红枣收获中智能设备的应用探索

许威广 穆占海 刘党辉 田勇浩 邓利祥 李 鹏 丁 羽,2*

(1.塔里木大学机械电气化工程学院，新疆 阿拉尔 843300；2.塔里木大学现代农业工程重点实验室，新疆 阿拉尔 843300)

0 引言

红枣，又名中华大枣，为温带作物，它的适应性强且种植范围广泛，在我国已经有很长的种植历史[1-2]。红枣具有很强的营养价值，在早期就被人们发现并食用，在我国最早的诗歌总集《诗经》中已有“八月剥枣”的记载[3]。红枣当中含有丰富的营养物质，其中主要含有维生素、氨基酸、矿物质等。民间有“天天吃红枣，一生不显老”之说。

然而关于红枣的收获目前我国存在着人工采摘、机械收获、智能化设备收获等多种方式并存的局面。针对这些不同方式的红枣收获途径各自的特点，通过了解国内外红枣收获设备的研究现状，有助于更加全面了解红枣收获的目前发展动态，通过分析各类红枣收获方式优缺点，寻求红枣智能设备收获的未来发展方向。

1 国内外发展现状

果林类智能化收获设备的研究起源于1968年的美国，随着现代科技的不断向前发展，使得果林类智能化收获设备的发展有了长足的进步[4]。目前国外依靠新型材料、新工艺、机电控制一体化、3S等一系列新技术使得红枣的收获向着便捷性，高效性方向不断发展[5]。

我国国内由于工业化起步较晚，红枣收获智能设备的研发还不是很多[6]。通过对国外技术的学习和不断研发，目前由农垦科学院机械装备研究所成功研制的4YS-24型红枣收获机填补了国内红枣收获这一空白领域[7]。但是针对红枣智能收获这一技术并不是太成熟，缺少具有高效性、稳定性、自主性的红枣收获设备，现有的红枣收获装置采收效率较低且智能化偏低，并且在红枣进行采收时机械设备对红枣的损伤较重，缺少能够检测并智能控制收获技术的研究。

2 红枣的收获方式

2.1 人工采摘

在一些落后地区红枣的收获仍主要靠人工的采摘来完成，人工进行红枣采摘作业不仅效率低，增加了农户的劳动力导致采摘的成本很高，而且其对红枣采摘作业的周期也相对较长。

2.2 红枣机械收获设备

目前市场上常见的红枣收获设备的设计类型大体上分别为：气吸式和激震式这两大类，其他型号的设计基本上都是基于这两大类当中的某一项的优化。

2.2.1 气吸式红枣收获设备

气吸式红枣收获机工作时主要靠气压对落在田地上红枣进行吸拾，并能够实时地将红枣与杂质依靠气流清选的工作原理进行分离[8]。党凯锋等[9]设计的气吸式红枣捡拾收获机不仅能够用于红枣的收获，还可以对类林果类作物的收获进行捡拾工作。此类设备的主要优点是依靠气压差完成吸拾工作，相比传统的红枣捡拾设备，此设备减少了机械与红枣的碰撞型的接触，对红枣的损伤较小，但是由于目前负压风机的负压不足等原因造成此类设备的红枣收获有效作业范围较小，工作效率不高等缺点。

2.2.2 激振式红枣收获设备

激震式红枣收获机工作时主要是通过振动机构将一定振幅和频率的激振力作用在成熟期的枣树干或树枝上，从而激振力能够传递到生长在枣树上的红枣迫使其发生振动并获得惯性力，当红枣的惯性力大于与枣树之间的连接力时红枣就会被振落，同时设备会对落下的红枣进行收集，从而完成整个收获作业工作[10]。付威[11]等设计的基于振动采收原理的红枣收获机实现了对红枣的有效采摘。这类设备设计的优点是具有作业效率高、性能稳定、适用于大面积规模化枣树收获等特点。但是由于红枣在整个的成熟阶段果实与枣树的果柄处结合力较小，该种类型的红枣收获在进行机械作业时产生的振动容易造成在其有效作业范围之外但是临近该作业范围内且尚未进行采摘工作的枣树上的红枣发生掉落在地的现象，另外在红枣成熟期如遇到刮风等自然条件的发生也易引起红枣的掉落，而此类型的红枣收获机械对落在地上红枣无法实现机械采收，从而造成了采摘不彻底现象的发生。

2.2.3 其他型号的红枣收获设备

针对目前这两大类型的红枣收获机的不足之处，很多科研人员在这两大类型的基础上进行了优化，比如最常见的滚轮式和自走式。李传峰等[12]设计的滚轮式红枣收获机不仅具有捡拾功能还能有效清除杂物实现一机多用化，极大地提高了红枣收获的劳动效率。王洪昌等[13]设计的自走式红枣收获机不仅能够有效降低红枣捡拾过程中对于红枣的损伤，而且还创造性地对设备增添了自动功能，促进了劳动效率的提升。

