王虹虹， 倪曉宇， 李維林， 賈志成， 劉 英

(南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，江蘇 南京 210037)

我國(guó)林果資源豐富，但整個(gè)果實(shí)生產(chǎn)過(guò)程中的科技含量較低，這一現(xiàn)狀嚴(yán)重制約著我國(guó)林果產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。隨著人們對(duì)健康食品需求的增長(zhǎng)，藍(lán)莓作為一種健康食品，人們對(duì)其需求也日益增長(zhǎng)，這一需求推動(dòng)了藍(lán)莓產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。藍(lán)莓葉能制茶，根可入藥，用途廣泛[1]，其果實(shí)的花青素含量居于所有果蔬首位[2]。藍(lán)莓果實(shí)的營(yíng)養(yǎng)及膳食纖維含量豐富[3]，在改善心腦血管疾病、促進(jìn)視紅素再合成、調(diào)節(jié)人體生理活性方面也有積極作用[4-5]。此外，來(lái)自英國(guó)的一項(xiàng)研究表明：長(zhǎng)期食用含有野生藍(lán)莓成分的飲料可以提高兒童的執(zhí)行能力與認(rèn)知能力[6]。憑借其具有良好的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值及藥用價(jià)值，藍(lán)莓的需求量在全球持續(xù)增長(zhǎng)[7]，這也促進(jìn)了全球藍(lán)莓產(chǎn)區(qū)的擴(kuò)張，截至2018年，全球已有超過(guò)58個(gè)國(guó)家和地區(qū)種植藍(lán)莓，我國(guó)的藍(lán)莓總產(chǎn)量居于世界第五位[8]。采收過(guò)程是藍(lán)莓生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)，我國(guó)藍(lán)莓仍以人工采收為主，這一過(guò)程產(chǎn)生的費(fèi)用占藍(lán)莓生產(chǎn)過(guò)程總成本的40%～50%[9]，此外，這一過(guò)程還受到天氣、溫度等因素影響，要盡可能在最佳采收時(shí)間內(nèi)完成對(duì)果實(shí)的采收，否則將影響果實(shí)質(zhì)量[10]。藍(lán)莓的采收作業(yè)還具有季節(jié)性強(qiáng)、勞動(dòng)密集、勞動(dòng)強(qiáng)度大等特點(diǎn)，當(dāng)果實(shí)不能及時(shí)被采收時(shí)會(huì)造成浪費(fèi)，提高藍(lán)莓采收效率對(duì)發(fā)展藍(lán)莓產(chǎn)業(yè)具有重要意義，藍(lán)莓機(jī)械化采收已成為當(dāng)前農(nóng)林機(jī)械領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)。

國(guó)外的藍(lán)莓采收機(jī)研究起步較早，最早開(kāi)始藍(lán)莓機(jī)械采收研究的國(guó)家是美國(guó)[11]，采收機(jī)械的科技水平與自動(dòng)化程度都較高，已基本實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化采收[12]，國(guó)內(nèi)對(duì)采收機(jī)的研究較晚，技術(shù)仍不完備。本文通過(guò)對(duì)藍(lán)莓機(jī)械化采收技術(shù)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行探討，對(duì)當(dāng)前采收技術(shù)存在的不足進(jìn)行分析，并對(duì)未來(lái)的研究方向進(jìn)行展望，為藍(lán)莓采收技術(shù)的后續(xù)研究和發(fā)展提供參考。

1 國(guó)內(nèi)外藍(lán)莓機(jī)械采收技術(shù)

目前，藍(lán)莓機(jī)械采收裝置主要有機(jī)械振動(dòng)式、氣力式以及采收機(jī)器人式這三種，機(jī)械振動(dòng)式具有迅速有效分離果實(shí)與植株的特點(diǎn)，適用于大面積、規(guī)模化果實(shí)采收，應(yīng)用最為廣泛[13]。氣力式采收與機(jī)器人采收技術(shù)在果實(shí)無(wú)損采收上有著明顯優(yōu)勢(shì)，但由于受到經(jīng)濟(jì)、科技等因素的限制，目前在藍(lán)莓采收上仍處于初步應(yīng)用階段。

