基于電子果實技術的機械振動采收過程果實運動分析

杜小強，李黨偉，賀磊盈，武傳宇，林樂鵬

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基于電子果實技術的機械振動采收過程果實運動分析

杜小強1,2，李黨偉1，賀磊盈1，武傳宇1，林樂鵬1

（1.浙江理工大學機械與自動控制學院，杭州 310018； 2.浙江省種植裝備技術重點實驗室，杭州 310018）

為改善現有收獲設備的采收性能，降低傷果率，提高采摘率，必須對果實采收設備引起的果實運動情況進行準確評估，以確定導致果實損傷的主要階段和關鍵因素。該文建立和分析了果實—樹體的動力學模型，通過試驗和計算驗證了果實脫落的理論條件是果實所受法向慣性力要大于果柄與果實間的結合力，并設計了一種扁球型電子果實（orange impact recording sensor，OIRS），利用它檢測記錄三維激振采收系統在收獲砂糖桔時所產生的機械沖擊，對該系統引起的果實運動進行分析。在野外振動采收試驗記錄的數據中，電子果實記錄到振動階段的最大機械沖擊加速度均值為217，平均沖擊加速度達到123；而下落階段的最大機械沖擊加速度均值為155，平均沖擊加速度僅為76。結果表明：在振動階段果實損傷的可能性更高，可通過調整采收機的工作參數，降低潛在的傷果風險；而下落階段果實與地面接觸時產生的較高沖擊也會導致果實損傷，收獲設備表面可鋪設緩沖減震材料，以此降低果實的墜落損傷。研究結果表明利用電子果實能夠有效檢測三維激振采收系統在果實收獲過程中所產生的機械沖擊，用于機器系統的傷果評估。

機械化；振動；傳感器；電子果實；沖擊

0 引 言

目前市場中的鮮果以人工采摘為主要收獲途徑[1]，由于人力勞動效率低﹑成本高，迫使果農不斷尋求新的收獲方法以降低果品的生產費用[2]。機械收獲對于果品采收來說是降低采收成本、提高收獲效率行之有效的手段[3-4]。根據以往田間試驗研究的結果，機械采收會導致高比例的果實損傷[5]。盡管20世紀60年代美國在開發和設計果品收獲裝備方面做出了巨大的努力[6]，但是采收機械對果品造成的損傷依然十分嚴重，例如，適用于甜櫻桃果園的便攜式振動收獲機對果實的損傷率達23.9%～27.4%[7]；藍莓旋轉振動收獲機對藍莓造成的瘀青率高達55%[8]。高比例的果實損傷始終是制約采收機械發展和應用的主要原因。

大多數鮮果的振動采收都要經歷分離和收集兩個階段[9]。分離階段指果實從樹體脫落的過程，在此期間果實與果實、果實與樹體的相互碰撞極易造成果品損傷[10-12]。收集階段是指果實掉落到收獲設備被統一收集的過程，在這個過程中，果實與收集裝置各部分的接觸是造成此階段損傷的主要原因[13-14]。當前，檢測采后果實的受損情況是評估采收效果的主要手段，但是檢測工作量較大，且無法確定導致果品損傷的主要階段和因素。構建果實—樹體系統理論模型雖然有助于了解在具體參數條件下的果實受損情況[15-16]，但是這些理論模型[17-18]（如巴旦杏與樹體分離模型、番茄貯運振動力學模型等）不可能涵蓋所有情況。國外農業發達國家多采用“電子果實”來模擬果實的實際收獲狀態，通過電子果實記錄的數據來分析果實在不同階段的動態信息[19-20]。

“電子果實”誕生于20世紀70年代[21-22]，是采用微型傳感器來檢測采收設備對果實的沖擊作用，通常被做成各種類似于蘋果、櫻桃、藍莓等真實水果的形狀。根據檢測方式不同大致可分為加速度檢測傳感器和壓力檢測傳感器兩類。IS100是第一個采用三軸加速度計檢測動態沖擊的電子果實[23]，用于蘋果收獲機的沖擊測量，最初的設計尺寸為直徑140 mm的球體，IS100經過不斷改進和創新形成的IRD（impact recording device）電子果實，其精度更加準確，尺寸更加合理，主要用于評估番茄采收設備、檢測采收過程中的沖擊關鍵點。另一種比較經典的加速度傳感器PTR100/200[24]和Smart Spud[25]，常被用來檢測和評估土豆收獲過程中的損傷。BIRD（berry impact recording device）是極具代表性的小型電子果實[26]，尺寸僅有25.4 mm，主要對藍莓等小型果實采收過程的損傷檢測。PMS是一種壓力檢測型電子果實[27]，廣泛用于檢測蘋果、圓蔥等果蔬所受的靜態載荷。而中國在電子果實方面的研究尚處于空白，鮮有關于電子果實的研究報道。

