激光處理視角下的柑橘采摘技術(shù)研究現(xiàn)狀及展望*

張恩銘，張新星，陳葉葉，陳席國，吳成成，王 勝，李治丹，陳 超

（衢州職業(yè)技術(shù)學院機電工程學院，浙江 衢 州 324000)

0 引言

柑橘美味多汁，酸甜爽口，富含維生素、有機酸和糖分等人體所需的營養(yǎng)物質(zhì)。 柑橘的果肉可口，可以做成果醬、果汁和罐頭等，是水果食品的重要原材料。 柑橘產(chǎn)品在日常生活中深受人們的歡迎，且很多行業(yè)都有柑橘產(chǎn)品的應(yīng)用。 柑橘的用途廣泛，果皮可以制作橙皮苷、果膠和香精等，也是醫(yī)藥工業(yè)的重要原材料。 柑橘產(chǎn)品不僅可以做成食品和保健品，還可以制作成工業(yè)原料和藥材等。如何更好發(fā)揮柑橘商業(yè)價值，使柑橘產(chǎn)業(yè)鏈更健康發(fā)展，第一步和關(guān)鍵一步都是柑橘果實的采摘。

目前，柑橘采摘以手工為主，機械為輔。 常見的是手工采摘，人工挑取，采摘效率低，勞動強度大，衛(wèi)生狀況難以達標，嚴重影響了柑橘的品質(zhì)和采摘效率，也影響了柑橘進一步開發(fā)和利用。 國外的柑橘采摘設(shè)備雖然先進，但與我國柑橘采摘的現(xiàn)狀并不匹配。 國內(nèi)現(xiàn)有的柑橘采摘設(shè)備雖然部分解決了柑橘采摘效率問題，但受柑橘大小、地形、柑橘位置高低和方向等影響，現(xiàn)有機械采摘柑橘質(zhì)量、效率和優(yōu)果率等與后續(xù)加工要求尚存在提升空間。 因此，筆者嘗試利用激光處理技術(shù)與現(xiàn)代智能技術(shù)集成，研制適應(yīng)復(fù)雜地形要求的新型柑橘采摘設(shè)備，具有重大的現(xiàn)實需求和市場前景。

1 國內(nèi)外柑橘采摘技術(shù)研究現(xiàn)狀

國外的柑橘采摘技術(shù)起步較早。 在澳大利亞、西班牙等諸多國家，由于柑橘品種較優(yōu)良，規(guī)?；N植，有利于進行大規(guī)模機械采摘，將機電一體化技術(shù)充分用于柑橘采摘，大大節(jié)省人力成本，采摘效率較高，采摘后的柑橘品質(zhì)上乘，商品價值較高。 柑橘采摘和果實儲存等工序已基本實現(xiàn)了機械化的流水線作業(yè)。 目前，我國的柑橘采摘技術(shù)尚處于初級階段，開始由人工采摘轉(zhuǎn)向?qū)Ω涕贆C械化采摘進行相關(guān)研究，因此，我國的柑橘采摘技術(shù)具有很大的研究空間，推進我國柑橘采摘技術(shù)的發(fā)展。

2 柑橘采摘技術(shù)

2.1 國外情況

國外的柑橘采摘設(shè)備研制起步較早。 在澳大利亞、西班牙、美國等諸多國家，由于柑橘品種優(yōu)良、規(guī)格劃一，有利于機械化采摘，已基本實現(xiàn)機械化采摘，采摘效率高，節(jié)約了人工成本。

1）2012年，巴西的 Marcelo M. Soares 等科研人員研究出了一種符合人體工程學半機械化收獲柑橘的設(shè)備。利用多平臺的半機械化收割系統(tǒng)對柑橘采摘進行研究，研究表明該設(shè)備的工作條件得到改善，收獲過程中機器的移動量明顯減少[1]，該設(shè)備比原有的半機械化收割設(shè)備生產(chǎn)率提高了60%。

