藍(lán)莓機(jī)械采摘技術(shù)研究進(jìn)展.pdf

11 郭建軍 等 藍(lán)莓機(jī)械采摘技術(shù)研究進(jìn)展第4期 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備第46卷 第4期 2025年8月 Vol 46 No 4 Aug 2025Modern Agricultural Equipment 藍(lán)莓機(jī)械采摘技術(shù)研究進(jìn)展 郭建軍 1 黃婷立 1 戴 月 1 肖雨曉 1 丁云志 1 徐應(yīng)祥 2 1 仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院人工智能學(xué)院 廣東 廣州 510225 2 仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院數(shù)學(xué)與數(shù)據(jù)科學(xué)學(xué)院 廣東 廣州 510225 摘 要 隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化的不斷推進(jìn) 藍(lán)莓作為經(jīng)濟(jì)價值較高的漿果類作物 產(chǎn)業(yè)前景廣闊 最費時費力的藍(lán)莓產(chǎn) 業(yè)鏈環(huán)節(jié)是藍(lán)莓采摘 傳統(tǒng)人工采摘存在損傷率較高 成熟度篩選的準(zhǔn)確度不足以及勞動成本高等問題 難以大規(guī) 模 高效地采摘藍(lán)莓 因此 智能藍(lán)莓機(jī)械化采摘技術(shù)對于促進(jìn)藍(lán)莓產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要的意義 本文簡述了藍(lán)莓機(jī)械 化采摘技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 然后對當(dāng)前較為流行的藍(lán)莓機(jī)械采摘中所使用的智能小車硬件系統(tǒng)和軟件核心算法進(jìn) 行了綜述 并對藍(lán)莓采摘技術(shù)中存在問題進(jìn)行了分析和總結(jié) 最后展望了藍(lán)莓機(jī)械化采摘技術(shù)未來的發(fā)展方向 關(guān)鍵詞 藍(lán)莓 采摘 機(jī)械化 采摘效率 中圖分類號 S225 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A doi 10 3969 j issn 1673 2154 2025 04 002 收稿日期 2024 12 30 基金項目 廣東省農(nóng)村科技特派員項目 KTP20240590 KTP20240597 作者簡介 郭建軍 1982 男 博士 副教授 主要從事設(shè)施農(nóng)業(yè) 智慧農(nóng)業(yè)等研究 E mail guojianjun 通信作者 徐應(yīng)祥 1978 男 博士 副教授 主要從事設(shè)施農(nóng)業(yè) 智慧農(nóng)業(yè)等研究 E mail xuyx 78 0 引言 隨著全球人口增長和消費模式的變化 農(nóng)業(yè)產(chǎn) 業(yè)正經(jīng)歷著前所未有的變革 在這一背景下 藍(lán)莓 作為一種高營養(yǎng)價值和高經(jīng)濟(jì)價值的漿果 其全球 需求量持續(xù)增長 市場前景廣闊 1 藍(lán)莓富含抗氧 化劑 維生素和礦物質(zhì) 具有促進(jìn)健康和預(yù)防疾病 的功效 因而在健康食品市場中占有重要地位 2 然 而 藍(lán)莓的人工采摘勞動強(qiáng)度大 效率低 且成本 高昂 一定程度上限制了藍(lán)莓產(chǎn)業(yè)的規(guī)?；同F(xiàn)代 化發(fā)展 3 自 20 世紀(jì)中葉以來 藍(lán)莓機(jī)械采摘技術(shù)的研究 和開發(fā)已取得顯著進(jìn)展 3 在國外 尤其是美國 在 藍(lán)莓種植和機(jī)械采摘技術(shù)的研究上 研制了一系列 成熟的藍(lán)莓采摘機(jī)械 在提高采摘效率 降低果實 損傷率方面發(fā)揮了重要作用 國內(nèi)相關(guān)研究雖起步 較晚 但近年來也取得了一定的進(jìn)展 特別是在藍(lán) 莓采摘機(jī)的設(shè)計 振動采摘機(jī)理分析以及機(jī)器視覺 識別技術(shù)等方面取得了較好的成果 4 然而 藍(lán)莓機(jī)械采摘技術(shù)的發(fā)展仍面臨諸多挑 戰(zhàn) 國內(nèi)外藍(lán)莓多元化的種植模式 多樣化的品種 特性以及復(fù)雜的農(nóng)藝實踐等的差異 對采摘機(jī)械的 適應(yīng)性和功能性提出了更高要求 5 此外 藍(lán)莓果實 的易損性 采摘過程中的果實品質(zhì)保持以及采摘 后的果實處理等 也是機(jī)械采摘需要解決的關(guān)鍵 問題 6 因此 對藍(lán)莓機(jī)械采摘技術(shù)的研究不僅需要 關(guān)注采摘效率的提升 還要兼顧果實品質(zhì)的保護(hù)和 采摘成本的降低 7 當(dāng)前 數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用推動了藍(lán)莓機(jī)械化技 術(shù)向智能化發(fā)展 硬件功能是要實現(xiàn)自動采摘 軟 件功能是要能夠準(zhǔn)確識別藍(lán)莓果實 從而對硬件和 軟件都提出了新的要求 1 藍(lán)莓機(jī)械化采摘技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1 1 國外研究現(xiàn)狀 國外藍(lán)莓機(jī)械采摘的發(fā)展歷史始于20世紀(jì)中葉 美國學(xué)者 SCHERTZ 和 BROWN 在 1968 年首次提出 