高速视频中的果实运动轨迹分析

1、高速视频中的果实运动轨迹分析一、研究起因二、研究内容三、研究过程四、总结与不足主要从以下几个方面进行介绍：高速视频中的果实运动轨迹分析一、研究起因：（1）蓝莓果实对人的好处很多，含有丰富的营养成分，具有良好的营养保健作用，还可以防止脑神经老化、强心、增强人机体免疫等功能。（2）蓝莓果实的种植规模发展迅速，目前蓝莓基地分布在国内20余个省市，栽培面积迅速扩大，产业发展迅速。蓝莓的大量需求，对于蓝莓的引种栽植、商品化种植、大面积栽培开始，在市场上蓝莓一直处于供不应求的状态。（3）但是存在的问题是：蓝莓的采收方法大多数为人工采收，采收速率慢，时间紧；国内外虽然有机械振动收割，但是少，而且对果实的伤害

2、很大。针对这种情况，本课题研究在振动环的激振条件下，研究果实的运动规律。二、研究内容：（1）蓝莓果实落果试验方案的制定采用普通的振动器驱动方式来研究果实往复运动。（2） 激振装置的设计为了保证实验在稳定力的振动源条件下运动，同时为了确保力的均匀，还要考虑到振动器与枝干的摩擦情况，将直径为7mm的钢筋棍的头部弯曲盘绕。（3）实验与数据记录 实地实验后，将拍摄的视频利用Free Video to JPG Converter转化为一桢一桢的图片，在利用画图工具分布确定果实的相对像素点的坐标，记录数据。（4）数据分析得出规律将得到的数据在MATLAB中分析，确定果实位移，速度，加速度图像，并且分析曲线

3、中数据大小及分析原因。（1）相机参数介绍与拍摄运动过程相机：卡西欧（Casio） EX-F1，拍摄速度600fps 视频长度：50秒 帧宽度：432 帧高度：192视频的数据速率：1960kbps 总比特率：1960kbps视频帧速率：30帧/s（2）蓝莓的运动视频三、研究过程：三、研究过程：（3）Free Video to JPG Converter软件对视频的截取它是一个可以录像制作画集的理想工具，而且非常快捷简易。在对摄像机拍摄好的照片进行以下步骤分析:打开软件Free Video to JPG Converter，导入试验录像；创建跟踪点，进行逐帧跟踪（4）截取到的图片三、研究过程：截

4、取到的图片大约有210幅三、研究过程：（5）蓝莓（质点）坐标的确定过程将提取出来的图片放大后进行标记，由于视频中能够完整观测到的果实只有3个，所以记录完整3个果实的像素点的横纵坐标，录入excel中右图为其中一幅图片三个果实的记录过程三、研究过程：（6）3个果实位置轨迹图（6）3个果实的位置轨迹分析3个果实轨迹图如下：三、研究过程：3个果实运动轨迹分析结果：通过上面的三个蓝莓位置图的比较，从图中可以发现，整体上来说，在振动源相同、作用时间相同、同一个主枝、不同分枝的振动条件下，蓝莓1号和蓝莓2号的轨迹图比蓝莓3号的分布更为复杂点，密度更大。密度大的原因是从视频中它们的落地时间不同，1号与2号的

5、时间较长。从蓝莓枝分布位置来看，1号所在的蓝莓分枝距离主枝是最近的，2号稍微远些，3则是距离主枝是最远的。从水平分布的结果和里主枝干的距离的关系，我们知道当蓝莓分枝与主枝的距离越远时，它的往返的幅度是对应的，距离越远，幅度越大。而且，在图中我们可以看到，3个果实在脱落枝干的时刻，在竖直刻度上几乎是一致的，这与我们拍摄到的视频的结果相符合。三、研究过程：（7）质点的位移与时间的确定过程横坐标时间的确定过程:在本次的试验中，所截取的图片均是由每隔5幅图片而测定的数据，采取利用将第一幅图片的初始时间为1s，第二幅图为2s，3s,以此类推，得到整个观测期间的时间。而在相机拍摄的参数得到的是600fps

6、，就是说每一帧图的间隔时间是1/600s,从而我们可以看出的是，图片的实际时间与在初始设定的时间的比例是1:600，那么在后续的运动轨迹的分析过程中只需要在单位中缩小600/5=120倍的比例即可。纵坐标位移的确定过程:在本次实验中，振动器的环的直径为7mm,选取其中的图我们可以得到环所占用的平均像素点为8个像素点，那么每两个像素直接对应的实际距离为7/8mm,这将为后面的位移、速度、加速度求取过程提供数据的分析。三、研究过程：质点的位移与时间曲线拟合原理多项式拟合：能够将一系列测试数据逆合成近似的经验公式，所拟合的光滑曲线不一定能够通过所有的点，但是能够尽可能的接近这些点，反映了所给数据的趋

7、势，比较符合实际规律。matlab中的polyfitpolyfit多项式函数拟合:a=polyfit1(xdata,ydata,n)其中n表示多项式的最高阶数，xdata，ydata为将要拟合的数据，它是用数组的方式输入.输出参数a为拟合多项式 y=a1xn+.+anx+a n+1的系数。多项式在x处的值y可用下面程序计算.y=polyval(a,x,m) 线性:m=1, 二次:m=2, polyfit的输出是一个多项式系数的行向量。为了计算在xi数据点的多项式值，调用MATLAB的函数polyval。三、研究过程：质点的位移与时间曲线程序三、研究过程：3个果实（质点）的位移与时间曲线图像三、

