摘要:
目前國內藍莓采收基本上是以人工采收為主,隨著勞動短缺和成本的增加,發展機械化采收代替人工采收是一大趨勢。研發藍莓機械化采收裝備用于藍莓園作業具有重要意義。針對國內外藍莓種植現狀,重點從機械振動式采收技術與裝備、氣力采收技術與裝備和采收機器人3方面進行全面分析,指出目前藍莓機械化采收存在損失率較高、農機農藝不匹配、采摘分級難度大等問題,并且提出農機與農藝相結合、增強藍莓采收機械的通用性等方面的建議。
關鍵詞:藍莓;機械化采收技術;機械化采收裝備;振動式采收;氣力式采收;采收機器人
中圖分類號:S220.1
文獻標識碼:A
文章編號:2095-5553 (2025) 03-0049-05
收稿日期:2024年4月2日" 修回日期:2024年6月27日*
基金項目:江蘇省重點研發計劃(現代農業)(BE2020315);江蘇省農業科技自主創新資金(CX(21)2028)
第一作者:占才學,男,1991年生,湖北麻城人,碩士,助理研究員;研究方向為農業裝備工程技術。E-mail: 572750937@qq.com
通訊作者:宋志禹,男,1984年生,山東威海人,碩士,副研究員;研究方向為茶果蔬生產與加工機械。E-mail: songzy1984@163.com
Research progress on mechanized blueberry harvesting technology and equipment
Zhan Caixue, Song Zhiyu, Han Yu, Sun Xiangling, Jiang Qinghai
(Nanjing Institute of Agricultural Mechanization, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Nanjing, 210014, China)
Abstract:
At present, blueberry harvesting in China is basically done manually. With increasing labor shortages and rising costs, promoting mechanized harvesting to replace manual labor is a major trend. Therefore, developing mechanized harvesting equipment for blueberry orchards is of great importance. This paper provides a comprehensive analysis of mechanical harvesting technologies and equipment, focusing on mechanical vibration harvesting, pneumatic harvesting, and harvesting robots, based on the current planting situation both domestically and internationally. It identifies several problems with mechanized blueberry harvesting, including high loss rates, mismatches between agricultural machinery and agronomy, and challenges in sorting the harvested fruit. Suggestions are made regarding the integration of agricultural machinery with agronomy, and enhancing the versatility of blueberry harvesting machinery.
