CN114563079A - 一种用于蓝莓采摘的果树受迫振动土壤波动测量方法 - Google Patents

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鲍玉冬
原乃峰
张建龙
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Abstract

本发明涉及一种用于蓝莓采摘的果树受迫振动土壤波动测量方法，具体涉及根土复合体运动学模型建立的方法以及外力与土壤波动特性的映射关系，属于农业工程领域。其目的在于解决我国植物蓝莓采收机作业时使土壤松动的问题，步骤为：确定果树受外界激振与土壤内部振动关系，建立果树三维模型，导入EDEM建立根土复合体模型进行仿真分析，并使用Origin拟合出外力与土壤波动加速度曲线，最终通过果树激振试验确定仿真曲线是否可靠准确。本发明可以为振动式蓝莓采收机振动参数的优化提供理论依据，并使采收机具有普适性，实现农机与农艺相匹配。

Description

一种用于蓝莓采摘的果树受迫振动土壤波动测量方法
技术领域
本发明涉及一种用于蓝莓采摘的果树受迫振动土壤波动测量方法，具体涉及根土复合体运动学模型建立的方法以及外力与土壤波动特性的映射关系，属于农业工程领域。
背景技术
近年来以蓝莓为代表的小浆果种植面积不断扩大，尽管国内对其机械化采收关键技术展开研究，但其机械采收技术水平仍处于研究起步阶段，现有的蓝莓采摘手段为振动采摘，但果树受到激振后，根系及土壤也随之发生振动，蓝莓根系作为其吸收养分的主要器官，对植物的生长、成熟以及产量有着很大的影响，若根系被断裂破坏，对果树的生长、果实的成熟及产量有着很大的影响；若土壤松动严重，则带来果树倒伏等潜在危害；同时，根系的加筋作用和锚固作用对植被护坡也至关重要，若松动的土壤会从垄滑落至垄沟中，严重影响采收机的行驶性能，带来作业安全等系列问题。所以，农机与农艺无法有效匹配一直是制约中国蓝莓采收机普及的主要原因。
针对上述问题，利用仿真与激振试验相结合的方法可以定量的确定出植物受到的外力与土壤波动的映射关系，为最终确定果树倾覆的阈值提供依据，对于振动式蓝莓采收机振动参数的优化提供理论依据，实现农机与农艺相匹配。
基于上述问题，本发明提出一种用于蓝莓采摘的果树受迫振动土壤波动的测量方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：为了解决我国农机农艺不匹配、振动式蓝莓采收机作业导致土壤松动的问题，本发明提供了一种用于蓝莓采摘的果树受迫振动土壤波动测量方法，通过Soildwords与EDEM完成果树与根土复合体三维模型的建立，在此基础上进行果树受力仿真分析，得到在不同作用外力条件下外力与土壤颗粒波动的理想曲线，根据仿真条件进行激振试验确定仿真结论是否可靠准确。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种用于蓝莓采摘的果树受迫振动土壤波动测量方法，具体包括如下步骤：
(1)确定果树受外界激振与土壤内部振动关系；
(2)建立果树三维模型；
(3)建立根土复合体模型进行仿真分析，获取外力与土壤波动加速度曲线；
(4)对果树进行激振试验，激振试验输出三个方向上的加速度，将其求解为合加速度；
(5)将激振力于合加速度的散点放入外力与土壤波动加速度曲线中，
(6)评价外力与土壤波动加速度曲线的可靠性。
具体的，所述步骤(1)具体为：通过蓝莓果树整体的受力分析得出蓝莓果树整株受力模型，并将根土复合体等效为弹簧系统，通过振动能量的传递以及对土壤储存势能的分析得到土壤振动加速度，分析其对土壤抗剪强度的影响得出果树受外界激振与土壤内部振动关系。
具体的，所述步骤(2)具体为：通过果树生物特性的确定，使用Soildwords建立果树的三维模型，其中模型包含主枝、主根、二级根和三级根。
