丘陵山區(qū)果園機(jī)械化技術(shù)與裝備研究進(jìn)展

鄭永軍 江世界 陳炳太 呂昊暾 萬(wàn) 暢,2 康 峰

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 北京 100083； 2.塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院， 阿拉爾 843300；3.北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 北京 100083)

0 引言

我國(guó)是水果生產(chǎn)世界第一大國(guó)，2018年種植面積達(dá)1.19×107hm2[1-2]，其中優(yōu)質(zhì)果園主要分布在川中、江南、兩廣、山東及陜甘等以丘陵山地為主的地區(qū)。受立地條件和種植模式的影響，林果(含桑茶)生產(chǎn)機(jī)械化水平總體小于20%。

2017年農(nóng)業(yè)農(nóng)村部提出，要在“十三五”期間農(nóng)業(yè)綜合機(jī)械化率達(dá)到70%，丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)機(jī)械化實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展[2]。隨著工業(yè)化、城鎮(zhèn)化的加速發(fā)展，人口老齡化現(xiàn)象日趨嚴(yán)重，人工勞動(dòng)成本逐年增加。同時(shí)，新時(shí)期果農(nóng)觀念的快速轉(zhuǎn)變和對(duì)新技術(shù)的渴求，為果園提供了種植管理模式改革的契機(jī)和產(chǎn)業(yè)升級(jí)驅(qū)動(dòng)力，加速了林果產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整與轉(zhuǎn)型升級(jí)，規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化、現(xiàn)代化成為果園的發(fā)展方向，也為果園機(jī)械化提供了發(fā)展機(jī)遇。

歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家基于標(biāo)準(zhǔn)化果園的生產(chǎn)機(jī)械裝備技術(shù)已較成熟，產(chǎn)品線齊全；意大利、日本則在丘陵林果機(jī)械上有一定優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用基礎(chǔ)。我國(guó)在此領(lǐng)域尚處于標(biāo)準(zhǔn)化建園、發(fā)展現(xiàn)代機(jī)械化生產(chǎn)的起步階段，單一功能機(jī)械品種多，而在丘陵山區(qū)基本沒(méi)有成熟的果園機(jī)械技術(shù)與適用性裝備。由于生產(chǎn)綜合成本增加，水果種植效益降低，因此亟需丘陵山區(qū)果園適用的機(jī)械動(dòng)力底盤(pán)、多功能作業(yè)平臺(tái)、修剪機(jī)械、植保機(jī)械和采摘收獲等技術(shù)與裝備，以解決勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低、勞動(dòng)力緊缺且“無(wú)機(jī)可用”的問(wèn)題。

本文首先分析我國(guó)丘陵山區(qū)果園的分布情況以及種植特點(diǎn)，闡述果園生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)和裝備的研究進(jìn)展，指出丘陵果園機(jī)械化發(fā)展面臨的問(wèn)題，并提出發(fā)展建議。

1 我國(guó)丘陵果園分布概況

1.1 果園分布

根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局資料，2018年我國(guó)果園種植面積達(dá)1.19×107hm2，水果產(chǎn)量2.57×108t[1]，圖1為我國(guó)主要水果的種植面積和產(chǎn)量占比，圖2為其主要種植省份。其中：蘋(píng)果主要產(chǎn)區(qū)是陜西省和山東省，兩省蘋(píng)果種植面積和產(chǎn)量約占全國(guó)蘋(píng)果總種植面積和產(chǎn)量的44.14%和49.98%；廣西壯族自治區(qū)、廣東省、云南省是我國(guó)香蕉的主要產(chǎn)區(qū)，三省區(qū)香蕉種植面積和產(chǎn)量約占全國(guó)香蕉總種植面積和產(chǎn)量的83.50%和84.61%。

圖1 我國(guó)主要水果種植面積與產(chǎn)量占比Fig.1 Planting area and yield of main fruits in China

圖2 水果主要種植省份產(chǎn)量與面積Fig.2 Main fruit growing provinces

果園按照地形主要分為平原地區(qū)果園和丘陵山地果園，從我國(guó)丘陵主要分布情況(圖3)和主要果樹(shù)種植省份的丘陵山地面積占全省面積的比例(表1)[3]可知：陜西省、廣西壯族自治區(qū)、廣東省、山東省等種植面積占我國(guó)果園總面積的90%以上，即60%以上的果園分布在以丘陵山地為主的省份，是國(guó)內(nèi)主要種植水果的大產(chǎn)區(qū)?？梢哉f(shuō)，林果業(yè)是當(dāng)?shù)剞r(nóng)民增收、農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要產(chǎn)業(yè)，甚至是一些地區(qū)支柱產(chǎn)業(yè)，但受地理位置和地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平影響，果園生產(chǎn)效率與機(jī)械化水平極低。

圖3 我國(guó)丘陵主要分布示意圖Fig.3 Schematic map of distribution of main hills in China

表1 我國(guó)主要果園種植省份丘陵山地面積占全省面積比例Tab.1 Proportion of mountainous areas in main orchard planting provinces in China %

1.2 丘陵果園種植特點(diǎn)

丘陵山地地形地貌變化大且可利用地塊分散，緩坡規(guī)模種植、依山就勢(shì)的小塊階梯種植是主要果園種植形式。在前期調(diào)研基礎(chǔ)上，整理了部分丘陵果園的種植參數(shù)(表2)，其中各果園統(tǒng)計(jì)樣本數(shù)為50，表中株距、行距、株高為統(tǒng)計(jì)平均值。在調(diào)研的果園中，廣西崇安芒果園為陡坡種植，坡度較大(圖4a)；北京平谷蘋(píng)果園為傳統(tǒng)種植果園，樹(shù)冠大小不一，易形成郁閉(圖4b)；廣西隆安柑橘園山間緩坡種植(圖4c)；江蘇鎮(zhèn)江油桃園種植在山邊低洼處，高起壟式種植模式，行間開(kāi)設(shè)排水溝(圖4d)。

近年來(lái)，在便于進(jìn)行土地整理和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的緩丘陵地區(qū)，宜機(jī)化、規(guī)?；?、標(biāo)準(zhǔn)化成為新建果園的主要趨勢(shì)，使種植環(huán)境和機(jī)械化作業(yè)基礎(chǔ)得到改善。例如：溧水地區(qū)果園采用寬行密植栽培模式，較適宜機(jī)械化作業(yè)(圖4e)，紡錘型(圖4f)等新型栽培模式也得到發(fā)展。

表2 部分丘陵果園種植參數(shù)Tab.2 Planting parameters of some hilly orchards

圖4 果園類型Fig.4 Orchard types

1.3 丘陵果園機(jī)械化發(fā)展水平

目前丘陵果園生產(chǎn)過(guò)程以人工為主，樹(shù)體管理、病蟲(chóng)害防治、采摘收獲與運(yùn)輸是勞動(dòng)量最大的環(huán)節(jié)，約占生產(chǎn)總勞動(dòng)量的70%。以機(jī)械化程度較高的蘋(píng)果園為例，其樹(shù)體管理機(jī)械作業(yè)水平約8%，植保機(jī)械作業(yè)水平約7.5%，收獲機(jī)械作業(yè)水平約2%，綜合機(jī)械化水平僅5.75%[4]。

