技术领域
本申请涉及损伤仿真技术领域，尤其涉及一种水果机械损伤仿真方法、装置、计算机设备及存储介质。
背景技术
目前，类苹果型水果的收获已进入机械化收获阶段，数值仿真模拟技术加速了水果收获机械的研发速度。
建立水果的有限元模型，将水果视为大型颗粒体，进行离散体仿真模拟，获取水果受力的结果，判断水果损伤情况。但水果和工业机械部件仿真存在区别。即工业部件是标准的，苹果是个性化的，所以水果仿真的时候存在很大难度。因此建立水果三维模型与实际水果的形状存在较大差异，且水果只具有苹果果肉的物理性质，在受力条件下，无法获得真实水果的损伤结果。
发明内容
本申请实施例提供一种水果机械损伤仿真方法、装置、计算机设备及存储介质，用于提高水果机械损伤仿真的准确度。
本发明实施例提供一种水果机械损伤仿真方法，所述方法包括：
获取多个水果的三维数据和果皮测量数据、果肉测量数据、果核测量数据；
根据所述多个水果的三维数据构建水果模型；
对所述水果模型进行网格划分，并将所述果皮测量数据、所述果肉测量数据和所述果核测量数据添加到所述水果模型对应的网格中，建立水果收获机械的有限元模型；
设置所述水果与所述水果收获机械的运动参数，获取所述水果的受力与变形云图，以确定所述水果的损伤比例。
本发明实施例提供一种水果机械损伤仿真装置，所述装置包括：
获取模块，用于获取多个水果的三维数据和果皮测量数据、果肉测量数据、果核测量数据；
构建模块，用于根据所述多个水果的三维数据构建水果模型；
建立模块，用于对所述水果模型进行网格划分，并将所述果皮测量数据、所述果肉测量数据和所述果核测量数据添加到所述水果模型对应的网格中，建立水果收获机械的有限元模型；
确定模块，用于设置所述水果与所述水果收获机械的运动参数，获取所述水果的受力与变形云图，以确定所述水果的损伤比例。
一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述水果机械损伤仿真方法。
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述水果机械损伤仿真方法。
本发明提供一种水果机械损伤仿真方法、装置、计算机设备及存储介质，根据多个水果的三维数据构建水果模型，对水果模型进行网格划分，并将果皮测量数据、果肉测量数据和果核测量数据添加到水果模型对应的网格中，建立水果收获机械的有限元模型。即本发明在水果模型中对应的网格中赋予对应的物理特性(果皮测量数据、果肉测量数据、果核测量数据)，使水果模型与实际水果的物理特性非常接近，进而使仿真结果更接近于实际结果，准确性和参考性更高。通过对水果进行仿真分析，可大大节约水果收获机械研发时的水果损伤实验成本，缩短研发时间。
附图说明
图1为本申请第一实施例提供的水果机械损伤仿真方法流程图；
图2为本申请第二实施例提供的水果机械损伤仿真方法流程图；
图3为本申请第二实施例提供的构建水果模型方法流程图；
图4为本申请一个实施例提供的水果机械损伤仿真装置的结构框图；
图5为本申请一个实施例提供的计算机设备的一示意图。
具体实施方式
为了更好的理解上述技术方案，下面通过附图以及具体实施例对本申请实施例的技术方案做详细的说明，应当理解本申请实施例以及实施例中的具体特征是对本申请实施例技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
第一实施例
请参阅图1，所示为本发明第一实施例当中的水果机械损伤仿真方法，该方法可适用于苹果、桃子、梨等果皮厚度小于等于1mm、果皮与果肉紧密相连、果肉受冲击力大于等于20N时果肉即受损、具有果核区域的水果。所述方法具体包括步骤S10-步骤S40：
步骤S10，获取多个水果的三维数据和果皮测量数据、果肉测量数据、果核测量数据。
通过三维扫描仪获取同一品种所有水果的三维数据，所述三维数据包括所述水果的高度、中轴高度、上直径、中直径及下直径。上直径与下直径分别为水平面与水果高度方向上、下顶点相切位置的圆周最大直径，而中直径为水果横切面最大直径。