Keywords:
blueberry; mechanized harvesting technology; mechanized harvesting equipment; vibration harvesting; pneumatic harvesting; harvesting robots
0 引言
藍莓,又名越橘,屬于杜鵑花科,越橘屬植物,是一種富含營養且口感鮮美的小型漿果[1]。藍莓富含維生素C、維生素K以及纖維素等多種營養成分,被認為是一種天然抗氧化劑,有助于維持身體健康[2]。藍莓植株生長低矮,果實生長在植株中下部,傳統的人工手工采摘需要彎腰或蹲坐,不僅勞動強度大,而且人工采摘方式效率低下且勞動成本較高。而機械化采收能夠提高生產效率,降低勞動強度和生產成本,因此,發展機械化采收,可以提高生產效率,降低勞動成本,提升產業競爭力,是藍莓種植業可持續發展的關鍵推動力之一[3]。
藍莓采收機械化經歷從最初的手工采摘到傳統的振動式采摘機,再到依靠視覺導引采摘機器人等多種類型。起初,依賴人工采摘效率低且成本高昂,隨著技術的發展,簡單的機械設備如振動器出現,提高了采收效率但損傷藍莓。近年來,結合視覺識別技術和機器學習等能夠精準識別成熟果實,實現自動化采摘,從而提高采摘效率和質量。藍莓采收機械化系統根據工作原理和設計特點,主要包括機械振動式采摘機、氣力式采摘機、采摘機器人等不同類型,這些不同類型的采收機械在提高采摘效率、降低成本、減少勞動力需求方面發揮重要作用[4]。
1 藍莓種植現狀
世界藍莓種植情況呈現日益蓬勃的發展態勢,成為全球重要的經濟作物之一。其主要分布在北美洲、歐洲、南美洲、亞洲和大洋洲等地區。北美洲是世界藍莓種植的主要地區之一,尤其以美國的加州、華盛頓州和新澤西州為主要產區。此外,加拿大的不列顛哥倫比亞省和安大略省也有大量的藍莓種植園。歐洲的藍莓產地主要集中在西班牙、波蘭和葡萄牙等國家。南美洲的智利和阿根廷也是藍莓的重要產區之一。亞洲的藍莓種植則主要集中在中國、韓國和日本等國家。大洋洲的澳大利亞和新西蘭也有相當規模的藍莓種植園。全球藍莓種植地區多樣,且逐年擴大,以滿足不斷增長的國際市場需求。
中國的藍莓種植業近年來蓬勃發展,成為農業領域的重要產業之一。藍莓種植主要分布在南方的云南、福建、廣東、廣西等地區,以及北方的山東、河北、河南等地區。云南省因其溫暖濕潤的氣候和高海拔的地理條件,成為中國重要的藍莓產區之一,尤其大理、麗江等地區藍莓產量居前。福建、廣東、廣西等南方地區也逐漸成為藍莓種植的重要區域,其氣候條件利于藍莓的生長。此外,在北方地區,山東、河北、河南等省份也開始大規模種植藍莓,借助先進的溫室技術和種植管理,使得北方地區也能產出優質的藍莓。中國藍莓種植業呈現出良好的發展勢頭,不斷探索適合本土氣候和土壤的種植技術和新品種,為國內市場提供豐富的藍莓產品,同時也積極拓展國際市場。
2 國內外藍莓機械化采收技術與裝備
