梨園疏花機械化研究現狀

馮生 張秀花 楊云磊 李江濤 張藝 孔德剛

(河北農業大學機電工程學院，河北 保定 071000)

引言

我國是世界上第1水果生產大國,2021年我國果園面積為12646.28hm2[1]。隨著產業結構調整,林果生產已逐漸成為農民增收的支柱產業。近年來,隨著果園管理向規模化、標準化、機械化和智能化方向推進,農民對新技術的需求不斷提升,果園管理機械化已成為林果產業生產的重點任務[2]。我國農作物綜合機械化已達70%[3],但梨園多為傳統種植模式,機械化率仍低于20%[4],加之農村人口城鎮化、非農產業人口聚集化的發展態勢,大力推進果園生產機械化,直接關系著果園成產成本和健康發展[3]。

疏花為果園管理中主要的費工環節之一,勞動成本高、勞動強度大,果農亟需新技術代替現有的傳統人工管理方法。本文將通過疏花的農藝特點,重點闡述疏花機械發展現狀,分析我國疏花機械化程度及智能化的差距,剖析限制疏花疏果機具發展的因素,為果園疏花設備的發展提出展望。

1 疏花農藝要求

疏花是指在花序分離期通過破壞花柄的方式減少花量,減少坐果,疏花時間一般為4月,從初花期直到落花期均可進行。通過疏花可抑制赤霉素分泌,促進花芽分化,避免大小年[5],對坐果率、樹梢及葉片的生長、翌年的產量等起著至關重要的作用。

以梨樹為例,疏花時一般先疏花序后疏花朵；疏花序時,一般在每隔20～25cm處保留1個粗壯健康的花序[6],過程中注意保留該花序的蓮座葉及果臺副梢,疏花朵時,將花序疏至2～3朵花為宜,中心花不留；全樹花朵保留率在20%～50%為宜[5]。由此可見,疏花時效性強,精細化程度要求高,疏花機械化和智能化技術難度大,是果園管理的重要發展方向。

2 國內外疏花設備發展現狀

疏花設備分為人工、半自動和智能化3個層面。

2.1 人工疏花設備

人工疏花設備分為2類,剪刀式和手持桿式。

剪刀式中最具有代表性的是雙口剪,如圖1所示,進行疏花作業時,將需要保留的花柄或果柄放入保護槽內,邊花和果柄會自然夾在保護槽兩邊的剪刃中,閉合剪刀即完成相應花果柄的保留和修剪。

圖1 雙口剪

對于手持桿式疏花設備的研究,國內外均有涉及。2010年,B Martin-Gorriz等[7-9]設計了4款疏花器結構形式,分別為六指轉動式、雙列柔性繩式、四列柔性繩式、振動篩式,如圖2所示,經試驗得出,4種裝置疏花效果相近,收獲期果實的數量減少了38%,果實大小增加了47%。

圖2 4種疏花器結構形式

圖3所示的是旋轉刃片式疏花器,作業時,手持桿頂部的直流電機帶動刃片旋轉,切斷目標花柄即可完成疏花。2020年,呂曉蘭等[10]設計了一種電動甩繩式疏花機,如圖4所示,在小冠疏層形和“Y”字棚架形翠冠梨園中進行試驗,得出花蕾保留率為

圖3 桿式電動疏花疏果器

圖4 電動甩繩式疏花機

49.46%～52.52%。

雙口剪及旋轉刃片式疏花器由于其質量輕、便于操作、售價便宜,在人工疏花過程被中廣泛使用；其余人工疏花設備尚處于不成熟的試驗和研發階段。

2.2 半自動疏花設備

半自動疏花設備一般為自走式,根據作業原理不同可分為振動式、單軸柔性繩甩動式、多軸柔性繩甩動式。

2.2.1 振動式疏花機

該類疏花機的工作原理是指通過激振或敲擊的方式使樹的主干或枝條振動,使得花朵或幼果脫落,從而達到疏花的目的。

1984年,A G Berlage等[11]聯合美國農業部(USDA)設計了一種自走式樹干振動疏花機,見圖5。通過沖擊器振動樹干落花。2005—2006年,美國農業部Donald L Peterson等[12]設計的用于柑橘收獲的車載疏棒式振動器,經改進用于盛花期后52～55d的商業桃園的疏花和疏果,見圖6。發現當擊打頻率為260次·min-1時效果最好,后續手工疏除時間節約了54%～81%,果實質量較優。

圖5 自走式樹干振動疏花機

圖6 疏棒式振動疏花裝置

根據以上描述,振動式疏花設備可分為搖晃式和擊打式。搖晃式是指通過振動裝置使枝條或主干搖晃,從而使花朵掉落；擊打式是指通過疏棒擊打樹冠從而落花。振動式疏花設備為疏花較早的研究內容,由于其對樹體損傷較大,疏花不均勻,導致近幾年對其的相關研究較少。

