基于高速摄像技术的振动落果惯性力研究

基于高速摄像技术的振动落果惯性力研究
蔡菲;王春耀;王学农;蒋维栋;李彦峰
【摘要】[目的]研究果实在激振力作用下脱离枝干的运动规律、果实振动脱落时的加速度和脱落惯性力,为振动式果品收获机的研制提供理论依据.[方法]运用果树振动装置进行了杏果侧枝振动落果试验,采用高速摄像仪对分离过程进行了跟踪拍摄,通过Phantom控制软件对图像进行跟踪、捕捉、分析和计算,探寻杏果实在脱离枝干过程中瞬时速度的变化规律.[结果]杏果实脱离枝干过程中瞬时速度的变化表现为增大-减小-匀速运动-杏果实与枝干完全分离,杏果实与所在枝干的相对瞬时速度最大达到1.723 m/s,杏果实的脱落加速度最大为4.270×102 m/s2,脱落惯性力最大为5.124 N.[结论]脱落惯性力是杏果实脱离枝干所需的最小作用力,其是确定振动式果品收获机在收获果实的过程中作用于枝干激振力大小的理论依据,也是振动式果品收获机其他性能指标的理论参考.确定适当的激振力,可以保证振动式果品收获机在采收过程中果实的采净率高,同时对果树的损伤最小.
【期刊名称】《西北农林科技大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2013(041)004
【总页数】5页(P208-212)
【关键词】振动式果品收获机;振动脱落;脱落惯性力;加速度;高速摄像仪;Phantom 控制软件
【作者】蔡菲;王春耀;王学农;蒋维栋;李彦峰
【作者单位】新疆大学机械工程学院,新疆乌鲁木齐830047;新疆大学机械工程学院,新疆乌鲁木齐830047;新疆农业科学院农业机械化研究所,新疆乌鲁木齐
830091;新疆大学机械工程学院,新疆乌鲁木齐830047;新疆大学机械工程学院,新
疆乌鲁木齐830047
【正文语种】中文
【中图分类】S225.93
从20世纪60年代起，振动式果品收获机正越来越广泛地应用于多种果品的采收
过程中[1-3]。

国外对此类收获机的研制已经应用到实际生产中[4-6]。

然而，目前针对我国自身的果品种植环境，国内对果品的收获方式主要靠人工采摘和借助简单工具辅助完成,如云梯、采果刀和棍棒敲击等[7]，对振动式果品收获机的研制正处
于理论探索阶段，试验用收获机在实际收获过程中存在诸多的技术问题[8-9]。

其
中振动采收过程中果品的运动规律及脱落惯性力的研究尚不充分，而该研究结果是保证振动式果品收获机性能指标的一个重要理论参考[10-11]。

因此，本研究采用
高速摄像技术及果树振动装置，以杏果实为对象，对杏果树侧枝振动落果试验进行了研究，分析了杏果实在振动脱落过程中的运动规律，计算出杏果实在振动脱落时的加速度和脱落惯性力，以期为振动式果品收获机的研制提供理论依据。

1 试验仪器及简介
试验仪器及设备有高速摄像仪、Phantom控制软件、激振器、天平、钢尺、卷尺、游标卡尺、记号笔等。

1.1 高速摄像仪
高速摄像仪由美国Vision Research公司生产，型号为NI1744，其分辨率可调，最高可达1 600×1 200，最大分辨率下的帧频达1 000 Hz，低分辨率下的帧频达160 000 Hz。

可以调节曝光时间，以提供一个最大的光成像调节范围，曝光时间
可以以1 μs 的调节量与外部事物及其他摄像机同步。

本次拍摄过程中，拍摄角度
与主振动面垂直，拍摄距离3～5 m。

1.2 Phantom控制软件
Phantom控制软件用来对采集的影像或图像文件进行后续的分析处理，软件中“Distance and speed”选项下的2-points选项，用于测量1张图像中1个目标相对于其在任何1张后续图像中新位置的运动距离以及速度矢量。