1.1 機(jī)械振動(dòng)式

藍(lán)莓機(jī)械采收技術(shù)較為完備的有Korvan、Littau、Oxbo和BEI這4家公司[14]，美國(guó)BEI公司的采收技術(shù)最為成熟先進(jìn)，該公司自主生產(chǎn)的自走式旋轉(zhuǎn)藍(lán)莓采收機(jī)利用機(jī)械振動(dòng)式原理實(shí)現(xiàn)對(duì)果實(shí)的采收，已廣泛應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)[15]，該采收機(jī)采收效率高，但采收作業(yè)過(guò)程中容易損傷樹(shù)干、樹(shù)枝，損傷果實(shí)，造成果實(shí)變軟[16]，且只適應(yīng)表皮較硬的果實(shí)采收[17]。Pengcheng Yu等[18]利用定制的微型球狀儀器以及BIRD(BERRY IMPACT RECORDING DEVICE)系統(tǒng)[19]研究振動(dòng)式采收機(jī)各部位與果實(shí)間的碰撞關(guān)系，得出旋轉(zhuǎn)式采收機(jī)與果實(shí)接觸各階段產(chǎn)生的機(jī)械沖擊占整個(gè)采收階段的比例關(guān)系，該系統(tǒng)的成本更低、體積更小，且可以做到準(zhǔn)確測(cè)量機(jī)器表面與果實(shí)接觸時(shí)產(chǎn)生的沖擊，該研究得出采收機(jī)的接果板與果實(shí)接觸時(shí)產(chǎn)生的碰撞影響最大，可為采收機(jī)械的改進(jìn)與完善提供指導(dǎo)。Takeda等[20]對(duì)BEI公司生產(chǎn)的V45型藍(lán)莓振動(dòng)收獲機(jī)進(jìn)行采收率和傷果率評(píng)估，得出V45采收機(jī)對(duì)不同品種藍(lán)莓損傷率的均值在5%左右，該采收機(jī)對(duì)在某些兔眼藍(lán)莓果實(shí)采收的損傷率可達(dá)到手工采收標(biāo)準(zhǔn)，但對(duì)高層藍(lán)莓的損傷率仍較高。Malladi A等[21]設(shè)計(jì)了一款手持振動(dòng)式機(jī)械振動(dòng)裝置，該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用便捷。采用該振動(dòng)裝置對(duì)兔眼藍(lán)莓和南高層藍(lán)莓進(jìn)行采收實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，手持式振動(dòng)裝置對(duì)樹(shù)枝施加3～4 s的振動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)果實(shí)分離，但采收效果因植株特性不同而差異較大。該裝置可用于小批量藍(lán)莓采收，難以滿(mǎn)足大批量藍(lán)莓采收作業(yè)。

近些年國(guó)內(nèi)對(duì)機(jī)械振動(dòng)式藍(lán)莓采收機(jī)研究相對(duì)較多的有東北林業(yè)大學(xué)，研究理論也相對(duì)成熟。郭艷玲等針對(duì)矮叢藍(lán)莓采收設(shè)計(jì)了一款手推式藍(lán)莓采收機(jī)[22]，建立了藍(lán)莓果實(shí)振動(dòng)模型和果樹(shù)振動(dòng)系統(tǒng)模型[23]，但該采收機(jī)缺少動(dòng)力牽引。后期，郭艷玲等針對(duì)高叢藍(lán)莓的采收進(jìn)行采收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一款利用拖拉機(jī)牽引的高叢藍(lán)莓采收機(jī)，該采收機(jī)采收效率為829 g/min，是人工采收的12.67倍[24]。目前東北林業(yè)大學(xué)對(duì)采收機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論系統(tǒng)的研究較為成熟，并針對(duì)藍(lán)莓果實(shí)的識(shí)別、定位做了大量的研究[25]，同時(shí)也不斷完善振動(dòng)采收機(jī)械的電控系統(tǒng)，為我國(guó)藍(lán)莓采收提供了很多技術(shù)手段和方法。

