果園作業平臺關鍵技術研究進展

摘要：果園機械化是提升生產效率、增加果農經濟收入的重要手段?？偨Y國內外果園作業平臺關鍵技術研究進展，分析作業平臺最新的研究成果，對比不同類型底盤結構之間的性能差異，概括常見作業平臺升降機構、自動調平機構的類型與特點以及安全與穩定性方面的研究進展，探討無人駕駛技術在作業平臺中的應用情況并闡述常見路徑規劃技術路線。指出果園機械化發展存在配套設施不完善以至平臺擴展性差、智能化程度低等問題，并提出果園作業平臺應向著適應性強、底盤專用化、整機高度智能化、調平精度高等發展建議。

關鍵詞：果園機械化；作業平臺；自動駕駛；升降平臺；自動調平

中圖分類號：S224.4

文獻標識碼：A

Research progress on key technologies of orchard operating platform

Abstract：

The mechanization of orchards in hilly and mountainous areas is an important means to improve production efficiency and increase the economic income of fruit farmers. This paper summarizes the research status of key technologies of orchard work platforms at home and abroad， analyzes the latest research results of work platforms， compares the performance differences between different types of chassis structures， and summarizes the types and characteristics of common work platform lifting mechanisms and automatic leveling mechanisms as well as the features and research progress in safety and stability. This paper also discusses the application of unmanned driving technology in work platforms and summarizes the common path planning technology routes. It points out that the supporting facilities in the mechanization development of orchards are not perfect， and the platform has poor scalability and low level of intelligence， etc.， and puts forward some suggestions that the orchard operating platform should develop towards the aspects of strong adaptability， chassis specialization， high intelligence of the whole machine， and high leveling accuracy.

Keywords：

orchard mechanization; operation platform; automatic driving; lifting platform; automatic leveling

0 引言

中國是世界第一大水果生產和消費國，2021年果園種植面積達1.2×107hm2，其中超過總面積62%的果園分布在川中、江南、兩廣、山東及陜甘等以丘陵山地為主的地區［12］。果樹生長周期中的修枝、剪枝、授粉、疏花疏果、套袋及采收等50%以上的作業內容需要在高位完成［2］。傳統使用簡易扶梯的一人一梯作業模式不僅勞動強度大、效率低，還存在較大的安全隱患。此外，中國丘陵小地塊、分散種植模式阻礙了果園機械化推廣與應用進程，已經無法滿足果園生產管理的需要。因此，有一定規模的果園機械化對經濟效益的提升是顯著的，機械化是果園產業化發展的必由之路［3］。習近平總書記指出：要大力推進農業機械化、智能化，給農業現代化插上科技的翅膀［45］。作業平臺正是參與果園全程管理作業的通用性機械化平臺，在果園機械化生產過程中發揮著減輕勞動強度、增大生產效率的關鍵作用。國內外學者針對作業平臺的底盤系統、升降機構、自動調平機構以及安全與穩定系統等關鍵機構或零部件進行了深入的研究，大量的科技成果得以轉化應用，為提升果園生產全程機械化水平做出了突出的貢獻。張德學等［6］分析了國內外果園修剪設備機械化發展進程，指出中國果園枝條修剪存在技術水平低、通用性與可靠性較差以及自動化程度不高等問題；張悅［7］、鄭永軍［8］等著重分析了中國果園植保機械與國外存在的主要差距并給出了推廣標準化果園種植方式等促進果園機械化發展的建議；高文杰等［9］通過對果園作業機械應用現狀的對比分析指出了果園農機農藝難融合是制約果園機械化發展的主要因素，為果園機械的研制奠定了理論基礎。然而，鮮有將果園作業平臺關鍵技術研究進展總結起來的文獻資料，未指明作業平臺亟待突破的關鍵瓶頸與未來重點研究方向，這嚴重制約了果園作業平臺的發展。

本文詳細闡述國內外果園作業平臺的功能與類型，總結國內外果園作業平臺關鍵技術最新研究成果，對比不同類型的作業平臺性能差異，指出果園機械化發展存在的關鍵瓶頸，提出果園作業平臺的發展建議，為作業平臺的研制與我國果園機械化發展提供一定的參考。

