核桃振動采收研究現狀與發展趨勢

茹煜,范高鳴,徐國鵬,許林云,周宏平,陳吉朋

(南京林業大學機械電子工程學院,南京 210037)

核桃(Juglansregia)是全球四大知名果品之一[1],因其富含多種營養物質而備受人們的青睞[2]。核桃在我國有很長的栽培歷史,我國是世界上最早的核桃產地之一,近年來隨著核桃產業的迅速發展,我國核桃產量已居世界第1[3]。2021年我國核桃種植面積達813.3萬hm2,產量達到547.12萬t(圖1),較2020年增長12.34%;2022年我國核桃種植面積達840萬hm2,產量達到624.15萬t,較2021年增長13.21%[4]。

隨著我國核桃栽培面積的持續增加,核桃采收問題日漸嚴峻。我國傳統的核桃采收方式是人工采收,采收過程約占整個果品生產環節中用工量的50%。這種采收方式既費時又費力,容易造成枝芽損傷,影響樹的長勢,降低來年核桃的產量,因此,急需一些機械化、半機械化的采收方式來替代人工采收,從而提高生產效率,降低生產成本[5]。

圖1 中國核桃產量變化趨勢Fig. 1 Trend of changes of walnut yields in China

為了有針對性提高核桃的采收效率,研究人員針對我國矮化密植種植模式下的核桃、身處在山地丘陵下的山核桃以及傳統標準果園下核桃的采收方式進行了大量研究發現:對于矮化密植種植模式下的核桃采收適合運用便攜式采收機械;對于山核桃采收則適合運用高空拍打機械設備;對于標準果園下的核桃采收適合運用智能化車載采收裝備。

基于振動機理的研究發現,振動式采收是最常見的采收方式。振動采收可分為3個方面:樹枝振動、樹冠振動和樹干振動。國外的采收機械技術起步較早、技術發展迅速、自動化水平高,其機械化采收技術已經成熟;而國內研究起步相對較晚,振動采收技術的研發尚有較大的發展空間[6]。本研究將針對生長在不同環境下的核桃適用的采收機械設備依次進行介紹和分析[7]。

1 核桃采收機械化設備

1.1 矮化密植種植模式下的核桃采收

我國核桃種植區以華中區、西南區、西北區為主,種植區域以山地、丘陵為主,經過嫁接培育等手段,將核桃種植環境改為行距小、矮化密植的種植模式。國外的采收機主要用于蘋果(Maluspumila)、杏(Prunusarmeniaca)、藍莓(Vaccinium)和開心果(Pistaciavera)等作物,具有較高的采收率[8],但國外采收裝備造價昂貴,且多為大型車載設備,作業環境要求嚴格,不適合我國矮化密植種植模式的采收。國內研究人員基于此,研制出多種適用于矮化密植種植模式下的機械設備[9]。

矮化后的胡桃樹一般高5 m,其主枝的平均直徑為20～40 mm,大部分的果實都集中在較高枝干的頂端。因此,杜小強等[10]針對矮化密植核桃的生長特點和收獲需求,設計了一種振動幅度可調節的核桃采收裝備,該裝置使用了一種輸出線性往復振動激勵的曲柄搖桿機構(圖2),該結構簡單、輕便,適用于矮化密植下的核桃果實采收。2013年在浙江臨安核桃基地進行試驗,隨機選取5棵8 a樹齡的樣品樹,對其進行了機器采收試驗,結果表明,采用可調振幅的單向牽引振動裝置,在調整振動速度為7 r/min、振動曲柄旋轉頻率為5～14 Hz的情況下,可以實現較好的核桃采收,其收獲率達到了63.9%。

1.箱體;2.鋼絲繩;3.手持柄;4.伸縮桿;5.夾頭。圖2 可調振幅單向拽振式林果采收機Fig. 2 Adjustable amplitude unidirectional pulling vibration type forest fruit harvester