造成丘陵地區(qū)果園機(jī)械化程度低的主要原因有：①我國(guó)果園總體面積大，丘陵山區(qū)主要是分散栽培、分戶管理的傳統(tǒng)種植管理模式；由于單戶種植規(guī)模小，集中管理困難，引進(jìn)機(jī)械裝備經(jīng)濟(jì)成本較高，收益較慢。②丘陵山地地貌嚴(yán)重限制了作業(yè)機(jī)械行走和轉(zhuǎn)場(chǎng)；特別是大于25°的陡丘陵山地，不適于作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資源，更不適宜機(jī)械化作業(yè)，但依然存在大量的傳統(tǒng)果園且無(wú)機(jī)械可用。③較成熟的果園機(jī)械裝備對(duì)丘陵山區(qū)種植模式、作業(yè)環(huán)境、立地條件等適應(yīng)性差。④丘陵山區(qū)果園種植農(nóng)藝較落后，大樹(shù)冠、低分叉、平拉枝、行間郁閉的傳統(tǒng)喬砧果園，仍是主要種植模式，不利于機(jī)械的進(jìn)入。⑤果園機(jī)械推廣服務(wù)體系不完善，技術(shù)培訓(xùn)不到位，果農(nóng)對(duì)機(jī)械裝備認(rèn)知不足。

2 丘陵果園機(jī)械裝備和技術(shù)研究進(jìn)展

2.1 機(jī)械動(dòng)力底盤(pán)

動(dòng)力底盤(pán)是果園機(jī)械的基礎(chǔ)，目前果園底盤(pán)的主要形式有輪式底盤(pán)和履帶式底盤(pán)，輪式底盤(pán)行駛速度快，通過(guò)性、爬坡、越障及地面適應(yīng)能力比履帶式底盤(pán)差。履帶底盤(pán)能夠緩和地面的凹凸不平，地面支撐面積大、接地比壓小，具有良好的穩(wěn)定性能和越障能力，適合在崎嶇的地面上行駛[5]。

從20世紀(jì)60年代開(kāi)始，國(guó)外果園機(jī)械快速發(fā)展，配套動(dòng)力底盤(pán)呈現(xiàn)多樣化，美國(guó)、加拿大等國(guó)家以地勢(shì)平坦區(qū)大規(guī)模果園種植為主，果園機(jī)械以大型綜合性機(jī)具為主，動(dòng)力底盤(pán)多為輪式；意大利、日本等國(guó)家果園種植環(huán)境與我國(guó)類似，果園機(jī)械以輕型化和小型化為主，動(dòng)力底盤(pán)多為小型履帶式。圖5a為意大利BCS公司的VOLCAN L80AR型果園專用拖拉機(jī)，前后輪大小、輪距一致，雙向行駛；圖5b為DEUTZ-FAHR公司的5KF型山地履帶式拖拉機(jī)，圖5c為意大利ANTONIO CARRARO公司的ERGIT R前輪后履帶式折腰拖拉機(jī)；圖5d為日本久保田公司的K-BP43型小型履帶式運(yùn)輸車(chē)，整機(jī)尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為1 420 mm×620 mm×990 mm，最大承載300 kg。

圖5 國(guó)外機(jī)械動(dòng)力底盤(pán)類型Fig.5 Types of mechanical power chassis abroad

為提高果園動(dòng)力底盤(pán)的性能以及對(duì)不同果園的適應(yīng)性，國(guó)內(nèi)研究者針對(duì)我國(guó)果園種植特點(diǎn)進(jìn)行了一系列研發(fā)或改進(jìn)。

在輪式底盤(pán)方面，河北農(nóng)業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)的TG-20型果園動(dòng)力底盤(pán)[6]能夠與旋耕機(jī)、升降平臺(tái)、噴霧機(jī)等模塊配合使用，外形尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為2 484 mm×1 100 mm×1 150 mm；丁素明等[7]針對(duì)低矮密植果園作業(yè)空間小、機(jī)具通過(guò)性差的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了低矮型自走式果園噴霧機(jī)動(dòng)力底盤(pán)(圖6)，可根據(jù)路面狀況進(jìn)行兩驅(qū)與四驅(qū)自由切換，最低通過(guò)高度為1 600 mm，最小轉(zhuǎn)彎半徑2 000 mm，最大越障高度為87 mm；郝朝會(huì)等[8]設(shè)計(jì)了果園多功能動(dòng)力底盤(pán)(圖7)，最大爬坡角為24°，最大越埂高度為235 mm，可掛載貨框、升降機(jī)、風(fēng)送噴霧機(jī)等。現(xiàn)有針對(duì)輪式底盤(pán)的研究一般是面向行間通行較好的果園，而丘陵山區(qū)需要具有良好爬坡越障能力、轉(zhuǎn)場(chǎng)能力以及人機(jī)作業(yè)安全保障能力。

圖6 低矮型自走式果園噴霧機(jī)動(dòng)力底盤(pán)Fig.6 Low self-propelled orchard sprayer power chassis

圖7 多功能動(dòng)力底盤(pán)Fig.7 Multifunctional power chassis

在仿形動(dòng)力底盤(pán)方面，王亞等[9]研制了一種適用于丘陵山區(qū)特殊地貌作業(yè)的全時(shí)8輪驅(qū)動(dòng)地面仿形動(dòng)力底盤(pán)(圖8a)，采用5 自由度地面仿形原理，保證車(chē)輪的地面附著力，具有良好的地面通過(guò)性以及行駛平順性。劉平義等[10]開(kāi)發(fā)了一種丘陵山區(qū)仿形行走動(dòng)態(tài)調(diào)平底盤(pán)(圖8b)，能在崎嶇地面上實(shí)現(xiàn)全時(shí)多輪驅(qū)動(dòng)、多自由度仿形行走，且可通過(guò)懸架懸臂夾角調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)車(chē)體調(diào)平控制，動(dòng)態(tài)調(diào)平精度在0.5°范圍內(nèi)。上述研究只完成了比例模型樣機(jī)和多作業(yè)場(chǎng)景模擬，并無(wú)實(shí)際作業(yè)動(dòng)力底盤(pán)的驗(yàn)證。

圖8 地面仿形動(dòng)力底盤(pán)Fig.8 Ground profiling power chassis

在履帶式動(dòng)力底盤(pán)方面，王鋒等[11]針對(duì)南方丘陵地區(qū)設(shè)計(jì)了一種三角履帶式果園動(dòng)力底盤(pán)，最大爬坡角為15°，能夠跨越528 mm的垂直障礙物；趙林亭等[12]設(shè)計(jì)自走式電動(dòng)履帶底盤(pán)，整機(jī)結(jié)構(gòu)和電路都采用模塊化設(shè)計(jì)，能夠便捷換接不同模塊，并有遙控與安全防護(hù)，保證作業(yè)安全。與圖6和圖7所示輪式底盤(pán)相比，三角履帶式果園動(dòng)力底盤(pán)和自走式電動(dòng)履帶底盤(pán)的整體尺寸縮小一半以上，對(duì)丘陵山區(qū)果園的適應(yīng)性得到提高，但仍處于實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)測(cè)試階段，無(wú)實(shí)際搭載機(jī)具的作業(yè)能力和安全性指標(biāo)。

表3為部分果園動(dòng)力底盤(pán)的性能參數(shù)。表中“/”表示文獻(xiàn)中未給出相關(guān)參數(shù)。

表3 果園動(dòng)力底盤(pán)部分參數(shù)對(duì)比Tab.3 Comparison of some parameters of orchard power chassis