雖然機(jī)械振動(dòng)式藍(lán)莓采收機(jī)在工作時(shí)不可避免地要接觸到果樹(shù)與樹(shù)枝從而造成果實(shí)損傷[26]，但由于其采收率高，因此，技術(shù)上相對(duì)成熟的大型振動(dòng)采收機(jī)十分適用于大規(guī)模果園模式種植的藍(lán)莓采收。

1.2 氣力式

氣力式收獲機(jī)是最早被用于果品收獲的機(jī)型之一[27]，主要分為氣吹式和氣吸式兩種方式。Takeda等[28]評(píng)價(jià)了一款手持式氣力振動(dòng)篩，雖然該采收裝置的傷果率仍高于人工采收，但采收效率比人工高3.5～15倍，且相對(duì)傷果率小于10%。DeVetter等[29]通過(guò)對(duì)一款改良式OTR藍(lán)莓采收機(jī)進(jìn)行評(píng)估，得出氣力式振動(dòng)器可以通過(guò)減少收獲時(shí)的沖擊力來(lái)減少損失，北美的藍(lán)莓種植者也希望借助機(jī)械實(shí)現(xiàn)果實(shí)無(wú)損采收[30]。目前氣力式采收機(jī)在國(guó)外已有了初步的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)對(duì)小漿果采收裝置的研究開(kāi)發(fā)尚屬起步階段，在此基礎(chǔ)上，東北農(nóng)業(yè)大學(xué)的何宇設(shè)計(jì)了一款氣吸式小漿果采收機(jī)模型[31]。趙永超等基于空氣動(dòng)力學(xué)原理設(shè)計(jì)出小型、便攜氣吸式小漿果采收機(jī)并進(jìn)行小漿果試驗(yàn)[32-33]，得出輸送管直徑為40 mm時(shí)輸送效果最佳，對(duì)應(yīng)工作流量范圍為0.01～0.03 m3/s。為了提高氣吸式小漿果收獲機(jī)采收效率，張韻[34]針對(duì)現(xiàn)有氣吸式小漿果收獲機(jī)配套的采摘裝置研究并不成熟的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了5種不同口徑的圓形吸口采摘頭并對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)，得出直徑為30 mm的氣吸采摘頭較另外四組采摘效果好。

氣力式采收裝置作業(yè)過(guò)程中不需要與藍(lán)莓植株直接接觸，能避免損傷果皮、折斷樹(shù)枝等對(duì)果樹(shù)造成的損傷，較好地實(shí)現(xiàn)了藍(lán)莓果實(shí)的無(wú)損采收，但氣力式采收在運(yùn)行過(guò)程中需要大功率風(fēng)機(jī)連續(xù)作業(yè)，采收過(guò)程運(yùn)行成本高，功率損失大，且采收效率受限，難以實(shí)現(xiàn)短期內(nèi)大批量作業(yè)。

