振动式林果采收技术的研究现状

陈泽斌

（福建农林大学 机电工程学院，福州350002）

0 引言

通常林果采摘收获所耗费的成本可以达到总生产成本的35%～45%，传统人工采收的方式既费时费力又很昂贵[1]。因此，林果业的振动式机械采收不仅能够使果树采摘的效率翻倍，而且有利于林果类公司的发展和向智能化的转型。当前，林果业机械采摘装备大部分采用振动式装置使林果脱落。对振动式林果采收技术的发展现状进行研究有利于后续产品进一步的设计研发。为了在保证振动式林果采摘效率和采净率的同时，避免对果树造成过大的损伤，可以对果树个体的动力学特性进行研究，在此基础上优化振动式采收机械以达到最适宜的振动频率。林果动力学特性的研究通常是通过建立动力学模型及试验仿真分析，而果树个体的三维模型是进行动力学仿真分析的基础。针对上述问题，本文从振动式林果采收机械、果树动力学特性研究及果树三维模型重建这三个方面阐述了现有林果振动采收技术的发展状况，并简要分析了现有振动采摘技术在实际应用中的优缺点，以期为林果采收装备的进一步设计研发给予参考。

1 振动式林果采收机械的研究现状

振动式机械采收装备已经被大规模应用于林果业，采收效率可以达到人工收获的10倍[2]。振动式机械采收装备的基本原理是振动装置作用于树干, 果树在外力作用下开始做受迫加速运动，林果受到惯性力并开始振摇运动并将力传递至林果和枝干连接处。当连接处断裂时，林果就可以从果树脱落。根据振动装置结构的不同，采摘机械大致有以下几种类型。

1.1 气力式

气力式果实采摘机一般采用拖拉机驱动大功率风机，并通过控制气流的导向装置来改变气流方向。林果受到强大气流产生的力开始做振摇运动，以实现果实的脱落过程，如图1所示。Jutrast[3]针对柑橘采摘最早提出了使用气力式振动采收果实的方法。Whitney[4]采用最大气流速度43.8 m/s的大功率风机，对柑橘树的树冠进行持续时间10 s的气力式振动。试验表明，对于成熟柑橘的采净率可以达到85%～90%。但是本次试验直接导致第二年柑橘的产量减少了10%。赵永超等[5]针对蓝莓采摘设计了一款小型气吸式采收机械，当气吸管路的直径为40 mm、管路工作流速为0.02～0.03 m3/s时，对蓝莓的采摘效果最佳。气力式林果采摘机作业时通常可以避免与果树直接接触，最大程度地减少了果实的损伤率。但是消耗的能源过大，采摘成本过高，不适用于面积较大的林果园。

1.2 撞击式

撞击式果实采摘机是撞击装置直接作用于果树，使枝干产生瞬时加速运动以脱落果实。撞击设备通常使用机械弹簧或者电磁式激振的方式。Pellerin等[6]为了了解不同的树木形状对于撞击式振动采摘机采收效果的影响，对两棵不同枝干形状的苹果树进行试验，试验表明两种树形的果实采净率都可以达到90%～95%。但是开心型苹果树所采收的果实损坏率明显比主干型苹果树低，如图2所示。Pacheco等[7]利用机械弹簧产生的瞬间弹力设计了一款针对粗壮型树木的撞击式果实采摘机，弹簧弹力能够产生最大1151 J的能量。Peterson[8]针对樱桃树独特的树木形状研究开发一款基于撞击式樱桃采收机械。与传统的单一撞击采收不同的是，Peterson在树木的两侧都设计了撞击装置，工作时果实采收的效率可以达到1480 kg/h。撞击式采收机械的采净率较高，但是对果树个体造成的损伤较大，直接导致下一年果树结果率的下降。撞击式采收机械适用于枝干粗壮型果树。

图1 气力式

图2 撞击式

1.3 振摇式

振摇装置是振摇式果实采摘机的重要组成部分，通常有两种类型：基于曲柄滑块结构、基于偏心旋转结构（如图3）。Whitney等[9]为了解两种振摇装置对振动采收的影响，分别采用两种振摇装置对柑橘进行振动采摘。试验表明，基于曲柄滑块振摇装置的采净率为50%～55%，基于偏心旋转振摇装置的采净率为70%～75%。