浙江理工大學農業機械研究所長期從事果品機械化采收技術的研究，至今已設計開發了多種振動采收設備[28-31]。為了評估這些采收設備的工作效果，基于微型單片機數據采集技術設計了一款模擬砂糖桔的球型記錄儀（orange impact recording sensor，OIRS），并利用所開發的OIRS電子果實對三維激振采收機的工作效果和果實運動情況進行分析，提出針對三維激振采收機的改進措施。

1 砂糖桔的果實-樹體動力學模型及求解

1.1 砂糖桔果實的動力學模型

果柄連接著果實和樹體，不同林果果柄的具體形狀和尺寸也不同。砂糖桔屬于無柄果實，在動力學的研究中由于較短果柄長度，對于分析結果影響不大，其質量及果柄、果實連接點由于彎曲產生的黏性阻尼可以忽略不計，可建立無柄果實的果實-樹體動力學模型。此模型可簡化為果實在穩定狀態下的單擺動模型而進行分析。以靜止時的果柄與果實結合點為原點，建立絕對坐標系，外加振動后點移動到′點，以′為原點，建立坐標系′′′，如圖1所示。

注：p為果實的質心，O′p為果柄與果實的結合點到果實質心的距離l，mm；θ為O′p與y′軸方向的夾角，(°)；x0為果實沿x軸的位移，mm；y0為果實沿y軸的位移，mm。

果實在三維激振的激勵下產生振動，其動能方程可表示為

相應的勢能方程為

由果實的動能方程（1）和勢能方程（2）可建立拉格朗日函數

根據數學計算式，有拉格朗日方程

式中為果實從振動到脫落的時間，s。

將拉格朗日函數式（3）代入到拉格朗日方程式（4）中整理得

1.2 砂糖桔果實動力學模型的求解

在無柄果實的動力學模型中，當采收機向系統模型施加振動慣性力時，果實與樹枝振動規律一致。果實與樹體結合點的運動規律可由式（7）表示，由于樹枝在垂直方向上只存在微幅振動，故只需考慮果實在水平位置的振動，果實-樹體結合點運動規律的方程表達式為

式中0為樹枝振幅，mm；為樹枝振動頻率，Hz。

將式（7）代入式（6）中得

式（8）為二階常系數非齊次線性微分方程，解得

1.3 果實脫落條件

當外部振動對懸掛于樹體上的果實施加激振時，果實受自身重力、樹枝拉力0以及慣性力共同作用，其中慣性力為法向慣性力F與切向慣性力F的合力，如圖2所示。

注：a為果實的加速度，m·s-2；an和at分別為果實法向加速度和切向加速度，m·s-2。

法向慣性力F和切向慣性力F為

式（13）即為果實從樹體脫落的理論條件。但是在實際條件下由于果樹形態各異、外界干擾因素多樣，理論模型不可能完全反映復雜的采收過程。為了判斷理論模型的正誤，采用本文設計開發的電子果實進行驗證，并通過在實際采摘過程中電子果實記錄的加速度值與理論脫落條件計算值進行對比，作為評判理論模型精度的依據。

2 材料與方法

2.1 砂糖桔沖擊記錄傳感器（OIRS）

OIRS電子果實是基于單片機技術開發的一款具有數據獲取和存儲功能的球形檢測器，其尺寸接近砂糖桔的實際形態（直徑約50 mm），其實際結構及尺寸如圖3所示，檢測量程達±500，為重力加速度（=9.8 m/s2），可滿足砂糖桔在機械振動采收過程中受到的機械沖擊檢測要求。OIRS電子果實主要由測量范圍達±500的三軸加速度計、存儲芯片、微控制單元、供能單元4部分組成。電子果實具備3 200 Hz最大掃描頻率和13位分辨率，抗沖擊加速度可達10 000，續航能力約為10 h。根據砂糖桔的實際尺寸（約為45 mm）整個OIRS電路板安置在一個直徑為50 mm的硅膠殼中，質量約49 g，與砂糖桔質量（一般成熟砂糖桔質量約40～60 g）相當。試驗之前對OIRS傳感器的數據檢測精度做校核，結果表明誤差范圍在3.3%～6.4%之間，符合精度要求。