了將機(jī)器技術(shù)應(yīng)用于果蔬收獲的理念 這一創(chuàng)新思 想開啟了農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人領(lǐng)域的研究浪潮 8 最初的 采摘機(jī)器主要采用單一的沖程推搖方式 該方式的 自動化和智能化程度并不高 盡管收獲機(jī)器人可以 12 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備 2025年 在一定程度上實現(xiàn)自動化 但仍然需要人員參與協(xié) 調(diào)操作 因此 它們被視為半自動化的收獲裝備 隨著科技的發(fā)展 傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)逐漸融入了機(jī)械 化作業(yè) 生物技術(shù) 自動化培育設(shè)施等現(xiàn)代科技 形成了新型產(chǎn)業(yè) 在推動果蔬采摘自動化的進(jìn)程中 藍(lán)莓采摘機(jī)器人扮演了至關(guān)重要的角色 全球范圍 內(nèi) 眾多國家紛紛投身于藍(lán)莓收獲機(jī)器人技術(shù)的研 究與開發(fā) 極大地促進(jìn)了該領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步 就藍(lán) 莓的機(jī)械化采摘而言 國際上的采摘機(jī)主要以振動 方式分類 分為旋轉(zhuǎn)振動式和擺動振動式 2 種 同時 根據(jù)行走方式的不同 又可劃分為牽引式和自走式 2 大類 9 盡管藍(lán)莓采摘機(jī)的類型各異 但它們在振動 采摘的基本原理上是一致的 美國BEI公司研制了一種自走式藍(lán)莓采摘機(jī) 該機(jī)器的振動機(jī)構(gòu)采用了一種基于數(shù)值優(yōu)化的布局 方案 通過振動和搖動來分離果實與果枝 該研究 為藍(lán)莓等漿果類作物的機(jī)械化采摘提供了參考 西 班牙公司 CAMPAGNOLA IBERICA 生產(chǎn)的主要針對 藍(lán)莓的Starberry MD2采摘槍將藍(lán)莓采摘速度提升 了5倍 10 波蘭的JAGODA公司推出了一款名為 OSKAR 4WD Plus 的自行式藍(lán)莓收獲機(jī) 這款機(jī)器裝 有以一定傾斜角度安裝的振動設(shè)備 其振動力度和 傾斜度均可通過液壓系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié) 其輸送帶距離 被采摘的藍(lán)莓枝條不超過 10 cm 有效降低了果實在 采摘過程中的損傷率 國外部分研發(fā)單位對機(jī)械化 采摘設(shè)備的研究貢獻(xiàn)如表 1 所示 表1 國外部分研發(fā)單位對機(jī)械化采摘設(shè)備的研究貢獻(xiàn) Tab 1 Contributions of some foreign research and development units to mechanized harvesting equipment 類別 年份 年 貢獻(xiàn) 研究機(jī)構(gòu) 公司 實現(xiàn)結(jié)果 機(jī)械 振動式 2005 設(shè)計了一款自走式振動采摘機(jī) 其振動機(jī)構(gòu)被設(shè)計為垂直安裝 美國 BEI 公司 已經(jīng)在國際上的藍(lán)莓收獲工作中 被廣泛采用 2012 研發(fā)自走式采收機(jī) 波蘭 JAGODA 公司 降低了果實破損率 2008 研發(fā)一款豎直布置的采收機(jī) 美國 LITTAU 公司 通過自由旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)振動收獲 2010 研發(fā)牽引式采收機(jī) 美國 OXBO 公司 通過往復(fù)振動實現(xiàn)高效采收 氣力式 2014 研發(fā)脈沖氣流漿果采收機(jī) 塞爾維亞 BSKAIR TECHNOLOGIES 公司 采收破損率極低 2011 經(jīng)改進(jìn)評估后的 OTR 藍(lán)莓收獲機(jī) GALLARDO 等 氣力式可實現(xiàn)無損采摘 半機(jī) 械化式 2009 創(chuàng)造了一款便于手持和攜帶的 藍(lán)莓采摘設(shè)備 MALLADI 等 采收效果較好 2013 評估了一種半機(jī)械收獲系統(tǒng) FUMIOMI等 TAKEDA等 SARGENT 等 采收效果較好 采摘 機(jī)器人 2015 研發(fā)機(jī)器人平臺 SUN 等 為后續(xù)研發(fā)提供依據(jù) 1 2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 國內(nèi)藍(lán)莓機(jī)械化采摘技術(shù)的研究起步較晚 2005 年前后 一些農(nóng)業(yè)機(jī)械研究機(jī)構(gòu)和高校開始關(guān) 注藍(lán)莓采摘機(jī)械化的問題 進(jìn)行了初步的探索和研 究 11 2010 年 東北林業(yè)大學(xué)研究團(tuán)隊在藍(lán)莓采摘 機(jī)械領(lǐng)域取得了突破 成功研發(fā)出手推式矮叢藍(lán)莓 采摘機(jī) 該設(shè)備利用振動原理 通過物理振動使藍(lán) 莓果實從枝條上脫落 提高了采摘效率 降低了人 工成本 12 2012年 北華大學(xué)的研究人員利用ADAMS軟 件進(jìn)行運動學(xué)分析 開發(fā)了一款抖動式藍(lán)莓采摘機(jī) 該機(jī)器通過構(gòu)建剛?cè)狁詈夏Ｐ?