山核桃采收一體無人機設計構想與矛盾分析

趙嘉輝 ， 張耀中 ， 夏志鵬 ， 婁 軻

（山東理工大學農業工程與食品科學學院，山東 淄博 255000）

隨著我國農業產業結構的調整以及林果種植面積的不斷增加，林果產業已經成為我國林果產區經濟發展和農民增收致富的新亮點和支柱性產業[1]。以山核桃為例，因其果殼可制活性炭，果殼、果皮、枝葉可生產天然植物燃料，總苞可提取單寧，木材可制作家具并供軍工使用，總體經濟價值高，逐漸成為國家重點發展的經濟作物。2003年以來，在各地方政府的支持與鼓勵下，山核桃的種植面積不斷增加，產量穩步快速增長，科研院所及相關單位對其的研究也不斷深入[2]。

山核桃一般生長在比較陡峭的山上，平均坡度為25°左右，有的甚至達35°～45°。因生長地形起伏大，大型機械進入困難，所以其生產采摘機械化水平長期處于較落后的狀態，至今仍然有大量的農民通過人工爬樹和竹竿敲打等原始方式進行采摘，如圖1所示。經濟發展模式的變化促使許 多年輕人外出打工，農村勞動力人口數量下降并呈嚴重老齡化趨勢，在山核桃摘收的季節，常會出現傷亡情況。隨著山核桃產量的不斷增加，現有人力難以滿足采摘需求，山核桃的采摘技術及方案的設計應得到重視，這不僅能夠有效提高山核桃種植地區的機械化水平，促進山核桃走向現代化，還有利于減少安全隱患，促進社會的穩定和諧。

圖1 農民采摘山核桃時的場景（圖片源于網絡）

1 山核桃采摘產業目前存在的問題

山核桃對采摘的時間精度要求較高。其主要在每年的九月初、白露前后成熟，過早過晚采摘都會對山核桃的產量造成影響，適時采收十分重要。由于種植地區高度高，坡度陡，采摘難度大，危險系數高，為了不錯過采摘季，果農通常都會進行連續的高強度工作，會因疲勞導致大量安全事故，因此山核桃也被稱為“血核桃”。由于其采摘強度大、時間精度高，果農通常會雇用大量勞動力，勞動力成本占總投入的比重高達50%，而機械化采摘效率則是人工采摘的5～10倍[3]。由此可見，林果業走向規模化已具備現實基礎，但目前機械化采摘設備存在智能化水平低、體積大等問題，不適用于山地等復雜地形，無法滿足現有的需求。

1.1 國內采摘設備

目前常見的輔助人工采摘設備為便攜式山核桃高空采摘機[4]，如圖2所示。該設備主要基于山核桃果實與樹枝分離的拍打力而設計，能夠滿足不同高度的作業需求，并且通過大量實驗確定了拍打頻率范圍在10.00 Hz～13.33 Hz時，果實的采凈率和枝芽損傷率較恰當，但一次采凈率無法達到百分之百，依然需要進行二次采摘。因其需要依靠人工手持，振動對人體會產生一定的傷害，故整體效率不是很高。

圖2 仿人工拍打高空便攜式山核桃采摘裝置結構示意圖

輔助人工采摘設備還包括柴秀洪等研發的2011-36A型山核桃采摘機。該機器主要由自動感應負載變頻發電機、可調節伸縮特種材質管、阻尼式采打機械頭及放線器組成，調節高度為4.0 m ～13.5 m，可360°任意旋轉，具備自動保護電路功能。果農不需要爬樹就能輕松摘果，工作效率高出人工采打的3倍。這種設備稱為旋轉敲打摘果器，即通過各種不同的動力驅動采摘，減輕勞動強度，提高采摘效率，增加安全性。浙江淳安山核桃協會研究的“山核桃安全采摘安全帶”如圖3所示[5]，其主要利用蹦極原理，同時借鑒了汽車安全帶的特點，在保證安全的前提下不對人的采摘造成束縛，保證了靈活性。其能夠在感受到人下墜的瞬間鎖死安全繩，保證安全性。

