竹筍探測、采收機(jī)器人發(fā)展研究

蔣鵬飛， 張 彬1，*， 傅萬四， 周建波1，， 陳忠加， 羅 梅， 韓 望， 劉延鶴， 馮 波

(1.中國林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)新技術(shù)研究所，北京100091；2.國家林業(yè)和草原局北京林業(yè)機(jī)械研究所，北京100029；3.北京林業(yè)大學(xué)，北京100083；4.中國林場集團(tuán)有限公司，北京 100029；5.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018)

我國竹材資源豐富，竹子種類、竹林面積約占全球的三分之一，素有竹子王國之稱。據(jù)統(tǒng)計，2019年我國干竹筍產(chǎn)量近100 萬t[1]。竹筍是頗具營養(yǎng)價值的天然低脂、低熱量食物，素有“天然保健食品”的美譽(yù)。受限于竹筍探測難、采收難的現(xiàn)狀，我國竹筍產(chǎn)業(yè)一直處于供不應(yīng)求的狀態(tài)，且竹筍價格居高不下。目前，我國竹筍的探測完全依靠竹農(nóng)的經(jīng)驗(yàn)來實(shí)現(xiàn)，確定竹筍的位置后人工完成竹筍的挖掘，這耗費(fèi)了大量人力、物力，且效率較低[2-4]。竹筍探測和采收機(jī)器人的研發(fā)可有效解決以上問題，使用成本可控，方便、準(zhǔn)確?？焖俚闹悄芑窆S探測和機(jī)械化竹筍采收技術(shù)設(shè)備代替人力勞動，可減少勞動力成本，提高行業(yè)機(jī)械化、自動化和智能化水平，對加速竹筍行業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

1 竹筍探測發(fā)展現(xiàn)狀

我國竹筍資源豐富，全年均有竹筍產(chǎn)出。市場上較為常見的毛竹及方竹產(chǎn)筍期集中于8月下旬至9月(方竹筍及少量毛竹鞭筍)、12月至1月(毛竹冬筍)[5]。尤其是毛竹冬筍，其上市時間與我國農(nóng)歷春節(jié)重疊，旺盛的市場需求為竹農(nóng)帶來較高的經(jīng)濟(jì)收益。由于相關(guān)探測技術(shù)及設(shè)備缺乏，竹筍的探尋較為困難。以毛竹冬筍為例，冬筍一旦出土，其營養(yǎng)價值和口感就大幅下降。鮮嫩的竹筍生長于淺層土壤，距離地表約0～50 cm[6]，目前通常由竹農(nóng)根據(jù)毛竹生長情況、當(dāng)?shù)鼐唧w環(huán)境，結(jié)合自身豐富的經(jīng)驗(yàn)探尋冬筍，并沒有專用于探測冬筍以及其他地下作物的儀器。結(jié)合植物根系探測的研究，相關(guān)探測方法如探地雷達(dá)法、電阻率法、氣味傳感器法等可為竹筍探測帶來新技術(shù)、新思路、新方法。

1.1 微波反射法

探地雷達(dá)(GPR)是一種射頻(0.1～3 GHz)電磁技術(shù)，其基于探測不同地下物體電磁特性差異的物理前提[7]，通過連續(xù)發(fā)射信號并采集頻域回波數(shù)據(jù)探測地下物體，是一種淺近地表有效的無損探測方法。