為了進一步提高采收效率,王長勤等[11]設計了偏心式林果振動采收裝置,采收機的主要組成部分包括升降機構、夾持機構、激振機構、行走裝置等,如圖3所示。而其行走裝置則運用了履帶車,采用電液控制,履帶車同傳統行走裝置拖拉機相比,爬坡越溝能力具備顯著優勢。振動頭懸臂可調節范圍較長,可在行距為2～5 m的果園中靈活作業,履帶車行駛速度可高達4～10 km/h。該履帶車外觀較為小巧,便于在密集種植的果園中行走作業,其外觀尺寸為1.85 m×0.98 m×1.2 m。此設備于新疆阿克蘇地區的木本糧油林場內進行試驗,結果表明,當振動頻率為20 Hz時,采收率為92.6%,果實咬合處、脫落處均無破壞性損傷,但果實咬合處痕跡會隨激振頻率變大而變得明顯,因此,建議將激振頻率控制在19～20 Hz,該區間核桃平均采凈率為89.5%～92.6%。

1.操作觸摸屏;2.空壓機惇;3.履帶車瞭;4.電氣控制柜; 5.功能擴展柜;6.發電機;7.卷揚機;8.升降機構; 9.伸縮懸臂;10.激振機構;11.夾持。圖3 偏心林果振動采收機Fig. 3 Eccentric forest fruit vibrating harvester

以上所述采收機均可用于核桃、枸杞等作物,矮化密植采收機未來將集中在多工位工作、機電一體化、無人駕駛等方向進行研發。

1.2 山地丘陵下的山核桃采收

山地丘陵下的山核桃主要分布在云南、天目山等地,海拔50～1 200 m的中緩坡帶。山核桃樹高10 m,直徑粗大,而且生長在高山陡峭的山坡上,采收難度很大。

為了更好地采收山核桃,李贊松等[12]設計了一款手自一體式山核桃采收機,主要由汽油機、絲桿機構、傳動換向機構、偏心輪機構、采摘頭、Arduino控制器、頻率傳感器等組成,如圖4所示。實地試驗得出的結論為振動頻率越大,果實采收率越高,當調節振動頻率達到22 Hz時,采收率高達95.1%;為在提高采收率的同時盡力減小果樹的損傷,建議將振動頻率控制在16～18 Hz,此時所對應的核桃果實平均采收率為83.9%～88.0%,而剩余未采收的果實可以通過人工或進行機械二次采收。

1.汽油機;2.按壓式轉速調節器;3.組合開關;4.手柄;5.絲桿機構; 6.伸縮桿;7.偏心輪機構;8.采摘頭;9.頻率傳感器;10.傳動換向 機構;11.鋼絲拉線;12.快接接頭;13.直流減速電機; 14.Arduino控制器;15.電源;16.舵機。圖4 手自一體式山核桃采收機Fig. 4 Hand and self integrated hickory picking machine

朱惠斌等[13]設計了一款新型山地核桃振動采收機,采收機主要由夾持爪、振動部件、汽油機、傳動硬軸和軟軸組成,如圖5所示。該采收機作業部件相比現有核桃采收機具有輕便、體積小、質量小的優點。仿真結果表明,核桃采收機在汽油機轉速為2 500 r/min(即振動頻率為20 Hz)時,對樹體的損傷最小。通過正交試驗可知,汽油機轉速為2 480 r/min、夾持位置為1 038 mm、連桿長度為55 mm時性能最優。田間試驗表明,仿真試驗結果正確,核桃采收機采收率為85.58%,滿足核桃采收需求。

1.汽油機;2.聯軸器;3.軟軸;4.連軸套;5.開關;6.提手把; 7.連接套;8.主桿;9.振動部件;10.殼體;11.夾持爪。圖5 新型山地核桃振動采收機Fig. 5 A new type of mountain walnut vibration picker

