藍(lán)莓機(jī)械采收技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

王虹虹， 倪曉宇， 李維林， 賈志成， 劉 英

(南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，江蘇 南京 210037)

我國林果資源豐富，但整個果實生產(chǎn)過程中的科技含量較低，這一現(xiàn)狀嚴(yán)重制約著我國林果產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。隨著人們對健康食品需求的增長，藍(lán)莓作為一種健康食品，人們對其需求也日益增長，這一需求推動了藍(lán)莓產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。藍(lán)莓葉能制茶，根可入藥，用途廣泛[1]，其果實的花青素含量居于所有果蔬首位[2]。藍(lán)莓果實的營養(yǎng)及膳食纖維含量豐富[3]，在改善心腦血管疾病、促進(jìn)視紅素再合成、調(diào)節(jié)人體生理活性方面也有積極作用[4-5]。此外，來自英國的一項研究表明：長期食用含有野生藍(lán)莓成分的飲料可以提高兒童的執(zhí)行能力與認(rèn)知能力[6]。憑借其具有良好的營養(yǎng)價值及藥用價值，藍(lán)莓的需求量在全球持續(xù)增長[7]，這也促進(jìn)了全球藍(lán)莓產(chǎn)區(qū)的擴(kuò)張，截至2018年，全球已有超過58個國家和地區(qū)種植藍(lán)莓，我國的藍(lán)莓總產(chǎn)量居于世界第五位[8]。采收過程是藍(lán)莓生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)，我國藍(lán)莓仍以人工采收為主，這一過程產(chǎn)生的費用占藍(lán)莓生產(chǎn)過程總成本的40%～50%[9]，此外，這一過程還受到天氣、溫度等因素影響，要盡可能在最佳采收時間內(nèi)完成對果實的采收，否則將影響果實質(zhì)量[10]。藍(lán)莓的采收作業(yè)還具有季節(jié)性強(qiáng)、勞動密集、勞動強(qiáng)度大等特點，當(dāng)果實不能及時被采收時會造成浪費，提高藍(lán)莓采收效率對發(fā)展藍(lán)莓產(chǎn)業(yè)具有重要意義，藍(lán)莓機(jī)械化采收已成為當(dāng)前農(nóng)林機(jī)械領(lǐng)域中的研究熱點。

國外的藍(lán)莓采收機(jī)研究起步較早，最早開始藍(lán)莓機(jī)械采收研究的國家是美國[11]，采收機(jī)械的科技水平與自動化程度都較高，已基本實現(xiàn)了機(jī)械化采收[12]，國內(nèi)對采收機(jī)的研究較晚，技術(shù)仍不完備。本文通過對藍(lán)莓機(jī)械化采收技術(shù)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行探討，對當(dāng)前采收技術(shù)存在的不足進(jìn)行分析，并對未來的研究方向進(jìn)行展望，為藍(lán)莓采收技術(shù)的后續(xù)研究和發(fā)展提供參考。

1 國內(nèi)外藍(lán)莓機(jī)械采收技術(shù)

目前，藍(lán)莓機(jī)械采收裝置主要有機(jī)械振動式、氣力式以及采收機(jī)器人式這三種，機(jī)械振動式具有迅速有效分離果實與植株的特點，適用于大面積、規(guī)?；麑嵅墒眨瑧?yīng)用最為廣泛[13]。氣力式采收與機(jī)器人采收技術(shù)在果實無損采收上有著明顯優(yōu)勢，但由于受到經(jīng)濟(jì)、科技等因素的限制，目前在藍(lán)莓采收上仍處于初步應(yīng)用階段。