具体的，所述步骤(3)具体包括如下步骤：
步骤①：将果树的三维模型在EDEM软件中进行颗粒填充形成根土复合体，填充颗粒的土槽为400mm×400mm×400mm的正方体；
步骤②：分别对树干的50mm、200mm、350mm、500mm高度处施加50N-500N、间距为50的作用力，以及对应的力矩共10次；
步骤③：输出平均速度作为仿真结果，通过单位时间节点内的时间变化量与速度变化量求解出土壤颗粒加速度；
步骤④：使用Origin拟合出4种不同高度下外力与土壤波动加速度曲线：
a＝0.04044F+32.86635
a＝0.02699F+19.74358
a＝0.03974F+11.05303
a＝0.02934F+6.15833。
EDEM软件无法直接输出加速度，因此通过输出平均速度代表整个根土复合体波动的平均水平，输出平均速度后，再取施加激振前后时间节点以及对应的速度值，利用速度变化量与时间变化量求解瞬时加速度，该加速度代表施加外力时根土复合体波动的瞬时平均水平；具体公式如下：
Figure BDA0003534563190000031
式中：a0为根土复合体瞬时加速度；v2为施加激振力后根土复合体平均速度；v1为施加激振力前根土复合体平均速度；t2为施加激振力后的时间节点；t1为施加激振力前的时间节点。
具体的，所述步骤(4)具体包括如下步骤：
步骤i：将DH5922采集箱、PCB加速度传感器、冲击力锤以及DHDAS动态信号采集分析系统作为实验装置；
步骤ii：使用冲击力锤对树干高度为50mm、200mm、350mm、500mm处多次敲击，取激振力大小在50N～500N范围内的有效测试值共4次，并在每种高度下将PCB加速度传感器固定于深度为200mm、100mm的根系及0mm的土壤表面处；
步骤iii：激振试验输出三个方向上的加速度，将其求解为合加速度。
具体的，所述步骤(6)具体为：若试验数据与外力与土壤波动加速度曲线相吻合，则得出合理果树受外力与土壤波动加速度曲线，确定外力对土壤波动的映射关系。
本发明的有益效果是：本发明给出果树及其根土复合体模型建立以及土壤颗粒运动学分析过程，得到一种用于蓝莓采摘的果树受迫振动土壤波动测量方法，将根土复合体的锚固特性数据化，为振动式蓝莓采收机振动参数的优化提供理论依据，并使采收机具有普适性，实现农机与农艺相匹配。
附图说明
图1是本发明提供的一种用于蓝莓采摘的果树受迫振动土壤波动测量方法的技术流程图：
图2是本发明提供的带根果树三维模型结构示意图；
图3是本发明提供的离散元根土复合体结构示意图；
图2-3中：1-树干，2-主根，3-二级根，4-三级根，5-根土复合体。
图4是本发明提供的果树整株受力模型。
图4中：h0为根系深埋深度；h1为Fa到土壤表面距离；h2为Fb到土壤表面距离；b0为根土复合体末端到中心线距离；ρ0为果树偏转中心到土壤表面距离；λ为根系间夹角；α0为主枝偏转角；Ff1为土壤对果树摩擦力；Ff2为土壤对左侧根系摩擦力；Ff3为土壤对右侧根系摩擦力；Pv1为土壤对左侧根系压力；Pv2为土壤对右侧根系压力；c为阻尼系数；k为弹性系数；O为果树倾覆旋转中心。
具体实施方式
实施方式一：如图4所示，本实施方式的一种用于蓝莓采摘的果树受迫振动土壤波动测量方法如下：果树受到采收机的作用力及振动效果，根土复合体将受到土壤的压力及摩擦力并发生微小位移，此时将根系所在的土壤等效为一个理想的弹簧系统，根土复合体与弹簧系统相连，其储存的能量U可表示为：
Figure BDA0003534563190000051
根据弹簧系统具有的弹性势能可将土壤等效弹簧变形量lα表示为：
Figure BDA0003534563190000052