為了進一步提高采收效率,曹成茂等[14]設計了一款輕便易攜的仿人工高空拍打山核桃采收裝備,這一裝置主要組成部分包括多節采摘桿、背負式汽油機、油門控制裝置、拍打機構、傳動軸等。該裝置主要由拍打機構所產生的拍打力作用于山核桃的枝條,使得樹枝上的果實進行加速運動,在果實所受到的慣性力大于其與果樹之間的結合力時,果實從樹枝脫落,完成采收。實地試驗結果表明,拍打頻率越大,果實采凈率越高,當拍打頻率達到13.33 Hz時,果實采凈率也隨之到達最大值90.3%。而拍打頻率過大時,會對枝芽造成嚴重的損傷,拍打頻率為10～13.33 Hz時最合理,此時平均采凈率可達85.1%～90.3%。

以上設備都適用于高空山核桃的采收,并且具有結構簡單、成本低、采收效率較高等優點。

1.3 標準果園種植的核桃采收

針對標準果園,核桃生長有以下要求:果園覆蓋率65%～75%,樹高、冠徑變異系數小于20%,樹冠透光率25%以上,行間梢頭距100～150 cm,株間交接率15%以下。

美國的果園機械公司推出了V系列山核桃四輪自走式采收裝備。該縱向采收裝備基于四輪底盤自由轉向功能來調整振動采收姿態,采用液壓系統控制執行部件升降,采用液壓夾持部件的變頻振動實現不同樹齡的核桃采收。該采收裝備通過夾持樹干、枝芽,并輔助配備核桃回收車,可實現對20年生山核桃樹的果實采收。

美國的Coe果園設備公司研制了S7型三輪自走式重型核桃采收裝備,如圖6所示。該橫向采收裝備采用三輪底盤驅動,在標準化果園內不轉向條件下可實現行內機具-樹干橫向距離保持功能;配備電液控制系統,通過大型液壓懸臂的自動伸縮、重型柔性執行部件的適應性夾持,實現核桃樹干的低頻大振幅振動,并輔助配備核桃自動回收車,可實現對多年生核桃樹果實的采收一體化收獲。

圖6 三輪自走式重型核桃采收裝備Fig. 6 Three-wheeled self-propelled heavy walnut harvesting equipment

波蘭Jagoda JPS農機公司研發了GACEK型堅果振動采收一體機,集自動行走、電液控制、振動落果、果實收集、果實傳送等功能于一體,如圖7所示。

圖7 堅果振動采收一體機Fig. 7 Walnut vibrating harvesting machine

國內發展標準化果園較晚,為了節省精力,劉威等[15]設計了一款全自動核桃采收裝備,主要由伺服電機、RGB-D攝像頭、DGPS導航系統、采摘裝置和升降裝置組成,如圖8所示。首先,設備自檢完成后,利用RGB-D相機獲取核桃樹行間道路的影像,經過圖像處理,確定行駛路徑,獲取動態DGPS的姿態信號,結合視覺與動態DGPS的信息,實現自主行駛;之后,在設備移動至目標樹的時候,由單片機的主控制器發出指令,控制機械手臂完成采收工作。全自動采收設備效率高、工藝生產流程穩定,提高了經濟效益,適用于標準果園。

1.收集軟管;2.收集漏斗;3.采摘抓手;4.腕關節;5.肘關節; 6.肩關節;7.腰關節;8.收集箱;9.光電傳感器;10.傳送帶; 11.履帶車;12.GPS導航儀。圖8 全自動核桃采收裝置Fig. 8 Automatic walnut harvesting device

1.接觸反饋開關;2.機械爪;3.振動系統;4.伸縮桿; 5.滑軌系統;6.多功能攝像頭;7.自動定位小車。圖9 牽引式林果振動采收機Fig. 9 Traction forest fruit vibrating harvester