图3 两种振摇结构

根据振摇装置对树木施加作用时位置的不同，通常有基于树干和基于主枝振摇两种类型（如图4）。2011年，Castro-Garcia[10]基于树干振摇对石松果实的采摘最佳参数进行试验，试验表明，振摇频率为18 Hz、振动幅度为65 mm时，石松的采净率为85%。研究发现，机械振摇的间隔周期越短，在保证损坏率不变的同时果实采摘效率越高[11]。国内振摇式采收机械的研究主要是针对枸杞、桑葚和蓝莓等小型林果。东北林业大学耿雷等[12]基于曲柄滑块振摇装置，设计了一种高丛蓝莓振动采摘机。田间试验表明，收获的果实可以达到835 g/min，且蓝莓损伤率小于10%。福建农林大学吴道远[13]对核桃树体及其果实进行建模，在此基础上试验分析了核桃树的动力学特性，基于偏心式结构设计了一种核桃果实振动采摘机。通常在振摇采摘作业前会对果树喷洒适量的脱落剂以提高果实的采净率。振摇式果实采摘机在采摘作业时不能避免与果树的直接接触，容易对果树造成损伤，但是在振摇技术研究上较成熟，更适用于大小面积的林果园。

1.4 梳刷式

梳刷式果实采摘机一般是梳刷装置直接作用于果树的冠层，通过梳刷装置的旋转等运动方式可以将果实脱落（如图5）。Peterson[14]针对蓝莓采摘研发了一种双滚筒钉式倾角梳刷装置。该装置可以在实现蓝莓机械化采收的同时，所采收蓝莓的损坏率也可以达到人工采收的水平。Savary等[15]对梳刷式果实采摘机工作时梳刷装置对果实造成的作用力进行了研究。研究表明，冠层内部果实所受的作用力要比冠层外部大17%。张文强等[16]针对枸杞采收研究了一款可以改变梳刷距离的采收机械装备。当梳刷距离为8 mm、弹簧钢长度为45 mm、弹直径为1.1 mm时，枸杞的采净率可以达到88%，果实的损伤率为7.5%，基本符合采摘要求。振摇式和梳刷式振动方式的采收机械是目前应用较广泛的两种类型，梳刷式果实采摘机适用于矮丛类果实的采收。

图4 振摇式

图5 梳刷式

2 果树动力学特性研究现状

为了在保证振动式林果采摘效率和采净率的同时，避免对果树造成过大的损伤，导致下一年果实减产。可以对果树个体的动力学特性进行研究，以进一步优化振动式采收机械达到最适宜的振动频率。林果动力学特性研究通常包括两个方面：建立动力学模型和试验仿真分析。

Lang[17]提出了一种单自由度的树干-主枝结构的果树动力学模型，通过对果树进行实地测量，可以得到一系列果树参数，在此基础上将测得参数转换为模型所需的参数。试验对比了所建果树模型与真实果树在振动采摘时的频率响应及位移幅值，二者的试验结果大致相同，所建模型的精度符合要求。Murphy等[18]提出了一种多自由度的连杆结构的果树动力学模型，通过对模型构建线性方程，可以得到果树模型的固有频率，在此基础上分析研究果树相应的频率响应。李志鹏[19]针对蓝莓树提出了一种变截面弹性杆结构的蓝莓树动力学模型，试验分析了果树模型在受到方向不同的振动时的动态响应。结果表明，果树模型在受到径向振动时的净采率最佳。翁凌云等[20]针对Y形果树提出了一种圆截面楔形粱结构的果树动力学模型，并建立求解了果树模型受迫振动下的频率响应。

随着有限元分析软件不断发展，研究人员开始基于有限元分析对果树个体的动力学特性进行研究。贺磊盈[21]基于两张视图对核桃树进行建模，通过Triangle算法分割并提取枝干骨架，重建了果树三维骨架模型。在此基础上，应用有限元分析软件对不同侧枝数量的果树进行分析，结果表明，果树侧枝的数量越多，果树的固有频率越低。福建农林大学吴道远[22]对核桃树体及不同成熟度的果实进行建模，并应用有限元仿真软件对果树及果实进行模态分析和谐响应分析，求得不同成熟度果树采摘时所对应的最佳振动频率。

