基于3D扫描的马铃薯建模及运动仿真分析

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1、2015年10月农机化研究第10期基于3D扫描的马铃薯建模及运动仿真分析蒙建国，王春光，谢胜仕，宿金殿，祁少华(内蒙古农业大学机电工程学院，呼和浩特010018)摘要:以马铃薯块茎形状不规则为前提，提出了一种新的马铃薯建模方法—3D扫描数据采集法，基于3D扫描数据采集软件中的采集功能，实现对不规则马铃薯的三维建模。随机选择两种形状不同、质量相近的马铃薯块茎，通过3D扫描技术建立虚拟网格模型，并导入离散元分析软件，建立其虚拟模型，设置摆动筛的筛面倾角5．8°、振幅35mm、振动频率5．5Hz，基于离散元素法对摆动筛

2、的运动进行仿真分析，分析马铃薯在筛面上的运动轨迹及受力变化，为研究马铃薯块茎在筛面上的运动规律提供理论依据和方法。关键词:马铃薯;建模;仿真;3D扫描;离散元中图分类号:S126文献标识码:A文章编号:1003－188X(2015)10－0064－04DOI:10.13427/j.cnki.njyi.2015.10.013头磨损而影响精度，具有很高的稳定性;采用混合相0引言位技术，可以扫描不规则形状物体(如马铃薯等);数研究马铃薯收获过程中薯土分离特性时，多数学据兼容性好，可转换成扫描数据可输出成．step、．s

3、tl等者将马铃薯简化为球体或椭球体模型，或者直接用长格式，能够直接用于UG、Pro/E、Geomagic、3DMAX、［1－3］方体的块茎代替真实的马铃薯。马铃薯收获机在Solidworks等软件，生成的数据更小、更易于3D后期实际工作过程中，马铃薯的形状和大小对薯土分离过处理。程有着极其重要的影响，如没有考虑马铃薯本身的不规则性导致分布不均匀的特点，将使研究结果失真。有学者依据Pro/E软件的曲线造型来建立马铃薯的［4］不规则体。从马铃薯本身特征来看，马铃薯块茎是地下变态茎的一种，地下茎末端可形成膨大而不规则［

4、5］的块状。1研究方法使用3D扫描数据采集设备(见图1)对不规则体的建模有着更加逼真的效果。本文选择具有代表性的近似圆形和椭圆形且质量近似相等的马铃薯块茎图1结构原理图两颗，应用3D扫描数据采集设备采集、建立不规则马Fig．1Thestructureofprinciplediagram1．2建模方法及过程铃薯块茎的虚拟模型，利用后处理软件对模型修正，运行扫描软件，接通工作平台电源，在平台旋转使其大小、形状不失真，便于进一步研究。的过程中，摄像头通过在所能拍摄到的范围内全面记1．1适用依据录模型的数据并存储。因工作

5、环境对3D扫描过程有采用非接触光栅式照相扫描技术，避免了因扫描影响，所以在扫描完毕后进行去噪处理，得到多边形收稿日期:2014－10－04网格形式的三维模型，反映实体的真实尺寸和形状。基金项目:内蒙古自治区科研创新项目(B20141012906Z);内蒙古自治区自然科学基金项目(2014MS0541);国家农业科技成1．3模型数据处理果转化基金项目(GB2A400049);内蒙古农业大学科技创将所建立的三维实体模型导入到Geomagicstudio新团队项目(NDTD2013－6)软件系统，将多边形网格形式的模型

6、进行网格细化作者简介:蒙建国(1984－)，男，山西偏关人，博士研究生，(E－mail)mjg101@163．com。(即平滑处理)，最后保存为如．stl、．step等格式的网通讯作者:王春光(1959－)，男，内蒙古土右旗人，教授，博士生导师，格模型。(E－mail)jdwcg@imau．edu．cn。·64·2015年10月农机化研究第10期的马铃薯模型，对研究不规则形状的马铃薯在收获分2实体与3D扫描得到的马铃薯比较离过程中的运动特性具有指导意义。2．1真实颗粒与模型的比较通过3D扫描后的马铃薯，将其格式存

7、为．stl文件随机选取品种相同、质量近似相等的两颗不同形的网格形式文件，通过离散元分析软件进行球型模型状和大小的马铃薯，如图3所示;对其进行3D扫描处填充，并给模型赋予合适的物理特性，包括剪切强度、理，得到如图4结果;在仿真分析过程中，导入3D扫密度、质量、泊松比等值。根据所建模型计算其虚拟描模型，得到三维网格模型，如图5所示。对此网格质量，通过计算比较可知:真实马铃薯的质量与所建模型进行圆球模型填充，得到如图5所示的接近真实虚拟马铃薯质量基本接近，保证模拟过程中马铃薯质马铃薯模型，使其保证质量大小相近，相差质量

8、约量相同的基础上研究马铃薯形状对其运动特性的影0．01kg(原马铃薯质量分别为0．45、0．35kg)。响，且保持与实验室试验过程中马铃薯在摆动筛上的运动特性一致性。3马铃薯模型在离散元分析法中的应用3．1离散单元法简介离散单元法由Cundal和Strack在1979年提［6］出，主要应用于散粒体物料输送等领域的研究，其图2实体马铃薯块茎［8－9］Fig．2Theenti