由于土壤内部发生振动，土壤颗粒质点间的距离发生微小位移，因此造成根土复合体周围土壤发生微小位移；土壤位移量x可近似等于等效弹簧变形量lα，表示为：
x＝xαcos(ωt+βa)
式中：xα为振幅；ω为激振频率；t为时间：βa为相位角。
每一振动的土壤颗粒都具有加速度；设每一土壤颗粒的质量均为m，根据牛顿第二定律，土壤颗粒具有的惯性力FI为：
Figure BDA0003534563190000054
土壤颗粒的惯性力FI与土壤颗粒质量m成正比，即当土壤颗粒质量m较大时，惯性力会克服根土复合体黏聚力的作用，使得土壤颗粒由于振动偏离原来的位置造成周围土壤的松动，并且实际土壤颗粒质量m几乎各不相同，当受到同一振动后由于质量m的不同而造成各个土壤颗粒惯性力FI均不相同，不同的惯性力对土壤颗粒的作用效果也不相同，这就使得每一土壤颗粒间的距离发生不同程度的微小变化，颗粒间的摩擦特性也随着发生变化，从而导致根土复合体及其周围土壤的内摩擦角
Figure BDA0003534563190000053
减小，改变了整个根土复合体的摩擦特性，土壤抗剪强度为：
Figure BDA0003534563190000061
式中：c为根土复合体黏聚应力；σ为法向应力；
Figure BDA0003534563190000062
为根土复合体内摩擦角。
当蓝莓果树受到采收机的激振作用后，土壤将产生波动，根土复合体及其周围土壤的内摩擦角
Figure BDA0003534563190000063
减小，其抗剪强度τ随内摩擦角
Figure BDA0003534563190000064
的减小而减小，导致土壤发生松动，果树容易发生倾覆。
实施方式二：如图1所示，本实施方式的一种用于蓝莓采摘的果树受迫振动土壤波动测量方法，包括以下步骤：
步骤①：通过果树生物特性的确定，使用Soildwords建立果树的三维模型，其中模型包含高度为800mm的主枝、深度为350mm的主根、建立在深度为100mm处的主根上且长度为200mm的二级根、建立在深度为200mm处的二级根上且长度为80mm的三级根，根系间夹角均为90°，如图2所示；
步骤②：将果树三维模型导入EDEM中通过颗粒填充建立根土复合体三维模型，设定土壤颗粒直径为1.5mm，时间步长为5％，数据保存间隔为0.1s，仿真时间为1s；填充颗粒的土槽为400mm×400mm×400mm的正方体，如图3所示；
步骤③：根据果树倾覆现象，设置三级根末端为力矩中心，根据50N～500N作用力的大小设置对应力矩的数值，对于4种外力作用高度(50mm、200mm、350mm、500mm)分别进行力与力矩的施加，施加50N～500N间距为50的作用力以及对应的力矩共10次，共计40组；
步骤④：输出平均速度作为仿真结果，通过单位时间节点内的时间变化量与速度变化量近似得出土壤颗粒加速度；
步骤⑤：使用Origin拟合出4种不同高度下外力与土壤波动加速度对应曲线：
a＝0.04044F+32.86635
a＝0.02699F+19.74358
a＝0.03974F+11.05303
a＝0.02934F+6.15833
实施方式三：本实施方式的果树激振试验，包括以下步骤：
步骤i：将DH5922采集箱、PCB加速度传感器、冲击力锤以及DHDAS动态信号采集分析系统作为实验装置；
步骤ii：使用冲击力锤对树干4种不同高度(50mm、200mm、350mm、500mm)多次敲击，取激振力大小在50N～500N范围内的有效测试值共4次，并在每种高度下将PCB加速度传感器固定于深度为200mm、100mm的根系及土壤表面(0mm)处。
步骤iii：激振试验输出三个方向上的加速度，将其求解为合加速度。
步骤iv：使用Origin软件将激振力于合加速度的散点放入仿真曲线中验证果树受外力与土壤波动加速度曲线是否合理。
