全 文 ：基于高速摄像技术的芦竹切割过程的研究*
廖庆喜 舒彩霞 田波平 黄海东 王 静 廖宜涛 吴福通
(华中农业大学工程技术学院 , 武汉 430070)
摘要 为探讨芦竹切割过程和切割特性 ,设计研制了基于高速摄像技术的芦竹收割机切割试验系统 , 包括
锯齿回转链式切割试验装置 、夹持输送装置和高速摄像图像采集与处理系统;开发了基于高速摄像技术的序列
图像采集与处理软件系统 ,通过对拍摄图片的处理 、观察与分析 ,得出了影响芦竹切割质量和切割效率的要素;
提出了切割器完成芦竹切割的接触 、切入和切断 3个过程;通过系统的标定 , 建立了切断芦竹的运动轨迹。
关键词 芦竹;锯齿式切割器;高速摄像;切割过程
中图法分类号 S 22. 5 文献标识码 A 文章编号 1000-2421(2007)03-0415-04
收稿日期:2006-09-07;修回日期:2007-03-19
*教育部科学技术研究重点项目(107131)资助
廖庆喜 ,男 , 1968年生 ,博士 ,副教授.工作单位:华中农业大学工程技术学院 ,武汉 430070. E-mail:liaoqx@mail. hz au. edu. cn
芦竹(Arundo donax L. )又称旱地芦苇 ,属多
年生草本植物 ,茎秆直径 10 ～ 40 mm ,高度 5 ～ 8 m ,
是一种优质的造纸原料 ,可生产优质的高级纸浆 ,且
对盐碱滩涂地有良好的环保作用 ,具有良好的经济 、
生态和社会效益[ 1] ,在我国浙江 、安徽 、江苏 、山东 、
广西等 12省的有效种植面积超过 105 hm 2 。然而 ,
目前芦竹收割仍采用传统手工方式 ,劳动环境艰苦 ,
收割效率低且成本高 ,按期保质保量收割芦竹成为
保证芦竹种植场丰产 、农民增收的关键[ 2] 。
目前 ,我国在水稻 、小麦和牧草等矮细作物的切
割技术研究已趋于成熟和完善 ,对高粗茎秆如甘蔗
的切割技术也进行了广泛研究[ 3] ,但对于高 、粗 、硬
的芦竹切割技术研究相对滞后。其主要原因:一是
因芦竹茎秆粗 、高 、硬 ,现有农作物切割器均难以满
足芦竹机械化收割的要求[ 4-5] ,特别是芦竹是典型各
向异性 、非均质 、非线性材料 ,底部茎秆硬度大 ,切割
器用于芦竹切割易导致刀片磨损快 、寿命短;二是芦
竹属自然生产作物 ,收割时作业环境复杂 ,田间含有
石块 、树枝 、野藤等杂物 ,要求切割刀片具有较高的
硬度 ,否则易造成刀片的崩溃而损坏;三是因芦竹
高 ,为提高生产效率 ,要求芦竹收割机实现宽幅作业
等。因此 ,开展基于高速摄像技术的芦竹切割过程
的研究 ,探索芦竹的切割过程和切割特性 ,为芦竹收
割机切割器的设计提供理论依据和技术指导具有重
要意义。
1 系统组成与工作原理
芦竹切割试验系统主要由用于芦竹切割的锯齿
回转链式切割装置 、用于模拟田间机组前进速度的
芦竹夹持与输送装置和用于在线跟踪拍摄芦竹切割
过程的高速摄像系统等组成。
1. 1 锯齿回转链式切割装置
该装置主要由主动输送链轮组合 、从动输送链
轮组合 、双节距链条 、动刀片和护刃器等组成 ,依靠
链条驱动动刀片的回转实现有支撑与无支撑的切
割。动刀片是切割器的核心部件 ,针对测定的芦竹
几何和物理机械特性参数分析 ,芦竹具有明显的高 、
粗 、硬的特征 ,其切割动刀片选择双金属斜齿锯片 ,
锯齿用 8%钴和 10%钼的合金高速钢制成 ,材料为
M42 。锯片每英寸由齿数 3和 4 交替排列 ,变化的
齿距利于排出锯屑 ,提高切割质量和切割效率。
1. 2 芦竹夹持与输送装置
该装置的结构与切割装置类似 ,在双节距链条
上装有夹持芦竹的夹具组合 ,由主 、从动输送链轮 、
链条和夹具组合等组成。夹具组合起夹持芦竹的功
能 ,由托板 、呈半圆弧形定动夹套及可调螺栓组成 ,
托板固结在链条上 , 2个呈半圆弧形的定动夹套构
成一组夹持装置。其中半圆弧形动夹套依靠可调螺
栓调节夹套的开度 ,以适应不同直径大小的芦竹 ,并
依靠控制链条的回转速度模拟收割机前进速度。
第 26卷 第 3期
2007 年 6 月
华 中 农 业 大 学 学 报
