收獲期花椒的力學(xué)特性與形態(tài)特征測(cè)定與分析

馮亞利，彭 俊，孫世鵬，傅隆生

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

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收獲期花椒的力學(xué)特性與形態(tài)特征測(cè)定與分析

馮亞利，彭 俊，孫世鵬，傅隆生

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

我國(guó)花椒的收獲主要以人工收獲為主。隨著社會(huì)的發(fā)展，花椒市場(chǎng)需求不斷擴(kuò)大，迫切需要解決花椒收獲效率低下的問(wèn)題。因此，花椒收獲機(jī)械化已成為椒農(nóng)的心聲，研究分析收獲期花椒的力學(xué)特性可以為花椒收獲機(jī)械的設(shè)計(jì)者提供必須的基礎(chǔ)理論數(shù)據(jù)。因花椒在品種、氣候條件、土壤及其他方面的差異，其力學(xué)特性會(huì)有較大的差別。為此，通過(guò)陜西省韓城市收獲期花椒的實(shí)驗(yàn)室測(cè)定，采用圖像解析和數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法對(duì)收獲期花椒的力學(xué)特性進(jìn)行分析，得出了花椒主要幾何特性指標(biāo)值的變化區(qū)間，并統(tǒng)計(jì)分析了花椒果實(shí)與果柄及果柄與樹(shù)枝之間的分離力以及花椒果實(shí)的顏色特征，為花椒的收獲和加工機(jī)器系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)提供科學(xué)依據(jù)。

花椒；力學(xué)特性；顏色特征；分離力

0 引言

花椒(Zanthoxylum L.)屬蕓香科(Rutaceae)植物，原產(chǎn)我國(guó)，作為一種廣泛種植的經(jīng)濟(jì)作物，主要種植在山坡、丘陵、地頭和岸邊[1]。在古代，花椒常用作香料,隨身配帶?；ń芬部捎米鹘ㄖ牧?“椒房”就是用花椒滲入涂料糊在墻壁上面建成?；ń愤€作為防腐劑,用來(lái)保存尸體?；ń酚米髦兴幱袣⑾x(chóng)、麻醉、止痛等作用?；ń纷钪饕挠猛臼亲鳛橄阈亮?用于多種食品的烹調(diào)加工調(diào)味之中,具有賦香、著色、掩蓋異味、防腐、保健及增加食欲等作用[2]。我國(guó)早在春秋時(shí)期就開(kāi)始利用花椒的果實(shí)和嫩葉作調(diào)味品[3]，因此花椒果實(shí)具有很高的食用和藥用價(jià)值，同時(shí)花椒樹(shù)也是干旱半干旱地區(qū)重要的水土保持樹(shù)種[4]。我國(guó)從漢朝開(kāi)始栽培花椒，花椒栽培面積于2008年達(dá)到167萬(wàn)hm2，年產(chǎn)花椒20～40萬(wàn)t，年產(chǎn)值30億元[5]。目前，我國(guó)正以每年20%～30%的速度增加種植面積，花椒產(chǎn)業(yè)已成為特殊區(qū)域農(nóng)民致富新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。

目前，雖然出現(xiàn)了一些采收方法,但都不同程度地存在一些問(wèn)題,因此人工采摘仍是當(dāng)前采收的主要方法。因人工采摘周期長(zhǎng)及成熟花椒易脫落等,大大影響了農(nóng)民的經(jīng)濟(jì)利益[6]。因此，花椒收獲機(jī)械全自動(dòng)化已成為椒農(nóng)的心聲，采用收獲機(jī)械進(jìn)行采收的過(guò)程中，果實(shí)與果柄或果柄與樹(shù)枝間的分離力大小是決定收獲效率的重要因素之一。為了更好地選擇林果收獲機(jī)械設(shè)計(jì)方案及確立設(shè)計(jì)參數(shù)，國(guó)外在研究林果收獲機(jī)械的同時(shí)對(duì)林果物理學(xué)和生物學(xué)特性與其分離力之間的關(guān)系進(jìn)行了大量的研究[7-9]。目前，中國(guó)從事林果機(jī)械化收獲及其相關(guān)方面的研究較少，對(duì)林果分離力的研究尚處于起步階段。國(guó)內(nèi)研究人員對(duì)水稻[10]、加工番茄[11]和獼猴桃[12-13]等果實(shí)分離力進(jìn)行了分析研究。花椒因其樹(shù)枝伸展長(zhǎng)、帶刺以及果實(shí)小，采摘十分困難。同時(shí)，花椒收獲農(nóng)藝要求很高，既要不傷葉、不傷芽、不傷枝，又要適時(shí)收獲[14]。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)花椒的機(jī)械化采收裝置的開(kāi)發(fā)利用進(jìn)行了初步的探索，而關(guān)于花椒收獲期力學(xué)特性和形態(tài)特性的研究卻未見(jiàn)報(bào)道。本文通過(guò)測(cè)量花椒果實(shí)與果柄及果柄與樹(shù)枝之間的分離力，以及花椒的物料與幾何特性等，以期為花椒采收和加工裝置的進(jìn)一步研究開(kāi)發(fā)提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

