基于逆向工程的水稻精準(zhǔn)模型構(gòu)建及試驗驗證

陳 晨，吳崇友，江 濤

(1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)，合肥 230036；2.農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京 210014)

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基于逆向工程的水稻精準(zhǔn)模型構(gòu)建及試驗驗證

陳 晨1,2，吳崇友2，江 濤2

(1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)，合肥 230036；2.農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京 210014)

為了更加切實反映水稻谷粒在介質(zhì)中的運(yùn)動及顆粒間的碰撞情況，利用逆向工程技術(shù)建立谷粒的精準(zhǔn)三維模型。使用三維掃描儀測得飽滿籽粒和癟谷的點云數(shù)據(jù)，在后處理軟件中經(jīng)過數(shù)據(jù)處理、曲面重構(gòu)最終生成質(zhì)量較好的谷粒三維模型，與實際谷粒誤差均小于2%。為了進(jìn)一步驗證基于逆向工程方法所建谷粒模型的準(zhǔn)確性，采用離散元素法，將構(gòu)建的谷粒不同模型導(dǎo)入離散元軟件中，進(jìn)行堆積角的仿真模擬及試驗驗證。堆積角的對比仿真模擬及試驗表明：顆粒模型對堆積角的形成有較大影響，所構(gòu)建模型模擬得到的堆積角與實際試驗結(jié)果誤差更小(3%以內(nèi))。該模型可更好地反映水稻籽粒間的接觸碰撞和摩擦運(yùn)動，為水稻籽粒收獲清選過程中的動力學(xué)仿真分析提供了一種準(zhǔn)確性和實用性更高的模型。

水稻；谷粒模型；逆向工程；三維激光掃描； 離散元

0 引言

聯(lián)合收割機(jī)田間作業(yè)時，作物需經(jīng)過切割、輸送、脫粒和清選4道工序。經(jīng)過脫粒滾筒分離后進(jìn)入清選室的物料是幾何形狀不規(guī)則、物理特性差別很大的多種脫出物的混合物[1-2]，包括飽滿籽粒、不飽滿籽粒(癟谷)、長莖稈、短莖稈及碎葉等。從占比看，谷粒(飽滿谷粒)占比最大[3]，因此是清選仿真物料建模的重點。在以往的谷粒仿真中，為了方便模擬、減少計算量，大多進(jìn)行了簡化處理：將谷粒近似為球體，莖稈近似為長圓柱體[4-5]；但由于仿真模型與實際物料差別較大，影響了顆粒物料在介質(zhì)中運(yùn)動和顆粒間碰撞動力學(xué)仿真效果[6-10]。因此，建立更加逼真的谷粒物料模型是更好地進(jìn)行收割機(jī)清選仿真的重要前提。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，相關(guān)學(xué)者對物料建模的研究也在不斷進(jìn)步，如采用多個球體粘結(jié)在一起構(gòu)成顆粒聚合體的方法來模擬顆粒表面[11-13]。更有學(xué)者展開精準(zhǔn)建模研究，采用數(shù)字圖像技術(shù)、CT掃描技術(shù)獲取顆粒外形信息，進(jìn)而建立出精度高且球體數(shù)量可控的顆粒模型[14]。近年來，一種新興的測繪技術(shù)被廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域，三維激光掃描技術(shù)因具有精度高、實效性強(qiáng)和對任何不規(guī)則物體都能掃描的特點，在農(nóng)業(yè)中已開始被應(yīng)用于作物建模、生長周期分析和對比。逆向工程又稱反求工程，就是對已存在的實物模型或零件進(jìn)行測量并根據(jù)測量數(shù)據(jù)重構(gòu)出 CAD 數(shù)字模型[15]。三維激光掃描技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用，運(yùn)用該技術(shù)將形狀不規(guī)則的水稻脫出物轉(zhuǎn)化為精準(zhǔn)的三維模型，并應(yīng)用于離散元仿真軟件進(jìn)行堆積角的對比分析，為后期的動力學(xué)分析和軟件仿真奠定重要基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料準(zhǔn)備

