荔枝采摘中智能化无损夹切的认知与使能机理研究

荔枝是华南地区重要水果，及时、保质保量完成采摘是荔枝果农面临的难题，自动化收获或将成为关键出路。夹切位置的识别、夹持和切割是荔枝采摘中相互关联的关键步骤。现有成果不足以支撑其智能自动化、无损化，因而提出本项目的研究内容。拟先在前期研究的基础上通过构建创新算法推断果串免碰伤夹切区域；再在深入探讨果梗夹切载荷作用的材料变形、滑移规律和摩擦力变化趋势,以及刀具几何参数、切割载荷与切口特征的内在联系，并建立相关机理模型的基础上，以采摘的无损化为目标建立优化求解夹切载荷、刀具参数的算法。在试验基础上反复改进模型和算法，并在已有采摘器成果基础上开发智能采摘器系统实地验证，以最终获得科学的荔枝采摘智能化无损夹切的支撑理论，为荔枝采摘系统的设计和智能控制提供科学依据。本项目的研究成果同样适于指导龙眼、黄皮等南方特色水果的智能无损采摘，将促进相关作业的机械化和智能自动化, 因而具有理论价值和应用前景。

本项目的结果包括四方面内容：荔枝果串的认知与推理模型；夹持机构的结构、运动模型及其可靠夹持的加载边界模型；切割刀具几何角度与载荷的关系模型及控制载荷表达式；其它荔枝采收相关理论基础。.第一方面：提取色度平面的数据，通过“2簇k聚类算法”分割荔枝图形；通过“三次开闭运算”和“像素面积阀值算法”去除噪声，通过计算目标去噪声区域的面积比值来判断荔枝区域的大体形状类型。把果串区域及其姿态分成四类，提出了果串实际区域推测方法和果枝位置识别方法。.第二方面：提出了夹载的上下边界求解公式，通过矢量方程、复数运算等方法求得了各构件位置和速度求解公式，及夹头宽度和驱动机构速度下边界表达式。.第三方面：建立了切割载荷与摩擦力、刀具角度的关系模型，研究了两种典型刀具的切割力与刃角、切割角度和切割速度的关系，通过非参数估算法拟合出了刃角为15度的剪刀与果枝垂直时的切割载荷求解公式。.第四方面：建立了果树振动系统的刚度、振动频率和等效阻尼表达式；分析了果树的振动特性和空气阻尼对振动的影响及果树的振动模态；采用分离变量法求得了果枝各阶固有频率表达式；研究了荔枝的挤压力学特性、裂壳特征的力学原理和荔枝在压载作用下的应力分布规律。