2）2014年初，美國瓦倫西亞農(nóng)業(yè)研究所農(nóng)業(yè)工程中心、 瓦倫西亞理工大學和哥倫比亞國立大學的S. Cubero等研究人員利用移動平臺將計算機視覺系統(tǒng)進行優(yōu)化，使柑橘果實在田間自動預(yù)分級，可以實現(xiàn)節(jié)省柑橘的加工和運輸成本。 該設(shè)備是專門為田間分揀柑橘設(shè)計的，將計算機視覺系統(tǒng)安裝在一個移動平臺上，由工人放置收獲的柑橘。該設(shè)備在采摘柑橘過程中能夠以每秒8 個水果的速度分析水果的顏色和大小，收獲效率較高[2]。

3）2016年上半年，美國佛羅里達大學的S.S. Mehta 等研究人員設(shè)計出一種基于視覺伺服控制的柑橘收獲機器人，經(jīng)過前期研究發(fā)現(xiàn)，風力、樹冠，尤其是柑橘分離力會降低柑橘收獲機器人的工作效率。 原有的高增益控制器控制的機器容易受噪聲的影響，導致其性能不穩(wěn)定。 S.S.Mehta 等研究人員設(shè)計出一種新型柑橘收獲機器人，可以補償非消失的非線性干擾、 精準調(diào)節(jié)機器人的機械手采摘柑橘等水果。 該機器人可行性運動位移是35mm/s～210mm/s，柑橘的運動位移在120mm/s，所以這種新型柑橘收獲機器人可以達到較好的柑橘采摘效果[3]。

4）2019年 4月，西班牙的 Castro-Garcia Sergio 等人研制了一種利用側(cè)向拖拉式冠層振動器的柑橘采摘設(shè)備，有助于提高農(nóng)場的利潤和減少對勞動力的依賴[4]。

5）2019年 12月，西班牙的 Antonio Torregrosa 等人研制出了一種振動篩式的柑橘采摘機械，大大提高了采摘效率，降低了采摘成本[5]。

6）2020年 2月，巴西的 Lidiane Regina Narimoto 等人根據(jù)當?shù)馗涕俨烧F(xiàn)狀設(shè)計了輔助人工采摘的柑橘采摘設(shè)備，但仍以人工為主[6]。

由于國外的柑橘采摘機械設(shè)備是根據(jù)國外柑橘品種和種植模式而設(shè)計，并不能完全滿足我國柑橘品種采摘需求，與我國柑橘種植模式也不相符，且制造和加工環(huán)節(jié)成本較高，無法被國內(nèi)廣大果農(nóng)和企業(yè)所接受。 國外柑橘采摘技術(shù)雖然比較先進，已向智能化柑橘采摘設(shè)備發(fā)展，但未發(fā)現(xiàn)激光切割技術(shù)應(yīng)用到柑橘采摘領(lǐng)域的報道。

2.2 國內(nèi)情況

國內(nèi)柑橘采摘設(shè)備研制較晚，與國外的柑橘采摘技術(shù)存在一定的差距，目前尚處于初級階段，具有很大的研究空間和價值。

1）2015年下半年，江蘇大學和江蘇省農(nóng)產(chǎn)品物理加工重點實驗室的趙杰文等人聯(lián)合研究出了一種應(yīng)用在柑橘采摘機器人的基于飛行時間的三維成像技術(shù)，這種技術(shù)可以使柑橘采摘機器人自動定位識別柑橘位置進行采摘，采摘過程中可避免噪聲干擾以及銳化邊緣的干擾，誤檢率低，自動識別和定位的時間短[7]。

2）2019年，重慶大學聯(lián)合京都大學農(nóng)業(yè)研究生院生物傳感工程實驗室的研究人員設(shè)計了一種新型柑橘采摘機器人。 這種柑橘采摘機器人的末端執(zhí)行器是模仿蛇頭的機構(gòu)的咬合模式，可達到隨柑橘莖稈變化進行采摘，再配合特有的收割姿勢優(yōu)化方法，在實驗環(huán)境下的柑橘采摘率達到89%左右，在自然環(huán)境下柑橘采摘率也能達到74%左右[8]。

3）2019年，衢州學院程亮等人設(shè)計研究輔助采摘柑橘的設(shè)備，該設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，符合普通農(nóng)戶需求，可以節(jié)省人力[9]。 該設(shè)備的主要部件是一種氣動伸縮機構(gòu)，并對該伸縮機構(gòu)的核心零件矩形螺紋進行計算和分析[10]。

