王虹虹， 倪晓宇， 李维林， 贾志成， 刘 英

(南京林业大学机械电子工程学院，江苏 南京 210037)

我国林果资源丰富，但整个果实生产过程中的科技含量较低，这一现状严重制约着我国林果产业的发展。随着人们对健康食品需求的增长，蓝莓作为一种健康食品，人们对其需求也日益增长，这一需求推动了蓝莓产业的发展。蓝莓叶能制茶，根可入药，用途广泛[1]，其果实的花青素含量居于所有果蔬首位[2]。蓝莓果实的营养及膳食纤维含量丰富[3]，在改善心脑血管疾病、促进视红素再合成、调节人体生理活性方面也有积极作用[4-5]。此外，来自英国的一项研究表明：长期食用含有野生蓝莓成分的饮料可以提高儿童的执行能力与认知能力[6]。凭借其具有良好的营养价值及药用价值，蓝莓的需求量在全球持续增长[7]，这也促进了全球蓝莓产区的扩张，截至2018年，全球已有超过58个国家和地区种植蓝莓，我国的蓝莓总产量居于世界第五位[8]。采收过程是蓝莓生产中的重要环节，我国蓝莓仍以人工采收为主，这一过程产生的费用占蓝莓生产过程总成本的40%～50%[9]，此外，这一过程还受到天气、温度等因素影响，要尽可能在最佳采收时间内完成对果实的采收，否则将影响果实质量[10]。蓝莓的采收作业还具有季节性强、劳动密集、劳动强度大等特点，当果实不能及时被采收时会造成浪费，提高蓝莓采收效率对发展蓝莓产业具有重要意义，蓝莓机械化采收已成为当前农林机械领域中的研究热点。

国外的蓝莓采收机研究起步较早，最早开始蓝莓机械采收研究的国家是美国[11]，采收机械的科技水平与自动化程度都较高，已基本实现了机械化采收[12]，国内对采收机的研究较晚，技术仍不完备。本文通过对蓝莓机械化采收技术的研究现状进行探讨，对当前采收技术存在的不足进行分析，并对未来的研究方向进行展望，为蓝莓采收技术的后续研究和发展提供参考。

1 国内外蓝莓机械采收技术

目前，蓝莓机械采收装置主要有机械振动式、气力式以及采收机器人式这三种，机械振动式具有迅速有效分离果实与植株的特点，适用于大面积、规模化果实采收，应用最为广泛[13]。气力式采收与机器人采收技术在果实无损采收上有着明显优势，但由于受到经济、科技等因素的限制，目前在蓝莓采收上仍处于初步应用阶段。

1.1 机械振动式

蓝莓机械采收技术较为完备的有Korvan、Littau、Oxbo和BEI这4家公司[14]，美国BEI公司的采收技术最为成熟先进，该公司自主生产的自走式旋转蓝莓采收机利用机械振动式原理实现对果实的采收，已广泛应用于实际生产作业[15]，该采收机采收效率高，但采收作业过程中容易损伤树干、树枝，损伤果实，造成果实变软[16]，且只适应表皮较硬的果实采收[17]。Pengcheng Yu等[18]利用定制的微型球状仪器以及BIRD(BERRY IMPACT RECORDING DEVICE)系统[19]研究振动式采收机各部位与果实间的碰撞关系，得出旋转式采收机与果实接触各阶段产生的机械冲击占整个采收阶段的比例关系，该系统的成本更低、体积更小，且可以做到准确测量机器表面与果实接触时产生的冲击，该研究得出采收机的接果板与果实接触时产生的碰撞影响最大，可为采收机械的改进与完善提供指导。Takeda等[20]对BEI公司生产的V45型蓝莓振动收获机进行采收率和伤果率评估，得出V45采收机对不同品种蓝莓损伤率的均值在5%左右，该采收机对在某些兔眼蓝莓果实采收的损伤率可达到手工采收标准，但对高层蓝莓的损伤率仍较高。Malladi A等[21]设计了一款手持振动式机械振动装置，该装置结构简单、使用便捷。采用该振动装置对兔眼蓝莓和南高层蓝莓进行采收实验，结果表明，手持式振动装置对树枝施加3～4 s的振动可以实现果实分离，但采收效果因植株特性不同而差异较大。该装置可用于小批量蓝莓采收，难以满足大批量蓝莓采收作业。

近些年国内对机械振动式蓝莓采收机研究相对较多的有东北林业大学，研究理论也相对成熟。郭艳玲等针对矮丛蓝莓采收设计了一款手推式蓝莓采收机[22]，建立了蓝莓果实振动模型和果树振动系统模型[23]，但该采收机缺少动力牵引。后期，郭艳玲等针对高丛蓝莓的采收进行采收系统结构改进，设计了一款利用拖拉机牵引的高丛蓝莓采收机，该采收机采收效率为829 g/min，是人工采收的12.67倍[24]。目前东北林业大学对采收机结构设计理论系统的研究较为成熟，并针对蓝莓果实的识别、定位做了大量的研究[25]，同时也不断完善振动采收机械的电控系统，为我国蓝莓采收提供了很多技术手段和方法。

