激光處理視角下的柑橘采摘技術(shù)研究現(xiàn)狀及展望*

張恩銘，張新星，陳葉葉，陳席國，吳成成，王 勝，李治丹，陳 超

（衢州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，浙江 衢 州 324000)

0 引言

柑橘美味多汁，酸甜爽口，富含維生素、有機(jī)酸和糖分等人體所需的營養(yǎng)物質(zhì)。 柑橘的果肉可口，可以做成果醬、果汁和罐頭等，是水果食品的重要原材料。 柑橘產(chǎn)品在日常生活中深受人們的歡迎，且很多行業(yè)都有柑橘產(chǎn)品的應(yīng)用。 柑橘的用途廣泛，果皮可以制作橙皮苷、果膠和香精等，也是醫(yī)藥工業(yè)的重要原材料。 柑橘產(chǎn)品不僅可以做成食品和保健品，還可以制作成工業(yè)原料和藥材等。如何更好發(fā)揮柑橘商業(yè)價值，使柑橘產(chǎn)業(yè)鏈更健康發(fā)展，第一步和關(guān)鍵一步都是柑橘果實的采摘。

目前，柑橘采摘以手工為主，機(jī)械為輔。 常見的是手工采摘，人工挑取，采摘效率低，勞動強(qiáng)度大，衛(wèi)生狀況難以達(dá)標(biāo)，嚴(yán)重影響了柑橘的品質(zhì)和采摘效率，也影響了柑橘進(jìn)一步開發(fā)和利用。 國外的柑橘采摘設(shè)備雖然先進(jìn)，但與我國柑橘采摘的現(xiàn)狀并不匹配。 國內(nèi)現(xiàn)有的柑橘采摘設(shè)備雖然部分解決了柑橘采摘效率問題，但受柑橘大小、地形、柑橘位置高低和方向等影響，現(xiàn)有機(jī)械采摘柑橘質(zhì)量、效率和優(yōu)果率等與后續(xù)加工要求尚存在提升空間。 因此，筆者嘗試?yán)眉す馓幚砑夹g(shù)與現(xiàn)代智能技術(shù)集成，研制適應(yīng)復(fù)雜地形要求的新型柑橘采摘設(shè)備，具有重大的現(xiàn)實需求和市場前景。

1 國內(nèi)外柑橘采摘技術(shù)研究現(xiàn)狀

國外的柑橘采摘技術(shù)起步較早。 在澳大利亞、西班牙等諸多國家，由于柑橘品種較優(yōu)良，規(guī)模化種植，有利于進(jìn)行大規(guī)模機(jī)械采摘，將機(jī)電一體化技術(shù)充分用于柑橘采摘，大大節(jié)省人力成本，采摘效率較高，采摘后的柑橘品質(zhì)上乘，商品價值較高。 柑橘采摘和果實儲存等工序已基本實現(xiàn)了機(jī)械化的流水線作業(yè)。 目前，我國的柑橘采摘技術(shù)尚處于初級階段，開始由人工采摘轉(zhuǎn)向?qū)Ω涕贆C(jī)械化采摘進(jìn)行相關(guān)研究，因此，我國的柑橘采摘技術(shù)具有很大的研究空間，推進(jìn)我國柑橘采摘技術(shù)的發(fā)展。

2 柑橘采摘技術(shù)

2.1 國外情況

國外的柑橘采摘設(shè)備研制起步較早。 在澳大利亞、西班牙、美國等諸多國家，由于柑橘品種優(yōu)良、規(guī)格劃一，有利于機(jī)械化采摘，已基本實現(xiàn)機(jī)械化采摘，采摘效率高，節(jié)約了人工成本。

1）2012年，巴西的 Marcelo M. Soares 等科研人員研究出了一種符合人體工程學(xué)半機(jī)械化收獲柑橘的設(shè)備。利用多平臺的半機(jī)械化收割系統(tǒng)對柑橘采摘進(jìn)行研究，研究表明該設(shè)備的工作條件得到改善，收獲過程中機(jī)器的移動量明顯減少[1]，該設(shè)備比原有的半機(jī)械化收割設(shè)備生產(chǎn)率提高了60%。