2012年，Hirano利用探地雷達(dá)對試驗(yàn)場地內(nèi)6 株植物根莖進(jìn)行探測并得到圖像，并與挖出的根系進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，直徑小于1 cm的根無法被精確地探測出來[8]。目前在植物根系探測領(lǐng)域，能夠通過GPR技術(shù)識別的植物根系最小直徑為0.5 cm[9]，而毛竹冬筍胸徑一般在5 cm以上，細(xì)小的方竹筍基徑也在1.5～5.4 cm之間[10]，因此GPR技術(shù)可有效識別冬筍的直徑。竹筍含水率與土壤組分的較大差異也有利于探地雷達(dá)的探測，姚兆斌等檢測了不同生長階段毛竹器官含水率，發(fā)現(xiàn)在竹子生長環(huán)節(jié)中，竹筍的含水率最高，在生長周期中變化也最大[11]。較深層土壤的含水量一般為0.32～0.34 m3[12]，竹筍與土壤含水率的差異為探地雷達(dá)的有效探測提供了條件。通過以上分析，探地雷達(dá)(GPR)技術(shù)可成為竹筍探測的有效手段，但同樣存在一些需進(jìn)一步研究的問題。Butnor等研究了GPR基于1.5 GHz天線對三種不同土壤條件根系的探測結(jié)果，發(fā)現(xiàn)砂質(zhì)排水良好的30 cm深土壤下的分辨率最高[13]。竹筍通常生長于地下0～50 cm處，探測深度越深，脈沖信號能量衰減越大，探測結(jié)果估算誤差就越大，這在一定程度上限制了GPR在竹筍探測領(lǐng)域的應(yīng)用。此外探地雷達(dá)需要對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行再處理及成像，各種復(fù)雜電路以及3D成像軟件的研發(fā)，使得探地雷達(dá)的成本昂貴[14]。雖然理論和實(shí)踐都表明探地雷達(dá)(GPR)較為適合竹筍探測，但由于其操作復(fù)雜、成本高昂，就目前我國的竹筍生產(chǎn)條件而言，其暫時并不適合向廣大竹農(nóng)推廣使用，還需降低探地雷達(dá)的生產(chǎn)成本，才能適于大面積推廣。

1.2 電阻率法

電阻率法是通過向被測對象注入電流，測量電壓分布，根據(jù)不同物質(zhì)的電導(dǎo)率分布，可以實(shí)現(xiàn)對被測對象內(nèi)部情況的無損探測。電阻率法主要包括電阻抗斷層成像(EIT)、并行電法等。

目前，EIT技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域發(fā)展多年，但受到其成像分辨率較低和對醫(yī)學(xué)影像信息反映不全面的局限性，沒有形成推廣應(yīng)用[15]。2011年，北京交通大學(xué)提出了一種利用電阻率層析成像(ERT)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對植物地下根莖生長狀況的有效檢測方法[16]。Garre等利用電阻率成像法研究了不同土壤水分環(huán)境對植物根系生長情況造成的影響[17]。2014年，西北農(nóng)林大學(xué)應(yīng)用EIT技術(shù)，能夠比較準(zhǔn)確地檢測出土壤中直徑18 mm楓樹根的位置[18]。Sudha等采用電阻率成像法，能夠很好地反映地下深達(dá)24 m的土壤質(zhì)地和結(jié)構(gòu)情況[19]。由于竹筍的電參量相對單一且具有較規(guī)則的幾何形狀，將EIT技術(shù)應(yīng)用于竹筍檢測中具有很大的可行性[20]。竹筍尤其是冬筍，通常在雨后迅速生長，幾天時間就可長出地表。當(dāng)雨后土壤含水率較高時，EIT成像質(zhì)量更好，對淺層土壤中竹筍的探測效率將進(jìn)一步提高。

安徽理工大學(xué)陳雨等提出了一種基于并行電法的冬筍探測方法，能夠有效探測出深度約為0.3 m的冬筍，對埋深0.2 m左右的冬筍探測效果尤為顯著，但是此方法探測冬筍可能存在非冬筍引起的虛假探測情況[21]。

電阻率法探測竹筍效果較好，然而實(shí)際應(yīng)用時需要布置復(fù)雜的電磁激勵裝置，并且專用的電阻率探測設(shè)備體積龐大、價格昂貴，當(dāng)前不適合竹農(nóng)廣泛使用。

1.3 氣味傳感器法

由氣敏傳感器陣列和模式識別系統(tǒng)構(gòu)成的電子鼻技術(shù)，是一種模仿生物鼻功能對氣味進(jìn)行分析處理的電子系統(tǒng)，可以對不同樣品散發(fā)的氣味物質(zhì)進(jìn)行感知、分析和判斷，實(shí)現(xiàn)物質(zhì)識別[22-24]。