Journal of Huazhong Agricultural Univer sity
Vo l. 26 No . 3
June 2007 , 415～ 418
DOI牶牨牥牣牨牫牫牥牥牤j牣cnki牣hnlkxb牣牪牥牥牱牣牥牫牣牥牫牫
1. 3 高速摄像系统
高速摄像是研究物体运动过程的一种重要手
段 ,它能记录高速运动过程的某一瞬态或全部历程 ,
直接将模拟图像转化为数字化图像 ,后进行观察与
分析 ,可节约时间 、人力及物力[ 6] 。目前国内外已将
高速摄像技术应用于农业机械试验研究 ,如李丽勤
将高速摄像技术应用于研究免耕播种机粉碎秸秆的
抛撒运动规律[ 7] ,廖庆喜将高速摄影应用于免耕播
种机锯切防堵装置的机理分析等[ 8] 。本试验中高速
摄像系统由 CCD高速摄像机 、图像采集卡 、光缆 、光
源和计算机系统等组成。其中高速摄像仪选用德国
Mikro tron公司的 MC1311 , 镜头为日本的 ZOOM
Nikko r ,焦距 28 ～ 85 mm;最大光圈 f /3. 5 ～ f /4. 5。
图像采集卡为 INSPECTA-5 Frame Grabber 板卡
并配有相应软件 ,能进行双通道彩色采集 ,其配套软
件具有人机交互功能 ,以图像采集为中心 ,可以根据
拍摄需要修改有关参数及实时在线监控拍摄图片 。
在设置拍摄参数时 ,拍摄频率满足像移量和画幅数
要求[ 9] 。本试验选择帧频率为 2 000帧 /s 。
1. 4 工作原理与方法
芦竹切割试验系统由锯齿回转链式切割装置
C1 、芦竹夹持与输送装置 C2 和高速摄像系统 P 组
成(图 1)。
图 1 切割试验系统工作原理
Fig. 1 Principal of cuttting experimental system
1.动刀片 Moving blade;2.护刀器 P rotecting b lade device;
3.夹具组合 Clamp combinat ion
为模拟田间作业状态 , C1和 C2 呈垂直分布 ,
C1在 C2之上 ,间距为 100 ～ 200 mm 可调 ,并各自
安装有调速电机 ,以控制其转速;图 1中虚线区域为
高速摄像拍摄方位和范围 ,图片取茎秆与动刀片接
触点为中心 ,记录切割器切割芦竹的过程。试验时
C1固定 ,依靠 C2 向 C1将夹持的芦竹输送到切割
台实现切割。为便于区别图像 ,将动刀片涂上白色 ,
每次切割试验由 C2夹持一定数量和不同直径大小
的芦竹 ,并去苞叶 。试验前将芦竹夹持在 C2 夹具
上并预置在 C2右侧靠近 C1 ,试验时先启动 C1 ,待
其速度达到切割速度 va稳定后再启动 C2 , C2 运动
带着芦竹接近 C1 ,进入拍摄区域时启动摄像机 ,记
录切割过程 ,并以 BMP 格式保存图像序列到硬盘。
2.高速摄像图像处理的软件系统
2. 1 软件系统组成
高速摄像图像处理软件系统建立在 Window s
XP sp2环境下 ,以 Visual C++为开发平台 ,包括
图像播放控制模块 、图像预处理模块 、目标提取模块
及运动目标跟踪 4个模块 。系统将上述 4大功能模
块集成在同一操作窗口界面中(图 2)。
图 2 软件系统界面
Fig. 2 Interface of the software system
2. 2 软件系统开发目标
为分析芦竹的切割过程 ,开发的软件系统具有:
各个模块间可以通过文件形式共享 、交换数据 ,并方
便排除错误 ,处理异常问题 ,且具有良好的可扩展
性;能保存大量芦竹的运动数据 ,得到运动目标像
素- 时间函数关系;能真实地反映芦竹切割过程 ,具
有自动记录质点运动轨迹和连续播放的功能 。
2. 3 系统标定
通过高速摄像系统拍摄的图片 ,图像以像素为
坐标 ,为计算茎秆切割过程中质点的位移变化 ,以得
出其运动轨迹 ,需要把像素单位转换为实际尺寸 。
因各图片的视觉是确定的 ,且每幅图片的像素坐标
一致 ,取图片的左下角为原点 ,水平线为 X 轴 ,垂直
线为Y 轴。取相邻护刃器间距作为设定的标准尺
416 华 中 农 业 大 学 学 报 第 26 卷
寸 S ,以此为参考 ,计算出参考对象的像素个数 N ,