虽然机械振动式蓝莓采收机在工作时不可避免地要接触到果树与树枝从而造成果实损伤[26]，但由于其采收率高，因此，技术上相对成熟的大型振动采收机十分适用于大规模果园模式种植的蓝莓采收。

1.2 气力式

气力式收获机是最早被用于果品收获的机型之一[27]，主要分为气吹式和气吸式两种方式。Takeda等[28]评价了一款手持式气力振动筛，虽然该采收装置的伤果率仍高于人工采收，但采收效率比人工高3.5～15倍，且相对伤果率小于10%。DeVetter等[29]通过对一款改良式OTR蓝莓采收机进行评估，得出气力式振动器可以通过减少收获时的冲击力来减少损失，北美的蓝莓种植者也希望借助机械实现果实无损采收[30]。目前气力式采收机在国外已有了初步的应用，国内对小浆果采收装置的研究开发尚属起步阶段，在此基础上，东北农业大学的何宇设计了一款气吸式小浆果采收机模型[31]。赵永超等基于空气动力学原理设计出小型、便携气吸式小浆果采收机并进行小浆果试验[32-33]，得出输送管直径为40 mm时输送效果最佳，对应工作流量范围为0.01～0.03 m3/s。为了提高气吸式小浆果收获机采收效率，张韵[34]针对现有气吸式小浆果收获机配套的采摘装置研究并不成熟的现状，设计了5种不同口径的圆形吸口采摘头并对其进行结构参数优化试验，得出直径为30 mm的气吸采摘头较另外四组采摘效果好。

气力式采收装置作业过程中不需要与蓝莓植株直接接触，能避免损伤果皮、折断树枝等对果树造成的损伤，较好地实现了蓝莓果实的无损采收，但气力式采收在运行过程中需要大功率风机连续作业，采收过程运行成本高，功率损失大，且采收效率受限，难以实现短期内大批量作业。

1.3 采收机器人

采收机器人是随着图像处理技术与控制理论发展而来的一种采收技术[35]，早在1993年，Sarig就指出机器人采收技术所解决的主要问题是对果实的识别和定位，同时在采收作业分离果实与植株时不损伤两者。Sun S等[36]利用激光技术设计了一款测量野生蓝莓灌木丛高度的机器人平台，以减少人工测量的耗时，这一平台也为野生蓝莓采收机械的设计提供了重要参数。吕洋[37-38]对蓝莓采摘末端执行机构进行设计，提出并设计了一种梳齿间距可调的梳齿式蓝莓采摘机械手，以此进行采摘试验，结果表明，采摘手梳齿间距在7.0～8.5 mm范围内时，蓝莓果实损伤率为0.58%。Yang Yu等结合卷积神经网络技术与机器视觉技术进行采摘点的果实定位，定位准确率很高，可达95.76%，这一技术也可用于检测交叠在树叶下的水果，且可以适应光线变化。葛笑寒[39]经过系统仿真试验得出运用PLC编程可实现对采摘机械手的自动化控制，采摘手完成采摘单周期的最短时间为5.12 s，定位精度不低于90%，可用于高精度机械手采收。

采收机器人能够实现蓝莓果实的精确采收，且工作过程对蓝莓果实的损伤较小，但由于采收环境复杂，作业对象特殊，技术尚未成熟，目前仍未实现商业化[40]。

2 蓝莓机械化采收存在的问题

随着蓝莓机械采收原理与采收技术的完善，现有的采收机械对比人工采收可以大幅提高采收效率，但现有的采收机械仍存在果实采收效率低、损伤率高以及尚未实现分级采收的问题，严重制约了我国蓝莓机械化采收的发展。

2.1 采收效率低

蓝莓采收机械对果实的采收率是检验采收机械是否具有采收价值的最直接指标，因而采收机械的采收率是对采收装置进行设计检验的重要前提和依据。现有的采收技术在采收过程中往往难以做到采净蓝莓果实，或者在做到采净果实的同时会将未成熟果实一同采收而造成蓝莓资源的浪费。

2.2 损伤率高

蓝莓具有较高的经济价值和发展潜力，而其各类产品中鲜果的销售价格更高，且蓝莓果实具有果径小、果实圆、果皮软等特点，表皮易受损，而采收机械每与果树接触一次，就不可避免地产生伤果、伤树等不良影响。因此，在采收过程中保证鲜果完好性对蓝莓销售具有重要意义，这就要求在蓝莓机械化采收过程中降低其损伤。当前应用较为广泛的机械振动式采收技术对采收蓝莓具有较大的损伤，气力式以及机器人采收相对损伤率较低，但受到技术、经济等因素的限制，仍难以代替机械振动式采收机的应用。

