一种树木年轮微损测量装置、方法及系统与流程

本发明涉及林业智能装备领域，特别是涉及一种树木年轮微损测量装置、方法及系统。

背景技术：

树木年轮具有定年准确、连续性强、分辨率高和记录性好等优点。为合理的进行林业资源开发和利用，对树木年轮的研究意义重大。通过分析活立木的年轮可判断树龄、树木生长状况，预测生长趋势，为森林经营提供依据。年轮为众多相关学科提供可供参考的数据依据，如利用年轮固有的信息追索或重建自然环境演变的历史过程，应用于历史时期的气候变化研究，利用年轮鉴定古建筑、古文物、古艺术品的年代等。

目前普遍采用的树木年轮采样的方法可分为截取圆盘法和钻取木芯法。截取圆盘法获取圆盘标本易于观察，容易查找变异轮，利于全方位的进行分析，同时还可以规避腐朽部位、偏心轮、连续缺轮等。但截取圆盘则需将树木伐倒才可获取圆盘，对树木的破坏性非常大，对古树和珍贵树种不适用，采样时需要油锯、机油、锯手等配备，木材下运困难。钻取木芯法采集省力，运输较方便，易于保存，一般采样时需用生长锥这一种工具，生长锥一般孔径在5.15mm，对活立木或古树的破坏孔较大，而且需要从树木上钻取样本木芯，对树木本身存在很大的伤害。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种树木年轮微损测量装置、方法及系统，可在微创状态下确定树木的年轮，对树木生长没有伤害，而且装置结构紧凑，重量轻，便携性好，工作效率高。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种树木年轮微损测量装置，所述测量装置包括：滑动基座、电机、主动齿轮、从动齿轮、减速器、钻针、钻针夹、基座导轨、传动丝杠、处理器、电流传感器和角接触球轴承，其中，

所述滑动基座开设有安装孔，所述角接触球轴承设置在所述安装孔内，所述角接触球轴承的内径与所述传动丝杠的外径相匹配，所述从动齿轮开设有与所述传动丝杠匹配的螺纹轴孔，所述钻针设于所述钻针夹；

所述滑动基座设于所述基座导轨上，所述电机固定在所述滑动基座上，所述电机与所述减速器的输入轴连接，所述减速器的输出轴通过联轴器与所述钻针夹连接，所述主动齿轮通过所述联轴器与所述减速器的输出轴连接，所述从动齿轮与所述主动齿轮啮合连接，所述传动丝杠穿过所述螺纹轴孔和所述角接触球轴承；

所述电流传感器与所述电机连接，所述电流传感器用于检测电机输出电流，所述处理器与所述电流传感器连接，所述处理器用于根据所述电机输出电流确定待测对象的年轮。

可选的，所述滑动基座包括后滑动基座、中滑动基座、前滑动基座和定位轴，所述后滑动基座、所述中滑动基座和所述前滑动基座均开设有轴孔，所述定位轴依次穿过所述后滑动基座、所述中滑动基座和所述前滑动基座的轴孔将所述后滑动基座、所述中滑动基座和所述前滑动基座固定连接，所述从动齿轮设于所述中滑动基座和所述前滑动基座之间。

可选的，所述测量装置还包括钻针导向框和多个钻针支撑板，其中，

所述钻针导向框相对的一对侧壁上匹配开设有导向槽，每个所述钻针支撑板开设有与所述钻针外径匹配的钻针通孔，各个所述钻针支撑板的两端分别嵌设于所述导向槽，所述钻针依次穿过各个所述钻针通孔。

可选的，所述测量装置还包括前端盖、后端盖和针头套，所述前端盖上对应所述钻针开设有通孔，所述针头套设于所述前端盖，所述针头套用于容纳钻针针头的通孔与所述前端盖上的通孔连通，所述基座导轨固设于所述前端盖和所述后端盖之间，所述传动丝杠设于所述前端盖和所述后端盖之间，且所述传动丝杠平行于所述基座导轨的槽底。

可选的，所述测量装置还包括人机交互控制模块和控制按键，所述人机交互控制模块与所述处理器连接，所述控制按键与所述人机交互控制模块连接，所述人机交互控制模块将用户通过控制按键输入的控制指令发送给所述处理器，所述处理器根据所述控制指令控制所述电机正转或者反转，以使所述钻针前进或者后退。