優(yōu)化了采摘半徑和 偏心塊的旋轉(zhuǎn)速度 進(jìn)一步提升了采摘的精確度和 效率 13 2014 年 中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院與企 業(yè)合作 推動了藍(lán)莓采摘機(jī)械的商業(yè)化進(jìn)程 例如 與吉林某農(nóng)機(jī)企業(yè)合作開發(fā)的自走式藍(lán)莓采摘機(jī) 該機(jī)器能夠在不同地形條件下穩(wěn)定作業(yè) 有效降低 了果實損傷率 隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展 2017 年前后 國內(nèi) 一些科技公司開始將機(jī)器視覺和圖像識別技術(shù)應(yīng)用 于藍(lán)莓采摘機(jī)械 北京某科技公司開發(fā)了一款集成 機(jī)器視覺的藍(lán)莓采摘機(jī)器人 能夠自動識別成熟藍(lán) 13 郭建軍 等 藍(lán)莓機(jī)械采摘技術(shù)研究進(jìn)展第4期 莓并精確采摘 大幅度減少了人力需求 在藍(lán)莓等 高附加值作物的采摘機(jī)械化方面 國家林業(yè)局 948 項目支持了多項藍(lán)莓采摘技術(shù)的研究與開發(fā) 促進(jìn) 了研究成果的轉(zhuǎn)化和推廣 由上可知 國內(nèi)藍(lán)莓機(jī) 械化采摘技術(shù)已經(jīng)從最初的理論研究到實際應(yīng)用的 轉(zhuǎn)化 再到智能化技術(shù)的集成 逐步取得技術(shù)進(jìn)步 并不斷推動產(chǎn)業(yè)升級 國內(nèi)部分研發(fā)單位對機(jī)械化 采摘設(shè)備的研究貢獻(xiàn)如表 2 所示 表2 國內(nèi)部分研發(fā)單位對機(jī)械化采摘設(shè)備的研究貢獻(xiàn) Tab 2 Contributions of some domestic research and development units to mechanized harvesting equipment 設(shè)備類型 年份 年 貢獻(xiàn) 研究機(jī)構(gòu) 公司 實現(xiàn)結(jié)果 機(jī)械振動式 2010 設(shè)計了手推式矮叢藍(lán)莓采摘機(jī) 東北林業(yè)大學(xué) 利用振動原理提高采摘效率 2012 利用 ADAMS 軟件進(jìn)行運動學(xué)分析 開發(fā)抖動式藍(lán)莓采摘機(jī) 北華大學(xué) 優(yōu)化采摘參數(shù) 2014 開發(fā)自走式藍(lán)莓采摘機(jī) 中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué) 研究院及合作企業(yè) 適應(yīng)不同地形 降低果實損傷率 2015 基于 ADAMS 的藍(lán)莓果實收獲 碰撞仿真與分析 東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 提升采摘機(jī)設(shè)計和效率 氣力式 2016 開發(fā)氣力輔助的藍(lán)莓采摘機(jī)械 吉林農(nóng)業(yè)大學(xué) 減少果實損傷 機(jī)械臂式 2018 研究基于機(jī)械臂的精準(zhǔn)采摘技術(shù) 華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 提高采摘選擇性 組合式 2019 結(jié)合振動和機(jī)械臂技術(shù) 開發(fā)多功 能藍(lán)莓采摘機(jī)械 華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 提升采摘效率和果實品質(zhì) 智能采摘機(jī)器人 2017 集成機(jī)器視覺的藍(lán)莓采摘機(jī)器人 北京科技公司 自動識別成熟藍(lán)莓 精確采摘 智能識別系統(tǒng) 2021 利用深度學(xué)習(xí)技術(shù)提升藍(lán)莓成熟度 識別準(zhǔn)確率 西北農(nóng)林科技大學(xué) 提高采摘智能化水平 2 藍(lán)莓機(jī)械化采摘系統(tǒng) 藍(lán)莓機(jī)械化采摘以振動采摘系統(tǒng)來實現(xiàn)采摘率 的提高并減少對植株及果實的損傷 系統(tǒng)具體工作 流程如圖 1 所示 范長勝等設(shè)計了一款旋轉(zhuǎn)式機(jī)械 采摘機(jī) 其應(yīng)用旋轉(zhuǎn)式藍(lán)莓采摘機(jī)的設(shè)計結(jié)構(gòu) 通 過應(yīng)用機(jī)械振動原理計算出使果實與枝條分離所需 的激振力并以此為依據(jù)設(shè)計采摘機(jī) 旋轉(zhuǎn)式藍(lán)莓 采摘機(jī)設(shè)計時主要將采摘力作用于藍(lán)莓枝干 通 過機(jī)械系統(tǒng)所產(chǎn)生的振動實現(xiàn)果實與枝條的分離 盡量減少機(jī)械系統(tǒng)直接觸碰果實 建立藍(lán)莓植株 系統(tǒng)的振動模型最終目標(biāo)是為計算機(jī)械系統(tǒng)所產(chǎn) 生的振動響應(yīng)輸出所產(chǎn)生的采摘力 并將其與最 小采摘力進(jìn)行比較分析 得到藍(lán)莓果采摘所需的 臨界響應(yīng) 14 陳嘉瑤等將藍(lán)莓采摘機(jī)進(jìn)行小型化設(shè)計 采用 軸向振動的方式采摘藍(lán)莓 由驅(qū)動子系統(tǒng)和振動采 摘子系統(tǒng)協(xié)作完成藍(lán)莓采摘技術(shù) 電機(jī)動力經(jīng)過驅(qū) 動子系統(tǒng)的傳遞 轉(zhuǎn)化為采摘子系統(tǒng)的高頻可變幅 值的上下往復(fù)振動 工作時 振動采摘子系統(tǒng)上的 振動指棒伸入到藍(lán)莓樹冠內(nèi)與藍(lán)莓枝條接觸 當(dāng)采 收機(jī)械施加的強(qiáng)迫振動使果樹枝條以特定頻率和幅 度振動時 果實會隨之加速運動 如果果實在運動 過程中所受的慣性力超過其與枝條的結(jié)合力 果實 便會從枝條上脫落 15 