步骤v：若实验数据与仿真曲线相吻合，则得出合理果树受外力与土壤波动加速度曲线，确定外力对土壤波动的映射关系。
其中，DH5922采集箱为江苏东华测试技术有限公司的DH5922动态数据采集系统。
适用上述本发明提供的一种用于蓝莓采摘的果树受迫振动土壤波动测量方法，能够将根土复合体的锚固特性数据化，为振动式蓝莓采收机振动参数的优化提供理论依据，并使采收机具有普适性，实现农机与农艺相匹配。
如上所述，即可较好地实现本发明,上述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明确定的保护范围内。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (6)

1.一种用于蓝莓采摘的果树受迫振动土壤波动测量方法，具体包括如下步骤：
（1）确定果树受外界激振与土壤内部振动关系；
（2）建立果树三维模型；
（3）建立根土复合体模型进行仿真分析，获取外力与土壤波动加速度曲线；
（4）对果树进行激振试验，激振试验输出三个方向上的加速度，将其求解为合加速度；
（5）将激振力于合加速度的散点放入外力与土壤波动加速度曲线中，
（6）评价外力与土壤波动加速度曲线的可靠性。
2.根据权利要求1所述的一种用于蓝莓采摘的果树受迫振动土壤波动测量方法，所述步骤（1）具体为：通过蓝莓果树整体的受力分析得出蓝莓果树整株受力模型，并将根土复合体等效为弹簧系统，通过振动能量的传递以及对土壤储存势能的分析得到土壤振动加速度，分析其对土壤抗剪强度的影响得出果树受外界激振与土壤内部振动关系。
3.根据权利要求1所述的一种用于蓝莓采摘的果树受迫振动土壤波动测量方法，所述步骤（2）具体为：通过果树生物特性的确定，使用Soildwords建立果树的三维模型，其中模型包含主枝、主根、二级根和三级根。
4.根据权利要求3所述的一种用于蓝莓采摘的果树受迫振动土壤波动测量方法，所述步骤（3）具体包括如下步骤：
步骤
Figure DEST_PATH_IMAGE002
：将果树的三维模型在EDEM软件中进行颗粒填充形成根土复合体，填充颗粒的土槽为400mm×400mm×400mm的正方体；
步骤
Figure DEST_PATH_IMAGE004
：分别对树干的50mm、200mm、350mm、500mm高度处施加50N-500N、间距为50的作用力，以及对应的力矩共10次；
步骤
Figure DEST_PATH_IMAGE006
：输出平均速度作为仿真结果，通过单位时间节点内的时间变化量与速度变化量求解出土壤颗粒加速度；
步骤
Figure DEST_PATH_IMAGE008
：使用Origin拟合出4种不同高度下外力与土壤波动加速度曲线。
5.根据权利要求3所述的一种用于蓝莓采摘的果树受迫振动土壤波动测量方法，所述步骤（4）具体包括如下步骤：
步骤：将DH5922采集箱、PCB加速度传感器、冲击力锤以及DHDAS动态信号采集分析系统作为实验装置；
步骤
Figure DEST_PATH_IMAGE010
：使用冲击力锤对树干高度为50mm、200mm、350mm、500mm 处多次敲击，取激振力大小在50N~500N范围内的有效测试值共4次，并在每种高度下将PCB加速度传感器固定于深度为200mm、100mm的根系及0mm的土壤表面处；
步骤
Figure DEST_PATH_IMAGE012
：激振试验输出三个方向上的加速度，将其求解为合加速度。
6.根据权利要求3所述的一种用于蓝莓采摘的果树受迫振动土壤波动测量方法，所述步骤（6）具体为：若试验数据与外力与土壤波动加速度曲线相吻合，则得出合理果树受外力与土壤波动加速度曲线，确定外力对土壤波动的映射关系。
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