1 果園作業平臺的功能與類型

果園作業平臺可輔助人工實現土壤耕整與果樹管理等作業任務，具備行走、裝載運輸、升降、自動調平以及擴展其他作業裝置等功能［10］，其作業平臺功能豐富，并在提升工作效率和用戶體驗以及減輕工人勞動強度等方面表現出了極強的優勢，使果園作業平臺得以大規模推廣應用。

懸掛式作業平臺需要依靠拖拉機提供動力，具有結構簡單、價格低廉、維護成本小等優勢，但通常只能配置1～2個工位，作業效率低，適用于小型果園；牽引式作業平臺也需要額外配備適宜大小的拖拉機并提供牽引力，使整體工作尺寸和體積變大，雖然呈現出結構簡單、有效空間大、多工位、作業效率高等明顯優勢，但是也增大了裝備轉彎半徑，難以適用丘陵山區傳統果園；自走式作業平臺依靠自身動力，表現出了較強的機動性和靈活性，對不同地形和種植模式的果園均有較強的適應能力，適用于中國大部分果園場景，已經成為丘陵山區果園機械化研究的重點方向。

2 果園作業平臺研究現狀

2.1 國內外果園作業平臺研究概況

歐美等發達國家的果園作業平臺從傳統的高空作業平臺逐步發展出單工位、多工位以及專用平臺等機型，呈現出種類繁多、功能多樣、適宜大規模平地果園作業等特點［11］。而且，大部分果園均已經實現機械化管理并逐步向專業化和智能化發展，整體上表現出以下幾個特點：（1）專業化突出，果園專用拖拉機已經形成成熟的體系，覆蓋各個功率段；（2）專用工具較為齊全、機械化較為成熟，果園管理全程幾乎均出現了較為成熟的、專用的擴展機械，以便配合作業平臺使用；（3）植保技術成熟、產品豐富，歐美果園種植農藝高度兼顧機械化需求；（4）振動式批量收獲已成為主流，集自走平臺、果實分離和收集裝置于一體的自走式水果收獲作業平臺正是當下的研究熱點。

意大利是一個以丘陵為主的國家，農業機械及農業技術是其最具優勢集群產業之一。意大利某公司設計生產的果園油電兩用采摘作業平臺，采用剪叉式升降機構，并能夠實現橫坡調平和縱坡調平，而且可以根據需要更換發動機功率或電動馬達以適應更多的工作場景。韓國電動果園作業平臺車、植保噴霧機、除草機械、果園運輸車等多種果園機械采用鋰電池作為配套動力，技術已經相當成熟［12］。

2007年新疆機械研究院研制出了LG-1型多功能果園作業平臺，填補了國內作業平臺的空白，標志著中國作業平臺進入多功能的作業機械時代［2］。經過十余年的應用與發展，中國果園作業平臺整體上具備以下幾個功能和特點：（1）可配備升降臺架，為果園登高作業提供平臺和動力；（2）可自動調平，保證登高作業人員和機具的安全；（3）可配備動力噴霧器和藥液箱，實現林間植保作業；（4）可配備大運輸箱，可完成果園、林間及公路物質運輸作業。

2.2 果園作業平臺關鍵技術研究進展

2.2.1 動力底盤

自走式作業平臺因其適應傳統與現代化果園場景、機動性和靈活性較強，受到了丘陵山區果園用戶的歡迎，迅速成為國內外學者們研究的熱點。動力底盤是自走式作業平臺的核心，關系到作業平臺的行駛性能與作業效率，反映了農業裝備現代化程度和智能化水平［13］。