2.3 智能化收获设备

智能收获设备在目前的农业生产领域已经有所运用，刘继展等[14]设计的番茄采摘机器人除了应用于番茄的采摘收获以外，对形状大小相近的其他果蔬类作物的收获也有效果。但是当前在红枣收获方面主要的还是以机械化收获为主，机械化的普及在一定程度上提高了红枣收获的生产效率，但是目前的机械收获设备普遍存在生产模式单一、智能化偏低的特点[15]。因此红枣收获机仍需进一步的智能化，提高设备上的科学技术含量，实现智能化生产功能。

比如：在红枣收获机上添加北斗导航等功能，使得收获机成为能够自主规划行进路线，自动识别红枣作物并自动进行采摘收获作业的智能化红枣收获设备。该设备以北斗导航系统为主，同时加入机器视觉辅助系统，北斗导航系统的添加使设备能够根据当地地形地貌以及作业要求等规划出最合理的工作作业路径并进入无人驾驶自动导航的工作模式，视觉辅助系统实现能够将红枣与周围环境分别加以区分并正确引导设备进入无人操控自主采摘收获的工作状态。

再如：在红枣收获机上加入人工智能识别技术及自动卸货功能，使得红枣收获机成为能够自动辨别收获红枣成熟度，以及满仓自动报警并自动按照指定卸货区域实现自动卸货的功能的智能化收获设备。该设备在红枣收获的过程中，能够将当前待收获的红枣状态与数据库当中红枣成熟度的数据进行对比，从而能够准确识别当前收获红枣的成熟度，然后通过调控设备的采摘工作机器频率，最大限度地减少采摘过程中对红枣的伤害。在收获仓满后能够自动感知并实现按照规定区域自动卸仓的功能，极大地减小了采摘过程对人工的需求提高了生产效率。

3 制约智能化收获的因素与建议

如今我国的红枣种植面积在世界范围内都占有很大的比重种植面积巨大[16]，需要更大程度地解放生产力，让普通农户享受到科技带来的便利，为此红枣智能收获设备的研发具有很广阔的应用前景。但是目前红枣智能收获设备的发展很缓慢，存在的原因主要如下。

3.1 市场价格过高

由于红枣智能设备是机械、电气、控制等相关学科综合的产物，其前期的研发成本很高，这就导致了在出售时的价格也高，出现了普通农户买不起现象的发生，阻碍了智能收获设备的推广与普及。

3.2 相关政策不完善

由于智能收获设备的发展还处于一个相对不成熟阶段，很多配套的相关政策还未完善，政府对产业的扶持力度不够，使得产业发展进度缓慢。

3.3 设备售后服务不健全

目前很多生产厂家在设备售出之后后期的维护服务意识不高。不能够积极主动征求用户的实际使用意见，了解设备的不足之处，并加以改进，不断优化完善设备使得设备的实用性更强。

3.4 相关宣传力度不够

很多生产厂家不太重视种植示范点的作用，宣传力度不够，不能让农户直接感受到智能收获设备带来的便捷性与高效性，也不能提高农户使用设备的积极性。

3.5 提高智能化收获发展建议

政府要不断完善相关政策，加大对产业和相关企业的扶持力度，针对企业前期研发成本过高的问题，政府在补贴力度和税收政策上应有所照顾，以便降低设备的市场价格，使得更多的农户能够买得起，享受到科技的便利。同时企业在研发出新的设备后应积极对设备进行推广宣传，要重视种植示范点的重要性，通过示范点的示范效应带动周围农户的积极性，在后期的设备售后服务中企业要积极承担责任，积极主动地向使用设备的用户了解设备在生产实践中的实际效果，针对设备的不足之处，及时地加以改进，不断提高设备的可靠性能。

4 结语

在红枣收获的生产活动中由于机械设备的使用提高了红枣收获的劳动生产率，降低了农民的劳动强度，但是目前的红枣收获设备仍有许多需要优化和改进的地方。红枣智能收获设备目前的高效性、便捷性仍是一个难题，值得深入的研究，红枣智能收获设备要想更加节省能源、更加降低收获成本、更加高效便捷，还需要与多学科不断融合、不断创新、改革和完善。如何研发出具有自主识别红枣作物，自主进行红枣收获作业同时兼有高效性、稳定性、安全性、高收获率和对红枣低损害率特性的一体化红枣收获智能设备将是未来研究的发展趋势。