CN107624374A - 基于频谱特性的果树振动采收频率的设定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种根据果树固有频谱特性设定林果采收时激振频率的方法，该方法确定的激振频率对果树进行振动，能够以最小激振能量消耗获得最大的采收效果。对于主干分叉果树，对主干、一级侧枝、二级侧枝上的多个测点进行频谱测试，得到各测点频谱曲线；对于单一主干果树，对主干上某测点进行频谱测试，得到果树的频谱曲线；对频谱曲线进行求导处理得到频谱导数曲线，在15‑25Hz频率区间内从频谱导数曲线上找出从正值到负值过渡中接近或等于零值点的最大频率，此频率为频谱曲线中波峰点所对应的频率；果实采收时以各测点对应最大频率分别对果树的主干进行振动，或者各测点对应最大频率按大小排序后，对主干在最小频率到最大频率的范围内进行正弦扫频激振；扫频激振速度为(1‑2)s/Hz。
Description
技术领域
本发明涉及一种果树振动采收频率的设定方法，是用于测试果树的固有频谱特性，对其进行快速求导处理找出频谱曲线中波峰点所在的频率值或频率区间，并以此频率值或频率区间作为林果采收时对果树的激振频率，属于农林业果树采收设备测试技术领域。
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，具有季节性强、劳动消耗量大、费用高等特点，其所用劳动力占整个生产过程所用劳动力的35％-45％。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，其工作原理是通过一定形式的振动机构，将机械振动传递给果树，果树在接受了外加的强迫振动后，也以一定的频率和振幅振动，从而使果枝上的果实以某种形式的振动而加速运动，当果实获得的惯性力大于果实与果枝的结合力时，果实就会从树枝上分离脱落。
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。目前国内外现有的研究大多着眼于振动参数和方式对林果采净率的影响，或者仅比较了某几个特定频率下不同测试点的加速度或位移，或者认为频率越高加速度响应越大的错误思想，并未考虑更多的动力学特性。
发明内容
本发明的目的是提供一种根据果树固有频谱特性设定林果采收时激振频率的方法，该方法确定的激振频率对果树进行振动，能够以最小激振能量消耗获得最大的采收效果。
树木的分枝模式分为两大类：(1)单轴分枝，是指树木的主干具有明显的顶端优势，由顶芽开始不断的向上生长，长成主干，随着主干的不断生长，侧芽发育生成侧枝即主干生成初级侧枝，初级侧枝又以同样的方式生成次级侧枝，重复上述过程以生成各级树枝，侧枝的生长均超不过主干，主干的生长占绝对的优势，最终形成挺拔向上的树木。单轴分枝常见的树种有杨树、松树、云杉、柏树、银杏等。单轴分枝树木也形象地称之为单一主干树木。(2)合轴分枝，是指树木的主干不具有明显的顶端优势，顶芽长到一定的程度以后就不再生长或者生长速度非常缓慢，之后紧邻着主轴顶端的侧芽开始长出新枝，生长能力很强的侧枝逐渐代替主轴向上生长，当它生长一段时间后又被其顶端的侧芽所取代，重复上述过程即可生成曲折的主轴。合轴分枝类型树木的上部或者树冠逐渐接近于球状，枝叶繁茂，常见的树种有柳树、桃树、梧桐、桑树、榆树等。现有的果园中绝大部分果树当树苖生长到一定高度时人工剪去顶芽以抑制其生长高度，生长后形成合轴分枝树木。合轴分枝树木我们也形象地称之为主干分叉树木。