2.2.2 單軸柔性繩甩動式疏花機

該類疏花機的工作原理是通過單個疏花軸旋轉,使得附著在上面的柔性繩甩動,從而擊落花果,以達到疏花的目的。

1988—1990年,Tara A Baugher等[13]為測試樹寬繩簾式疏花裝置和旋轉繩簾式疏花裝置的性能,見圖7a、圖7b,對桃樹進行試驗驗證,得出旋轉繩簾式疏花裝置的疏花效果更好。

圖7 樹寬繩簾式及旋轉繩簾式疏花裝置

2007年,Schupp J R等[14]將德國H Gessler設計的Darwin 300疏花機,見圖8,在有機蘋果園進行評估。經測試得出疏花機減少了36%的花量,節省了后續20%～42%的人工疏花時間,果實大小增加了35%。

圖8 Darwin 300柔性疏花機

2009年,Tara A Baugher等[15]設計1種混合柔性繩疏花機,見圖9,用于花瓶樹冠和傾斜樹冠的疏花。疏花轉軸由液壓馬達驅動,轉速為150～250r·min-1；疏花軸的高度和角度可根據樹冠的高度和傾角調整；拖拉機的速度范圍為1.5～3.0km·h-1。該機械可通過改變主軸轉速、拖拉機行進速度和疏花條布置來調節疏花強度,得出疏花率在17%～56%。

圖9 混合柔性疏花機

法國La Canne Vale公司生產了疏花裝置ECLAIRVALE,見圖10。疏花執行裝置的作業類型為單軸式疏花,作業對象是杏樹和桃樹,其作業特點是無動力驅動,由拖拉機拖動疏花執行裝置在田間行進,通過疏花軸上的彈性棒與花朵間的相互作用達到疏花的目的；彈性棒磨損后便于裝拆。疏花效率較高,可在1h內完成20人1d的工作量。

圖10 疏花裝置ECLAIRVALE

2018年,河北農業大學楊欣等[16]設計了一種矮密果樹疏花裝置,見圖11,試驗中對疏花條橫截面積、密度、長度及材料進行試驗驗證,對矮砧密植蘋果和主干形密植桃樹進行疏花試驗,測得疏花軸轉速在350～370r·min-1時疏花效果顯著。2020年,對該疏花機增加了掛接裝置、滾動導輪和液壓油管固定板[17],如圖12所示,并在主干形桃園、Y形桃園進行疏花試驗,結果表明疏花軸轉速在360～400r·min-1,拖拉機前進速度為2km·h-1時疏花效果顯著。

圖11 矮密果樹疏花裝置

圖12 桃樹疏花機

單軸柔性繩甩動式疏花機的研究進度較成熟,其共性特征及主要疏花功能可分為3點,疏花軸的轉速,機架的角度仿形調整,機架與樹體間的距離調整。該類機具具有操作簡單、樹體適應性好的優點,但由于其主要為樹冠外部作業,導致其對樹冠內部的疏除效果較差。

2.2.3 多軸柔性繩甩動式疏花機

該類疏花機相較于單軸式的相同點在于工作原理相同,不同點在于該類機具的疏花軸數量多,且均為一端鉸支,一端自由,可將自由端深入樹冠內測進行疏花。

2007年,L Damerow等[18]研制了一種擁有3個疏花軸的疏花機,見圖13,3軸的角度均可調；在蘋果果園進行的疏花試驗時,發現當疏花軸轉速為320r·min-1時,疏花效果最好,單側疏花1.2h·hm-2,比人工疏花時間節省了20%,對葉片損傷小于8%。

圖13 三轉軸式柔性疏花機

2019年,雷嘵輝等[19]研制出了一種三節臂式疏花機,見圖14,并在“Y”字棚架形翠冠梨園進行疏花試驗,確定了疏花軸轉速為254r·min-1,拖拉機行進速度0.44m·s-1,疏花機疏花與人工疏花質量基本一致,疏花效率高,絕對坐果率降低但不影響定果后果實品質。

圖14 三節臂機載式疏花機

多軸柔性繩甩動式疏花機相較于單軸式,其疏花軸的運動方式較靈活,可對樹冠內測進行疏花,但操作復雜；且為避免深入樹體疏花軸與樹枝間發生碰撞,對作業樹體要求較高,主要為疏層形、開心形果樹。

半自動化疏花蔬果設備作業特點匯總如表1所示。振動式疏花機由于作業時損傷樹體,沒有推廣應用；單軸式與多軸式設備可以達到較好的疏除標準,成為近年來比較主流的研究對象。