1.3 采收機(jī)器人

采收機(jī)器人是隨著圖像處理技術(shù)與控制理論發(fā)展而來(lái)的一種采收技術(shù)[35]，早在1993年，Sarig就指出機(jī)器人采收技術(shù)所解決的主要問(wèn)題是對(duì)果實(shí)的識(shí)別和定位，同時(shí)在采收作業(yè)分離果實(shí)與植株時(shí)不損傷兩者。Sun S等[36]利用激光技術(shù)設(shè)計(jì)了一款測(cè)量野生藍(lán)莓灌木叢高度的機(jī)器人平臺(tái)，以減少人工測(cè)量的耗時(shí)，這一平臺(tái)也為野生藍(lán)莓采收機(jī)械的設(shè)計(jì)提供了重要參數(shù)。呂洋[37-38]對(duì)藍(lán)莓采摘末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，提出并設(shè)計(jì)了一種梳齒間距可調(diào)的梳齒式藍(lán)莓采摘機(jī)械手，以此進(jìn)行采摘試驗(yàn)，結(jié)果表明，采摘手梳齒間距在7.0～8.5 mm范圍內(nèi)時(shí)，藍(lán)莓果實(shí)損傷率為0.58%。Yang Yu等結(jié)合卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與機(jī)器視覺(jué)技術(shù)進(jìn)行采摘點(diǎn)的果實(shí)定位，定位準(zhǔn)確率很高，可達(dá)95.76%，這一技術(shù)也可用于檢測(cè)交疊在樹(shù)葉下的水果，且可以適應(yīng)光線變化。葛笑寒[39]經(jīng)過(guò)系統(tǒng)仿真試驗(yàn)得出運(yùn)用PLC編程可實(shí)現(xiàn)對(duì)采摘機(jī)械手的自動(dòng)化控制，采摘手完成采摘單周期的最短時(shí)間為5.12 s，定位精度不低于90%，可用于高精度機(jī)械手采收。

采收機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)藍(lán)莓果實(shí)的精確采收，且工作過(guò)程對(duì)藍(lán)莓果實(shí)的損傷較小，但由于采收環(huán)境復(fù)雜，作業(yè)對(duì)象特殊，技術(shù)尚未成熟，目前仍未實(shí)現(xiàn)商業(yè)化[40]。

2 藍(lán)莓機(jī)械化采收存在的問(wèn)題

隨著藍(lán)莓機(jī)械采收原理與采收技術(shù)的完善，現(xiàn)有的采收機(jī)械對(duì)比人工采收可以大幅提高采收效率，但現(xiàn)有的采收機(jī)械仍存在果實(shí)采收效率低、損傷率高以及尚未實(shí)現(xiàn)分級(jí)采收的問(wèn)題，嚴(yán)重制約了我國(guó)藍(lán)莓機(jī)械化采收的發(fā)展。

2.1 采收效率低

藍(lán)莓采收機(jī)械對(duì)果實(shí)的采收率是檢驗(yàn)采收機(jī)械是否具有采收價(jià)值的最直接指標(biāo)，因而采收機(jī)械的采收率是對(duì)采收裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)檢驗(yàn)的重要前提和依據(jù)。現(xiàn)有的采收技術(shù)在采收過(guò)程中往往難以做到采凈藍(lán)莓果實(shí)，或者在做到采凈果實(shí)的同時(shí)會(huì)將未成熟果實(shí)一同采收而造成藍(lán)莓資源的浪費(fèi)。

2.2 損傷率高

藍(lán)莓具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和發(fā)展?jié)摿?，而其各?lèi)產(chǎn)品中鮮果的銷(xiāo)售價(jià)格更高，且藍(lán)莓果實(shí)具有果徑小、果實(shí)圓、果皮軟等特點(diǎn)，表皮易受損，而采收機(jī)械每與果樹(shù)接觸一次，就不可避免地產(chǎn)生傷果、傷樹(shù)等不良影響。因此，在采收過(guò)程中保證鮮果完好性對(duì)藍(lán)莓銷(xiāo)售具有重要意義，這就要求在藍(lán)莓機(jī)械化采收過(guò)程中降低其損傷。當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛的機(jī)械振動(dòng)式采收技術(shù)對(duì)采收藍(lán)莓具有較大的損傷，氣力式以及機(jī)器人采收相對(duì)損傷率較低，但受到技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等因素的限制，仍難以代替機(jī)械振動(dòng)式采收機(jī)的應(yīng)用。