2.3 分级采收难度大

蓝莓在成长过程中，不同植株乃至同一植株的果实状态在大小、颜色、成熟度等方面均存在差异，这对蓝莓果实的售价也存在影响，如大小不同的鲜果在市场上的售价有很大区别，因此在蓝莓进入市场前，必须对采收后的果实按照一定标准进行分级分拣从而销售，进而实现蓝莓经济效益的最大化。我国目前的果实分选仍以人工为主，人工分选任务量大、主观性强、成本高，难以实现大批量的蓝莓果实精确分选。

3 发展趋势和研究策略

3.1 智能化

提高采收机械智能化水平。在设计蓝莓采收机械时加入超声波传感器、数字彩色摄像机、坡度传感器、实时运动学GPS[41]，运用产量自动监控系统(AYMS)[42-44]等新方法、新手段，通过捕捉蓝莓果实图像可以实现对初次未采收的成熟果实进行再次采收，提高采收机械的智能化水平，做到实时调整与精确控制采收机的采收速率，以提高采收机的采收效率。

3.2 变量式

采用变量式蓝莓采收方法。通过设计梳刷振动与气力辅助相结合的方式来提高采收效率，采用气流喷头辅助机械振动的采收方法，在保证果实采集率的同时，减少对果树的损伤，尤其在达到最大程度采净蓝莓果实时避免对果树的不必要伤害。

3.3 通用性

增强蓝莓采收机械的通用性。例如实现蓝莓采收机的上下甚至左右变距功能，以此使蓝莓采收机适应不同种植密度以及植株高度的果园，增强蓝莓采收机的通用性。政府也应大力鼓励蓝莓产业的发展，加大对蓝莓相关产业的优惠政策，促进蓝莓种植与加工产业的发展，成立蓝莓生产合作社，使蓝莓的种植与采收产业化，从而实现最大的经济效益。

3.4 机械分级

建立蓝莓品质分级分选标准。为了减少采收后期人工分选的难度和成本，可以通过分析不同级别蓝莓的生物学特质划分蓝莓果实等级，建立蓝莓质量分级标准，并依据这一标准来进行果实品质分选，综合应用图像处理、机器视觉以及深度学习技术研发机械化、自动化蓝莓分选装置，提高分选效率和分级质量。

4 结论与展望

随着我国蓝莓种植面积与产量的增长，人工采收难以满足当前蓝莓产业发展的需求，而且人工采收后的蓝莓品质分选任务依然十分繁重。采用机械化、自动化、智能化的采收技术一方面可以避免不必要的社会资源消耗，节省大量的人力、物力，降低蓝莓的生产成本，另一方面，实现蓝莓采收机械化、自动化、智能化可以降低果实损伤率，同时做到及时采收果实，避免因采收不及时、采收方法不当造成的果实浪费，以此提高蓝莓产量。

当前我国蓝莓的采收现状严重制约了蓝莓的大面积种植与推广，蓝莓机械化采收是未来蓝莓产业的发展方向和必然趋势。国外目前较为成熟的蓝莓采收机械主要应用于大型蓝莓种植园的规模化采收，不适应我国大部分蓝莓种植地区小面积、复杂地形的采收，且小型蓝莓种植园难以承担蓝莓采收机械的购买和维护成本，因此研究适合我国国情的采收方式方法，可以弥补国内采收技术的不足，缩短我国与发达国家采收机械化程度的差距，从而实现蓝莓的机械化、自动化、智能化采收，促进蓝莓及其相关产业的共同发展，加速我国农林业现代化发展与科技的进步。本文在对国内外蓝莓采收技术进行分析后，指出现有的蓝莓采收技术存在采收率不够高、损伤果实、采收后的分选任务繁重以及采收机械成本高等问题，并就这些问题提出以下建议：

(1)分析振动式采收机的伤果原因进而对系统进行改进。振动式采收机采收产生损伤的最主要两个阶段分别为梳刷杆与果实接触以及果实从高空落到接果板这两个过程，因而可以选用软质材料的梳刷杆以及接果板，以降低振动式采收机的伤果率，同时根据果实的成熟状况调整采收机的采收频率，减少对果树的损伤。

(2)将气力式采收与振动梳刷相结合。气力式采收具有伤果率低的特点，但工作过程中需要大功率风机持续工作，将气力式采收与机械振动式采收相结合可以降低气力式采收的功率消耗，并降低机械振动装置采收所需要的频率，从而提高采收效率并降低伤果率。

(3)提高采收机器人对果实的定位、识别的速度与精度。将机器视觉技术与人工智能技术应用到对蓝莓果实的定位与识别方面，同时可以采用多机械手协同工作，增强机械手的灵活性，提高采收效率。