藍(lán)莓植株的各主枝在地面上獨立生長 展現(xiàn)出 旺盛的向上生長態(tài)勢 這主要是因為藍(lán)莓植株沒有 明顯的主干 從植株結(jié)構(gòu)角度來看 側(cè)枝的生長 條件相對不利 而側(cè)副枝的生長條件則更為不利 整體上形成了一種向上生長的趨勢 2020 年 李 志鵬等基于藍(lán)莓植株的這一結(jié)構(gòu)特點 提出了一 種通過振動藍(lán)莓側(cè)枝來實現(xiàn)果實自行脫落的采摘 方法 他們通過分析藍(lán)莓側(cè)枝的振動特性 利用 數(shù)學(xué)模型來描述側(cè)枝的振動過程 構(gòu)建了帶有阻尼 的自由振動模型 利用阻尼振動公式 推導(dǎo)出了藍(lán)莓 在振動過程中所受的受迫力公式 通過 Matlab 軟件 對振動曲線進(jìn)行仿真 驗證了理論模型的準(zhǔn)確性 仿真結(jié)果表明 通過振動產(chǎn)生的徑向力足以使藍(lán) 莓果實脫落 并且這種力是藍(lán)莓果實脫落的主要 驅(qū)動力 16 14 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備 2025年 圖 1 振動采摘系統(tǒng)流程 Fig 1 Process of vibration harvesting system 為解決藍(lán)莓機(jī)械化高質(zhì)量采摘難題 李遠(yuǎn)等提 出一種兼顧回轉(zhuǎn)運動的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)復(fù)合運動挑振 方法 通過建立挑振膠棒端點運動軌跡和加速度的 數(shù)學(xué)模型 獲取挑振最佳作業(yè)參數(shù) 確定最佳膠棒 長度設(shè)計挑振復(fù)合采摘裝置 17 耿磊等設(shè)計了一種高叢藍(lán)莓采摘機(jī) 采用給定 行程速比法設(shè)計了鉸鏈四桿機(jī)構(gòu) 運用圖解法設(shè)計 了雙搖桿機(jī)構(gòu) 并加工制造了采摘系統(tǒng) 該采摘系 統(tǒng)以液壓系統(tǒng)作為動力源 驅(qū)動徑向球塞馬達(dá)旋轉(zhuǎn) 帶動復(fù)合鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)實現(xiàn)運動轉(zhuǎn)化 將驅(qū)動元件 的回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為往復(fù)擺動 帶動末端執(zhí)行裝置 即雙側(cè)梳狀指排拍打藍(lán)莓樹枝 形成穩(wěn)態(tài)受迫振動 擊落樹上成熟藍(lán)莓果實 采摘藍(lán)莓果實的質(zhì)量和效 率較高 18 3 藍(lán)莓采摘智能小車 無論是國內(nèi)還是國外 藍(lán)莓采摘機(jī)械都面臨如 何提高采摘效率 降低果實損傷率等共同問題 智 能小車系統(tǒng)的出現(xiàn) 為解決這些問題提供了新的思 路 智能小車的應(yīng)用 標(biāo)志著藍(lán)莓采摘由機(jī)械化向 智能化的轉(zhuǎn)變 其系統(tǒng)通常包括自走式機(jī)構(gòu) 液壓系 統(tǒng) 采摘機(jī)構(gòu)等關(guān)鍵部分 通過集成先進(jìn)的傳感器 圖像識別技術(shù)和自動化控制算法 智能小車系統(tǒng)能夠 實現(xiàn)對藍(lán)莓果實的精準(zhǔn)識別和采摘 3 1 智能小車具體功能及原理介紹 智能小車通過預(yù)設(shè)模式自主作業(yè) 無需人工操 作 由傳感器 控制器 執(zhí)行器 3 部分協(xié)同工作 傳感器負(fù)責(zé)感知環(huán)境信息傳遞給控制器 控制器 分析后指令執(zhí)行器行動 其中車輪是執(zhí)行器的典型 代表 智能小車采摘機(jī)采用倒 U 形設(shè)計 包括驅(qū)動子 系統(tǒng) 振動采摘子系統(tǒng) 接收子系統(tǒng)和輸送子系統(tǒng) 等關(guān)鍵部分 具體結(jié)構(gòu)如圖2所示 具備小型化 可軸向振動 采摘力可調(diào)節(jié) 系統(tǒng)柔性化等特點 該機(jī)采用軸向振動的方式采摘藍(lán)莓 利用藍(lán)莓果實 的自重 通過豎直方向的作用力來實現(xiàn)果實與枝條 的分離 采摘子系統(tǒng)中增加的彈簧系統(tǒng) 實現(xiàn)一定的 柔性度 以承受和化解大的沖擊和偏差 振動指棒系 統(tǒng)通過旋轉(zhuǎn)指棒和振動桿 實現(xiàn)了在裝置行進(jìn)過程 中的被動旋轉(zhuǎn) 減少對藍(lán)莓植株的損傷 15 圖 2 藍(lán)莓采摘智能小車功能結(jié)構(gòu)圖 Fig 2 Functional structure diagram of intelligence blueberry picking machine car 3 2 驅(qū)動子系統(tǒng) 驅(qū)動子系統(tǒng)由一系列精密組件構(gòu)成 包括曲柄 連桿 滑塊 導(dǎo)軌 U 形槽輪 杠桿和支座 這些 組件共同組成了曲柄滑塊機(jī)構(gòu)和平面膜層機(jī)構(gòu) 曲 柄滑塊機(jī)構(gòu)通過連桿連接曲柄和滑塊 使得滑塊能 夠沿豎直方向做上下往復(fù)運動 從而將電機(jī)的旋轉(zhuǎn) 能轉(zhuǎn)化為直線運動 槽輪與杠桿機(jī)構(gòu)中杠桿設(shè)計有 與 U 形槽輪相配合的滑道 確保槽輪沿滑道順暢移 動 更好地實現(xiàn)采摘功能 擺動運動中槽輪的移動 帶動杠桿繞其支點擺動 進(jìn)而帶動振動采摘子系統(tǒng) 實現(xiàn)豎直上下振動 有效地拍打藍(lán)莓樹枝 實現(xiàn)果 實的采摘 3 3 振動采摘子系統(tǒng) 振動采摘子系統(tǒng)作為藍(lán)莓收獲過程中的關(guān)鍵執(zhí) 15 郭建軍 等 