圖3 OIRS電子果實實際結構及尺寸

OIRS電子果實以三軸重力加速度作為測量參數，通過、、3個單軸加速度計以兩兩正交的形式組合在一起形成三軸加速度計，整體結構簡單，適合于果樹在振動采收下的動態加速度測量。在實際布局中，、軸與OIRS傳感器電路板的表面平行，軸垂直于電路板表面。在微控制單元上，OIRS電子果實采用美國Atmel公司提供的AVR系列的8位微控制器，其型號為Atmega328p-AU，采用SPI（3線/4線）和I2C兩種數字接口，可實現信息的多樣化傳輸，方便其他功能的擴展，且可在?40～85°C的環境溫度下工作。在存儲功能上，采用美國SanDisk公司提供的型號為Memory Stick Micro的1G內存存儲芯片，其理論最大讀寫速度可達104 MB/s，具有數據傳輸速度快、質量輕、體積小等特點。在供能單元的選取上，首先需要考慮功能單元尺寸大小和續航時間，合適的電源不僅要滿足電路板的實際大小，還必須對電路提供穩定的電壓，保證OIRS電子果實能夠工作在1 h以上。根據實際工作條件，在考慮保護電路各部分正常工作且不會因電壓過大而燒毀的前提下，供能單元需接入穩壓單元以保證向電路提供恒定的3.3V工作電壓。

2.2 三維激振采收機

砂糖桔的機械振動采收過程是通過三維激振采收機實現的。三維激振采收機實際上是以振搖為主的空間連桿機構，主體由箱體、動力傳動部分、空間連桿振搖機構、夾持機構4部分組成[31]，如圖4所示。具體工作時，機構利用自身的曲柄搖桿機構和曲柄滑桿機構使夾持裝置的運動軌跡呈空間曲線狀。這樣通過夾持裝置夾住果樹的樹枝，強迫樹枝做空間曲線運動產生慣性力，迫使果實在果樹慣性力的作用下產生運動加速度，以實現果實與樹體的分離。在實際試驗當中，整個機構由24 V蓄電池供能，振動頻率為5 Hz，曲柄轉速為300 r/min。以上設計參數是建立在避免機構大振幅對果樹損傷的基礎上，結合理論研究所提出來的，主要用于小型林果的振動收獲。

圖4 三維激振采收機

2.3 果實脫落試驗

室內果實脫落試驗是利用三維激振采摘裝置和德國Pco高速攝像機（檢測瞬間物理現象、高速運動）配合電子果實共同完成。通過尼龍扣將電子果實固定在從桔樹截取的三級樹枝上，通過數顯測力計觀察電子果實和樹枝的結合力（圖5a所示）。然后利用三維激振采摘裝置夾持樹體進行激振，此時高速攝影機與電子果實的拍攝距離約為0.5 m，曝光頻率為10 ms，鏡頭距地面100 mm。電子果實會在外部慣性力的作用下產生擺動，當擺動離心力大于結合力時電子果實就會從樹體脫落，完成試驗，試驗在同一位置進行4次測試（如圖5b所示）。

圖5 電子果實的脫落試驗

2.4 電子果實動態試驗

果實的損傷不僅與沖擊加速度有關，還與兩物體相接觸時的沖擊接觸面積及沖擊時間有關。由于果實生長在樹體的高度及位置分布不同，在振動采收時很難確定兩物體接觸面積與沖擊時間。因此，本文通過電子果實動態試驗采集對果實損傷起決定因素的沖擊加速度來評估果實損傷的可能性。其他因素由于實際情況的復雜性暫不考慮。OIRS電子果實動態試驗開展于2017年1月，在浙江理工大學的校內百果園進行。隨機選取一株砂糖桔樹，高約2～3 m，將OIRS電子果實用粘性BOPP膜固定在砂糖桔樹的三級樹枝上（距地約1 m），如圖6所示。試驗開始時，三維激振采收裝置在電機驅動下輸出頻率為5 Hz的振動激勵，通過夾持裝置激發到選定的三級樹枝上，使樹枝產生慣性力，迫使果實產生擺動，當擺動離心力大于連接力時電子果實就會從樹體脫落，完成試驗。由OIRS電子果實采集到的原始數據，首先在TF-Card中生成一個txt格式文本并進行保存，然后將文本數據傳輸到上位機中，通過MATLAB對信號進行時域分析，本文中得出的所有加速度數據是3個方向的加速度矢量合成。為保證OIRS采集到的數據完整、有效，試驗在同一位置進行4次重復測試。

圖6 電子果實振動采收動態

3 結果與分析

3.1 電子果實運動分析

通過高速攝影可清晰地記錄果實擺動和脫落的過程，統計4組試驗中由高速攝影記錄下的果實振幅和由數顯測力計測量到的果實與樹體間的結合力，得出果實振動的振幅0和結合力0如表1所示。

