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黃瓜自動化栽培系統(tǒng)研究進展

2019-09-02 14:01:46陳玉梅申允德張成浩
江蘇農(nóng)業(yè)科學 2019年5期
關鍵詞:自動化

陳玉梅 申允德 張成浩

摘要:概述黃瓜自動化栽培系統(tǒng)的研究進展,針對黃瓜播種育苗、移栽定植、搭架引蔓、整枝與采收的農(nóng)藝規(guī)程,介紹國內(nèi)外黃瓜培育系統(tǒng)、移栽系統(tǒng)、吊落蔓系統(tǒng)、側枝修剪機器人和采摘機器人的研究現(xiàn)狀,分析制約黃瓜采摘機器人應用研究的因素為采摘效率和制造成本,最后指出未來黃瓜自動化栽培系統(tǒng)的研發(fā)重點為簡化機器人任務和強化機器人性能。

關鍵詞:栽培系統(tǒng);采摘機器人;側枝修剪;末端執(zhí)行器;自動化

中圖分類號: S233.74? 文獻標志碼: A? 文章編號:1002-1302(2019)05-0174-06

收稿日期:2017-10-23

基金項目:2017年度浙江省重點研發(fā)計劃(編號:2017C02018)。

作者簡介:陳玉梅(1994—),女,四川瀘州人,碩士研究生,主要從事農(nóng)業(yè)機器人及自動化農(nóng)機裝備研究。E-mail:865705722@qq.com。

通信作者:申允德,博士,高級工程師,副教授,主要從事農(nóng)業(yè)機器人及自動化農(nóng)機裝備研究。E-mail:shenyunde63@163.com。

我國作為典型的農(nóng)業(yè)大國,果蔬產(chǎn)業(yè)產(chǎn)出一直較大,1978年,我國蔬菜播種面積為333.1萬hm2,2015年擴大到 21 99.967萬hm2,分別占當年全國農(nóng)作物總播種面積的222%、1322%;2014年我國蔬菜種植總產(chǎn)量達到 76 005.48萬t,2015年增長到78 526.10萬t,比2014年增長3.3%。黃瓜種植成本由人工成本、物質服務費用和土地成本構成。人工成本包括家庭用工折價和雇工費用,隨著黃瓜種植面積增大,收獲就要耗費大量的時間和人力。但隨著農(nóng)村勞動力缺乏,人口老齡化加劇,必須降低采摘成本、提高采摘果實質量、提高勞動生產(chǎn)率、保證果實的適時采收、提高產(chǎn)品的國際競爭力[1],進而降低設施黃瓜種植成本中的人工成本占比,提高黃瓜種植凈利潤。

針對上述研究背景,本研究提出的黃瓜農(nóng)藝規(guī)程為播種育苗→移栽定植→搭架引蔓與整枝→采收。為了實現(xiàn)黃瓜種植的以上4個流程,一套完整的黃瓜自動化栽培系統(tǒng)應該包括栽培系統(tǒng)、側枝修剪機器人和黃瓜采摘機器人。本研究通過分析比較各部分的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀,提出黃瓜自動化栽培系統(tǒng)關鍵部分的發(fā)展趨勢,并進行總結,旨在為未來開發(fā)完整的黃瓜自動化栽培系統(tǒng)提供參考。

1 黃瓜栽培系統(tǒng)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

栽培系統(tǒng)包括培育系統(tǒng)、移栽系統(tǒng)和吊落蔓系統(tǒng),分別實現(xiàn)黃瓜種植過程中的播種育苗、移栽定植和搭架引蔓過程。

1.1 培育系統(tǒng)

黃瓜種子屬于包衣類蔬菜種子,為實現(xiàn)播種育苗環(huán)節(jié)自動化,須要利用播種機實現(xiàn)自動化育苗。溫室育苗用播種機[2]多為固定型機器人,作業(yè)流程為穴盤填土→澆水→播種→覆土→育苗箱搬出。

國外設施育苗配套設施的穴盤育苗播種設備研制較早,目前日本和美國的育苗工廠已大規(guī)模開發(fā)使用溫室機械化育苗播種成套設備,流水線自動完成穴盤裝土、刮平、壓窩、播種、覆土和澆水等多道工序作業(yè)。發(fā)達國家的蔬菜商品穴盤育苗率約為70%,荷蘭某公司生產(chǎn)的巖棉塊種苗生產(chǎn)線的播種作業(yè)生產(chǎn)率約為14 400粒/h[3]。