藍(lán)莓機(jī)械采摘技術(shù)研究進(jìn)展第4期 行部件 其結(jié)構(gòu)設(shè)計對采摘效率和效果起著決定性 作用 該子系統(tǒng)通過杠桿機(jī)構(gòu)與驅(qū)動子系統(tǒng)相連接 實現(xiàn)采摘動作的精確控制 振動采摘子系統(tǒng)包括彈 簧系統(tǒng)和振動指棒系統(tǒng) 以減少對藍(lán)莓樹枝的損害 實現(xiàn)高效率采摘作業(yè) 3 4 接收子系統(tǒng) 接收子系統(tǒng)由多個接收板 彈簧 帶角度墊片 和滾針軸承組成 接收板呈層疊狀布局在采摘機(jī)的 兩側(cè) 旨在高效地收集從藍(lán)莓植株上摘取的果實 彈簧的作用是帶動接收板回位 即在藍(lán)莓植株通過 后 接收板能夠在彈簧的作用下迅速閉合 減少果 實掉落的機(jī)會 3 5 輸送子系統(tǒng) 輸送子系統(tǒng)由多個部件構(gòu)成 包括電機(jī) 輸送網(wǎng) 帶 鏈輪 張緊輪以及支撐結(jié)構(gòu) 這些組件共同協(xié)作 確保果實順暢地從采摘點輸送至收集區(qū) 其采用網(wǎng)鏈 設(shè)計 鏈輪支撐 壓緊輪 電機(jī)驅(qū)動等設(shè)計 其中壓 緊輪作用是保持網(wǎng)鏈的張緊度 避免網(wǎng)鏈在運轉(zhuǎn)過程 中松弛或偏離 確保輸送效率和可靠性 4 藍(lán)莓機(jī)械化采摘中的機(jī)器視覺及算法 在智能小車系統(tǒng)的深入研究中 機(jī)器視覺技術(shù) 發(fā)揮著舉足輕重的作用 依托機(jī)器視覺技術(shù) 智能 小車能夠精確識別藍(lán)莓的生長位置及成熟度 進(jìn)而 實現(xiàn)自主導(dǎo)航與精確采摘作業(yè) 鑒于藍(lán)莓植株的果 實小巧且數(shù)量眾多 生長分布較為分散 加之藍(lán)莓 果實果皮脆弱 易于受損的特點 藍(lán)莓采摘技術(shù)對 機(jī)器視覺的應(yīng)用提出了較高的要求 機(jī)器視覺 MachineVision MV 又稱計算機(jī)視 覺 ComputerVision CV 它利用視覺傳感器模仿 人眼的視覺功能 涉及數(shù)學(xué) 光學(xué) 生物學(xué) 心理 學(xué)及計算機(jī)科學(xué)等領(lǐng)域 應(yīng)用十分廣泛 機(jī)器視覺 MV 于 1970 年代后期開始應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn) 多應(yīng) 用于農(nóng)作物的品種識別和農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)測試 基于 視覺技術(shù)的傳感器和圖像處理技術(shù)的進(jìn)步 讓機(jī)器 視覺在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)各方面的應(yīng)用越來越廣泛 利用機(jī)器視覺技術(shù)對作物生長狀況進(jìn)行監(jiān)測 是一種通過圖像和視頻捕捉技術(shù)來實現(xiàn)的方法 這 種方法可以根據(jù)作物果實的顏色變化來判斷其成熟 度 以及是否存在水分和養(yǎng)分不足等指標(biāo) 通過采 集作物植株的外觀特征參數(shù) 如葉片 莖桿和果實 等 機(jī)器視覺技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對作物生長狀況的無損 快速 實時和便捷的監(jiān)測 19 2010 年 謝忠紅等提出了一種創(chuàng)新的類圓果實 目標(biāo)檢測技術(shù) 該技術(shù)基于對圓形隨機(jī) Hough 變換 的改進(jìn) 旨在快速且準(zhǔn)確地確定類圓形果實的中心 坐標(biāo)和半徑 20 基于高光譜成像技術(shù)的方法 用于 在復(fù)雜環(huán)境中識別藍(lán)莓果實的成熟度 將其分為成 熟 接近成熟和未成熟 3 個等級 在試驗中 他們 收集了來自美國佛羅里達(dá)州 3 種典型南部高叢藍(lán)莓 的高光譜圖像數(shù)據(jù) 研究采用了支持向量數(shù)據(jù)描述 SVDD 算法來構(gòu)建藍(lán)莓成熟度的識別模型 并輔 以 K means 聚類算法對果實進(jìn)行分類 所構(gòu)建的模 型能夠在像素級和外觀級對藍(lán)莓果實進(jìn)行綜合識別 流程如圖 3 所示 然而 該技術(shù)存在一定的局限性 即在識別過程中 重疊的果實和體積較小的果實可 能會對識別精度造成影響 21 李竹等人研究了基于深度學(xué)習(xí)的藍(lán)莓成熟度預(yù) 測 其研究選取了 7 個不同成熟階段的藍(lán)莓果實作 為研究對象 通過應(yīng)用VGG16神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)成功提取 了果實果皮顏色的特征 并在此基礎(chǔ)上建立了預(yù) 測模型 針對 7 個不同成熟階段的藍(lán)莓果實 利用 VGG 16 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 提取果皮顏色特征建立模型 該 研究經(jīng)過以下幾個步驟建立模型 22 1 樣本采集 采集足夠數(shù)量的藍(lán)莓果實 2 外部指標(biāo)測定 冷藏保存采摘的藍(lán)莓果實 并快速運回化驗室測定相關(guān)指標(biāo) 用游標(biāo)卡尺測量果 實 再用千分之一天平稱量 計算果形指數(shù) 縱徑 橫徑 3 數(shù)據(jù)采集 采集藍(lán)莓果實果皮顏色圖像數(shù)據(jù) 4 圖像預(yù)處理與藍(lán)莓識別 預(yù)處理的主要目的 是使計算機(jī)在圖像中更快 更精確地識別藍(lán)莓的主 體 以便于后續(xù)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練 