CN105869187A - 基于Micro-CT的穴盘苗夹取结构损伤行为检测方法和装置 - Google Patents

基于Micro-CT的穴盘苗夹取结构损伤行为检测方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明属于农业机械领域的一种基于Micro‑CT的穴盘苗夹取结构损伤行为检测方法和装置，所述装置包括计算机单元、夹取单元、Micro‑CT系统和箱体；所述方法包括试样穴盘苗钵体CT剖面图采集步骤、图像处理步骤、CT剖面图三维重建步骤、夹取步骤和分析对比步骤；首先对试样穴盘苗钵体进行Micro‑CT扫描，得到样本苗钵体原生缝隙信息，接着利用Micro‑CT监测夹取过程中样本苗钵体内部结构变化，最后比对夹取前后样本苗钵体原生、新生缝隙变化情况，表达出穴盘苗受夹取作用的钵体结构损伤行为。可研究不同夹取形式下苗钵结构体内部结构形态和变形的变化规律、结构体内部破损的形成过程和损伤程度，探索出苗钵受夹持和提取作用而引起的结构损伤机理。

Description

基于Micro-CT的穴盘苗夹取结构损伤行为检测方法和装置
技术领域
本发明属于农业机械领域，尤其涉及一种基于Micro-CT的穴盘苗夹取结构损伤行为检测方法和装置。
背景技术
穴盘育苗移栽，是蔬菜、花卉等生产过程中一个重要技术环节，具有对气候的补偿作用和使作物生育提早的综合效益，其经济效益和社会效益均非常可观。随着育苗技术的发展，以及劳动力成本的上升，推动了移栽机械的研制开发工作。对自动移载机的设计主要集中在取苗机构结构、参数优化方面。如俞高红等研发了一种椭圆齿轮行星轮系蔬菜钵苗自动移栽机构，申请号：201010104378.8；毛罕平等设计了一种穴盘苗自动移栽机，申请号：201110360058.3；俞亚新等建立了椭圆-不完全非圆齿轮行星系蔬菜钵苗取苗机构的运动学模型及优化目标函数，运用参数导引优化方法，通过Visual Basic可视化平台开发了取苗机构运动学优化软件，这些研究工作为我国开启蔬菜穴盘苗自动移载机作出了重要贡献。
然而，穴盘苗钵是一种有生命的苗根、基质、水、气构成的柔性、多相、多孔、复合材料结构体，生长在状如倒金字塔的穴孔里，而育苗的基质是泥炭、蛭石与珍珠岩按一定比例混合而成。夹持苗钵哪个部位不伤根、不伤茎，夹取针插入多深、闭合横向位移多少才不引起苗钵结构体内部破损，苗钵这种复杂结构体在夹取过程中结构是如何变化的，结构体内部破损的过程是如何形成的，这些问题更是不得而知。为了实现穴盘苗自动高效移栽，需要进一步掌握穴盘苗夹取作用和损伤行为之间的关系，为自动移栽机取苗机构设计提供理论基础。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中的不足，提供一种基于Micro-CT的穴盘苗夹取结构损伤行为检测方法和装置，用于研究不同夹取形式下苗钵结构体内部结构形态和变形的变化规律、结构体内部破损的形成过程和损伤程度。
本发明的技术方案是：一种基于Micro-CT的穴盘苗夹取结构损伤行为检测方法，包括以下步骤：
S1、试样穴盘苗钵体CT剖面图采集步骤：将穴盘苗试样放置于Micro-CT系统的工作转台上，Micro-CT系统对试样穴盘苗钵体进行Micro-CT扫描，获得样本苗钵体n张CT剖面图并将图片到计算机单元；
S2、图像处理步骤：通过计算机单元选取不同层切面的CT剖面图进行图像分析，得到样本苗钵体孔隙结构图，对孔隙结构图进行像素面积统计计算，得到样本苗钵体原生缝隙的大小、以及位置和形状；