目前,我國穴盤育苗播種機有針式、板式和滾筒式,按工作原理分為機械式和氣力式?,F(xiàn)階段的穴盤育苗播種機械多以氣力式為主,精度不高,推廣程度不高[4]。2017年,青島農(nóng)業(yè)大學的張峰峰等研制出一種自動蔬菜穴盤育苗精量播種機,對辣椒和南瓜進行試驗,平均播種單籽率約為96%,漏播率約為1.4%,多籽率約為2.5%[5]。

1.2 移栽系統(tǒng)

為了培育出優(yōu)質黃瓜,必須對瓜苗進行適當?shù)囊圃宰鳂I(yè),目前移栽機分為全自動型和半自動型2種,作業(yè)流程為供苗→取苗→挖坑→栽苗→覆土。2013年,中國農(nóng)業(yè)大學的Jin 等研究了蔬菜移栽機中幼苗拾取設備的發(fā)展現(xiàn)狀,分析比較了國內(nèi)外拾取機構的優(yōu)劣勢[6]。國外溫室自動移栽機技術已經(jīng)較為成熟,但其結構復雜、價格昂貴、體積龐大,與我國現(xiàn)階段設施農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)模式適應性較差。

國內(nèi)對穴盤苗移栽機的研究大多處于研究和試驗階段,移栽裝備經(jīng)歷了3個發(fā)展階段:滑道機構、桿機構和回轉機構[7]。2016年,江蘇大學的胡建平等研制出了一種八爪溫室缽苗移栽機(圖1),可實現(xiàn)自動填土、打穴、定位輸送、整體間隔取苗、分散間隔投苗、苗盤連續(xù)進給,移栽平均合格率約為95%[8]。他的團隊同年又研制出了一種溫室穴盤苗移栽機,其末端執(zhí)行器到達取苗點后,取出幼苗,輸送至目標盤放苗點后,釋放幼苗并進行栽苗,平均取苗移栽成功率約為90.7%[9]。

1.3 吊落蔓系統(tǒng)

黃瓜為藤生農(nóng)作物,貼地生長的黃瓜沾泥,易腐爛、商品性差、產(chǎn)量低。為提高農(nóng)產(chǎn)品質量,通常采用搭架引蔓方法,但僅適合生長量不大的短季節(jié)露地栽培,近年來隨著黃瓜品種的改良,單株植株可長達幾十米,而竹竿高度有限,植株爬到竹竿頂端仍會再次匍匐在地面,故吊蔓式立體栽培成為溫室作物栽培的趨勢和潮流。

國外對果蔬新型栽培模式的研究很多,如草莓高架栽培模式、番茄拉線栽培模式、黃瓜高拉線栽培模式,在適應機械化采摘的同時,也達到了高產(chǎn)高效的目的。針對新的種植模式也研發(fā)出了相應的自動化栽培系統(tǒng),如中國農(nóng)業(yè)大學的陳一飛等研發(fā)了溫室草莓立體栽培智能控制系統(tǒng),栽培支架在電機的驅動下使栽培槽實現(xiàn)升降和擺動動作,以達到改善采光條件和調(diào)控溫度層的目的[10]。日本農(nóng)業(yè)機械學會的Ota等研發(fā)出了一種自動間距控制的可移動番茄高架栽培系統(tǒng),根據(jù)番茄生長階段的不同來合理分配臺架間距,以達到增加果實產(chǎn)量的目的[11]。黃瓜的高拉線栽培模式最早源于荷蘭,21世紀初,荷蘭農(nóng)業(yè)工程研究所的研究員提出了以拉線種植代替?zhèn)鹘y(tǒng)黃瓜搭架種植模式,此模式下種植的黃瓜瓜藤與拉線纏繞[12],隨著黃瓜生長長度的無限型發(fā)展,研究的重點已經(jīng)逐步轉向如何實現(xiàn)拉線收放,即吊落蔓作業(yè)是此新模式的關鍵?,F(xiàn)多為人工操作,近年來向機械化發(fā)展,韓國目前采用一種可移動的拉線栽培模式,但仍處于半自動形式,未實現(xiàn)垂直落蔓與水平移動的同步作業(yè),仍需要人工輔助。