美國、加拿大等國家以地勢平坦區大規模果園種植為主，果園機械以大型綜合性機具為主，動力底盤多為輪式。此外，歐美等發達國家果樹種植模式充分考慮到了農機與農藝的融合，農藝形式、種植結構、作業模式均達到適宜機械化作業的標準，也已經形成了成熟的體系，因而果園一般采用的是專用拖拉機以便適應果樹種植農藝要求與果園空間場景［14］。Zhang等［15］圍繞蘋果矮化密植、集約高效的標準化栽培模式，開展了基于農機農藝一體化的多環節機械化作業技術方法研究，設計了一種集升降、采集、自動分揀、裝袋于一體的采摘綜合作業平臺，基本實現了蘋果從采摘到裝袋封口、銷售的一體化服務，大幅提高了生產效率。意大利、日本等國家果園機械以輕型化、小型化為主，動力底盤多為小型履帶式。

為提高丘陵山地果園動力底盤的性能以及對不同果園的適應性，國內研究者針對我國果園種植特點進行了一系列研發或改進。湯晶宇等［16］總結了常見的底盤類型和結構并逐一分析了不同動力底盤結構、越障能力、運行平穩性等，指出丘陵地區動力底盤應圍繞微小型結構、單一底盤配套多功能作業設備方面進行研究。輪式底盤方面，楊濤等［17］依據雙車頭、無駕駛室設計理念，采用四輪同向轉向機構設計了多功能微型電動自動駕駛作業平臺，并著重分析了跨越壕溝能力與翻越垂直障礙能力，能夠滿足丘陵地形果園的實際需要。履帶式動力底盤方面，劉妤等［18］以跨越壕溝寬度和翻越垂直障礙物高度為評價指標詳細分析了普通型、倒梯形、三角形3類履帶的通過性，并基于倒梯形履帶設計了適應山地松軟、硬質路面的履帶底盤；劉平義等［19］設計了一種由4組行星履帶驅動的農用動力底盤，具備仿形和翻轉越障能力，符合凹凸不平的丘陵山區等復雜農業場景作業的要求；高巧明等［20］對履帶行走裝置進行了拓撲優化，通過電機補償動力差速轉向，可驅動底盤原地轉向，為果園機械智能化發展奠定了技術基礎。

另外，在“碳達峰、碳中和”的背景下，基于新能源技術的農業裝備得以迅速發展，掀起一場電動農業裝備研究熱潮。崔志超等［21］分別針對丘陵地區果園與溫室大棚場景開發了小型電動底盤并取得了良好的效果；Chen等［22］通過拓撲優化分析和有限元分析車架強度、剛度、疲勞強度和壽命得到輕量化車身，在不同類型道路上測試了能耗、行駛速度均取得了較好的效果，適宜小型果園場景；廣州某企業使用兩個高性能無刷電機四輪驅動形式設計了一種多功能作業平臺，能夠瞬時迸發強勁動力，峰值扭矩500 N·m、最大行駛速度1.4 m/s、最大爬坡度達15°，并搭載4D成像雷達、雙目視覺輔助系統，能夠精準避開障礙物，智能規劃行駛路線，實現全自主作業，適應大部分果園運輸、植保以及林下割草作業需要，為建設無人果園提供了技術支持和理論基礎。

顯然，不同類型的底盤表現出較大的性能差異。國內外丘陵山區果園機械底盤均表現出多功能、小型化、電動化、智能化的特點。中國眾多科研院所與高校參與到了高性能線控動力底盤的研究中來，也涌現出了一批以底盤技術為核心競爭力的高新技術企業，有效提高了果園機械化水平。但是，相對于意大利、日本等國家成熟的專業化產品，在綜合性能與可靠性等方面還存在一定差距。