4）2019年，華南農(nóng)業(yè)大學聯(lián)合國家柑橘產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系機械化研究室的呂石磊等人對改進柑橘采摘機器人自動識別提出一種新方法，可以有效提高柑橘采摘機器人末端執(zhí)行器的采摘成功率。 減少遮蔽物的干擾，該方法有效提高了柑橘采摘成功率，提高了柑橘采摘效率[11]。

5）2019年下半年，江西理工大學劉靜等人設(shè)計研制一種新型的柑橘采摘機器人，該設(shè)備主要由控制系統(tǒng)、移動平臺、機械手臂、末端執(zhí)行器、上升部件、儲存部件以及運輸部件等組成。 該設(shè)備可以對柑橘進行識別、采摘以及收獲等流水線作業(yè)，可以滿足果園對柑橘的采摘應(yīng)用需求[12]。

6）西安交通大學機械工程學院聯(lián)合重慶理工大學機械工程學院的楊長輝等研究人員共同對柑橘采摘機器人智能識別系統(tǒng)進行了新的研究，該系統(tǒng)將采摘對象和遮蔽物對象進行分類，通過聚類分析，增強了模型對遮蔽物特征的分析能力，提升了柑橘機器人在自然環(huán)境下采摘成功率，可以達到81%左右。 提高了柑橘采摘機器人的采摘成功率。 并且，該設(shè)備采摘效率高，識別分析時間短，提高了柑橘采摘機器人的效率[13]。

7）2020年中旬，福建農(nóng)林大學的張銘耀等研究人員設(shè)計了一種新型柑橘采摘器，這種新型柑橘采摘器具有雙視覺系統(tǒng)，利用光學視覺以及機械視覺雙視覺對柑橘進行精準定位，識別定位后由漏斗式收集裝置捕獲柑橘，由雙圓盤滑切鋸片將柑橘的果梗進行切割，最后柑橘落入到緩沖通道，完成柑橘采摘，該設(shè)備有效減輕了采摘過程的勞動強度，提高了柑橘的采摘效率[14]。

8）2020年，重慶理工大學的馬冀桐和重慶大學的許洪斌等研究人員研制出一種柑橘采摘機器人，這種機器人的機械手臂在采摘柑橘過程中可對枝干等障礙物進行感知，然后自行躲避障礙。 在仿真實驗環(huán)境下，樣機的避障率可達到91%左右，規(guī)劃時間少[15]。

國內(nèi)的柑橘采摘技術(shù)已經(jīng)有較大突破，但激光處理技術(shù)與現(xiàn)代智能技術(shù)集成應(yīng)用于柑橘采摘還未見報道，將激光切割技術(shù)應(yīng)用于提升柑橘采摘率方面仍有待研究。

3 結(jié)束語

綜上所述，國內(nèi)外的柑橘采摘技術(shù)在采摘效率和采摘成功率等方面都取得了很大的突破。 但是由于其單一機械的采摘方式，柑橘采摘的質(zhì)量和能耗等方面尚有進一步可改進的空間。 有些研究人員提出利用激光切割技術(shù)應(yīng)用到農(nóng)產(chǎn)品的采摘和加工方面，可以很大程度提高農(nóng)產(chǎn)品的采摘效率和提高柑橘的優(yōu)果率。 激光切割技術(shù)可控性強，準確性搞，可以避免在采摘過程中對果實造成機械性損傷。 目前鮮有報道關(guān)于將激光切割技術(shù)應(yīng)用于柑橘采摘技術(shù)中。 有關(guān)研究表明，將激光切割技術(shù)應(yīng)用到農(nóng)產(chǎn)品的采摘和加工可以有效提高農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)和減少能耗，改良傳統(tǒng)的單一機械設(shè)備采摘柑橘的模式，嘗試利用激光處理技術(shù)與現(xiàn)代智能技術(shù)集成，使柑橘采摘設(shè)備更加的自動化，提高其智能化水平，使柑橘采摘產(chǎn)業(yè)更加綠色節(jié)能的可持續(xù)發(fā)展。