基于高速攝影的油茶果機械采摘受力分析

陳 斌，饒洪輝，張立勇，黃登昇，劉木華

(江西農業大學 工學院，南昌 330045)

0 引言

油茶樹是一種珍貴的油料作物，茶油營養價值豐富，油中不飽和脂肪酸含量高達80%以上[1]。油茶樹主要分布在我國南方，在江西由于氣候適宜和政府的扶持，已經得到了產業化發展。近年來，農村勞動力短缺，人工采摘效率低下，勞動力成本提高，這些因素限制了油茶果的采摘，成為油茶產業化的一個瓶頸[2]。在果類生產過程中，采摘是最耗時、耗力的環節之一[3]，用機械采摘方式代替人工采摘成為迫切的要求。在國內，由于油茶果多分布在南方，多山地和丘陵地帶，山地果園果樹種植過于密集限制了山地果園機械化的發展。我國雖然研制出了許多果園機械，但大部分都與大功率拖拉機匹配，而這些大型機器很難在狹窄的坡地果園中作業，導致研制出的機具用途有限。因此，果園機械的研發應向輕便、小巧的方向發展[4]。中南林業大學高自成等人設計了一種齒梳回轉式油茶果采摘機，先由人操作多自由度機械臂進入油茶樹合適的采摘位置，通過采摘頭的回轉運動實現采果。試驗表明：當齒梳式采摘頭上升速度約為0. 8m/s、采摘頭回轉速度為15r/min左右時，既可獲得較高的采摘效率，又能將漏摘率問題控制在3. 2%以內，且保證油茶花苞的損傷率控制在 3% 以內[5]。程學良等建立了兩自由度的曲柄連桿式采摘機[6]，分析了不同夾持高度對采摘機和油茶果樹振動的影響。王朋輝等設計了一種適用于林果采收的擺動式林果采摘頭，并對該采摘頭進行了動力學分析和動力選型[7]。江西農業大學張立勇等設計了一種適合園藝化栽培的履帶式油茶果采摘機[8]，并在 ADMAS 軟件中對機械臂參數化并進行試驗設計和優化仿真，同時設計了平行膠輥采摘機械。羅時挺等設計了一款齒梳撥刀式油茶果采摘裝置[9]，并對齒梳撥刀撥果原理進行分析，得出了影響撥刀采摘效果的主要因素，并對撥刀前端點的速度和加速度進行了仿真分析。以上油茶果采摘機械實現了對油茶果的采摘，然而對采摘過程中花苞損傷機理還未進行深入研究。油茶果具有花果同期的特性，即成熟油茶果與油茶花苞同樹同枝，如果在機械采摘過程花苞的損傷會影響來年油茶果的產量[10]。基于這種特性，在機械采摘過程中要求對油茶果沖擊力小、動量小、采摘效率高。高速攝影相機PCO1200s每秒鐘能夠拍攝1 000張圖片，提供了豐富的圖像信息，借助運動圖像分析軟件Image pro plus可以對選定的目標進行軌跡追蹤和測量，包括坐標位置、速度、加速度、角度、角速度、角加速度及移動距離等多組數據[11]。本文利用高速相機PCO1200S和image Pro plus軟件對油茶果機械采摘機理進行分析，旨在探討油茶果與機械采摘裝置相互作用部位及作用效果，為油茶果機械采摘裝置設計提供參考。

1 試驗裝置和試驗方法

1.1 試驗裝置介紹

1.1.1 旋轉式膠輥采摘機裝置

旋轉式膠輥采摘機主要由直流電機作為裝置的驅動，包括上下兩組旋轉膠輥，每組膠輥又含3小組膠輥，呈120°分布。這樣設計相比每組一個膠輥能提高采摘效率，如圖1所示。旋轉膠輥通過軸承固定在兩側腹板，腹板固定到支架上，同時有4個可行走、帶有制動的腳輪，以便搬運。

