基于高速摄影的油茶果机械采摘受力分析

陈 斌，饶洪辉，张立勇，黄登昇，刘木华

(江西农业大学 工学院，南昌 330045)

0 引言

油茶树是一种珍贵的油料作物，茶油营养价值丰富，油中不饱和脂肪酸含量高达80%以上[1]。油茶树主要分布在我国南方，在江西由于气候适宜和政府的扶持，已经得到了产业化发展。近年来，农村劳动力短缺，人工采摘效率低下，劳动力成本提高，这些因素限制了油茶果的采摘，成为油茶产业化的一个瓶颈[2]。在果类生产过程中，采摘是最耗时、耗力的环节之一[3]，用机械采摘方式代替人工采摘成为迫切的要求。在国内，由于油茶果多分布在南方，多山地和丘陵地带，山地果园果树种植过于密集限制了山地果园机械化的发展。我国虽然研制出了许多果园机械，但大部分都与大功率拖拉机匹配，而这些大型机器很难在狭窄的坡地果园中作业，导致研制出的机具用途有限。因此，果园机械的研发应向轻便、小巧的方向发展[4]。中南林业大学高自成等人设计了一种齿梳回转式油茶果采摘机，先由人操作多自由度机械臂进入油茶树合适的采摘位置，通过采摘头的回转运动实现采果。试验表明：当齿梳式采摘头上升速度约为0. 8m/s、采摘头回转速度为15r/min左右时，既可获得较高的采摘效率，又能将漏摘率问题控制在3. 2%以内，且保证油茶花苞的损伤率控制在 3% 以内[5]。程学良等建立了两自由度的曲柄连杆式采摘机[6]，分析了不同夹持高度对采摘机和油茶果树振动的影响。王朋辉等设计了一种适用于林果采收的摆动式林果采摘头，并对该采摘头进行了动力学分析和动力选型[7]。江西农业大学张立勇等设计了一种适合园艺化栽培的履带式油茶果采摘机[8]，并在 ADMAS 软件中对机械臂参数化并进行试验设计和优化仿真，同时设计了平行胶辊采摘机械。罗时挺等设计了一款齿梳拨刀式油茶果采摘装置[9]，并对齿梳拨刀拨果原理进行分析，得出了影响拨刀采摘效果的主要因素，并对拨刀前端点的速度和加速度进行了仿真分析。以上油茶果采摘机械实现了对油茶果的采摘，然而对采摘过程中花苞损伤机理还未进行深入研究。油茶果具有花果同期的特性，即成熟油茶果与油茶花苞同树同枝，如果在机械采摘过程花苞的损伤会影响来年油茶果的产量[10]。基于这种特性，在机械采摘过程中要求对油茶果冲击力小、动量小、采摘效率高。高速摄影相机PCO1200s每秒钟能够拍摄1 000张图片，提供了丰富的图像信息，借助运动图像分析软件Image pro plus可以对选定的目标进行轨迹追踪和测量，包括坐标位置、速度、加速度、角度、角速度、角加速度及移动距离等多组数据[11]。本文利用高速相机PCO1200S和image Pro plus软件对油茶果机械采摘机理进行分析，旨在探讨油茶果与机械采摘装置相互作用部位及作用效果，为油茶果机械采摘装置设计提供参考。

1 试验装置和试验方法

1.1 试验装置介绍

1.1.1 旋转式胶辊采摘机装置

旋转式胶辊采摘机主要由直流电机作为装置的驱动，包括上下两组旋转胶辊，每组胶辊又含3小组胶辊，呈120°分布。这样设计相比每组一个胶辊能提高采摘效率，如图1所示。旋转胶辊通过轴承固定在两侧腹板，腹板固定到支架上，同时有4个可行走、带有制动的脚轮，以便搬运。

