高速視頻中果實(shí)運(yùn)動軌跡分析

1、高速視頻中的果實(shí)運(yùn)動軌跡分析一、研究起因二、研究內(nèi)容三、研究過程四、總結(jié)與不足主要從以下幾個方面進(jìn)行介紹：高速視頻中的果實(shí)運(yùn)動軌跡分析一、研究起因：（1）藍(lán)莓果實(shí)對人的好處很多，含有豐富的營養(yǎng)成分，具有良好的營養(yǎng)保健作用，還可以防止腦神經(jīng)老化、強(qiáng)心、增強(qiáng)人機(jī)體免疫等功能。（2）藍(lán)莓果實(shí)的種植規(guī)模發(fā)展迅速，目前藍(lán)莓基地分布在國內(nèi)20余個省市，栽培面積迅速擴(kuò)大，產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速。藍(lán)莓的大量需求，對于藍(lán)莓的引種栽植、商品化種植、大面積栽培開始，在市場上藍(lán)莓一直處于供不應(yīng)求的狀態(tài)。（3）但是存在的問題是：藍(lán)莓的采收方法大多數(shù)為人工采收，采收速率慢，時間緊；國內(nèi)外雖然有機(jī)械振動收割，但是少，而且對果實(shí)的傷害

2、很大。針對這種情況，本課題研究在振動環(huán)的激振條件下，研究果實(shí)的運(yùn)動規(guī)律。二、研究內(nèi)容：（1）藍(lán)莓果實(shí)落果試驗(yàn)方案的制定采用普通的振動器驅(qū)動方式來研究果實(shí)往復(fù)運(yùn)動。（2） 激振裝置的設(shè)計為了保證實(shí)驗(yàn)在穩(wěn)定力的振動源條件下運(yùn)動，同時為了確保力的均勻，還要考慮到振動器與枝干的摩擦情況，將直徑為7mm的鋼筋棍的頭部彎曲盤繞。（3）實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)記錄 實(shí)地實(shí)驗(yàn)后，將拍攝的視頻利用Free Video to JPG Converter轉(zhuǎn)化為一楨一楨的圖片，在利用畫圖工具分布確定果實(shí)的相對像素點(diǎn)的坐標(biāo)，記錄數(shù)據(jù)。（4）數(shù)據(jù)分析得出規(guī)律將得到的數(shù)據(jù)在MATLAB中分析，確定果實(shí)位移，速度，加速度圖像，并且分析曲線

3、中數(shù)據(jù)大小及分析原因。（1）相機(jī)參數(shù)介紹與拍攝運(yùn)動過程相機(jī)：卡西歐（Casio） EX-F1，拍攝速度600fps 視頻長度：50秒 幀寬度：432 幀高度：192視頻的數(shù)據(jù)速率：1960kbps 總比特率：1960kbps視頻幀速率：30幀/s（2）藍(lán)莓的運(yùn)動視頻三、研究過程：三、研究過程：（3）Free Video to JPG Converter軟件對視頻的截取它是一個可以錄像制作畫集的理想工具，而且非?？旖莺喴?。在對攝像機(jī)拍攝好的照片進(jìn)行以下步驟分析:打開軟件Free Video to JPG Converter，導(dǎo)入試驗(yàn)錄像；創(chuàng)建跟蹤點(diǎn)，進(jìn)行逐幀跟蹤（4）截取到的圖片三、研究過程：截

4、取到的圖片大約有210幅三、研究過程：（5）藍(lán)莓（質(zhì)點(diǎn)）坐標(biāo)的確定過程將提取出來的圖片放大后進(jìn)行標(biāo)記，由于視頻中能夠完整觀測到的果實(shí)只有3個，所以記錄完整3個果實(shí)的像素點(diǎn)的橫縱坐標(biāo)，錄入excel中右圖為其中一幅圖片三個果實(shí)的記錄過程三、研究過程：（6）3個果實(shí)位置軌跡圖（6）3個果實(shí)的位置軌跡分析3個果實(shí)軌跡圖如下：三、研究過程：3個果實(shí)運(yùn)動軌跡分析結(jié)果：通過上面的三個藍(lán)莓位置圖的比較，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，整體上來說，在振動源相同、作用時間相同、同一個主枝、不同分枝的振動條件下，藍(lán)莓1號和藍(lán)莓2號的軌跡圖比藍(lán)莓3號的分布更為復(fù)雜點(diǎn)，密度更大。密度大的原因是從視頻中它們的落地時間不同，1號與2號的

