振動式林果采收技術(shù)的研究現(xiàn)狀

陳澤斌

（福建農(nóng)林大學 機電工程學院，福州350002）

0 引言

通常林果采摘收獲所耗費的成本可以達到總生產(chǎn)成本的35%～45%，傳統(tǒng)人工采收的方式既費時費力又很昂貴[1]。因此，林果業(yè)的振動式機械采收不僅能夠使果樹采摘的效率翻倍，而且有利于林果類公司的發(fā)展和向智能化的轉(zhuǎn)型。當前，林果業(yè)機械采摘裝備大部分采用振動式裝置使林果脫落。對振動式林果采收技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀進行研究有利于后續(xù)產(chǎn)品進一步的設(shè)計研發(fā)。為了在保證振動式林果采摘效率和采凈率的同時，避免對果樹造成過大的損傷，可以對果樹個體的動力學特性進行研究，在此基礎(chǔ)上優(yōu)化振動式采收機械以達到最適宜的振動頻率。林果動力學特性的研究通常是通過建立動力學模型及試驗仿真分析，而果樹個體的三維模型是進行動力學仿真分析的基礎(chǔ)。針對上述問題，本文從振動式林果采收機械、果樹動力學特性研究及果樹三維模型重建這三個方面闡述了現(xiàn)有林果振動采收技術(shù)的發(fā)展狀況，并簡要分析了現(xiàn)有振動采摘技術(shù)在實際應用中的優(yōu)缺點，以期為林果采收裝備的進一步設(shè)計研發(fā)給予參考。

1 振動式林果采收機械的研究現(xiàn)狀

振動式機械采收裝備已經(jīng)被大規(guī)模應用于林果業(yè)，采收效率可以達到人工收獲的10倍[2]。振動式機械采收裝備的基本原理是振動裝置作用于樹干, 果樹在外力作用下開始做受迫加速運動，林果受到慣性力并開始振搖運動并將力傳遞至林果和枝干連接處。當連接處斷裂時，林果就可以從果樹脫落。根據(jù)振動裝置結(jié)構(gòu)的不同，采摘機械大致有以下幾種類型。

1.1 氣力式

氣力式果實采摘機一般采用拖拉機驅(qū)動大功率風機，并通過控制氣流的導向裝置來改變氣流方向。林果受到強大氣流產(chǎn)生的力開始做振搖運動，以實現(xiàn)果實的脫落過程，如圖1所示。Jutrast[3]針對柑橘采摘最早提出了使用氣力式振動采收果實的方法。Whitney[4]采用最大氣流速度43.8 m/s的大功率風機，對柑橘樹的樹冠進行持續(xù)時間10 s的氣力式振動。試驗表明，對于成熟柑橘的采凈率可以達到85%～90%。但是本次試驗直接導致第二年柑橘的產(chǎn)量減少了10%。趙永超等[5]針對藍莓采摘設(shè)計了一款小型氣吸式采收機械，當氣吸管路的直徑為40 mm、管路工作流速為0.02～0.03 m3/s時，對藍莓的采摘效果最佳。氣力式林果采摘機作業(yè)時通?？梢员苊馀c果樹直接接觸，最大程度地減少了果實的損傷率。但是消耗的能源過大，采摘成本過高，不適用于面積較大的林果園。

