面向振动采收的果树干三维重建方法及其动力学特性研究

摘要

本文的研究对象是山核桃树(CaryacathayensisSarg.)，由于山核桃的营养价值高，随着生活水平的不断提高，人们对山核桃消费的需求持续增长。但山核桃树生长在陡峭的山坡，树高普遍超过8m，因此人工采摘山核桃具有很高的危险性。机械式振动采摘山核桃是一种行之有效的方法，它不仅能提高果实的采摘效率，减轻劳动强度，更重要的是能保证果农的人身安全。衡量果实采摘机械工作性能的重要依据是果实的采摘率。但由于果树种植环境、果实品种和果树个体的差异，对提升果实采摘机械的性能增添了难度，同时也限制了果实采摘机械在生产上的应用和发展。
　　解决上述问题的有效办法就是采用自适应采摘方式。本文围绕果树个体结构描述和果树动力学分析，研究了基于立体视觉的果树振动力学参数辨识的相关理论和方法。首先研究了果树枝干的结构参数和材料特性，然后应用立体视觉技术从两幅图像中重建果树的三维枝干，最后把重建的枝干模型应用到动力学仿真，再结合动力学试验获得果树个体的动力学特性。本文的主要研究内容和成果如下:
　　1)手工测量山核桃树枝干的几何参数，得到截面长/短轴的比例约为1.06，无结点枝干的直径和长度之间呈负线性关系，因此可以把山核桃树枝干认为是直径随长度线性变化的圆形截面梁。用悬臂梁振动试验测量用于动力学分析的山核桃树枝干的弹性模量Ev，比较发现通过测量应力波的传播速度估计弹性模量Ev的方法是不可行的。
　　2)提出一种基于扫描线的动态跟踪技术提取图像中复杂背景下果树枝干轮廓的方法。扫描线的动态跟踪分为启发式的扫描线搜索和基于梯度二阶导数过零点的扫描线端点的更新。应用“蛇形带状”(Ribbonsnake)技术精细化轮廓，获得更加光顺、准确的枝干双轮廓，进而提取枝干区域。根据细化得到的枝干骨架，提出用图论中的二叉树结构描述果树枝干的拓扑结构。基于枝干边缘的连续性和宽度的一致性分别修复分叉点和交叉点附近区域的枝干骨架线。
　　3)提出一种改进的空间点三维重建的几何方法。应用该方法，以最小化反投影误差为目标，分两步快速优化基于本质矩阵估计的相机外参数。结合极线约束、拓扑结构和形状匹配技术实现双视图中枝干骨架线的对应。首先用动态规划技术搜索同名骨架线上的对应点对，然后用共轭梯度法精细化。
　　4)以曲线为基元重建枝干的三维骨架线，提出评价空间曲线三维重建性能的2个重要指标:重建曲线的反投影误差和重建曲线的光顺性。根据这两个指标提出一种基于曲率无穷范数约束的空间曲线的三维重建方法。将该方法成功地应用于模拟曲线、圆柱相贯线和枝干骨架线，从而验证了方法的可行性。模拟曲线的重建结果显示提出的曲线重建方法的重建误差约为三角测量法的1/7，表明该方法明显优于三角测量法。分析发现重建误差随着噪声水平的提高而缓慢增大，但并不明显依赖于最大曲率阈值κmax，表明方法具有较强的自适应性和一定的抗干扰能力。圆柱相贯线的重建实例显示重建的曲线在XY平面投影的相对误差仅为2.89％，表明提出的曲线三维重建方法具有比较高的精度。应用植物学的营养管道输送模型，用线性方程参数化枝干的半径。最后以两棵不同山核桃树为对象实现其枝干的三维重建，重建的枝干在视觉上非常接近真实的果树。重建的枝干半径同手工测量值之间的相对误差小于4％，表明重建的山核桃树枝干具有较高的精度。
　　5)应用拉格朗日方程，建立基于物理杆的果树枝干的动力学模型。分析带2分枝和带3分枝果树的动态响应，结果发现分枝运动和树干运动之间存在一定的独立性，系统第1阶共振频率随着分枝的增加而减小。以三维梁为单元，在欧拉-伯努利(Euler-Bernoulli)梁理论的基础上建立果树枝干的有限元动力学模型，并应用ANSYS软件进行果树枝干的模态分析和谐响应分析。分析结果显示不同分枝的运动存在明显差异，因此很难找到一种简单的振动方式使所有的分枝都能有效地振动起来。在谐响应分析的基础上，进一步分析发现只要激振方向垂直于枝干，其它两个方向对加速度响应的影响都比较小。提出一种用多方向组合力的激振方式，它能同时激发大多数分枝有效地振动，因此能获得比单一激振力更好的振动效果。模拟分析果树枝干半径的精度对动力学特性的影响，结果发现模型精度的相对误差小于5％对固有频率影响很小，对加速度响应的影响也有限，进而验证了重建模型的精度满足动力学分析的需要。
　　6)分别对室内局部枝干和田间活立木进行试验，获得分枝上不同测试点的加速度响应，并与仿真的结果进行比较。结果表明用本文提出的方法进行果树的动力学仿真能获得比较准确的固有频率，并确定用于振动采摘的最佳激振频率范围。

