振動(dòng)式林果采收技術(shù)的研究現(xiàn)狀

陳澤斌

（福建農(nóng)林大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，福州350002）

0 引言

通常林果采摘收獲所耗費(fèi)的成本可以達(dá)到總生產(chǎn)成本的35%～45%，傳統(tǒng)人工采收的方式既費(fèi)時(shí)費(fèi)力又很昂貴[1]。因此，林果業(yè)的振動(dòng)式機(jī)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(dāng)前，林果業(yè)機(jī)械采摘裝備大部分采用振動(dòng)式裝置使林果脫落。對(duì)振動(dòng)式林果采收技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行研究有利于后續(xù)產(chǎn)品進(jìn)一步的設(shè)計(jì)研發(fā)。為了在保證振動(dòng)式林果采摘效率和采凈率的同時(shí)，避免對(duì)果樹造成過大的損傷，可以對(duì)果樹個(gè)體的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行研究，在此基礎(chǔ)上優(yōu)化振動(dòng)式采收機(jī)械以達(dá)到最適宜的振動(dòng)頻率。林果動(dòng)力學(xué)特性的研究通常是通過建立動(dòng)力學(xué)模型及試驗(yàn)仿真分析，而果樹個(gè)體的三維模型是進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析的基礎(chǔ)。針對(duì)上述問題，本文從振動(dòng)式林果采收機(jī)械、果樹動(dòng)力學(xué)特性研究及果樹三維模型重建這三個(gè)方面闡述了現(xiàn)有林果振動(dòng)采收技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r，并簡(jiǎn)要分析了現(xiàn)有振動(dòng)采摘技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的優(yōu)缺點(diǎn)，以期為林果采收裝備的進(jìn)一步設(shè)計(jì)研發(fā)給予參考。

1 振動(dòng)式林果采收機(jī)械的研究現(xiàn)狀

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

1.1 氣力式

氣力式果實(shí)采摘機(jī)一般采用拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)大功率風(fēng)機(jī)，并通過控制氣流的導(dǎo)向裝置來改變氣流方向。林果受到強(qiáng)大氣流產(chǎn)生的力開始做振搖運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)果實(shí)的脫落過程，如圖1所示。Jutrast[3]針對(duì)柑橘采摘最早提出了使用氣力式振動(dòng)采收果實(shí)的方法。Whitney[4]采用最大氣流速度43.8 m/s的大功率風(fēng)機(jī)，對(duì)柑橘樹的樹冠進(jìn)行持續(xù)時(shí)間10 s的氣力式振動(dòng)。試驗(yàn)表明，對(duì)于成熟柑橘的采凈率可以達(dá)到85%～90%。但是本次試驗(yàn)直接導(dǎo)致第二年柑橘的產(chǎn)量減少了10%。趙永超等[5]針對(duì)藍(lán)莓采摘設(shè)計(jì)了一款小型氣吸式采收機(jī)械，當(dāng)氣吸管路的直徑為40 mm、管路工作流速為0.02～0.03 m3/s時(shí)，對(duì)藍(lán)莓的采摘效果最佳。氣力式林果采摘機(jī)作業(yè)時(shí)通常可以避免與果樹直接接觸，最大程度地減少了果實(shí)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(shí)采摘機(jī)是撞擊裝置直接作用于果樹，使枝干產(chǎn)生瞬時(shí)加速運(yùn)動(dòng)以脫落果實(shí)。撞擊設(shè)備通常使用機(jī)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(duì)于撞擊式振動(dòng)采摘機(jī)采收效果的影響，對(duì)兩棵不同枝干形狀的蘋果樹進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)表明兩種樹形的果實(shí)采凈率都可以達(dá)到90%～95%。但是開心型蘋果樹所采收的果實(shí)損壞率明顯比主干型蘋果樹低，如圖2所示。Pacheco等[7]利用機(jī)械彈簧產(chǎn)生的瞬間彈力設(shè)計(jì)了一款針對(duì)粗壯型樹木的撞擊式果實(shí)采摘機(jī)，彈簧彈力能夠產(chǎn)生最大1151 J的能量。Peterson[8]針對(duì)櫻桃樹獨(dú)特的樹木形狀研究開發(fā)一款基于撞擊式櫻桃采收機(jī)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(jì)了撞擊裝置，工作時(shí)果實(shí)采收的效率可以達(dá)到1480 kg/h。撞擊式采收機(jī)械的采凈率較高，但是對(duì)果樹個(gè)體造成的損傷較大，直接導(dǎo)致下一年果樹結(jié)果率的下降。撞擊式采收機(jī)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(shí)采摘機(jī)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(duì)振動(dòng)采收的影響，分別采用兩種振搖裝置對(duì)柑橘進(jìn)行振動(dòng)采摘。試驗(yàn)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(duì)樹木施加作用時(shí)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(duì)石松果實(shí)的采摘最佳參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)表明，振搖頻率為18 Hz、振動(dòng)幅度為65 mm時(shí)，石松的采凈率為85%。研究發(fā)現(xiàn)，機(jī)械振搖的間隔周期越短，在保證損壞率不變的同時(shí)果實(shí)采摘效率越高[11]。國(guó)內(nèi)振搖式采收機(jī)械的研究主要是針對(duì)枸杞、桑葚和藍(lán)莓等小型林果。東北林業(yè)大學(xué)耿雷等[12]基于曲柄滑塊振搖裝置，設(shè)計(jì)了一種高叢藍(lán)莓振動(dòng)采摘機(jī)。田間試驗(yàn)表明，收獲的果實(shí)可以達(dá)到835 g/min，且藍(lán)莓損傷率小于10%。福建農(nóng)林大學(xué)吳道遠(yuǎn)[13]對(duì)核桃樹體及其果實(shí)進(jìn)行建模，在此基礎(chǔ)上試驗(yàn)分析了核桃樹的動(dòng)力學(xué)特性，基于偏心式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種核桃果實(shí)振動(dòng)采摘機(jī)。通常在振搖采摘作業(yè)前會(huì)對(duì)果樹噴灑適量的脫落劑以提高果實(shí)的采凈率。振搖式果實(shí)采摘機(jī)在采摘作業(yè)時(shí)不能避免與果樹的直接接觸，容易對(duì)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(shí)采摘機(jī)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(yùn)動(dòng)方式可以將果實(shí)脫落（如圖5）。Peterson[14]針對(duì)藍(lán)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(shí)現(xiàn)藍(lán)莓機(jī)械化采收的同時(shí)，所采收藍(lán)莓的損壞率也可以達(dá)到人工采收的水平。Savary等[15]對(duì)梳刷式果實(shí)采摘機(jī)工作時(shí)梳刷裝置對(duì)果實(shí)造成的作用力進(jìn)行了研究。研究表明，冠層內(nèi)部果實(shí)所受的作用力要比冠層外部大17%。張文強(qiáng)等[16]針對(duì)枸杞采收研究了一款可以改變梳刷距離的采收機(jī)械裝備。當(dāng)梳刷距離為8 mm、彈簧鋼長(zhǎng)度為45 mm、彈直徑為1.1 mm時(shí)，枸杞的采凈率可以達(dá)到88%，果實(shí)的損傷率為7.5%，基本符合采摘要求。振搖式和梳刷式振動(dòng)方式的采收機(jī)械是目前應(yīng)用較廣泛的兩種類型，梳刷式果實(shí)采摘機(jī)適用于矮叢類果實(shí)的采收。