1.1 機(jī)械振動式

藍(lán)莓機(jī)械采收技術(shù)較為完備的有Korvan、Littau、Oxbo和BEI這4家公司[14]，美國BEI公司的采收技術(shù)最為成熟先進(jìn)，該公司自主生產(chǎn)的自走式旋轉(zhuǎn)藍(lán)莓采收機(jī)利用機(jī)械振動式原理實現(xiàn)對果實的采收，已廣泛應(yīng)用于實際生產(chǎn)作業(yè)[15]，該采收機(jī)采收效率高，但采收作業(yè)過程中容易損傷樹干、樹枝，損傷果實，造成果實變軟[16]，且只適應(yīng)表皮較硬的果實采收[17]。Pengcheng Yu等[18]利用定制的微型球狀儀器以及BIRD(BERRY IMPACT RECORDING DEVICE)系統(tǒng)[19]研究振動式采收機(jī)各部位與果實間的碰撞關(guān)系，得出旋轉(zhuǎn)式采收機(jī)與果實接觸各階段產(chǎn)生的機(jī)械沖擊占整個采收階段的比例關(guān)系，該系統(tǒng)的成本更低、體積更小，且可以做到準(zhǔn)確測量機(jī)器表面與果實接觸時產(chǎn)生的沖擊，該研究得出采收機(jī)的接果板與果實接觸時產(chǎn)生的碰撞影響最大，可為采收機(jī)械的改進(jìn)與完善提供指導(dǎo)。Takeda等[20]對BEI公司生產(chǎn)的V45型藍(lán)莓振動收獲機(jī)進(jìn)行采收率和傷果率評估，得出V45采收機(jī)對不同品種藍(lán)莓損傷率的均值在5%左右，該采收機(jī)對在某些兔眼藍(lán)莓果實采收的損傷率可達(dá)到手工采收標(biāo)準(zhǔn)，但對高層藍(lán)莓的損傷率仍較高。Malladi A等[21]設(shè)計了一款手持振動式機(jī)械振動裝置，該裝置結(jié)構(gòu)簡單、使用便捷。采用該振動裝置對兔眼藍(lán)莓和南高層藍(lán)莓進(jìn)行采收實驗，結(jié)果表明，手持式振動裝置對樹枝施加3～4 s的振動可以實現(xiàn)果實分離，但采收效果因植株特性不同而差異較大。該裝置可用于小批量藍(lán)莓采收，難以滿足大批量藍(lán)莓采收作業(yè)。

近些年國內(nèi)對機(jī)械振動式藍(lán)莓采收機(jī)研究相對較多的有東北林業(yè)大學(xué)，研究理論也相對成熟。郭艷玲等針對矮叢藍(lán)莓采收設(shè)計了一款手推式藍(lán)莓采收機(jī)[22]，建立了藍(lán)莓果實振動模型和果樹振動系統(tǒng)模型[23]，但該采收機(jī)缺少動力牽引。后期，郭艷玲等針對高叢藍(lán)莓的采收進(jìn)行采收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改進(jìn)，設(shè)計了一款利用拖拉機(jī)牽引的高叢藍(lán)莓采收機(jī)，該采收機(jī)采收效率為829 g/min，是人工采收的12.67倍[24]。目前東北林業(yè)大學(xué)對采收機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計理論系統(tǒng)的研究較為成熟，并針對藍(lán)莓果實的識別、定位做了大量的研究[25]，同時也不斷完善振動采收機(jī)械的電控系統(tǒng)，為我國藍(lán)莓采收提供了很多技術(shù)手段和方法。

雖然機(jī)械振動式藍(lán)莓采收機(jī)在工作時不可避免地要接觸到果樹與樹枝從而造成果實損傷[26]，但由于其采收率高，因此，技術(shù)上相對成熟的大型振動采收機(jī)十分適用于大規(guī)模果園模式種植的藍(lán)莓采收。