水稻脫出物中的組成成分主要有飽滿的籽粒、未完全成熟的癟谷、破碎的短莖稈及其他輕雜余物質(zhì)。由于輕雜余所占比例不高且成分多樣、質(zhì)量較小，其形狀大小完全可以忽略不計。另外，莖稈因經(jīng)過割臺、輸送槽和脫粒滾筒的擠壓，形狀發(fā)生較大變形，沒有一定厚度的直徑，因此也不宜采用此種基于逆向工程的建模方法。本次建模只針對脫出物中的飽滿籽粒和癟谷。

本次建模的對象是南粳9103水稻，水稻脫出物樣品取自河南信陽試驗地。由于水稻脫出物的形狀差異大，其尺寸特征通常需要提取特征后采用統(tǒng)計平均的方法進(jìn)行描述。從樣品中分別隨機(jī)選取8組飽滿籽粒和癟谷，每組10粒，對其分別測量三軸尺寸，每組取平均值結(jié)果如表1所示。

1.2 建模方法

逆向工程技術(shù)進(jìn)行物料建模，首先通過對樣品的實物掃描測量獲得大量的點云數(shù)據(jù)，然后由專業(yè)處理軟件和手段對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，最后充分利用成熟的 CAD/CAM 技術(shù)，快速、準(zhǔn)確地建立三維實體幾何模型[16-17]。逆向工程技術(shù)多應(yīng)用于機(jī)械行業(yè)的產(chǎn)品制造加工，而在農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域的研究與報道較少，本文將采用此項技術(shù)建立水稻籽粒的三維模型，為后續(xù)研究提供參考。其工作流程如圖1所示。

表1 三軸尺寸測量結(jié)果

圖1 逆向工程工作流程

點云數(shù)據(jù)的測量可通過接觸式和非接觸式兩種方法。接觸式測量是一種機(jī)械探頭直接接觸樣品表面逐點測量的方法，雖然測量方法穩(wěn)定，但受直接接觸測量的限制，某些微小零件樣品或細(xì)節(jié)之處不易測得。另外，機(jī)械探頭的逐點測量必然導(dǎo)致測量速度受限，不能得到足夠多的數(shù)據(jù)點來反應(yīng)真實樣品零件。李驊等便是運(yùn)用接觸式測量的方法，構(gòu)建的谷粒模型與實際樣品在細(xì)微之處存在較大差異[18]。非接觸式測量方法是基于光學(xué)、聲學(xué)、磁場原理的數(shù)據(jù)采集方法。其中，應(yīng)用光學(xué)原理的方法采集數(shù)據(jù)速度快，主要有激光三角形法、結(jié)構(gòu)光學(xué)法及圖像分析法等[19]。非接觸式測量具有精度高、測速快、數(shù)據(jù)量大等特點，對于易碎、易變形或不可直接接觸的微小零件都可測量，避免了探頭接觸時產(chǎn)生的測量誤差，更好地反映了樣品零件的外形特征。

2 水稻脫出物點云數(shù)據(jù)測量

本次測量所使用的是杭州先臨公司自主研發(fā)的Shining3D-Scanner2.2掃描儀，具有高效率、 高精度、 高壽命及高解析度等優(yōu)點， 特別適用于復(fù)雜自由曲面的逆向建模。在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集前首先要對系統(tǒng)標(biāo)定，鑒于本次測量對象，選取最小尺寸(80×100mm)標(biāo)定板，標(biāo)定好的精度將直接影響系統(tǒng)的掃描精度。

由于水稻籽粒形狀特殊、體積太小、不易操作，實際測量時于準(zhǔn)備好的待測樣品中隨機(jī)選取5粒飽滿粒和5粒癟谷粒(剔除形狀差異大的)，利用粘性物質(zhì)(如橡皮泥)將谷粒固定在待測平臺上，再在谷粒周圍隨機(jī)粘貼上標(biāo)志點，如圖2所示。

