枣树树冠三维自适应修剪机理研究

Abstract: According to the biological characteristics of jujube and the requirements of pruning technology,this project aimed at the problem that pruning equipment at home and abroad are not adapted to the jujube in Xinjiang to propose a kind of pruning technique that can automatically adapt to the individual characteristics of jujube based on the prophase research of pruning branches in jujube.This project by means of multi-sensor information fusion,Shear performance test,3D high-speed camera analysis and virtual simulation and other technical means to obtain the information about contour feature of crown and reconstruct it fast, construct the dynamic mechanics equations for pruning jujube,correct the model of spatial dynamic for pruning jujube,complete three-dimensional parametric design of physical model for pruning jujube,design the profiling mechanism for training and pruning,and build adaptive control system. Integrated the profiling pruning mechanism and the adaptive control system to develop the test prototype of training and pruning for adaptive the individual characteristics of jujube based on the physical model for pruning jujube, and conduct the test on training and pruning fast in jujube orchard.It is expected that this work will provide a theoretical basis and technical support for designing the training and pruning mechanism of jujube in the future.

摘要：针对目前国内外修剪机具不适应新疆枣树整形修剪等问题，根据枣树生物学特性与修剪技术要求，本项目在对枣树修剪方法前期研究基础上，提出一种枣树个体特征的自适应整形修剪技术。采用多传感信息融合、剪切性能测试、3D高速摄像分析、虚拟仿真等技术手段，获取树冠轮廓特征信息，实现枣树轮廓特征的快速重建；构建枣树动态修剪力学的数值方程，修正枣树空间动态修剪模型；完成枣树整形修剪物理模型的三维参数化设计，开发整形修剪仿形机构，搭建自适应控制系统。基于修剪模型，集成仿形修剪机构和自适应修剪控制系统，研制出基于枣树个体特征的自适应整形修剪试验样机，进行枣园快速整形修剪试验。项目研究成果将为红枣快速整形修剪机具的开发提供理论基础与技术支持。

本项目通过前期对修剪前后枣树生长信息进行调研统计分析并开展枣枝剪切力学特性研究，针对新疆矮化密植规模化、标准化种植枣园，提出了采用快速整形修剪与机械手选择修剪结合的枣树修剪方案，开展了枣树树冠三维自适应修剪机理研究，搭建了激光雷达和深度相机枣树三维重建平台，设计研发了枣树仿形修剪机和枣树修剪机械手，为枣树机械化修剪提出新的修剪方法。具体研究内容主要包括：.1）通过开展枣树树冠三维自适应修剪机理研究，对修剪前后枣树生长信息进行调研统计分析；自制枣枝动态锯切试验台，以圆锯片直径、喂入速度、刀盘转速、枣枝直径为影响因素，以锯切功率、修剪时间为响应指标，采用正交组合试验，得到了圆锯片刀的最佳工作参数。通过对枣树的生长信息与枣枝力学特性进行测定，为修剪部件工作参数的设计提供理论依据。.2）根据枣园种植模式、枣树生长信息，分别搭建激光雷达和深度相机枣树三维重建平台，根据枣树点云特征选取算法进行点云预处理，完成点云噪声的滤除；依据枣树的形态特征，选取枣树树冠部分点云，使用ICP算法进行精配准；利用欧式聚类分割算法对枣树点云进行提取，以获取完整枣树点云，为枣树的三维重建奠定基础。从枣树点云中提取枣树的骨架点、骨架点间的拓扑结构、半径等参数，实现了枣树的三维重建。.3）根据调研情况以及标准枣园机械化修剪的技术要求，并结合前期研究基础制定了项目总体设计方案，确定了枣树仿形修剪装置的总体结构及工作原理，并对关键部件进行了设计和理论分析，最后研制样机开展枣园修剪试验。.4）根据枣树修剪的农艺技术要求，在完成枣树整形修剪研究的基础上，提出了枣树单枝选择修剪方案，设计了一种5自由度枣树修剪机械手，对其关键部件进行设计，确定了各关节部件尺寸参数。根据机械臂的结构特点及机械臂工作空间内障碍物的几何特征，设计了机械臂的碰撞检测方法；提出一种基于人工修剪顺序和改进RRT-connect算法的路径规划方法用于解决机械臂多目标修剪无碰路径规划问题；最后开展机械手性能试验研究。.通过该项目的实施奠定了枣树树冠三维自适应修剪的理论基础，为规模化、标准化种植果园的快速整形修剪和机械手选择修剪提供了理论基础和技术支持。项目已发表论文9篇，其中高水平论文2篇，投稿中论文4篇，其中投IJABE（SCI）已校稿，申请专利9项，培养研究生5名。