花椒品種為陜西省廣泛種植的大紅袍，樣品取自陜西省韓城市，該地區(qū)的大紅袍花椒占據(jù)了全國(guó)近1/6的花椒市場(chǎng)。選擇3棵已進(jìn)入生長(zhǎng)穩(wěn)定期的花椒樹(shù)，在2015年的采摘期8月20日從3棵樹(shù)上分別取30個(gè)花椒樣本，將其從1～30按順序分別貼標(biāo)簽，每個(gè)樣本包括果實(shí)、果柄和樹(shù)枝。

1.2 主要實(shí)驗(yàn)儀器與軟件

自制式分離力測(cè)量系統(tǒng)、萬(wàn)分之一電子天平、數(shù)碼相機(jī)，以及MatLab軟件。

1.3 方法

1.3.1 花椒果實(shí)與果柄及果柄與樹(shù)枝之間的分離力的測(cè)量

花椒樣本的分離力由自制式分離力測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量，包括數(shù)顯式推拉力計(jì)SH-10(分辨率0.005N)、夾具和手壓機(jī)架等。研究表明：施加在果柄上力的方向與通過(guò)果蒂的軸線方向的夾角越大，果實(shí)的分離力越小，所以測(cè)量的分離力夾角為0°時(shí)，果柄與果實(shí)的軸向拉力。測(cè)量果實(shí)-果柄分離力時(shí)將果實(shí)固定，通過(guò)夾具把果柄夾緊，勻速轉(zhuǎn)動(dòng)升降手柄直至果實(shí)果柄分離，記錄果柄斷裂時(shí)拉力的峰值。測(cè)量樹(shù)枝-果柄的分離力時(shí)將樹(shù)枝固定，通過(guò)夾具把果柄夾緊，勻速轉(zhuǎn)動(dòng)升降手柄直至果柄與樹(shù)枝分離，記錄果柄斷裂時(shí)拉力的峰值。分離測(cè)量平臺(tái)示意圖如圖1所示。

1.旋轉(zhuǎn)手柄 2.手壓機(jī)架 3.推拉力計(jì) 4.上夾具

1.3.2 花椒果實(shí)的顏色分析及物理特性測(cè)定

用萬(wàn)分之一電子天平測(cè)量選取的30個(gè)花椒樣本

的質(zhì)量，再采用圖像處理方法(MatLab)測(cè)量花椒的顏色、尺寸和面積等指標(biāo)。

在成像系統(tǒng)內(nèi)，把花椒放置在坐標(biāo)紙上，采用數(shù)碼相機(jī)(Canon EOS 40D)拍照。相機(jī)設(shè)置：M擋、1/125S、F8.0、鏡頭55，鏡頭距坐標(biāo)紙20cm。將拍攝的圖片利用MatLab軟件分別得出花椒果實(shí)的面積、長(zhǎng)、寬、高的像素和R、G、B、H、S、V、L*、a*、b*的值。

利用圖像處理的方法進(jìn)行花椒圖片分析，首先要將各花椒果實(shí)的彩色圖像的RGB(紅、綠、藍(lán))轉(zhuǎn)換為一個(gè)灰度。換算公式為

gray=0.299R+0.587G+0.114B

(1)

其中，灰色(gray)代表從黑色(0)到白色(255)的256種深淺不同的灰色色調(diào)，而紅、綠、藍(lán)三原色的RGB空間的值域范圍也是從0～255。

