菠蘿采摘機械化的發(fā)展探索

廖勁威，朱余清，2，3，羅 闊，2，3，吳偉斌，2，3※，馮運琳，許棚搏，詹瀟智

（1.華南農(nóng)業(yè)大學工程學院，廣州 510642；2.華南農(nóng)業(yè)大學南方農(nóng)業(yè)機械與裝備關(guān)鍵技術(shù)教育部重點實驗室，廣州 510642；3.國家柑橘產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系機械研究室，廣州 510642；）

菠蘿采摘機械化的發(fā)展探索

廖勁威1，朱余清1，2，3，羅 闊1，2，3，吳偉斌1，2，3※，馮運琳1，許棚搏1，詹瀟智1

（1.華南農(nóng)業(yè)大學工程學院，廣州 510642；2.華南農(nóng)業(yè)大學南方農(nóng)業(yè)機械與裝備關(guān)鍵技術(shù)教育部重點實驗室，廣州 510642；3.國家柑橘產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系機械研究室，廣州 510642；）

本論文介紹了現(xiàn)今國內(nèi)外農(nóng)業(yè)果園采摘技術(shù)，分析了菠蘿采摘技術(shù)研究發(fā)展的優(yōu)勢與不足。通過總結(jié)國外水果采摘的研究成果，分析了各種果園機械的優(yōu)勢特點及其發(fā)展現(xiàn)狀，對菠蘿產(chǎn)業(yè)機械化進行分析。針對菠蘿地機械化作業(yè)在國內(nèi)外尚處于發(fā)展起步期的現(xiàn)狀，以及現(xiàn)今菠蘿機械化存在的問題，本論文指出了菠蘿機械化進程的研究方向和未來的發(fā)展趨勢。

菠蘿 采收運輸 機械化 研究現(xiàn)狀 發(fā)展趨勢

0 引言

菠蘿作為熱帶名果，目前種植地區(qū)和國家約有70個，年產(chǎn)量約占世界水果總產(chǎn)量的5%。菠蘿在熱帶水果貿(mào)易中屬于最大宗的品種之一[1]，從2005年起，我國已成為世界第三的菠蘿生產(chǎn)大國；到2011年，我國菠蘿生產(chǎn)總面積約56萬hm2，總產(chǎn)量約119萬t。在我國大陸，菠蘿的主要集中種植地為廣東雷州半島、海南島東部和西北部[2]；主要種植地區(qū)為廣東、海南、廣西、云南、福建和臺灣等省區(qū)[3]。在臺灣，菠蘿是重要的經(jīng)濟果樹[4]；在海南，菠蘿是種植面積和產(chǎn)量僅次于香蕉和芒果的第三大水果[5]。隨著人們生活水平的提高和對熱帶水果的熱愛，菠蘿產(chǎn)業(yè)得到了較好的發(fā)展，菠蘿種植面積有所提高。

菠蘿采摘季節(jié)性較強，只有半個月左右的收獲的高峰期。目前除了少數(shù)果園配備半機械化輔助裝置，國內(nèi)水果主要以人工采收為主；整個采收作業(yè)短期內(nèi)需要的人力，占到了整個菠蘿生產(chǎn)成本的40%。在勞動力日益缺乏的情況下，菠蘿農(nóng)戶希望能夠通過機械化管理改變現(xiàn)狀[6]。所以，研究開發(fā)菠蘿采收機械與裝備，對應緩解勞動力短缺，穩(wěn)定采摘作業(yè)質(zhì)量，減輕勞動強度，提高采摘生產(chǎn)效率和菠蘿收獲輸送效率有重要意義，是未來發(fā)展的趨勢。

1 國內(nèi)外果園采收運輸?shù)难芯窟M展

1.1 國內(nèi)研究進展

1.1.1 菠蘿采收機械雙目視覺平臺搭建與田間試驗

菠蘿采摘機械的關(guān)鍵部件之一是視覺系統(tǒng)，可為采摘終端提供待采果實的位置導航信息，平臺結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 雙目視覺平臺結(jié)構(gòu)

該研究選取雙目視覺技術(shù)（圖2），基于雙目視覺標定平臺開發(fā)的菠蘿果實識別算法，采用低成本的CMOS視覺傳感器，輔以三腳架、雙目云臺、計算機和軟件系統(tǒng)。