可选的，所述测量装置还包括显示屏和光电编码器，所述显示屏与所述人机交互控制模块连接，所述光电编码器与所述电机连接，所述光电编码器用于检测电机转速，所述显示屏用于显示所述电机转速和所述电机输出电流。

一种树木年轮微损测量方法，所述测量方法包括：

获取电机输出电流，所述电机输出电流为带动钻针进行匀速螺旋运动的电机的输出电流；

将所述电机输出电流转换为数字电压信号，并对所述数字电压信号进行傅里叶变换，获得电压频率信号；

采用椭圆滤波器对所述电压频率信号进行滤波，获得平滑频率信号；

对所述平滑频率信号进行傅里叶逆变换，获得平滑电压信号；

根据所述平滑电压信号确定待测对象的年轮。

可选的，所述根据所述平滑电压信号确定待测对象的年轮，具体包括：

绘制所述平滑电压信号的变化曲线；

根据所述变化曲线的波峰和波谷确定所述待测对象的年轮，其中，所述波峰表征年轮晚材，所述波谷表征年轮早材。

一种树木年轮微损测量系统，所述测量系统包括：

电流获取模块，用于获取电机输出电流，所述电机输出电流为带动钻针进行匀速螺旋运动的电机的输出电流；

频率信号确定模块，用于将所述电机输出电流转换为数字电压信号，并对所述数字电压信号进行傅里叶变换，获得电压频率信号；

滤波模块，用于采用椭圆滤波器对所述电压频率信号进行滤波，获得平滑频率信号；

逆变换模块，用于对所述平滑频率信号进行傅里叶逆变换，获得平滑电压信号；

年轮确定模块，用于根据所述平滑电压信号确定待测对象的年轮。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供的树木年轮微损测量装置、方法及系统，基于树木早材和晚材密度不同的特点，利用电机驱动钻针钻入木材内部时，遇到密度较小的早材时钻针受到的阻力较小，遇到密度较大的晚材时钻针受到的阻力较大，钻针受到的阻力的交替变化能够反映木材内部年轮的特点，通过带动钻针进行匀速螺旋运动的电机电流的交替变化即可确定待测对象的年轮，对树木基本没有伤害。可见，采用本发明提供的树木年轮微损测量装置、方法及系统，可在微创状态下确定树木的年轮，对树木生长没有伤害，而且装置结构紧凑，重量轻，便携性好，工作效率高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的一种树木年轮微损测量装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种树木年轮微损测量装置的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的钻针的结构图；

图4为本发明实施例提供的测量装置中机械传动部分的结构图；

图5为本发明实施例提供的钻针导向框的结构图；

图6为本发明实施例提供的钻针导向框和钻针支撑板的组装结构图；

图7为本发明实施例提供的钻针装配图；

图8为本发明实施例提供的钻针装配图的局部放大图；

图9为本发明实施例提供的针头套的结构图；

图10为本发明实施例提供的一种树木年轮微损测量方法的流程图；

图11为本发明实施例提供的一种树木年轮微损测量系统的结构框图；

图12为本发明实施例提供的测量装置中电路部分的结构框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种树木年轮微损测量装置、方法及系统，可在微创状态下确定树木的年轮，对树木生长没有伤害，而且装置结构紧凑，重量轻，便携性好，工作效率高。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例提供的一种树木年轮微损测量装置的结构示意图。图2为本发明实施例提供的一种树木年轮微损测量装置的结构示意图。如图1和图2所示，一种树木年轮微损测量装置，所述测量装置包括：光电旋转编码器1、电机2、减速器3、滑动基座、主动齿轮4、联轴器5、钻针夹6、钻针7、后端盖9、电机座13、从动齿轮15、控制手柄16、传动丝杠17、前端盖18、控制按键19、基座导轨21、钻针支撑板22、针头套23、外壳24、钻针导向框、处理器、电流传感器和角接触球轴承。本实施例中，电机2为直流有刷电机，减速器3为行星齿轮减速器。

所述滑动基座开设有安装孔，所述角接触球轴承设置在所述安装孔内，所述角接触球轴承的内径与所述传动丝杠17的外径相匹配，所述从动齿轮15开设有与所述传动丝杠17匹配的螺纹轴孔，所述钻针17设于所述钻针夹6。

图3为本发明实施例提供的钻针的结构图。如图3所示，钻针7为微损不锈钢钻针，钻针为550mm的不锈钢钢针，针身直径1mm，针头经锻造和打磨后为刀片结构，宽度为1.6mm。