3 果树三维模型重建研究现状

果树个体的频率、模态及谐响应等是通过对树木的动力学特性研究得到的，而果树精确的三维模型是获取准确的果树参数的基础。获取树木点云数据的方式已经越来越多，研究人员考虑将点云技术应用于果树模型重建。点云数据能够刻画目标表面特性的密集点集合。通过果树点云数据，可以快速测量树高、直径等参数并为果树建立所需模型。

通过点云数据重建果树三维模型的方法通常分为基于分割技术和基于骨架建模。基于分割技术的建模方法是将树木的点云分割成若干个小的子集，通过子集的重新连接来建立树木的拓扑结构。例如，H.Xu等[23]基于聚类对树木点云进行分割并提取骨架点。J.Hackenberg等[24]开发了名为SimpleTree的建模工具，提出通过分层圆柱结构对树木结构进行分类，并提出基于水平集对树木枝干进行提取。代明睿等[25]基于图论对树木骨架点进行提取并通过主曲率分析消除深度图像中存在的噪声点。王向玉等[26]在单株木模型的重建的基础上，提出了一种在树冠中准确添加树叶的方法。上述研究可以准确提取枝干骨架，并且能够生成较为合理的树木枝干拓扑结构。但是上述方法依赖于所输入点云的质量，当数据发生缺失时，重建的模型就会产生偏差。

基于骨架的建模方法是直接从树木点云中提取枝干骨架。例如，S.Delagrange等[27]开发了名为PypeTree的建模工具，通过对输入的点云构建最短路径图来自动提取枝干粗略的骨架。B.Gorte等[28]在对树木分枝结构进行细化的基础上，提出利用中轴线表示树木骨架。赵艳妮等[29]直接从点云中提取枝干骨架，在此基础上通过计算生成枝干拓扑结构所需的参数来进一步完善所建模型。唐丽玉等[30]在PC2Tree建模工具的基础上，结合多种算法的优势对其进行改进。上述方法避免了对树木点云进行分割的步骤，对输入点云数据的质量有一定的鲁棒性。

4 结语

根据本文所述振动式林果采摘机械、果树动力学特性及果树三维模型重建的发展状况，可以看出针对这三个方面的分析研究已经有明显的成绩，但尚存一定的发展空间。最主要的问题是如何将这三者通过最适宜的方式结合起来，为振动式林果采收机械提供最佳的工作参数。文中所述的四种振动方式各有其优缺点，对提高林果采摘水平都有着重大的意义，基于振摇振动方式的采摘机械是目前应用较广泛的类型。林果采收机械的每一种振动方式对应着采收机械不同的最佳工作参数，也直接对林果的采摘效率造成影响。除了考虑采摘机械的振动频率，果实的分级采收也是应该研究的方面。

对果树个体进行动力学特性研究，可以得到果树个体的固有频率、模态及频率响应等参数，以进一步优化振动式采收机械达到最适宜的振动频率。林果动力学特性研究通常包括两个方面，建立动力学模型和试验仿真分析。建立果树动力学模型是一个耗时费力较复杂的过程，要得到一棵果树准确的动态响应参数就得在果树的大部分枝干上放置传感器，并对收集到的数据统计整理分析。而使用有限元软件对树木模型进行试验研究可以弥补前者的缺点，可以较轻松地得出动力学特性参数。但是，通过有限元分析软件得到的参数可能不全部准确，应该通过动力学试验以整合所获取的参数。果树动力学特性研究除了应该对比分析几个特定点的若干阶固有频率，还应该进行果树的谐响应分析，以获得装备最佳振动频率。

果树个体的动力学仿真分析需要准确度较高的三维树木模型。每一种果树的物理特性都是独特的，即使是同种类的两棵树，也存在树木枝干的明显差异。一个准确度较高的三维树木模型仅仅依靠手工测量的方式是不现实的。通过点云数据重建的果树三维模型大部分是应用于游戏等虚拟场景，只需要看起来逼真即可，而要得到果树准确的动力学特性参数则需要模型具有较高拓扑结构和精度。上文所述两种基于点云重建模型的方式各有其优缺点，后者避免了对点云进行分割的过程，对输入点云数据的质量有一定的鲁棒性，精确度尚待加强。所以在今后的工作中应该更进一步探索振动采摘机械的智能分级采收及如何进一步提高重建果树模型的精度。