[发明专利]一种有果有叶果树振动模型的构建方法有效

专利信息
申请号: 202010055843.7 申请日: 2020-01-17
公开(公告)号: CN111241739B 公开(公告)日: 2023-06-23
发明(设计)人: 许林云;刘冠华;宣言;周宏平;周杰;韩元顺 申请(专利权)人: 南京林业大学
主分类号: G06F30/23 分类号: G06F30/23;G06F17/13;G06F17/16
代理公司: 南京乐羽知行专利代理事务所(普通合伙) 32326 代理人: 孙承尧
地址: 210037 江*** 国省代码: 江苏;32
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摘要:
搜索关键词: 一种 有果有叶 果树 振动 模型 构建 方法
【说明书】:

发明公开了一种有果有叶果树振动模型的构建方法,步骤如下:通过激光扫描设备对果树枝杆进行扫描,获取果树枝杆的点云信息;以获取的果树点云信息为基础,提取果树枝杆的骨架点、骨架点处果树半径、骨架点之间的拓扑关系;将两个具有相邻拓扑关系的骨架点作为空间圆柱梁单元的两个节点构成一个空间圆柱梁单元,多个空间圆柱梁单元按照拓扑关系依次连接而成果树枝干振动模型;通过统计的方式获得果实和树叶在果树上的分布规律;E、将果树枝干振动模型、果实和树叶在果树上的分布规律相结合,获得有果有叶果树振动模型。本发明通过将激光扫描技术与有限元法相结合构建振动模型,并采用振动模型计算果树的固有频率,更适用于果园精确振动采收。

技术领域

本发明涉及农林业果树采收领域,具体地说是一种有果有叶果树振动模型的构建方法。

背景技术

林果采收作业是林果生产中最耗时、最费力的一个环节,对于红枣、核桃、银杏等干果类林果,目前最有效的采收方式是机械振动收获,其振动采收机械的采收效果与多种因素有关,包括果树的生长特性和机械振动的工作参数。以往国内外学者通过建立树干和树枝振动的简化力学模型研究果树振动,近年来许多学者利用三维建模与有限元法对果树进行模态和振动响应分析。但传统的建模方式只适合将复杂多形态的果树极大简化后建模,有限元建模方法虽可构建与复杂形态果树的模型,但现有的建模方法均忽略了树叶和果实对果树的影响,而理论模型应对与实际复杂形态果树较一致的有果有叶果树建模才有实际应用价值及指导意义。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的问题,提供一种有果有叶果树振动模型的构建方法;该构建方法通过将激光扫描技术与有限元法相结合,针对林果振动采收领域中对果树模态特性的研究,能够较好地计算果树的模态特性,并根据振动模型计算任意一颗果树的固有频率,更适用于果园精确振动采收。

本发明的目的是通过以下技术方案解决的:

一种有果有叶果树振动模型的构建方法,其特征在于:该构建方法步骤如下:

A、通过激光扫描设备对果树枝杆进行扫描,获取果树枝杆的点云信息;

B、以获取的果树点云信息为基础,提取果树枝杆的骨架点、骨架点处果树半径、骨架点之间的拓扑关系;

C、将两个具有相邻拓扑关系的骨架点作为空间圆柱梁单元的两个节点构成一个空间圆柱梁单元,多个空间圆柱梁单元按照拓扑关系依次连接而成果树枝干振动模型;

D、通过统计的方式获得果实和树叶在果树上的分布规律;

E、将步骤C中的果树枝干振动模型和步骤D中的果实和树叶在果树上的分布规律相结合,获得有果有叶果树振动模型。

所述步骤A中的果树枝杆为无果无叶的果树枝干,最佳方案为采用无果无叶的果树枝干采取的点云信息最为清楚明确;实质上,采用激光扫描设备对有果有叶的果树枝杆进行扫描,也能获取果树枝杆的点云信息。

因为,果树在小变形振动下为线性振动,可将果树的振动视为空间刚体振动,故所述步骤E中的有果有叶果树振动模型是将机械振动理论中的三维空间圆柱梁结构有阻尼一般振动微分方程应用于果树,形成果树振动微分方程:

式(1)中,[K]、[C]和[M]分别为果树的刚度矩阵、阻尼矩阵和质量矩阵;果树的质量矩阵[M]由树枝质量矩阵[Mz]、树叶质量矩阵[My]和果实质量矩阵[Mg]三部分构成;果树的刚度矩阵[K]由树枝刚度矩阵构成;{u}分别为骨架点的加速度向量、速度向量和位移向量;{p(t)}为激励力向量。

所述步骤C中的果树枝干振动模型依据有限元理论得到6自由度空间圆柱梁单元的质量矩阵和刚度矩阵,即树枝质量矩阵[Mz]和果树的刚度矩阵[K]:

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