1.旋转胶辊 2.电机 3.支架

1.1.2 齿梳式拨刀式采摘机装置

齿梳拨刀油茶果采摘装置主要由采摘头、拨刀、拉线及长杆等结构组成，如图2所示。

1拨刀 2.弹簧 3.长杆

1.1.3 平行胶辊式采摘装置

平行胶辊式采摘机械装置由一组相互平行的胶辊、拉环、长杆等组成，如图3所示。

1.平行胶辊 2.拉杆 3.长杆

1.2 高速摄影和image Pro plus软件介绍

1.2.1 高速摄影

高速摄影相机是高速记录运动物体影像的光学摄影仪器，由光学系统、快门、输片和收片机构、机架和时间控制机构等部分组成。高速摄影技术的应用从军用到民用，从工业到化学、生物学，从宏观机械运动到微观机理的分析，研究的范围和内容日益广泛和深入，功能日趋强大。目前，高速摄影技术时间分辨率已经突破10-12s,曝光时间已短至10-13s,甚至更短;幅频已能达到10-9幅/s,甚至更多[12 ]。本文中高速摄影相机拍摄时设置的分辨率为1 280×1 024，试验拍摄时间间隔为1ms，帧差设置为1帧。它以高频率记录油茶果采摘脱落过程，视频图像通过Camware软件拍摄并保存[13]。高速摄影试验装置主要由高速摄影相机、PC机、传输电缆及待测试的油茶果采摘机械组成，如图4所示。

1.采摘装置 2.PC机 3.高速摄影相机 4.传输电缆

1.2.2 Image Pro plus软件

Image-Pro Plus提供了获取、增强和分析图像的艺术图像和分析能力，能从照相机、显微镜、录像机或扫描仪中获取图像数据。在Image-Pro Plus软件可以打开标准的图像文件格式，如TIFF、JPEG、BMP、TGA等。Image-Pro Plus图像处理功能十分强大，如图像增强、手动或自动地跟踪和计数对象等，并可用来测量物体属性，如面积、角度、周长、直径、圆度和纵横比,能对物体进行测量和追踪等[14]。

1.3 试验流程图

由于胶辊旋转油茶果采摘装置和平行胶辊油茶果采摘装置中胶辊对油茶果的作用力F合及齿梳拨刀式油茶果采摘装置拨刀对油茶果的拨力F作用时间短，难于测量，为了定量研究油茶果所受的冲击力，采用高速摄影采集油茶果及其采摘装置作用图像，借助高速摄影软件来分析油茶果所受采摘装置的作用力F合和F，其试验流程如图5所示。

图5 试验流程图

2 试验过程

2.1 油茶果采摘装置高速摄影

2.1.1 胶辊旋转油茶果采摘装置高速摄影

从江西农业大学油茶林中获得油茶果，高速摄影相机连接到电脑，打开照明灯光。试验时，每幅的间隔时间1ms。启动旋转采摘机，将油茶果放入旋转采摘机中，开始摄影，油茶果脱落则停止摄影并保存图像序列。另称量油茶果质量并记录，用IPP软件打开TIF格式的图像序列，找到油茶果开始接触帧和刚好脱落帧，结果如图6所示。

图6 旋转胶辊部分帧图像

with rotary rubber roller

2.1.2齿梳拨刀油茶果采摘高速摄影

齿梳拨刀油茶果采摘高速摄影试验在江西农业大学油茶林中进行。连接高速摄影相机及便携式计算机，打开Camware软件和照明电源，调节好高速摄影相机的焦距，使得图像显示清晰。试验过程选择在晚上进行，目的是减少背景的复杂性，降低图像噪声，方便后续处理。用齿梳式采摘机械夹住油茶果后，用牵拉丝拉动拨刀击打油茶果开始摄影，油茶果脱落停止摄影并保存图像序列。油茶果脱落前后的图像帧如图7所示。

图7 齿梳式油茶果采摘部分帧图像

equipment with tooth comb

2.1.3 平行胶辊式油茶果采摘高速摄影

用同样的方法在江西农业大学油茶林中进行平行胶辊式油茶果采摘高速摄影。将摄像头焦距调整好，用平行胶辊采摘机械夹住油茶果，当冲击力大于树枝和果实之间的结合力时，油茶果脱落；采摘掉油茶果后停止拍摄并保存图像序列。图8所示为油茶果采摘脱落前后的图像帧。

