馮生 張秀花 楊云磊 李江濤 張藝 孔德剛

(河北農(nóng)業(yè)大學機電工程學院，河北 保定 071000)

引言

我國是世界上第1水果生產(chǎn)大國,2021年我國果園面積為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,隨著果園管理向規(guī)?；?、標準化、機械化和智能化方向推進,農(nóng)民對新技術(shù)的需求不斷提升,果園管理機械化已成為林果產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)的重點任務[2]。我國農(nóng)作物綜合機械化已達70%[3],但梨園多為傳統(tǒng)種植模式,機械化率仍低于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,大力推進果園生產(chǎn)機械化,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工環(huán)節(jié)之一,勞動成本高、勞動強度大,果農(nóng)亟需新技術(shù)代替現(xiàn)有的傳統(tǒng)人工管理方法。本文將通過疏花的農(nóng)藝特點,重點闡述疏花機械發(fā)展現(xiàn)狀,分析我國疏花機械化程度及智能化的差距,剖析限制疏花疏果機具發(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破壞花柄的方式減少花量,減少坐果,疏花時間一般為4月,從初花期直到落花期均可進行。通過疏花可抑制赤霉素分泌,促進花芽分化,避免大小年[5],對坐果率、樹梢及葉片的生長、翌年的產(chǎn)量等起著至關(guān)重要的作用。

以梨樹為例,疏花時一般先疏花序后疏花朵；疏花序時,一般在每隔20～25cm處保留1個粗壯健康的花序[6],過程中注意保留該花序的蓮座葉及果臺副梢,疏花朵時,將花序疏至2～3朵花為宜,中心花不留；全樹花朵保留率在20%～50%為宜[5]。由此可見,疏花時效性強,精細化程度要求高,疏花機械化和智能化技術(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、半自動和智能化3個層面。

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,進行疏花作業(yè)時,將需要保留的花柄或果柄放入保護槽內(nèi),邊花和果柄會自然夾在保護槽兩邊的剪刃中,閉合剪刀即完成相應花果柄的保留和修剪。

圖1 雙口剪

對于手持桿式疏花設(shè)備的研究,國內(nèi)外均有涉及。2010年,B Martin-Gorriz等[7-9]設(shè)計了4款疏花器結(jié)構(gòu)形式,分別為六指轉(zhuǎn)動式、雙列柔性繩式、四列柔性繩式、振動篩式,如圖2所示,經(jīng)試驗得出,4種裝置疏花效果相近,收獲期果實的數(shù)量減少了38%,果實大小增加了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,手持桿頂部的直流電機帶動刃片旋轉(zhuǎn),切斷目標花柄即可完成疏花。2020年,呂曉蘭等[10]設(shè)計了一種電動甩繩式疏花機,如圖4所示,在小冠疏層形和“Y”字棚架形翠冠梨園中進行試驗,得出花蕾保留率為

圖3 桿式電動疏花疏果器

圖4 電動甩繩式疏花機

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、售價便宜,在人工疏花過程被中廣泛使用；其余人工疏花設(shè)備尚處于不成熟的試驗和研發(fā)階段。

2.2 半自動疏花設(shè)備

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

2.2.1 振動式疏花機

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

1984年,A G Berlage等[11]聯(lián)合美國農(nóng)業(yè)部(USDA)設(shè)計了一種自走式樹干振動疏花機,見圖5。通過沖擊器振動樹干落花。2005—2006年,美國農(nóng)業(yè)部Donald L Peterson等[12]設(shè)計的用于柑橘收獲的車載疏棒式振動器,經(jīng)改進用于盛花期后52～55d的商業(yè)桃園的疏花和疏果,見圖6。發(fā)現(xiàn)當擊打頻率為260次·min-1時效果最好,后續(xù)手工疏除時間節(jié)約了54%～81%,果實質(zhì)量較優(yōu)。