S3、CT剖面图三维重建步骤：通过计算机单元将扫描到的样本苗钵体CT剖面图进行三维重建，绘制出样本苗钵体原生缝隙在三维空间中的随机分布情况；
S4、夹取步骤：计算机单元通过夹取控制器控制夹取器对样本苗钵体施加夹取作用，再通过Micro-CT系统对样本苗钵体进行Micro-CT扫描，获得夹取过程中样本苗钵体原生缝隙的变化和新生裂缝的产生位置、扩展方向和扩展大小；
S5、分析对比步骤：将样本苗钵体夹取前和夹取后的原生缝隙进行比对，得到夹取作用对样本苗钵体原生结构的影响，对夹取过程中样本苗钵体的新生裂缝进行描绘，得到样本苗钵体内部裂缝的新生规律和压亏的形成过程，综合夹取过程中样本苗钵体原生结构变形、新生裂缝形态和压亏形式，表达出穴盘苗受夹取作用的钵体结构损伤行为。
上述方案中，所述步骤S1中对试样穴盘苗钵体进行Micro-CT扫描具体为：Micro-CT系统的射线控制器接收来自计算机单元发出的控制指令，并控制工作转台旋转合适的角度，同时控制X射线源打开，工作转台上承载的穴盘苗投影落在数字平板探测器上。
上述方案中，所述步骤S2中的图像分析包括去背景、降噪、量化、滤波增强图像和分割图像。
上述方案中，所述步骤S3中的三维重建是基于Micro-CT剖面图的面重建算法来构建三维图形的。
上述方案中，所述步骤S4中夹取过程中样本苗钵体原生缝隙的变化包括孔隙面积受压减小、充实孔隙、撕裂孔隙、扭曲孔隙。
一种实施所述基于Micro-CT的穴盘苗夹取结构损伤行为检测方法的装置，包括计算机单元、夹取单元、Micro-CT系统和箱体；
所述夹取单元包括夹取控制器和夹取器；所述夹取器安装在所述箱体的内部；所述夹取控制器的输入端与计算机单元电连接，输出端与夹取器电相连，夹取控制器接收来自计算机单元发出的对夹取器的控制指令，并向夹取器发出驱动控制命令；所述Micro-CT系统位于所述的箱体内，所述Micro-CT系统包括射线控制器、X射线源、工作转台和数字平板探测器；所述射线控制器的输入端与计算机单元电连接，输出端分别与X射线源和工作转台电相连；所述射线控制器接收来自计算机单元发出的控制指令，并向X射线源和工作转台发出驱动控制命令，所述数字平板探测器和工作转台分别位于夹取器的正上方和正下方，且数字平板探测器和工作转台位于X射线源的投射区域面，所述工作转台上承载的穴盘苗投影落在数字平板探测器上，所述数字平板探测器与计算机单元电相连，将探测到的数据传输给计算机单元内的系统软件进行处理。
上述方案中，所述夹取器接触钵体部分的材料为非金属材料制成。
上述方案中，所述Micro-CT系统的射线分辨率为5～80μm。
上述方案中，所述箱体由防辐射材料制成。
上述方案中，所述工作转台在射线控制器控制下可360°旋转。
有益效果：本发明提供的一种基于Micro-CT的穴盘苗夹取结构损伤行为检测方法和装置，通过Micro-CT扫描测试对象，实现对象内部结构显微图像的三维重建、结构形态参数的提取，可研究不同夹取形式下苗钵结构体内部结构形态和变形的变化规律、结构体内部破损的形成过程和损伤程度，探索出苗钵受夹持和提取作用而引起的结构损伤机理，为自动移栽机取苗机构设计提供理论基础。
附图说明
图1是本发明一实施方式的整体结构示意图。
图2是本发明一实施方式的Micro-CT扫描钵体断层图。
图3是本发明一实施方式的穴盘苗钵体三维实体两针夹取示意图。
图4是本发明一实施方式的穴盘苗钵体在20mm插入深度下两针夹取裂缝图。
图5是本发明一实施方式的穴盘苗钵体在30mm插入深度下两针夹取裂缝图。
图中：1、计算机单元；2、射线控制器；3、夹取控制器；4、箱体；5、数字平板探测器；6、夹取器；7、穴盘苗；8、工作转台；9、X射线源。
具体实施方式