孫興凍等[16]設計了智能可調頻的振動采收裝備,如圖9所示。該裝置能實現核桃的自動化采收,減少機械設備對核桃樹體的摩擦,從而減少核桃樹體的損傷。多功能攝像頭會在小車工作啟動后自行對核桃的樹干標記部位進行拍攝捕捉,攝像頭捕捉完成后,小車可以自動定位并對準標記部位,這時機械臂也開始工作,起初會以最佳頻率振動,多功能攝像頭能夠實時捕捉、記錄掉落的核桃數,如果沒有核桃掉落則適時增加振動頻率,直至核桃開始掉落。該設備全程不需要操作人員的干預,具有效率高、節省人力等優點,適用于標準化果園。

以上核桃采收設備主要是針對標準果園中的核桃所設定的,解決了我國以人工為主的采收方式所帶來的采收效率低、成本高等問題。

2 基于振動機理的核桃采收研究現狀

目前,我國最常見的核桃采收方式是振動采收,主要是對果樹施加強迫振動。果樹在外加強迫振動的作用下作加速運動,由于果實作加速運動時會受到慣性力作用,當慣性力大于果實與樹枝的結合力時,果實即可脫落。按照激振力施加的位置不同,將振動采收分為樹枝振動、樹冠振動和樹干振動3種,以下依次進行分析[17]。

2.1 樹枝振動

樹枝振動主要由激勵裝置、夾緊裝置和動力源3個部分組成。當被夾持裝置夾住樹干后,激振裝置把振動傳到樹干上,這樣就會引起樹枝的振動,從而將果實振落。樹枝振動采收技術能夠有選擇地進行果實的采收,而且對振動加載目標以外的樹枝影響很小,適用于果蔬成熟度有很大差別的林果采收[18]。

根據樹枝振動特點,曹科高[19]設計了一種基于核桃樹枝振動的設備,該設備的工作裝置由夾持裝置、振動電機、伸縮桿等組成。利用伸縮桿來調整夾持位置,通過振動電機的開啟對樹枝進行夾持振動,最終將核桃果實振落。由試驗可知,當電機轉速范圍為1 200～3 000 r/min時,能夠避開樹體低階固有頻率,從而減少對樹體的傷害。

陳少鐘[20]設計了一款新型變頻變幅振動式采收裝備,由于同一株核桃樹上每一分支上的果實形態也不一定相同,因此,如何找到每個分支的最佳激振參數顯得尤為重要。變頻變幅振動采摘裝置需要調整對核桃振幅時,調幅馬達工作,驅動調幅曲軸旋轉,使調幅滑塊沿搖桿軸方向移動,以此來變更夾持頭的行程,從而改變了核桃樹枝的振幅。另外,通過更改調速電機的轉速來調整采收裝置的工作頻率,以此來達到變更核桃樹枝振動頻率的目的。核桃田間采收試驗結果表明,樣機平均采收率為63.92%。

2.2 樹冠振動

樹冠振動一般適用于植株較矮、果實外形較小的果樹。樹冠振動以梳齒式為主要形式,梳齒式是將多個梳齒排列在一起,利用梳齒的轉動、往返實現采收,不同的梳齒密度可實現對不同大小水果的采收。樹冠采收機大多采用一系列的振動桿,將其插入樹冠內,使樹冠中的枝條以特定的頻率振動,從而實現果實和果枝的分離。

劉天湖[21]設計了一款樹冠振動式核桃采收機,如圖10所示。采收裝置的振動桿延伸到樹冠內,當振動桿被啟動時,振動桿在鼓輪傳動的作用下開始轉動,螺旋式進出樹冠,使果實從樹上掉落。一部分果實可以直接掉落在固定的接果盤上,并沿著這個固定接果盤的斜面滑動到傳送帶上,最后通過傳送帶被輸送到拖斗上;另外一部分果實直接落在一個可移動的接果盤上,通過漏孔和果實滑道被輸送到固定的接果盤上,最后通過傳送帶被輸送到拖斗上。

1.固定接果盤;2.活動接果盤;3.采收裝置; 4.立柱;5.動力機;6.傳送裝置;7.拖斗。圖10 樹冠振動式核桃采收機Fig. 10 Crown vibrating walnut harvester