圖3 山核桃安全采摘安全帶

現有的果品采摘機械從配套動力上可分為自走式、懸掛式和牽引式；從工作原理上一般分為氣力振動式和機械振動式。其中，機械振動式根據產生振動方式不同又分為振搖式、撞擊式和切割式[6]。機械振動式對樹干、樹根等都會造成損害，最后可能會導致果品產量下降。現有的山核桃采摘器為伸縮式林果采摘機器臂[7]和爬樹式山核桃采摘機器人[8]。 浙江農林大學的李小亮[9]通過對山核桃樹各級枝干構建動力學模型，獲得了三種不同胸徑范圍的山核桃樹的振動角頻率，最后通過大量的實踐分析得出了“基于振動的便攜式山核桃采摘樣機”，其結構如圖4所示。其基本工作原理就是利用汽油機驅動，通過鋼絲軟軸和傳動軸把扭矩傳動齒輪機構，當汽油機輸出轉速達到一定時，偏心大齒輪所帶動推桿產生的振動力符合將樹枝上果實振落的條件，從而進行振動采摘。但其采用的還是機械振動法，長期使用會對人和樹枝造成一定的傷害，并且采凈率在85%左右，無法達到一次性清零的效果。

圖4 基于振動的便攜式山核桃采摘樣機

1.2 國外采摘設備

澳大利亞的核桃由于良好的自然條件和技術支持，市場潛能很大。其通過噴施乙烯的辦法使核桃的成熟期趨于一致，一次性采摘率達到100%。早在1999年，澳大利亞核桃采摘已基本實現了全程機械化采收，其采摘過程如下：先由振動落果機將大部分核桃落到地面，接著用清掃集條機將它們聚集，再由撿拾清選機將它們清選后成箱。通過此過程，生產效率將達到最大化。采摘機械主要是由美國、加拿大和澳大利亞等國生產的振動落果機、清掃集條機和撿拾清選機[10]。

2 設計概念構想與驗證

2.1 產品初步構想理念

本研究基于對山核桃的采摘需求、國內地形特征等現有狀況的調研，提出了智能化采收一體無人機的構想，如圖5所示，其中伸縮桿采用如圖6所示的管狀伸縮桿[11]。基于其伸縮的性能添加智能控制系統，可減小整機體積，適應果樹枝葉茂密的狀況；機身增添兩個攝像頭，利用機器人視覺實現雙目立體視覺數據，通過三角測量原理確定山核桃的位置；利用機械手旋轉采摘，將果實與果柄分離，并將其放入感應盒中。為避免山核桃在空中意外灑落，當機械手采摘到山核桃時會自動打開開口，等到采摘完畢就自動關閉，待收納盒重量達到一定限度時，無人機返航將山核桃運回指定位置，盒子下開口打開，傾倒山核桃。循環往復，直至采摘完畢。

圖5 采摘一體機設計構想

圖6 管狀伸縮桿

2.2 應用TRIZ理論解決概念設計中的問題

上述概念設計在實踐中存在著明顯的待解決問題，例如無人機體積大小和果樹茂盛枝葉是否有矛盾，果樹枝葉是否對飛行的無人機有干擾等等。由蘇聯Genrich Altshuller團隊于1946年開始研究的TRIZ理論（發明問題的解決理論）[12]，對產品的創新設計具有重要的指導意義。該理論體系主要包括創新思維方法與問題分析方法，技術系統進化法則，技術矛盾解決原理，創新問題標準解法，發明問題解決算法ARIZ，基于物理、化學、幾何學等工程學原理而構建的知識庫。其中，“技術矛盾解決原理”適用于解決山核桃采收一體無人機的矛盾。

1）定義技術矛盾。技術矛盾1：無人機高空飛行可以解決因地形地勢復雜，大型機械無法進入的問題，但是山地地形、果樹枝葉、復雜氣流會對無人機的飛行造成一定的影響。技術矛盾2：采摘機械手對山核桃的采摘效果最佳，相比振動而言，對枝葉沒有傷害，但是無人機旋翼產生的下壓風場和氣流會對山核桃樹的枝干造成振動和損傷。

2）確定技術矛盾中欲改善和被惡化的參數，建立問題模型。矛盾1：改善的參數，行進便利；惡化的參數，無人機穩定性。矛盾2：改善的參數，采摘效果好；惡化的參數，枝干損傷率。

3）將改善和惡化的參數歸納為阿奇舒勒通用工程參數。矛盾1中，改善的參數為“行進便利”，即改善的參數是第14參數“速度”（運動物體的速度，單位時間物體活動過程或作用）；惡化的參數為“無人機穩定性”，惡化的參數是第13參數“結構的穩定性”（系統的完整性及系統組成部分之間的關系，整個物體或系統受外在因素影響而維持不變的能力）。問題就變成了參數14和參數13之間的矛盾即“速度”與“結構的穩定性”之間的矛盾。