图4为本发明实施例提供的测量装置中机械传动部分的结构图。如图4所示，滑动基座包括：后滑动基座10、中滑动基座14、前滑动基座20和定位轴。定位轴包括第一定位轴11、第二定位轴12和第三定位轴1201。所述后滑动基座10、所述中滑动基座14和所述前滑动基座20均开设有轴孔，所述定位轴依次穿过所述后滑动基座10、所述中滑动基座14和所述前滑动基座20的轴孔将所述后滑动基座10、所述中滑动基座14和所述前滑动基座20固定连接，所述从动齿轮15设于所述中滑动基座14和所述前滑动基座20之间。所述滑动基座设于所述基座导轨21上，所述电机2固定在电机座13上，电机座13通过安装孔固定在后滑动基座10和中滑动基座14上。

所述电机2与所述减速器3的输入轴连接，所述减速器3的输出轴通过联轴器5与所述钻针夹6连接，所述主动齿轮4通过所述联轴器5与所述减速器3的输出轴连接，所述从动齿轮15与所述主动齿轮4啮合连接，所述传动丝杠17穿过所述螺纹轴孔和所述角接触球轴承。

本实施例中，联轴器5通过d形口与主动齿轮4连接，所述主动齿轮4与所述从动齿轮15相啮合。从动齿轮15安装在中滑动基14和前滑动基座20之间，中滑动基座14和前滑动基座20内部安装角接触球轴承。传动丝杠17从从动齿轮15和两个角接触球轴承中间穿过，从动齿轮15中间加工出t型传动螺纹孔与传动丝杠17啮合，传动丝杠(17)固定在前端盖9)和后端盖18的定位孔中。

本发明采用联动式传动结构，可同时实现微损不锈钢钻针的高速旋转转动和水平平动，从而使高速旋转的微损不锈钢钻针刺入待测木材。电机2通过联轴器5带动主动齿轮4转动，与主动齿轮4啮合的从动齿轮15旋转带动滑动基座整体沿着传动丝杠17前进或者后退运动，实现钻针7的水平运动，使微损不锈钢钻针7从前端盖18上的针头套23中伸出。具体原理如下：

电机正转后，钻针7正向高速旋转转动，同时通过主动齿轮4和从动齿轮15啮合，以及穿过从动齿轮，并与之啮合的传动丝杠形成二级减速传动装置，使滑动基座沿着基座导轨21向前滑动，从而实现微钻针7水平推进。电机反转后，钻针7反向高速旋转转动，同时通过主动齿轮4和从动齿轮15转动，使滑动基座向后运动，从而使高速旋转的微损不锈钢钻针从木材中退出。

图5为本发明实施例提供的钻针导向框的结构图。图6为本发明实施例提供的钻针导向框和钻针支撑板的组装结构图。图7为本发明实施例提供的钻针装配图。图8为本发明实施例提供的钻针装配图的局部放大图。如图5-图8所示，本实施例中设置了6块钻针支撑板，分别是第一钻针支撑板2201、第二钻针支撑板2202、第三钻针支撑板2203、第四钻针支撑板2204、第五钻针支撑板2205和第六钻针支撑板2206。钻针导向框包括两个相对设置的直线导轨8，直线导轨8上的纵向槽即为导向槽。每个所述钻针支撑板开设有与所述钻针外径匹配的钻针通孔，各个所述钻针支撑板的两端分别嵌设于所述导向槽，所述钻针依次穿过各个所述钻针通孔。

所述前端盖18上对应所述钻针7开设有通孔，所述针头套23设于所述前端盖18，所述针头套23用于容纳钻针针头的通孔与所述前端盖18上的通孔连通，所述基座导轨21固设于所述前端盖18和所述后端盖9之间，所述传动丝杠17设于所述前端盖18和所述后端盖9之间，且所述传动丝杠17平行于所述基座导轨21的槽底。图9为本发明实施例提供的针头套的结构图。如图9所示，针头套23由铜材料制成，微损不锈钢钻针从中间的通孔穿过，钻木过程中产生的木屑从侧孔2301中排出。

所述电流传感器与所述电机2连接，所述电流传感器用于检测电机2的输出电流，所述处理器与所述电流传感器连接，所述处理器用于根据所述电机输出电流确定待测对象的年轮。处理器采用如下所述的树木年轮微损测量方法及系统进行年轮测量。

