基于数字孪生的马铃薯收获期损伤监测系统.pdf
《基于数字孪生的马铃薯收获期损伤监测系统.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于数字孪生的马铃薯收获期损伤监测系统.pdf(5页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、第 22卷 第 9期2023年 9月Vol.22 No.9Sept.2023软 件 导 刊Software Guide基于数字孪生的马铃薯收获期损伤监测系统郭博健,魏霖静(甘肃农业大学 信息科学技术学院,甘肃 兰州 730070)摘要:马铃薯是我国重要的主粮之一,在收获期因机械损伤造成的损失是影响其高质量收获的重要原因。目前,相关损伤机理已存在较多研究,但直接应用于收获场景的监测研究却鲜有提及。为此,通过制作马铃薯块茎的高仿真模型,采用传感器与数字孪生技术构建一个收获期马铃薯块茎的数字孪生系统。通过实时采集、传输马铃薯块茎模型在真实收获过程中承受的外力数据,以三维数字孪生体与数据看板形式直观地
2、呈现马铃薯承受的冲击与碰撞,并进行表皮破损预警。研究表明,所提方法可应用于调整协助收获机械,减少各类磕碰冲击对马铃薯造成的损失,为农产品在收获阶段的损伤监测与数据采集提供了解决思路,为数字孪生技术在农产品收获阶段的应用提供了一个可行方案。关键词:数字孪生;马铃薯收获期;损伤;监测系统;Unity3dDOI:10.11907/rjdk.222320开 放 科 学(资 源 服 务)标 识 码(OSID):中图分类号:TP277 文献标识码:A文章编号:1672-7800(2023)009-0103-05Digital Twin Based Monitoring Systems for Potato
3、 Damage During Harvest StageGUO Bojian,WEI Linjing(School of Information Science and Technology,Gansu Agricultural University,Lanzhou 730070,China)Abstract:Potato is one of the most important staple crops in China.The loss caused by mechanical damage during the harvest period is an important factor
4、affecting its high-quality harvest.At present,there have been many studies on the relevant damage mechanism,but the monitoring research directly applied to harvest scenes is rarely mentioned.To this end,a digital twinning system of potato tuber in harvest period was constructed by making a high simu
5、lation model of potato tuber and using sensor and digital twinning technology.Through real-time collection and transmission of the external force data borne by the potato tuber model in the real harvest process,the impact and collision borne by the potato are visually displayed in the form of 3D dig
6、ital twins and data boards,and the skin damage warning is carried out.The research shows that the proposed method can be applied to adjust and assist the harvesting machinery,reduce the potato loss caused by various bumps and impacts,provide a solution for the damage monitoring and data collection o
