油菜花序三维形态结构数字化设计技术研究

为了实现油菜花序三维形态结构的交互设计、几何建模和真实感显示,提出了基于形态特征参数的油菜花序三维形态数学模型以及交互式设计方法.油菜花序模型的建立过程包括单花三维重构、花序三维重构和花序动态生长模拟3个阶段.通过对油菜花序形态结构的观测分析,分别创建了花瓣、花萼、花序轴、花轴、雄蕊和雌蕊等器官的几何模型,并提取具有明确农学意义的几何模型参数.实验结果表明,该方法可控性强,易于操作,可以精确地重构出油菜花序的三维形态,并且可以根据油菜花序结构的发展规律,实现油菜花序生长的可视化模拟.     

基于分形系统的烟草花序可视化仿真研究

为实现聚散或团状植物花序三维建模和可视化仿真,以烟草为例,提出了一种基于分形系统的植物花序可视化仿真方法。通过分析烟草花序的形态结构特征,构建初始分形单元,以仿射变换为基本框架,按照一定的迭代生成算法,分别建立了烟草花序结构与几何模型,并对烟草花序生长进行了模拟。建模过程中,烟草单花的器官几何模型分别用球B样条曲线和参数曲面表示,通过调节对应控制点与参数,重构了不同开花状态下的三维几何模型。实验结果表明,该方法得到的烟草花序模型能充分地表现烟草花序的形态特征,单花器官有较高的真实感,为其他聚散或团状花序的三维可视化提供了技术手段。     

辣椒生长的三维可视化模拟

以辣椒动态生长过程虚拟为目标,在测定辣椒植物器官形态结构主要特征的基础上,用NURBS曲面建模方法建立辣椒叶、基于椭球变形的建模方法建立辣椒果实等器官的模型,提出以子结构为单位来生成植物结构的生长过程动态虚拟方法,用VC++结合OpenGL重构了辣椒器官和个体三维形态,实现了具有较好真实感的辣椒生长过程可视化模拟.     

玉米器官三维模板资源库构建

玉米器官三维模板资源库的构建能够为数字玉米技术体系的建立提供信息完整、具有高真实感的玉米器官三维模型。首先,对玉米植株进行结构单元划分,然后,通过分析玉米各器官的形态结构特征,从三维数据获取方式的角度制定玉米主要器官三维数据获取规范,按该规范开展玉米主要器官三维数据获取工作,并基于所获取的实测数据进行器官几何模型构建,最后,以所构建的玉米器官几何模型为内容,以品种、器官和生育时期等作为关键字构建玉米器官三维模板资源库。资源库包含了具有农学参数的多品种、多生育时期玉米器官几何模型,其构建将有利于数字玉米在玉米行业的各方面发挥作用,也为其他植物的三维模板资源库构建提供了参考。     

水稻稻穗三维形态交互设计及可视化仿真研究

根据水稻稻穗的三维形态结构特征,分析稻穗的拓扑结构并进行参数化建模,实现水稻稻穗的交互设计及可视化仿真。首先,建立稻穗的几何模型,用B样条拟合的方法生成水稻的谷粒,用球B样条生成稻穗主轴、枝梗轴和小枝梗;在稻穗几何模型的基础上,基于OpenGL图形库,应用光照和纹理映射等渲染技术增强了真实感,实现了稻穗的三维可视化。实验结果表明,可视化模型具有良好的可控性和较高的真实感效果。     

基于数据约束的黄瓜叶片参数化建模

提出一种基于数据约束的黄瓜叶片参数化建模方法。该方法首先通过对真实叶片形态数据的统计分析获得叶脉分布以及叶缘特征两类形态特征参数,用来约束叶片整体形状并分区域描述叶缘形态细节,再根据参数值计算出叶片轮廓特征点的三维坐标,利用轮廓中轴骨架建模方法生成叶片的三维网格,最后采用纹理贴图技术增加真实感。试验结果表明,采用该方法可以快速、灵活地构建出黄瓜叶片的三维形态,具有较强的真实感效果。     

番茄植株三维形态精确重构研究

为实现番茄形态的数字化设计与可视化模拟,通过对番茄进行长期的观察测量与分析,提出了对实测数据统计分析的基础上进行器官模板分类的几何建模方法.对叶片和侧枝进行了分类,每种分类都建立模板库.依据番茄器官的主要形态特征,提取器官几何模型的主控参数.结合模板技术实现了番茄主要器官和植株三维形态结构的交互式设计软件.所提出的基于番茄器官几何模型的植株结构交互式设计方法所构建的模型呈现多态性,并且对模型和对应的真实植株的垂直投影叶面积与总叶面积的比值进行了计算,分别为0.478 8和0.483 2,其误差为0.91％,具有较高的真实感效果.该设计方法易于结合农学知识,且满足番茄形态多样化的数字化设计要求,对形态结构复杂的园艺作物几何建模具有一定的参考价值.     