在圖像預(yù)處理時 將 7 個成熟階段分為 2 部分 分別進(jìn)行檢測 該流程 集成了圖像處理領(lǐng)域的多項核心技術(shù) 如顏色空間轉(zhuǎn) 換 圖像濾波 圖像腐蝕與膨脹 邊緣檢測等 經(jīng)過 預(yù)處理的圖像數(shù)據(jù)可用于訓(xùn)練機(jī)器學(xué)習(xí)或深度學(xué)習(xí)模 型 進(jìn)而實現(xiàn)藍(lán)莓成熟度的自動化評估與分類 16 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備 2025年 圖 3 基于高光譜成像技術(shù)的藍(lán)莓果實成熟度識別研究流程 英文 Fig 3 Research process of blueberry fruit maturity identification based on hyperspectral imaging technology 5 VGG 16 網(wǎng)絡(luò) VGG 16 是一個包含 16 層的 深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò) 其中 13 層是卷積層 5 層是池化層 還有 3 層全連接層 該網(wǎng)絡(luò)不包含激活層 網(wǎng)絡(luò)接 受的輸入圖像尺寸默認(rèn)為 224 224 3 寬度 高 度 顏色通道 結(jié)合該模型 建立如圖 4 所示的 藍(lán)莓識別系統(tǒng) 通過機(jī)器識別對藍(lán)莓成熟度進(jìn)行預(yù) 測 從而判斷藍(lán)莓是否適合采摘 圖 4 藍(lán)莓成熟度識別流程 Fig 4 Process for identifying blueberry maturity 5 藍(lán)莓機(jī)械化采摘需要解決的關(guān)鍵問題 藍(lán)莓果實自身小 皮薄 成熟期短 及時采摘對 勞動力需求大 人工采摘中采摘費投入較高 23 24 當(dāng) 前功能相對成熟的采摘機(jī)雖已出現(xiàn)在市場上 但仍 需解決以下關(guān)鍵問題 1 機(jī)械系統(tǒng)的系統(tǒng)協(xié)調(diào)性 采摘機(jī)械包括驅(qū)動 子系統(tǒng) 振動采摘子系統(tǒng) 接收子系統(tǒng)及輸送子系 統(tǒng)等 各個子系統(tǒng)之間需要協(xié)調(diào)運作 完成整個采 摘任務(wù) 因此 要進(jìn)行系統(tǒng)控制的實施與優(yōu)化研究 提高系統(tǒng)協(xié)作性能與效率 2 進(jìn)一步提升裝備的適應(yīng)性 由于我國藍(lán)莓種 植以分散栽培為主 國外藍(lán)莓采收裝備不適宜直接 應(yīng)用于大規(guī)模的國內(nèi)藍(lán)莓機(jī)械化采收 目前國內(nèi)藍(lán) 莓種植模式較為復(fù)雜 各產(chǎn)區(qū)各類藍(lán)莓種植模式 種植品種 地形特征 土壤條件 行距株距 采摘 農(nóng)藝等各不相同 導(dǎo)致采摘裝備的適應(yīng)性較差 一 17 郭建軍 等 藍(lán)莓機(jī)械采摘技術(shù)研究進(jìn)展第4期 個產(chǎn)區(qū)可以使用的機(jī)械到另一產(chǎn)區(qū)很有可能不能使 用 因此需要在調(diào)研收集分析數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上 制定 和建構(gòu)藍(lán)莓采摘裝備體系的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 通過農(nóng)機(jī)農(nóng) 藝融合進(jìn)行整機(jī)結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵部件設(shè)計 3 廣適性運載系統(tǒng)集成與研發(fā) 國內(nèi)的許多藍(lán) 莓采收機(jī) 都是借鑒國外現(xiàn)成的采摘機(jī)制作的 在 藍(lán)莓機(jī)械化采摘過程中 振動采摘是最主要的機(jī)械 化采收方式但該采摘方式在作業(yè)時會出現(xiàn)會出現(xiàn)果 實與樹枝 機(jī)械 地面以及果實間之間的多次碰撞 使得藍(lán)莓采摘的破損率高 種植區(qū)地貌的差異 如平原種植區(qū)和丘陵種植 區(qū) 對藍(lán)莓采摘機(jī)的要求不盡相同 藍(lán)莓采摘機(jī)一 般需在藍(lán)莓植株上方運行 車輛重心較高 車輛的 運動穩(wěn)定性就面臨較高的挑戰(zhàn) 在平原地帶需要研 究高重心采摘車高穩(wěn)定性輪式底盤技術(shù) 而對丘陵 地帶還需解決極端工況下車輛的轉(zhuǎn)彎 掉頭等難題 根據(jù)不同種植區(qū)域的藍(lán)莓種植和生長情況 研究采摘 壟矩 植株高度廣適性車輛調(diào)整技術(shù)是技術(shù)創(chuàng)新的 核心關(guān)鍵之一 4 智能化技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用 一是對藍(lán)莓采摘機(jī) 進(jìn)行衛(wèi)星導(dǎo)航定位 實現(xiàn)無人駕駛 智能對壟以及 自適應(yīng)輸送防堵 二是果實及其品質(zhì)的識別更加智能 化 精準(zhǔn)化 并且能夠?qū)崿F(xiàn)高度自適應(yīng)收集果實 三 是實現(xiàn)對運行狀態(tài)的實時監(jiān)測 6 結(jié)語 隨著全球藍(lán)莓市場需求的增長和消費者對高品 質(zhì)藍(lán)莓的追求 藍(lán)莓產(chǎn)業(yè)正面臨前所未有的發(fā)展機(jī) 遇 機(jī)械化采摘技術(shù)的研究與開發(fā)對于提高產(chǎn)業(yè)效 率 降低成本 