本发明所述的基于频谱特性的果树振动采收频率设定方法，对于主干分叉的果树，首先对果树进行频谱测试，通过冲击装置对树干施加一个瞬时外力，利用测试系统和分析软件对冲击外力下的果树上某个测点X的加速度响应曲线进行频谱分析，得到该测点的频谱曲线YX；其特征是：对测点频谱曲线YX进行求导处理得到测点频谱导数曲线ZX，在15-25Hz频率区间内从频谱导数曲线上找出从正值到负值过渡中接近或等于零值点的频率fX，此零值点频率fX为频谱曲线中波峰点所对应的频率；测点X包括：位于果树主干上的测点A、各一级侧枝上的测点B、各二级侧枝上的测点C；若一个测点存在多个零值点频率fX，则以最大的为该侧点零值点频率fX；对果树振动采收时，以各测点零值点频率fX分别对果树的主干进行振动，实现果实采收；或者，对各测点零值点频率fX进行从小到大排序，对果树的主干在最小零值点频率fX到最大零值点频率fX的范围内进行正弦扫频激振，实现果实采收；扫频激振速度为(1-2)s/Hz。为实现果实采收对果树的主干进行振动的频率我们称之为激振频率。所谓“正弦扫频激振”就是激振频率是从最小零值点频率fX到最大零值点频率fX按正弦波形连续变化，或者从最大零值点频率fX到最小零值点频率fX按正弦波形连续变化。对果树进行振动时，由于果树阻尼较大，响应滞后，扫频激振速度为(1-2)s/Hz，使得在激振时，能够使得果树有充足的时间响应。扫频激振速度为(1-2)s/Hz，是指激振频率匀速变化过程中，每增加或者减少1Hz的需要时间为1-2s。
本发明的有益效果：申请人在测试中发现，在果树同一分支上各测点的频谱以及振动响应特性具有一致性，因此仅对每个分支上的某个测点进行频谱测试即可得到该分支的频谱特性曲线。例如，在主干上的各个测点频谱以及振动响应特性具有一致性，因此，测试主干的频谱时只需要选择主干上一个测点进行测试即可。在一个二级侧枝上的各个测点频谱以及振动响应特性具有一致性，因此，测试该二级侧枝的频谱时只需要选择该二级侧枝上一个测点进行测试即可。
根据本发明的方法，若一棵果树有一个一级侧枝，两个二级侧枝，那么测点就有主干上的测点A，一级侧枝上的测点B、一个二级侧枝上的测点C1，另一个二级侧枝上的测点C2。对所述测点进行频谱测试，得到测点A的频谱曲线YA、测点B的频谱曲线YB、测点C1的频谱曲线YC1、测点C2的频谱曲线YC2，对它们分别求导得到测点A的频谱导数曲线ZA、测点B的频谱导数曲线ZB、测点C1的频谱导数曲线ZC1、测点C2的频谱导数曲线ZC2，在15-25Hz频率区间内从各频谱导数曲线上找出从正值到负值过渡中接近或等于零值点的频率，就得到测点A对应频率fA、测点B对应频率fB、测点C1对应频率fC1、测点C2对应频率fC2。如果某测点存在多个零值点频率，取最大的零值点频率为该测点对应频率。对果树振动采收时，以各测点对应激振频率fA、fB、fC1、fC2分别对林果树的主干进行振动，实现果实采收；或者以各测点对应频率fA、fB、fC1、fC2从小到大进行排序，对果树的主干在最小频率到最大频率的范围内进行扫频激振，实现果实采收。采用该方法，由于果树的各个分支均有机会能够在各自对应的频率下产生最大加速度，从而消耗最小的能量获得最好的振动采收效果。
测试分析软件对频谱曲线进行数学处理属于现有技术，例如对其进行求导就是利用常规公式：即频谱曲线上两点之间的纵坐标差值与横坐标差值的比值。当然，频谱曲线的精度不宜过高，防止微小波峰所在的频率点也被监测出来，导致频谱导数曲线上接近或等于零值点的频率过多不好取舍。
本发明同时还提供了与上述发明属于同一构思的另外一种基于频谱特性的果树振动采收频率设定方法。
该基于频谱特性的果树振动采收频率设定方法，对于单一主干的果树，首先对果树进行频谱测试，通过冲击装置对树干施加一个瞬时外力，利用测试系统和分析软件对冲击外力下的果树主干上某个测点P的加速度响应进行频谱分析，得到该果树的频谱曲线YP；其特征是：对频谱曲线YP进行求导处理得到频谱导数曲线ZP，在15-25Hz频率区间内从频谱导数曲线上找出从正值到负值过渡中接近或等于零值点的频率fP，此零值点频率fP为频谱曲线中波峰点所对应的频率；若该测点存在多个零值点频率fP，则以最大的为该侧点零值点频率fP；对果树振动采收时，以零值点频率fP对果树的主干进行振动，实现果实采收。频谱曲线中波峰点所对应的频率可能有1个或多个，若只有1个，即以该频率fP对果树的主干进行振动；若有多个，即以最大频率fP对果树的主干进行振动。