水果变质过程虚拟关键技术研究

为实现水果变质过程虚拟,以苹果为对象,研究了水果造型方法、真实感效果渲染方法及变质过程虚拟方法.采用基于曲面参数方程的植物果实造型方法构建苹果三维模型,用OpenGL渲染线程进行渲染,用基于双尺度自动机原理模拟变质过程.在上述研究的基础上,用VC++结合OpenGL技术开发了苹果变质过程仿真系统,实现了基于生物学模型的、交互可控的水果变质过程的虚拟和管理.仿真实验表明,该方法能够产生较真实的水果造型,真实地虚拟水果的变质过程,为教学、科研和农业科技推广提供了技术支持.     

基于三维数字化的小麦植株表型参数提取方法

针对小麦植株分蘖多、器官间交叉遮挡严重，难以用图像或点云准确提取植株和器官表型的问题，本研究提出了基于三维数字化的小麦植株表型参数提取方法。首先提出了小麦植株各器官数字化表达方法，制定了适用于小麦全生育期的三维数字化数据获取规范，并依据该规范进行数据获取。根据三维数字化数据的空间位置语义信息和表型参数的定义，提出了小麦植株表型参数计算方法，实现了小麦植株和器官长度、粗度和角度等3类共11个常规可测表型参数的计算。进一步提出了定量描述小麦株型和叶形的表型指标。其中，植株围度通过基于最小二乘法拟合三维离散坐标计算，用于定量化描述小麦植株松散/紧凑程度；小麦叶片卷曲和扭曲程度为定量化叶形的指标，根据叶面向量方向变化计算得到。利用丰抗13号、西农979号和济麦44号三个品种小麦起身期、拔节期、抽穗期三个时期的人工测量值和提取值进行验证。结果表明，在保持植株原始三维形态结构的前提下，提取的茎长、叶长、茎粗、茎叶夹角与实测数据精度相对较高，R² 分别为0.93、0.98、0.93、0.85；叶宽和叶倾角与实测数据的R² 分别为0.75、0.73。本方法能便捷、精确地提取小麦植株和器官形态结构表型参数，为小麦表型相关研究提供了有效技术支撑。     

作物生长过程模拟模型与形态三维可视化关键技术研究

针对作物产量形成、品种适应性分析的数字化解析和可视化表达需求,以提高作物模拟模型的时效性、协同性和真实感为目标,结合物联网技术与作物模拟模型,进行了田间数据实时采集;应用多智能体技术进行了作物协同模拟方法研究与框架设计;开展了作物生长过程模拟模型及基于作物模型的形态三维可视化关键技术研究,以小麦作物为例,进行了田间试验,阐述了小麦三维形态模拟可视化系统的设计实现并进行了试验验证;构建了Logistic方程模拟小麦叶长、最大叶宽、叶片高度、株高等的生长变化,采用基于曲线、曲面的参数化建模方法和3D图形库OpenGL构造了小麦器官几何模型。结果表明小麦叶长、最大叶宽、叶片高度和株高模拟模型R ²值在0.772~0.999之间,回归方程的F值在10.153~4359.236之间,且Sig.小于显著水平0.05,模型显著性较好,模型的拟合度较高。本研究将作物模拟模型结果和形态结构模型有效结合,实现了以小麦为代表的作物在不同管理措施条件下的生长过程形态三维可视化表达,为作物生产数字化系统应用提供了更有效的途径,该技术体系与方法同样适用于玉米、水稻等作物。     

基于模态叠加法的静电微泵吸合现象

利用数值计算和模态叠加法建立了静电致动泵膜的降阶模型,使复杂的吸合过程求解简单化。通过与已有文献中的结果和三维有限元计算值的比较,表明降阶模型能减少求解时间并且具有很高的精度。利用降阶模型参数化研究了残余应力、泵膜厚度、泵膜半径、极板初始间隙对泵膜吸合电压和吸合位置的影响,得到了泵膜设计的准则,为静电微泵的优化设计提供理论基础。     

球形机器人驱动系统设计与路径跟踪控制

设计了一种球形机器人驱动系统,通过在竖直平面内调整滚动轴的水平倾角控制转向,由一个变量,即滚动轴的水平倾角就可以表征滚动轴,因此控制模型中仅有水平倾角和驱动电动机转速两个变量,不需要复杂的运算就可以确定控制策略。引入相对曲率半径的概念,作为转向控制指标,借助微分几何中平面曲线论的唯一存在定理,通过改变滚动轴的水平倾角使轨迹与路径的相对曲率半径在对应点达到一致,以实现对路径的跟踪。所给出的球形机器人驱动系统及其控制策略不需要测量传感器确定运动状态,而是通过运行时间计算轨迹弧长实施控制。针对相对曲率半径的几个特殊值验证了控制策略的正确性,仿真结果也证明了算法的可行性。     

基于距离-夹角形状分布的三维CAD模型检索算法

为了更好地实现三维CAD模型的有效重用,提出一种三维CAD模型距离-夹角形状分布检索算法。首先在CAD模型表面随机取点,计算任意两点构成的有向线段的距离和该有向线段与端点法向的夹角;然后以距离和夹角为坐标轴构建距离-夹角平面网格,统计网格中随机点出现的频次,从而构建模型的距离-夹角分布矩阵;最后采用Manhattan距离度量法计算矩阵的相似值,用以评价模型间的相似程度。实验结果表明,该算法可以较好地实现三维CAD模型检索,检索性能优于已有的形状分布检索算法,能够满足实际应用需求。     

