甘蓝在我国种植面积广泛,随着消费者对果蔬产品品质的要求越来越高,商品化处理已成为果蔬产业的发展趋势,而甘蓝采后整修处理是商品化处理的关键环节。由于甘蓝采后田间作业环境复杂,卫生条件难以保证,因此,将收获后的甘蓝转移到采后处理车间进行整修处理作业。然而,由于甘蓝为类椭球体作物易发生滚动,从导致自然状态下根部姿态不一致,高通量采后整修处理难度大。因此,研究甘蓝的自动调向对提高甘蓝采后整修效率和机械化水平,具有重要意义。本文借鉴前人有关椭球体农产品调向研究的基础上,以品种为“中甘15号”的甘蓝为研究对象,提出了甘蓝自动调向方案。主要研究内容及结论如下:(1)甘蓝物理特性及调向机理研究。测量了甘蓝的物理参数,包括几何尺寸、密度和弹性模量,其中甘蓝株高范围为126.01～184.78mm,赤道直径范围为96.99～144.51mm,该品种的甘蓝整体上具有株高大于赤道直径的特点;研究了甘蓝与不同材料的摩擦特性,分别采用平面滑动法和能量守恒法,测定分析了甘蓝与不同材料的滑动摩擦系数和滚动摩擦系数;甘蓝调向机理研究,通过建立甘蓝空间运动的欧拉动力学方程,并基于运动稳定性理论对甘蓝调向运动进行分析,结果表明,甘蓝绕最小惯性轴(即中心轴)方向的转动是稳定的;为后续甘蓝整修系统自动调向装置的设计和材料选择,提供数据支撑和理论依据。(2)确定自动调向装置的总体方案。根据调向机理,甘蓝具有绕中心轴方向稳定转动的运动特性,分别提出了基于摩擦特性的自动调向方案和基于图像处理的自动调向方案,以甘蓝不同根部朝向的分选精度为指标,确定基于图像处理的自动调向方案。并对自动调向装置总体方案的调向输送机构、图像检测机构和分选卸料机构进行了方案比较分析,最后分别选择了辊轮式调向输送机构,甘蓝通过转动实现其中心轴一致性的调整;确定了图像检测机构采用深度学习图像识别方法,识别甘蓝根部判断甘蓝根部的朝向;选择分段式分选卸料机构将根部朝向不同的甘蓝实现分选卸料。最终确定了甘蓝整修系统自动调向装置的总体方案。(3)设计自动调向装置关键部件与控制系统。对调向输送机构的传动系统和辊轮结构与参数进行了设计与研究。传动系统采用链轮链条式传动方式完成调向输送机构的动力输出与分配;通过建立甘蓝在调向输送机构的辊轮上的力学与几何关系方程,确定满足作业要求的辊轮参数为:辊轮轴向间距范围为40～80mm,辊轮径向间距范围为40～70mm,辊轮直径范围为57～135mm;设计了甘蓝图像识别与输出模块,通过Yolo目标检测算法识别甘蓝根部,从而判断甘蓝根部朝向,其中根部的识别精度为98%,并通过串口通信将上位机的根部识别信息传输给单片机;确定了控制系统的核心为单片机,并确定了电机、电磁阀、继电器等硬件型号。设计了控制系统流程图与电路原理图,并基于C语言编写了控制程序。(4)自动调向装置试制及验证试验。根据甘蓝整修系统自动调向装置的总体方案以及机构与控制系统的设计,对样机进行了试制与控制系统的调试。在甘蓝调向试验平台上进行了参数优化试验,单因素试验结果表明,在一定工作参数范围内,甘蓝调向运动参数中水平夹角随辊轮直径增大而减小,竖直夹角随辊轮直径、辊轮轴向间距的增大而减小,并通过正交试验确定了装置的最佳工作参数;利用最佳工作参数,在甘蓝整修系统自动调向样机上进行验证试验,当辊轮直径为90.00mm,辊轮轴向间距为80.00mm,辊轮径向间距为62.40mm,辊轮转动线速度为140.00mm/s时,甘蓝调向成功率为92%,甘蓝调向装置的工作效率为29.86个/min。