7、f agricultural products in the harvest stage,and provide a feasible scheme for the application of digital twinning technology in the harvest stage of agricultural products.Key Words:digital twin;potato harvest stage;damage;monitoring system;Unity3d0 引言马铃薯在全世界有150多个国家和地区种植,是人们传统的主粮作物之一。2015年马铃薯主粮化发展战
8、略研讨会将其确定为继水稻、小麦和玉米后的世界第四大主粮1。截至2020年,我国马铃薯种植面积约为5.6106 hm2,鲜薯产量约1.231011 kg,面积和产量均占全球1/4左右,已经成为马铃薯生产第一大国2。马铃薯种植成功与否,收获是重要环节之一。按照工序步骤,可将马铃薯收获简单划分为收获、运输、清洗、分级4个动作,每个动作环节均存在对马铃薯块茎造成潜在损伤的因素。现阶段,国内马铃薯机械化收获普遍以分段式收获为主,多利用拖曳式或自走式的中小型马铃薯挖掘机,会收稿日期:2022-11-08基金项目:科技部国家外专项目(G2022042005L);甘肃省重点研发计划项目(23YFWA0013)
9、;甘肃省高等学校产业支撑项目(2023CYZC-54);兰州市人才创新创业项目(2021-RC-47)作者简介:郭博健(1982-),男,CCF会员,甘肃农业大学信息科学技术学院硕士研究生,研究方向为数字化转型与创新、农业信息化;魏霖静(1977-),女,博士,甘肃农业大学信息科学技术学院教授,研究方向为智能计算、农业信息化、生物信息学。本文通讯作者:魏霖静。2023 年软 件 导 刊使马铃薯在薯土分离装置筛面上反复跳跃抛送、翻滚和前后移动,导致其表面发生碰撞、摩擦、剐蹭;运输环节马铃薯从运输臂转移到车辆,存在跌落冲击的情况,运输过程中也会发生碰撞挤压;在清洗与机械化分级过程中,块茎会长时间与
10、机械装置发生摩擦、碰撞等情况。综上可知,一旦发生上述情况会造成马铃薯块茎表皮破损、组织褐斑等问题,既影响了马铃薯的外观、品质、储存和销售,也在一定程度上制约了马铃薯机械化收获技术的快速发展。以机械化收获环节为例,农业部2015年发布的 马铃薯收获机质量评价技术规范 中,就对收获机伤薯率和破皮率提出明确要求。具体的,性能指标总体要求马铃薯挖掘机不超过1.5%,马铃薯联合收获机不超过2%;破皮率性能指标总体要求马铃薯挖掘机不超过2%,马铃薯联合收获机不超过3%3。然而,在实际收获时收获机械的操作人员通常根据前年的数据与每个操作人员的直觉设置机器,因此每台机器的生产率高度依赖操作人员的经验,并未完全
11、实现标准化,只有当收获机械操作员事先接受过制造商提供的培训,且具备丰富的实际操作经验,并正确调试机器后,才有可能达到所需的低损伤高质量标准。因此,传统方式存在两个明显的缺陷:面对复杂的农业环境时,对操作人员综合素质的要求较高,例如土壤环境、马铃薯品种发生变化时难以在短时间内确定机器调试参数;收获环境变化与收获机械调试间的关系往往仅根据经验进行估算,缺乏实时数据反馈和以量化为导向的标准化指导,难以进行数据分析与总结,导致目前尚未形成标准化的操作规范。1 相关研究近年来,马铃薯在收获环节的机械损伤问题已引起了国内学者的关注。张建华4通过分析马铃薯在不同速率下的挤压损伤,提出马铃薯损伤分级方法。邓伟
12、刚5基于粘弹性碰撞理论和冲量定理分析,提出马铃薯碰撞接触力的量化计算模型。郭世鲁等6建立马铃薯机械碰撞模型并进行有限元分析,获得了马铃薯在不同碰撞高度的极限应力值。与此同时,国外学者也进行了诸多实践研究。Zahara等7通过田间试验统计、分析4个品种马铃薯在收获过程中5个不同环节的损伤情况。Bentini等8采用球状仪器模拟马铃薯收获过程中的碰撞冲击信号,以研究马铃薯收获机前进速度与土壤含水率对马铃薯造成损伤的影响。Alves等9设计了一种基于物联网的原型,以感知包括土壤湿度、空气温度和湿度在内的田间条件,并将其进行可视化展示。Skobelev等10提出一种开发植物数字孪生体方法,通过一个模仿
13、马铃薯生命周期的计算机模型与环境条件(天气、土壤等)数据、活体植物进行同步。综上所述,目前围绕马铃薯收获期块茎损伤的问题,相关研究仍存在以下不足:围绕马铃薯收获期块茎损伤的研究主要以室内试验为主,主要集中在对不同品种、工况环境下的马铃薯力学进行特性试验,分析马铃薯碰撞特性与其损伤之间的关系,仅仅是真实环境到实验环境的单向模拟映射,研究成果主要侧重于分析损伤机理,无法直接应用于收获场景;智慧农业不断发展,提出了更实时、精确的监测数据采集与分析要求,农业收获现场信息采集技术虽然已较为成熟,但在马铃薯块茎收获阶段鲜有涉及,进一步的精细化农业需要掌握不同品种、机械、土壤条件下马铃薯块茎收获现场的实时数