藍莓采收機械主要包括機械振動式采摘機、氣力式采摘機以及采摘機器人等類型。機械振動式采摘機通過機械振動作用于藍莓植株,將果實振落至收集器中,其工作原理簡單高效,適用于大規模種植采收場景。氣力式采摘機利用氣流或氣壓將藍莓從植株上吹落至收集器中,操作簡便,適用于不同類型的藍莓品種和生長環境。而采摘機器人則結合先進的機械與人工智能技術,能夠自主識別成熟果實并進行精準采摘,提高采摘效率和質量,并減輕人工勞動強度。機械振動式采摘機采收機械適用于大面積、大規模化藍莓采收場景,而氣力式采摘機以及采摘機器人因制造成本高、技術發展受限等問題,尚處于初步應用階段[5]。
2.1 機械振動式采收技術與裝備
藍莓機械振動式采摘機根據振動器的工作類型可分為慣性振動式、拍打式和梳刷式采收機。慣性振動式采收機通過振動器產生的慣性力使藍莓果實脫落;拍打式采收機則利用機械臂或振動器直接對藍莓植株進行拍打,使果實掉落;而梳刷式采收機則通過旋轉的刷子或梳子,輕柔地刷取藍莓果實。
國外藍莓采收機械市場涌現出一些技術成熟的公司,其中美國在藍莓采摘技術方面擁有豐富經驗和領先地位[6],研制了一款自走式藍莓采摘機,采用機械旋轉振動原理來實現藍莓的采摘,利用機械采收裝置進行旋轉振動,使成熟的藍莓從樹上脫落,采摘的藍莓隨后被收集到內置的收集系統中,以確保高效、可靠地完成采摘作業。自走式藍莓采摘機在藍莓種植業中應用廣泛,為農民提供了一種高效、節省成本的采摘解決方案[7]。OR-1601型漿果采收機是一款專為漿果采摘而設計的機器。該機器采用振動撥指旋轉振動技術,能夠高效地采收各種包括藍莓在內的漿果。通過振動撥指旋轉振動,OR-1601型采摘機輕柔地振動藍莓植株,使成熟的藍莓從樹上脫落。采摘的藍莓隨后被收集到機器內部的容器中,以確保采摘過程高效,而且使藍莓的質量得到保證[8]。美國研發的OXBO 930型牽引式藍莓采收機采用振動裝置,呈雙排豎直分布,利用上下往復振動的工作原理實現對藍莓果實的采收。振動裝置以垂直往復運動的方式輕柔地振動藍莓樹,使成熟的藍莓從樹上脫落并被收集。
在國內,東北林業大學是對藍莓機械振動式采收機的研究相對較多且理論相對成熟的研究機構之一。其在藍莓采摘機械方面開展了廣泛的研究,涉及振動采收原理、無損收集等領域,為藍莓產業的發展提供重要的技術支持和理論基礎。郭艷玲等[8, 9]設計了一款創新的手推式藍莓采摘機,建立藍莓植株力學分析模型,并深入分析藍莓果實與果柄之間的結合力和振動機理。通過對藍莓植株力學特性的系統研究,探索了果實與果柄結合力的形成機制以及振動對其影響的原理。這一深入的理論研究為手推式藍莓采摘機的設計提供了重要的理論依據,為提高采摘效率和質量提供了技術支持,對藍莓產業的發展和機械采摘技術的進步具有重要意義,為藍莓機械化采收提供新的思路和方法。
陳嘉瑤等[10]研發了一款軸向振動式藍莓采摘機。該采摘裝置豎直分布,采用上下往復的振動方式實現對藍莓的高效采摘。通過這一設計,振動裝置能夠精準地施加振動力量于藍莓植株,使成熟的藍莓果實輕巧地脫離樹枝。這款軸向振動式藍莓采摘機不僅能提高采摘的效率,而且能夠在采摘過程中減少對植株的損傷,有助于保證藍莓的整體質量。其豎直分布的采摘裝置以及上下往復的振動機制,使得機器能夠適應不同高度和形狀的藍莓植株,提高了適應性和靈活性。這一創新設計對藍莓的機械化采摘提供一種更加高效和可持續的解決方案。
史亮等[11]設計了一款抖動式藍莓采收機。通過Adams軟件進行運動學分析,建立了采收機構的剛柔耦合模型。該研究探究偏心塊轉速和半徑對藍莓采收質量的影響。通過對采收機構進行剛柔耦合模型的建立和運動學分析,能夠深入理解機構內部的運動特性和相互作用,從而更好地優化設計參數,提高藍莓采摘的效率和質量。這一創新研究為藍莓采收技術的發展和藍莓產業的提升提供了重要的理論和實踐支持。
2.2 氣力采收技術與裝備