下面结合附图具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于此。
图1所示为所述基于Micro-CT的穴盘苗夹取结构损伤行为检测装置的一种实施方式，所述基于Micro-CT的穴盘苗夹取结构损伤行为检测装置包括计算机单元1、夹取单元、Micro-CT系统和箱体4。
所述计算机单元1包括夹取控制器控制模块、射线控制器控制模块、数字平板探测器控制模块和图像处理模块。
所述夹取单元包括夹取控制器3和夹取器6；所述夹取器6是取苗末端执行器，所述夹取器6安装在所述箱体4的内部；所述夹取控制器3的输入端与计算机单元1通过数据线电连接，输出端与夹取器6通过数据线电相连，夹取控制器3接收来自计算机单元1夹取控制器控制模块发出的对夹取器6的控制指令，并向夹取器6发出驱动控制命令；所述夹取器6安装在所述箱体4上部；所述Micro-CT系统位于所述的箱体4内，所述Micro-CT系统包括射线控制器2、X射线源9、工作转台8和数字平板探测器5；所述射线控制器2的输入端与计算机单元1通过数据线电连接，输出端分别与X射线源9和工作转台8通过数据线电相连；所述射线控制器2接收来自计算机单元1的射线控制器控制模块发出的控制指令，并向X射线源9和工作转台8发出驱动控制命令，所述数字平板探测器5和工作转台8分别位于夹取器6的正上方和正下方，且数字平板探测器5和工作转台8位于X射线源9的投射区域面，所述工作转台8上承载的穴盘苗7投影落在数字平板探测器5上，所述数字平板探测器5与计算机单元1通过数据线电相连，计算机单元1的数字平板探测器控制模块控制数字平板探测器5的参数，数字平板探测器5将探测到的数据传输给计算机单元1内的图像处理模块进行处理。
所述夹取器6能对工作转台8上的穴盘苗7执行夹钵取苗操作，且夹取器6接触钵体部分材料属性为非金属。
所述Micro-CT系统的射线分辨率为5～80μm，能对穴盘苗7的钵体基质颗粒产生清晰的断层扫描图。
所述箱体4由防辐射材料制成，防止内部射线泄漏。
所述工作转台8在射线控制器2控制下可360°旋转，实现对工作转台8上的测试对象进行旋转周扫描。
本发明还提供一种基于Micro-CT的穴盘苗夹取结构损伤行为检测方法，用于研究不同夹取形式下苗钵结构体内部结构形态和变形的变化规律、结构体内部破损的形成过程和损伤程度。其中不用夹取形式主要体现在夹取器6不同的夹取针数：比如两针、三针、四针；不同的夹取角度；不同的夹取深度和不同的夹持力度等。本实施例以两针夹取穴盘苗为例进行详细的描述。所述基于Micro-CT的穴盘苗夹取结构损伤行为检测方法，包括以下步骤：
S1、试样穴盘苗钵体CT剖面图采集步骤：将穴盘苗7试样放置于Micro-CT系统的工作转台8上，Micro-CT系统对试样穴盘苗钵体进行Micro-CT扫描，具体为Micro-CT系统的射线控制器2接收来自计算机单元1发出的控制指令，并控制工作转台8旋转合适的角度，同时控制X射线源9打开，工作转台8上承载的穴盘苗7投影落在数字平板探测器5上，数字平板探测器5将获得样本苗钵体n张CT剖面图并将图片到计算机单元1，其中以能清晰分辨钵体基质颗粒属性为准来确定CT剖面断层数n，也是CT剖面图的张数；
S2、图像处理步骤：通过计算机单元1选取某一层切面的CT剖面图进行图像分析，图像分析包括去背景、降噪、量化、滤波增强图像和分割图像等，图像处理方法首先对图像进行数字化处理，采用局部求平均法消除图像中随机噪声，采用直方图均衡法对图像中的信息有选择地加强和抑制，采用阈值分割图像，基质颗粒分割阈值设定为50-255，幼苗根系阈值设定为5-255，使用的图像处理方法越丰富，得到的信息越能清晰完整表达，本实施例只用到一些常用的图像处理方法，得到样本苗钵体孔隙结构图，如图2所示，其中明显的孔隙结构有S1、S2、S3、S4、S5和S6，对孔隙结构图进行像素面积统计计算，得到图2中样本苗钵体原生缝隙的大小为断层剖面图总的孔隙面积约等于S1、S2、S3、S4、S5和S6之和，以及各孔隙在XY平面内的分布位置信息和形状；