然后，使用閾值技術(shù)，選取相應(yīng)的灰度圖像區(qū)域?qū)⑵滢D(zhuǎn)換為一個(gè)0或255的黑白圖像。即如果灰度圖像小于閾值則轉(zhuǎn)換為0(黑色)，高于閾值轉(zhuǎn)換為255(白色)，使每個(gè)花椒果實(shí)產(chǎn)生黑白圖像，如圖2(b)所示。采用大津法確定閾值[15]。接著，通過(guò)圖2(a)與圖2(b)相乘得到圖2(c)。通過(guò)這種方法獲得花椒果實(shí)區(qū)域，利用新圖像計(jì)算果實(shí)的幾何尺寸。

分割后，采用最小外接矩形的方法，通過(guò)找到白色區(qū)域的水平軸和垂直軸的最小值和最大值來(lái)計(jì)算果實(shí)長(zhǎng)度和寬度[16]；然后，用長(zhǎng)度像素?cái)?shù)(PL)和寬度像素?cái)?shù)(PW)的最小外接矩形來(lái)計(jì)算果實(shí)長(zhǎng)度(L，mm)和寬度(W，mm)。通過(guò)二值圖像中計(jì)算白色像素的數(shù)目可得到的花椒果實(shí)的投影面積(PPA)的像素?cái)?shù)和估算花椒果實(shí)投影面積(PA，mm2)。最后，所測(cè)得的實(shí)際尺寸為所得像素?cái)?shù)目比上N(1mm×1mm坐標(biāo)紙上最小正方形的像素?cái)?shù))具體計(jì)算為

L=PL/N1/2

(2)

W=PW/N1/2

(3)

PA=PAA/N

(4)

(a) 原始RGB彩色圖像 (b) 使用閾值技術(shù)后的 (c) 圖a與圖b的乘法圖像 (d) 利用最小外接矩形計(jì)算

軟件所測(cè)量的R值、G值、B值代表紅、綠、藍(lán)3種顏色，是基于發(fā)光體的色彩模式，是目前運(yùn)用最廣的顏色系統(tǒng)之一。R、G、B的值域范圍0～255。H、S、B的值是基于人眼的一種顏色模式。色相H的取值范圍為0°～360°，從紅色開(kāi)始按逆時(shí)針?lè)较蛴?jì)算，紅色為0°，綠色為120°,藍(lán)色為240°。飽和度S是指顏色的強(qiáng)度或純度，表示色相中彩色成分所占的比例，用從0%(灰色)～100%(完全飽和)的百分比來(lái)度量。亮度Bri表示顏色的明亮程度，通常取值范圍為0%(黑)～100%(白)。轉(zhuǎn)化而成的L*值、a*值、b*值的顏色空間是當(dāng)前最通用的測(cè)量物體的顏色空間之一[17]。在這一顏色空間中，一種顏色由L(亮度)、a顏色、b顏色3種參數(shù)表征L*值域范圍0～100，L*值越大表示所測(cè)樣品的表面越亮。其中，a*正值為紅色，負(fù)值為綠色，絕對(duì)值越大紅色或綠色越深；b*值正值為黃色，負(fù)值為藍(lán)色，絕對(duì)值越大，黃色或藍(lán)色越深[18]。

2 結(jié)果與討論

2.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)描述分析

由表1可知：花椒果實(shí)面積的標(biāo)準(zhǔn)值為26.667mm2,范圍為22.843～34.086mm2，最小值與最大值相差11.243mm2；花椒果實(shí)長(zhǎng)度、寬度及厚度分別以6.015、5.713 、5.556mm為基準(zhǔn)上下浮動(dòng)?；ń饭麑?shí)質(zhì)量為0.069～0.120g，標(biāo)準(zhǔn)差為0.014，說(shuō)明花椒果實(shí)質(zhì)量的集中趨勢(shì)較好?；ń饭麑?shí)的面積、長(zhǎng)度、寬度、厚度的變異系數(shù)分別為8.76%、4.52%、4.92%、4.29%，比花椒果實(shí)質(zhì)量、果柄與樹(shù)枝間分離力、果實(shí)與果柄之間的分離力的變異系數(shù)小的多，說(shuō)明花椒果實(shí)的形狀比花椒果實(shí)的質(zhì)量、果柄與樹(shù)枝間分離力、果實(shí)與果柄間分離力的集中性更好，即花椒果實(shí)的形狀較穩(wěn)定。果實(shí)與果柄之間的分離力的標(biāo)準(zhǔn)差(0.588)比果柄與樹(shù)枝之間的分離力的標(biāo)準(zhǔn)差(1.296)明顯小，說(shuō)明果實(shí)與果柄之間的分離力較為穩(wěn)定，則設(shè)計(jì)花椒采收機(jī)械時(shí)，花椒果實(shí)與果柄之間的分離力相對(duì)穩(wěn)定。而果柄與樹(shù)枝之間的分離力相比果實(shí)與果柄之間的分離力波動(dòng)幅度比較大，且整體分布上大于花椒果實(shí)與果柄之間的分離力。由此可知，如果使用機(jī)械設(shè)備使花椒果實(shí)與果柄分離，會(huì)使機(jī)械收獲更加方便快捷。

