Determination of modal properties of the coffee fruit-stem system using high speed digital video and digital image processing

Abstract

Detachment of coffee fruit is usually accomplished by means of mechanical impacts and vibrations applied to the plant. Modal properties of the coffee fruit-stem system represent important information for efficient and selective harvesting. This study aimed to determine the modal parameters of the coffee fruit-stem system, such as natural frequency and damping coefficient, using high speed digital videos. With image processing techniques, it was obtained the resulting displacement of the system subjected to an impulse. The modal parameters were determined by the logarithmic decrement method, considering the system as underdamped. The use of high-speed video and digital image processing techniques allowed the simple and reliable determination of modal parameters of the coffee fruit-stem system. Natural frequencies for the coffee fruit-stem system were 11.62 and 13.29 Hz; the damping coefficient was 0.0253 and 0.029 N s m -1 , and the equivalent stiffness was 8.61 and 7.09 N m -1 for red and green ripening stages, respectively. It was found overlap of resonance bands, between the ripening stages red and green, hindering the selective mechanical detachment in the first natural frequency range of the coffee fruit-stem system.

A derriça dos frutos do cafeeiro é comumente realizada por meio de impactos e vibrações mecânicas aplicadas à planta. Propriedades modais do sistema fruto-pedúnculo do café são informações importantes para uma derriça eficiente e seletiva. Objetivou-se determinar os parâmetros modais do sistema fruto pedúnculo do café, tais como frequência natural e coeficiente de amortecimento, empregando-se vídeos digitais de alta velocidade. Por meio de técnicas de processamento de imagens foi obtido o deslocamento resultante do sistema submetido a um impulso. A partir do método do decremento logarítmico foram obtidos os parâmetros modais, idealizando o sistema como subamortecido. A utilização de vídeos de alta velocidade e técnicas de processamento de imagens digitais permitiu a determinação dos parâmetros modais do sistema fruto-pedúnculo do café de forma simples e confiável. As frequências naturais do sistema foram de 11,62 e 13,29 Hz; os coeficientes de amortecimento foi de 0,029 e 0,0253 N s m -1 e a rigidez equivalente foi de 8,61 e 7,09 N m -1 para os estádios de maturação cereja e verde, respectivamente. Houve sobreposição de faixas de ressonância entre os estádios de maturação cereja e verde, dificultando a derriça mecânica seletiva do café na faixa da primeira frequência natural.