激光處理視角下的柑橘采摘技術研究現狀及展望*

張恩銘，張新星，陳葉葉，陳席國，吳成成，王 勝，李治丹，陳 超

（衢州職業技術學院機電工程學院，浙江 衢 州 324000)

0 引言

柑橘美味多汁，酸甜爽口，富含維生素、有機酸和糖分等人體所需的營養物質。 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。 柑橘產品在日常生活中深受人們的歡迎，且很多行業都有柑橘產品的應用。 柑橘的用途廣泛，果皮可以制作橙皮苷、果膠和香精等，也是醫藥工業的重要原材料。 柑橘產品不僅可以做成食品和保健品，還可以制作成工業原料和藥材等。如何更好發揮柑橘商業價值，使柑橘產業鏈更健康發展，第一步和關鍵一步都是柑橘果實的采摘。

目前，柑橘采摘以手工為主，機械為輔。 常見的是手工采摘，人工挑取，采摘效率低，勞動強度大，衛生狀況難以達標，嚴重影響了柑橘的品質和采摘效率，也影響了柑橘進一步開發和利用。 國外的柑橘采摘設備雖然先進，但與我國柑橘采摘的現狀并不匹配。 國內現有的柑橘采摘設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，現有機械采摘柑橘質量、效率和優果率等與后續加工要求尚存在提升空間。 因此，筆者嘗試利用激光處理技術與現代智能技術集成，研制適應復雜地形要求的新型柑橘采摘設備，具有重大的現實需求和市場前景。

1 國內外柑橘采摘技術研究現狀

國外的柑橘采摘技術起步較早。 在澳大利亞、西班牙等諸多國家，由于柑橘品種較優良，規模化種植，有利于進行大規模機械采摘，將機電一體化技術充分用于柑橘采摘，大大節省人力成本，采摘效率較高，采摘后的柑橘品質上乘，商品價值較高。 柑橘采摘和果實儲存等工序已基本實現了機械化的流水線作業。 目前，我國的柑橘采摘技術尚處于初級階段，開始由人工采摘轉向對柑橘機械化采摘進行相關研究，因此，我國的柑橘采摘技術具有很大的研究空間，推進我國柑橘采摘技術的發展。

2 柑橘采摘技術

2.1 國外情況

國外的柑橘采摘設備研制起步較早。 在澳大利亞、西班牙、美國等諸多國家，由于柑橘品種優良、規格劃一，有利于機械化采摘，已基本實現機械化采摘，采摘效率高，節約了人工成本。

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半機械化收獲柑橘的設備。利用多平臺的半機械化收割系統對柑橘采摘進行研究，研究表明該設備的工作條件得到改善，收獲過程中機器的移動量明顯減少[1]，該設備比原有的半機械化收割設備生產率提高了60%。

2）2014年初，美國瓦倫西亞農業研究所農業工程中心、 瓦倫西亞理工大學和哥倫比亞國立大學的S. Cubero等研究人員利用移動平臺將計算機視覺系統進行優化，使柑橘果實在田間自動預分級，可以實現節省柑橘的加工和運輸成本。 該設備是專門為田間分揀柑橘設計的，將計算機視覺系統安裝在一個移動平臺上，由工人放置收獲的柑橘。該設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，美國佛羅里達大學的S.S. Mehta 等研究人員設計出一種基于視覺伺服控制的柑橘收獲機器人，經過前期研究發現，風力、樹冠，尤其是柑橘分離力會降低柑橘收獲機器人的工作效率。 原有的高增益控制器控制的機器容易受噪聲的影響，導致其性能不穩定。 S.S.Mehta 等研究人員設計出一種新型柑橘收獲機器人，可以補償非消失的非線性干擾、 精準調節機器人的機械手采摘柑橘等水果。 該機器人可行性運動位移是35mm/s～210mm/s，柑橘的運動位移在120mm/s，所以這種新型柑橘收獲機器人可以達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向拖拉式冠層振動器的柑橘采摘設備，有助于提高農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 等人根據當地柑橘采摘現狀設計了輔助人工采摘的柑橘采摘設備，但仍以人工為主[6]。

由于國外的柑橘采摘機械設備是根據國外柑橘品種和種植模式而設計，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，且制造和加工環節成本較高，無法被國內廣大果農和企業所接受。 國外柑橘采摘技術雖然比較先進，已向智能化柑橘采摘設備發展，但未發現激光切割技術應用到柑橘采摘領域的報道。

2.2 國內情況

國內柑橘采摘設備研制較晚，與國外的柑橘采摘技術存在一定的差距，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，江蘇大學和江蘇省農產品物理加工重點實驗室的趙杰文等人聯合研究出了一種應用在柑橘采摘機器人的基于飛行時間的三維成像技術，這種技術可以使柑橘采摘機器人自動定位識別柑橘位置進行采摘，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，重慶大學聯合京都大學農業研究生院生物傳感工程實驗室的研究人員設計了一種新型柑橘采摘機器人。 這種柑橘采摘機器人的末端執行器是模仿蛇頭的機構的咬合模式，可達到隨柑橘莖稈變化進行采摘，再配合特有的收割姿勢優化方法，在實驗環境下的柑橘采摘率達到89%左右，在自然環境下柑橘采摘率也能達到74%左右[8]。

3）2019年，衢州學院程亮等人設計研究輔助采摘柑橘的設備，該設備結構簡單，成本較低，符合普通農戶需求，可以節省人力[9]。 該設備的主要部件是一種氣動伸縮機構，并對該伸縮機構的核心零件矩形螺紋進行計算和分析[10]。

4）2019年，華南農業大學聯合國家柑橘產業技術體系機械化研究室的呂石磊等人對改進柑橘采摘機器人自動識別提出一種新方法，可以有效提高柑橘采摘機器人末端執行器的采摘成功率。 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，江西理工大學劉靜等人設計研制一種新型的柑橘采摘機器人，該設備主要由控制系統、移動平臺、機械手臂、末端執行器、上升部件、儲存部件以及運輸部件等組成。 該設備可以對柑橘進行識別、采摘以及收獲等流水線作業，可以滿足果園對柑橘的采摘應用需求[12]。

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

7）2020年中旬，福建農林大學的張銘耀等研究人員設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，利用光學視覺以及機械視覺雙視覺對柑橘進行精準定位，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行切割，最后柑橘落入到緩沖通道，完成柑橘采摘，該設備有效減輕了采摘過程的勞動強度，提高了柑橘的采摘效率[14]。

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

國內的柑橘采摘技術已經有較大突破，但激光處理技術與現代智能技術集成應用于柑橘采摘還未見報道，將激光切割技術應用于提升柑橘采摘率方面仍有待研究。

3 結束語

綜上所述，國內外的柑橘采摘技術在采摘效率和采摘成功率等方面都取得了很大的突破。 但是由于其單一機械的采摘方式，柑橘采摘的質量和能耗等方面尚有進一步可改進的空間。 有些研究人員提出利用激光切割技術應用到農產品的采摘和加工方面，可以很大程度提高農產品的采摘效率和提高柑橘的優果率。 激光切割技術可控性強，準確性搞，可以避免在采摘過程中對果實造成機械性損傷。 目前鮮有報道關于將激光切割技術應用于柑橘采摘技術中。 有關研究表明，將激光切割技術應用到農產品的采摘和加工可以有效提高農產品的品質和減少能耗，改良傳統的單一機械設備采摘柑橘的模式，嘗試利用激光處理技術與現代智能技術集成，使柑橘采摘設備更加的自動化，提高其智能化水平，使柑橘采摘產業更加綠色節能的可持續發展。