電子鼻和電子舌最開始被廣泛用于酒類、肉制品的檢測，近年來逐漸應(yīng)用到環(huán)境檢測、水果質(zhì)量監(jiān)測等領(lǐng)域。2013年田秀英等研究了一種基于電子鼻的檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)ν寥兰巴寥乐苓吙諝庵械挠卸居泻怏w實(shí)現(xiàn)有效檢測[25]。Valentina Centonze等利用電子鼻結(jié)合質(zhì)譜技術(shù)對產(chǎn)自意大利、南非和西班牙的柑橘的揮發(fā)性成分進(jìn)行分析，結(jié)果表明電子鼻結(jié)合質(zhì)譜技術(shù)可對柑橘進(jìn)行地理來源的鑒定[26]。2018年，四川農(nóng)業(yè)大學(xué)開發(fā)了一種可以根據(jù)茶葉氣味評價茶葉品質(zhì)的電子鼻系統(tǒng)[27]，證明了電子鼻可以對植物揮發(fā)性成分進(jìn)行直接檢測。竹筍雖然生長在地下，但其會揮發(fā)特有的氣味，一些野生動物如大熊貓、野豬等可敏銳地察覺并找出埋在地下的竹筍。常志勇等[28]發(fā)明了一種仿鼢鼠鼻腔電子鼻，很好地解決了地下氣體檢測的問題。潘雁紅[29]等人的研究結(jié)果也證實(shí)了各種竹筍氣味存在差異性，并且電子鼻技術(shù)能準(zhǔn)確地區(qū)分多種竹筍。但是，竹筍透過土壤散發(fā)出的氣味已十分稀薄，受限于電子鼻的探測距離和量程，探測的準(zhǔn)確率會大受影響。同時，竹林中存在其他動植物的氣味也會對電子鼻的探測造成干擾。目前針對電子鼻探測竹筍的相關(guān)研究較少，電子鼻應(yīng)用于竹筍探測領(lǐng)域還需進(jìn)一步發(fā)展。

2 竹筍采收發(fā)展現(xiàn)狀

竹筍肉質(zhì)鮮美，營養(yǎng)豐富，但如果不能在合適期間及時采收，纖維則會逐漸增多影響食用口感。同時，未采收的竹筍會繼續(xù)生長，導(dǎo)致能夠生長為成竹的竹筍缺少必要的養(yǎng)分和地下空間，無法正常生長，進(jìn)而造成竹林系統(tǒng)退化、衰敗[30]。

目前，竹筍采收和竹筍探測同樣面臨著幾乎完全依靠人工的問題，一些經(jīng)驗(yàn)豐富的竹農(nóng)采收竹筍一天可收獲幾十斤，而毫無經(jīng)驗(yàn)的人則可能一無所獲。同時，由于采挖竹筍費(fèi)時費(fèi)力，現(xiàn)有的勞動人群主要為中老年農(nóng)戶，年輕人絕大多數(shù)不愿意從事這樣勞動強(qiáng)度大、效益低的采筍工作。此外，不合理的挖掘還會對竹林的可持續(xù)發(fā)展造成負(fù)面影響，如在疏竹林和竹林邊緣挖掘會影響竹林的擴(kuò)展，進(jìn)而減少竹筍數(shù)量；漫無目的的挖掘會減少春筍和留養(yǎng)成竹的數(shù)量；倒鞭挖掘會傷害竹鞭、竹根和鞭芽，破壞竹筍和竹材的生長基礎(chǔ)；挖掘后不重新覆土?xí)?dǎo)致竹材受凍害，導(dǎo)致爛根、爛鞭、爛芽等現(xiàn)象的發(fā)生[31]。

針對竹筍采收工作完全依靠竹農(nóng)經(jīng)驗(yàn)來實(shí)現(xiàn)，確定竹筍的位置后人工完成竹筍的挖掘，耗費(fèi)大量人力、物力且效率較低的問題，國內(nèi)相關(guān)研究人員進(jìn)行了竹筍采收機(jī)械裝備的初步探索。蔡琛輝等研究了一款竹筍采挖集運(yùn)機(jī)[32]，梁健[33]等發(fā)明了一種竹筍自動采收機(jī)。目前而言，有關(guān)竹筍采收的機(jī)械化裝備研究較少，需加大竹筍采收裝備的研發(fā)力度。