苹果采摘机器人仿生机械手静力学分析与仿真

提出了一种应用于苹果采摘机器人末端执行器的仿生机械手。采用腱传动式仿生机械手取代了简单的夹具,提高了末端执行器在复杂环境中抓取苹果的适应性。建立了腱传动式机械手开环控制的驱动力和抓握力间的力学模型。仿真结果表明,在相同的驱动力下,腱传动仿生机械手的抓握力与其机构参数相关。其中,有效抓握力由手指的长度和厚度决定;抓握力的分布由各指节的长度比例决定;手指的初始张角决定了其可抓取苹果的半径范围;随着苹果半径的增大,有效抓握力将减小。摩擦力能够改善抓握力在各指节的分布,使抓握力分布均匀化,同时使有效抓握力变大。     

Mathematical modeling of open-channel velocity profiles for float method calibration

A computational method based on mathematical modeling of steady-state hydraulics is described for improving the accuracy of the float method for estimating open-channel discharge. Both two-dimensional (2-D) and three-dimensional (3-D) velocity distribution model versions were developed for steady-state uniform flow in open channels with rectangular cross-sections. The normal depth of flow was obtained by solving the Chézy equation for uniform flow conditions. Cross-sectional velocity distributions were calculated by solving the Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) equations and an algebraic model for turbulent stresses, without the use of wall proximity corrections to the pressure strain term. The calculated 3-D velocity coefficients were found to be in the same range as previously published United States Bureau of Reclamation (USBR) coefficients, but the results also indicate that the USBR coefficients, which are based solely on average water depth, can be improved by taking into account other hydraulic parameters such as longitudinal bed slope, channel base width, and wall roughness. The mathematical model exhibited considerable sensitivity to initial conditions, boundary condition parameters, and numerical convergence criteria, also manifesting spikes in the calculated surface velocity coefficients for discrete changes in hydraulic parameters. Finally, it was found that the 2-D version of the model is not appropriate for calculating surface velocity coefficients because it does not account for secondary flow in the channel cross-section, and the calculated surface velocity in the center of the cross-section is overestimated.     

指形拨禾轮分禾机构的虚拟设计与运动仿真

采用CAD软件虚拟设计了不分行玉米收获机分禾部件,阐述了实体模型的建立方法及过程,并应用机械系统动力学仿真软件MSC.ADAMS构建了三维运动仿真模型,实现了在ADAMS/View环境下分禾过程中拢入玉米茎秆的运动仿真。仿真表明,拨禾轮转速和作业速度对拢禾效果影响显著,指形拨禾杆末端形态对拢入玉米茎秆运动的影响值得注意。根据仿真结果对物理样机的设计提出了改进建议。     

基于支持向量回归的灰度图像三维形状重构

为实现未知光源的灰度图像高效重构形状,提出一种基于支持向量回归机和粒子群优化算法相结合的灰度图像重构三维表面形状的方法。通过研究和分析灰度重构形状(SFS)问题,基于支持向量回归机理论,构建了物体表面形状与其灰度图像间的非线性映射模型。对未知光照方向的实际图像进行光源方向估计,生成对应光照方向的训练样本以提高任意光照方向下的图像的形状恢复精度。为克服支持向量回归机中各参数选取无依据的不足,引入粒子群优化算法主动对各参数进行飞行寻优,使得回归模型为最优,以提高形状重构精度。最后,通过实例分析验证了所提方法的可行性及有效性。     

基于坐标变换的玉米根茬三维模型建立

提出了一种将玉米根茬结构离散化为多段根节,根据实测统计参数,以坐标变换为理论基础创建玉米根茬随机三维模型的方法.创建模型过程中,采用NURBS曲线拟合的方法处理实测数据,分别以NURBS曲线和NURBS曲面进行形态创建和表面创建.以Matlab软件、三维CAD软件为工具,以IGES文件为接口将创建的玉米根茬模型导入三维CAD软件和有限元分析软件.所建模型可用于玉米根茬力学性能分析研究.     

型孔轮式排种器工作过程与性能仿真

由型孔轮式大豆排种器的三维CAD模型建立了其三维离散元法分析模型,采用球颗粒建立了大豆种子的分析模型,采用离散元法和自主研发的三维CAE软件对排种器的工作过程及性能进行了仿真分析,并与台架试验进行比较.结果表明,排种性能、投种角、种子运动轨迹与台架试验结果基本一致,证明了采用离散元法分析型孔轮式大豆排种器工作过程及其性能的可行性.     

液力偶合器部分充液流场数值模拟与特性计

利用CFD平台的滑动网格法与混合模型模拟液力偶合器流场的瞬态流动,得到偶合器内部速度与压力分布.总结了不同充液率下流场结构的变化及两相分布情况.基于速度、压力数值解计算了液力偶合器叶轮转矩,并计算出不同充液率下液力偶合器的原始特性.将性能预测结果与实验进行了对比分析,结果表明,数值模拟计算结果与实验结果吻合较好,基本反映了流道内部流动的基本特征.