此外，研究者針對(duì)農(nóng)用底盤(pán)的動(dòng)力特性以及控制方法開(kāi)展了一系列研究[15-17]，旨在提高動(dòng)力底盤(pán)在不同作業(yè)環(huán)境下的適應(yīng)性和可操控性。隨著自動(dòng)駕駛技術(shù)的發(fā)展，動(dòng)力底盤(pán)的自主導(dǎo)航技術(shù)得到快速發(fā)展[18-24]，為未來(lái)果園無(wú)人化作業(yè)提供了技術(shù)支持和理論基礎(chǔ)。

2.2 作業(yè)平臺(tái)

果園管理過(guò)程中，剪枝、套袋、采果等高位作業(yè)環(huán)節(jié)所占比重大，人工攀爬、搭建扶梯或者搭建簡(jiǎn)易平臺(tái)等傳統(tǒng)作業(yè)方式需要頻繁上下和人工挪移，勞動(dòng)效率低，安全風(fēng)險(xiǎn)大,果園作業(yè)平臺(tái)的發(fā)展直接影響果園產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

2.2.1國(guó)外研究

國(guó)外作業(yè)平臺(tái)在果園中的應(yīng)用可以追溯到20世紀(jì)60年代的美國(guó)，隨著科技的發(fā)展，近年來(lái)果園作業(yè)平臺(tái)得到快速發(fā)展，種類和功能更加多樣。SAZO等[25]分析美國(guó)紐約州果園作業(yè)平臺(tái)的應(yīng)用情況以及帶來(lái)的效益，認(rèn)為作業(yè)平臺(tái)能夠有效提升作業(yè)效率并減小作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，常見(jiàn)作業(yè)平臺(tái)種類如圖9所示，主要分為單工位作業(yè)平臺(tái)、自走式作業(yè)平臺(tái)、吊籃式作業(yè)平臺(tái)、多工位作業(yè)平臺(tái)及其他作業(yè)平臺(tái)。

圖9 美國(guó)常見(jiàn)作業(yè)平臺(tái)種類Fig.9 Common operating platforms in United States

與美國(guó)農(nóng)場(chǎng)規(guī)?；墓麍@種植方式不同，日本果園受其國(guó)內(nèi)地形限制，主要分布在丘陵山區(qū)，日本的作業(yè)平臺(tái)種類以小型化為主要特點(diǎn)，一般具有調(diào)平和安全防護(hù)功能，例如野澤正雄[26]針對(duì)果園空中作業(yè)量大，傳統(tǒng)作業(yè)方式效率低、危險(xiǎn)性大等不足，設(shè)計(jì)了果園自走式作業(yè)平臺(tái)，可在普通果園和喬化果園使用，工作臺(tái)可調(diào)平，滿足0°～15°坡度下作業(yè)需求(圖10)；YAMADA等[27]設(shè)計(jì)了小型高機(jī)動(dòng)性果園升降平臺(tái)，采用四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，水平控制裝置能夠根據(jù)地面坡度調(diào)節(jié)座椅方向，使座椅保持水平狀態(tài)，提高作業(yè)安全性。

圖10 果園自走式作業(yè)平臺(tái)Fig.10 Self-propelled orchard operation platform

2.2.2國(guó)內(nèi)研究

20世紀(jì)90年代，果園輔助升降作業(yè)平臺(tái)開(kāi)始進(jìn)入中國(guó)，并得到快速發(fā)展，研究者針對(duì)中國(guó)果園種植與分布特點(diǎn)開(kāi)展了一系列研究。對(duì)近10年來(lái)研究者發(fā)表的科技論文和相關(guān)專利數(shù)量加以統(tǒng)計(jì)，以果園升降平臺(tái)、果園作業(yè)平臺(tái)以及果園管理平臺(tái)為檢索主題，通過(guò)Web of Science和中國(guó)知網(wǎng)(CNKI)兩個(gè)檢索平臺(tái)進(jìn)行檢索，并剔除無(wú)關(guān)以及重復(fù)的論文和專利，得到中國(guó)研究者發(fā)表的科技論文和專利數(shù)量(圖11)，其中2020年只統(tǒng)計(jì)第一季度。

圖11 近10年中國(guó)學(xué)者發(fā)表的關(guān)于果園作業(yè)平臺(tái)的科技論文和專利統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig.11 Scientific and technological papers and patent statistics on orchard operating platform published by Chinese scholars in past 10 years

(1)作業(yè)平臺(tái)類型及關(guān)鍵技術(shù)

表4為近年來(lái)中國(guó)研制的果園作業(yè)平臺(tái)典型成果及其關(guān)鍵技術(shù)，2007年研制出第1臺(tái)多功能作業(yè)機(jī)牧神LG_1[28](圖12)，隨后針對(duì)中國(guó)果園種植與分布情況，研究者開(kāi)展一系列探索，研究主要集中在多功能、小型化、單人操控等方面(圖13)。

(2)關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀

丘陵果園地面起伏較大，安全性是果園作業(yè)平臺(tái)實(shí)際應(yīng)用的必要條件。目前針對(duì)果園作業(yè)平臺(tái)安全防護(hù)的研究主要集中在調(diào)平和防翻兩方面。

在果園作業(yè)平臺(tái)調(diào)平研究方面，王小龍[38]在劉大為等設(shè)計(jì)的柑橘園小型升降作業(yè)平臺(tái)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種“方向+角度”的調(diào)平裝置，對(duì)工作臺(tái)的方向和角度進(jìn)行調(diào)節(jié)，能夠適應(yīng)0°～15°傾斜坡度的調(diào)平，但是調(diào)平需要對(duì)方向和角度兩次調(diào)節(jié)，且是否調(diào)平需要人為判斷。王永振等[39]、樊桂菊等[40]設(shè)計(jì)了針對(duì)折臂式懸掛升降作業(yè)平臺(tái)的自動(dòng)調(diào)平控制系統(tǒng)，通過(guò)安裝在工作臺(tái)底部的傾角傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)傾斜角，調(diào)節(jié)工作臺(tái)與橫梁的相對(duì)角度，實(shí)現(xiàn)對(duì)工作臺(tái)的調(diào)平。姜新宇等[41]針對(duì)折臂式果園升降平臺(tái)設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的自動(dòng)調(diào)平控制系統(tǒng)。楊徑等[42]、趙鵬等[43]、劉學(xué)峰等[44]對(duì)剪叉式果園作業(yè)平臺(tái)進(jìn)行了調(diào)平機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真。