2.3 分級(jí)采收難度大

藍(lán)莓在成長(zhǎng)過(guò)程中，不同植株乃至同一植株的果實(shí)狀態(tài)在大小、顏色、成熟度等方面均存在差異，這對(duì)藍(lán)莓果實(shí)的售價(jià)也存在影響，如大小不同的鮮果在市場(chǎng)上的售價(jià)有很大區(qū)別，因此在藍(lán)莓進(jìn)入市場(chǎng)前，必須對(duì)采收后的果實(shí)按照一定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分級(jí)分揀從而銷(xiāo)售，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)藍(lán)莓經(jīng)濟(jì)效益的最大化。我國(guó)目前的果實(shí)分選仍以人工為主，人工分選任務(wù)量大、主觀性強(qiáng)、成本高，難以實(shí)現(xiàn)大批量的藍(lán)莓果實(shí)精確分選。

3 發(fā)展趨勢(shì)和研究策略

3.1 智能化

提高采收機(jī)械智能化水平。在設(shè)計(jì)藍(lán)莓采收機(jī)械時(shí)加入超聲波傳感器、數(shù)字彩色攝像機(jī)、坡度傳感器、實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)學(xué)GPS[41]，運(yùn)用產(chǎn)量自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)(AYMS)[42-44]等新方法、新手段，通過(guò)捕捉藍(lán)莓果實(shí)圖像可以實(shí)現(xiàn)對(duì)初次未采收的成熟果實(shí)進(jìn)行再次采收，提高采收機(jī)械的智能化水平，做到實(shí)時(shí)調(diào)整與精確控制采收機(jī)的采收速率，以提高采收機(jī)的采收效率。

3.2 變量式

采用變量式藍(lán)莓采收方法。通過(guò)設(shè)計(jì)梳刷振動(dòng)與氣力輔助相結(jié)合的方式來(lái)提高采收效率，采用氣流噴頭輔助機(jī)械振動(dòng)的采收方法，在保證果實(shí)采集率的同時(shí)，減少對(duì)果樹(shù)的損傷，尤其在達(dá)到最大程度采凈藍(lán)莓果實(shí)時(shí)避免對(duì)果樹(shù)的不必要傷害。

3.3 通用性

增強(qiáng)藍(lán)莓采收機(jī)械的通用性。例如實(shí)現(xiàn)藍(lán)莓采收機(jī)的上下甚至左右變距功能，以此使藍(lán)莓采收機(jī)適應(yīng)不同種植密度以及植株高度的果園，增強(qiáng)藍(lán)莓采收機(jī)的通用性。政府也應(yīng)大力鼓勵(lì)藍(lán)莓產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，加大對(duì)藍(lán)莓相關(guān)產(chǎn)業(yè)的優(yōu)惠政策，促進(jìn)藍(lán)莓種植與加工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，成立藍(lán)莓生產(chǎn)合作社，使藍(lán)莓的種植與采收產(chǎn)業(yè)化，從而實(shí)現(xiàn)最大的經(jīng)濟(jì)效益。

3.4 機(jī)械分級(jí)

建立藍(lán)莓品質(zhì)分級(jí)分選標(biāo)準(zhǔn)。為了減少采收后期人工分選的難度和成本，可以通過(guò)分析不同級(jí)別藍(lán)莓的生物學(xué)特質(zhì)劃分藍(lán)莓果實(shí)等級(jí)，建立藍(lán)莓質(zhì)量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，并依據(jù)這一標(biāo)準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行果實(shí)品質(zhì)分選，綜合應(yīng)用圖像處理、機(jī)器視覺(jué)以及深度學(xué)習(xí)技術(shù)研發(fā)機(jī)械化、自動(dòng)化藍(lán)莓分選裝置，提高分選效率和分級(jí)質(zhì)量。