保持競爭力具有至關(guān)重要的作用 持續(xù)的科研投入能夠推動技術(shù)創(chuàng)新 促進(jìn)藍(lán)莓采摘 技術(shù)向自動化 智能化發(fā)展 滿足市場對高效 低 損采摘的需求 1 智能化和數(shù)字化采摘技術(shù)通過集成先進(jìn)的傳 感器 機(jī)器視覺和自動控制技術(shù) 實現(xiàn)了對藍(lán)莓果 實的精準(zhǔn)識別和高效采摘 不僅減少人工成本 提 高作業(yè)效率 還能顯著降低果實在采摘過程中的損 傷率 保持果實的新鮮度和品質(zhì) 提升藍(lán)莓的市場 價值和消費者的滿意度 2 現(xiàn)代科技理論的快速發(fā)展 尤其是人工智 能 物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)分析等領(lǐng)域的突破 為藍(lán)莓采 摘技術(shù)的進(jìn)步提供了新的動力 這些理論的應(yīng)用使 得采摘機(jī)械能夠更加智能地適應(yīng)不同的作業(yè)環(huán)境和 條件 提高了作業(yè)的靈活性和適應(yīng)性 同時 現(xiàn)代 理論的發(fā)展也為解決藍(lán)莓采摘中的復(fù)雜問題提供了 新的視角和方法 推動了藍(lán)莓采摘技術(shù)向更高層次 的發(fā)展 3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和深度學(xué)習(xí)等理論的快速發(fā)展為藍(lán) 莓采摘技術(shù)帶來了革命性的變化 這些理論的應(yīng)用 使得采摘機(jī)械能夠通過學(xué)習(xí)大量的數(shù)據(jù) 自動識別 果實的成熟度 大小和位置 隨著這些理論的不斷 進(jìn)步 預(yù)計未來藍(lán)莓采摘機(jī)械將能夠更加智能地進(jìn) 行決策和操作 提高采摘效率和果實品質(zhì) 4 信息技術(shù)的快速發(fā)展 特別是物聯(lián)網(wǎng) 云計 算和大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用 使得藍(lán)莓采摘技術(shù)更加智 能化 通過實時數(shù)據(jù)采集和分析 采摘機(jī)械能夠更 好地適應(yīng)不同的采摘環(huán)境和條件 提高識別精度和 作業(yè)效率 此外 智能化的監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測 采摘過程 確保采摘作業(yè)的質(zhì)量和安全 進(jìn)一步提 升藍(lán)莓產(chǎn)業(yè)的整體智能化水平 參考文獻(xiàn) 1 鮑玉冬 李志鵬 郭艷玲 等 振動式藍(lán)莓采摘機(jī) 對果實收獲的影響試驗 J 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報 自 然科學(xué)版 2014 40 1 96 100 2 THOTA J KIM E FREIVALDS A et al Development and evaluation of attachable anti vibration handle J Applied Ergonomics 2022 98 103571 3 王亞敏 上海地區(qū)藍(lán)莓限根基質(zhì)栽培技術(shù)應(yīng)用初探 J 上海農(nóng)業(yè)科技 2024 6 110 111 114 4 李健 張皓瑜 郭艷玲 等 自走式藍(lán)莓采摘機(jī)行 走液壓系統(tǒng)的設(shè)計與仿真 J 機(jī)床與液壓 2022 50 23 88 92 5 王樹城 盧緒振 張波 等 藍(lán)莓采收技術(shù)研究 現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢研究 J 農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程 2023 61 11 12 17 6 王海濱 郭艷玲 鮑玉冬 等 振動式藍(lán)莓采摘的 機(jī)理分析與仿真 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 2013 29 12 40 46 7 吳立國 郭艷玲 振動式藍(lán)莓采摘機(jī)液壓系統(tǒng)的 設(shè)計與仿真 基于 AMESim J 農(nóng)機(jī)化研究 2015 37 12 55 58 62 18 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備 2025年 8 耿雷 郭艷玲 王海濱 等 藍(lán)莓采摘機(jī)振動采摘 裝置凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計與試驗 J 機(jī)械設(shè)計與制造 2016 3 224 227 231 9 韓非 藍(lán)莓機(jī)器視覺識別與標(biāo)定技術(shù)研究 D 黑龍 江 東北林業(yè)大學(xué) 2011 10 李健 張皓瑜 郭艷玲 等 自走式藍(lán)莓采摘機(jī)行 走液壓系統(tǒng)的設(shè)計與仿真 J 機(jī)床與液壓 2022 50 23 88 92 11 史亮 范久臣 喬晗 基于 ADAMS 的藍(lán)莓采摘機(jī) 構(gòu)設(shè)計與仿真 J 機(jī)械研究與應(yīng)用 2015 28 4 158 160 12 郭艷玲 鮑玉冬 何培莊 等 手推式矮叢藍(lán)莓采 摘機(jī)設(shè)計與試驗 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 2012 28 7 40 45 13 賀增民 游挺 李念軒 等 基于視覺識別的藍(lán)莓 采摘機(jī)器人的設(shè)計 J 