馮生 張秀花 楊云磊 李江濤 張藝 孔德剛

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河北 保定 071000)

引言

我國(guó)是世界上第1水果生產(chǎn)大國(guó),2021年我國(guó)果園面積為12646.28hm2[1]。隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整,林果生產(chǎn)已逐漸成為農(nóng)民增收的支柱產(chǎn)業(yè)。近年來(lái),隨著果園管理向規(guī)?；?、標(biāo)準(zhǔn)化、機(jī)械化和智能化方向推進(jìn),農(nóng)民對(duì)新技術(shù)的需求不斷提升,果園管理機(jī)械化已成為林果產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)的重點(diǎn)任務(wù)[2]。我國(guó)農(nóng)作物綜合機(jī)械化已達(dá)70%[3],但梨園多為傳統(tǒng)種植模式,機(jī)械化率仍低于20%[4],加之農(nóng)村人口城鎮(zhèn)化、非農(nóng)產(chǎn)業(yè)人口聚集化的發(fā)展態(tài)勢(shì),大力推進(jìn)果園生產(chǎn)機(jī)械化,直接關(guān)系著果園成產(chǎn)成本和健康發(fā)展[3]。

疏花為果園管理中主要的費(fèi)工環(huán)節(jié)之一,勞動(dòng)成本高、勞動(dòng)強(qiáng)度大,果農(nóng)亟需新技術(shù)代替現(xiàn)有的傳統(tǒng)人工管理方法。本文將通過(guò)疏花的農(nóng)藝特點(diǎn),重點(diǎn)闡述疏花機(jī)械發(fā)展現(xiàn)狀,分析我國(guó)疏花機(jī)械化程度及智能化的差距,剖析限制疏花疏果機(jī)具發(fā)展的因素,為果園疏花設(shè)備的發(fā)展提出展望。

1 疏花農(nóng)藝要求

疏花是指在花序分離期通過(guò)破壞花柄的方式減少花量,減少坐果,疏花時(shí)間一般為4月,從初花期直到落花期均可進(jìn)行。通過(guò)疏花可抑制赤霉素分泌,促進(jìn)花芽分化,避免大小年[5],對(duì)坐果率、樹(shù)梢及葉片的生長(zhǎng)、翌年的產(chǎn)量等起著至關(guān)重要的作用。

以梨樹(shù)為例,疏花時(shí)一般先疏花序后疏花朵；疏花序時(shí),一般在每隔20～25cm處保留1個(gè)粗壯健康的花序[6],過(guò)程中注意保留該花序的蓮座葉及果臺(tái)副梢,疏花朵時(shí),將花序疏至2～3朵花為宜,中心花不留；全樹(shù)花朵保留率在20%～50%為宜[5]。由此可見(jiàn),疏花時(shí)效性強(qiáng),精細(xì)化程度要求高,疏花機(jī)械化和智能化技術(shù)難度大,是果園管理的重要發(fā)展方向。

2 國(guó)內(nèi)外疏花設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀

疏花設(shè)備分為人工、半自動(dòng)和智能化3個(gè)層面。

2.1 人工疏花設(shè)備

人工疏花設(shè)備分為2類,剪刀式和手持桿式。

剪刀式中最具有代表性的是雙口剪,如圖1所示,進(jìn)行疏花作業(yè)時(shí),將需要保留的花柄或果柄放入保護(hù)槽內(nèi),邊花和果柄會(huì)自然夾在保護(hù)槽兩邊的剪刃中,閉合剪刀即完成相應(yīng)花果柄的保留和修剪。

圖1 雙口剪

對(duì)于手持桿式疏花設(shè)備的研究,國(guó)內(nèi)外均有涉及。2010年,B Martin-Gorriz等[7-9]設(shè)計(jì)了4款疏花器結(jié)構(gòu)形式,分別為六指轉(zhuǎn)動(dòng)式、雙列柔性繩式、四列柔性繩式、振動(dòng)篩式,如圖2所示,經(jīng)試驗(yàn)得出,4種裝置疏花效果相近,收獲期果實(shí)的數(shù)量減少了38%,果實(shí)大小增加了47%。