目前針對(duì)果園作業(yè)平臺(tái)防翻的研究主要集中在側(cè)翻預(yù)警和動(dòng)態(tài)自動(dòng)防翻方面，王鵬飛等[45]設(shè)計(jì)了基于橫向載荷轉(zhuǎn)移率(LTR)的靜態(tài)防側(cè)翻系統(tǒng)，通過(guò)貼片式壓力傳感器檢測(cè)底盤(pán)與升降臺(tái)之間的壓力并計(jì)算LTR，通過(guò)改變平臺(tái)高度防止平臺(tái)側(cè)翻；王永振等[46-47]設(shè)計(jì)了果園管理機(jī)智能安全預(yù)警系統(tǒng)和傾翻預(yù)警控制系統(tǒng)，但是只考慮了側(cè)傾，未考慮作業(yè)平臺(tái)在丘陵果園作業(yè)時(shí)存在前后傾倒；張昊等[48]設(shè)計(jì)了傾翻失穩(wěn)預(yù)警系統(tǒng)，采用穩(wěn)定系數(shù)K值作為傾翻預(yù)警的判定指標(biāo)；DUAN等[49]對(duì)三自由度升降平臺(tái)的傾斜穩(wěn)定性進(jìn)行分析，分別研究了縱向傾斜、橫向傾斜和斜向傾斜的穩(wěn)定性，仿真與試驗(yàn)結(jié)果表明停車(chē)位置、升降高度、載荷等因素對(duì)穩(wěn)定性有顯著影響；江世界[36]針對(duì)單人臺(tái)上操控作業(yè)時(shí)誤操作帶來(lái)的安全隱患，進(jìn)行了誤操作安全防護(hù)設(shè)計(jì)，同時(shí)設(shè)計(jì)了基于多點(diǎn)力反饋的動(dòng)態(tài)多工況自動(dòng)防翻系統(tǒng)，并進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明誤操作安全防護(hù)有效，自動(dòng)防翻系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)響應(yīng)。

表4 果園作業(yè)平臺(tái)典型成果及其關(guān)鍵技術(shù)Tab.4 Typical achievements and key technologies of orchard operation platform

圖12 牧神LG_1型多功能果園管理機(jī)Fig.12 LG_1 multifunctional orchard manager

圖13 我國(guó)果園作業(yè)平臺(tái)類型Fig.13 Types of orchard operating platform in China

此外，對(duì)作業(yè)平臺(tái)的人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)也能提高作業(yè)安全性和舒適性[36,50]。

2.3 果樹(shù)修剪機(jī)械

果樹(shù)修剪可以調(diào)整樹(shù)冠各部分的疏密度、枝葉的分布方向和葉面積系數(shù)，可以保證果樹(shù)葉進(jìn)行良好的光合作用，提高果樹(shù)的代謝能力，改善果樹(shù)的營(yíng)養(yǎng)分布。特別是丘陵果園光照均勻性不足，果樹(shù)的合理修剪對(duì)提高果園生產(chǎn)具有重要的意義。

果樹(shù)修剪方式主要分為人工修剪、機(jī)械修剪、智能修剪等，果樹(shù)修剪根據(jù)修剪程度不同可以分為精剪和粗剪，精剪是指利用修枝剪或者智能修剪裝備進(jìn)行單枝修剪，粗剪是指利用機(jī)械設(shè)備進(jìn)行整株幾何修剪[51-54]。表5為果樹(shù)主要修剪方式及其技術(shù)特點(diǎn)。

2.3.1國(guó)外研究

目前國(guó)外手動(dòng)、油動(dòng)、電動(dòng)以及氣動(dòng)修枝剪等人工修剪裝備發(fā)展較為成熟，功能類型多樣，通用性好，如美國(guó)ZENPORT公司生產(chǎn)的LEP848型電動(dòng)高枝修枝剪(圖14a)、意大利KUKER公司生產(chǎn)的氣動(dòng)修枝剪(圖14b)以及日本ARS公司生產(chǎn)的氣動(dòng)高枝修枝剪(圖14c)。

表5 果樹(shù)主要修剪方式及其特點(diǎn)Tab.5 Main pruning methods and characteristics

機(jī)械幾何修剪裝備以懸掛式為主，一般由拖拉機(jī)配套修剪機(jī)構(gòu)組成，如B.M.V公司的飛鏢刀式剪枝機(jī)(圖15a)，德國(guó)愛(ài)德華公司的往復(fù)式果樹(shù)剪枝機(jī)(圖15b)等。

圖14 國(guó)外人工修枝剪Fig.14 Foreign manual pruning shears

圖15 國(guó)外機(jī)械修剪裝備Fig.15 Foreign mechanical trimming equipment

智能修剪技術(shù)是近年來(lái)新興技術(shù)，KARKEE等[55]開(kāi)發(fā)了一套用于高紡錘形蘋(píng)果樹(shù)自動(dòng)修剪的樹(shù)枝識(shí)別機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)(圖16)。通過(guò)對(duì)果樹(shù)圖像處理，確定剪枝點(diǎn)，并設(shè)計(jì)剪枝原則，能夠?qū)崿F(xiàn)85%的長(zhǎng)枝條識(shí)別率和70%的枝條去除率。但是僅依靠樹(shù)枝長(zhǎng)度或者樹(shù)枝的間隙來(lái)確定的修剪規(guī)則不完善，枝條的成活情況與枝條果實(shí)的生產(chǎn)情況也是剪枝必須考慮的問(wèn)題；AMATYA等[56]針對(duì)全葉期櫻桃樹(shù)枝條的檢測(cè)展開(kāi)研究，像素分類識(shí)別成功率89.6%，分枝檢測(cè)成功率89.2%，但是試驗(yàn)是在晚上人為制造光源的情況下進(jìn)行的，白天正常光照下的效果未知；BOTTERILL等[57]設(shè)計(jì)了一種葡萄剪枝機(jī)器人系統(tǒng)(圖17)，利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)來(lái)重建完整的葡萄藤模型，作業(yè)時(shí)移動(dòng)平臺(tái)橫跨葡萄藤，通過(guò)LED補(bǔ)光燈組人為設(shè)置光照和背景，能夠有效提高剪枝點(diǎn)的識(shí)別成功率。

圖16 紡錘蘋(píng)果樹(shù)樹(shù)枝識(shí)別視覺(jué)系統(tǒng)Fig.16 Visual system for branch recognition of spindle apple tree

圖17 葡萄剪枝機(jī)器人系統(tǒng)Fig.17 Grape pruning robot system

2.3.2國(guó)內(nèi)研究

(1)人工修剪

受限于我國(guó)丘陵山地果園種植模式，果樹(shù)修剪方式仍以人工修剪為主。高枝修剪主要是通過(guò)搭建扶梯和人工攀爬方式完成，該方式危險(xiǎn)性高，且容易造成樹(shù)干或主枝斷裂，影響果樹(shù)產(chǎn)量，部分果園開(kāi)始引進(jìn)作業(yè)平臺(tái)來(lái)輔助高枝的修剪。

為提高高枝修剪生產(chǎn)安全性，鄒運(yùn)梅等[58]設(shè)計(jì)了背負(fù)式高枝剪切機(jī)，采用動(dòng)力與機(jī)具分離的方式；XU等[59]設(shè)計(jì)了一種多自由度可伸縮剪枝機(jī)，設(shè)計(jì)了伸縮式支腿和多自由度旋轉(zhuǎn)鋸片刀頭；王征等[60]設(shè)計(jì)了鋸切式蘋(píng)果剪枝機(jī)，束鈺等[61]在王征等研究基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了帶夾持機(jī)構(gòu)的鋸切式蘋(píng)果剪枝機(jī)。這些裝備能夠有效提高人員安全性，擴(kuò)大作業(yè)空間，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。

(2)機(jī)械修剪

機(jī)械化修剪裝備多用于葡萄園和矮化密植果園的整株幾何修剪，目前中國(guó)學(xué)者關(guān)于機(jī)械修剪的研究主要集中在葡萄樹(shù)的修剪，表6為葡萄修剪機(jī)典型成果及其技術(shù)特點(diǎn)。

(3)智能修剪

隨著智能化技術(shù)的發(fā)展，待剪枝條自動(dòng)識(shí)別、定位并自主完成剪除的智能化修剪技術(shù)能夠有效彌補(bǔ)人工修剪以及機(jī)械修剪的不足，成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)，結(jié)合人工智能及相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)的智能化修剪技術(shù)是果樹(shù)修剪的發(fā)展趨勢(shì)。