1.旋轉膠輥 2.電機 3.支架

1.1.2 齒梳式撥刀式采摘機裝置

齒梳撥刀油茶果采摘裝置主要由采摘頭、撥刀、拉線及長桿等結構組成，如圖2所示。

1撥刀 2.彈簧 3.長桿

1.1.3 平行膠輥式采摘裝置

平行膠輥式采摘機械裝置由一組相互平行的膠輥、拉環、長桿等組成，如圖3所示。

1.平行膠輥 2.拉桿 3.長桿

1.2 高速攝影和image Pro plus軟件介紹

1.2.1 高速攝影

高速攝影相機是高速記錄運動物體影像的光學攝影儀器，由光學系統、快門、輸片和收片機構、機架和時間控制機構等部分組成。高速攝影技術的應用從軍用到民用，從工業到化學、生物學，從宏觀機械運動到微觀機理的分析，研究的范圍和內容日益廣泛和深入，功能日趨強大。目前，高速攝影技術時間分辨率已經突破10-12s,曝光時間已短至10-13s,甚至更短;幅頻已能達到10-9幅/s,甚至更多[12 ]。本文中高速攝影相機拍攝時設置的分辨率為1 280×1 024，試驗拍攝時間間隔為1ms，幀差設置為1幀。它以高頻率記錄油茶果采摘脫落過程，視頻圖像通過Camware軟件拍攝并保存[13]。高速攝影試驗裝置主要由高速攝影相機、PC機、傳輸電纜及待測試的油茶果采摘機械組成，如圖4所示。

1.采摘裝置 2.PC機 3.高速攝影相機 4.傳輸電纜

1.2.2 Image Pro plus軟件

Image-Pro Plus提供了獲取、增強和分析圖像的藝術圖像和分析能力，能從照相機、顯微鏡、錄像機或掃描儀中獲取圖像數據。在Image-Pro Plus軟件可以打開標準的圖像文件格式，如TIFF、JPEG、BMP、TGA等。Image-Pro Plus圖像處理功能十分強大，如圖像增強、手動或自動地跟蹤和計數對象等，并可用來測量物體屬性，如面積、角度、周長、直徑、圓度和縱橫比,能對物體進行測量和追蹤等[14]。

1.3 試驗流程圖

由于膠輥旋轉油茶果采摘裝置和平行膠輥油茶果采摘裝置中膠輥對油茶果的作用力F合及齒梳撥刀式油茶果采摘裝置撥刀對油茶果的撥力F作用時間短，難于測量，為了定量研究油茶果所受的沖擊力，采用高速攝影采集油茶果及其采摘裝置作用圖像，借助高速攝影軟件來分析油茶果所受采摘裝置的作用力F合和F，其試驗流程如圖5所示。

圖5 試驗流程圖

2 試驗過程

2.1 油茶果采摘裝置高速攝影

2.1.1 膠輥旋轉油茶果采摘裝置高速攝影

從江西農業大學油茶林中獲得油茶果，高速攝影相機連接到電腦，打開照明燈光。試驗時，每幅的間隔時間1ms。啟動旋轉采摘機，將油茶果放入旋轉采摘機中，開始攝影，油茶果脫落則停止攝影并保存圖像序列。另稱量油茶果質量并記錄，用IPP軟件打開TIF格式的圖像序列，找到油茶果開始接觸幀和剛好脫落幀，結果如圖6所示。

圖6 旋轉膠輥部分幀圖像

with rotary rubber roller

2.1.2齒梳撥刀油茶果采摘高速攝影

齒梳撥刀油茶果采摘高速攝影試驗在江西農業大學油茶林中進行。連接高速攝影相機及便攜式計算機，打開Camware軟件和照明電源，調節好高速攝影相機的焦距，使得圖像顯示清晰。試驗過程選擇在晚上進行，目的是減少背景的復雜性，降低圖像噪聲，方便后續處理。用齒梳式采摘機械夾住油茶果后，用牽拉絲拉動撥刀擊打油茶果開始攝影，油茶果脫落停止攝影并保存圖像序列。油茶果脫落前后的圖像幀如圖7所示。

圖7 齒梳式油茶果采摘部分幀圖像

equipment with tooth comb

2.1.3 平行膠輥式油茶果采摘高速攝影

用同樣的方法在江西農業大學油茶林中進行平行膠輥式油茶果采摘高速攝影。將攝像頭焦距調整好，用平行膠輥采摘機械夾住油茶果，當沖擊力大于樹枝和果實之間的結合力時，油茶果脫落；采摘掉油茶果后停止拍攝并保存圖像序列。圖8所示為油茶果采摘脫落前后的圖像幀。