1.2 氣力式

氣力式收獲機(jī)是最早被用于果品收獲的機(jī)型之一[27]，主要分為氣吹式和氣吸式兩種方式。Takeda等[28]評價了一款手持式氣力振動篩，雖然該采收裝置的傷果率仍高于人工采收，但采收效率比人工高3.5～15倍，且相對傷果率小于10%。DeVetter等[29]通過對一款改良式OTR藍(lán)莓采收機(jī)進(jìn)行評估，得出氣力式振動器可以通過減少收獲時的沖擊力來減少損失，北美的藍(lán)莓種植者也希望借助機(jī)械實現(xiàn)果實無損采收[30]。目前氣力式采收機(jī)在國外已有了初步的應(yīng)用，國內(nèi)對小漿果采收裝置的研究開發(fā)尚屬起步階段，在此基礎(chǔ)上，東北農(nóng)業(yè)大學(xué)的何宇設(shè)計了一款氣吸式小漿果采收機(jī)模型[31]。趙永超等基于空氣動力學(xué)原理設(shè)計出小型、便攜氣吸式小漿果采收機(jī)并進(jìn)行小漿果試驗[32-33]，得出輸送管直徑為40 mm時輸送效果最佳，對應(yīng)工作流量范圍為0.01～0.03 m3/s。為了提高氣吸式小漿果收獲機(jī)采收效率，張韻[34]針對現(xiàn)有氣吸式小漿果收獲機(jī)配套的采摘裝置研究并不成熟的現(xiàn)狀，設(shè)計了5種不同口徑的圓形吸口采摘頭并對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化試驗，得出直徑為30 mm的氣吸采摘頭較另外四組采摘效果好。

氣力式采收裝置作業(yè)過程中不需要與藍(lán)莓植株直接接觸，能避免損傷果皮、折斷樹枝等對果樹造成的損傷，較好地實現(xiàn)了藍(lán)莓果實的無損采收，但氣力式采收在運行過程中需要大功率風(fēng)機(jī)連續(xù)作業(yè)，采收過程運行成本高，功率損失大，且采收效率受限，難以實現(xiàn)短期內(nèi)大批量作業(yè)。

1.3 采收機(jī)器人

采收機(jī)器人是隨著圖像處理技術(shù)與控制理論發(fā)展而來的一種采收技術(shù)[35]，早在1993年，Sarig就指出機(jī)器人采收技術(shù)所解決的主要問題是對果實的識別和定位，同時在采收作業(yè)分離果實與植株時不損傷兩者。Sun S等[36]利用激光技術(shù)設(shè)計了一款測量野生藍(lán)莓灌木叢高度的機(jī)器人平臺，以減少人工測量的耗時，這一平臺也為野生藍(lán)莓采收機(jī)械的設(shè)計提供了重要參數(shù)。呂洋[37-38]對藍(lán)莓采摘末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，提出并設(shè)計了一種梳齒間距可調(diào)的梳齒式藍(lán)莓采摘機(jī)械手，以此進(jìn)行采摘試驗，結(jié)果表明，采摘手梳齒間距在7.0～8.5 mm范圍內(nèi)時，藍(lán)莓果實損傷率為0.58%。Yang Yu等結(jié)合卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與機(jī)器視覺技術(shù)進(jìn)行采摘點的果實定位，定位準(zhǔn)確率很高，可達(dá)95.76%，這一技術(shù)也可用于檢測交疊在樹葉下的水果，且可以適應(yīng)光線變化。葛笑寒[39]經(jīng)過系統(tǒng)仿真試驗得出運用PLC編程可實現(xiàn)對采摘機(jī)械手的自動化控制，采摘手完成采摘單周期的最短時間為5.12 s，定位精度不低于90%，可用于高精度機(jī)械手采收。

采收機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)藍(lán)莓果實的精確采收，且工作過程對藍(lán)莓果實的損傷較小，但由于采收環(huán)境復(fù)雜，作業(yè)對象特殊，技術(shù)尚未成熟，目前仍未實現(xiàn)商業(yè)化[40]。

2 藍(lán)莓機(jī)械化采收存在的問題

隨著藍(lán)莓機(jī)械采收原理與采收技術(shù)的完善，現(xiàn)有的采收機(jī)械對比人工采收可以大幅提高采收效率，但現(xiàn)有的采收機(jī)械仍存在果實采收效率低、損傷率高以及尚未實現(xiàn)分級采收的問題，嚴(yán)重制約了我國藍(lán)莓機(jī)械化采收的發(fā)展。