圖2 待測谷粒和實驗平臺

將待測平臺擺放平穩(wěn)后開始掃描，每次掃描時投影儀只能將光柵投射到正對它的物體表面。因此，一次掃描完成后，待測平臺及其固定在上面的谷粒需要轉(zhuǎn)動一個角度，以便于對各個曲面進(jìn)行掃描操作；同時必須保證谷粒相對于標(biāo)定板的位置不能發(fā)生偏移，否則標(biāo)志點將無法自動拼接。1周掃描完成后，可先將此次測得的所有點云數(shù)據(jù)導(dǎo)出，而谷粒尖端由于被遮擋了一部分，獲得的點云數(shù)據(jù)不完整，因此將谷粒旋轉(zhuǎn)180°，以被遮擋住的尖端朝上固定，再以同樣的方法掃描谷粒1周。在掃描時,還要觀察計算機(jī)中顯示的點云數(shù)據(jù)， 應(yīng)該將點云稀疏或缺失的部分多次掃描，確保采集的點云數(shù)據(jù)的完整性。采集的數(shù)據(jù)點云圖如圖3所示。

圖3 采集到的數(shù)據(jù)點云圖

3 三維模型重構(gòu)

3.1 數(shù)據(jù)處理

由于場地光源、測量方法和模型表面質(zhì)量等因素的影響，通常會使掃描所得的點云數(shù)據(jù)中包含有誤差。 其中，一部分是冗余點和噪聲點，其在后續(xù)的三維建模過程中會嚴(yán)重影響所建模型中某些曲面和曲線的重構(gòu)操作。 因此，為了能獲取較好的點云數(shù)據(jù)，有必要對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理操作。

數(shù)據(jù)預(yù)處理是對采集到的點云數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪、采樣、注冊等一系列的操作，從而將采集到的點云數(shù)據(jù)變得更完善、更合理，保證后續(xù)模型重構(gòu)的準(zhǔn)確性。首先在后處理軟件中，以mm為單位分別導(dǎo)入測得的點云數(shù)據(jù)群。從圖3可以看出：在谷粒表面點云數(shù)據(jù)掃描過程中，固定樣品的粘性物體、待測平臺及激光掃描過程中的光線散射等因素導(dǎo)致谷粒表面點云數(shù)據(jù)中包含大量多余的點和噪聲。這些噪聲是由多幅點云數(shù)據(jù)重疊在一起，因此無法直接圈選刪除，必須在貫通和背景模式下進(jìn)行處理。對于不同視角掃描到的點云數(shù)據(jù)，需要先進(jìn)行全局注冊,使初始拼接的點云對象更加精細(xì)；接著,通過聯(lián)合點對象命令來濾除多余的數(shù)據(jù)點；最后,將兩次掃描的點云分別建組，為手動拼接做好準(zhǔn)備。

因測量對象特殊，無法一次完成整個谷粒的掃描，因此需要對上下兩組點云進(jìn)行手動注冊，通過n點注冊的方法，在定義集合里以其中一組點云作為固定，另一組作為浮動，將上面兩個窗口的點云片轉(zhuǎn)動到相同方位，放大模型尋找顯著特征，如圖4所示。n點注冊要求選中3個及以上的共同特征，而特征點的選擇直接影響到谷粒的拼接效果。手動注冊完成后，還需要通過全局注冊進(jìn)行再次擬合，從而得到更加精確的模型。注冊后的模型需要通過聯(lián)合點對象將多幅點云聯(lián)合為一個，然后封裝成一個多邊形網(wǎng)格。填充網(wǎng)格面上明顯可見的孔洞，利用網(wǎng)格醫(yī)生自動修復(fù)缺陷，如刪除釘狀物，去除特征、填充孔等。

圖4 谷粒的手動拼接圖

3.2 三維模型生成

三角網(wǎng)格的多邊形階段表面質(zhì)量較差且面過多，為了得到質(zhì)量較好、面較少的NURBS曲面，多邊形網(wǎng)格的處理起到了重要作用。網(wǎng)格面處理的越光滑平順，擬合后得到的NURBS曲面質(zhì)量越好。NURBS 方法是非有理 B 樣條方法在四維空間的直接推廣，多數(shù)非有理 B 樣條曲線曲面的性質(zhì)及其相應(yīng)算法也適用于 NURBS 曲線曲面，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)更是將其作為描述產(chǎn)品幾何形狀的唯一數(shù)學(xué)方法[20]。

NURBS(非均勻有理B樣條曲線)和曲面的簡稱，表達(dá)式為

(1)

其中，Vi為控制控制頂點；Wi為權(quán)因子；Bik(u)為k次B樣條基函數(shù)?；瘮?shù)仍由遞推公式定義為

(2)

