面向振動(dòng)采收的果樹干三維重建方法及其動(dòng)力學(xué)特性研究.pdf

1、本文的研究對(duì)象是山核桃樹(CaryacathayensisSarg.)，由于山核桃的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高，隨著生活水平的不斷提高，人們對(duì)山核桃消費(fèi)的需求持續(xù)增長(zhǎng)。但山核桃樹生長(zhǎng)在陡峭的山坡，樹高普遍超過8m，因此人工采摘山核桃具有很高的危險(xiǎn)性。機(jī)械式振動(dòng)采摘山核桃是一種行之有效的方法，它不僅能提高果實(shí)的采摘效率，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，更重要的是能保證果農(nóng)的人身安全。衡量果實(shí)采摘機(jī)械工作性能的重要依據(jù)是果實(shí)的采摘率。但由于果樹種植環(huán)境、果實(shí)品種和果樹個(gè)體的

2、差異，對(duì)提升果實(shí)采摘機(jī)械的性能增添了難度，同時(shí)也限制了果實(shí)采摘機(jī)械在生產(chǎn)上的應(yīng)用和發(fā)展。
　　解決上述問題的有效辦法就是采用自適應(yīng)采摘方式。本文圍繞果樹個(gè)體結(jié)構(gòu)描述和果樹動(dòng)力學(xué)分析，研究了基于立體視覺的果樹振動(dòng)力學(xué)參數(shù)辨識(shí)的相關(guān)理論和方法。首先研究了果樹枝干的結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料特性，然后應(yīng)用立體視覺技術(shù)從兩幅圖像中重建果樹的三維枝干，最后把重建的枝干模型應(yīng)用到動(dòng)力學(xué)仿真，再結(jié)合動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)獲得果樹個(gè)體的動(dòng)力學(xué)特性。本文的主要研究?jī)?nèi)容和成

3、果如下:
　　1)手工測(cè)量山核桃樹枝干的幾何參數(shù)，得到截面長(zhǎng)/短軸的比例約為1.06，無結(jié)點(diǎn)枝干的直徑和長(zhǎng)度之間呈負(fù)線性關(guān)系，因此可以把山核桃樹枝干認(rèn)為是直徑隨長(zhǎng)度線性變化的圓形截面梁。用懸臂梁振動(dòng)試驗(yàn)測(cè)量用于動(dòng)力學(xué)分析的山核桃樹枝干的彈性模量Ev，比較發(fā)現(xiàn)通過測(cè)量應(yīng)力波的傳播速度估計(jì)彈性模量Ev的方法是不可行的。
　　2)提出一種基于掃描線的動(dòng)態(tài)跟蹤技術(shù)提取圖像中復(fù)雜背景下果樹枝干輪廓的方法。掃描線的動(dòng)態(tài)跟蹤分為啟發(fā)式的掃

4、描線搜索和基于梯度二階導(dǎo)數(shù)過零點(diǎn)的掃描線端點(diǎn)的更新。應(yīng)用“蛇形帶狀”(Ribbonsnake)技術(shù)精細(xì)化輪廓，獲得更加光順、準(zhǔn)確的枝干雙輪廓，進(jìn)而提取枝干區(qū)域。根據(jù)細(xì)化得到的枝干骨架，提出用圖論中的二叉樹結(jié)構(gòu)描述果樹枝干的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)?；谥Ω蛇吘壍倪B續(xù)性和寬度的一致性分別修復(fù)分叉點(diǎn)和交叉點(diǎn)附近區(qū)域的枝干骨架線。
　　3)提出一種改進(jìn)的空間點(diǎn)三維重建的幾何方法。應(yīng)用該方法，以最小化反投影誤差為目標(biāo)，分兩步快速優(yōu)化基于本質(zhì)矩陣估計(jì)的相機(jī)

5、外參數(shù)。結(jié)合極線約束、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和形狀匹配技術(shù)實(shí)現(xiàn)雙視圖中枝干骨架線的對(duì)應(yīng)。首先用動(dòng)態(tài)規(guī)劃技術(shù)搜索同名骨架線上的對(duì)應(yīng)點(diǎn)對(duì)，然后用共軛梯度法精細(xì)化。
　　4)以曲線為基元重建枝干的三維骨架線，提出評(píng)價(jià)空間曲線三維重建性能的2個(gè)重要指標(biāo):重建曲線的反投影誤差和重建曲線的光順性。根據(jù)這兩個(gè)指標(biāo)提出一種基于曲率無窮范數(shù)約束的空間曲線的三維重建方法。將該方法成功地應(yīng)用于模擬曲線、圓柱相貫線和枝干骨架線，從而驗(yàn)證了方法的可行性。模擬曲線的重建結(jié)

6、果顯示提出的曲線重建方法的重建誤差約為三角測(cè)量法的1/7，表明該方法明顯優(yōu)于三角測(cè)量法。分析發(fā)現(xiàn)重建誤差隨著噪聲水平的提高而緩慢增大，但并不明顯依賴于最大曲率閾值κmax，表明方法具有較強(qiáng)的自適應(yīng)性和一定的抗干擾能力。圓柱相貫線的重建實(shí)例顯示重建的曲線在XY平面投影的相對(duì)誤差僅為2.89％，表明提出的曲線三維重建方法具有比較高的精度。應(yīng)用植物學(xué)的營(yíng)養(yǎng)管道輸送模型，用線性方程參數(shù)化枝干的半徑。最后以兩棵不同山核桃樹為對(duì)象實(shí)現(xiàn)其枝干的三維重

7、建，重建的枝干在視覺上非常接近真實(shí)的果樹。重建的枝干半徑同手工測(cè)量值之間的相對(duì)誤差小于4％，表明重建的山核桃樹枝干具有較高的精度。
　　5)應(yīng)用拉格朗日方程，建立基于物理?xiàng)U的果樹枝干的動(dòng)力學(xué)模型。分析帶2分枝和帶3分枝果樹的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)分枝運(yùn)動(dòng)和樹干運(yùn)動(dòng)之間存在一定的獨(dú)立性，系統(tǒng)第1階共振頻率隨著分枝的增加而減小。以三維梁為單元，在歐拉-伯努利(Euler-Bernoulli)梁理論的基礎(chǔ)上建立果樹枝干的有限元?jiǎng)恿W(xué)模型，并

8、應(yīng)用ANSYS軟件進(jìn)行果樹枝干的模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析。分析結(jié)果顯示不同分枝的運(yùn)動(dòng)存在明顯差異，因此很難找到一種簡(jiǎn)單的振動(dòng)方式使所有的分枝都能有效地振動(dòng)起來。在諧響應(yīng)分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)只要激振方向垂直于枝干，其它兩個(gè)方向?qū)铀俣软憫?yīng)的影響都比較小。提出一種用多方向組合力的激振方式，它能同時(shí)激發(fā)大多數(shù)分枝有效地振動(dòng)，因此能獲得比單一激振力更好的振動(dòng)效果。模擬分析果樹枝干半徑的精度對(duì)動(dòng)力學(xué)特性的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)模型精度的相對(duì)誤差小于5