氣力式藍莓采收機利用氣流的力量,可以提高采收效率,并減小果實的損傷,其類型主要分為氣吹式和氣吸式兩種類型。氣吹式藍莓采收機的工作原理是利用強大的氣流從機器噴口噴射出去,將藍莓吹落到收集系統中,該過程可大幅度提高采收速度,而且由于氣流比較柔和,對藍莓本身造成的損傷較小。氣吸式藍莓采收機則是通過吸力將藍莓從樹上抽離,并通過管道系統將其送入集裝箱,該方式同樣避免果實被損傷,且適用于不同高度的藍莓樹。氣吸式采收機還具有自動調節吸力的功能,可以根據果實的大小和成熟度進行調整,進一步減少損傷[12, 13]。
塞爾維亞研制了一款KOKAN 500S型脈沖氣流漿果采收機,該機專門用于采收藍莓等漿果類作物,以提高采收效率并減少果實損傷,運用可控的脈沖氣流技術,通過精密設計的噴嘴向藍莓植株噴射高壓氣流,實現果實的輕柔分離和快速收集。其工作原理在于氣流的脈沖沖擊,使得果實從植株上脫落,減少果實和植株的損傷。優點包括效率高、損傷小、適應性強,能夠節約人力成本,提高采摘效率和果實質量。
Gallardo等[14]對藍莓采收機(OTR)的作業性能進行深入研究。研究結果表明,采用氣力式振動器的設計顯著降低了對藍莓果實的沖擊,從而實現更為輕柔、無損的采摘過程。這項技術的引入不僅提高采摘效率、減少損傷率,同時為藍莓等小漿果類采收提供一種創新的解決方案,有望推動藍莓等小漿果采收技術向更加可持續和高效的方向發展。
國內氣力藍莓采收裝備的研發目前尚處于起步階段。東北農業大學在藍莓氣力采收裝備的研發方面積極探索,何宇[15]研制了一款集采摘、收集、輸送為一體的氣吸式小漿果聯合收獲機,并且通過Fluent、EDEM軟件進行了耦合仿真分析。通過Fluent軟件的流體動力學仿真,精準模擬了機器內氣流的運動情況,確保了漿果采摘的高效性和精準性。同時,通過EDEM軟件的離散元方法進行仿真,成功地模擬了漿果在機器內的運動和輸送過程,有力減少了漿果在采收和輸送過程中的損傷,根據仿真結果得到最優參數。
趙永超等[16]基于空氣動力學原理成功設計了一款小型、便攜的氣吸式小漿果采收機,并通過EDEM—Fluent軟件耦合方式對其輸送裝置進行詳細建模和仿真。通過對輸送管內氣體壓力云圖及壓降的分析,對比研究不同管徑輸送管(32mm、40mm和50mm)的輸送效率及輸送過程中的破果率。隨后,在自制的撿拾輸送裝置上進行實際試驗。經過綜合分析試驗結果和仿真數據,得出結論:采用40mm的輸送管徑為該小漿果采收機輸送裝置的最佳選擇。通過建立并擬合回歸方程,揭示輸送效率、破果率與氣體流量之間的關系,為小漿果采收機的設計和性能優化提供理論基礎。
2.3 采收機器人
藍莓采收機器人是結合先進的機器視覺和機器學習技術,自動化地識別、定位和采摘藍莓的智能設備。其原理基于高分辨率攝像頭捕捉藍莓植株和果實的圖像,通過圖像處理算法識別成熟的藍莓,并利用機械臂或夾具進行精準采摘。隨著人工勞動成本的不斷上漲和農業勞動力短缺的加劇,藍莓采收機器人逐漸受到農業生產者的關注和采用。其發展情況涵蓋硬件技術的不斷改進,如機械臂的精準度和速度的提升,以及軟件技術的進步,如機器學習算法的優化和實時數據處理能力的增強,為藍莓采收提供更可靠、高效的解決方案。
Sun等[17]為解決農業生產中藍莓采摘的勞動力短缺和成本上升等問題,開發了一種創新的田間測量藍莓灌木高度的平臺。該平臺利用左右掃描方式,能夠快速、準確地獲取藍莓植株的高度數據,形成三維點云模型。這種點云數據不僅提供了藍莓灌木的立體信息,還能反映植株的生長狀況和密度分布,為后續的藍莓采收機器人采摘提供了重要的參考依據。與傳統的手工測量方式相比,這種自動化的測量平臺不僅提高了測量效率,還降低了人力成本,為藍莓采收機器人的研究提供技術支持。