其中，k為冪次;ui(i=0,1，…，m)為節(jié)點矢量U。

U=[u0,u1,…，um]

(3)

當(dāng)節(jié)點數(shù)為(m+1)、冪次為k、控制頂點數(shù)為(n+1)時,m、k和n三者之間的關(guān)系為m=n+k+1。

對于非周期的B樣條,節(jié)點矢量為

U={0,0,0,…,uk+1,…,um-k-1,1,1,1}

(4)

曲線通過控制多邊形首尾兩端各有的n+1各節(jié)點來使端點與首、末兩條邊相切。NURBS曲線的生成即為通過控制點來決定的，除了控制點外還有曲線的方向、曲線的段、編輯點、結(jié)構(gòu)線、起點和終點這些因素共同影響著曲線的生成。

NURBS曲面則由表達(dá)式(5)定義，即

(5)

其中，Bik、Bji分別為NURBS曲面u和v參數(shù)方向的B樣條基函數(shù)；k、i為B樣條基函數(shù)的階次。通過NURBS曲面建模得到的形狀更易于控制，效果也更加逼真。圖5～圖8為最終生成的谷粒模型。

圖5 籽粒正視圖

Fig.5 The positive viewof plump grain

圖6 癟谷正視圖

Fig.6 The positive view of deflated grain

圖7 籽粒側(cè)視圖

Fig.7 The side view of plump grain

圖8 癟谷側(cè)視圖

Fig.8 The side view of deflated grain

3.3 尺寸誤差分析

將重構(gòu)的三維模型導(dǎo)入Pro/E中測量其三軸尺寸，結(jié)果取平均值，與實際谷粒的尺寸特征對比如表2所示。

表2 谷粒模型及實體的三軸尺寸

用球形率來表述籽粒和癟谷的形狀特征，根據(jù)上述測得的三維尺寸參數(shù)求出相應(yīng)的等效直徑D。計算關(guān)系為

式中L—籽粒的長度；

W—籽粒的寬度；

T—籽粒的厚度。

計算出的等效直徑后，再由公式φ=D/L分別求得籽粒和癟谷的球形率(Φ)，如表3所示。

表3 谷粒模型及實體的等效直徑和球形率

Table 3 The equivalent diameter and spherical rate of grain model and entity mm

等效直徑球形率籽粒籽粒模型3.933.940.600.61癟谷癟谷模型3.613.550.540.53

根據(jù)表3所測數(shù)據(jù)計算出模型尺寸與實際誤差均小于2%，球形率所表征的形狀特征也基本一致。

4 堆積角的應(yīng)用

顆粒堆積是一種顆粒系統(tǒng)的靜力學(xué)現(xiàn)象，而堆積角是指顆粒物料從高處自然緩慢下落到某一平面，穩(wěn)定后所形成堆體的母線與底面之間的夾角，其形成主要受顆粒內(nèi)摩擦特性和顆粒間流動性的影響[21-24]。本次研究采用離散元素法[25-26]，該方法廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)散體物料的仿真分析[27-29]。

4.1 離散元參數(shù)仿真

堆積角的測定采用漏斗法[30]，仿真實驗?zāi)Ｐ陀陕┒泛臀挥诼┒氛路降牡装褰M成，材料均為鋼。漏斗規(guī)格依據(jù)水稻顆粒尺寸確定[31]，入口直徑為100mm，出口直徑為30mm，高為90mm，底板直徑為250mm，如圖9所示。選用兩種谷粒模型為研究對象，一種為上文基于逆向工程建立的谷粒模型，一種為比照稻谷實際三軸尺寸建立的九球聚合模型,如圖10所示。

圖9 仿真實驗?zāi)Ｐ?/p>

圖10 谷粒九球聚合模型

仿真過程中,分別將3 000個谷粒模型注入到漏斗中, 當(dāng)漏斗注滿后開始以0.05m/s的速度向上提升，物料模型從漏斗出口緩慢流出，最終穩(wěn)定的堆積在底板上。兩種谷粒模型的仿真分別重復(fù)進(jìn)行5次，仿真結(jié)果如圖11、圖12所示，經(jīng)軟件后處理工具所測得的堆積角如表4所示。