得到比例系数 k=S /N 。通过茎秆质点运动位置求
出沿 X 轴 、Y 轴方向的像素个数 N x 、N y ,得到茎秆
质点在 X 、Y 方向运动位移分别为 S x =k N x ,
Sy =k Ny ,以此得到一系列茎秆质点在二维平面
的位置 ,从而分析茎秆的切割过程 。
3 芦竹切割过程的观察
为真实分析芦竹的切割过程 ,选取在一定工况
下具有代表性的 12帧图片进行观察与分析 ,图片时
间间隔为 0. 000 1 s。图 3为切割过程时序图 ,图中
数字为运动时序 ,记录芦竹切割的运动过程。观察
图 3序列 ,芦竹以速度 vm与切割器相接近 ,直到芦
竹与动刀片相接触(序列 2),在相互冲击力作用下 ,
此时并未开始切割 ,芦竹随之发生扭曲变形 ,并被迫
靠向刀片前进方向的护刃器 ,受护刃器的支撑作用 ,
动刀片齿尖划破芦竹并切入 ,齿前面垂直于芦竹纤
维压缩切削层开始切割 ,随后芦竹和动刀片相互推
挤 、撞击 ,使芦竹发生一定的倾斜 ,相邻动刀片出现
微小错位 ,如序列 6所示 ,随着动刀片的移动 ,芦竹
不断被切割 ,直至动刀片切入芦竹 ,完成芦竹的切
割;之后 ,切断的芦竹因摩擦力和惯性力共同作用飞
离切割器 。
图 3 芦竹切割过程的时序
Fig. 3 Sketch of cutting process of A. donax
切割过程可分为 3个阶段:Ⅰ. 接触阶段(序列
2 ～ 4):当锯齿开始接触芦竹时 ,锯齿尖接触芦竹 ,此
时无护刃器支撑 ,在切割力矩和摩擦力的共同作用
下发生变形 ,并被迫逼向动刀片前进方向上的护刃
器 ,切割器动刀片同时受到芦竹的反作用力被推后 ,
此阶段不发生切割。 Ⅱ. 切入阶段(序列 5 ～ 10):因
芦竹中空 ,受护刃器的支撑作用 ,动刀片作用于芦
竹 ,芦竹茎秆前后壁变形 ,刀片齿尖切入芦竹茎秆 ,
后由齿前面垂直于芦竹纤维压缩切削层 ,并由齿尖
沿切削层底面切削芦竹茎秆 ,实现由齿侧面与齿前
面的交线即侧刃辅助切割 ,齿尖未到芦竹中心时 ,切
割力主要来自刃前面 。因动刀片采用斜锯齿 ,切入
时由点接触逐渐转为线接触 ,整个过程锯切平稳 。
经多次试验和观察发现不同情况下参与芦竹切割所
需的刀片数不尽相同。 Ⅲ. 切断阶段(序列 11 ～
12):锯齿切断芦竹的所有相连纤维 ,此时芦竹茎秆
受到摩擦力和惯性力的共同作用飞离切割器 。整个
过程均为刃切断 ,且锯齿切割时 ,依靠锯齿齿尖接触
茎秆 ,能有效的钳住芦竹茎秆 ,逐渐切入芦竹 ,减少
振动 ,运行平稳 。
4 影响切割质量的因素分析
经多组试验的观察与分析 ,得出相同工况下影
响芦竹切割质量的因素主要有:
1)刀片结构参数的匹配。刀片材质 、外形尺寸 、
齿型 、齿距等应与芦竹高粗硬及中空的特点相适应 ,
是保证切割质量的关键;
2)切割速度和机组前进速度的匹配 。切割速度
va与机组前进速度 v m影响切割质量 ,当 v m > va时 ,
在机组前进过程中引起锯齿推芦竹 ,易导致芦竹倒
伏 ,出现压茎秆现象 ,且割茬会阻挡切割动刀片 ,引
起重切 ,加大刀片的磨损 ,缩短寿命 ,比较分析得出
当 vm
40 mm不等 ,在满足行业标准的情况下 ,适当减小护
刃器的开合度 ,可有效防止切割过程中细小茎秆嵌
入护刃器与切割刀片之间 ,引起堵塞 ,影响后续芦竹
的切割 ,理论分析与试验得出护刃器的开合度以
10 mm为宜;
4)链条的张紧度。链条张紧度要适中 ,防止链
条运动时前后摆动 ,影响切割过程动刀片刃口间的
距离 ,减小因链条的松动导致振动;
5)相邻切割动刀片的间距大小 。因芦竹茎秆粗
且质地硬 ,为避免芦竹被夹在相邻动刀片间影响切
割质量 ,加剧刀片磨损 ,相邻切割动刀片的间距应小
于最小芦竹茎秆的直径 ,以尽量避免砍切 ,试验得出
以 7 mm 为宜 。
5 结论与讨论
为探索芦竹切割过程和切割特性 ,设计研制的
基于高速摄像技术的芦竹收割机切割试验系统可以
有效用于不同工况下芦竹的切割试验与分析 。所开
417 第 3 期 廖庆喜等:基于高速摄像技术的芦竹切割过程的研究
发的基于高速摄像技术的序列图像采集与处理软件
系统 ,能借助高速摄像技术对芦竹切割过程进行在