本发明的有益效果：本方法以主干上某个测点P的频谱特性为基础进行分析，得到频率fP。以频率fP(即激振频率)对果树的主干进行振动，实现果实采收。该方法更加简单，且对林果的采收效果也不错。
所述的基于频谱特性的果树振动采收频率设定方法，对果树振动采收时，以激振装置对果树的主干进行振动。
所述的基于频谱特性的果树振动采收频率设定方法，进行频谱测试使用的测试系统和分析软件属于现有技术。如测试系统包括固定在测点上的加速度传感器、对加速度传感器的输出信号进行放大的电荷放大器、对放大后的信号进行采集的数据采集系统，对采集的数据进行分析处理的分析软件等。激振装置主要是使主干产生一定频率的振动，也属于现有技术。
总之，本发明能够利用频谱导数曲线快速找出频谱曲线中波峰点所在的频率或频率区间，并以此频率或频率区间对果树进行激振，从而消耗最小的能量获得最好的振动采收效果。
附图说明
下面结合附图对本发明专利作进一步的说明。
图1为实施例1的流程图。
图2为样品树频谱和振动响应测试结构示意图。
图3为样品树侧枝C2上测点的频谱曲线。
图4是为样品树侧枝C2上测点振动加速度响应曲线。
图5为测点A1的频谱特性曲线。
图6为测点B11的频谱特性曲线。
图7为测点B21的频谱特性曲线。
图8为测点C11的频谱特性曲线。
图9为测点C21的频谱特性曲线。
图10为测点A1的频谱导数曲线。
图11为测点B11的频谱导数曲线。
图12为测点B21的频谱导数曲线。
图13为测点C11的频谱导数曲线。
图14为测点C21的频谱导数曲线。
图15为测点A1的振动加速度响应曲线。
图16为测点B11的振动加速度响应曲线。
图17为测点B21的振动加速度响应曲线。
图18为测点C11的振动加速度响应曲线。
图19为测点C21的振动加速度响应曲线。
图20为实施例2的流程图。
图21为样品树频谱和振动响应测试结构示意图。
图22为测点的频谱特性曲线。
图23为测点的频谱导数曲线。
图24为测点的振动加速度响应曲线。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例，但本发明并不限于这些实施例。
实施例1
本发明实施例1的方法流程图如图1所示，图2所示的样品树1为主干分叉的银杏树，A0A1段为主干A，B11B14段为一级侧枝B1，B21B25段为一级侧枝B2，C11C13段为二级侧枝C1，C21C23段为二级侧枝C2，测点A1在主干分叉点，测点B11、B12、B13、B14分布在一级侧枝B1上，测点B21、B22、B23、B24、B25分布在一级侧枝B2上，测点C11、C12、C13分布在二级侧枝C1上，测点C21、C22、C23分布在二级侧枝C2上。通过冲击装置6对样品树1施加冲击力，利用加速度传感器2、电荷放大器3、数据采集卡4和测试软件5采集各测点空间三个方向在冲击力下的振动响应，通过分析软件进行频谱变换得到各测点的频谱曲线。为了更好的进行激振频率的设定，测点的频谱曲线为三个方向的合频谱值。
我们发现，同一分支上测点的频谱以及振动响应特性具有一致性。例如图3、4所示二级侧枝C2上的测点C21、C22、C23的功率谱幅值变化基本一致、加速度幅值变化基本一致。其他同一个分支上的各测点的频谱以及振动响应特性也具有一致性，数据不再一一列出。所以仅对每个分支上的一个测点如测点A1、B11、B21、C11和C21的频谱曲线(参见图5-9所示)进行快速求导处理，得到相应测点的频谱导数曲线如图10-14所示。在15-25Hz频率区间内，从图10-14可以看出，测点A1、B11、B21、C11和C21的频谱导数曲线从正值到负值过渡的接近或等于零值点的最大频率值分别为18.75和23.75Hz、21.25Hz、20.00Hz、20.00Hz、18.75和23.75Hz，频率区间18.75-23.75Hz包含了频谱曲线中所有波峰点所在的频率。将激振装置7调节至此18.75-23.75Hz频率区间对样品树进行从小到大或者从大到小进行正弦扫频激振，扫频激振速度为1s/Hz(即从18.75-23.75Hz的频率变化区间内，频率匀速变化，每增加或减小1Hz所需要的时间为1s，总计扫频激振时间5s)。图15-19为样品树在一系列激振频率下的振动响应，可以看出样品树在18.75-23.75Hz激振区间内振动响应较为强烈。