5、時間較長。從藍(lán)莓枝分布位置來看，1號所在的藍(lán)莓分枝距離主枝是最近的，2號稍微遠(yuǎn)些，3則是距離主枝是最遠(yuǎn)的。從水平分布的結(jié)果和里主枝干的距離的關(guān)系，我們知道當(dāng)藍(lán)莓分枝與主枝的距離越遠(yuǎn)時，它的往返的幅度是對應(yīng)的，距離越遠(yuǎn)，幅度越大。而且，在圖中我們可以看到，3個果實(shí)在脫落枝干的時刻，在豎直刻度上幾乎是一致的，這與我們拍攝到的視頻的結(jié)果相符合。三、研究過程：（7）質(zhì)點(diǎn)的位移與時間的確定過程橫坐標(biāo)時間的確定過程:在本次的試驗(yàn)中，所截取的圖片均是由每隔5幅圖片而測定的數(shù)據(jù)，采取利用將第一幅圖片的初始時間為1s，第二幅圖為2s，3s,以此類推，得到整個觀測期間的時間。而在相機(jī)拍攝的參數(shù)得到的是600fps

6、，就是說每一幀圖的間隔時間是1/600s,從而我們可以看出的是，圖片的實(shí)際時間與在初始設(shè)定的時間的比例是1:600，那么在后續(xù)的運(yùn)動軌跡的分析過程中只需要在單位中縮小600/5=120倍的比例即可?？v坐標(biāo)位移的確定過程:在本次實(shí)驗(yàn)中，振動器的環(huán)的直徑為7mm,選取其中的圖我們可以得到環(huán)所占用的平均像素點(diǎn)為8個像素點(diǎn)，那么每兩個像素直接對應(yīng)的實(shí)際距離為7/8mm,這將為后面的位移、速度、加速度求取過程提供數(shù)據(jù)的分析。三、研究過程：質(zhì)點(diǎn)的位移與時間曲線擬合原理多項(xiàng)式擬合：能夠?qū)⒁幌盗袦y試數(shù)據(jù)逆合成近似的經(jīng)驗(yàn)公式，所擬合的光滑曲線不一定能夠通過所有的點(diǎn)，但是能夠盡可能的接近這些點(diǎn)，反映了所給數(shù)據(jù)的趨

7、勢，比較符合實(shí)際規(guī)律。matlab中的polyfitpolyfit多項(xiàng)式函數(shù)擬合:a=polyfit1(xdata,ydata,n)其中n表示多項(xiàng)式的最高階數(shù)，xdata，ydata為將要擬合的數(shù)據(jù)，它是用數(shù)組的方式輸入.輸出參數(shù)a為擬合多項(xiàng)式 y=a1xn+.+anx+a n+1的系數(shù)。多項(xiàng)式在x處的值y可用下面程序計算.y=polyval(a,x,m) 線性:m=1, 二次:m=2, polyfit的輸出是一個多項(xiàng)式系數(shù)的行向量。為了計算在xi數(shù)據(jù)點(diǎn)的多項(xiàng)式值，調(diào)用MATLAB的函數(shù)polyval。三、研究過程：質(zhì)點(diǎn)的位移與時間曲線程序三、研究過程：3個果實(shí)（質(zhì)點(diǎn)）的位移與時間曲線圖像三、

8、研究過程：3個果實(shí)（質(zhì)點(diǎn)）的位移與時間曲線圖像分析3個果實(shí)的分布情況為在同一主枝上不同分枝，果柄與果枝的連接方式類似，距離振源的距離由近及遠(yuǎn)為1、2、3，從位移時間曲線圖像知道振動脫落過程中藍(lán)莓果實(shí)的位移變化規(guī)律相似，藍(lán)莓果實(shí)3瞬時位移的三個峰值都比藍(lán)莓果實(shí)1、2的三個峰值高。橫坐標(biāo)表示脫落過程中各個時刻，單位為s，縱坐標(biāo)表示藍(lán)莓果實(shí)在振動過程中各個時刻對應(yīng)的瞬時位移，單位為m。位移曲線的能夠看出3號藍(lán)莓首先掉落，與拍攝到的視頻的軌跡一致，結(jié)論是距離枝干越遠(yuǎn)，越先脫落。三、研究過程：（8）3個果實(shí)（質(zhì)點(diǎn)）的速度與時間曲線程序與圖像三、研究過程：3個果實(shí)（質(zhì)點(diǎn)）的速度與時間曲線對比分析藍(lán)莓果實(shí)1

9、在不同階段分別用時：0.2083、0.1、0.334、0.5583、0.075s；藍(lán)莓果實(shí)2在不同階段分別用時：0.2、0.1167、0.2666、0.5837、0.158、0.067、0.166s；藍(lán)莓果實(shí)2在不同階段分別用時：0.2、0.1167、0.2666、0.5837、0.158、0.067、0.166s；藍(lán)莓果實(shí)3在不同階段分別用時：0.1917、0.2、0.225、0.3583、0.0667s藍(lán)莓果實(shí)瞬時速度的變化周期幾乎相近，不同的是在脫落階段的時間不同。瞬時速度峰值出現(xiàn)的時刻規(guī)律為，3號所在枝干的瞬時速度峰值出現(xiàn)時刻較藍(lán)莓果實(shí)1、2瞬時速度峰值出現(xiàn)的早，分析原因是因?yàn)?號藍(lán)莓