2.2.2 升降機構

通常，作業平臺升降機構以垂直升降為主，其功能與作用是將作業臺調整至合適的高度以方便人工完成相應的作業任務。常見的升降機構有剪叉式、曲臂式（或折臂式）、“之”字形、套缸式、鏈條或齒輪式、桅柱式等類型。剪叉式升降機構如圖1所示，具有結構簡單、穩定性高以及承載能力較強等優點，同時可采用多級剪叉式結構增大舉升高度，已成為市場占有率最高的升降機構；曲臂式結構在日本較為常見，具有一定的探出作業能力及跨越障礙作業能力，在一處升降可進行多點作業且可進行360°回轉，具有一定的作業半徑且結構緊湊、轉向靈活等優點，但也大幅提升了對操作臺穩定性的控制難度；“之”字形結構由剪叉式結構演化發展而來，能夠有效增大提升高度，但非對稱的升降臂結構設計造成了作業平臺整體受力不均勻，增大了控制難度與側翻的風險；套缸式升降結構為多級液壓式執行元件，工作過程平穩，但成本較高，常用于較高的喬木式果園采摘及森林防護工作。

張魯云等［23］使用剪叉式升降結構并結合新疆兵團的實際情況研制了適用于特色林果業的采摘升降作業平臺，平臺距離地面最大上升高度為2 m、最大提升負載450 kg、最大提升速度0.35 m/s，相較于人工作業，升降平臺機械作業采摘效率提高50%以上、采摘量提高41 kg/h；金生等［24］設計了具有貨箱伺服調平功能的電動果園作業平臺，升降高度達1.52 m、舉升質量300 kg，滿足南方丘陵地區果園采摘、運輸等環節的需要。

2.2.3 調平機構與控制系統

為提高作業平臺的穩定性與安全性，自動調平技術逐漸應用于農業裝備領域。剪叉式升降平臺自動調平機構如圖2所示，通常是通過動態調整縱向（俯仰）和橫向（側傾）傾角來實現的。也就是說，大多數自動調平機構均是通過調整俯仰角與側傾角來保持水平的。

國內外研究機構均對自動調平機構展開了研究，于泳超等［25］使用兩個做相反運動的液壓缸設計了作業平臺自動調平機構并在Adams中進行了仿真分析，發現相對無調平機構的作業平臺最小極限傾翻角增加了24%，具有較好的抗傾翻能力；呂昊暾等［26］設計了前饋PID控制算法，仿真結果表明，調平過程中工作臺傾角穩定在±3°以內，較好地實現了果園高位作業平臺自動調平控制；劉學峰等［27］設計了左右、前后調節支架來實現作業平臺的自動調平，角度調節范圍可達±10°；王學良［28］基于電液比例技術設計了雙層自動調平機構，可同時調節橫向和縱向兩個方向的角度，縱向作業坡度可達22°，橫向作業坡度可達15°，在一般丘陵山區地形上具有良好的通過性和防傾翻性能；齊文超等［29］提出了利用雙閉環模糊PID算法調整車輪擺動角度的自動調平控制算法，有效減少了超調量和調平時間。

綜上，果園調平機構以電液控制為主，而且角度誤差調平策略較容易實現，被廣泛應用于各類作業平臺?？刂葡到y則以經典PID算法為核心，結合模糊神經網絡控制等方法，使得調節響應速度和精度更高。

2.2.4 安全性與舒適性

作業平臺安全性和舒適性是以系統的可靠性和穩定性為前提，在保證作業人員安全的情況下，提升操作體驗。Hwang等［30］構建了用于動態模擬的三維模型，根據穩態轉彎條件下前輪的內部轉向角與前輪的提升角度推導了發生側傾的臨界行駛速度以及發生后翻的臨界角速度和理論行駛速度，驗證了多功能作業平臺的橫向傾覆和后翻特性；陳明東等［31］研究了蘋果多功能作業平臺升降、側向伸縮、行走液壓系統的性能，有效提高了液壓系統的穩定性，以確保作業平臺能夠滿足蘋果園區作業要求。

2.2.5 自動駕駛技術

隨著第四次工業革命的快速發展，信息科學技術與多領域科學技術深度融合，引發了新的產業技術革命［32］。基于GNSS（Global Navigation Satellite System）的高精度定位技術使得農業裝備自動駕駛成為可能。美國、德國、英國等國家已經或正在實現“機器換人”或“無人作業”，大幅度提高了勞動生產效率和農業資源利用率。中國隨著北斗衛星導航系統（Beidou Navigation Satellite System，BDS）在農業場景中的逐步應用與發展，推動了搭載自動駕駛系統的果園作業機械逐步進入商業化應用階段［33］。張漫［34］、郭成洋［35］等均探討了農業裝備自動導航技術研究進展，為作業平臺自動駕駛技術的研究奠定了理論基礎。