為了計算出果實最大的激振力,王真真等[22]研發了樹冠振動核桃采收裝備,利用撥動圓盤使其作直線往復運動而產生激振力,實現對核桃的采收。在對曲柄滑塊機構運動軌跡分析的基礎上,得出了曲柄滑塊速度和加速度的數學表達式,利用該表達式得出了在振動頻率為2 Hz時,核桃所受最大激振力為134 N。通過對采收設備慣性力的分析,推導出不同數量的曲軸滑塊組件的合力公式,得出了該設備所承受的最大慣性力為8.69 N。

2.3 樹干振動

樹干振動采收法適合采收落葉水果和堅果,但柑橘類水果則不適合這種方式的采收。

尹遜春[23]設計了一款核桃樹干振動式采收機。該設備工作裝置主要由夾持裝置、驅動裝置、升降裝置、激振裝置組成,如圖11所示。由于振動式采收機在選擇的頻率不恰當時會對果實造成傷害,導致第二年核桃果實減產,因此,在夾持設備的末端安裝橡膠墊,當發生振動時,可以有效地緩解夾持機構對樹體的傷害。結合核桃物理特性參數構建核桃樹體和果實的三維模型,將其三維模型后綴改為.igs的格式導入有限元分析軟件中進行模態分析和諧響應分析,從而確定振動采收的最佳夾持高度和激振頻率大小,使得采收效率最大化。

1.驅動裝置;2.升降裝置;3.激振裝置;4.夾持裝置。圖11 核桃樹干振動式采收機Fig. 11 Walnut trunk vibrating harvester

為了進一步提高采收效率,劉浩等[24]設計了一款基于樹干振動原理的集振動落果與自動收集于一體的對稱偏心式振動采收機,其具有自平衡和自動對心功能,且高度可調節。利用Adams仿真軟件驗證采收效果,結果表明,所設計的采收機可達到采收效率≥25株/h、采凈率≥85%。

綜上所述,只需要很小的激振力就可使枝條振動,就能夠讓果實進行加速運動,從而將果實振落,但是它需要對每級分支進行振動采收,造成了人力和物力的大量耗費;樹冠振動固然能夠加快采收速度,但同時也會造成枝條折斷、葉子掉落等問題,嚴重時可導致果樹來年的產量下降,甚至果樹死亡;樹干振動需施加較大的力才可使核桃樹的樹干進行加速運動,從而使果實振落,可以大大縮短采收時間[25]。

3 激振方式與激振參數

3.1 激振方式

在振動收獲機中,激振器又稱為振動裝置,按工作原理可以分為機械振動式和氣力振動式。氣力振動式裝置利用壓縮的高強度空氣氣流,整個裝置不接觸樹枝,氣流流向樹枝使之振動;而機械振動式裝置需要接觸樹枝, 通過自身產生外力,使樹枝上的果實因振動產生加速度,從而在果柄處脫落。常見的機械振動主要有慣性激振裝置、彈性連桿激振裝置,以及液壓激振裝置等,根據機械振動裝置自身產生的振動方式不同,可分為偏心振動、軸向振動及多邊形沖擊等[26]。

慣性激振裝置主要是由偏心塊來實現的,通過對偏心塊數量和位置的不同組合,就會形成形式不同的激振力[27]。常見的偏心塊體結構有單偏心塊體和對稱雙偏心塊體2種,其中,單偏心塊體會呈特定角速度做圓周運動,并在沿X、Y軸方向上產生一個恒定、等額的離心力,如圖12所示。

圖12 單偏心塊Fig. 12 Single axis vibrator

對稱的雙偏心塊體呈特定角速度做圓周運動,沿X軸方向的分力大小相同,方向一致,相互疊加,而沿Y軸方向的分力大小也相同,方向卻相反,兩段分力相抵,如圖13所示[28]。