2.1 采收效率低

藍(lán)莓采收機(jī)械對果實的采收率是檢驗采收機(jī)械是否具有采收價值的最直接指標(biāo)，因而采收機(jī)械的采收率是對采收裝置進(jìn)行設(shè)計檢驗的重要前提和依據(jù)?，F(xiàn)有的采收技術(shù)在采收過程中往往難以做到采凈藍(lán)莓果實，或者在做到采凈果實的同時會將未成熟果實一同采收而造成藍(lán)莓資源的浪費。

2.2 損傷率高

藍(lán)莓具有較高的經(jīng)濟(jì)價值和發(fā)展?jié)摿?，而其各類產(chǎn)品中鮮果的銷售價格更高，且藍(lán)莓果實具有果徑小、果實圓、果皮軟等特點，表皮易受損，而采收機(jī)械每與果樹接觸一次，就不可避免地產(chǎn)生傷果、傷樹等不良影響。因此，在采收過程中保證鮮果完好性對藍(lán)莓銷售具有重要意義，這就要求在藍(lán)莓機(jī)械化采收過程中降低其損傷。當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛的機(jī)械振動式采收技術(shù)對采收藍(lán)莓具有較大的損傷，氣力式以及機(jī)器人采收相對損傷率較低，但受到技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等因素的限制，仍難以代替機(jī)械振動式采收機(jī)的應(yīng)用。

2.3 分級采收難度大

藍(lán)莓在成長過程中，不同植株乃至同一植株的果實狀態(tài)在大小、顏色、成熟度等方面均存在差異，這對藍(lán)莓果實的售價也存在影響，如大小不同的鮮果在市場上的售價有很大區(qū)別，因此在藍(lán)莓進(jìn)入市場前，必須對采收后的果實按照一定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分級分揀從而銷售，進(jìn)而實現(xiàn)藍(lán)莓經(jīng)濟(jì)效益的最大化。我國目前的果實分選仍以人工為主，人工分選任務(wù)量大、主觀性強(qiáng)、成本高，難以實現(xiàn)大批量的藍(lán)莓果實精確分選。

3 發(fā)展趨勢和研究策略

3.1 智能化

提高采收機(jī)械智能化水平。在設(shè)計藍(lán)莓采收機(jī)械時加入超聲波傳感器、數(shù)字彩色攝像機(jī)、坡度傳感器、實時運動學(xué)GPS[41]，運用產(chǎn)量自動監(jiān)控系統(tǒng)(AYMS)[42-44]等新方法、新手段，通過捕捉藍(lán)莓果實圖像可以實現(xiàn)對初次未采收的成熟果實進(jìn)行再次采收，提高采收機(jī)械的智能化水平，做到實時調(diào)整與精確控制采收機(jī)的采收速率，以提高采收機(jī)的采收效率。

3.2 變量式

采用變量式藍(lán)莓采收方法。通過設(shè)計梳刷振動與氣力輔助相結(jié)合的方式來提高采收效率，采用氣流噴頭輔助機(jī)械振動的采收方法，在保證果實采集率的同時，減少對果樹的損傷，尤其在達(dá)到最大程度采凈藍(lán)莓果實時避免對果樹的不必要傷害。

3.3 通用性

增強(qiáng)藍(lán)莓采收機(jī)械的通用性。例如實現(xiàn)藍(lán)莓采收機(jī)的上下甚至左右變距功能，以此使藍(lán)莓采收機(jī)適應(yīng)不同種植密度以及植株高度的果園，增強(qiáng)藍(lán)莓采收機(jī)的通用性。政府也應(yīng)大力鼓勵藍(lán)莓產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，加大對藍(lán)莓相關(guān)產(chǎn)業(yè)的優(yōu)惠政策，促進(jìn)藍(lán)莓種植與加工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，成立藍(lán)莓生產(chǎn)合作社，使藍(lán)莓的種植與采收產(chǎn)業(yè)化，從而實現(xiàn)最大的經(jīng)濟(jì)效益。