通過湛江菠蘿田間的三維位置計算試驗發(fā)現(xiàn)，當果實測試距離小于1 m時，由圖像深度顯示出的位置誤差（注：depth errors）范圍為6～8 cm，經(jīng)軟件算法校正，誤差范圍控制在2～3 cm內(nèi)，試驗效果良好[7]。

圖2 雙目攝像機的構(gòu)成

1.1.2 基于單目視覺的田間菠蘿識別

在菠蘿采摘視覺系統(tǒng)中，對果實的準確識別是關(guān)鍵。鑒于菠蘿田間的復雜環(huán)境，單目視覺系統(tǒng)在識別過程中采用圖像處理技術(shù)、數(shù)學形態(tài)學方法，識別確定菠蘿果眼位置并獲取果眼中心點信息；以最多點集的中心坐標，作為菠蘿區(qū)域的近似形心。經(jīng)過廣東湛江菠蘿田間進行的單目視覺識別實驗，以拍攝的35幅圖像作為樣本運算，在迎光條件下的形心識別正確率達到85%[8]。圖3為基于單相視覺的菠蘿識別圖。

圖3 基于單相視覺的菠蘿識別

1.1.3 其他果園采摘機械發(fā)展

我國南方果園多以丘陵山區(qū)地帶為主，坡地地形限制了機械化的發(fā)展，且工時花費和作業(yè)危險性相比平地也更為突出[9]。

自20世紀90年代以來，許多院校和研究學者經(jīng)過不懈努力在水果采摘方面取得了很大的進展：

孫明等不僅開發(fā)了以果實識別系統(tǒng)為基礎(chǔ)的蘋果采摘機器人，還成功研究了一種使二值圖像的像素分割正確率大于80%的彩色圖像處理技術(shù)[10]；南京農(nóng)業(yè)大學的姬長英等人將雙目立體視覺技術(shù)應用于番茄采摘中，對紅色番茄進行采摘定位[11]。上海交通大學的曹其新等開發(fā)了以彩色圖像處理技術(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的草莓揀選機器人[12]。

1.2 國外發(fā)展現(xiàn)狀

1.2.1 機械式采摘方式

從20世紀40年代開始，國外由簡易采摘器發(fā)展到振搖式采摘機械，再到后來的切割式采摘機[13]。圖4所示為美國生產(chǎn)使用的機械式菠蘿采摘機。

1.2.2 機器人采摘方式

目前國外在采摘機械方面的研究方向偏向于采

摘機器人。

采摘機器人主要由機械手、末端執(zhí)行器、視覺識別系統(tǒng)和行走裝置等4大系統(tǒng)組成。20世紀80年代，日本京都大學的Noboru Kawamura等人研制了五自由度關(guān)節(jié)型機械手[14]，但這種機械手工作空間有限，可操作度低。

圖4 美國機械式菠蘿采摘機

2 問題展望

2.1 我國菠蘿采收運輸?shù)闹饕獑栴}

2.1.1 品種結(jié)構(gòu)不合理，導致采收作業(yè)困難

我國的菠蘿種植以農(nóng)戶自發(fā)為主的，種植的菠蘿多以生鮮食用，缺乏深加工。種植品種的選定決定了收獲高峰期采收運輸?shù)膲毫o張，加工企業(yè)平時原料不足，收獲季節(jié)卻原料過剩[15]。

2.1.2 果園地設(shè)施落后 造成果體損傷

菠蘿園地的規(guī)劃多為裸露地種植或是與甘蔗、橡膠等輪作。而且因為灌溉條件不足，粗放、缺水肥的種植條件往往導致菠蘿產(chǎn)量和質(zhì)量無法保證。由于園區(qū)道路欠佳，缺少采收清洗處理、分揀、包裝和貯存等條件設(shè)施，常溫“堆放式”的長途運輸容易造成鮮果損傷，影響質(zhì)量[15]。

2.1.3 政府支持力度不夠 菠蘿產(chǎn)業(yè)受影響

據(jù)WTO有關(guān)規(guī)定估算得知，相比美國、歐盟、日本等發(fā)達國家，我國政府對亞熱帶作物的支持相對較低。對菠蘿加工企業(yè)的稅費負擔同時加重了企業(yè)在國際上的競爭劣勢地位[15]。