圖2 4種疏花器結(jié)構(gòu)形式

圖3所示的是旋轉(zhuǎn)刃片式疏花器,作業(yè)時(shí),手持桿頂部的直流電機(jī)帶動(dòng)刃片旋轉(zhuǎn),切斷目標(biāo)花柄即可完成疏花。2020年,呂曉蘭等[10]設(shè)計(jì)了一種電動(dòng)甩繩式疏花機(jī),如圖4所示,在小冠疏層形和“Y”字棚架形翠冠梨園中進(jìn)行試驗(yàn),得出花蕾保留率為

圖3 桿式電動(dòng)疏花疏果器

圖4 電動(dòng)甩繩式疏花機(jī)

49.46%～52.52%。

雙口剪及旋轉(zhuǎn)刃片式疏花器由于其質(zhì)量輕、便于操作、售價(jià)便宜,在人工疏花過(guò)程被中廣泛使用；其余人工疏花設(shè)備尚處于不成熟的試驗(yàn)和研發(fā)階段。

2.2 半自動(dòng)疏花設(shè)備

半自動(dòng)疏花設(shè)備一般為自走式,根據(jù)作業(yè)原理不同可分為振動(dòng)式、單軸柔性繩甩動(dòng)式、多軸柔性繩甩動(dòng)式。

2.2.1 振動(dòng)式疏花機(jī)

該類疏花機(jī)的工作原理是指通過(guò)激振或敲擊的方式使樹(shù)的主干或枝條振動(dòng),使得花朵或幼果脫落,從而達(dá)到疏花的目的。

1984年,A G Berlage等[11]聯(lián)合美國(guó)農(nóng)業(yè)部(USDA)設(shè)計(jì)了一種自走式樹(shù)干振動(dòng)疏花機(jī),見(jiàn)圖5。通過(guò)沖擊器振動(dòng)樹(shù)干落花。2005—2006年,美國(guó)農(nóng)業(yè)部Donald L Peterson等[12]設(shè)計(jì)的用于柑橘收獲的車(chē)載疏棒式振動(dòng)器,經(jīng)改進(jìn)用于盛花期后52～55d的商業(yè)桃園的疏花和疏果,見(jiàn)圖6。發(fā)現(xiàn)當(dāng)擊打頻率為260次·min-1時(shí)效果最好,后續(xù)手工疏除時(shí)間節(jié)約了54%～81%,果實(shí)質(zhì)量較優(yōu)。

圖5 自走式樹(shù)干振動(dòng)疏花機(jī)

圖6 疏棒式振動(dòng)疏花裝置

根據(jù)以上描述,振動(dòng)式疏花設(shè)備可分為搖晃式和擊打式。搖晃式是指通過(guò)振動(dòng)裝置使枝條或主干搖晃,從而使花朵掉落；擊打式是指通過(guò)疏棒擊打樹(shù)冠從而落花。振動(dòng)式疏花設(shè)備為疏花較早的研究?jī)?nèi)容,由于其對(duì)樹(shù)體損傷較大,疏花不均勻,導(dǎo)致近幾年對(duì)其的相關(guān)研究較少。

2.2.2 單軸柔性繩甩動(dòng)式疏花機(jī)

該類疏花機(jī)的工作原理是通過(guò)單個(gè)疏花軸旋轉(zhuǎn),使得附著在上面的柔性繩甩動(dòng),從而擊落花果,以達(dá)到疏花的目的。

1988—1990年,Tara A Baugher等[13]為測(cè)試樹(shù)寬繩簾式疏花裝置和旋轉(zhuǎn)繩簾式疏花裝置的性能,見(jiàn)圖7a、圖7b,對(duì)桃樹(shù)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證,得出旋轉(zhuǎn)繩簾式疏花裝置的疏花效果更好。

圖7 樹(shù)寬繩簾式及旋轉(zhuǎn)繩簾式疏花裝置

2007年,Schupp J R等[14]將德國(guó)H Gessler設(shè)計(jì)的Darwin 300疏花機(jī),見(jiàn)圖8,在有機(jī)蘋(píng)果園進(jìn)行評(píng)估。經(jīng)測(cè)試得出疏花機(jī)減少了36%的花量,節(jié)省了后續(xù)20%～42%的人工疏花時(shí)間,果實(shí)大小增加了35%。

圖8 Darwin 300柔性疏花機(jī)