3 存在的問題及發(fā)展趨勢

3.1 存在的問題

目前我國竹筍探測、采收機(jī)器人的研發(fā)大多處于試驗(yàn)階段，由于各種原因尚無法普及，主要存在以下幾方面問題。

(1)山區(qū)竹林作業(yè)環(huán)境復(fù)雜。我國竹林資源主要集中在長江以南和西南山區(qū)，竹林山地環(huán)境復(fù)雜惡劣，山高坡陡，大型機(jī)器裝備無法進(jìn)入。大部分竹林為散生林，人工管護(hù)較少，未經(jīng)過宜機(jī)化改造，對機(jī)械裝備的適應(yīng)性要求高，所以竹筍探測、采收機(jī)器人在研發(fā)與推廣中存在較大難度。

(2)竹筍生長具有隨機(jī)性。以種植最廣泛的毛竹為例，其地下的鞭根系統(tǒng)由同一母竹發(fā)出，各年齡竹鞭和鞭根相互聯(lián)結(jié)，竹筍伴隨著竹鞭而生，其生長位置受母竹竹齡影響，同時與當(dāng)年氣候環(huán)境、施肥情況都有關(guān)系，所以生長位置具有較大的隨機(jī)性[34-36]。竹筍生長位置的無規(guī)律性對探測、采收機(jī)器人在竹林間的作業(yè)有較大影響，在一定程度上增加了探測和采收難度。

(3)探測技術(shù)設(shè)備成本高，操作復(fù)雜?，F(xiàn)有的探測技術(shù)難以直接應(yīng)用到竹筍探測領(lǐng)域，主要原因在于探測傳感器價格昂貴，探得竹筍的收益無法滿足傳感器的成本；探測的儀器設(shè)備使用復(fù)雜，專業(yè)性強(qiáng)，難以在廣大的竹林農(nóng)戶中推廣使用；受限于竹林環(huán)境復(fù)雜，單一傳感器的探測效果并不明顯，效率較低[34]，竹筍的智能化探測、機(jī)械化采收就更無從談起。

(4)研發(fā)人才和平臺缺乏。國內(nèi)、國際上從事竹產(chǎn)業(yè)機(jī)器人研究的專業(yè)技術(shù)人員較少，行業(yè)科技領(lǐng)軍人才和優(yōu)秀拔尖人才稀缺。目前國內(nèi)除少數(shù)幾家科研院所有一定的嘗試性研究外，竹筍探測、采收相關(guān)的科技論文及產(chǎn)品尚少見報道。對于竹筍產(chǎn)業(yè)相關(guān)的科研關(guān)注較少，在一定程度上也制約了行業(yè)的快速發(fā)展。

3.2 未來發(fā)展趨勢

林業(yè)機(jī)械化是林業(yè)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志[37]，隨著科技發(fā)展、勞動力減少、人口勞動結(jié)構(gòu)的調(diào)整，深入研發(fā)竹筍探測、采收機(jī)器人是未來發(fā)展的必然趨勢，并將極大推動我國竹筍產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展。

3.2.1 機(jī)器人技術(shù)及遠(yuǎn)程自動控制

竹林環(huán)境復(fù)雜、障礙物多、道路崎嶇，對機(jī)器人自主移動、定位導(dǎo)航都提出了極大考驗(yàn)。在這樣的背景下，我國竹筍探測急需更加智能的探測機(jī)器人。這種機(jī)器人需要在竹林山地自主行走，能夠避免各種環(huán)境因素干擾，準(zhǔn)確探知竹筍位置，同時考慮到竹筍的生理特征，實(shí)現(xiàn)無損采收。借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)裝備的飛速發(fā)展，構(gòu)建一套完整的有人監(jiān)控下的“無人”作業(yè)模式，即機(jī)器人不但能自主進(jìn)行竹筍探測采收，必要時相關(guān)技術(shù)人員也可手動操縱探測、采收機(jī)器人完成作業(yè)任務(wù)。