圖4 振搖式

圖5 梳刷式

2 果樹動(dòng)力學(xué)特性研究現(xiàn)狀

為了在保證振動(dòng)式林果采摘效率和采凈率的同時(shí)，避免對(duì)果樹造成過大的損傷，導(dǎo)致下一年果實(shí)減產(chǎn)。可以對(duì)果樹個(gè)體的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行研究，以進(jìn)一步優(yōu)化振動(dòng)式采收機(jī)械達(dá)到最適宜的振動(dòng)頻率。林果動(dòng)力學(xué)特性研究通常包括兩個(gè)方面：建立動(dòng)力學(xué)模型和試驗(yàn)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(dòng)力學(xué)模型，通過對(duì)果樹進(jìn)行實(shí)地測(cè)量，可以得到一系列果樹參數(shù)，在此基礎(chǔ)上將測(cè)得參數(shù)轉(zhuǎn)換為模型所需的參數(shù)。試驗(yàn)對(duì)比了所建果樹模型與真實(shí)果樹在振動(dòng)采摘時(shí)的頻率響應(yīng)及位移幅值，二者的試驗(yàn)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(dòng)力學(xué)模型，通過對(duì)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(yīng)的頻率響應(yīng)。李志鵬[19]針對(duì)藍(lán)莓樹提出了一種變截面彈性桿結(jié)構(gòu)的藍(lán)莓樹動(dòng)力學(xué)模型，試驗(yàn)分析了果樹模型在受到方向不同的振動(dòng)時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。結(jié)果表明，果樹模型在受到徑向振動(dòng)時(shí)的凈采率最佳。翁凌云等[20]針對(duì)Y形果樹提出了一種圓截面楔形粱結(jié)構(gòu)的果樹動(dòng)力學(xué)模型，并建立求解了果樹模型受迫振動(dòng)下的頻率響應(yīng)。

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(duì)果樹個(gè)體的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行研究。賀磊盈[21]基于兩張視圖對(duì)核桃樹進(jìn)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(yīng)用有限元分析軟件對(duì)不同側(cè)枝數(shù)量的果樹進(jìn)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(xué)吳道遠(yuǎn)[22]對(duì)核桃樹體及不同成熟度的果實(shí)進(jìn)行建模，并應(yīng)用有限元仿真軟件對(duì)果樹及果實(shí)進(jìn)行模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析，求得不同成熟度果樹采摘時(shí)所對(duì)應(yīng)的最佳振動(dòng)頻率。