圖11 九球聚合顆粒堆積仿真結(jié)果

圖12 逆向建模顆粒堆積仿真結(jié)果

4.2 試驗驗證

選用與仿真中尺寸一致的鋼制漏斗和底板，為了確保水稻粒徑與仿真中的模型尺寸大致相同，挑選篩分出尺寸過大、過小的顆粒以及癟粒。同樣，選取3 000個顆粒，使得仿真數(shù)量與試驗一致。試驗過程中，通過萬能試驗機(jī)帶動漏斗以0.05m/s勻速上升，重復(fù)5次試驗，實際堆積結(jié)果如圖13所示。各顆粒形成堆積角如表4所示。

圖13 實際谷粒堆積結(jié)果

序號逆向建模顆粒九球聚合顆粒實際谷粒130.8223.9831.55230.5624.1230.97329.8824.3731.02429.9323.9831.16530.0224.2530.84平均值30.2424.1431.11與實際誤差0.876.860誤差率/%2.8022.400

由表4可以看出:九球聚合顆粒模型所形成堆積角平均值為24.14°，與實際谷粒堆積角誤差為22.40%，不能準(zhǔn)確地表達(dá)谷粒在介質(zhì)中的運(yùn)動和顆粒間的碰撞情況；而逆向建模所得的谷粒模型堆積角為30.24°，與實際谷粒堆積角較為接近，誤差僅為2.80%，具有很高的準(zhǔn)確性和實用性。

5 結(jié)論

1)基于逆向工程技術(shù)，利用曲面重構(gòu)得到的水稻籽粒模型與物料原型差異較小，在外觀上較簡化的普通球形或橢球形顆粒更具表征性，本研究為不規(guī)則形狀農(nóng)業(yè)物料建模提供了一種方法。

2)通過堆積角的對比仿真及試驗表明：顆粒模型對堆積角的形成有較大影響。本文基于逆向工程構(gòu)建的模型的堆積角試驗與實際物料堆積角試驗誤差小于3%，較好地反映了水稻籽粒間的接觸碰撞和摩擦運(yùn)動，為水稻籽粒收獲清選過程中的動力學(xué)仿真分析提供了一種準(zhǔn)確性和實用性更高的模型。

3)利用三維掃描儀對建模物體進(jìn)行掃描測量可以快速、準(zhǔn)確地獲得物體表面大量點云數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)處理并利用CAD/CAM 技術(shù)，精準(zhǔn)構(gòu)建三維實體幾何模型，這種建模方法具有快捷、準(zhǔn)確、實用的特點，可以在更廣泛的領(lǐng)域應(yīng)用。

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Precise Modeling Method of Rice Based on Reverse Engineering and Test Verification

Chen Chen1,2, Wu Chongyou2, Jiang Tao2

(1.Anhui Agricultural University, Hefei 230036, China; 2.Nanjing Research Institute for Agricultural Mechanization Ministry of Agriculture, Nanjing 210014, China)

In order to reflect the motion in the medium and the collision of particles between grain and mechanism more conscientiously, precise three-dimensional model of grain is constructed using reverse engineering technique. Using a three-dimensional scanner, point cloud data of plump and blighted grains which were measured were imported in post-processing software, processed and reconstructed curve, lastly high quality three-dimensional model was got. Comparing the three-dimensional model of grain with the actual one, it shows that their size error were less than 2%. In order to further validate the accuracy of grain model with reverse engineering techniques, different models of grain which were constructed simulate the angle of repose using discrete element method. The result of simulation and field test showed that particle model has a great influence on the formation of the angle of repose. The simulation results which used modal constructed in this paper are smaller than the actual test results (3% or less). That modal better reflect the contact collision and friction between grains, which provides a more precise and practical model for the dynamic simulation of rice grain harvest.

rice; model of grain; reverse engineering technique; three-dimensional scanner; discrete element method

2016-08-17

“十二五”國家科技支撐計劃項目(2013BAD08B00)

陳 晨(1992-)，女，安徽蕪湖人，碩士研究生，(E-mail)695419711@163.com。

吳崇友(1959-)，男，遼寧岫巖人，教授，博士生導(dǎo)師，(E-mail)542681935@qq.com。

S126；TP391

A

1003-188X(2017)10-0046-07