1.3 激振器
激振器型号为06s530-B，转速8 000 r/min，功率2 100 W，试验中激振参数设定为恒值。

2 试验条件及过程
2.1 试验条件
试验地点为新疆轮台县杏果基地，试验时间为2011-06-10-06-28，所选杏果品种为新疆小白杏，树龄6～8年。

2.2 试验过程
首先选择成熟度较合适的杏树为试验对象，然后对杏果实进行分组编号，同时标记捕捉点，以便在Phantom控制软件中进行后续跟踪、分析。

其次在侧枝上安置激振器，当枝干受到激振力作用强迫振动时，杏果实也被迫振动。

杏果实沿一定方向进行往复摆动，作用一定时间后，杏果实的果柄与枝干最弱的连接处发生断裂，杏果实被甩出。

3 试验图片采集
图1为Phantom控制软件工作界面、激振源以及比例尺。

图2为其中一组试验样本及试验标号。

图3为高速摄像仪(帧频达1 000 Hz)拍摄的某一杏果实果柄与所在枝干完全分离时刻到前12 ms期间的分离过程。

从图3中的标记线(黑色实线)可以清楚地看到杏果实与所在枝干分离过程中的运动规律。

图1 Phantom控制软件工作界面Fig.1 Phantom control software workspace
图2 某一组杏果实及其编号Fig.2 One group of apricots with serial numbers 图3 杏果实果柄与所在枝干的分离过程A.脱落前12 ms；b.脱落前10 ms；c.脱落前8 ms；d.脱落前6 ms；e.脱落前4 ms；f.脱落前2 ms；g.脱落Fig.3 Separation process of apricots carpopodium from the corresponding branchesA.12 ms before falling off；b.10 ms before falling off；c.8 ms before falling off；d.6 ms before falling off；e.4 ms before falling off；f.2 ms before falling off；g.Falling off
4 数据的整理、分析与计算
4.1 分离过程瞬时速度分析及其变化规律
4.1.1 杏果实与所在枝干对比统计数据并剔除非必要数据，整理出5组(每组10个杏子取平均值)杏果实与所在枝干分离过程的瞬时速度数据，将数据绘制为瞬时速度变化曲线图(图4)，以更清楚地揭示杏果实与所在枝干之间的相对运动，为后续脱落加速度、脱落惯性力的计算奠定基础。

图4 5组杏果实与所在枝干瞬时速度的对比Fig.4 Comparison of instantaneous velocities between 5 groups of apricots
由图4可知，杏果实与所在枝干分离过程瞬时速度的变化规律可以分为3个阶段来分析。

第1阶段：横坐标对应的前18～12 ms(杏1和杏2)或前14～10 ms(杏3、4、5)，杏果实与所在枝干瞬时速度变化趋于一致，二者瞬时速度逐渐增大，且相对瞬时速度很小，故相对运动很小；第2阶段：前12～6 ms(杏1和杏2)或前10～6 ms(杏3、4、5)，此阶段杏果实与所在枝干二者的瞬时速度变化规律正好相反，前10 ms(杏1和杏2)或前8 ms(杏3、4、5)，杏果实的瞬时速度出现极大值，而此时所在枝干的瞬时速度为极小值，相对瞬时速度最大值达1.723 m/s；第3阶段：前6～2 ms，杏果实与所在枝干的瞬时速度变化又趋于一致，且相对瞬时速度较小，但此阶段的相对瞬时速度大于阶段1中二者的相对瞬时速度，故
二者的相对运动较阶段1大。

由以上结果可知，阶段1中的杏果实随所在枝干一起运动但相对瞬时速度很小，
故果柄横截面未出现裂纹；阶段2中二者的瞬时速度变化规律正好相反，且相对
瞬时速度出现峰值，故果柄在此阶段真正断裂，果柄横截面出现裂纹；阶段3中
二者的瞬时速度变化又趋于一致，且相对瞬时速度较小，故裂纹扩散直至完全分离。

前4～2 ms，杏3、4、5所在枝干瞬时速度突增，表明此时刻果柄与所在枝干已
经完全分离。

4.1.2 杏果实运动规律为便于比较，将5组数据中杏果实的瞬时速度绘制在图5中。

根据图5中瞬时速度的变化将杏果实的运动规律分3个阶段进行分析。

第1
阶段：横坐标对应的前18～10 ms(杏1、2)或前14～8 ms(杏3、4、5)，杏果实瞬时速度线性增加；第2阶段：前10～6 ms(杏1、2)或前8～6 ms(杏3、4、5)，杏果实瞬时速度出现峰值，最高达2.023 m/s，其中杏1和杏2均在完全脱离前
10 ms瞬时速度达到最大并出现突降，其余都在前8 ms时瞬时速度达到最大并出现突降；第3阶段：杏果实完全脱离前6～2 ms，瞬时速度变化很小，为
0.904～1.178 m/s，趋于匀速运动。