實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，需要對機(jī)器人在弱信號下的導(dǎo)航定位、竹林復(fù)雜環(huán)境下的自主避障、竹筍位置的精確探測和無損采收進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，構(gòu)建完整的人-機(jī)交互系統(tǒng)，找到竹筍探測、采收機(jī)器人的最佳作業(yè)方法、更為合理的機(jī)器人結(jié)構(gòu)以及更加低廉的成本，最終才能實(shí)現(xiàn)竹筍探測、采收機(jī)器人的廣泛應(yīng)用與大面積推廣。

3.2.2 竹筍探測、采收機(jī)器人發(fā)展措施

(1)政府積極引導(dǎo)。目前我國對竹筍產(chǎn)業(yè)相關(guān)智能裝備研發(fā)、制造的扶持力度不足，政府和行業(yè)協(xié)會缺乏權(quán)威性的指導(dǎo)和協(xié)調(diào)，嚴(yán)重制約了我國竹筍探測、采收機(jī)器人的發(fā)展和推廣。相關(guān)部門應(yīng)加大科技層面的投入，加強(qiáng)政策支持和市場引導(dǎo)[38]，加快推進(jìn)竹筍產(chǎn)業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)研發(fā)自主化，保障生產(chǎn)需要，促進(jìn)林草業(yè)機(jī)器人的產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

(2)加強(qiáng)竹筍產(chǎn)業(yè)研發(fā)條件保障。改變傳統(tǒng)竹林竹筍經(jīng)營理念，逐步對竹林區(qū)進(jìn)行宜機(jī)化改造，形成適宜機(jī)械化裝備野外作業(yè)的環(huán)境。同時，以國家級科研院所為牽頭單位，建立竹筍探測、采收、加工產(chǎn)學(xué)研平臺，促進(jìn)我國竹產(chǎn)業(yè)先進(jìn)制造技術(shù)全面升級。

(3)突破竹筍探測、采收機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)。加大對竹筍探測、采收機(jī)器人多功能、復(fù)雜性理論的科研投入，重點(diǎn)研究多傳感器融合，作業(yè)點(diǎn)高精度重復(fù)巡邏、采收力學(xué)性能等相關(guān)理論和算法，突破竹林山地越障技術(shù)、淺層土壤高精度無損探測技術(shù)、竹筍識別及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的精準(zhǔn)采收技術(shù)等。

(4)重視人才培養(yǎng)，建立產(chǎn)學(xué)研技術(shù)體系。重視竹筍探測、采收智能裝備研發(fā)人才的培養(yǎng)是推動竹筍產(chǎn)業(yè)發(fā)展非常重要的環(huán)節(jié)，可在相關(guān)職業(yè)技術(shù)學(xué)院開設(shè)竹筍探測、采收裝備制造管理維修職業(yè)教育；在相關(guān)農(nóng)林類高校、科研院所建立完善的竹筍產(chǎn)業(yè)機(jī)器人學(xué)科領(lǐng)域的本、碩、博人才培養(yǎng)體系，以適應(yīng)智能裝備的快速發(fā)展。

4 結(jié)論

本文介紹了目前竹筍探測、采收作業(yè)的相關(guān)研究現(xiàn)狀，論述了相關(guān)技術(shù)應(yīng)用和研究進(jìn)展。作為一種特種機(jī)器人，竹筍探測、采收機(jī)器人為解決竹筍探測、采收作業(yè)的勞動力問題提供了一種較為合適的方案。勞動力成本和產(chǎn)業(yè)對勞動力需求的增加，以及迅速發(fā)展的計算機(jī)、電子設(shè)備和傳感器成本的降低，將共同推動竹筍探測、采收機(jī)器人實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用。

以人工智能和林業(yè)機(jī)器人等為代表的智慧林業(yè)技術(shù)已經(jīng)成為世界林業(yè)科技發(fā)展的新方向和新趨勢，并將促進(jìn)林業(yè)生產(chǎn)方式的變革。雖然目前一些相關(guān)技術(shù)尚未成熟，一些研究成果仍處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。但是，相信隨著自動化、智能化技術(shù)的發(fā)展，竹筍探測、采收機(jī)器人將幫助竹農(nóng)從繁重的人工作業(yè)中解放出來，為竹筍行業(yè)的發(fā)展提供有力的支撐，為我國特色竹資源的綜合利用提供有效的保障。