圖5 自走式樹干振動疏花機

圖6 疏棒式振動疏花裝置

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

2.2.2 單軸柔性繩甩動式疏花機

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

1988—1990年,Tara A Baugher等[13]為測試樹寬繩簾式疏花裝置和旋轉(zhuǎn)繩簾式疏花裝置的性能,見圖7a、圖7b,對桃樹進行試驗驗證,得出旋轉(zhuǎn)繩簾式疏花裝置的疏花效果更好。

圖7 樹寬繩簾式及旋轉(zhuǎn)繩簾式疏花裝置

2007年,Schupp J R等[14]將德國H Gessler設(shè)計的Darwin 300疏花機,見圖8,在有機蘋果園進行評估。經(jīng)測試得出疏花機減少了36%的花量,節(jié)省了后續(xù)20%～42%的人工疏花時間,果實大小增加了35%。

圖8 Darwin 300柔性疏花機

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

圖9 混合柔性疏花機

法國La Canne Vale公司生產(chǎn)了疏花裝置ECLAIRVALE,見圖10。疏花執(zhí)行裝置的作業(yè)類型為單軸式疏花,作業(yè)對象是杏樹和桃樹,其作業(yè)特點是無動力驅(qū)動,由拖拉機拖動疏花執(zhí)行裝置在田間行進,通過疏花軸上的彈性棒與花朵間的相互作用達到疏花的目的；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)大學楊欣等[16]設(shè)計了一種矮密果樹疏花裝置,見圖11,試驗中對疏花條橫截面積、密度、長度及材料進行試驗驗證,對矮砧密植蘋果和主干形密植桃樹進行疏花試驗,測得疏花軸轉(zhuǎn)速在350～370r·min-1時疏花效果顯著。2020年,對該疏花機增加了掛接裝置、滾動導輪和液壓油管固定板[17],如圖12所示,并在主干形桃園、Y形桃園進行疏花試驗,結(jié)果表明疏花軸轉(zhuǎn)速在360～400r·min-1,拖拉機前進速度為2km·h-1時疏花效果顯著。

圖11 矮密果樹疏花裝置

圖12 桃樹疏花機

單軸柔性繩甩動式疏花機的研究進度較成熟,其共性特征及主要疏花功能可分為3點,疏花軸的轉(zhuǎn)速,機架的角度仿形調(diào)整,機架與樹體間的距離調(diào)整。該類機具具有操作簡單、樹體適應性好的優(yōu)點,但由于其主要為樹冠外部作業(yè),導致其對樹冠內(nèi)部的疏除效果較差。

2.2.3 多軸柔性繩甩動式疏花機

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

2007年,L Damerow等[18]研制了一種擁有3個疏花軸的疏花機,見圖13,3軸的角度均可調(diào)；在蘋果果園進行的疏花試驗時,發(fā)現(xiàn)當疏花軸轉(zhuǎn)速為320r·min-1時,疏花效果最好,單側(cè)疏花1.2h·hm-2,比人工疏花時間節(jié)省了20%,對葉片損傷小于8%。

圖13 三轉(zhuǎn)軸式柔性疏花機

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

圖14 三節(jié)臂機載式疏花機

多軸柔性繩甩動式疏花機相較于單軸式,其疏花軸的運動方式較靈活,可對樹冠內(nèi)測進行疏花,但操作復雜；且為避免深入樹體疏花軸與樹枝間發(fā)生碰撞,對作業(yè)樹體要求較高,主要為疏層形、開心形果樹。

半自動化疏花蔬果設(shè)備作業(yè)特點匯總?cè)绫?所示。振動式疏花機由于作業(yè)時損傷樹體,沒有推廣應用；單軸式與多軸式設(shè)備可以達到較好的疏除標準,成為近年來比較主流的研究對象。

表1 半自動疏花設(shè)備主要作業(yè)特點

2.3 智能化疏花設(shè)備

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

2011年,Matthew Aasted等[20]研發(fā)了一種使用激光雷達檢測冠層的方法,如圖15所示,為避免復雜的人工曲線駕駛,見圖15a,采用激光傳感器進行距離及仿形檢測,見圖15c,利用疏花執(zhí)行機構(gòu)自動沿著樹冠輪廓運動及樹冠仿形,見圖15d,拖拉機得以直線行進,見圖15b。