由图5可以看出，5组杏果实在振动脱落过程中瞬时速度的变化规律较为相似：在阶段1中，杏果实随所在枝干一起做加速运动；在阶段2中，杏果实瞬时速度达
到峰值，由图4可知，在杏果实瞬时速度达峰值时，其与所在枝干的相对瞬时速
度达到最大，果柄裂纹出现，杏果实与枝干的分离实质发生在这一阶段；在阶段3中，杏果实匀速运动但与所在枝干有相对运动，故裂纹扩散直至完全分离。

图5 5组杏果实完全脱落前瞬时速度的变化Fig.5 The instantaneous velocity changes of 5 groups of apricots before falling off completely
综上所述，由于杏果实与所在枝干有相对运动，同时杏果实具有一定的质量，故杏果实与枝干的分离是脱落惯性力所致。

图4、5反映的运动规律表明，横坐标对应
的前10 ms(杏1和杏2)或前8 ms(杏3、4、5)，杏果实与所在枝干的相对瞬时速度出现极大值时果柄裂纹出现，即果柄真正断裂，表明此刻果实的脱落惯性力大于果柄与所在枝干的结合力，故依此刻来计算杏果实加速度与脱落惯性力。

4.2 杏果实加速度与脱落惯性力的计算
4.2.1 杏果实加速度在杏果实振动脱落过程中，高速摄像仪拍摄的参考物为大地。

振动式果品收获机的作用力直接作用在侧枝上，杏果实相对于枝干运动。

因此，在非惯性参考系下，杏果实由于惯性力的作用而与所在枝干分离，相对瞬时速度的变化是计算杏果实脱落加速度的依据。

杏果实的加速度是速度变化量与发生这一变化所用时间的比值(Δv/Δt)，是描述物体速度改变快慢的物理量，通常用a(m/s2)表示，其计算公式为：
a=(v2-v1)/Δt。

式中：v2为杏果实峰值处的瞬时速度，m/s；v1为峰值处前一时刻或后一时刻的瞬时速度(依据加速度最大原则确定)，m/s；Δt为时间间隔，ms。

相对于杏果实的加速度，所在枝干的加速度计算数值选择前一时刻段(如图4中杏1，依据加速度最大原则，v2、v1数值为横坐标10 ms、8 ms所对应的瞬时速度值，那么所在枝干加速度计算数值就选择12 ms、10 ms所对应的瞬时速度值)，以便更清楚地表明惯性作用对杏果实脱落时的影响。

4.2.2 杏果实脱落惯性力在非惯性参考系下，惯性力的计算符合牛顿三大定律。

根据杏果实加速度，杏果实的脱落惯性力为加速度与质量的乘积，即：
F=-ma。

式中：m为杏果实的质量，kg；a为加速度，m/s2。

根据图4、图5数据计算杏果实的加速度及脱落惯性力，结果如表1所示。

表1 杏果实的加速度与脱落惯性力Table 1 Acceleration and shedding inertial force of apricots杏果实编号Apricotsnumber平均质量/kgAveragequality平
均尺寸/mmAveragesize杏果实加速度/(m·s-2)Accelerationofapricots杏果实惯性力/NApricotsinertiaforce所在枝干加速度/(m·s-
2)Accelerationofthecorrespondingbranches10．01226．71×26．48×26．5 84．270×1025．1243．900×10220．01429．01×28．14×27．131．270×1 021．7781．240×10230．01428．45×28．37×28．482．270×1023．1782．200×10240．01225．95×26．80×26．152．260×1022．7122．210×102 50．01127．18×26．03×26．453．870×1024．2573．700×102
由表1可知，所在枝干加速度越大，杏果实的加速度就越大，脱落时所受的脱落惯性力也越大，振动式果品收获机作用在枝干上的激振力也就越大；杏果实加速度大于所在枝干加速度，更充分说明杏果实与所在枝干之间有相对运动。

5 结论
本试验运用高速摄像仪对杏果实与所在枝干的分离过程进行了详细跟踪，ms级的时间分割，保证了试验过程的精密性及获得数据的准确性。

杏果实与所在枝干相对瞬时速度变化的规律性以及杏果实在振动脱落过程中瞬时速度变化规律的相似性，说明了数据处理过程的正确性，以及所得结论的可靠性。

本试验得出的脱落惯性力是杏果实脱离枝干所需的最小作用力，该力是确定振动式果品收获机在收获果实过程中作用在枝干上激振力大小的理论依据，也是振动式果品收获机其他性能指标设计的理论参考。

选择适当的激振力，可以保证振动式果品收获机在采收过程中，达到果实采净率高、同时对果树损伤最小的目的。

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