2009年,Tara A Baugher等[15]設(shè)計(jì)1種混合柔性繩疏花機(jī),見(jiàn)圖9,用于花瓶樹(shù)冠和傾斜樹(shù)冠的疏花。疏花轉(zhuǎn)軸由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng),轉(zhuǎn)速為150～250r·min-1；疏花軸的高度和角度可根據(jù)樹(shù)冠的高度和傾角調(diào)整；拖拉機(jī)的速度范圍為1.5～3.0km·h-1。該機(jī)械可通過(guò)改變主軸轉(zhuǎn)速、拖拉機(jī)行進(jìn)速度和疏花條布置來(lái)調(diào)節(jié)疏花強(qiáng)度,得出疏花率在17%～56%。

圖9 混合柔性疏花機(jī)

法國(guó)La Canne Vale公司生產(chǎn)了疏花裝置ECLAIRVALE,見(jiàn)圖10。疏花執(zhí)行裝置的作業(yè)類型為單軸式疏花,作業(yè)對(duì)象是杏樹(shù)和桃樹(shù),其作業(yè)特點(diǎn)是無(wú)動(dòng)力驅(qū)動(dòng),由拖拉機(jī)拖動(dòng)疏花執(zhí)行裝置在田間行進(jìn),通過(guò)疏花軸上的彈性棒與花朵間的相互作用達(dá)到疏花的目的；彈性棒磨損后便于裝拆。疏花效率較高,可在1h內(nèi)完成20人1d的工作量。

圖10 疏花裝置ECLAIRVALE

2018年,河北農(nóng)業(yè)大學(xué)楊欣等[16]設(shè)計(jì)了一種矮密果樹(shù)疏花裝置,見(jiàn)圖11,試驗(yàn)中對(duì)疏花條橫截面積、密度、長(zhǎng)度及材料進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證,對(duì)矮砧密植蘋(píng)果和主干形密植桃樹(shù)進(jìn)行疏花試驗(yàn),測(cè)得疏花軸轉(zhuǎn)速在350～370r·min-1時(shí)疏花效果顯著。2020年,對(duì)該疏花機(jī)增加了掛接裝置、滾動(dòng)導(dǎo)輪和液壓油管固定板[17],如圖12所示,并在主干形桃園、Y形桃園進(jìn)行疏花試驗(yàn),結(jié)果表明疏花軸轉(zhuǎn)速在360～400r·min-1,拖拉機(jī)前進(jìn)速度為2km·h-1時(shí)疏花效果顯著。

圖11 矮密果樹(shù)疏花裝置

圖12 桃樹(shù)疏花機(jī)

單軸柔性繩甩動(dòng)式疏花機(jī)的研究進(jìn)度較成熟,其共性特征及主要疏花功能可分為3點(diǎn),疏花軸的轉(zhuǎn)速,機(jī)架的角度仿形調(diào)整,機(jī)架與樹(shù)體間的距離調(diào)整。該類機(jī)具具有操作簡(jiǎn)單、樹(shù)體適應(yīng)性好的優(yōu)點(diǎn),但由于其主要為樹(shù)冠外部作業(yè),導(dǎo)致其對(duì)樹(shù)冠內(nèi)部的疏除效果較差。

2.2.3 多軸柔性繩甩動(dòng)式疏花機(jī)

該類疏花機(jī)相較于單軸式的相同點(diǎn)在于工作原理相同,不同點(diǎn)在于該類機(jī)具的疏花軸數(shù)量多,且均為一端鉸支,一端自由,可將自由端深入樹(shù)冠內(nèi)測(cè)進(jìn)行疏花。

2007年,L Damerow等[18]研制了一種擁有3個(gè)疏花軸的疏花機(jī),見(jiàn)圖13,3軸的角度均可調(diào)；在蘋(píng)果果園進(jìn)行的疏花試驗(yàn)時(shí),發(fā)現(xiàn)當(dāng)疏花軸轉(zhuǎn)速為320r·min-1時(shí),疏花效果最好,單側(cè)疏花1.2h·hm-2,比人工疏花時(shí)間節(jié)省了20%,對(duì)葉片損傷小于8%。

圖13 三轉(zhuǎn)軸式柔性疏花機(jī)

