沉淀到地表，對植物、建筑和人類造成了極大的危害。該項目旨在以溫和的方式管理酸沉降，最終將污染物轉(zhuǎn)化為重慶地區(qū)可利用的資源。
該項目將建在200-300米高的酸性污染物聚集的地方。在建筑頂部充滿氫氣的氣囊提供了浮力。附著在氣囊上的多孔膜可以吸附酸霧等酸性物質(zhì)，將其收集到核心凈化器中，與固氮微生物通過生物作用產(chǎn)生的堿性物質(zhì)進(jìn)行中和，并儲存在凈化器中心。通過中和，酸性污染物可以轉(zhuǎn)化成含有銨鹽的中性液體，被附著在觸手管上的植物吸收為綠色營養(yǎng)物質(zhì)。剩余的液體將作為再生水的來源被輸送到終端罐。該項目將成為一個綠色的城市地標(biāo)，隨著空氣清潔的時間，城市將見證他們的生活質(zhì)量的提高。
烏托邦式的天空城市
互惠烏托邦城市項目是一個可再生能源的天空城市。它形成了一個云狀結(jié)構(gòu)，直插云霄，高達(dá)1100米，與紐約市平行。這個項目的重點是探索了利用潛在技術(shù)實現(xiàn)可再生能源系統(tǒng)的新途徑。建筑方案通過一個夢來探索：自由和逃避的幻想。我們所感知的世界充滿了沖突和悖論，真正的目的往往隱藏在對話的背后，我們都被困在對話的無盡話語中。逃避的對象可以是多種多樣的，通常與不滿和期望聯(lián)系在一起。人們愿意成為看不見的統(tǒng)一的一部分，或者試圖逃離這個陷阱，但卻落入了其他陷阱。它探索了一個夢想的場景空間，并允許人們生活在云端。
一個夢幻般的城市，漂浮在布魯克林的天空中。一個云一樣的城市，在這個消費主義和資本主義主導(dǎo)的城市里。該基地位于布魯克林和皇后區(qū)的交界處。最初的想法是找到一種建筑形式，它可能意味著一些自由和可移動的東西，它必須有某種幾何形狀或潛在的象征意義，讓城市變得美麗，看起來像一個夢想之地。它也挑戰(zhàn)了建筑定義的邊界，主要外觀是由一個三維框架結(jié)構(gòu)構(gòu)成，負(fù)責(zé)所有的電力傳輸和服務(wù)器空間。利用現(xiàn)有的技術(shù)，這座流動的城市每年能夠生產(chǎn)3600萬兆瓦，相當(dāng)于4座核電站的容量。烏托邦式的天空城市不是一個城市規(guī)劃項目，而是一種思考的方式，一種想象的方式，一種看待事物和生活的方式。
棲居在天空
“棲居在天空”的目標(biāo)是激發(fā)游客對自然的深刻印象，并尊重和愛戴自然，從而創(chuàng)造出一種可持續(xù)發(fā)展的意識。一旦找到一種可以切割大自然關(guān)節(jié)的精確工具，就能了解大自然。建筑不應(yīng)該總是竊取自然和綠色區(qū)域的位置。一個大的公共綠地將有助于提高伊斯坦布爾市民和游客的生活質(zhì)量。自然保留在基地上，成為人們的公共區(qū)域，建筑飄浮在空中。一種新的感覺將在兩種意義上發(fā)展，一種是人們在下面觀看上空的建筑，另一種是人們在建筑里能夠從另一個角度觀看城市。
在項目中，景觀也足夠獨特。這種建筑從來不會讓人有被封閉在建筑里的感覺，相反，它喚起的是自由的感覺。透明的網(wǎng)格覆蓋了中心，使任何東西都不會被隱藏，以應(yīng)對任何天氣變化。技術(shù)在所呈現(xiàn)的任何形態(tài)發(fā)展中都是清晰的。被稱之為“云”的材料和組成將是該提案面臨的最大挑戰(zhàn)之一。
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