1.2 撞擊式

撞擊式果實采摘機是撞擊裝置直接作用于果樹，使枝干產(chǎn)生瞬時加速運動以脫落果實。撞擊設(shè)備通常使用機械彈簧或者電磁式激振的方式。Pellerin等[6]為了了解不同的樹木形狀對于撞擊式振動采摘機采收效果的影響，對兩棵不同枝干形狀的蘋果樹進行試驗，試驗表明兩種樹形的果實采凈率都可以達到90%～95%。但是開心型蘋果樹所采收的果實損壞率明顯比主干型蘋果樹低，如圖2所示。Pacheco等[7]利用機械彈簧產(chǎn)生的瞬間彈力設(shè)計了一款針對粗壯型樹木的撞擊式果實采摘機，彈簧彈力能夠產(chǎn)生最大1151 J的能量。Peterson[8]針對櫻桃樹獨特的樹木形狀研究開發(fā)一款基于撞擊式櫻桃采收機械。與傳統(tǒng)的單一撞擊采收不同的是，Peterson在樹木的兩側(cè)都設(shè)計了撞擊裝置，工作時果實采收的效率可以達到1480 kg/h。撞擊式采收機械的采凈率較高，但是對果樹個體造成的損傷較大，直接導致下一年果樹結(jié)果率的下降。撞擊式采收機械適用于枝干粗壯型果樹。

圖1 氣力式

圖2 撞擊式

1.3 振搖式

振搖裝置是振搖式果實采摘機的重要組成部分，通常有兩種類型：基于曲柄滑塊結(jié)構(gòu)、基于偏心旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)（如圖3）。Whitney等[9]為了解兩種振搖裝置對振動采收的影響，分別采用兩種振搖裝置對柑橘進行振動采摘。試驗表明，基于曲柄滑塊振搖裝置的采凈率為50%～55%，基于偏心旋轉(zhuǎn)振搖裝置的采凈率為70%～75%。

圖3 兩種振搖結(jié)構(gòu)

根據(jù)振搖裝置對樹木施加作用時位置的不同，通常有基于樹干和基于主枝振搖兩種類型（如圖4）。2011年，Castro-Garcia[10]基于樹干振搖對石松果實的采摘最佳參數(shù)進行試驗，試驗表明，振搖頻率為18 Hz、振動幅度為65 mm時，石松的采凈率為85%。研究發(fā)現(xiàn)，機械振搖的間隔周期越短，在保證損壞率不變的同時果實采摘效率越高[11]。國內(nèi)振搖式采收機械的研究主要是針對枸杞、桑葚和藍莓等小型林果。東北林業(yè)大學耿雷等[12]基于曲柄滑塊振搖裝置，設(shè)計了一種高叢藍莓振動采摘機。田間試驗表明，收獲的果實可以達到835 g/min，且藍莓損傷率小于10%。福建農(nóng)林大學吳道遠[13]對核桃樹體及其果實進行建模，在此基礎(chǔ)上試驗分析了核桃樹的動力學特性，基于偏心式結(jié)構(gòu)設(shè)計了一種核桃果實振動采摘機。通常在振搖采摘作業(yè)前會對果樹噴灑適量的脫落劑以提高果實的采凈率。振搖式果實采摘機在采摘作業(yè)時不能避免與果樹的直接接觸，容易對果樹造成損傷，但是在振搖技術(shù)研究上較成熟，更適用于大小面積的林果園。

1.4 梳刷式

梳刷式果實采摘機一般是梳刷裝置直接作用于果樹的冠層，通過梳刷裝置的旋轉(zhuǎn)等運動方式可以將果實脫落（如圖5）。Peterson[14]針對藍莓采摘研發(fā)了一種雙滾筒釘式傾角梳刷裝置。該裝置可以在實現(xiàn)藍莓機械化采收的同時，所采收藍莓的損壞率也可以達到人工采收的水平。Savary等[15]對梳刷式果實采摘機工作時梳刷裝置對果實造成的作用力進行了研究。研究表明，冠層內(nèi)部果實所受的作用力要比冠層外部大17%。張文強等[16]針對枸杞采收研究了一款可以改變梳刷距離的采收機械裝備。當梳刷距離為8 mm、彈簧鋼長度為45 mm、彈直徑為1.1 mm時，枸杞的采凈率可以達到88%，果實的損傷率為7.5%，基本符合采摘要求。振搖式和梳刷式振動方式的采收機械是目前應用較廣泛的兩種類型，梳刷式果實采摘機適用于矮叢類果實的采收。