賈挺猛[69]對(duì)葡萄樹(shù)冬剪機(jī)器人的剪枝點(diǎn)定位方法進(jìn)行了研究，并設(shè)計(jì)了葡萄樹(shù)冬剪機(jī)器人系統(tǒng)，通過(guò)CCD單目攝像機(jī)獲取葡萄樹(shù)圖像并進(jìn)行處理，根據(jù)芽點(diǎn)信息設(shè)計(jì)了剪枝點(diǎn)定位算法。黃彪等[70-72]設(shè)計(jì)了枇杷剪枝機(jī)器人系統(tǒng)，采用超廣角攝像機(jī)采集枝條圖像，根據(jù)枇杷枝條特征提出了一種枇杷切削枝條確定及定位方法，實(shí)現(xiàn)了剪枝點(diǎn)的定位、枝條修剪及粉碎，單根枝條作業(yè)時(shí)間為55 s。LIU等[73-74]提出基于SR4000型深度傳感器的果樹(shù)三維骨架模型提取算法，并開(kāi)展了基于BP網(wǎng)絡(luò)的果樹(shù)修剪方法研究。

表6 葡萄修剪機(jī)典型成果及其技術(shù)特點(diǎn)Tab.6 Typical achievements and technical characteristics of grape pruning machine

實(shí)際果園作業(yè)中，樹(shù)葉遮擋、光照、嘈雜背景等因素都會(huì)影響剪枝點(diǎn)的獲取，現(xiàn)有研究中多采用人為設(shè)計(jì)圖像采集背景的方式來(lái)排除干擾因素(圖17)，能夠有效提高剪枝點(diǎn)的識(shí)別成功率，但該種方式僅適用于葡萄樹(shù)或株型較小的果樹(shù)，對(duì)樹(shù)冠較大的果樹(shù)適用性較差。

在虛擬交互式輔助剪枝研究方面，呂萌萌等[75]和葉少挺等[76]基于Unity3D虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)設(shè)計(jì)了果樹(shù)修剪系統(tǒng)，將果樹(shù)三維模型導(dǎo)入到Unity3D中，可真實(shí)模擬果樹(shù)的修剪過(guò)程。王丹等[77]基于Kinect進(jìn)行虛擬果樹(shù)交互式修剪研究，建立了手勢(shì)交互式模擬剪枝方法，提升了交互的舒適性，能夠更真實(shí)的模擬果樹(shù)修剪。

此外，陸葉等[78]和張楨等[79]通過(guò)Matlab和ADAMS等軟件進(jìn)行剪枝機(jī)器人的工作空間和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，為樣機(jī)的開(kāi)發(fā)提供理論基礎(chǔ)。楊麗麗等[80-81]進(jìn)行蘋(píng)果樹(shù)剪枝仿真研究，能夠?yàn)閷?shí)際生產(chǎn)提供方案指導(dǎo)。

2.4 果園植保機(jī)械

2.4.1概述

病蟲(chóng)害防治工作是整個(gè)果樹(shù)管理作業(yè)中重要的環(huán)節(jié)，隨著季節(jié)變更、氣候變化，每年噴藥8～15次，其工作量約占整個(gè)果樹(shù)管理工作量的30%。

果園植保裝備經(jīng)歷了從手動(dòng)到機(jī)動(dòng)、從粗放到精準(zhǔn)、從地面到航空的變革，植保方法主要分為地面植保技術(shù)和航空植保技術(shù)，地面植保技術(shù)可分為人工施藥技術(shù)、傳統(tǒng)風(fēng)送施藥技術(shù)和精準(zhǔn)施藥技術(shù)等，精準(zhǔn)施藥技術(shù)主要包括靜電、對(duì)靶、仿形、變量等關(guān)鍵技術(shù)。表7為果園主要植保方法及其技術(shù)特點(diǎn)。

2.4.2國(guó)外果園植保裝備

農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝相結(jié)合的果園種植模式，使歐美、日本、意大利等國(guó)家果園病蟲(chóng)害防治更易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化。風(fēng)送噴霧技術(shù)、靜電噴霧技術(shù)、循環(huán)噴霧技術(shù)、對(duì)靶噴霧技術(shù)、航空噴霧技術(shù)等得到快速發(fā)展并應(yīng)用。植保機(jī)械種類多樣，產(chǎn)品應(yīng)用成熟，生產(chǎn)企業(yè)眾多，如荷蘭的MUNCKHOF公司、美國(guó)的ESS公司和SPRAYING SYSTEM公司、意大利的CAFFINI公司、英國(guó)的LURMARK公司、丹麥的HARDI公司，圖19所示為部分國(guó)外果園植保裝備?？傮w來(lái)說(shuō)歐美國(guó)家的果園噴霧機(jī)械以牽引式大中型裝備為主，偏向于專機(jī)專用，自動(dòng)化程度相對(duì)較高，意大利、日本的果園噴霧機(jī)械以自走式中小型裝備為主。

2.4.3國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

隨著智能化技術(shù)的發(fā)展以及農(nóng)藥減量、提高農(nóng)藥利用率的需求，精準(zhǔn)施藥技術(shù)成為果園植保技術(shù)發(fā)展的主要方向，也是目前果園植保研究的熱點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)按需精準(zhǔn)施藥、變量施藥的高效、精準(zhǔn)、智能的施藥技術(shù)和裝備是提高農(nóng)藥藥效與利用率的保證，也是降低農(nóng)民勞動(dòng)強(qiáng)度的重要措施。

通過(guò)Web of Science和中國(guó)知網(wǎng)(CNKI)兩個(gè)檢索平臺(tái)對(duì)近10年關(guān)于果園精準(zhǔn)施藥和無(wú)人機(jī)施藥的科技論文進(jìn)行檢索，并剔除無(wú)關(guān)以及重復(fù)的論文，得到中國(guó)研究者發(fā)表的科技論文數(shù)量如圖20所示，其中2020只統(tǒng)計(jì)第1季度。

精確獲取果樹(shù)冠層結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)施藥的先決條件，在基于激光雷達(dá)獲取冠層結(jié)構(gòu)方面，LI等[82]設(shè)計(jì)基于激光傳感器的果園變量噴霧機(jī)，利用高精度激光傳感器獲取果樹(shù)冠層體積，并實(shí)時(shí)控制噴嘴的流量和噴嘴位置的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，能夠有效節(jié)省藥量，減少地面和空氣中霧滴漂移量。薛秀云等[83]針對(duì)果園變量噴霧中果樹(shù)特征參數(shù)檢測(cè)效率低和對(duì)環(huán)境要求高的缺陷，研究一種基于葉墻面積LWA的果樹(shù)施藥模型，通過(guò)LiDAR獲取葉墻面積LWA，用以表征樹(shù)冠特征參數(shù)(圖21)，試驗(yàn)結(jié)果表明果樹(shù)藥液附著率接近100%，與連續(xù)噴霧和對(duì)靶定量噴霧相比，省藥率為68.34%和32.77%。但是，研究只針對(duì)仿真樹(shù)開(kāi)展，對(duì)實(shí)際果樹(shù)的適應(yīng)性未開(kāi)展研究。此外，姜紅花等[84-85]設(shè)計(jì)了履帶自走式果園自動(dòng)對(duì)靶風(fēng)送噴霧機(jī)，并提出果樹(shù)冠層體積在線計(jì)算方法；LI等[86]開(kāi)發(fā)了基于超聲傳感器的樹(shù)冠密度檢測(cè)系統(tǒng)；SHEN等[87]、CAI等[88]、LIU等[89]開(kāi)展基于激光傳感器的果樹(shù)冠層結(jié)構(gòu)識(shí)別的相關(guān)研究。