作業平臺自動駕駛系統核心包含環境感知、決策與路徑規劃以及控制與執行3個方面［36］。環境感知是自動駕駛系統的“感官”，決策與規劃是自動駕駛的“大腦”，控制與執行則是自動駕駛的“神經”與“四肢”［33］。而且，自動駕駛要求在滿足相關農藝規范要求的同時，作業區域內無重播、漏播，在此前提下對作業距離、時間、轉彎次數、能耗等參數優化，尋找合理的行走路線［37］。目前主要有S形、口字形、回字形、對角形4類全區域路徑規劃方案［38］，如圖3所示。直線段的路徑規劃主要依靠A-B線導航技術，使得關于全局路徑規劃的研究主要集中在轉彎路徑方面，常見的轉彎路徑技術方案有弓形、半圓形、梨形和魚尾形４種，如圖4所示。

Pini等［39］基于RTK-GNSS設計了開放式場景作業平臺與自動駕駛性能測試方法，在葡萄園測試場景中獲得了良好的效果并討論了GNSS在小型農業機器人在精準農業中的機會和局限性；Radocˇaj等［40］則研究了一種低成本的GNSS定位精度評估方法；Roshanianfard等［41］詳細介紹了日本北海道大學在農業裝備自動駕駛技術方面的研究，討論了農業裝備的開發過程、組件選擇依據以及開發過程中的挑戰與性能評價指標，總體上日本農機自動駕駛技術處于較高水平；劉宇峰等［42］依據障礙物位置和尺寸信息提出單障礙物避障算法，并在此基礎上依據安全行駛區域大小，結合左右雙向避障策略提出雙/多障礙物避障算法，在行駛路徑累計誤差、路徑跟蹤穩定性和路況適應性方面均表現出一定的優勢；毛文菊等［43］為果園運輸機器人設計了基于OpenPose人體姿態識別的目標跟蹤控制方法與基于RTK-GNSS的距離—方向控制方法的雙導航模式，定位精度達到厘米級，能夠滿足大部分果園自主運輸和安全避障要求。

3 存在問題

中國果園作業平臺發展迅猛，突破了多項關鍵技術，在多個細分領域取得了重要成果。與歐美、日本、意大利等發達國家相比，中國傳統果園種植模式限制了果園機械的推廣應用，果園機械化水平與智能化程度均存在較大差距。

1）" 尚未形成統一的果園種植模式，給機械裝備的研發和應用推廣增大了難度。中國水果產量已經高居全球第一，可平均機械化程度卻不足40%，相當于歐美發達國家20世紀五六十年代的水平。中國大部分果園位于丘陵山地，傳統以個體戶為主的分散種植與粗放的管理模式使得農機與農藝未有效融合，這無疑給機械裝備的研究和果園全程機械化推廣應用增加了較大難度。另外，山地宜機化改造同樣面臨著巨大挑戰，地形條件、種植模式是制約果園機械化發展的主要因素，雖然部分學者致力于丘陵山地果園機械裝備的研發，但是果農可接受的產品價格較低以及“一機多用”的設計理念，使得專用作業平臺極為稀少，進而導致果園作業平臺仍然難以突破對復雜環境條件的適應能力，以至于果園機械推廣屢屢受阻。矮砧寬行密植、精細管理的現代果園種植模式為實現機械化作業提供了有利條件，是現代果園發展的重要方向。但是，現代果園也帶來了一次性投入成本高、成效收益周期短等不足。也就是說，現代果園高昂的建設成本與精細化作業要求讓傳統果園種植戶望而卻步，在一定程度上阻礙了現代果園種植技術的推廣。