4 結(jié)論與展望

隨著我國(guó)藍(lán)莓種植面積與產(chǎn)量的增長(zhǎng)，人工采收難以滿(mǎn)足當(dāng)前藍(lán)莓產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求，而且人工采收后的藍(lán)莓品質(zhì)分選任務(wù)依然十分繁重。采用機(jī)械化、自動(dòng)化、智能化的采收技術(shù)一方面可以避免不必要的社會(huì)資源消耗，節(jié)省大量的人力、物力，降低藍(lán)莓的生產(chǎn)成本，另一方面，實(shí)現(xiàn)藍(lán)莓采收機(jī)械化、自動(dòng)化、智能化可以降低果實(shí)損傷率，同時(shí)做到及時(shí)采收果實(shí)，避免因采收不及時(shí)、采收方法不當(dāng)造成的果實(shí)浪費(fèi)，以此提高藍(lán)莓產(chǎn)量。

當(dāng)前我國(guó)藍(lán)莓的采收現(xiàn)狀嚴(yán)重制約了藍(lán)莓的大面積種植與推廣，藍(lán)莓機(jī)械化采收是未來(lái)藍(lán)莓產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向和必然趨勢(shì)。國(guó)外目前較為成熟的藍(lán)莓采收機(jī)械主要應(yīng)用于大型藍(lán)莓種植園的規(guī)?；墒?，不適應(yīng)我國(guó)大部分藍(lán)莓種植地區(qū)小面積、復(fù)雜地形的采收，且小型藍(lán)莓種植園難以承擔(dān)藍(lán)莓采收機(jī)械的購(gòu)買(mǎi)和維護(hù)成本，因此研究適合我國(guó)國(guó)情的采收方式方法，可以彌補(bǔ)國(guó)內(nèi)采收技術(shù)的不足，縮短我國(guó)與發(fā)達(dá)國(guó)家采收機(jī)械化程度的差距，從而實(shí)現(xiàn)藍(lán)莓的機(jī)械化、自動(dòng)化、智能化采收，促進(jìn)藍(lán)莓及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)的共同發(fā)展，加速我國(guó)農(nóng)林業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展與科技的進(jìn)步。本文在對(duì)國(guó)內(nèi)外藍(lán)莓采收技術(shù)進(jìn)行分析后，指出現(xiàn)有的藍(lán)莓采收技術(shù)存在采收率不夠高、損傷果實(shí)、采收后的分選任務(wù)繁重以及采收機(jī)械成本高等問(wèn)題，并就這些問(wèn)題提出以下建議：

(1)分析振動(dòng)式采收機(jī)的傷果原因進(jìn)而對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。振動(dòng)式采收機(jī)采收產(chǎn)生損傷的最主要兩個(gè)階段分別為梳刷桿與果實(shí)接觸以及果實(shí)從高空落到接果板這兩個(gè)過(guò)程，因而可以選用軟質(zhì)材料的梳刷桿以及接果板，以降低振動(dòng)式采收機(jī)的傷果率，同時(shí)根據(jù)果實(shí)的成熟狀況調(diào)整采收機(jī)的采收頻率，減少對(duì)果樹(shù)的損傷。

(2)將氣力式采收與振動(dòng)梳刷相結(jié)合。氣力式采收具有傷果率低的特點(diǎn)，但工作過(guò)程中需要大功率風(fēng)機(jī)持續(xù)工作，將氣力式采收與機(jī)械振動(dòng)式采收相結(jié)合可以降低氣力式采收的功率消耗，并降低機(jī)械振動(dòng)裝置采收所需要的頻率，從而提高采收效率并降低傷果率。

(3)提高采收機(jī)器人對(duì)果實(shí)的定位、識(shí)別的速度與精度。將機(jī)器視覺(jué)技術(shù)與人工智能技術(shù)應(yīng)用到對(duì)藍(lán)莓果實(shí)的定位與識(shí)別方面，同時(shí)可以采用多機(jī)械手協(xié)同工作，增強(qiáng)機(jī)械手的靈活性，提高采收效率。