在本发明提供的一个实施例中，为了排除偏差值过大的数据，获得各部分合理的平均值。所述方法还包括：通过方差计算和偏差计算，删除所有水果中异常的所述三维数据、所述果皮测量数据、所述果肉测量数据和所述果核测量数据；对剩余的果皮测量数据、果肉测量数据和果核测量数据分别求平均值，得到所述三维数据、所述果皮测量数据、果肉测量数据、果核测量数据。
在本实施例中，将所测量的N个水果的高度、上直径、下直径、中轴高度的数据、果皮测量数据、果肉测量数据和果核测量数据，通过方差计算，删除各参数组中异常的数据。其方法具体步骤为：
(1)将N个水果数据进行正向排序，去除序列首尾各10％N个数据以排除过小与过大的数据，对剩余数据求平均值与方差值；
(2)若方差值极小，则取平均值为合理参数值；若方差值过大，则再去除剩余数据序列首尾各10％N个数据进行第二次数据收敛，对剩余数据再求平均值与方差值；
(3)若方差值极小，则取平均值为合理参数值；若方差值过大，则对剩余数据组中小于平均值的数据和大于平均值的数据分别求平均值A和B，则平均值A和B为合理参数值。(剩余参数值和物理特性参数值的平均值处理都采用这种方式)
具体的，所述果皮测量数据包括果皮的硬度、密度、弹性模量、泊松比、屈服强度、摩擦系数，所述果肉测量数据包括果肉的密度、泊松比、弹性模量、屈服强度，所述果核测量数据包括果核的密度、泊松比、弹性模量、屈服强度。
步骤S20，根据所述多个水果的三维数据构建水果模型。
在本实施例中，水果模型是根据同一品种的水果构建的，即获取大量的同一品种水果的三维数据，并依据的三维数据构建水果模型。
在本发明提供的一个实施例中，所述根据所述多个水果的三维数据构建水果模型，包括：
步骤S201，对所述多个水果的三维数据求平均值。
例如，对三维数据中的高度、中轴高度、上直径、中直径及下直径分别进行求平均值，然后在后续步骤中根据求得的平均值构建水果模型。
需要说明的是，为了保证构建的水果模型的准确性，因此需要多个水果的三维数据，然后根据这些水果的三维数据求得的平均值构建水果模型。
步骤S202，根据求得的平均值构建所述水果模型。
在本发明提供的一个实施例中，所述根据所述多个水果的三维数据构建水果模型，包括：
步骤S100，根据N个水果的三维数据构建N个子水果模型。
步骤S200，确定所述N个所述子水果模型的正态分布。
在采集大量数据的前提下，水果园所采集的水果尺寸数据服从正态分布规律，即所采集的M个水果中直径的数据存在一个值X占总数据的比例最高，而[a,b](b
此前提下，仿真试验中，选取中直径尺寸值X∈[X
设中直径为X的水果所占总量M的比例为Y
设中直径尺寸属于[X
取等间隔值W分割[X
而
步骤S300，根据所述子水果模型的正态分布确定所述水果模型。
对于一种水果收获机械，在对水果进行仿真时，是不需要对全部尺寸的水果进行仿真计算的，可以通过正态分布间隔选取特定尺寸，展开仿真研究。因此，本发明实施例根据N个水果的三维数据构建N个子水果模型，确定N个子水果模型的正态分布，根据子水果模型的正态分布确定水果模型。
在对大量水果统计其尺寸，统计的结果应该是符合正态分布规律的。拿10万个水果测量其直径举例，也就是某个直径时的水果数量最多，其直径大于或小于此直径时，数量会减少。同理在直径相同时，测量其他尺寸，总有一个值占相同直径水果的比例最高，就可以选择这个值作为代表值，当然也可以选择平均值作为代表值。在进行仿真时，就可以选择代表值和代表值左右的几个值构建水果模型进行仿真，不需要构建所有水果的模型。
步骤S30，对水果模型进行网格划分，并将果皮测量数据、果肉测量数据和果核测量数据添加到水果模型对应的网格中，建立水果收获机械的有限元模型。
在本发明实施例中，在对水果模型进行网格划分之后，根据网格对应于水果模型的位置将果皮测量数据、果肉测量数据和果核测量数据添加到水果模型对应的网格中。具体的，若网格的位置为水果模型中的果皮位置，则将果皮测量数据添加到该网格中；若网格的位置为水果模型中的果肉位置，则将果肉测量数据添加到该网格中；若网格的位置为水果模型中的果核位置，则将果核测量数据添加到该网格中。
步骤S40，设置所述水果与所述水果收获机械的运动参数，获取所述水果的受力与变形云图，以确定所述水果的损伤比例。
在本发明实施例中，设置水果与收获机械的运动参数，进行水果力学响应计算与分析，获取水果受力与变形云图，以此判断水果受损情况，获取水果损伤比例。