S3、CT剖面图三维重建步骤：通过计算机单元1将扫描到的样本苗钵体CT剖面图进行三维重建，所述三维重建是基于Micro-CT剖面图的面重建算法来构建三维图形的，绘制出样本苗钵体原生缝隙在三维空间中的随机分布情况，主要是在XYZ三维空间中的分布情况；
S4、夹取步骤：计算机单元1通过夹取控制器3控制夹取器6对样本苗钵体施加不同插入深度下两针夹取作用，如图3所示，再通过Micro-CT系统对样本苗钵体进行Micro-CT扫描，也就是利用Micro-CT监测夹取过程中样本苗钵体内部结构变化，获得夹取作用过程中样本苗钵体原生缝隙的变化和新生裂缝的产生位置、扩展方向和扩展大小；
S5、分析对比步骤：将样本苗钵体夹取前和夹取后的原生缝隙进行比对，得到夹取作用对样本苗钵体原生结构的影响，主要影响：孔隙面积受压减小，充实孔隙，撕裂孔隙，扭曲孔隙等，举例说明，当夹取针正好插入图2中S4区域时，夹取器6的夹取针实现了见缝插针，再沿着X方向向内夹持的话，S4区域沿Y方向出现撕裂口；对夹取过程中样本苗钵体的新生裂缝进行描绘，得到样本苗钵体内部裂缝的新生规律和压亏的形成过程，综合夹取过程中样本苗钵体原生结构变形、新生裂缝形态和压亏形式，表达出穴盘苗受夹取作用的钵体结构损伤行为，如图4和图5所示，对于两针夹取穴盘苗形式，使用直径为5mm夹取针，分别在25mm和30mm插入深度，2N夹持力度下，结构损伤行为表现在沿夹取面方向断裂，新生裂缝在夹持力度最大处沿夹持面扩展。
本发明利用Micro-CT检测穴盘苗夹取钵体结构损伤行为的方法，首先对试样穴盘苗钵体进行Micro-CT扫描，得到样本苗钵体原生缝隙信息，接着利用Micro-CT监测夹取过程中样本苗钵体内部结构变化，最后比对夹取前后样本苗钵体原生、新生缝隙变化情况，表达出穴盘苗受夹取作用的钵体结构损伤行为。本发明可研究不同夹取形式下苗钵结构体内部结构形态和变形的变化规律、结构体内部破损的形成过程和损伤程度，探索出苗钵受夹持和提取作用而引起的结构损伤机理，为自动移栽机取苗机构设计提供理论基础。
上述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于Micro-CT的穴盘苗夹取结构损伤行为检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、试样穴盘苗钵体CT剖面图采集步骤：将穴盘苗(7)试样放置于Micro-CT系统的工作转台(8)上，Micro-CT系统对试样穴盘苗钵体进行Micro-CT扫描，获得样本苗钵体n张CT剖面图并将图片到计算机单元(1)；
S2、图像处理步骤：通过计算机单元(1)选取不同层切面的CT剖面图进行图像分析，得到样本苗钵体孔隙结构图，对孔隙结构图进行像素面积统计计算，得到样本苗钵体原生缝隙的大小、以及位置和形状；
S3、CT剖面图三维重建步骤：通过计算机单元(1)将扫描到的样本苗钵体CT剖面图进行三维重建，绘制出样本苗钵体原生缝隙在三维空间中的随机分布情况；
S4、夹取步骤：计算机单元(1)通过夹取控制器(3)控制夹取器(6)对样本苗钵体施加夹取作用，再通过Micro-CT系统对样本苗钵体进行Micro-CT扫描，获得夹取过程中样本苗钵体原生缝隙的变化和新生裂缝的产生位置、扩展方向和扩展大小；