Gonalez等[18]提出了一種創新藍莓采收機器人的圖像識別技術的解決方案,采用基于Mask R—CNN算法,并選擇ResNet50作為主干網絡,以提高檢測和分割的準確性和效率。該方法的關鍵在于其對藍莓圖像的深度學習處理,通過訓練網絡使其能夠準確地識別藍莓植株的位置和形狀,并進行精準的實例分割。采用Mask R—CNN的多任務學習框架,使得網絡能夠同時完成藍莓檢測和分割,提高了系統的整體性能。而選擇ResNet50作為主干網絡,則進一步增強了網絡的特征提取能力和泛化性能,使得網絡在復雜場景下依然能夠保持穩定的識別效果。這項研究的意義在于為藍莓采收機器人的圖像識別技術提供了重要的理論依據和實踐經驗。
韓非[19]提出了一種基于雙目視覺系統的立體視覺檢測及定位系統,可以實現對藍莓的形狀和尺寸進行準確、高效的分級,為藍莓采收機器人的研究奠定了堅實的技術基礎。這項技術不僅僅是一項簡單的視覺識別,更成功應對了復雜農業環境下智能化處理的巨大挑戰。雙目視覺系統能夠準確地感知藍莓的大小、形狀以及位置,從而為機器人進行藍莓采摘提供了精準的指導,提高了采摘效率,并減少采摘過程中的損失。基于雙目視覺系統的立體視覺檢測及定位系統的成功研發將為藍莓采收機器人的研制提供強有力的支撐。
王迪等[20]基于ARM微處理器成功構建了藍莓采摘機械手的運動控制系統,有效解決藍莓采摘機械手在運動控制方面的關鍵問題,為未來采摘機器人的研發提供了堅實的控制基礎。該系統的核心是ARM微處理器,其高效的計算能力和穩定的運行性能使得漿果采摘機械手能夠實現精準、快速的運動控制,大大提高了采摘效率和質量。讓采摘機器人能夠更加靈活、精準地進行采摘操作,不僅可以應對不同形狀、大小的漿果,還能夠適應多樣化的采摘環境。此外,采用ARM微處理器構建的運動控制系統具有成本低、功耗小等優勢,有助于推動漿果采摘機器人技術的商業化和大規模應用。
3 藍莓機械化采收面臨的問題
1) 損傷率比較高。藍莓機械化采摘在提高效率的同時也帶來了損傷率較高的問題。其主要原因之一是機械設備難以準確區分成熟和未成熟的藍莓果實。由于藍莓的成熟度不一,機械采摘往往無法像人工采摘那樣精準地辨別出應該采摘的果實,導致大量未成熟的藍莓被誤傷和漏采。此外,機械設備的采摘方式容易造成藍莓果實的擠壓和損壞,同時,藍莓的特殊生長環境和植株結構也增加了機械采摘的難度,藍莓植株矮小、果實隱藏在葉片底部等特點,使得機械設備很難完全適應。不同品種的藍莓在成熟度、果實大小和形狀上存在差異,使得機械設備需要不斷調整和適應,增加了損傷的機率。因此,盡管藍莓機械化采摘提高了生產效率、降低了人工成本,但依舊存在著損傷率比較高的問題。
2) 農機與農藝不匹配。主要源于藍莓種植的分布廣泛、品種繁多,種植管理水平的模塊化和規范化程度相對較低。首先,藍莓種植分布廣泛,不同地區的種植環境、土壤條件和氣候特點各異,導致不同地區藍莓樹的生長習性和果實特性有所差異。這種差異性使得設計適用于所有種植地區的通用采摘設備變得困難,因為不同地區的種植條件可能需要不同類型或參數的機械設備。其次,藍莓品種多樣,既有早熟品種也有晚熟品種,果實大小、顏色和成熟度也有所不同。這種多樣性增加了機械采摘設備識別成熟果實的難度,容易導致漏采或采摘未成熟的果實,降低了采摘效率和果實品質。另外,由于藍莓種植管理水平的模塊化和規范化程度較低,種植者在樹冠修剪、植株間距、果園布局等方面的操作存在較大的差異,使得機械采摘設備難以適應不同種植園的實際情況,增加了采摘操作的復雜性和不確定性。因此,藍莓機械化采摘的農機農藝不匹配問題根源于種植分布廣泛、品種繁多,以及種植管理水平的模塊化和規范化程度較低。