目录

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摘要

图目录

表目录

第1章 绪论

1．1 课题的背景及研究意义

1．1．1 课题背景

1．1．2 研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 果品振动采摘机械及试验

1．2．2 树体的动力学分析

1．2．3 树体的三维重建

1．2．4 研究现状分析

1．3 论文的研究内容和关键技术

1．3．1 研究内容

1．3．2 关键技术

第2章 果树枝干的结构参数与材料特性试验

2．1 果树的结构

2．1．1 枝干的几何特征

2．1．2 果树的结构表达

2．2 果树枝干的材料特性测量

2．2．1 基本特性测量

2．2．2 弹性模量和阻尼比的测量方法

2．2．3 枝干悬臂梁振动试验

2．2．4 应力波测试试验

2．2．5 试验结果汇总

2．3 本章小结

第3章 果树枝干提取及结构表达

3．1 果树枝干的提取方法

3．2 果树图像采集及预处理

3．2．1 图像采集

3．2．2 图像分割

3．3 基于扫描线同步跟踪的枝干提取

3．3．1 方法描述

3．3．2 扫描线搜索

3．3．3 扫描线端点更新

3．3．4 边缘精细化

3．4 树体结构创建

3．4．1 骨架提取与表达

3．4．2 骨架分叉点的修复

3．4．3 骨架交叉点的处理

3．5 方法实现

3．5．1 软件设计

3．5．2 枝干提取实现

3．5．3 结构创建

3．6 本章小结

第4章 果树枝干的三维重建

4．1 立体视觉系统

4．1．1 相机模型及标定

4．1．2 极线几何

4．1．3 基本矩阵的估计

4．1．4 本质矩阵及运动估计

4．1．5 点的三维重建

4．1．6 运动参数的优化

4．2 枝干骨架线的对应

4．2．1 骨架线的对应

4．2．2 同名骨架线上点的对应

4．3 空间曲线的三维重建

4．3．1 曲线三维重建方法的概述

4．3．2 基于曲率无穷范数约束的曲线重建方法

4．3．3 曲线三维重建的实例及结果分析

4．4 枝干半径估计

4．5 果树枝干重建的实现

4．5．1 果树枝干重建实例

4．5．2 枝干半径估计的误差分析

4．6 本章小结

第5章 果树动力学的有限元仿真

5．1 果树动力学模型

5．1．1 基于物理杆的枝干动力学模型

5．1．2 三维梁的力学模型

5．2 坐标系定义及模态分析

5．2．1 坐标系定义

5．2．2 模态分析方法介绍

5．2．3 模态分析实例

5．3 谐响应分析

5．3．1 谐响应分析理论

5．3．2 位移和加速度响应

5．3．3 等效应力分布

5．4 加速度响应分析

5．4．1 加速度响应同加载方向的关系

5．4．2 主枝的组合力加载

5．5 几何模型精度的影响

5．6 本章小结

第6章 果树的锤击试验研究

6．1 试验原理和方法

6．1．1 加速度频率响应函数

6．1．2 测量信号的相干性

6．1．3 试验方法与材料

6．2 室内局部枝干试验

6．2．1 试验内容

6．2．2 结果与讨论

6．3 田间活立木试验

6．3．1 试验内容

6．3．2 结果与讨论

6．4 本章小结

第7章 结论与展望

7．1 结论

7．2 主要创新点

7．3 展望

参考文献

攻读学位期间的研究成果

致谢