圖15 激光雷達冠層仿形疏花機

2012年,Michael Nielsen等[21,22]開發(fā)了適用于并行處理的立體視覺算法,并采用3臺同步的1000萬像素攝像機和1臺閃光燈組成了圖像采集標定系統(tǒng),該系統(tǒng)用于校驗花朵的3D位置,從而控制執(zhí)行裝置進行自動疏花作業(yè),如圖16所示。

圖16 基于立體視覺算法的自動疏花裝置

2015年,D J Lyons等[23]根據(jù)運動學目標定位和處理器中設(shè)置的啟發(fā)式算法,對桃花進行圖像識別,通過控制機械臂上的末端執(zhí)行器進行選擇性疏花,如圖17所示。

圖17 基于目標定位及啟發(fā)式算法的自動選擇疏花裝置

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

圖18 多光譜攝像系統(tǒng)檢測結(jié)果

2017年,德國Adolf Betz公司開發(fā)了SmaArt自動疏花影像系統(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,攝像機檢測到每棵果樹的開花密度,并將數(shù)據(jù)實時傳給車載電腦,隨后車載電腦計算最佳主軸轉(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

2016年,華南農(nóng)業(yè)大學李君等[26]設(shè)計了一種懸掛式電動柔性疏花機,如圖20所示,將樹冠仿形關(guān)聯(lián)式與超聲波冠形探測方法相結(jié)合,提高了疏花機對荔枝樹冠仿形疏花的適應性。

圖20 懸掛式電動柔性疏花機

2020年,西北農(nóng)林科技大學的Dihua Wu等[27]提出了一種基于YOLO v4通道剪枝深度學習算法的實時蘋果花檢測方法。測試結(jié)果顯示,推理檢測時間下降了39.47%,mAP可達97.31%,實時檢測結(jié)果如圖21所示。

圖21 基于YOLO v4的蘋果花檢測結(jié)果

2021年,武漢理工大學的Kaiqiong Sun[28]等提出了一種不同環(huán)境下蘋果花、桃花和梨花的自動檢測方法,利用蘋果花數(shù)據(jù)集對語義分割網(wǎng)絡(luò)DeepLab-Res-Net進行了微調(diào)。在相同的數(shù)據(jù)集下,蘋果花的識別率達89.6%,比過往方法提高了6%；桃花和梨花的數(shù)據(jù)集,識別率達80.9%,比過往方法提高了5%,3種花朵的實時檢測結(jié)果如圖22所示。

圖22 實時檢測結(jié)果

通過對國內(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 疏花機械化發(fā)展的限制因素與未來發(fā)展方向

3.1 疏花機械化發(fā)展的限制因素

我國疏花機具已有初步進展,但仍存有以下限制因素。

3.1.1 果園管理模式缺乏標準化

國內(nèi)現(xiàn)有果園大多是以家庭為單位的分散種植經(jīng)營模式,行距株距不標準、樹形各異、長勢不一,大規(guī)模機械化存在困難。

3.1.2 疏花設(shè)備研究處于起步階段

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

3.1.3 疏花智能化技術(shù)研究不足

我國現(xiàn)有疏花機械智能化、信息化研究剛起步,靈活性較差,不能應對果園復雜的工作環(huán)境。

3.2 疏花機械化未來發(fā)展方向

3.2.1 規(guī)范果園栽培管理標準

促進果園樹形、行距、株距等作業(yè)對象指標的標準化、科學化,統(tǒng)一管理標準,探究出既適合果樹豐產(chǎn)又適合機械化管理的果樹栽培模式,進一步提高機械化疏花效果。

3.2.2 加強疏花機械信息化、智能化技術(shù)研發(fā)

利用大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)進一步加強對果園進行實時監(jiān)控,實現(xiàn)精準疏花,使得農(nóng)藝農(nóng)機實現(xiàn)精準對接。

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

充分做好實際調(diào)研和田間試驗,及時發(fā)現(xiàn)和解決果園對機械化應用的影響,增加疏花設(shè)備的實用性和可靠性。