2）" 作業平臺智能化程度不高、擴展性較差。中國關于果園作業平臺的研究時間較短，但也出現了一些優秀產品，并在一定程度上改善了果農作業條件、提升了作業效率、降低了生產成本，為果農增加了收入，基本上解決了果園難以實現機械化作業的問題。現有果園作業平臺以載人作業為主，智能化程度低與擴展性較差是大部分作業平臺的通病。中國果園作業平臺大多數遵循“一機多用”的設計原則以降低用戶購機成本，但平臺相應的配套設備極不完善，難以支撐起平臺的擴展功能。另外，作業平臺智能化程度極低，主動調平、智能避障、路徑規劃、自主作業等功能均還處于實驗室研究與探索階段，還未有成熟應用的案例。

4 展望

中國大部分果園仍是零散地分布于丘陵地區，這些區域內的果園農機與農藝沒有有效融合，修枝、套袋、采摘等高位作業環節仍然為傳統一人一梯的作業模式，丘陵地區可用果園裝備不足。此外，果園機械也表現出了較強的季節性，一年之中只有到了特定的季節才有相應的農事作業。也就是說，果園機械大部分時間都處于閑置狀態，降低了果園機械的使用率、增加了用戶的購機成本，遏制了用戶購機的欲望，進一步導致了果園機械化程度極低。好在，各地區科研院所均對適宜當地的果園作業平臺展開了技術攻關，也取得了一定的成果。改革開放以來，中國農業生產機械化水平已顯著提高，農業生產智慧化是今后社會發展的必然趨勢。

1）" 加強農機與農藝的有效融合，智慧果園建設將進一步加快?！伴偕茨蟿t為橘，生于淮北則為枳”說明了水果種植呈現出較強的地域性。例如：蘋果主產于陜西和山東，香蕉則主產于廣西、云南、廣東等地，說明當地特色水果產業往往是居民的主要經濟收入來源。各地政府尤其重視當地特色林果業的建設與發展，基于林果產業發展規劃出臺了一系列有助于果園機械化發展的政策文件。借鑒意大利、日本山地種植環境整改經驗，積極探索適合中國水果產業發展的規?；N植模式，促進農機與農藝的融合。北京西營村自2012年以來，不斷探索土地集體流轉和股份合作方式，采用“黨支部+專業合作社+農戶”經營機制，將果農的土地流轉回村集體再統一承包給合作社或企業經營，進行規?；?、標準化、高端化果品種植，奠定了西營村現代化農業發展之路的基礎，為中國果園種植起到了良好的示范與引領作用。中國農業大學何雄奎教授帶領團隊為該地區果園研制了無人駕駛果園噴霧機、多功能果園作業平臺、電動履帶式作業平臺等果園種植各環節智能化裝備，有效促進了果園全程機械化的應用與發展，為中國建設農機與農藝有機融合的智慧果園提供了有效參考，勢必會掀起一場智慧果園建設熱潮。

2）" 丘陵山區果園機械底盤需專用化發展。現有果園機械底盤由傳統運輸機械發展而來，對丘陵山區果園作業場景的適應能力稍差。研發果園場景專用底盤無疑是提升作業平臺適應能力的重要技術手段，針對不同果園的作業場景研發專用動力底盤以適應多地形使用要求，果園機械底盤專用化發展或許是提升果園機械化水平的有效措施。

3）" 與信息化產業融合發展，讓農業更智慧。中國農機工業發展經歷了蘇聯技術體系、歐美技術體系與信息化技術體系3個階段，當前已經進入了以清潔能源和智能化技術為驅動的信息技術體系階段。隨著自動駕駛、大數據、物聯網等信息技術在農業裝備領域中的應用，越來越多的學者將注意力放在了提高作業平臺的智能化程度上，以提升用戶的駕駛或操作體驗。2021中國國際智能產業博覽會發布了全國首個丘陵山地無人果園管理平臺并在重慶渝北區青龍村投入使用，可實現數據全覆蓋、環境監測全天候、精準管護全過程、農機協同全自動，有效推動了農業產業與信息化的融合發展。同時也起到了良好的引領示范作用，指明了未來果園機械化發展的方向。

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