本发明提供一种水果机械损伤仿真方法，根据多个水果的三维数据构建水果模型，对水果模型进行网格划分，并将果皮测量数据、果肉测量数据和果核测量数据添加到水果模型对应的网格中，建立水果收获机械的有限元模型。即本发明在水果模型中对应的网格中赋予对应的物理特性(果皮测量数据、果肉测量数据、果核测量数据)，使水果模型与实际水果的物理特性非常接近，进而使仿真结果更接近于实际结果，准确性和参考性更高。通过对水果进行仿真分析，可大大节约水果收获机械研发时的水果损伤实验成本，缩短研发时间。
第二实施例
请参阅图2，所示为本发明第二实施例当中的水果机械损伤仿真方法，所述方法具体包括步骤S01-步骤S05：
步骤S01，获取多个水果的三维数据和果皮测量数据、果肉测量数据、果核测量数据。
在本发明提供的一个实施例中，为了排除偏差值过大的数据，获得各部分合理的平均值。所述方法还包括：通过方差计算和偏差计算，删除所有水果中异常的所述三维数据、所述果皮测量数据、所述果肉测量数据和所述果核测量数据；对剩余的果皮测量数据、果肉测量数据和果核测量数据分别求平均值，得到所述三维数据、所述果皮测量数据、果肉测量数据、果核测量数据。
具体的，所述果皮测量数据包括果皮的硬度、密度、弹性模量、泊松比、屈服强度、摩擦系数，所述果肉测量数据包括果肉的密度、泊松比、弹性模量、屈服强度，所述果核测量数据包括果核的密度、泊松比、弹性模量、屈服强度。
步骤S02，根据所述多个水果的三维数据构建水果模型。
在本发明提供的一个实施例中，如图3，所述根据所述多个水果的三维数据构建水果模型，包括：
步骤S021，获取中直径相同的水果的三维数据和区域测量数据。
其中，所述三维数据包括所述水果的高度、上直径、中直径及下直径。具体的，上直径与下直径分别为水平面与苹果高度方向上、下顶点相切位置的圆周最大直径，而中直径为苹果横切面最大直径。区域测量数据是对水果划分成不同区域之后，每个区域所对应的测量数据，如将水果划分成3个区域，分别为果皮、果肉、果核三部分，则区域测量数据具体可以为果皮厚度，果核直径、带有少量果肉的果核直径等，本发明实施例不做具体限定。
在本发明提供了一个实施例中，为了排除偏差值过大的数据，获得各部分合理的平均值。所述方法还包括：通过方差计算和偏差计算，删除所有水果中异常的区域测量数据；对剩余的所述区域测量数据分别求平均值，得到水果的区域测量数据。
在本实施例中，将所测量的N个水果的区域测量数据，通过方差计算，删除各参数组中异常的数据。其方法具体步骤为：
(1)将N个水果数据进行正向排序，去除序列首尾各10％N个数据以排除过小与过大的数据，对剩余数据求平均值与方差值；
(2)若方差值极小，则取平均值为合理参数值；若方差值过大，则再去除剩余数据序列首尾各10％N个数据进行第二次数据收敛，对剩余数据再求平均值与方差值；
(3)若方差值极小，则取平均值为合理参数值；若方差值过大，则对剩余数据组中小于平均值的数据和大于平均值的数据分别求平均值A和B，则平均值A和B为合理参数值。(剩余参数值和物理特性参数值的平均值处理都采用这种方式)
步骤S022，根据所述三维数据和所述区域测量数据，建立以所述中直径为基准的关联尺寸链。
其中，所述关联尺寸链中其他的数据都与所述中直径有比例关系；即水果其他数据的特征尺寸都与中直径有比例关系。在本实施例中，统计水果的高度、上直径、中直径及下直径的尺寸值，通过方差分析和偏差分析，排除偏差值过大的数据，进而获得各尺寸合理的平均值。以各尺寸合理的平均值和步骤S01中所确定的区域测量数据，建立以中直径为基准的关联尺寸链，然后在Solidworks软件中建立水果各部分的数字模型，并装配为一个整体，输出Step文件。
步骤S023，根据所述关联尺寸链构建所述水果模型。
其中，在所述区域测量数据包括果皮厚度、球直径和梭直径，所述根据所述关联尺寸链构建水果模型，包括：
步骤S0231，根据所述水果的高度、上直径、中直径及下直径，和所述果皮厚度、所述球直径、所述梭直径构建果皮模型、果肉模型和果核模型。
其中，高度、上直径、中直径及下直径，以及果皮厚度、球直径、梭直径分别为中直径相同的大量水果求得的平均值。