湖北農(nóng)機(jī)化 2021 11 100 101 14 范長勝 李志鵬 郭艷玲 北方高叢藍(lán)莓采摘機(jī)的 設(shè) 計 與 試 驗 J 節(jié) 能 技 術(shù) 2014 32 1 83 86 91 15 陳嘉瑤 王英 梁冬泰 等 小型化軸向振動式藍(lán) 莓采摘機(jī)設(shè)計與試驗 J 機(jī)械設(shè)計 2021 38 4 37 43 16 李志鵬 張超 王博男 等 基于振動策略的藍(lán)莓 采摘機(jī)的設(shè)計研究 J 森林工程 2020 36 2 55 61 17 李遠(yuǎn) 梅松 石志剛 等 藍(lán)莓挑振復(fù)合采摘技術(shù) 裝置設(shè)計與試驗 J 中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報 2024 45 1 103 108 18 耿雷 郭艷玲 王海濱 高叢藍(lán)莓采摘機(jī)采摘系統(tǒng) 設(shè)計與試驗 J 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報 2016 47 3 67 74 81 19 劉暉 李兆雄 詹杰 等 機(jī)器視覺技術(shù)在農(nóng)作物 生長狀況監(jiān)測的研究進(jìn)展 J 福建農(nóng)機(jī) 2018 4 20 26 20 謝忠紅 姬長英 郭小清 等 基于改進(jìn) Hough 變 換的類圓果實目標(biāo)檢測 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 2010 26 7 157 162 21 馬淏 張開 金鑫 等 基于高光譜成像技術(shù)的藍(lán) 莓果實成熟度識別研究 英文 J 中國農(nóng)業(yè)科技 導(dǎo)報 2020 22 2 80 90 22 李竹 牟昌紅 嵇康軒 等 基于深度學(xué)習(xí)的藍(lán)莓 成熟度預(yù)測 J 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué) 2023 51 5 232 236 23 TAKEDA F YANG Q W LI C et al Applying new technologies to transform blueberry harvesting J Agronomy 2017 7 2 33 33 24 王景巍 王海濱 李志鵬 等 振動式藍(lán)莓采摘機(jī) 槽型凸輪傳動裝置的設(shè)計與分析 J 東北林業(yè)大學(xué) 學(xué)報 2017 45 10 88 93 Research Progress of Blueberry Mechanical Picking Technology GUO Jianjun 1 HUANG Tingli 1 DAI Yue 1 XIAO Yuxiao 1 DING Yunzhi 1 XU Yingxiang 2 1 ZhongKai University of Agriculture and Engineering College of Artificial Intelligence Guangzhou 510225 China 2 ZhongKai University of Agriculture and Engineering School of Mathematics and Data Science Guangzhou 510225 China Abstract With the continuous advancement of agricultural mechanization blueberries as econo mically valuable berry crops have a broad industrial prospect Blueberry picking is the most time consuming and laborious link in the blueberry industry chain Traditional manual picking has issues with a high damage rate insufficient accuracy in maturity screening and high labor costs making it difficult to pick blueber ries on a large scale and efficiently Therefore intelligent blueberry harvesting technology is of great significance to the development of the entire blueberry industry This paper reviewed the current status of blueberry picking technology both domestically and internationally then it summarized the intelligent hardware systems and core software algorithms used in the popular mechanical blueberry picking methods It also analyzed and summarized the issues existing in blueberry picking technology and finally proposed prospects for the advancement and development of blueberry mechanical picking technology Key words blueberry picking mechanization picking efficiency