表7 果園主要植保方法Tab.7 Main methods of plant protection in orchard

圖18 人工施藥機(jī)具Fig.18 Artificial plant protection equipment

圖19 國(guó)外果園植保裝備Fig.19 Foreign orchard plant protection equipment

圖20 近10年中國(guó)學(xué)者發(fā)表的果園精準(zhǔn)施藥相關(guān)科技論文統(tǒng)計(jì)Fig.20 Statistics of scientific and technological papers related to precision pesticide application in orchards published by Chinese scholars in past 10 years

圖21 樹(shù)冠參數(shù)檢測(cè)分區(qū)Fig.21 Detection segmentation of canopy parameter

在基于單目/雙目相機(jī)獲取冠層結(jié)構(gòu)方面，XIAO等[90]提出一種基于Kinect景深提取算法的果園智能精準(zhǔn)噴藥技術(shù)，通過(guò)Kinect深度圖像和彩色圖像結(jié)合獲取LWA區(qū)域圖像(圖22)，然后根據(jù)LWA的平均距離調(diào)整噴施距離，再根據(jù)LWA密度調(diào)整噴施劑量，能夠提高農(nóng)藥噴施效率，減少浪費(fèi)和環(huán)境污染。

圖22 目標(biāo)樹(shù)提取過(guò)程Fig.22 Procedure of target tree extraction

在作業(yè)效果方面，孫誠(chéng)達(dá)等[91]開(kāi)展了風(fēng)送噴霧霧滴冠層穿透模型構(gòu)建及應(yīng)用的研究，構(gòu)建霧滴穿透比例二次指數(shù)數(shù)學(xué)模型，對(duì)分析霧滴分布規(guī)律有一定參考價(jià)值，但需進(jìn)一步分析噴霧壓強(qiáng)、管路流量、環(huán)境溫度、濕度等因素的影響。ZHAI等[92]設(shè)計(jì)了一種空氣輔助噴霧的噴嘴霧滴沉積特性測(cè)試系統(tǒng)，在空氣輔助噴霧條件下，風(fēng)速越大，液滴沉降受重力影響越小，同時(shí)隨著風(fēng)速的增大，噴霧幅度會(huì)相對(duì)減小。

與地面植保裝備相比，航空植保裝備具有轉(zhuǎn)場(chǎng)便捷、機(jī)動(dòng)靈活、場(chǎng)地適應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn)[93]，近年來(lái)得到快速發(fā)展。GAO等[94]開(kāi)展了基于機(jī)器學(xué)習(xí)方法的無(wú)人植保機(jī)噴霧區(qū)域與非噴霧區(qū)域識(shí)別的研究，并分別進(jìn)行了農(nóng)田和果園的試驗(yàn)，離線識(shí)別成功率分別為74.4%和77%，在線識(shí)別成功率分別為65.1%和75.1%，平均識(shí)別時(shí)間為3.1 ms。ZHENG等[95]、張豪等[96]開(kāi)展多旋翼無(wú)人機(jī)施藥風(fēng)場(chǎng)的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)研究，分別得到風(fēng)速對(duì)噴霧范圍、沉積均勻度、穿透度等因素的影響和無(wú)果樹(shù)、有果樹(shù)下的氣流分布特點(diǎn)，為無(wú)人機(jī)施藥提供了理論參考和作業(yè)參數(shù)優(yōu)化方法(圖23)。

圖23 多旋翼無(wú)人機(jī)風(fēng)場(chǎng)仿真Fig.23 Wind field simulation of multi-rotor UAV

2.5 果園采摘收獲機(jī)械

采摘作業(yè)所需勞動(dòng)量大，具有季節(jié)性強(qiáng)和勞動(dòng)密集等特點(diǎn)，目前果園采摘方式主要包括人工采摘、機(jī)械采摘和智能采摘等。

2.5.1國(guó)外研究現(xiàn)狀

美國(guó)20世紀(jì)40年代開(kāi)始研究振搖式采摘機(jī)械，隨后在歐美國(guó)家得到快速發(fā)展與應(yīng)用。PACHECO[97]設(shè)計(jì)了用于蘋(píng)果采摘的彈簧沖擊式振動(dòng)器，能夠提供1 151 J的沖擊能力。PEZZI等[98]應(yīng)用VL6060型自走式葡萄收獲機(jī)(圖24)研究了振動(dòng)強(qiáng)度和振動(dòng)頻率對(duì)葡萄采摘的影響。NGUYEN 等[99]開(kāi)發(fā)了蘋(píng)果收獲機(jī)器人(圖25)，針對(duì)避障與蘋(píng)果收獲需求，設(shè)計(jì)了分層任務(wù)框架，并進(jìn)行了仿真測(cè)試與試驗(yàn)，在確保任務(wù)與執(zhí)行部件正常通訊的情況下能夠順利完成收獲任務(wù)。

圖24 自走式葡萄收獲機(jī)Fig.24 Self-propelled grape harvester

圖25 蘋(píng)果收獲機(jī)器人Fig.25 Apple harvesting robot

圖26 M-300M型單軌運(yùn)輸機(jī)Fig.26 M-300M monorail transporter

1966年日本NIKKARI最早研發(fā)并推廣應(yīng)用單軌運(yùn)輸機(jī)，其最新的農(nóng)用M-300M型(圖26)，機(jī)頭加單貨箱的尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為3 160 mm×610 mm×790 mm，最大適應(yīng)坡度達(dá)45°，可以輔助采收果實(shí)與生產(chǎn)資料的輸運(yùn)，極大地降低了陡丘陵山區(qū)的生產(chǎn)勞動(dòng)強(qiáng)度。

2.5.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

人工采摘是我國(guó)丘陵山地果園采摘作業(yè)的主要方式，主要是通過(guò)直接手采或者借用手持式采摘工具進(jìn)行作業(yè)，冠層中上部位果實(shí)一般是通過(guò)搭建扶梯或者攀爬完成采摘，人員上下和果實(shí)輸送不便，不僅效率低、勞動(dòng)量大，而且容易造成果實(shí)的損傷。完全依賴人工的采摘方式已不能適應(yīng)林果產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，機(jī)械化采摘和智能化采摘是減少果園采收成本、提高經(jīng)濟(jì)效益的有效途徑。

(1)機(jī)械采摘

振動(dòng)式收獲技術(shù)是目前實(shí)現(xiàn)條件最容易、效果最明顯的機(jī)械收獲方式，其原理是將振動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)械振動(dòng)傳遞給果樹(shù)，使果樹(shù)以一定的頻率和振幅振動(dòng)，從而使果枝上的果實(shí)以某種形式的振動(dòng)而加速運(yùn)動(dòng)，當(dāng)果實(shí)的慣性力大于與樹(shù)枝的結(jié)合力時(shí)，果實(shí)脫落完成收獲過(guò)程。能夠提高收獲效率、降低收獲作業(yè)成本，對(duì)適時(shí)收獲具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，適用于棗類、釀酒葡萄、非鮮食類(加工)類水果的采收。