4.1.3 采摘機器人的制造成本較高 同工業(yè)機器人相比,由于作業(yè)對象柔嫩易損,為了保持果實完整性,采摘機器人的結構和控制系統(tǒng)更加復雜,制造成本更高。而且工作具有周期性、時間集中性等特點,導致設備利用率不高。對于采摘機器人這類復雜的光機電一體化產(chǎn)品而言,設備的使用和維護都需要相當高的技術水平和費用[46]。

除此之外,還存在黃瓜采摘機器人的研制與農(nóng)藝不協(xié)調(diào),采摘機器人的安全可靠性、多功能性、通用性、柔性作業(yè)不足等問題。鑒于以上原因,在以后的研究開發(fā)中必須解決以下幾個方面的關鍵技術。

4.2 簡化采摘機器人任務

在果蔬采摘機器人系統(tǒng)中,由于作業(yè)環(huán)境的復雜性,特別是果實生長位置的不確定性和果實部分遮擋或完全遮擋問題,導致機器人面臨很多除了采摘任務外的附加難度作業(yè),因此如何簡化機器人任務還需要進一步研究。

4.2.1 改變栽培方式 通過改變栽培方式來簡化作物收獲環(huán)境,如黃瓜斜拉線與斜搭架栽培模式、甜椒通過拉線輔助根莖定位等,可以更好地將果實與莖葉隔離開,減輕圖像處理單元的計算負擔,加快圖像處理單元的運轉速度,從而縮短果實平均采摘周期。

4.2.2 改變果蔬品種 果實的生長位置是最具影響力的參數(shù),通過改變黃瓜品種,培養(yǎng)和繁育出果實生長在根莖前方的黃瓜,使果實生長在機械手采摘可行域內(nèi)采摘成功率最高、采摘周期最短的位置,以適應機械化采摘。其理想狀態(tài)為黃瓜果實生長位置,即為采摘機器人設定最簡收獲位置。

4.2.3 增加附加機構 通過輔助機構來簡化機器人任務,如通過吹風機來減少果實收獲時的葉子遮擋率,通過落蔓吊蔓機構使黃瓜待采瓜藤段處于機械手采摘可行域內(nèi)。

4.3 強化采摘機器人的性能

果蔬采摘機器人系統(tǒng)集成了傳感技術、控制工程、機械設計和圖像處理技術等關鍵技術,各部分功能的運轉決定著果蔬采摘機器人運動的靈活性,仍需進一步研究以強化機器人性能。

4.3.1 多元化收集信息 果蔬采摘機與多功能信息化有機結合,結合傳感器、模擬環(huán)境和推理運算來增強機器人的認知,多元化地收集信息,讓機器人自適應地進行學習。

4.3.2 機械本體的優(yōu)化設計 尋找最優(yōu)機械手類型和末端執(zhí)行器類型,機器人可以從標準化向專有化、結構簡化的方向進行轉化[47],例如通過更換末端執(zhí)行器實現(xiàn)黃瓜果實采收和側枝修剪功能。無需設計完整的機器人,只需功能部件滿足采摘要求即可,如蛇形機器人、攀爬機器人。這不僅是黃瓜采摘機器人未來的發(fā)展方向,也是果蔬采摘機器人的發(fā)展方向。

4.3.3 增加附加功能 如檢測功能:收獲時判斷成熟度,評價果實內(nèi)部品質,在果實分選階段之前進行壞果剔除,可以避免向分選場運輸壞果所造成的浪費。實現(xiàn)采摘機器人的多功能性,提高設備利用率,從而降低總成本。

5 結束語

完整的黃瓜自動化栽培系統(tǒng)由培育系統(tǒng)、移栽系統(tǒng)、吊落蔓系統(tǒng)、側枝修剪機器人和黃瓜采摘機器人組成,主要作業(yè)對象包括黃瓜、側枝、卷須、雄花及枯殘葉等,在研究過程中要考慮果實完整性、工作高效性、操作簡便性和價格合理性。本研究重點總結了國內(nèi)外黃瓜采摘機器人和側枝修剪機器人的研究現(xiàn)狀,從機械本體結構、果實識別、運動規(guī)劃等方面,概述了黃瓜采摘機器人的研究進展,為研究出一種安全可靠、柔性高效的黃瓜自動化栽培系統(tǒng)做準備,以響應“中國制造2025十大領域之農(nóng)機裝備和全國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化之創(chuàng)新強農(nóng)”的政策號召,不斷提高技術裝備和信息化水平,促進農(nóng)業(yè)機械化提檔升級,提高農(nóng)作物機械收獲水平,因地制宜地形成具有中國特色的自動化栽培技術。

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