表1 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

由表2可知：F=16.324>Fcrit=4.007，說(shuō)明花椒果實(shí)與果柄之間的分離力、果柄與樹(shù)枝之間的分離力存在顯著差異；P=0.000 159小于指定的顯著水平α=0.05，即獨(dú)立樣本的總體分布存在顯著差異，即兩個(gè)不同位置的分離力分布有顯著差異[19]。花椒果實(shí)與果柄之間的分離力、果柄與樹(shù)枝之間的分離力的均值分別為1.642、2.692N，花椒果實(shí)與果柄之間分離力的最大值(3.015N)和最小值(0.980N)明顯小于果柄與樹(shù)枝之間分離力的最大值(5.780N)和最小值(1.025N)，且花椒果實(shí)與果柄間分離力的最花椒大值和最小值之差為2.035N，較果柄與樹(shù)枝間的分離力的最大值和最小值之差4.755N小很多。由此可知：果柄與樹(shù)枝之間的分離力明顯高于果實(shí)與果柄之間的分離力。即果實(shí)與果柄、果柄與樹(shù)枝這兩個(gè)不同位置之間的分離力分布有差異，說(shuō)明不同位置對(duì)其對(duì)應(yīng)的分離力有顯著影響。

表2 果實(shí)與果柄、果柄與樹(shù)枝之間的分離力的方差分析

綜上所述，通過(guò)花椒的物料特性及其方差分析，可以為花椒果實(shí)機(jī)械采收提供合適的采摘位置和收獲后果實(shí)處理等技術(shù)參數(shù)提供理論依據(jù)，以及為設(shè)計(jì)花椒采摘器的主要技術(shù)參數(shù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，同時(shí)給出了在設(shè)計(jì)中需注意的一些問(wèn)題。

2.2 不同大小花椒果實(shí)的分布規(guī)律

花椒樣本的面積范圍及各范圍內(nèi)花椒果實(shí)數(shù)如圖3所示。

圖3 花椒果實(shí)不同面積范圍果實(shí)個(gè)數(shù)

由表1的數(shù)據(jù)分析可知：花椒果實(shí)面積、長(zhǎng)度、寬度及厚度的標(biāo)準(zhǔn)差分別為2.336、0.272、0.281、0.238，且花椒果實(shí)面積、長(zhǎng)度、寬度、厚度的變異系數(shù)分別為8.76%、4.52%、4.92%、4.29%比花椒果實(shí)質(zhì)量的變異系數(shù)15.52%小很多，說(shuō)明成熟期花椒果實(shí)

的形狀(近乎圓形)非常穩(wěn)定且花椒果實(shí)面積的集中趨勢(shì)較花椒果實(shí)質(zhì)量好。又因花椒果實(shí)質(zhì)量分布趨于小波浪形，波動(dòng)幅度比較大；尤其考慮花椒果實(shí)受環(huán)境的影響，如在運(yùn)輸風(fēng)干以及受環(huán)境溫度等影響中，花椒果實(shí)質(zhì)量比花椒果實(shí)面積受到溫度的影響大，所以在花椒的機(jī)械化分級(jí)中，按花椒果實(shí)的面積分級(jí)比質(zhì)量分級(jí)更為方便和準(zhǔn)確。