3 果樹三維模型重建研究現(xiàn)狀

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

通過點(diǎn)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。基于分割技術(shù)的建模方法是將樹木的點(diǎn)云分割成若干個(gè)小的子集，通過子集的重新連接來建立樹木的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。例如，H.Xu等[23]基于聚類對(duì)樹木點(diǎn)云進(jìn)行分割并提取骨架點(diǎn)。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(duì)樹木結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類，并提出基于水平集對(duì)樹木枝干進(jìn)行提取。代明睿等[25]基于圖論對(duì)樹木骨架點(diǎn)進(jìn)行提取并通過主曲率分析消除深度圖像中存在的噪聲點(diǎn)。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(zhǔn)確添加樹葉的方法。上述研究可以準(zhǔn)確提取枝干骨架，并且能夠生成較為合理的樹木枝干拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。但是上述方法依賴于所輸入點(diǎn)云的質(zhì)量，當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)生缺失時(shí)，重建的模型就會(huì)產(chǎn)生偏差。

基于骨架的建模方法是直接從樹木點(diǎn)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(duì)輸入的點(diǎn)云構(gòu)建最短路徑圖來自動(dòng)提取枝干粗略的骨架。B.Gorte等[28]在對(duì)樹木分枝結(jié)構(gòu)進(jìn)行細(xì)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(diǎn)云中提取枝干骨架，在此基礎(chǔ)上通過計(jì)算生成枝干拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)所需的參數(shù)來進(jìn)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(shì)對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)。上述方法避免了對(duì)樹木點(diǎn)云進(jìn)行分割的步驟，對(duì)輸入點(diǎn)云數(shù)據(jù)的質(zhì)量有一定的魯棒性。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)本文所述振動(dòng)式林果采摘機(jī)械、果樹動(dòng)力學(xué)特性及果樹三維模型重建的發(fā)展?fàn)顩r，可以看出針對(duì)這三個(gè)方面的分析研究已經(jīng)有明顯的成績(jī)，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(dòng)式林果采收機(jī)械提供最佳的工作參數(shù)。文中所述的四種振動(dòng)方式各有其優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)提高林果采摘水平都有著重大的意義，基于振搖振動(dòng)方式的采摘機(jī)械是目前應(yīng)用較廣泛的類型。林果采收機(jī)械的每一種振動(dòng)方式對(duì)應(yīng)著采收機(jī)械不同的最佳工作參數(shù)，也直接對(duì)林果的采摘效率造成影響。除了考慮采摘機(jī)械的振動(dòng)頻率，果實(shí)的分級(jí)采收也是應(yīng)該研究的方面。

對(duì)果樹個(gè)體進(jìn)行動(dòng)力學(xué)特性研究，可以得到果樹個(gè)體的固有頻率、模態(tài)及頻率響應(yīng)等參數(shù)，以進(jìn)一步優(yōu)化振動(dòng)式采收機(jī)械達(dá)到最適宜的振動(dòng)頻率。林果動(dòng)力學(xué)特性研究通常包括兩個(gè)方面，建立動(dòng)力學(xué)模型和試驗(yàn)仿真分析。建立果樹動(dòng)力學(xué)模型是一個(gè)耗時(shí)費(fèi)力較復(fù)雜的過程，要得到一棵果樹準(zhǔn)確的動(dòng)態(tài)響應(yīng)參數(shù)就得在果樹的大部分枝干上放置傳感器，并對(duì)收集到的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)整理分析。而使用有限元軟件對(duì)樹木模型進(jìn)行試驗(yàn)研究可以彌補(bǔ)前者的缺點(diǎn)，可以較輕松地得出動(dòng)力學(xué)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(zhǔn)確，應(yīng)該通過動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)以整合所獲取的參數(shù)。果樹動(dòng)力學(xué)特性研究除了應(yīng)該對(duì)比分析幾個(gè)特定點(diǎn)的若干階固有頻率，還應(yīng)該進(jìn)行果樹的諧響應(yīng)分析，以獲得裝備最佳振動(dòng)頻率。

果樹個(gè)體的動(dòng)力學(xué)仿真分析需要準(zhǔn)確度較高的三維樹木模型。每一種果樹的物理特性都是獨(dú)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(gè)準(zhǔn)確度較高的三維樹木模型僅僅依靠手工測(cè)量的方式是不現(xiàn)實(shí)的。通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)重建的果樹三維模型大部分是應(yīng)用于游戲等虛擬場(chǎng)景，只需要看起來逼真即可，而要得到果樹準(zhǔn)確的動(dòng)力學(xué)特性參數(shù)則需要模型具有較高拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和精度。上文所述兩種基于點(diǎn)云重建模型的方式各有其優(yōu)缺點(diǎn)，后者避免了對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行分割的過程，對(duì)輸入點(diǎn)云數(shù)據(jù)的質(zhì)量有一定的魯棒性，精確度尚待加強(qiáng)。所以在今后的工作中應(yīng)該更進(jìn)一步探索振動(dòng)采摘機(jī)械的智能分級(jí)采收及如何進(jìn)一步提高重建果樹模型的精度。