3.4 機(jī)械分級

建立藍(lán)莓品質(zhì)分級分選標(biāo)準(zhǔn)。為了減少采收后期人工分選的難度和成本，可以通過分析不同級別藍(lán)莓的生物學(xué)特質(zhì)劃分藍(lán)莓果實等級，建立藍(lán)莓質(zhì)量分級標(biāo)準(zhǔn)，并依據(jù)這一標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行果實品質(zhì)分選，綜合應(yīng)用圖像處理、機(jī)器視覺以及深度學(xué)習(xí)技術(shù)研發(fā)機(jī)械化、自動化藍(lán)莓分選裝置，提高分選效率和分級質(zhì)量。

4 結(jié)論與展望

隨著我國藍(lán)莓種植面積與產(chǎn)量的增長，人工采收難以滿足當(dāng)前藍(lán)莓產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求，而且人工采收后的藍(lán)莓品質(zhì)分選任務(wù)依然十分繁重。采用機(jī)械化、自動化、智能化的采收技術(shù)一方面可以避免不必要的社會資源消耗，節(jié)省大量的人力、物力，降低藍(lán)莓的生產(chǎn)成本，另一方面，實現(xiàn)藍(lán)莓采收機(jī)械化、自動化、智能化可以降低果實損傷率，同時做到及時采收果實，避免因采收不及時、采收方法不當(dāng)造成的果實浪費，以此提高藍(lán)莓產(chǎn)量。

當(dāng)前我國藍(lán)莓的采收現(xiàn)狀嚴(yán)重制約了藍(lán)莓的大面積種植與推廣，藍(lán)莓機(jī)械化采收是未來藍(lán)莓產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向和必然趨勢。國外目前較為成熟的藍(lán)莓采收機(jī)械主要應(yīng)用于大型藍(lán)莓種植園的規(guī)?；墒?，不適應(yīng)我國大部分藍(lán)莓種植地區(qū)小面積、復(fù)雜地形的采收，且小型藍(lán)莓種植園難以承擔(dān)藍(lán)莓采收機(jī)械的購買和維護(hù)成本，因此研究適合我國國情的采收方式方法，可以彌補(bǔ)國內(nèi)采收技術(shù)的不足，縮短我國與發(fā)達(dá)國家采收機(jī)械化程度的差距，從而實現(xiàn)藍(lán)莓的機(jī)械化、自動化、智能化采收，促進(jìn)藍(lán)莓及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)的共同發(fā)展，加速我國農(nóng)林業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展與科技的進(jìn)步。本文在對國內(nèi)外藍(lán)莓采收技術(shù)進(jìn)行分析后，指出現(xiàn)有的藍(lán)莓采收技術(shù)存在采收率不夠高、損傷果實、采收后的分選任務(wù)繁重以及采收機(jī)械成本高等問題，并就這些問題提出以下建議：

(1)分析振動式采收機(jī)的傷果原因進(jìn)而對系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。振動式采收機(jī)采收產(chǎn)生損傷的最主要兩個階段分別為梳刷桿與果實接觸以及果實從高空落到接果板這兩個過程，因而可以選用軟質(zhì)材料的梳刷桿以及接果板，以降低振動式采收機(jī)的傷果率，同時根據(jù)果實的成熟狀況調(diào)整采收機(jī)的采收頻率，減少對果樹的損傷。

(2)將氣力式采收與振動梳刷相結(jié)合。氣力式采收具有傷果率低的特點，但工作過程中需要大功率風(fēng)機(jī)持續(xù)工作，將氣力式采收與機(jī)械振動式采收相結(jié)合可以降低氣力式采收的功率消耗，并降低機(jī)械振動裝置采收所需要的頻率，從而提高采收效率并降低傷果率。

(3)提高采收機(jī)器人對果實的定位、識別的速度與精度。將機(jī)器視覺技術(shù)與人工智能技術(shù)應(yīng)用到對藍(lán)莓果實的定位與識別方面，同時可以采用多機(jī)械手協(xié)同工作，增強(qiáng)機(jī)械手的靈活性，提高采收效率。