面向振動采收的果樹干三維重建方法及其動力學(xué)特性研究.pdf

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

2、差異，對提升果實采摘機械的性能增添了難度，同時也限制了果實采摘機械在生產(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。本文圍繞果樹個體結(jié)構(gòu)描述和果樹動力學(xué)分析，研究了基于立體視覺的果樹振動力學(xué)參數(shù)辨識的相關(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)用到動力學(xué)仿真，再結(jié)合動力學(xué)試驗獲得果樹個體的動力學(xué)特性。本文的主要研究內(nèi)容和成

3、果如下:
　　1)手工測量山核桃樹枝干的幾何參數(shù)，得到截面長/短軸的比例約為1.06，無結(jié)點枝干的直徑和長度之間呈負(fù)線性關(guān)系，因此可以把山核桃樹枝干認(rèn)為是直徑隨長度線性變化的圓形截面梁。用懸臂梁振動試驗測量用于動力學(xué)分析的山核桃樹枝干的彈性模量Ev，比較發(fā)現(xiàn)通過測量應(yīng)力波的傳播速度估計彈性模量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)過零點的掃描線端點的更新。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)。基于枝干邊緣的連續(xù)性和寬度的一致性分別修復(fù)分叉點和交叉點附近區(qū)域的枝干骨架線。
　　3)提出一種改進的空間點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)矩陣估計的相機

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)實現(xiàn)雙視圖中枝干骨架線的對應(yīng)。首先用動態(tài)規(guī)劃技術(shù)搜索同名骨架線上的對應(yīng)點對，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，提出評價空間曲線三維重建性能的2個重要指標(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量法的1/7，表明該方法明顯優(yōu)于三角測量法。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，表明方法具有較強的自適應(yīng)性和一定的抗干擾能力。圓柱相貫線的重建實例顯示重建的曲線在XY平面投影的相對誤差僅為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象實現(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的果樹。重建的枝干半徑同手工測量值之間的相對誤差小于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，建立基于物理桿的果樹枝干的動力學(xué)模型。分析帶2分枝和帶3分枝果樹的動態(tài)響應(yīng)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)分枝運動和樹干運動之間存在一定的獨立性，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動力學(xué)模型，并

8、應(yīng)用ANSYS軟件進行果樹枝干的模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析。分析結(jié)果顯示不同分枝的運動存在明顯差異，因此很難找到一種簡單的振動方式使所有的分枝都能有效地振動起來。在諧響應(yīng)分析的基礎(chǔ)上，進一步分析發(fā)現(xiàn)只要激振方向垂直于枝干，其它兩個方向?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，它能同時激發(fā)大多數(shù)分枝有效地振動，因此能獲得比單一激振力更好的振動效果。模擬分析果樹枝干半徑的精度對動力學(xué)特性的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)模型精度的相對誤差小于5