圖13 對稱雙偏心塊Fig. 13 Symmetrical vibrator

劉夢飛等[29]對比分析了單、雙偏心激振器分別對核桃樹體的振動特性,在激振力大小相等、與地面距離相同以及激振頻率一致的情況下,利用有限元分析軟件對單軸偏心塊體和雙軸偏心塊體所激發的不同形式激振力分別對核桃樹體振動特性的影響進行了對比分析,最終得出在低頻段、同頻率下,單軸單偏心塊體所產生的激勵作用比對稱雙偏心塊體所產生的激勵作用更大、更顯著。

別云波[30]針對核桃采收研制了一種偏心塊振動式采收機,該設備的工作裝置主要由夾持頭、振動臂、偏心塊組成,可對液壓馬達轉速進行調節,從而使得偏心塊振動頻率發生改變,直到調節至最佳收獲頻率,達到最佳振動效果。

高團結[31]設計了一款曲柄連桿振動式核桃采收機。該設備的工作裝置由曲柄連桿機構、夾持機構、彈簧機構等組成,工作原理是利用曲柄做圓周運動以帶動輸出桿作往復運動,通過調節曲柄長短使得振幅發生變化,通過改變轉速來調整振動頻率。為了達到果園核桃采收設備各項性能指標,分析極差和關系曲線圖,從而確定各工作參數:偏心距e=20 mm,曲柄長度a=17.5 mm,轉速n=750 r/min。

牛碩雅等[32]設計了一種由電液控制的核桃采收機。該設備的工作裝置主要包括振搖裝置、液壓控制系統、夾持裝置等,如圖14所示。試驗結果得出,每株樹從準備夾持到振落完果實的全過程用時為1.5～2.0 min,采凈率高達90%以上。

1.油箱;2.夾持頭;3.小車支架;4.振動機構;5.懸掛繩索; 6.懸掛支架;7.液壓控制及電機;8.車輪。圖14 液壓式核桃采收機Fig. 14 Hydraulic walnut picker

3.2 樹體模型與激振參數

樹體模型是對樹體特性的一種抽象化、簡單化的方法,它能反映出樹木的形態特點、力學特性,在所建模型中引入多種假定條件可對樹體的受力性能進行分析。近幾年來,在多種假定和試驗的基礎上,國內外研究學者提出了5個可信力強的樹體力學模型[33]。

1)剛性模型。研究初期,學者們將樹木的主干大致化作一個剛性的模型,然而他們忽視了樹體的彈性等特征,樹木在受到外力作用時沒有發生任何變形,這與真實情況存在著較大區別,所以剛性模型在有關樹木力學特性的研究中并不適用。

2)簡支梁模型。Peltola[34]以蘇格蘭松樹作為簡支梁模型,對松樹樹體在受到風力影響時的穩定性情況進行了研究,將其等價為“兩頭自由”“中間固定”的模型,該模型無法精確反映實際情況下樹體在風力作用下的動態變化,無法反映樹木的受力特征。

3)懸臂梁模型。Gardiner[35]為了研究云杉的力學性能,將云杉當作是一端固定、另一端自由并且逐漸變細的懸臂梁,把帶質量的質量團當作樹冠,把固定端當作樹根。

4)彈性桿模型。England等[36]將橡樹作為一端固定、另一端自由的彈性桿模型,還充分考慮了樹體內在的生物特征,應用該模型能夠分析得出樹體的振動響應特性。

5)圓錐模型。Chiba[37]在研究風荷載下樹木的受力性能時,采用一種一端固定、另一端自由的圓錐桿模型。該模型充分結合了樹木的物理屬性與生物特性,能夠更接近實際的樹木力學特征。

基于振動機理的采收機進行核桃果實采收的關鍵是要確定適當的振動參數,振動參數主要包括振頻、振幅及振時等,不同的參數會對林果的采凈率和果樹的損傷產生不同的影響,而且不同成熟程度的核桃及其最佳振動參數也不盡相同。