2019年,雷嘵輝等[19]研制出了一種三節(jié)臂式疏花機(jī),見(jiàn)圖14,并在“Y”字棚架形翠冠梨園進(jìn)行疏花試驗(yàn),確定了疏花軸轉(zhuǎn)速為254r·min-1,拖拉機(jī)行進(jìn)速度0.44m·s-1,疏花機(jī)疏花與人工疏花質(zhì)量基本一致,疏花效率高,絕對(duì)坐果率降低但不影響定果后果實(shí)品質(zhì)。

圖14 三節(jié)臂機(jī)載式疏花機(jī)

多軸柔性繩甩動(dòng)式疏花機(jī)相較于單軸式,其疏花軸的運(yùn)動(dòng)方式較靈活,可對(duì)樹(shù)冠內(nèi)測(cè)進(jìn)行疏花,但操作復(fù)雜；且為避免深入樹(shù)體疏花軸與樹(shù)枝間發(fā)生碰撞,對(duì)作業(yè)樹(shù)體要求較高,主要為疏層形、開(kāi)心形果樹(shù)。

半自動(dòng)化疏花蔬果設(shè)備作業(yè)特點(diǎn)匯總?cè)绫?所示。振動(dòng)式疏花機(jī)由于作業(yè)時(shí)損傷樹(shù)體,沒(méi)有推廣應(yīng)用；單軸式與多軸式設(shè)備可以達(dá)到較好的疏除標(biāo)準(zhǔn),成為近年來(lái)比較主流的研究對(duì)象。

表1 半自動(dòng)疏花設(shè)備主要作業(yè)特點(diǎn)

2.3 智能化疏花設(shè)備

該類疏花設(shè)備是指在半自動(dòng)設(shè)備的基礎(chǔ)上,在執(zhí)行裝置上進(jìn)行智能化改進(jìn)升級(jí)。

2011年,Matthew Aasted等[20]研發(fā)了一種使用激光雷達(dá)檢測(cè)冠層的方法,如圖15所示,為避免復(fù)雜的人工曲線駕駛,見(jiàn)圖15a,采用激光傳感器進(jìn)行距離及仿形檢測(cè),見(jiàn)圖15c,利用疏花執(zhí)行機(jī)構(gòu)自動(dòng)沿著樹(shù)冠輪廓運(yùn)動(dòng)及樹(shù)冠仿形,見(jiàn)圖15d,拖拉機(jī)得以直線行進(jìn),見(jiàn)圖15b。

圖15 激光雷達(dá)冠層仿形疏花機(jī)

2012年,Michael Nielsen等[21,22]開(kāi)發(fā)了適用于并行處理的立體視覺(jué)算法,并采用3臺(tái)同步的1000萬(wàn)像素?cái)z像機(jī)和1臺(tái)閃光燈組成了圖像采集標(biāo)定系統(tǒng),該系統(tǒng)用于校驗(yàn)花朵的3D位置,從而控制執(zhí)行裝置進(jìn)行自動(dòng)疏花作業(yè),如圖16所示。

圖16 基于立體視覺(jué)算法的自動(dòng)疏花裝置

2015年,D J Lyons等[23]根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)目標(biāo)定位和處理器中設(shè)置的啟發(fā)式算法,對(duì)桃花進(jìn)行圖像識(shí)別,通過(guò)控制機(jī)械臂上的末端執(zhí)行器進(jìn)行選擇性疏花,如圖17所示。

圖17 基于目標(biāo)定位及啟發(fā)式算法的自動(dòng)選擇疏花裝置

2015年,Niels Wouters等[24]研制了一種用于梨花芽檢測(cè)的多光譜攝像系統(tǒng),花芽檢測(cè)率達(dá)87%,錯(cuò)誤檢測(cè)率低于16%,檢測(cè)結(jié)果如圖18所示。

圖18 多光譜攝像系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果

2017年,德國(guó)Adolf Betz公司開(kāi)發(fā)了SmaArt自動(dòng)疏花影像系統(tǒng)[25],目的是獲得花的密度和主軸轉(zhuǎn)速之間的最佳搭配,如圖19所示,攝像機(jī)檢測(cè)到每棵果樹(shù)的開(kāi)花密度,并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳給車(chē)載電腦,隨后車(chē)載電腦計(jì)算最佳主軸轉(zhuǎn)速,最終控制疏花軸的轉(zhuǎn)速。

圖19 裝備疏花影像系統(tǒng)的柔性疏花機(jī)