14、据,甚至能实时分析外力是否突破损伤临界值;传统农业应用以表格、电子看板为代表的二维数据和图形展示方式不够直观,展示信息量过少,无法直观展示作物实时情况,难以呈现出后续可能拓展的数据收集与判断系统成果。2 数字孪生系统设计数字孪生的本质是制造一个现实物体的数字等价物,即数字孪生体,它反映了现实物体在虚拟空间中的行为和状态。数字孪生体的一个关键特征是它与物理实体实时相连,这种动态性质包括对现实生活中物体当前行为的表示,也可能包括对未来行为的模拟预测及对历史行为的总结,还可能具备反过来影响物理实体的能力。以上连接通常使用传感器的实时数据所建立。为此,本文提出一种基于数字孪生设计思维的马铃薯块茎数字孪
15、生系统,用于处理与优化收获期块茎损伤问题。首先,制作真实马铃薯的仿真模型,在实际收获场景中该模型紧挨马铃薯种植在田地里,收获过程中收获机拾起该模型将与马铃薯经历相同的过程,使用各种传感器实时传输、显示真实状况,尤其重点监测受到的冲击和打击。然后,将相应的数据实时传输至数字孪生体进行可视化展示,在收获过程中根据当前条件调整机器参数设置,并及时进行后期总结分析,减少在收获过程中因机械冲击对马铃薯块茎造成的损伤。在技术路线层面,建立高保真塑料块茎模型和物联网传感器、控制器完成监测和数据传输的方法,确定现有物联网传感器技术水平具备实现收获期间马铃薯块茎受力被实时监测的条件,并在实时数据驱动下建立高保真
16、模型的数字孪生体同步运行模式,然后研究该数字孪生体的三维可视化和实时数据同步的关键实现技术,最后设计并开发整套马铃薯块茎收获阶段的数字孪生系统。马铃薯块茎数字孪生系统框架包括物理空间和数字空间两部分,如图1所示。其中,物理空间主要为马铃薯块茎和物联网传感设备。为了适应在真实场景中的应用要求,通过制作重量、大小与真实马铃薯块茎相当的高保真塑料模型,并在表面配备物联网传感系统,通过压力传感器检测碰撞冲击力度,将相应的受力位置、外力值等动态感知数据通过无线系统进行传输。数字空间主要构成马 104第 9 期郭博健,魏霖静:基于数字孪生的马铃薯收获期损伤监测系统铃薯块茎高保真模型的数字孪生体,高保真模型
17、通过接收实时压力动态感知数据,为该数字孪生体提供数据支撑,并在三维数字孪生体中直观呈现结果。因此,数字模型马铃薯代表了真实马铃薯在收获期间的数字孪生体,数字空间还能比较分析实时映射的受力数据与前期研究的马铃薯表皮破损受力平均值,设定临界值弹窗预警等操作,将结果传递至农民或机械操作人员,指导其调整收获机械。3 物理空间模型构建与实现3.1高仿真模型构建高仿真塑料模型以甘肃地区广泛种植的陇薯 7号为蓝本制作。陇薯7号马铃薯块茎的三轴尺寸、质量和薯形指数服从正态分布,经测算均值为长度 63.5 mm,宽度50.87 mm,高度73.4 mm,重量130.9 g,薯形指数1.43,形状接近于球形11。
18、模型以硬塑料为材质,按照均值尺寸制作,模型中空可放置传感器供电系统与电池。如图 2所示,马铃薯在收获过程中块茎受到的磕碰、挤压可能来自各个角度。为了尽可能在真实场景中准确、全面获取相关受力数据,选用柔性薄膜压力传感器包覆塑料马铃薯块茎模型。柔性薄膜压力传感器主体材料为PET(聚对苯二甲酸乙二酯),因此很容易做成几毫米到几十厘米的各种形状,具有体积小、厚度小、重量轻、可塑性好等优点。从柔性传感器受力方向可分为一维单点压力传感器、二维单点压力传感器、三维单点压力传感器、三维多点压力传感器,各传感器间的差异如表1所示。由表1可知,为了真实反应马铃薯块茎在收获场景下的受力情况,多点阵分布式柔性薄膜压力
19、传感器最优(见图3)。本文为了保证传感器感应点尺寸大小适中,密度较高,设置每个感应点尺寸为3.33.3 mm。优化数据采集系统后,将单点量程范围控制在 0.011.5 kg,测试响应时间小于20 ms,以及时、精确反馈被测物的受压力情况。在传送压力数值时,同步传送受压位置的坐标数值,将传感器包裹模型表面后再包覆柔性塑料来进一步固定、保护内部线路与压力传感器。3.2高仿真模型制作如图 4 所示,模型的无线传输系统由柔性压力传感器、传感器控制器(压力感应模块,数据收集)、传输模块3部分组成。其中,柔性薄膜压力传感器包裹模型;压力采集板压阻随压力发生变化,测量的外力值、区域位置坐标信息通过电流信号传
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 基于 数字 孪生 马铃薯 收获 损伤 监测 系统
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。