國外對機械振動采收技術方面的研究由來已久,并且在能量傳遞方程以及激振高度和振幅之間的關系研究方面更為先進[38]。Castro等[39-41]對受迫振動下果樹自身所具有的參數特性進行了研究,并以此作為機械振動采收機的設計依據。此外,研究表明,振動能量的傳遞和果實采收效率與采收機的激振參數、機器功率和冠層大小等參數均相關。

吳道遠等[42]對不同成熟度核桃振動采收的最佳頻率和振幅進行了研究,通過實地考察測量核桃樹相關參數,在有限元分析軟件中導入帶有果實和果柄的樹體三維模型進行模態分析和諧響應分析。由于同一棵樹的不同枝干上結出的果實成熟程度會有差異,所以在適當的樹體位置施加一個大小相同但不同頻率的激振力,在多個有代表性的果柄上進行響應分析,由此得出不同的果柄連接程度對應的最佳采收頻率:果實最佳的采收頻率為28.6 Hz;八成熟時為26.3 Hz;九成熟時為24.0 Hz;完全成熟時為22.5 Hz。

劉子龍[33]對多棵果樹在不同激振振幅和頻率作用下,能量從果樹樹干的激振位置傳遞到果樹其他部位的大小變化進行了研究,得出能量傳遞效率隨直徑變大而變高,即在能量傳遞效率上,果樹的主干優于側枝;此外,在兩側枝的分叉角度近似相等時,能量會更多地流向側枝直徑相對大的一側。

4 核桃振動采收存在的問題

4.1 果樹的損傷率較大

從目前的振動采收作業來看,在夾持機構形成的夾持力以及振動過程中形成的激振力作用下,林果會受到損傷,而且激振力的變化會影響核桃樹體振幅,過大的激振力會造成樹體受損,嚴重時導致來年果實產量下降,甚至會造成果樹的死亡;振動采收與果實催熟技術相結合,或者把振動采收與氣力式采收的方式結合起來,能夠減輕對果枝的摩擦損傷和對果實的擊打損傷,從而提高采收效果[43]。

4.2 結構復雜操作困難

目前,采收機面向的對象主要是農民,然而基于振動采收的裝備結構復雜,農民難以正確地操縱機器,會造成核桃果樹和設備的損壞[44]。

4.3 最優采收振動頻率確定難度大

確定出最優采收參數,對后續的果實采收作業有重要指導意義。由于每棵核桃樹樹干粗細、樹冠高低、果實疏密、樹干形狀和樹齡都不盡相同,而且不同分支上的核桃果實成熟度也不盡相同,從而導致最優采收頻率的確定難度大[45]。

4.4 工作參數(如頻率和振幅)單一

在每年9月核桃采收期,會有一部分核桃還未完全成熟,并且不同成熟程度的核桃與果柄之間的結合力也是不同的。對于沒有成熟的核桃來說,其與果柄之間的結合力更大,因此振動幅度過大會誤把未成熟核桃和核桃樹葉一同振下,造成后期核桃脫皮工序困難并影響核桃的品質;若振動幅度過小,則無法滿足不同大小的樹枝采收需求[46]。

5 核桃采收機械未來發展趨勢

5.1 采收裝備的研發

考慮我國核桃種植的情況,研發適合低矮密植、山地、標準化果園的不同類型振動采收裝備,針對夾持頭、移動平臺、振動臂進行創新研發是非常必要的。在未來研發移動平臺,需要具備自主導航和環境感知能力的移動平臺,能夠適應不同的地形環境,可以采用四驅系統、氣動懸掛等技術,提高車輛的通過性和穩定性,同時配備先進的導航和遙控技術,實現對車體的智能化控制和安全性管理。研發具有柔性結構的采收工具能夠根據核桃枝條的彎曲程度自適應變形,實現更加高效、安全地采收。針對振動頭來說,研發具有多維振動的振動頭,可同時進行水平、垂直和旋轉方向的振動,能夠更好地適應果樹枝條的不規則形狀,提高采收效率和準確性。