实施例1中样品树的整体特征参见表1。为了防止频谱曲线中微小波峰所在的频率点也被监测出来，导致频谱导数曲线上接近或等于零值点的频率过多不好取舍，所以频谱曲线的精度不宜过高(忽略掉微小波峰点)。
表1.样品树的尺寸参数
实施例2
本发明实施例2的方法流程图如图20所示，图21所示的样品树1为单一主干的银杏树，测点P1距离底部120cm。通过冲击装置6对样品树1施加冲击力，利用加速度传感器2、电荷放大器3、数据采集卡4和测试软件5采集测点空间三个方向在冲击力下的振动响应，通过分析软件进行频谱变换得到测点的频谱曲线。为了更好的进行激振频率的设定，测点的频谱曲线为三个方向的合频谱值。对频谱曲线(图22)进行快速求导处理，得到其频谱导数曲线如图23所示。在15-25Hz频率区间内找出从正值到负值过渡的接近或等于零值点的最大频率18.75Hz，该频率为频谱曲线中波峰点所在频率。将激振装置7调节至此频率对样品树进行激振，时间不少于3s。图24为样品树在一系列激振频率下的振动响应，可以看出样品树在18.75Hz下的振动响应较为强烈，幅值为109.27m/s2，而在高频条件下虽然加速度幅值呈现增加趋势但是在28.75Hz条件下的振动幅值仅为66.33m/s2。
实施例2中样品树的整体特征参见表2。为了防止频谱曲线中微小波峰所在的频率点也被监测出来，导致频谱导数曲线上接近或等于零值点的频率过多不好取舍，所以频谱曲线的精度不宜过高(忽略掉微小波峰点)。
表2.样品树的尺寸参数
Claims (4)
1.基于频谱特性的果树振动采收频率设定方法，对于主干分叉的果树，首先对果树进行频谱测试，通过冲击装置对树干施加一个瞬时外力，利用测试系统和分析软件对冲击外力下的果树上某个测点X的加速度响应曲线进行频谱分析，得到该测点的频谱曲线YX；其特征是：对测点频谱曲线YX进行求导处理得到测点频谱导数曲线ZX，在15-25Hz频率区间内从频谱导数曲线上找出从正值到负值过渡中接近或等于零值点的频率fX，此零值点频率fX为频谱曲线中波峰点所对应的频率；测点X包括：位于果树主干上的测点A、各一级侧枝上的测点B、各二级侧枝上的测点C；若一个测点存在多个零值点频率fX，则以最大的为该侧点零值点频率fX；对果树振动采收时，以各测点零值点频率fX分别对果树的主干进行振动，实现果实采收。
2.根据权利要求1所述的基于频谱特性的果树振动采收频率设定方法，其特征是：对各测点零值点频率fX进行从小到大排序，对果树的主干在最小零值点频率fX到最大零值点频率fX的范围内进行正弦扫频激振，实现果实采收；扫频激振速度为(1-2)s/Hz。
3.基于频谱特性的果树振动采收频率设定方法，对于单一主干的果树，首先对果树进行频谱测试，通过冲击装置对树干施加一个瞬时外力，利用测试系统和分析软件对冲击外力下的果树主干上某个测点P的加速度响应进行频谱分析，得到该果树的频谱曲线YP；其特征是：对频谱曲线YP进行求导处理得到频谱导数曲线ZP，在15-25Hz频率区间内从频谱导数曲线上找出从正值到负值过渡中接近或等于零值点的频率fP，此零值点频率fP为频谱曲线中波峰点所对应的频率；若该测点存在多个零值点频率fP，则以最大的为该侧点零值点频率fP；对果树振动采收时，以零值点频率fP对果树的主干进行振动，实现果实采收。
4.如权利要求1、2或3所述的基于频谱特性的果树振动采收频率设定方法，其特征是：对果树振动采收时，以激振装置对果树的主干进行振动。
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Patent Citations (2)
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