付函等[100-101]在蘋(píng)果碰撞損傷機(jī)理的研究基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了適用于棚架樹(shù)形的慣性樹(shù)枝激振裝置，通過(guò)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)將電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)樹(shù)枝振動(dòng)，收獲的果實(shí)有89.5%～96.3%能夠達(dá)到美國(guó)農(nóng)業(yè)部鮮蘋(píng)果市場(chǎng)質(zhì)量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，但是激振點(diǎn)的位置以及激振頻率的選擇仍需進(jìn)一步研究。喬園園等[102]設(shè)計(jì)了牽引式林果振動(dòng)采收機(jī)，采用偏心振動(dòng)方式產(chǎn)生激振力，使果樹(shù)振動(dòng)，果實(shí)脫落進(jìn)接果帆布中，但未說(shuō)明激振位置及振動(dòng)頻率的依據(jù)，且整機(jī)(長(zhǎng)×寬×高)為6 500 mm×1 600 mm×2 000 mm，尺寸較大，在丘陵山區(qū)果園適用性較差。PU等[103-104]設(shè)計(jì)了一種基于曲柄搖桿機(jī)構(gòu)急回特性的聯(lián)動(dòng)振動(dòng)機(jī)構(gòu)，由上振動(dòng)系統(tǒng)和下振動(dòng)系統(tǒng)組成，分別搖動(dòng)樹(shù)冠頂部和底部實(shí)現(xiàn)柑橘采收的差別化振動(dòng)，減少樹(shù)冠損傷。以3 km/h的行駛速度和4.7 Hz 的振動(dòng)頻率對(duì)柑橘進(jìn)行振動(dòng)采收時(shí)，其收獲效率為 360～500棵/h，果實(shí)采收率達(dá)82.6%，而樹(shù)冠損傷率僅為 5.4%；袁盼盼等[105]針對(duì)釀酒葡萄機(jī)械化采收時(shí)對(duì)植株損傷大、果粒破損率高、脫粒效率低等問(wèn)題，設(shè)計(jì)曲軸式振動(dòng)脫粒收獲裝置，可根據(jù)釀酒葡萄葉幕寬度調(diào)節(jié)間距。但只針對(duì)單一植株進(jìn)行研究，實(shí)際葡萄園作業(yè)效果未知；散鋆龍等[106]建立了單偏心式和對(duì)稱雙偏心式振動(dòng)激勵(lì)下杏樹(shù)響應(yīng)模型以及杏樹(shù)-采收機(jī)動(dòng)力學(xué)模型，研究了不同振動(dòng)激勵(lì)下杏樹(shù)的響應(yīng)狀態(tài)及杏樹(shù)最佳振動(dòng)采收頻率；此外，HE等[107]、鮑玉冬等[108]、羅鋼[109]、彭俊[110]針對(duì)振動(dòng)收獲過(guò)程中振動(dòng)特性以及對(duì)果實(shí)的影響進(jìn)行仿真與試驗(yàn)分析研究，為果實(shí)振動(dòng)采收技術(shù)的發(fā)展提供一定的理論依據(jù)。

機(jī)械采摘能夠完成果品收獲，節(jié)省勞動(dòng)力，但是整棵果樹(shù)上的果實(shí)成熟時(shí)間不同，采用機(jī)械采摘裝備時(shí)，采收時(shí)期的選擇是影響產(chǎn)量的重要因素，收獲過(guò)程中容易使未成熟果實(shí)脫落，且果實(shí)損傷率較大。隨著智能化技術(shù)的發(fā)展，能夠進(jìn)行自主識(shí)別果實(shí)并進(jìn)行采摘的智能采摘技術(shù)開(kāi)始出現(xiàn)，尤其是采摘機(jī)器人更是近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。

(2)智能采摘

果園智能采摘系統(tǒng)一般包括移動(dòng)機(jī)構(gòu)、機(jī)械手、視覺(jué)系統(tǒng)、末端執(zhí)行器以及控制系統(tǒng)。目前針對(duì)智能采摘技術(shù)的研究主要針對(duì)果實(shí)識(shí)別定位、路徑規(guī)劃以及自主導(dǎo)航等方面。

近年來(lái)，針對(duì)果園智能采摘機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)展了很多研究[111-118]，但是多處于實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)階段或測(cè)試階段，實(shí)際果園作業(yè)中存在光照、嘈雜背景等諸多因素對(duì)果實(shí)識(shí)別定位有較大影響，尤其是丘陵山區(qū)果園地形條件差，存在排水溝、廢棄枝條等障礙物影響采摘機(jī)器人的自主作業(yè)，智能化采收技術(shù)與實(shí)際推廣應(yīng)用還有很大差距。表8為中國(guó)果園采摘機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)的部分研究成果。

(3)索軌輸運(yùn)系統(tǒng)

我國(guó)丘陵山地果園的地形特點(diǎn)，基本不具有車(chē)輛通行的條件，采收果實(shí)及生產(chǎn)資料的輸運(yùn)主要采用人工背負(fù)、肩挑的方式。國(guó)內(nèi)研究者借鑒日韓索軌輸運(yùn)技術(shù)的經(jīng)驗(yàn)，改進(jìn)牽引懸掛、抱軌夾持、上下托索限位等機(jī)構(gòu)，提升現(xiàn)有索軌輸運(yùn)系統(tǒng)的大坡度爬升能力、安全平穩(wěn)性，為解決丘陵山區(qū)果園輸運(yùn)問(wèn)題提供了有效途徑。

洪添勝等[127]設(shè)計(jì)了一種山地橘園鏈?zhǔn)窖h(huán)貨運(yùn)索道(圖28)，索道可根據(jù)地勢(shì)及果樹(shù)種植情況靈活架設(shè)，按一定間隔設(shè)置掛鉤，果農(nóng)可隨意上載和卸下果品和生產(chǎn)物料，生產(chǎn)效率最大6.8 t/h。李善軍等[128]針對(duì)山地果園運(yùn)輸勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低的生產(chǎn)實(shí)際問(wèn)題，設(shè)計(jì)了7YGS-45型雙軌道果園運(yùn)輸機(jī)(圖29a)，采用自走式作業(yè)方式，實(shí)現(xiàn)爬坡、轉(zhuǎn)彎、前進(jìn)、倒退和任意點(diǎn)制動(dòng)等功能，最大爬坡角47°，最小水平轉(zhuǎn)彎半徑8 m，平均運(yùn)行速度1.0 m/s。張俊峰等[129]設(shè)計(jì)了一種山地果園遙控單軌運(yùn)輸機(jī)(圖29b)，單軌依地形鋪設(shè)，能夠適應(yīng)不同地形條件的運(yùn)輸需求；設(shè)計(jì)防脫軌防側(cè)倒裝置，防止運(yùn)行時(shí)脫軌和側(cè)倒?？紤]到索軌系統(tǒng)的建設(shè)成本，其對(duì)果園的覆蓋范圍有限，因此根據(jù)果園分布特點(diǎn)和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)，建立軌/索、車(chē)合理配置的多維網(wǎng)格輸運(yùn)系統(tǒng)，有效降低丘陵山區(qū)采收果實(shí)與生產(chǎn)資料輸運(yùn)的人工與勞動(dòng)強(qiáng)度。

表8 果園采摘機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)研究成果Tab.8 Research on key technologies of orchard picking robot