表1 果實的試驗振幅和結合力

電子計重稱測量電子果實質量為48.87 g，計算得到空心球體的電子果實轉動慣量為I=7.3×10-5kg·m2，測得尼龍扣等效彈性系數=5.5 N/mm，果實的振幅和脫離力取記錄的平均值，代入式（13）計算得17.25 N>11.6 N，由此驗證了法向慣性力是影響果實脫落的主要參數。

電子果實在整個振動采收過程中所受的沖擊情況通過三軸加速度計和存儲芯片被檢測并記錄下來，4組試驗結果如圖7所示。從圖中可看出整個采收過程大致可分為兩個階段：振動階段和下落階段。振動階段表示電子果實從初始靜止到最后與樹體分離的過程（此過程平均時間約為1.1 s），電子果實所記錄的沖擊加速度，不僅包含其自身的運動也包含與樹體之間的相互碰撞，除此之外，振動階段還存在大量的高幅值沖擊。下落階段是指電子果實與樹體分離到落地的過程（整個過程的平均時間約為1.6 s），此過程中，電子果實在空中飛行未發生沖擊，當與地面接觸時產生的明顯沖擊。對比圖7中振動階段與下落階段的沖擊加速度數據曲線，結果表明：與下落階段相比，電子果實在振動階段所遭受的沖擊更頻繁，并且持續時間更長、幅值較大。

圖7 振動采收過程中OIRS記錄的機械沖擊加速度

3.2 不同階段的沖擊加速度最大值與平均值統計

在實際采收過程中，林果的損傷概率與在采摘過程中果實所受的沖擊大小有直接關系。在4組野外試驗中分別對振動階段和下落階段果實所承受的最大沖擊加速度和平均沖擊加速度進行統計（下落階段只考慮電子果實與地面相互接觸撞擊過程的沖擊數據點），得出振動階段最大沖擊加速度平均值為（217±16），對應的平均沖擊加速度為（123±5）；下落階段最大沖擊加速度平均值和標準差為（155±40），對應的平均沖擊加速度為（76±12）。2個階段的沖擊加速度平均值大小主要依賴于各階段所記錄的沖擊個數和沖擊幅值，當考慮最大沖擊時，4組試驗對應的振動階段的最大沖擊加速度均值大于下落階段最大沖擊加速度均值，當考慮平均沖擊時，振動階段的平均沖擊加速度均值大于下落階段平均沖擊加速度均值。

上述結果表明：由于振動階段所產生的沖擊個數較多、沖擊幅值較大，且振動階段不論最大沖擊加速度均值還是平均沖擊加速度均值都遠大于下落階段，由此可推測該三維激振采收機在工作過程中的振動階段容易造成果實損傷。

3.3 機械沖擊的分布統計

從記錄的沖擊數據中研究機械沖擊分布模式（圖7）與沖擊數量（表2）可直觀分析果實受到的不同程度沖擊影響水平。在4組試驗中超過190的沖擊個數平均產生5個，約占總沖擊個數的6%；150～190范圍內的平均沖擊個數為16個，約占總沖擊個數的18%；100～150范圍內的平均沖擊個數為32個，約占總沖擊個數的37%；50～100的機械沖擊平均個數出現28個，約占總沖擊個數的32.3%；小于50的沖擊個數為5個，約占總沖擊個數的6%。

表2 4組試驗結果各沖擊范圍的沖擊個數

統計分析上述OIRS電子果實在采收過程中所產生的機械沖擊分布可得：果實在采收過程中可以明顯地分為兩個階段（振動階段和下落階段），在振動階段的平均沖擊加速度值為123，同時整個過程最大的沖擊加速度值也在該階段產生（4組試驗最大沖擊加速度的平均值為217）。在振動階段電子果實產生的機械沖擊主要是采摘機對果樹的振動激勵所造成的。因此，對于采摘機的設計與改良，不僅要考慮采摘機對果樹的激振效果，更重要的是要考慮采摘機激振果樹后引起的果實振動沖擊情況。在下落階段，由于果實受重力和生長高度的影響，在與地面接觸撞擊過程中也會產生較大的沖擊（4組試驗最大沖擊加速度的平均值為155）。因此，采用振動式采收機采收果實時需要考慮設計收集裝置，并在收集裝置表面鋪設減震緩沖材料以有效降低果實下落沖擊造成的損傷。

4 結 論

1）建立了砂糖桔的果實—樹體動力學模型，并進行求解和分析，通過室內果實脫落試驗測得砂糖桔的振幅和果實與果柄間的結合力，計算得到果實法向慣性力大于結合力，即17.25 N>11.6 N，驗證了果實從樹體脫落的理論條件。