3) 采摘分級難度比較大。藍莓樹上的果實成熟度不均且果實的分布密集程度不同。首先,藍莓樹上的果實成熟度存在明顯的差異,從未成熟到完全成熟的果實相間分布。機械采摘設備難以準確識別和分辨這些不同成熟度的果實,容易將未成熟的果實誤傷或漏采,同時也難以確保所有采摘的果實都處于最佳成熟狀態,影響果實的品質和市場競爭力。其次,藍莓樹的生長形態復雜、樹冠密集、果實分布密度大。機械采摘設備在復雜環境中操作,難以精確地控制采摘的力度和位置,容易造成果實的擠壓、損傷甚至漏采,導致采摘效率低下和損失率增加。此外,機械采摘過程中的振動和摩擦也會對果實造成不同程度的影響,進一步增加采摘分級的難度。因此,藍莓機械化采摘存在采摘分級難度大的問題,主要是由于藍莓樹上果實成熟度不均和果實分布密集所致,需要通過改進采摘設備的識別和操作技術,提高機械采摘的精準度和適應性,以降低采摘損失率,提高采摘效率和果實品質。
4 藍莓機械化采收發展建議
1) 農機與農藝相結合。藍莓作為一種重要的經濟作物,在栽培品種和種植模式上擁有豐富的多樣性,使得農藝與農機相融合更為關鍵。首先,針對不同的藍莓栽培品種,農藝可以提供個性化的栽培方案,包括土壤管理、施肥技術、病蟲害防治等,以確保不同品種的生長環境和生長需求得到最優的滿足。同時,針對不同的種植模式,例如大棚栽培、露地栽培等,農藝技術也能夠提供相應的管理策略,以適應不同種植模式下的藍莓生長需求。其次,農機技術在藍莓機械化采收中發揮著關鍵作用。針對藍莓多品種、多模式的特點,農機的設計需要考慮到不同品種和種植模式的差異性,提供靈活多變的采摘方案。例如,智能化的藍莓采摘機器人可以根據不同品種的果實大小、成熟度和樹冠結構,進行智能化的采摘操作,以確保采摘的效率和質量。同時,農機技術的進步也促進了藍莓栽培技術的發展,例如通過機械化的施肥、灌溉等管理,提高了藍莓的生長效率和產量穩定性。綜上所述,農藝與農機的相互配合是解決藍莓機械化采收趨勢的關鍵因素,通過不斷優化和創新,可以實現藍莓產業的可持續發展,推動農業現代化進程。
2) 增強藍莓采收機械的通用性。隨著藍莓產業的蓬勃發展,機械化采收已成為提高生產效率、應對人力成本上升的重要趨勢。在這一發展浪潮中,增強藍莓采收機械的通用性顯得尤為重要。通過提升機械設備的通用性,可以適應不同的藍莓品種和種植農業要求,從而更好地滿足不同地區和種植戶的需求。首先,增強藍莓采收機械的通用性意味著它能夠適應多種藍莓品種的采收需求。藍莓作為一種具有多樣性的果實,不同品種在果實大小、形狀、樹型等方面存在差異。因此,一款通用性強的采收機械需要具備可調節的采摘裝置以及不同規格的采摘籃等,以適應不同品種的藍莓果實特征,確保采摘效果和果實品質。其次,通用性強的采收機械應當能夠滿足不同種植農業要求。藍莓種植在不同地區和環境條件下,農業實踐和管理方式各異。有些地區采用大面積的開放式種植,而有些地區采用棚架或溫室種植。因此,通用性強的采收機械需要具備可調節的結構和適應性,以應對不同種植方式下的采摘需求,提高適用范圍和靈活性。增強藍莓采收機械的通用性不僅有助于提高生產效率和降低成本,還能夠促進藍莓產業的可持續發展。通過滿足不同品種和種植農業要求,可以更好地適應市場需求變化,提高藍莓產業的競爭力和可持續性。因此,加強藍莓采收機械的通用性將成為推動藍莓機械化采收發展的重要策略之一,為藍莓產業的繁榮發展提供堅實支撐。
參 考 文 獻
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