8、研究过程：3个果实（质点）的位移与时间曲线图像分析3个果实的分布情况为在同一主枝上不同分枝，果柄与果枝的连接方式类似，距离振源的距离由近及远为1、2、3，从位移时间曲线图像知道振动脱落过程中蓝莓果实的位移变化规律相似，蓝莓果实3瞬时位移的三个峰值都比蓝莓果实1、2的三个峰值高。横坐标表示脱落过程中各个时刻，单位为s，纵坐标表示蓝莓果实在振动过程中各个时刻对应的瞬时位移，单位为m。位移曲线的能够看出3号蓝莓首先掉落，与拍摄到的视频的轨迹一致，结论是距离枝干越远，越先脱落。三、研究过程：（8）3个果实（质点）的速度与时间曲线程序与图像三、研究过程：3个果实（质点）的速度与时间曲线对比分析蓝莓果实1

9、在不同阶段分别用时：0.2083、0.1、0.334、0.5583、0.075s；蓝莓果实2在不同阶段分别用时：0.2、0.1167、0.2666、0.5837、0.158、0.067、0.166s；蓝莓果实2在不同阶段分别用时：0.2、0.1167、0.2666、0.5837、0.158、0.067、0.166s；蓝莓果实3在不同阶段分别用时：0.1917、0.2、0.225、0.3583、0.0667s蓝莓果实瞬时速度的变化周期几乎相近，不同的是在脱落阶段的时间不同。瞬时速度峰值出现的时刻规律为，3号所在枝干的瞬时速度峰值出现时刻较蓝莓果实1、2瞬时速度峰值出现的早，分析原因是因为3号蓝莓

10、果实距离枝干的距离最远，在接受振动能量传递时有延迟，而且3号果实的质量最大，这导致了3果实最早脱落。此次试验数据表明了理论与实际是相符合的，从理论上侧面反映了蓝莓果实在振动脱落过程中的力学性能。果实的质量、力的传递均与脱落时间有关系。三、研究过程：（9）3个果实（质点）的加速度与时间曲线程序与图像三、研究过程：3个果实（质点）的加速度与时间曲线对比分析根据图知，3个果实的加速度出现的峰值与峰值间的数值大小，可以将整个过程分开来分析：1号 果 实 第 一 个 峰 值 出 现 在0.2583s时刻，第二个峰值出现在0.375s时刻，第三个峰值出现在0.675s时刻，第四个峰值出现的时刻是1.233

11、s，分为5个阶段：第一阶段：横坐标对应的0-0.2583s，蓝莓果实1瞬时加速度在 0 . 2 9 1 7 s 时 刻 达 到 极 大 值76.99m/s2；加速度变化基本稳定，从-26.75 -28.26 m/s2，正负相间，这与速度在此阶段的变化趋势为正弦变化相对应；第二阶段 ： 横 坐 标 对 应 的 0 . 2 5 8 3 -0.3833s，蓝莓果实1瞬时速度在30.3833s时刻达到极大值三、研究过程：3个果实（质点）的加速度与时间曲线对比分析129.7 m/s2； 加速度变化落差比较大，从-95.96-129.7 m/s2，分析其原因可能是由于振动效果产生的，振动力大于此时的果柄拉

12、力；第三阶段：横坐标对应的0.3833-0.675s，瞬时加速度变化范围是-83.77-118.9 m/s2，在此阶段果实瞬时加速度整体平滑趋势，中间有波动的现象，果实的加速度的波动将导致速度的迅速变化，这与次阶段的速度突然变大相对应；后面2个阶段不在介绍。三、研究过程：（10）3个果实（质点）的惯性力与时间曲线对比分析惯性力的计算F=m*a;对于惯性力的分析，只需要在加速度与时间的基础上乘以1、2、3号果实的平均质量，最终得到的惯性力的结果如图所示：三、研究过程：在加速度分析中，果实1脱落前最小的量为139.1m/s2，果实2脱落前的最小加速度为142.6 m/s2，果实3脱落前最小加速度约

13、为62 m/s2，那么分别乘以果实1、2、3的平均质量，得到他们的最小惯性力分别为0.12333N，0.22415N，0.12246N。三、研究过程：3个果实（质点）的惯性力分析结果四、总结与不足：本文进行了蓝莓落果试验，从蓝莓脱落过程中位置变化出发，运用矩阵运算处理软件MATLAB对蓝莓位移、瞬时速度、加速度、惯性力分析计算，根据数值计算的结果得出蓝莓果实脱落时需要的最小惯性力，为未来的设计振动式收获蓝莓提供理论研究。但是还有很多不足之处。（1）总结：通过对同振动源、同枝干、不同分枝振动条件下的蓝莓果实的脱落顺序，发现距离枝干越远、果实质量越大那么脱落时间越短。本文在试验的基础上进行了分析，为了更好的确定激振力的大小，建立起树枝果实的简化模型，从数值分析变