圖27 智能移動(dòng)水果采摘機(jī)器人Fig.27 Intelligent mobile fruit picking robot

3 丘陵果園機(jī)械裝備生產(chǎn)與推廣現(xiàn)狀

為推進(jìn)我國(guó)丘陵果園機(jī)械化進(jìn)程，農(nóng)機(jī)企業(yè)積極開(kāi)展校企合作，進(jìn)行了果園機(jī)械裝備生產(chǎn)開(kāi)發(fā)與推廣應(yīng)用。對(duì)中農(nóng)博遠(yuǎn)、一拖集團(tuán)、福田雷沃、中聯(lián)重科、江蘇沃得、極飛、大疆等公司的農(nóng)機(jī)產(chǎn)品進(jìn)行了調(diào)研。

在動(dòng)力底盤(pán)方面，一拖集團(tuán)、福田雷沃等公司生產(chǎn)有大批農(nóng)用拖拉機(jī)，針對(duì)丘陵果園作業(yè)環(huán)境來(lái)說(shuō)，存在適用性較差的問(wèn)題。

在果園作業(yè)平臺(tái)方面，中農(nóng)博遠(yuǎn)的3GP-155型自走式平臺(tái)(圖30a)，寬度為1 690 mm，展開(kāi)為3 010 mm，舉升高度為2 350 mm，能夠協(xié)助采摘、疏果、套袋等高位作業(yè)，適用于平緩地勢(shì)果園。圖30b為臨沂伯多祿公司的小型果園作業(yè)平臺(tái)，尺寸約為3GP-155的一半，采用履帶式底盤(pán)，越障能力和爬坡能力更好。

在植保機(jī)械方面，天鷹集團(tuán)生產(chǎn)的TY-800型植保無(wú)人機(jī)(圖31)能夠在果園環(huán)境下全自主作業(yè)，最大載荷25 kg，噴幅7 000 mm，作業(yè)效率8～10 hm2/h；圖32為中農(nóng)博遠(yuǎn)生產(chǎn)的風(fēng)送噴霧機(jī)與風(fēng)送靜電噴霧機(jī)。

圖31 TY-800型植保無(wú)人機(jī)Fig.31 TY-800 plant protection UAV

圖32 中農(nóng)博遠(yuǎn)風(fēng)送與靜電噴霧機(jī)Fig.32 Air-assisted and electrostatic pesticide sprayer

近年來(lái)果園機(jī)械裝備得到快速發(fā)展，在農(nóng)機(jī)購(gòu)置補(bǔ)貼等優(yōu)惠措施下，相關(guān)生產(chǎn)企業(yè)增多，并進(jìn)行了推廣。但是現(xiàn)有裝備中仍以平原果園機(jī)械為主，針對(duì)丘陵山地果園的適用機(jī)械裝備有限，尤其是陡丘陵果園，因此丘陵山地果園機(jī)械裝備具有廣闊的發(fā)展空間與應(yīng)用前景。

4 丘陵果園機(jī)械化面臨問(wèn)題與發(fā)展建議

4.1 丘陵果園機(jī)械化發(fā)展面臨的問(wèn)題

(1)受特殊地理環(huán)境限制，丘陵山區(qū)果園規(guī)模小、地塊間坡度大，種植密度大、喬化程度高及管理粗放，難以改造為條件一致的規(guī)模化果園，嚴(yán)重制約了丘陵山區(qū)林果生產(chǎn)機(jī)械化的發(fā)展。

(2)丘陵果園可用裝備不足，高效經(jīng)濟(jì)型專用裝備缺乏，除部分動(dòng)力底盤(pán)、植保機(jī)械能夠在“整帶”后的緩坡地區(qū)適用外，其他生產(chǎn)環(huán)節(jié)基本無(wú)可用機(jī)械裝備，特別是陡丘陵果園勞動(dòng)強(qiáng)度大的生產(chǎn)環(huán)節(jié)“無(wú)機(jī)可用”是實(shí)現(xiàn)機(jī)械化的現(xiàn)實(shí)難題。

(3)立地條件差、地形條件差、種植制度復(fù)雜等是制約果園機(jī)械化發(fā)展的主要因素，雖然學(xué)者針對(duì)丘陵果園的特殊性進(jìn)行了一系列生產(chǎn)技術(shù)與機(jī)械裝備的開(kāi)發(fā)研究，但是對(duì)復(fù)雜環(huán)境條件的適應(yīng)能力仍然是瓶頸問(wèn)題，也是影響其推廣應(yīng)用的關(guān)鍵因素。

4.2 丘陵果園機(jī)械化發(fā)展建議

隨著林果業(yè)的發(fā)展，果園機(jī)械化程度勢(shì)必會(huì)影響果農(nóng)的經(jīng)濟(jì)效益，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整造成大批勞動(dòng)力轉(zhuǎn)移，傳統(tǒng)人工作業(yè)方式已滿足不了林果業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要。在現(xiàn)有的果園裝備與機(jī)械化生產(chǎn)基礎(chǔ)上，提出階段性發(fā)展建議：

(1)經(jīng)濟(jì)型機(jī)械化生產(chǎn)探索階段(模式1.0)：針對(duì)目前丘陵果園專用裝備缺失，通用裝備適應(yīng)性差問(wèn)題，開(kāi)展作業(yè)測(cè)評(píng)、組合選型和適用性改造等工作，解決部分環(huán)節(jié)生產(chǎn)機(jī)械爬坡越障能力、人機(jī)作業(yè)安全、環(huán)境適用性及性價(jià)比不能滿足經(jīng)濟(jì)性要求的問(wèn)題，打破丘陵山區(qū)梯田式果園與原生態(tài)果園 “無(wú)機(jī)可用”的局面。

(2)經(jīng)濟(jì)型機(jī)械化生產(chǎn)適配階段(模式1.0+)：學(xué)習(xí)意大利、日本的山地種植環(huán)境整改經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行宜機(jī)化改造建園和種植模式改善，提高農(nóng)藝與農(nóng)機(jī)結(jié)合程度，為機(jī)械裝備進(jìn)園作業(yè)提供條件。在動(dòng)力底盤(pán)、冠層管理、植保及采收與輸運(yùn)系統(tǒng)等方面優(yōu)化改進(jìn)、研發(fā)創(chuàng)制適用技術(shù)裝備，形成輕簡(jiǎn)化成套裝備，提高丘陵果園機(jī)械化水平。

(3)大范圍機(jī)械化生產(chǎn)階段(模式2.0)：結(jié)合新技術(shù)提升裝備的智能化水平，形成能夠適應(yīng)階梯地塊大坡度、高頻次轉(zhuǎn)場(chǎng)的自走式智能調(diào)平高位作業(yè)平臺(tái)，具有坡地靶標(biāo)識(shí)別定位與噴霧角度實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)的地面精準(zhǔn)對(duì)靶仿形施藥裝備，可適用不同樹(shù)形修剪要求的多段可變幅自動(dòng)化剪枝裝備，全冠層高效均勻施藥的地面與無(wú)人機(jī)立體協(xié)同精準(zhǔn)植保系統(tǒng)等技術(shù)與裝備，實(shí)現(xiàn)全環(huán)節(jié)機(jī)械化生產(chǎn)，并在部分環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化作業(yè)，推進(jìn)丘陵山區(qū)林果業(yè)向現(xiàn)代高效模式轉(zhuǎn)化的進(jìn)程。