5.2 激振力的傳遞

振動激振力在樹體進行傳遞時,不同分支之間存在能量損失,最后一級分支由于能量的損失可能達不到果實和果柄之間的結合力,從而導致果實未被振落。因此,在未來可以研發一些新型的激振技術,如超聲波激振、激光激振等,利用不同的能量形式來傳遞激振力,能夠實時檢測結構體的振動情況,精確地測量激振力的傳遞效率和方向,實現更高效的激振力傳遞;并且利用三維有限元模擬技術,可以對結構體受到的激振力傳遞過程進行模擬和分析,探究不同頻率、振幅、載荷等條件下的激振力傳遞特性。同時,也可以采用數值模擬方法,對激振過程中振動體內部的應力分布進行研究,優化激振體的設計,提高激振力的傳遞效率[46-47]。

5.3 樹體模型建立

傳統的樹體模型往往是通過實地測量考察,并且利用三維繪圖軟件建立的,該方法只能簡單地描述樹干和樹枝的幾何形態,存在精度不高、還原度低等問題。在未來可以利用三維激光點云技術建立樹體模型,該技術具有非接觸、高精度等優點。采用三維激光掃描儀等設備采集樹木的三維點云數據,可以取代傳統的手工測量,大大提高了采集效率和精度。通過對采集的三維點云數據進行配準、濾波、分類等處理,提取出樹木的形態信息和結構信息,建立高精度的樹體模型。結合人工智能、拍照提取等技術,對大量的三維點云數據進行自動處理和分析,進一步提高了樹體模型建立的效率和精度[48-51]。

5.4 新型振動采收方法

在振動方法研究方面,在未來研發基于超聲波的振動采收技術是一種新的突破,利用超聲波對果實進行加速振動以使其脫落,該技術具有不接觸果實、采收效率高、適用范圍廣等優點。而基于微波的振動采收技術則是利用微波產生的熱量使果實內部產生膨脹,從而達到脫落的效果。無人機輔助采收技術利用無人機配備的高清相機和機器視覺技術,可以實現對農田的快速勘查和作物的實時監測,同時將采收機械控制在飛行高度上,保證作物采收過程中的安全和效率[52]。

5.5 精準定位和控制技術

目前的振動采收設備普遍采用機械振動或液壓振動來收獲農作物,但這種方式存在誤傷和損壞作物的風險。未來的振動采收方式可能會采用更精準的定位和控制技術,例如激光或光纖傳感器,以減少誤傷和損壞作物的情況。采用精準振動技術,即根據核桃樹的實時生長狀態和形態,對采收機器的振動參數進行實時調節,使振動更加精準,能夠減少采收對樹體的損傷,并且可以提高采收效率和品質。通過利用GPS和激光測距技術,可以精確定位作物的位置和大小,從而實現更加精準地采收[53-54]。

5.6 柔性采收技術和傳感器技術相結合

隨著傳感器技術的快速發展,在未來傳感器技術可以用于檢測作物的生長情況、果實的成熟度和產量等信息,從而確定采收時機和采收方案。此外,傳感器還可以用于監測作物的生長狀況以及振動參數,優化振動方式和頻率,以降低對作物的損傷,提高采收的效率和可靠性,為采收提供參考。柔性振動采收技術則可以利用傳感器提供的信息進行更加精準地采收。傳統的采收方式往往是人工根據經驗判斷采收時機和方式,容易造成浪費和損失;而結合傳感器技術,柔性振動采收技術可以更加準確地確定采收時機和方式,避免了過早或過晚采收的問題,提高了采收效率和果實品質[55]。

總體來看,國內關于核桃采收裝置的研發多以原理性試驗、執行功能部件試制為主;成品樣機試制多局限在輕簡便攜式,在部分地區進行了小范圍推廣。為有效緩解勞動力急劇缺乏并顯著提高核桃的采收效率,未來應該加快研制適應我國各主要核桃產區地形的自動化、智能化采收裝備,適應核桃大面積快速采收需求。