图10为本发明实施例提供的一种树木年轮微损测量方法的流程图。如图10所示，一种树木年轮微损测量方法，所述测量方法包括：

步骤101：获取电机输出电流，所述电机输出电流为带动钻针进行匀速螺旋运动的电机的输出电流。

步骤102：将所述电机输出电流转换为数字电压信号，并对所述数字电压信号进行傅里叶变换，获得电压频率信号。

步骤103：采用椭圆滤波器对所述电压频率信号进行滤波，获得平滑频率信号。

步骤104：对所述平滑频率信号进行傅里叶逆变换，获得平滑电压信号。

步骤105：根据所述平滑电压信号确定待测对象的年轮，具体包括：

绘制所述平滑电压信号的变化曲线；

根据所述变化曲线的波峰和波谷确定所述待测对象的年轮，其中，所述波峰表征年轮晚材，所述波谷表征年轮早材。

图11为本发明实施例提供的一种树木年轮微损测量系统的结构框图。如图10所示，一种树木年轮微损测量系统，所述测量系统包括：

电流获取模块201，用于获取电机输出电流，所述电机输出电流为带动钻针进行匀速螺旋运动的电机的输出电流；

频率信号确定模块202，用于将所述电机输出电流转换为数字电压信号，并对所述数字电压信号进行傅里叶变换，获得电压频率信号；

滤波模块203，用于采用椭圆滤波器对所述电压频率信号进行滤波，获得平滑频率信号；

逆变换模块204，用于对所述平滑频率信号进行傅里叶逆变换，获得平滑电压信号；

年轮确定模块205，用于根据所述平滑电压信号确定待测对象的年轮。

本实施例中，处理器确定年轮的具体原理如下：

不锈钢钻针钻入木材内部后，当不锈钢钻针遇到密度较小的早材时，不锈钢钻针遇到阻力f较小，使得直流有刷伺服电机的输出电流信号iorigin较小。当不锈钢钻针遇到密度较大的晚材时，不锈钢钻针遇到阻力f较大，使得直流有刷伺服电机的输出电流信号iorigin较大。

原始电流信号iorigin经过电流电压转化模块，转换为原始模拟电压信号uorigin，经过ad转换后，变为数字电压信号uorigin-d，处理器对数字电压信号uorigin-d进行傅里叶变换，将uorigin-d转换到频域，得到电压频率信号ωorigin-d，将电压频率信号ωorigin-d带入到椭圆滤波器的传递函数，传递函数的输出为平滑频率信号ωfilter-d，对较平滑的ωfilter-d进行傅里叶逆变换，进而获得了较平滑的平滑电压信号ufilter-d，数据特征更加明显。

平滑电压信号ufilter-d的交替变化与原始电流值iorigin的变化是线性关系，原始电流值iorigin的变化反映不锈钢钻针遇到阻力f大小，即平滑电压信号ufilter-d的交替变化反映了不锈钢钻针遇到阻力f的变化。早材部分阻力f较小，其对应的平滑电压信号ufilter-d较小，晚材部分阻力f较大，其对应的平滑电压信号ufilter-d较大，整体上，年轮早材部分表现在平滑电压信号ufilter-d的变化曲线上为波谷，年轮晚材部分表现在平滑电压信号ufilter-d的变化曲线上为波峰，对平滑电压信号ufilter-d的变化曲线的波峰波谷进行计数，波峰和波谷就代表木材内部年轮早材和晚材部分。

其中，椭圆滤波器的振幅平方函数为：

其中，|ha(jω)|²是椭圆滤波器的振幅平方，rn(ω)是雅可比(jacobi)椭圆函数，n为雅可比(jacobi)椭圆函数的阶数，ω为输入信号的频率，ε为纹波系数。

设置采样频率fs为200hz，为了得到数据特征明显、噪声少的信号，设置通带截止频率ωp为0.015hz，阻带起始频率ωs为0.04hz，通带波纹rp＝1db，阻带最小衰减rs＝40db。

假定ω0是频率归一化的基准频率，计算公式如下：

定义频率的选择性因数k为:

则截止频率分别归一化为:

设定：

纹波系数的平方ε²为：

则得到公式(1)中的椭圆滤波器的阶数n为

本实施例令n＝3，可得公式(1)所示的椭圆滤波器振幅平方函数为：

第一类椭圆积分为：

椭圆有理函数的第i个零点：

椭圆函数为：

其中，

则：

将式(15)代入式(10)所示的椭圆滤波器的振幅平方函数可得：

|ha(jω)|²为ω²的非负有理函数，所以，满足幅度平方函数条件，用-s²代替ω²，得

由此得到零点为±1.38i、±0.969i，极点为0.384±0.572i、-0.384±0.572i，选出一对极点和一对零点，增益常数为得出椭圆滤波器的传递函数为：

按照式(18)设计椭圆滤波器，将原始电压值频率ωorigin-d的频域信号转换到复域，即将s＝jωorigin-d代入式(18)，将输出数据转换到频域即为平滑频率信号ωfilter-d，对ωfilter-d进行傅里叶逆变换，进而获得了较平滑的平滑电压信号ufilter-d。

图12为本发明实施例提供的测量装置中电路部分的结构框图。如图12所示，电路部分安装在外壳24的内部后端，由处理器(电机控制与数据处理模块)、锂电池、电源模块、钻针电机驱动模块、电流电压转换模块，控制按键输入模块、蓝牙数据通信模块、数据显示模块和人机交互控制模块构成。

控制手柄16为测量装置工作时的手持部位，控制按键安装在控制手柄16上，控制按键包括启停按键、长动按键、前进按键和后退按键，用于控制直流有刷电机的工作模式。所述人机交互控制模块与所述处理器连接，所述控制按键与所述人机交互控制模块连接，所述人机交互控制模块将用户通过控制按键输入的控制指令发送给所述处理器，所述处理器根据所述控制指令控制所述电机正转或者反转，以使所述钻针前进或者后退。数据显示模块(显示屏)与所述人机交互控制模块连接，所述光电编码器与所述电机连接，所述光电旋转编码器用于检测电机转速，所述显示屏用于显示所述电机转速和所述电机输出电流。

本实施例中，处理器为dsp处理器，型号为tms320f2812，处理器主要完成电机电流数据采集、电机电流滤波、树木年轮信息提取、电机转速控制、数据显示控制、数据通讯控制、钻针启停及运动控制等核心功能。

蓝牙数据通讯模块主要完成树木年轮微损测量装置与其他设备的通讯，可将树木年轮微损测量装置输出的年轮信息和微钻电流原始数据输出给手机端，手机端可通过专用app程序采集数据。

数据显示模块为256*256点阵的液晶显示屏，用于显示树木年轮微损测量系统的输出数据和工作状态。

人机交互控制模块为avr单片机mega128，用于检测控制按键的按键状态，将不同按键状态对应的操作指令发送至处理器，人机交互控制模块同时读取处理器的工作状态，将工作状态实时显示在数据显示模块上。

电源模块主要完成+24v锂电池的充放电管理，输出+3.3v给电机控制与数据处理模块，输出+24v的微钻电机驱动模块。保证整个系统供电正常，并在系统工作电流超过阈值时进行系统保护

电机驱动模块完成直流有刷电机的驱动，采用h桥式电路实现，对处理器输出的pwm信号进行放大，驱动直流有刷电机进行正反转。

光电旋转编码器的输出信号接tms320f2812正交编码脉冲采集模块，用于电机闭环伺服控制，使钻针以固定的推进转速和刺入速度，即匀速螺旋运动进入到立木中。为了实现钻针的匀速螺旋运动，本发明采用速度外环和电流内环的双闭环pi(比例积分)控制方式。速度外环控制器的作用是对给定电机转速与光电旋转编码器的反馈转速之差进行运算，并将外环控制器的输出发送给电流内环对电机进行调速控制。电流内环控制器的作用有两个：一个是在启动和大范围加减速时实现电流调节和限幅，另一个作用是使测量装置的抗电源扰动和抗负载扰动的能力增强。

本发明提供的树木年轮微损测量装置、方法及系统，其原理是利用树木的早材(密度小)和晚材(密度大)密度不同，使用伺服电机驱动不锈钢钻针钻入木材内部时，不锈钢钻针遇到早材和晚材会出现阻力的交替变化，阻力的交替变化就反映了木材内部的年轮。使用本发明提供的测量装置可在微创状态下对树木的年轮进行获取，对树木生长没有伤害，且该树木年轮微损测量系统具有结构紧凑、重量轻、便携性好、且工作时占地面积小和工作效率高的优点。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。