2.2 菠蘿采摘機的發(fā)展趨勢

2.2.1 發(fā)展機械手和末端執(zhí)行器

就菠蘿產(chǎn)業(yè)存在的問題，在研究過程中可以通過提高機械手和末端執(zhí)行器的柔性和靈巧性，提高采摘的成功率，降低果實的損傷率[16]。

1）機械手。機械手的自由度數(shù)作為衡量機器人性能的重要指標，它直接決定了機器人的運動靈活性和控制的復雜性[17]。荷蘭農(nóng)業(yè)環(huán)境工程研究所（IMAG）發(fā)明了一種電極切割法，利用特殊電極產(chǎn)生高溫（1 000℃）切割，可防止端口的感染[18]。

2）末端執(zhí)行器。采摘對象的特征和采摘方式?jīng)Q定了末端執(zhí)行器的基本結(jié)構(gòu)，必須同時兼顧采摘對象的生理特性、機械特性和理化特性，才能進行設(shè)計末端執(zhí)行器。目前，末端執(zhí)行器都是專用的。為避免碰傷果實，大多采摘機器人的手指內(nèi)側(cè)接觸果實的部位采用尼龍或橡膠材料[17]。

2.2.2 菠蘿采摘機未來發(fā)展的建議

在國內(nèi)果園采摘機械化迅速發(fā)展環(huán)境下，菠蘿地采摘作業(yè)的研究多以采摘末端或機械手為主，采收運輸一體化的機械基本上仍處于樣機階段。為了促進菠蘿采運的發(fā)展，還可以從以下幾個方面進行努力：

1）提高適應性，滿足菠蘿地運行。菠蘿地的植物冠層隨著生長狀態(tài)不同高度不一，需要底盤離地間隙可調(diào)，方便采收管理。

2）設(shè)計操作簡便、可靠性高、成本較低的機械。機器的操作者是農(nóng)民，不是具有機電知識的工程師，這就要求結(jié)構(gòu)設(shè)計合理可靠，使用方法簡單，維修維護方便。

3）提高輪胎附著力。菠蘿地具有獨特的磚紅壤特性，普通車用輪胎不適用，需要根據(jù)輪胎的附著力對輪胎選型。

4）發(fā)展自動化和智能化。因菠蘿地行株距小，菠蘿成熟后，菠蘿葉相互交錯，連人都難以進入。同時隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的進步和廣泛應用，機械化、自動化、智能化水平將進一步提高，因此可以通過輕簡化的作業(yè)機械，發(fā)展自走式平臺以適應菠蘿地的采收運輸[13]。

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Exploring the Development of Pineapple Harvesting Mechanization

Liao Jingwei1,Zhu Yuqing1,2,3,Luo Kuo1,Wu Weibin1,2,3※,Feng Yunlin1,Xu Pengbo1,Zhan Xiaozhi1
(1.College of Engineering,South China Agricultural University,Guangzhou 510642,China 2.Key Laboratory of Key Technology on Agricultural Machine and Equipment,Ministry of Education,South China Agricultural University,Guangzhou 510642,China 3.China Division of Citrus Machinery,China Agriculture Research System,Guangzhou 510642,China)

This paper gives an introduction to the current agricultural orchard picking technology at home and abroad,also analyses the advantages and disadvantages of the pineapple picking technology on research and development.Through the summary of research results of foreign fruit picking,it lists the advantages and disadvantages of various engineering machinery.Aiming at the pineapple mechanization is still in the initial stage of the development situation at home and abroad,and the problems that exist in nowadays pineapple mechanization,the paper points out the research direction and development trend of pineapple mechanization process in the future.

Pineapple;Harvesting and transport;mechanization;Research actuality;Development trend

惠州市產(chǎn)學研結(jié)合項目(2013B050013015)；公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項合作研究任務（201403036，201203016-3）

廖勁威（1990-），男，漢族，廣東信宜人，華南農(nóng)業(yè)大學工程學院研究生，研究方向為車輛故障診斷與電子技術(shù)。

※通訊作者：吳偉斌（1978-），男，漢族，廣東中山人，博士，副教授，主要從事機電一體化技術(shù)在農(nóng)業(yè)上的應用研究工作，E-mail：wuweibin@scau.edu.cn