圖8 平行膠輥采摘機械部分幀圖像

with parallel rubber roller

2.2 試驗分析

設置油茶果為AOI(感興趣區域，即追蹤目標)，打開IPP軟件對油茶果脫落過程進行追蹤，并導出油茶果速度-時間圖，可得到接觸幀和脫落幀速度，獲得速度差ΔV。由于IPP軟件測得圖像單位為像素，而計算得到的長度為m，速度單位為m/s，因此需要進行標定。標定的方法是先測量圖像中實際物體長度，然后測量圖像中對應物體的像素長度，用圖像中物體像素長度與其實際長度相比得到像素的實際長度(像素比)。根據前面標定在IPP軟件中設置好像素比，軟件在計算時中會自動進行轉換。實際操作時選用膠輥為參照物，用游標卡尺測量旋轉膠輥直徑3次，取平均直徑31.6mm。從Image pro plus軟件打開試驗圖像幀，測量膠輥像度長度，與前面旋轉膠輥實際長度相比得到像素比為0.031 6，具體測量結果如表1所示。

設旋轉膠輥動量為ΔP1，質量為m1，速度變化量為Δv1，所用時間為Δt1，受到的合力為F合，則

ΔP1=m1×Δv1=0.05kg·m/s

F合=ΔP1/Δt1=2.06N

設齒梳式機械采摘機的動量為ΔP2，質量為m2，速度變化量為Δv2，所用時間為Δt2，沖擊力為F2，則

ΔP2=m2×Δv2=35.4×10^-3×(2-1.414)

= 0.02kg·m/s

F2=ΔP2/t2=2.65N

設平行膠輥的動量為ΔP3，質量為m3，速度改變量為Δv3，所用時間Δt3，膠輥綜合作用力為F合′，則

ΔP3=m3×Δv3=40.5×10-3×(6-2.828)

=0.13kg·m/s

F合′=ΔP3/Δt3=0.128/47×10-3=2.70N

表1 3種不同采摘裝置油茶果接觸和脫落時間

Table 1 Three different picking device Camellia fruit

contact and loss of time

機械采摘方式油茶果接觸幀接觸幀速度/m·s-1油茶果脫落幀脫落幀速度/m·s-1旋轉膠輥式10042.00011304.123齒梳式12171.41412952平行輥式22062.82822536

3 結果與討論

3.1 試驗結果

為了比較3種不同機械采摘方式下的油茶果采摘效果，將由前面試驗分析所得油茶果所受沖動力的動量、采摘力和采摘時間進行比較，如表2所示。

表2 3種不同機械采摘方式下的采摘時間，動量和采摘力
Table 2 Picking time, momentum and picking force in three different mechanical picking modes

采摘機械方式采摘時間/ms動量/(kg·m)s-1采摘力/N旋轉膠輥采摘260.052.06齒梳式機械采摘780.022.65平行膠輥采摘470.132.70

由表2可知：旋轉膠輥采摘機械的采摘時間最短，為26ms，效率最高；齒梳式采摘機械的動量為0.02kg·m/s，是3種機械采摘方式中動量最小的；旋轉膠輥采摘方式動量為0.05kg·m/s，僅次于齒梳式采摘，但兩者動量相差很小；旋轉膠輥的受力為2.06N，是3種機械采摘方式下受力最小的。

3.2 結果討論

由3種不同機械采摘方式結果的對比發現：旋轉膠輥的采摘時間最短,所受采摘沖擊力也是3種機械采摘方式中最小的；旋轉膠輥的動量雖然不是最小的，但與最小的采摘方式的動量相比，相差程度較小。綜合考慮，旋轉膠輥式采摘機械是3種采摘方式中最理想的。

4 結論

1)采用高速攝影相機PCO1200S和Image pro plus軟件對旋轉式膠輥、齒梳撥刀式和平行膠輥3種不同機械采摘方式下油茶果所受的沖擊力進行分析，得到旋轉式膠輥、齒梳撥刀式和平行膠輥的動量大小分別是0.05、0.02、0.13kgm/s;所受沖擊力分別是2.06、2.65、2.70N，表明旋轉膠輥動量較小，其采摘時受力最小。

2)旋轉膠輥式機械采摘效果是旋轉膠輥，齒梳式機械采摘和平行膠輥機械采摘3種方式中效率高的最理想機械采摘方式。

3)對油茶果3種機械采摘方式進行了對比，得到旋轉膠輥綜合采摘性能最佳。研究結果可為闡明油茶果機械采摘機理及裝置設計提供參考。