對(duì)花椒果實(shí)樣本的面積范圍及各范圍內(nèi)花椒果實(shí)數(shù)目的分析可知：處于24mm2以上的花椒果實(shí)極多，約占全部花椒果實(shí)數(shù)量的90%。因此，從花椒果實(shí)大小分級(jí)的實(shí)用性及經(jīng)濟(jì)性考慮，設(shè)計(jì)花椒果實(shí)大小分級(jí)機(jī)械時(shí)可將其分為兩級(jí)，應(yīng)以24mm2為界線進(jìn)行分級(jí)。

2.3 花椒果實(shí)的顏色特征測(cè)定

收獲期花椒果實(shí)的顏色特征結(jié)果如表3所示。收獲期花椒果實(shí)顏色特征R、G、B的變化區(qū)間分別為99.42～121.59、56.95～76.12、51.50～62.34，標(biāo)準(zhǔn)值分別為123.42、68.10、57.20；R的變異系數(shù)為4.68%比G、B的變異系數(shù)說(shuō)明花椒果實(shí)在成熟期果皮紅色較穩(wěn)定。色相、飽和度以及亮度的范圍為23.50～64.06、143.83～158.61和91.37～113.24，L*、a*、b*值的范圍分別為30.31～35.45、14.34～26.2、13.36～20.05。

由此可知：韓城的大紅袍品種花椒成熟后，花椒整體顏色的均值微偏橙色。

表3 花椒果實(shí)的顏色特征

3 結(jié)論

1)花椒果實(shí)的形狀較為穩(wěn)定，且花椒果實(shí)的形狀比花椒果實(shí)的質(zhì)量更為集中，因此考慮到收獲后的花椒果實(shí)的分級(jí)以及經(jīng)濟(jì)性，花椒果實(shí)可以以24mm2(花椒果實(shí)形狀面積)進(jìn)行機(jī)械分級(jí)收獲。

2)在收獲期花椒自然生長(zhǎng)狀態(tài)下，約有98%果實(shí)與果柄之間所需分離力為(1.642±1.176)N，約有95%果柄與樹(shù)枝之間所需分離力為(2.692±2.592)N。

3)花椒果實(shí)與果柄之間的分離力、果柄與樹(shù)枝之間的分離力存在顯著差異，且花椒果實(shí)與果柄之間的分離力較為穩(wěn)定，所需分離力相對(duì)較小，所以機(jī)械收獲時(shí)的采摘位置最好選擇在花椒果實(shí)與果柄之間。

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Physical and Mechanical Properties of Zanthoxylum at Harvest Time

Feng Yali, Peng Jun, Sun Shipeng, Fu Longsheng

(College of Mechanical and Electronic Engineering, Northwest A & F University, Yangling 712100, China)

China is main and biggest planting area of Zanthoxylum, and reached 1.67×106 hm2in 2008. Harvesting of Zanthoxylum is mainly based on manual picking which is conflicting with rapidly increasing labor cost and labor shortage in farming. Therefore, it is very important to study mechanized harvesting technologies to improve the harvesting efficiency and promote the development of Chinese Zanthoxylum industry. Study of the mechanical characteristics of the harvest period can provide basic theoretical data for designing Zanthoxylum harvesting machinery. Since the differences of Zanthoxylum in the variety, soil conditions, climate and other aspects, the material properties of Zanthoxylum are also different. Therefore, through the laboratory determination of Zanthoxylum fruit from Hancheng city of Shaanxi province, the mechanical properties of Zanthoxylum were analyzed by image analysis and mathematical statistics. Geometric characteristic, separation force between fruit and stalk, and separation force between stalk and branches, as well as the color characteristics of Zanthoxylum fruit were studied. It was found that the separation force between fruit and stalk was significantly smaller than that between stalk and branch. And the fruit size was uniform.This study will provide a scientific basis for the development of the machine.Our hope is that this work will spark the renewal of a research or development process which will move the technology another step forward.

zanthoxylum; mechanical properties; color feature; separating force

2016-05-18

陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃-青年人才項(xiàng)目(2015JQ306 5)；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31301242)

馮亞利(1991-)，女，山西大同人，碩士研究生，(E-mail)18792415467@163.com。

傅隆生(1984-)，男，江西吉安人，副教授，博士，碩士生導(dǎo)師，(E-mail)fulsh@nwsuaf.edu.cn。

S183；S567.2

A

1003-188X(2017)07-0043-05