矛盾2中，改善的參數為“采摘效果好”，即改善的參數是第38參數“易受傷性”（一個物體或系統保護自己或它的用戶不受危害的能力，一個物體或系統抵抗外部損壞的能力）；惡化的參數為“枝干損傷率”，惡化的參數是第31參數“有害的副作用”（物體產生的有害因素造成系統效應或完成功能質量降低的有害因素，這些有害因素來自物體或系統操作的一部分）。問題就變成了參數38和參數31之間的矛盾，即“易受傷性”和“有害的副作用”之間的矛盾。

4）尋找改善和惡化通用工程參數對應在阿奇舒勒矛盾矩陣中重疊的部分，確定發明原理。將參數14和參數13代入矛盾矩陣，如表1所示，查找兩對技術參數行列交匯處對應的創新原理中的28-信息的遺漏，2-靜止物體的重量，3-運動物體的尺寸，5-運動物體的面積，33-兼容性或連通性，18-功率。將參數38和參數31代入矛盾矩陣，通過表1查找兩對技術參數行列交匯處對應的創新原理中的35-可靠性，31-有害的副作用，1-運動物體的重量，33-兼容性或連通性，16-運動物體消耗的能量，21-結構的穩定性，11-信息（資料）的數量。

表1 阿奇舒勒矛盾矩陣表

5）利用發明原理確定解決技術矛盾的方案。阿奇舒勒矛盾矩陣給出的原理不一定能夠解決本設計中的問題。通過問題分析轉化為TRIZ的一般問題，再利用發明原理、技術效應或進化理論得到問題的一般解，而后通過具體問題具體分析得到矛盾的特解。根據TRIZ矩陣中列出的先后順序，對所建議的發明原理進行分析并選擇適用的發明原理。通過分析，選擇了最合適的發明原理：33-兼容性或連通性、5-運動物體的面積、31-有害的副作用。首先，基于解決矛盾1的發明原理33-兼容性或連通性，該系統和其他系統能夠聯合推出解決方案1：

在設計中配備三個雷達系統裝置，分別為前置動態雷達、上視雷達和仿地雷達。利用物聯網、人工智能以及機器視覺等智能化技術，讓其在復雜的山區環境中有效規避風險，保證自己的穩定性。

其次，基于解決矛盾1的發明原理5-運動物體的面積（面積是指物體內部或外部的任意尺寸），推出解決方案2：

通過擴大無人機的面積來提升其抗風能力，也可將四軸的無人機提升為六軸。通過旋轉帶螺距的槳葉產生下壓風形成升力，做方位移動，通過改變反方向電機轉速提高升力，使飛機產生傾角，利用升力被分解為向后的推力以及向上的升力來提升其穩定性。

最后，基于解決矛盾2的發明原理31-有害的副作用（有害的副作用是指造成系統效應或完成功能質量降低的有害因素，這些有害因素來自物體或系統操作的一部分）而推出解決方案3：

為無人機的旋翼添加保護罩作為其擋板，以防止高速旋轉產生的氣流對山核桃樹的枝葉造成損傷。

6）方案評價。方案評價表如表2所示。方案1增加了成本的投入，且實施的難度較大，但是帶來的效果會提升；方案2雖然增加了穩定性，但是由于面積變大以及軸變多，會導致其便攜性降低；方案3雖然能夠對山核桃樹的枝葉形成保護，但可能會增加無人機的重量，也需要根據特定形狀的空氣動力學特性重新設計無人機，目前來看成本較高，實施起來相對困難。

表2 方案評價表

3 總結與展望

山核桃是我國大力發展的經濟作物，但是由于生長地形限制，其采收機械化處于較低水平。自無人農場的概念提出以后，本研究構想設計了無人機摘收一體機，利用TRIZ理論對技術矛盾分析原理進行了初步分析，且得到的解決方案都各有優劣，還需進一步的驗證。要得到最優的創新方案，還要后續配合TRIZ理論的創新問題標準解法，發明問題解決算法ARIZ，基于物理、化學、幾何學等工程學原理而構建的知識庫進行下一步驗證。

本研究后續會通過實地調研法、觀察法、訪談法等對山核桃種植地區的現實情況進行總結歸納，獲取模型構建所需的全部數據，再運用TRIZ理論對其他幾步進行方案優化，最終借助MBD技術[13]構建三維模型，以直觀準確地展示產品的工藝信息，全方位模擬構造實體模型，減少后期的損失。還可通過MBD模型對數據進行整合，為后期的批量化生產做好準備。除已經展示的功能之外，日后還可將修剪枝葉、授粉、灑水等功能進行整合，研制多功能一體化無人機。