2）2014年初，美國瓦倫西亞農(nóng)業(yè)研究所農(nóng)業(yè)工程中心、 瓦倫西亞理工大學(xué)和哥倫比亞國立大學(xué)的S. Cubero等研究人員利用移動平臺將計算機(jī)視覺系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，使柑橘果實在田間自動預(yù)分級，可以實現(xiàn)節(jié)省柑橘的加工和運(yùn)輸成本。 該設(shè)備是專門為田間分揀柑橘設(shè)計的，將計算機(jī)視覺系統(tǒng)安裝在一個移動平臺上，由工人放置收獲的柑橘。該設(shè)備在采摘柑橘過程中能夠以每秒8 個水果的速度分析水果的顏色和大小，收獲效率較高[2]。

3）2016年上半年，美國佛羅里達(dá)大學(xué)的S.S. Mehta 等研究人員設(shè)計出一種基于視覺伺服控制的柑橘收獲機(jī)器人，經(jīng)過前期研究發(fā)現(xiàn)，風(fēng)力、樹冠，尤其是柑橘分離力會降低柑橘收獲機(jī)器人的工作效率。 原有的高增益控制器控制的機(jī)器容易受噪聲的影響，導(dǎo)致其性能不穩(wěn)定。 S.S.Mehta 等研究人員設(shè)計出一種新型柑橘收獲機(jī)器人，可以補(bǔ)償非消失的非線性干擾、 精準(zhǔn)調(diào)節(jié)機(jī)器人的機(jī)械手采摘柑橘等水果。 該機(jī)器人可行性運(yùn)動位移是35mm/s～210mm/s，柑橘的運(yùn)動位移在120mm/s，所以這種新型柑橘收獲機(jī)器人可以達(dá)到較好的柑橘采摘效果[3]。

4）2019年 4月，西班牙的 Castro-Garcia Sergio 等人研制了一種利用側(cè)向拖拉式冠層振動器的柑橘采摘設(shè)備，有助于提高農(nóng)場的利潤和減少對勞動力的依賴[4]。

5）2019年 12月，西班牙的 Antonio Torregrosa 等人研制出了一種振動篩式的柑橘采摘機(jī)械，大大提高了采摘效率，降低了采摘成本[5]。

6）2020年 2月，巴西的 Lidiane Regina Narimoto 等人根據(jù)當(dāng)?shù)馗涕俨烧F(xiàn)狀設(shè)計了輔助人工采摘的柑橘采摘設(shè)備，但仍以人工為主[6]。

由于國外的柑橘采摘機(jī)械設(shè)備是根據(jù)國外柑橘品種和種植模式而設(shè)計，并不能完全滿足我國柑橘品種采摘需求，與我國柑橘種植模式也不相符，且制造和加工環(huán)節(jié)成本較高，無法被國內(nèi)廣大果農(nóng)和企業(yè)所接受。 國外柑橘采摘技術(shù)雖然比較先進(jìn)，已向智能化柑橘采摘設(shè)備發(fā)展，但未發(fā)現(xiàn)激光切割技術(shù)應(yīng)用到柑橘采摘領(lǐng)域的報道。

2.2 國內(nèi)情況

國內(nèi)柑橘采摘設(shè)備研制較晚，與國外的柑橘采摘技術(shù)存在一定的差距，目前尚處于初級階段，具有很大的研究空間和價值。

1）2015年下半年，江蘇大學(xué)和江蘇省農(nóng)產(chǎn)品物理加工重點(diǎn)實驗室的趙杰文等人聯(lián)合研究出了一種應(yīng)用在柑橘采摘機(jī)器人的基于飛行時間的三維成像技術(shù)，這種技術(shù)可以使柑橘采摘機(jī)器人自動定位識別柑橘位置進(jìn)行采摘，采摘過程中可避免噪聲干擾以及銳化邊緣的干擾，誤檢率低，自動識別和定位的時間短[7]。

2）2019年，重慶大學(xué)聯(lián)合京都大學(xué)農(nóng)業(yè)研究生院生物傳感工程實驗室的研究人員設(shè)計了一種新型柑橘采摘機(jī)器人。 這種柑橘采摘機(jī)器人的末端執(zhí)行器是模仿蛇頭的機(jī)構(gòu)的咬合模式，可達(dá)到隨柑橘莖稈變化進(jìn)行采摘，再配合特有的收割姿勢優(yōu)化方法，在實驗環(huán)境下的柑橘采摘率達(dá)到89%左右，在自然環(huán)境下柑橘采摘率也能達(dá)到74%左右[8]。

3）2019年，衢州學(xué)院程亮等人設(shè)計研究輔助采摘柑橘的設(shè)備，該設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，符合普通農(nóng)戶需求，可以節(jié)省人力[9]。 該設(shè)備的主要部件是一種氣動伸縮機(jī)構(gòu)，并對該伸縮機(jī)構(gòu)的核心零件矩形螺紋進(jìn)行計算和分析[10]。