表1 半自動疏花設備主要作業特點

2.3 智能化疏花設備

該類疏花設備是指在半自動設備的基礎上,在執行裝置上進行智能化改進升級。

2011年,Matthew Aasted等[20]研發了一種使用激光雷達檢測冠層的方法,如圖15所示,為避免復雜的人工曲線駕駛,見圖15a,采用激光傳感器進行距離及仿形檢測,見圖15c,利用疏花執行機構自動沿著樹冠輪廓運動及樹冠仿形,見圖15d,拖拉機得以直線行進,見圖15b。

圖15 激光雷達冠層仿形疏花機

2012年,Michael Nielsen等[21,22]開發了適用于并行處理的立體視覺算法,并采用3臺同步的1000萬像素攝像機和1臺閃光燈組成了圖像采集標定系統,該系統用于校驗花朵的3D位置,從而控制執行裝置進行自動疏花作業,如圖16所示。

圖16 基于立體視覺算法的自動疏花裝置

2015年,D J Lyons等[23]根據運動學目標定位和處理器中設置的啟發式算法,對桃花進行圖像識別,通過控制機械臂上的末端執行器進行選擇性疏花,如圖17所示。

圖17 基于目標定位及啟發式算法的自動選擇疏花裝置

2015年,Niels Wouters等[24]研制了一種用于梨花芽檢測的多光譜攝像系統,花芽檢測率達87%,錯誤檢測率低于16%,檢測結果如圖18所示。

圖18 多光譜攝像系統檢測結果

2017年,德國Adolf Betz公司開發了SmaArt自動疏花影像系統[25],目的是獲得花的密度和主軸轉速之間的最佳搭配,如圖19所示,攝像機檢測到每棵果樹的開花密度,并將數據實時傳給車載電腦,隨后車載電腦計算最佳主軸轉速,最終控制疏花軸的轉速。

圖19 裝備疏花影像系統的柔性疏花機

2016年,華南農業大學李君等[26]設計了一種懸掛式電動柔性疏花機,如圖20所示,將樹冠仿形關聯式與超聲波冠形探測方法相結合,提高了疏花機對荔枝樹冠仿形疏花的適應性。

圖20 懸掛式電動柔性疏花機

2020年,西北農林科技大學的Dihua Wu等[27]提出了一種基于YOLO v4通道剪枝深度學習算法的實時蘋果花檢測方法。測試結果顯示,推理檢測時間下降了39.47%,mAP可達97.31%,實時檢測結果如圖21所示。

圖21 基于YOLO v4的蘋果花檢測結果

2021年,武漢理工大學的Kaiqiong Sun[28]等提出了一種不同環境下蘋果花、桃花和梨花的自動檢測方法,利用蘋果花數據集對語義分割網絡DeepLab-Res-Net進行了微調。在相同的數據集下,蘋果花的識別率達89.6%,比過往方法提高了6%；桃花和梨花的數據集,識別率達80.9%,比過往方法提高了5%,3種花朵的實時檢測結果如圖22所示。

圖22 實時檢測結果

通過對國內外智能化疏花設備的闡述,匯總智能化疏花設備的智能化程度如表2所示。

表2 智能化疏花設備智能化程度

3 疏花機械化發展的限制因素與未來發展方向

3.1 疏花機械化發展的限制因素

我國疏花機具已有初步進展,但仍存有以下限制因素。

3.1.1 果園管理模式缺乏標準化

國內現有果園大多是以家庭為單位的分散種植經營模式,行距株距不標準、樹形各異、長勢不一,大規模機械化存在困難。

3.1.2 疏花設備研究處于起步階段

目前主要研究內容均為探究機具行進速度,疏花軸轉速,疏除元件材料,以及設備結構方式對疏花效果的影響,但研究成果較少且停留于試驗階段。

3.1.3 疏花智能化技術研究不足

我國現有疏花機械智能化、信息化研究剛起步,靈活性較差,不能應對果園復雜的工作環境。

3.2 疏花機械化未來發展方向

3.2.1 規范果園栽培管理標準

促進果園樹形、行距、株距等作業對象指標的標準化、科學化,統一管理標準,探究出既適合果樹豐產又適合機械化管理的果樹栽培模式,進一步提高機械化疏花效果。

3.2.2 加強疏花機械信息化、智能化技術研發

利用大數據、物聯網進一步加強對果園進行實時監控,實現精準疏花,使得農藝農機實現精準對接。

3.2.3 充分結合果園疏花作業模式和環境實際

充分做好實際調研和田間試驗,及時發現和解決果園對機械化應用的影響,增加疏花設備的實用性和可靠性。