2）開發了一種模擬砂糖桔的球型傳感器（OIRS），并對三維激振采收機采收過程中引起的果實機械沖擊進行采集與分析，確定了果實在采收機工作過程中的動態行為。

3）通過電子果實動態試驗發現，砂糖桔在振動階段不僅產生了最大217的單一機械沖擊還伴有數量更多的高幅值機械沖擊，而且沖擊持續時間長。因此，必須通過調整采收機的振幅、激振頻率的參數，降低在振動階段中可能產生的果實損傷。而在下落階段，果實與地面接觸時也出現了達155的極值沖擊，收獲設備表面可采用減震緩沖材料，以降低果實下落階段的沖擊。

雖然本文開發的OIRS電子果實在尺寸、質量以及連接方式上與真實砂糖桔仍存在差異，但是通過該研究，可以準確把握果實在收獲過程中可能造成損傷的關鍵點，為林果采摘機結構改良、性能優化和鮮果采收質量的提高提供指導。

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Du Xiaoqiang1,2, Li Dangwei1, He Leiying1, Wu Chuanyu1, Lin Lepeng1

(1.310018,;2.310018,)

At present, the main way of fruit harvesting is still dominated by manual picking. Although the workload of the laborer can be reduced by the use of mechanical equipment in the process of fruit harvesting, the unstable harvesting rate and the high proportion of fruit damage are hindering the development of harvesting equipment, especial in fruit harvesting machines, which are the key factors to improve harvesting machine. In order to improve the performance of harvesting equipment in the market of agricultural machinery, it is necessary to make accurate evaluation of the fruit motion in process of picking with fruit harvesting equipment, and then determine the main stages and key factors leading to fruit damage. In this paper, a flattened electronic fruit based on Orange Impact Recording Sensor (OIRS) was designed to detect the mechanical impact caused by the three-dimensional vibration harvesting system and analyze the fruit motion. The dynamics model of sugar orange was built and analyzed, which was equivalent to solve nonhomogeneous linear ordinary differential equation with constant coefficients. The dynamics model was solved and the theoretical condition of fruit abscission from tree body was obtained. The fruit falling process was recorded by high-speed photography in the detachment test of electronic fruit, and the amplitude and binding force of fruit were measured. All the parameters in the theoretical model were calculated, and the result of 17.25>11.6 N was obtained, which demonstrated that the normal inertia force of fruit was greater than that of binding force when the fruit was detached from the tree. So the theoretical model of fruit abscission was verified. Three-axis accelerometer was embedded in the OIRS, and was used to detect and record the acceleration in the process of harvesting. And the final resultant acceleration values from three directions were obtained with the method of FFT (Fast Fourier Transformation) by MATLAB. Four vibration harvesting experiments were carried out in orchard filed and recorded the maximum mechanical impact in vibration and falling stage, the maximum mechanical impact recorded by the electronic fruit was 217in the vibration stage, and the average impact reached 123. The maximum mechanical impact was 155in the falling stage, and the average impact was only 76. The results showed that the possibility of fruit damage in the vibration stage was higher, and the potential damage risk can be reduced by adjusting and improving working parameters of the harvesting machine. The higher impact caused by the fruit contact with the ground during the falling stage can also lead to fruit damage, in order to reduce the fruit damage during the falling stage, the damping and buffer materials can be used on the surface of fruit collect equipment. The use of electronic fruit can detect the mechanical shock effectively caused by the vibratory fruit harvesting mechanism with three-dimensional excitation in the fruit picking process, and it can be also used to evaluate damage in the process of harvesting fruit of the machine system. Though there are some differences in fruit size, weight and the way to fixed in fruit tree branch when comparing the actual picking environment and state, experiment results of mechanical harvest using electronic fruit technique in orchard filed demonstrate that this electronic fruit device has practical value and provides a reference for the improvement of the other fruits harvesting machine.

mechanization; vibrations; sensors; electronic fruit; impact

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.17.008

S237

A

1002-6819(2017)-17-0058-07

2017-05-30

2017-08-07

國家自然科學基金項目(51475433，51505431)；浙江省高校中青年學科帶頭人培養項目；浙江理工大學科研創新團隊專項(13020049-Y)；浙江理工大學521中青年拔尖人才項目和浙江理工大學研究生創新研究項目（No.YCX15029）。

杜小強，教授，博士，主要從事現代農業裝備與技術研究。杭州 浙江理工大學機械與自動控制學院，310018。Email：xqiangdu@zstu.edu.cn