4）2019年，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)聯(lián)合國家柑橘產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系機(jī)械化研究室的呂石磊等人對改進(jìn)柑橘采摘機(jī)器人自動識別提出一種新方法，可以有效提高柑橘采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器的采摘成功率。 減少遮蔽物的干擾，該方法有效提高了柑橘采摘成功率，提高了柑橘采摘效率[11]。

5）2019年下半年，江西理工大學(xué)劉靜等人設(shè)計研制一種新型的柑橘采摘機(jī)器人，該設(shè)備主要由控制系統(tǒng)、移動平臺、機(jī)械手臂、末端執(zhí)行器、上升部件、儲存部件以及運(yùn)輸部件等組成。 該設(shè)備可以對柑橘進(jìn)行識別、采摘以及收獲等流水線作業(yè)，可以滿足果園對柑橘的采摘應(yīng)用需求[12]。

6）西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院聯(lián)合重慶理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院的楊長輝等研究人員共同對柑橘采摘機(jī)器人智能識別系統(tǒng)進(jìn)行了新的研究，該系統(tǒng)將采摘對象和遮蔽物對象進(jìn)行分類，通過聚類分析，增強(qiáng)了模型對遮蔽物特征的分析能力，提升了柑橘機(jī)器人在自然環(huán)境下采摘成功率，可以達(dá)到81%左右。 提高了柑橘采摘機(jī)器人的采摘成功率。 并且，該設(shè)備采摘效率高，識別分析時間短，提高了柑橘采摘機(jī)器人的效率[13]。

7）2020年中旬，福建農(nóng)林大學(xué)的張銘耀等研究人員設(shè)計了一種新型柑橘采摘器，這種新型柑橘采摘器具有雙視覺系統(tǒng)，利用光學(xué)視覺以及機(jī)械視覺雙視覺對柑橘進(jìn)行精準(zhǔn)定位，識別定位后由漏斗式收集裝置捕獲柑橘，由雙圓盤滑切鋸片將柑橘的果梗進(jìn)行切割，最后柑橘落入到緩沖通道，完成柑橘采摘，該設(shè)備有效減輕了采摘過程的勞動強(qiáng)度，提高了柑橘的采摘效率[14]。

8）2020年，重慶理工大學(xué)的馬冀桐和重慶大學(xué)的許洪斌等研究人員研制出一種柑橘采摘機(jī)器人，這種機(jī)器人的機(jī)械手臂在采摘柑橘過程中可對枝干等障礙物進(jìn)行感知，然后自行躲避障礙。 在仿真實驗環(huán)境下，樣機(jī)的避障率可達(dá)到91%左右，規(guī)劃時間少[15]。

國內(nèi)的柑橘采摘技術(shù)已經(jīng)有較大突破，但激光處理技術(shù)與現(xiàn)代智能技術(shù)集成應(yīng)用于柑橘采摘還未見報道，將激光切割技術(shù)應(yīng)用于提升柑橘采摘率方面仍有待研究。

3 結(jié)束語

綜上所述，國內(nèi)外的柑橘采摘技術(shù)在采摘效率和采摘成功率等方面都取得了很大的突破。 但是由于其單一機(jī)械的采摘方式，柑橘采摘的質(zhì)量和能耗等方面尚有進(jìn)一步可改進(jìn)的空間。 有些研究人員提出利用激光切割技術(shù)應(yīng)用到農(nóng)產(chǎn)品的采摘和加工方面，可以很大程度提高農(nóng)產(chǎn)品的采摘效率和提高柑橘的優(yōu)果率。 激光切割技術(shù)可控性強(qiáng)，準(zhǔn)確性搞，可以避免在采摘過程中對果實造成機(jī)械性損傷。 目前鮮有報道關(guān)于將激光切割技術(shù)應(yīng)用于柑橘采摘技術(shù)中。 有關(guān)研究表明，將激光切割技術(shù)應(yīng)用到農(nóng)產(chǎn)品的采摘和加工可以有效提高農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)和減少能耗，改良傳統(tǒng)的單一機(jī)械設(shè)備采摘柑橘的模式，嘗試?yán)眉す馓幚砑夹g(shù)與現(xiàn)代智能技術(shù)集成，使柑橘采摘設(shè)備更加的自動化，提高其智能化水平，使柑橘采摘產(chǎn)業(yè)更加綠色節(jié)能的可持續(xù)發(fā)展。