在实际场景中，果核区附近内层果肉的区域大约呈球形(球形对应的直径为球直径)，而果核区域大约呈梭形(梭形对应的直径为梭的短直径)，其球直径和梭直径的大小都可以测量得到，因此这两部分的体积及模型(内层果肉模型和果核区域模型)即可获得，进而外层果肉的体积和模型(果肉模型)也可以获得。尽管果核附近果肉体积的单位是立方，但其实是以球直径为基础的立方，而球直径则与中直径建立了比例关系。同理，果核区域的体积也可与中直径建立此比例关系。
为便于果肉模型的建立，将水果进行规则化处理，基于简化处理的水果截面，通过旋转拉伸方式，生成水果的理想对称模型。其中水果外轮廓由水果上、中、下直径，中轴高度(水果梗到苹果屁股的高度)，水果高度及多段非同心圆圆弧组合而成，水果外壳模型由水果外轮廓沿水果中轴旋转生成。
步骤S0232，对所述果皮模型、所述果肉模型和所述果核模型进行装配得到所述水果模型。
具体的，对所述果皮模型、所述果肉模型和所述果核模型进行组合装配得到所述水果模型。在本实施例中，在建模软件中提前建立可自动生成水果各部分模型并可自动装配好的功能模块，模块内具备已经采集好水果的关联尺寸链的数据库。
具体的，将Step文件(关联尺寸链)导入至Abaqus软件中建立水果模型，对水果模型进行网格划分，建立水果收获机械的有限元模型。
步骤S03，将所述果皮测量数据、所述果肉测量数据和所述果核测量数据分别添加到所述水果模型中对应的果皮模型、果肉模型和果核模型。
具体的，将果皮测量数据添加到水果模型中的果皮模型，将果皮测量数据添加到水果模型中的果皮模型，将果核测量数据添加到水果模型中的果核模型。
在本发明实施例中，将Step文件(关联尺寸链)导入至Abaqus软件中建立水果三维模型；通过统计的果皮测量数据、果肉测量数据、果核测量数据；将果皮测量数据、果肉测量数据和果核测量数据，建立水果各部分的材料类型及截面属性，并将截面属性赋予水果模型中的各部分，之后使用merge命令将水果各部分合成为一体。
步骤S04，对所述水果模型进行网格划分，建立水果收获机械的有限元模型；
步骤S05，设置所述水果与所述水果收获机械的运动参数，获取所述水果的受力与变形云图，以确定所述水果的损伤比例。
本发明实施例提供的一种水果机械损伤仿真，所建立的类苹果型水果有限元模型非常接近实际水果的构成，即本发明通过大量的数据采集建立实际水果尺寸、区域测量数据和水果三维尺寸的关联尺寸链，可建立数种尺寸的水果模型。水果有限元模型分多部分粘合建立，并分别赋予各部分物理特性(果皮测量数据、果肉测量数据、果核测量数据)，使水果模型与实际水果的物理特性非常接近，进而使仿真结果更接近于实际结果，准确性和参考性更高。通过对水果进行仿真分析，可大大节约水果收获机械研发时的水果损伤实验成本，缩短研发时间。
应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
在一实施例中，提供一种水果机械损伤仿真装置，该水果机械损伤仿真装置与上述实施例中水果机械损伤仿真方法一一对应。如图4所示，所述水果机械损伤仿真装置各功能模块详细说明如下所示：
获取模块10，用于获取多个水果的三维数据和果皮测量数据、果肉测量数据、果核测量数据；
构建模块20，用于根据所述多个水果的三维数据构建水果模型；
建立模块30，用于对所述水果模型进行网格划分，并将所述果皮测量数据、所述果肉测量数据和所述果核测量数据添加到所述水果模型对应的网格中，建立水果收获机械的有限元模型；
确定模块40，用于设置所述水果与所述水果收获机械的运动参数，获取所述水果的受力与变形云图，以确定所述水果的损伤比例。
具体的，所述建立模块30，包括：
对所述多个水果的三维数据求平均值；
根据求得的平均值构建所述水果模型。
具体的，所述建立模块30，包括：
根据N个水果的三维数据构建N个子水果模型；
确定所述N个所述子水果模型的正态分布；
根据所述子水果模型的正态分布确定所述水果模型。
具体的，所述建立模块30，包括：
获取单元，用于获取中直径相同的水果的三维数据和区域测量数据，所述三维数据包括所述水果的高度、上直径、中直径及下直径；
