中文摘要：

针对传统振摇式果实收获设备作业过程中振动参数鲁棒性低所引发的果实收获效果不稳定与伤树率高等问题，在建立果树个体三维形态重建技术的基础上，研究果树拓扑形态与几何特征信息转化成相应的动力学参数的关联模式，建立基于果树几何拓扑形态的振动力学模型，提出基于果树地上部分生长状态与根系－土壤环境的果树振动力学模型修正方法，形成面向果树个体特征识别的动力学分析基础理论和创新技术；并开发振动参数连续可调的新型振摇机构与控制系统，集成果树三维形态特征的机器视觉采集与动力学特性分析系统，研制出基于机器视觉辨识果树动力学参数与振动参数自适应匹配的振动采果设备原型样机，为我国在果树振动收获理论的研究及原创型的果园收获机械自动化装备研制方面提供基础和技术储备。

结论摘要：

课题组通过选取浙江省特色经济林果——山核桃树作为实验分析对象，开展基于果树振动力学参数辨识的自适应振动采收机理研究，主要进行了果树枝干三维形态信息获取与重建技术研究、基于弹簧－物理杆和有限元的果树枝干动力学建模与分析、果树枝干动力学实验、新型振摇机构设计等研究内容，先后试制了两代变频变幅式山核桃振动采收样机，并进行了田间试验。课题完成的研究内容和取得的成果主要有如下几个方面（1）通过机器视觉技术采集果树图像，提出一种基于扫描线的动态跟踪技术提取图像中复杂背景下果树枝干轮廓的方法。以曲线为基元三维重建枝干的骨架线，根据重建曲线的反投影误差和重建曲线的光顺性这两个指标提出一种基于曲率无穷范约束的空间曲线的三维重建方法，并成功地应用于枝干骨架线的三维重建。结果显示重建的枝干半径与测量值的相对误差小于4%，表明重建的果树枝干具有较高的精度。（2）应用拉格朗日方程，建立基于弹簧－刚性杆（物理杆）的果树枝干等效动力学模型，分析结果发现模型中非线性耦合作用增加了分枝的模态，分枝运动和树干运动之间存在一定的独立性，系统第1阶共振频率随着分枝的增加而减小。以三维梁为单元建立果树枝干的有限元动力学模型，模拟分析结果发现模型精度的相对误差在5%以内对果树的固有频率影响很小，对加速度响应的影响也有限，进而验证了重建模型的精度可以满足动力学分析。（3）开展了矮化山核桃树动力学响应实验。根据样本树的树型结构划分传递路径，基于加速度导纳测试方法得到加速度导纳变化曲线，分析结果表明各样本树主枝的共振频率在0~20Hz内比较相近，树叶相对于果实对矮化山核桃树的共振频率影响更大。定义加速度导纳衰减率，选取分叉处树径比、侧枝间分叉角及树枝链节点角作为影响评价因素进行讨论，结果显示分叉和树枝链节点对振动传递的影响与分叉角或节点角、树径比及共振频率有关，树叶和果实对矮化山核桃树的动态特性有一定的影响。（4）根据矮化山核桃树动力学响应实验结果，设计了一种新型变频变幅振动式山核桃采摘装置，并对其核心变幅振摇机构进行运动学和动力学分析。采用遗传算法优化变幅振摇机构的尺寸，使其满足设计要求。根据优化结果利用Matlab和ADAMS软件计算得到振动器的行程、加速度、振摇曲柄在调幅曲柄不同约束状态下的驱动力矩以及调幅曲柄的驱动力矩。（5）加工了两代试验样机，分别采用电力驱动和汽油机驱动并进行田间采收试验。