2016年,華南農(nóng)業(yè)大學(xué)李君等[26]設(shè)計(jì)了一種懸掛式電動(dòng)柔性疏花機(jī),如圖20所示,將樹(shù)冠仿形關(guān)聯(lián)式與超聲波冠形探測(cè)方法相結(jié)合,提高了疏花機(jī)對(duì)荔枝樹(shù)冠仿形疏花的適應(yīng)性。

圖20 懸掛式電動(dòng)柔性疏花機(jī)

2020年,西北農(nóng)林科技大學(xué)的Dihua Wu等[27]提出了一種基于YOLO v4通道剪枝深度學(xué)習(xí)算法的實(shí)時(shí)蘋(píng)果花檢測(cè)方法。測(cè)試結(jié)果顯示,推理檢測(cè)時(shí)間下降了39.47%,mAP可達(dá)97.31%,實(shí)時(shí)檢測(cè)結(jié)果如圖21所示。

圖21 基于YOLO v4的蘋(píng)果花檢測(cè)結(jié)果

2021年,武漢理工大學(xué)的Kaiqiong Sun[28]等提出了一種不同環(huán)境下蘋(píng)果花、桃花和梨花的自動(dòng)檢測(cè)方法,利用蘋(píng)果花數(shù)據(jù)集對(duì)語(yǔ)義分割網(wǎng)絡(luò)DeepLab-Res-Net進(jìn)行了微調(diào)。在相同的數(shù)據(jù)集下,蘋(píng)果花的識(shí)別率達(dá)89.6%,比過(guò)往方法提高了6%；桃花和梨花的數(shù)據(jù)集,識(shí)別率達(dá)80.9%,比過(guò)往方法提高了5%,3種花朵的實(shí)時(shí)檢測(cè)結(jié)果如圖22所示。

圖22 實(shí)時(shí)檢測(cè)結(jié)果

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外智能化疏花設(shè)備的闡述,匯總智能化疏花設(shè)備的智能化程度如表2所示。

表2 智能化疏花設(shè)備智能化程度

3 疏花機(jī)械化發(fā)展的限制因素與未來(lái)發(fā)展方向

3.1 疏花機(jī)械化發(fā)展的限制因素

我國(guó)疏花機(jī)具已有初步進(jìn)展,但仍存有以下限制因素。

3.1.1 果園管理模式缺乏標(biāo)準(zhǔn)化

國(guó)內(nèi)現(xiàn)有果園大多是以家庭為單位的分散種植經(jīng)營(yíng)模式,行距株距不標(biāo)準(zhǔn)、樹(shù)形各異、長(zhǎng)勢(shì)不一,大規(guī)模機(jī)械化存在困難。

3.1.2 疏花設(shè)備研究處于起步階段

目前主要研究?jī)?nèi)容均為探究機(jī)具行進(jìn)速度,疏花軸轉(zhuǎn)速,疏除元件材料,以及設(shè)備結(jié)構(gòu)方式對(duì)疏花效果的影響,但研究成果較少且停留于試驗(yàn)階段。

3.1.3 疏花智能化技術(shù)研究不足

我國(guó)現(xiàn)有疏花機(jī)械智能化、信息化研究剛起步,靈活性較差,不能應(yīng)對(duì)果園復(fù)雜的工作環(huán)境。

3.2 疏花機(jī)械化未來(lái)發(fā)展方向

3.2.1 規(guī)范果園栽培管理標(biāo)準(zhǔn)

促進(jìn)果園樹(shù)形、行距、株距等作業(yè)對(duì)象指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化、科學(xué)化,統(tǒng)一管理標(biāo)準(zhǔn),探究出既適合果樹(shù)豐產(chǎn)又適合機(jī)械化管理的果樹(shù)栽培模式,進(jìn)一步提高機(jī)械化疏花效果。

3.2.2 加強(qiáng)疏花機(jī)械信息化、智能化技術(shù)研發(fā)

利用大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)果園進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)疏花,使得農(nóng)藝農(nóng)機(jī)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)對(duì)接。

3.2.3 充分結(jié)合果園疏花作業(yè)模式和環(huán)境實(shí)際

充分做好實(shí)際調(diào)研和田間試驗(yàn),及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決果園對(duì)機(jī)械化應(yīng)用的影響,增加疏花設(shè)備的實(shí)用性和可靠性。