线跟踪拍摄 ,真实的反映了芦竹切割的接触 、切入和
切断 3个显著不同的阶段 。各阶段存在不同的切割
特征 ,并直观的反映影响切割质量的要素 ,观察与分
析得出高速摄像技术用于高粗茎秆切割过程和切割
特性的分析和研究是可行的。
通过对拍摄图片的处理 、观察与分析 ,得出了机
组前进速度与切割速度的匹配 、链条的张紧度 、护刃
器的开合度 、相邻动刀片的间距以及刀片结构参数
的匹配是影响芦竹切割质量和切割效率的主要因
素。通过系统的标定 ,得出了被切断芦竹的运动轨
迹 ,对有效的匹配切割速度和机组前进速度有重要
的指导意义。
本试验研究结果可为芦竹收割机切割器的优化
设计及芦竹收割机的改进设计与研究提供理论支撑
和技术指导。当然 ,实际田间作业的切割过程中还
受飞扬的苞叶 、尘土及茎秆自身的遮挡等多重因素
的影响 ,为真实地观察田间作业的切割过程 ,还应进
一步加强田间作业实际工况的研究。同时 ,由于系
统使用的是单一摄像机 ,所得到是二维平面坐标 ,不
能在真实的三维空间进行坐标定位 ,故需进一步研
究采用双摄像机成垂直角度同时拍摄来进行标定 。
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Research on the Cutting Process Based on High-speed Photography
Technology for the Arundo donax L.
LIAO Qing-xi SHU Cai-xia TIAN Bo-ping H UANG Hai-dong WANG Jing
LIAO Yi-tao WU Fu-tong
(Collegeo f E ngineering and Technolog y , Huaz hong Agriculture University ,Wuhan 430070 ,China)
Abstract The Arundo dona x L. is a kind of g ood material of paper making , which is tal l , thick
and hard. In o rder to analyze the cut ting pro cess of the A. donax , a cut ting experimental sy stem of A.
donax harvester based on the high-speed photog raphy technolo gy including the ro tating chain-type cut-
ting sy stem and transportation mechanism and the high-speed pho tog raphy image collecting and process-
ing sy stem w as designed , the sof tw are sy stem based on the high-speed photog raphy technolo gy w as de-
veloped. Some facto rs af fecting cut ting qualities w ere put forw ard by observing and analyzing the pic-
tures. The cut ting process including touching , cutt ing-in and cut ting-o ff o f A. donax was set up. The
movement t racks of stalks cut ting of f f rom A. donax were acquired.
Key words Arundo dona x L. ;saw-to oth cut ter;high-speed photog raphy ;cut ting pro cess
(责任编辑:陈红叶)
418 华 中 农 业 大 学 学 报 第 26 卷