建立单元，用于根据所述三维数据和所述区域测量数据，建立以所述中直径为基准的关联尺寸链，所述关联尺寸链中其他的数据都与所述中直径有比例关系；
构建单元，用于根据所述关联尺寸链构建所述水果模型。
所述构建单元，具体用于根据所述水果的高度、上直径、中直径及下直径，和所述果皮厚度、所述球直径、所述梭直径构建果皮模型、果肉模型和果核模型；对所述果皮模型、所述果肉模型和所述果核模型进行装配得到所述水果模型。
进一步的，所述装置还包括：
添加模块50，用于将所述果皮测量数据、所述果肉测量数据和所述果核测量数据分别添加到所述水果模型中对应的果皮模型、果肉模型和果核模型。
删除模块60，用于通过方差计算和偏差计算，删除所有水果中异常的所述三维数据、所述果皮测量数据、所述果肉测量数据和所述果核测量数据；
计算模块70，用于对剩余的果皮测量数据、果肉测量数据和果核测量数据分别求平均值，得到所述三维数据、所述果皮测量数据、果肉测量数据、果核测量数据。
具体的，所述果皮测量数据包括果皮的硬度、密度、弹性模量、泊松比、屈服强度、摩擦系数，所述果肉测量数据包括果肉的密度、泊松比、弹性模量、屈服强度，所述果核测量数据包括果核的密度、泊松比、弹性模量、屈服强度。
关于水果机械损伤仿真装置的具体限定可以参见上文中对于水果机械损伤仿真方法的限定，在此不再赘述。上述设备中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
在一个实施例中，提供了一种计算机设备，该计算机设备可以是服务器，其内部结构图可以如图5所示。该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、网络接口和数据库。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统、计算机程序和数据库。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的网络接口用于与外部的终端通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现一种水果机械损伤仿真方法。
在一个实施例中，提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现以下步骤：
获取多个水果的三维数据和果皮测量数据、果肉测量数据、果核测量数据；
根据所述多个水果的三维数据构建水果模型；
对所述水果模型进行网格划分，并将所述果皮测量数据、所述果肉测量数据和所述果核测量数据添加到所述水果模型对应的网格中，建立水果收获机械的有限元模型；
设置所述水果与所述水果收获机械的运动参数，获取所述水果的受力与变形云图，以确定所述水果的损伤比例。
在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：
获取多个水果的三维数据和果皮测量数据、果肉测量数据、果核测量数据；
根据所述多个水果的三维数据构建水果模型；
对所述水果模型进行网格划分，并将所述果皮测量数据、所述果肉测量数据和所述果核测量数据添加到所述水果模型对应的网格中，建立水果收获机械的有限元模型；
设置所述水果与所述水果收获机械的运动参数，获取所述水果的受力与变形云图，以确定所述水果的损伤比例。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(RAM)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、双数据率SDRAM(DDRSDRAM)、增强型SDRAM(ESDRAM)、同步链路(Synchlink)DRAM(SLDRAM)、存储器总线(Rambus)直接RAM(RDRAM)、直接存储器总线动态RAM(DRDRAM)、以及存储器总线动态RAM(RDRAM)等。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。
机译： 测试场景仿真方法和装置，计算机设备和存储介质
机译： 驾驶仿真方法和装置，电子设备和计算机存储介质
机译： 驾驶仿真方法和装置，电子设备和计算机存储介质