S5、分析对比步骤：将样本苗钵体夹取前和夹取后的原生缝隙进行比对，得到夹取作用对样本苗钵体原生结构的影响，对夹取过程中样本苗钵体的新生裂缝进行描绘，得到样本苗钵体内部裂缝的新生规律和压亏的形成过程，综合夹取过程中样本苗钵体原生结构变形、新生裂缝形态和压亏形式，表达出穴盘苗受夹取作用的钵体结构损伤行为。
2.根据权利要求1所述的基于Micro-CT的穴盘苗夹取结构损伤行为检测方法，其特征在于，所述步骤S1中对试样穴盘苗钵体进行Micro-CT扫描具体为：Micro-CT系统的射线控制器(2)接收来自计算机单元(1)发出的控制指令，并控制工作转台(8)旋转合适的角度，同时控制X射线源(9)打开，工作转台(8)上承载的穴盘苗(7)投影落在数字平板探测器(5)上。
3.根据权利要求1所述的基于Micro-CT的穴盘苗夹取结构损伤行为检测方法，其特征在于，所述步骤S2中的图像分析包括去背景、降噪、量化、滤波增强图像和分割图像。
4.根据权利要求1所述的基于Micro-CT的穴盘苗夹取结构损伤行为检测方法，其特征在于，所述步骤S3中的三维重建是基于Micro-CT剖面图的面重建算法来构建三维图形的。
5.根据权利要求1所述的基于Micro-CT的穴盘苗夹取结构损伤行为检测方法，其特征在于，所述步骤S4中夹取过程中样本苗钵体原生缝隙的变化包括孔隙面积受压减小、充实孔隙、撕裂孔隙、扭曲孔隙。
6.实施权利要求1所述的基于Micro-CT的穴盘苗夹取结构损伤行为检测方法的装置，其特征在于，包括计算机单元(1)、夹取单元、Micro-CT系统和箱体(4)；
所述夹取单元包括夹取控制器(3)和夹取器(6)；所述夹取器(6)安装在所述箱体(4)的内部；所述夹取控制器(3)的输入端与计算机单元(1)电连接，输出端与夹取器(6)电相连，夹取控制器(3)接收来自计算机单元(1)发出的对夹取器(6)的控制指令，并向夹取器(6)发出驱动控制命令；所述Micro-CT系统位于所述的箱体(4)内，所述Micro-CT系统包括射线控制器(2)、X射线源(9)、工作转台(8)和数字平板探测器(5)；所述射线控制器(2)的输入端与计算机单元(1)电连接，输出端分别与X射线源(9)和工作转台(8)电相连；所述射线控制器(2)接收来自计算机单元(1)发出的控制指令，并向X射线源(9)和工作转台(8)发出驱动控制命令，所述数字平板探测器(5)和工作转台(8)分别位于夹取器(6)的正上方和正下方，且数字平板探测器(5)和工作转台(8)位于X射线源(9)的投射区域面，所述工作转台(8)上承载的穴盘苗(7)投影落在数字平板探测器(5)上，所述数字平板探测器(5)与计算机单元(1)电相连，将探测到的数据传输给计算机单元(1)内的系统软件进行处理。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述夹取器(6)接触钵体部分的材料为非金属材料制成。
8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述Micro-CT系统的射线分辨率为5～80μm。
9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述箱体(4)由防辐射材料制成。
10.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述工作转台(8)在射线控制器(2)控制下可360°旋转。
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