圖4 振搖式

圖5 梳刷式

2 果樹動力學特性研究現(xiàn)狀

為了在保證振動式林果采摘效率和采凈率的同時，避免對果樹造成過大的損傷，導致下一年果實減產(chǎn)?？梢詫麡鋫€體的動力學特性進行研究，以進一步優(yōu)化振動式采收機械達到最適宜的振動頻率。林果動力學特性研究通常包括兩個方面：建立動力學模型和試驗仿真分析。

Lang[17]提出了一種單自由度的樹干-主枝結(jié)構(gòu)的果樹動力學模型，通過對果樹進行實地測量，可以得到一系列果樹參數(shù)，在此基礎(chǔ)上將測得參數(shù)轉(zhuǎn)換為模型所需的參數(shù)。試驗對比了所建果樹模型與真實果樹在振動采摘時的頻率響應及位移幅值，二者的試驗結(jié)果大致相同，所建模型的精度符合要求。Murphy等[18]提出了一種多自由度的連桿結(jié)構(gòu)的果樹動力學模型，通過對模型構(gòu)建線性方程，可以得到果樹模型的固有頻率，在此基礎(chǔ)上分析研究果樹相應的頻率響應。李志鵬[19]針對藍莓樹提出了一種變截面彈性桿結(jié)構(gòu)的藍莓樹動力學模型，試驗分析了果樹模型在受到方向不同的振動時的動態(tài)響應。結(jié)果表明，果樹模型在受到徑向振動時的凈采率最佳。翁凌云等[20]針對Y形果樹提出了一種圓截面楔形粱結(jié)構(gòu)的果樹動力學模型，并建立求解了果樹模型受迫振動下的頻率響應。

隨著有限元分析軟件不斷發(fā)展，研究人員開始基于有限元分析對果樹個體的動力學特性進行研究。賀磊盈[21]基于兩張視圖對核桃樹進行建模，通過Triangle算法分割并提取枝干骨架，重建了果樹三維骨架模型。在此基礎(chǔ)上，應用有限元分析軟件對不同側(cè)枝數(shù)量的果樹進行分析，結(jié)果表明，果樹側(cè)枝的數(shù)量越多，果樹的固有頻率越低。福建農(nóng)林大學吳道遠[22]對核桃樹體及不同成熟度的果實進行建模，并應用有限元仿真軟件對果樹及果實進行模態(tài)分析和諧響應分析，求得不同成熟度果樹采摘時所對應的最佳振動頻率。

3 果樹三維模型重建研究現(xiàn)狀

果樹個體的頻率、模態(tài)及諧響應等是通過對樹木的動力學特性研究得到的，而果樹精確的三維模型是獲取準確的果樹參數(shù)的基礎(chǔ)。獲取樹木點云數(shù)據(jù)的方式已經(jīng)越來越多，研究人員考慮將點云技術(shù)應用于果樹模型重建。點云數(shù)據(jù)能夠刻畫目標表面特性的密集點集合。通過果樹點云數(shù)據(jù)，可以快速測量樹高、直徑等參數(shù)并為果樹建立所需模型。

通過點云數(shù)據(jù)重建果樹三維模型的方法通常分為基于分割技術(shù)和基于骨架建模?；诜指罴夹g(shù)的建模方法是將樹木的點云分割成若干個小的子集，通過子集的重新連接來建立樹木的拓撲結(jié)構(gòu)。例如，H.Xu等[23]基于聚類對樹木點云進行分割并提取骨架點。J.Hackenberg等[24]開發(fā)了名為SimpleTree的建模工具，提出通過分層圓柱結(jié)構(gòu)對樹木結(jié)構(gòu)進行分類，并提出基于水平集對樹木枝干進行提取。代明睿等[25]基于圖論對樹木骨架點進行提取并通過主曲率分析消除深度圖像中存在的噪聲點。王向玉等[26]在單株木模型的重建的基礎(chǔ)上，提出了一種在樹冠中準確添加樹葉的方法。上述研究可以準確提取枝干骨架，并且能夠生成較為合理的樹木枝干拓撲結(jié)構(gòu)。但是上述方法依賴于所輸入點云的質(zhì)量，當數(shù)據(jù)發(fā)生缺失時，重建的模型就會產(chǎn)生偏差。