10、果實(shí)距離枝干的距離最遠(yuǎn)，在接受振動能量傳遞時有延遲，而且3號果實(shí)的質(zhì)量最大，這導(dǎo)致了3果實(shí)最早脫落。此次試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明了理論與實(shí)際是相符合的，從理論上側(cè)面反映了藍(lán)莓果實(shí)在振動脫落過程中的力學(xué)性能。果實(shí)的質(zhì)量、力的傳遞均與脫落時間有關(guān)系。三、研究過程：（9）3個果實(shí)（質(zhì)點(diǎn)）的加速度與時間曲線程序與圖像三、研究過程：3個果實(shí)（質(zhì)點(diǎn)）的加速度與時間曲線對比分析根據(jù)圖知，3個果實(shí)的加速度出現(xiàn)的峰值與峰值間的數(shù)值大小，可以將整個過程分開來分析：1號 果 實(shí) 第 一 個 峰 值 出 現(xiàn) 在0.2583s時刻，第二個峰值出現(xiàn)在0.375s時刻，第三個峰值出現(xiàn)在0.675s時刻，第四個峰值出現(xiàn)的時刻是1.233

11、s，分為5個階段：第一階段：橫坐標(biāo)對應(yīng)的0-0.2583s，藍(lán)莓果實(shí)1瞬時加速度在 0 . 2 9 1 7 s 時 刻 達(dá) 到 極 大 值76.99m/s2；加速度變化基本穩(wěn)定，從-26.75 -28.26 m/s2，正負(fù)相間，這與速度在此階段的變化趨勢為正弦變化相對應(yīng)；第二階段 ： 橫 坐 標(biāo) 對 應(yīng) 的 0 . 2 5 8 3 -0.3833s，藍(lán)莓果實(shí)1瞬時速度在30.3833s時刻達(dá)到極大值三、研究過程：3個果實(shí)（質(zhì)點(diǎn)）的加速度與時間曲線對比分析129.7 m/s2； 加速度變化落差比較大，從-95.96-129.7 m/s2，分析其原因可能是由于振動效果產(chǎn)生的，振動力大于此時的果柄拉

12、力；第三階段：橫坐標(biāo)對應(yīng)的0.3833-0.675s，瞬時加速度變化范圍是-83.77-118.9 m/s2，在此階段果實(shí)瞬時加速度整體平滑趨勢，中間有波動的現(xiàn)象，果實(shí)的加速度的波動將導(dǎo)致速度的迅速變化，這與次階段的速度突然變大相對應(yīng)；后面2個階段不在介紹。三、研究過程：（10）3個果實(shí)（質(zhì)點(diǎn)）的慣性力與時間曲線對比分析慣性力的計算F=m*a;對于慣性力的分析，只需要在加速度與時間的基礎(chǔ)上乘以1、2、3號果實(shí)的平均質(zhì)量，最終得到的慣性力的結(jié)果如圖所示：三、研究過程：在加速度分析中，果實(shí)1脫落前最小的量為139.1m/s2，果實(shí)2脫落前的最小加速度為142.6 m/s2，果實(shí)3脫落前最小加速度約

13、為62 m/s2，那么分別乘以果實(shí)1、2、3的平均質(zhì)量，得到他們的最小慣性力分別為0.12333N，0.22415N，0.12246N。三、研究過程：3個果實(shí)（質(zhì)點(diǎn)）的慣性力分析結(jié)果四、總結(jié)與不足：本文進(jìn)行了藍(lán)莓落果試驗(yàn)，從藍(lán)莓脫落過程中位置變化出發(fā)，運(yùn)用矩陣運(yùn)算處理軟件MATLAB對藍(lán)莓位移、瞬時速度、加速度、慣性力分析計算，根據(jù)數(shù)值計算的結(jié)果得出藍(lán)莓果實(shí)脫落時需要的最小慣性力，為未來的設(shè)計振動式收獲藍(lán)莓提供理論研究。但是還有很多不足之處。（1）總結(jié)：通過對同振動源、同枝干、不同分枝振動條件下的藍(lán)莓果實(shí)的脫落順序，發(fā)現(xiàn)距離枝干越遠(yuǎn)、果實(shí)質(zhì)量越大那么脫落時間越短。本文在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了分析，為了更好的確定激振力的大小，建立起樹枝果實(shí)的簡化模型，從數(shù)值分析變