图8 平行胶辊采摘机械部分帧图像

with parallel rubber roller

2.2 试验分析

设置油茶果为AOI(感兴趣区域，即追踪目标)，打开IPP软件对油茶果脱落过程进行追踪，并导出油茶果速度-时间图，可得到接触帧和脱落帧速度，获得速度差ΔV。由于IPP软件测得图像单位为像素，而计算得到的长度为m，速度单位为m/s，因此需要进行标定。标定的方法是先测量图像中实际物体长度，然后测量图像中对应物体的像素长度，用图像中物体像素长度与其实际长度相比得到像素的实际长度(像素比)。根据前面标定在IPP软件中设置好像素比，软件在计算时中会自动进行转换。实际操作时选用胶辊为参照物，用游标卡尺测量旋转胶辊直径3次，取平均直径31.6mm。从Image pro plus软件打开试验图像帧，测量胶辊像度长度，与前面旋转胶辊实际长度相比得到像素比为0.031 6，具体测量结果如表1所示。

设旋转胶辊动量为ΔP1，质量为m1，速度变化量为Δv1，所用时间为Δt1，受到的合力为F合，则

ΔP1=m1×Δv1=0.05kg·m/s

F合=ΔP1/Δt1=2.06N

设齿梳式机械采摘机的动量为ΔP2，质量为m2，速度变化量为Δv2，所用时间为Δt2，冲击力为F2，则

ΔP2=m2×Δv2=35.4×10^-3×(2-1.414)

= 0.02kg·m/s

F2=ΔP2/t2=2.65N

设平行胶辊的动量为ΔP3，质量为m3，速度改变量为Δv3，所用时间Δt3，胶辊综合作用力为F合′，则

ΔP3=m3×Δv3=40.5×10-3×(6-2.828)

=0.13kg·m/s

F合′=ΔP3/Δt3=0.128/47×10-3=2.70N

表1 3种不同采摘装置油茶果接触和脱落时间

Table 1 Three different picking device Camellia fruit

contact and loss of time

机械采摘方式油茶果接触帧接触帧速度/m·s-1油茶果脱落帧脱落帧速度/m·s-1旋转胶辊式10042.00011304.123齿梳式12171.41412952平行辊式22062.82822536

3 结果与讨论

3.1 试验结果

为了比较3种不同机械采摘方式下的油茶果采摘效果，将由前面试验分析所得油茶果所受冲动力的动量、采摘力和采摘时间进行比较，如表2所示。

表2 3种不同机械采摘方式下的采摘时间，动量和采摘力
Table 2 Picking time, momentum and picking force in three different mechanical picking modes

采摘机械方式采摘时间/ms动量/(kg·m)s-1采摘力/N旋转胶辊采摘260.052.06齿梳式机械采摘780.022.65平行胶辊采摘470.132.70

由表2可知：旋转胶辊采摘机械的采摘时间最短，为26ms，效率最高；齿梳式采摘机械的动量为0.02kg·m/s，是3种机械采摘方式中动量最小的；旋转胶辊采摘方式动量为0.05kg·m/s，仅次于齿梳式采摘，但两者动量相差很小；旋转胶辊的受力为2.06N，是3种机械采摘方式下受力最小的。

3.2 结果讨论

由3种不同机械采摘方式结果的对比发现：旋转胶辊的采摘时间最短,所受采摘冲击力也是3种机械采摘方式中最小的；旋转胶辊的动量虽然不是最小的，但与最小的采摘方式的动量相比，相差程度较小。综合考虑，旋转胶辊式采摘机械是3种采摘方式中最理想的。

4 结论

1)采用高速摄影相机PCO1200S和Image pro plus软件对旋转式胶辊、齿梳拨刀式和平行胶辊3种不同机械采摘方式下油茶果所受的冲击力进行分析，得到旋转式胶辊、齿梳拨刀式和平行胶辊的动量大小分别是0.05、0.02、0.13kgm/s;所受冲击力分别是2.06、2.65、2.70N，表明旋转胶辊动量较小，其采摘时受力最小。

2)旋转胶辊式机械采摘效果是旋转胶辊，齿梳式机械采摘和平行胶辊机械采摘3种方式中效率高的最理想机械采摘方式。

3)对油茶果3种机械采摘方式进行了对比，得到旋转胶辊综合采摘性能最佳。研究结果可为阐明油茶果机械采摘机理及装置设计提供参考。