基于骨架的建模方法是直接從樹木點云中提取枝干骨架。例如，S.Delagrange等[27]開發(fā)了名為PypeTree的建模工具，通過對輸入的點云構(gòu)建最短路徑圖來自動提取枝干粗略的骨架。B.Gorte等[28]在對樹木分枝結(jié)構(gòu)進行細化的基礎(chǔ)上，提出利用中軸線表示樹木骨架。趙艷妮等[29]直接從點云中提取枝干骨架，在此基礎(chǔ)上通過計算生成枝干拓撲結(jié)構(gòu)所需的參數(shù)來進一步完善所建模型。唐麗玉等[30]在PC2Tree建模工具的基礎(chǔ)上，結(jié)合多種算法的優(yōu)勢對其進行改進。上述方法避免了對樹木點云進行分割的步驟，對輸入點云數(shù)據(jù)的質(zhì)量有一定的魯棒性。

4 結(jié)語

根據(jù)本文所述振動式林果采摘機械、果樹動力學特性及果樹三維模型重建的發(fā)展狀況，可以看出針對這三個方面的分析研究已經(jīng)有明顯的成績，但尚存一定的發(fā)展空間。最主要的問題是如何將這三者通過最適宜的方式結(jié)合起來，為振動式林果采收機械提供最佳的工作參數(shù)。文中所述的四種振動方式各有其優(yōu)缺點，對提高林果采摘水平都有著重大的意義，基于振搖振動方式的采摘機械是目前應用較廣泛的類型。林果采收機械的每一種振動方式對應著采收機械不同的最佳工作參數(shù)，也直接對林果的采摘效率造成影響。除了考慮采摘機械的振動頻率，果實的分級采收也是應該研究的方面。

對果樹個體進行動力學特性研究，可以得到果樹個體的固有頻率、模態(tài)及頻率響應等參數(shù)，以進一步優(yōu)化振動式采收機械達到最適宜的振動頻率。林果動力學特性研究通常包括兩個方面，建立動力學模型和試驗仿真分析。建立果樹動力學模型是一個耗時費力較復雜的過程，要得到一棵果樹準確的動態(tài)響應參數(shù)就得在果樹的大部分枝干上放置傳感器，并對收集到的數(shù)據(jù)統(tǒng)計整理分析。而使用有限元軟件對樹木模型進行試驗研究可以彌補前者的缺點，可以較輕松地得出動力學特性參數(shù)。但是，通過有限元分析軟件得到的參數(shù)可能不全部準確，應該通過動力學試驗以整合所獲取的參數(shù)。果樹動力學特性研究除了應該對比分析幾個特定點的若干階固有頻率，還應該進行果樹的諧響應分析，以獲得裝備最佳振動頻率。

果樹個體的動力學仿真分析需要準確度較高的三維樹木模型。每一種果樹的物理特性都是獨特的，即使是同種類的兩棵樹，也存在樹木枝干的明顯差異。一個準確度較高的三維樹木模型僅僅依靠手工測量的方式是不現(xiàn)實的。通過點云數(shù)據(jù)重建的果樹三維模型大部分是應用于游戲等虛擬場景，只需要看起來逼真即可，而要得到果樹準確的動力學特性參數(shù)則需要模型具有較高拓撲結(jié)構(gòu)和精度。上文所述兩種基于點云重建模型的方式各有其優(yōu)缺點，后者避免了對點云進行分割的過程，對輸入點云數(shù)據(jù)的質(zhì)量有一定的魯棒性，精確度尚待加強。所以在今后的工作中應該更進一步探索振動采摘機械的智能分級采收及如何進一步提高重建果樹模型的精度。