基于高速摄像技术枸杞振动采收运动规律的研究

王亚磊，陈 云，韩 冰，陈 军

(西北农林科技大学 机械与电子工程学院，陕西 杨凌 712100)

0 引言

枸杞子含有丰富的胡萝卜素、多种维生素和钙、铁等健康眼睛的必需营养物质，对我国西北地区的农业经济有巨大贡献，目前在全国种植面积早已达到几十万公顷；枸杞属无限花序植物，采摘周期长，夏枸杞果的采收时间在6-8月；秋枸杞果的采果期在9-11月。枸杞树多荆棘、果实小、种类繁多，主要以人工采收为主。由于在收获季节劳动资源短缺，成熟的枸杞未及时采收而烂在地里，造成严重的经济损失，因此迫切希望出现一种能满足采收要求的机械。

果实机械化采收技术广泛应用于发达国家，如美国、西班牙、意大利和英国等，采收对象主要为蓝莓、树莓、扁桃、油橄榄、银枸杞、核桃和柑橘等，以振动式机械采收技术应用最为普遍[1-4]。

2007年，Refik Polat等人进行了开心果的采收试验，得到了激振频率20Hz、振幅60mm、作用时间10s时，采收率可达100%[5]。2009年，BlancoRoldan等人利用树干振动采收机进行了油橄榄采收试验，并提出以不同振动参数分批采收的方法以提高采收率[6]。2012年，LongshengFu等人为了找出采收率高且效果最好的高丛蓝莓采收最适振动速度，利用高速摄影记录采用具有5个调速挡的18mm线锯对蓝莓树枝进行变速振动的采收过程，表明激振频率为1 670次/min时可分离87%成熟和24%未成熟的蓝莓[7]。

目前，接触式振动采收机械广泛用于收获藤本水果,如蓝莓、树莓、沙棘和黑莓等[8-13]；但收获的果实损伤严重，主要用于生产果酱类食品。通过研究枸杞振动采收运动规律可进一步对果实在脱落瞬间瞬时速度进行分析,对减小振动采收果实的损伤率有着重要意义。

1 材料与方法

1.1 试验条件

试验时间为2017年6月15日，地点为宁夏回族自治区中卫市中宁县(7°32'48.2"N 105°40'25.9"E)，品种为宁夏枸杞7号，树龄在4～5年。

1.2 试验仪器

主要仪器：振动发生器、传感器、功率放大器、数据采集仪、OLYMPUS高速相机及i-speed Control Software处理软件等。

高速摄影机型号为i-speed LT，最大分辨率为1 280×1 024，最大分辨率下帧数为10 000帧，具有较高的分辨率和灵敏度。与其配套的i-speed处理软件可以对采集后的图片与影像进行实时跟踪、图像处理及数据分析等。

振动发生器的工作原理是通过多排振动尼龙棒直接插入树冠，利用曲柄滑块机构使其产生振动,进而使果实与枝条分离。

1.3 试验过程

1)选择成熟度合适、生长状态良好的宁杞7号果树为试验对象，选择性去除周围多余的枝叶以免在振动跟踪过程中形成盲区[14-18]。

2)由于枸杞果实体积较小，对待跟踪枸杞果实做沿果实纵向标记线，以便在i-speed处理软件中进行跟踪与果实运动分析处理。

3)将待测果树侧枝按照一定顺序与方向安装加速度传感器，利用数据采集仪对受迫振动下的枸杞侧枝瞬时速度进行采集处理。

4)布置振动发生器的位置，使待测枝条能够顺利进行往复振动，振动拍打频率为6Hz，振动幅度为30mm。当枸杞侧枝受到激振力作用后在空间进行往复运动，侧枝的振动方式可视为自由振动与强迫简谐振动的组合。

5) 利用i-speed高速相机对枸杞侧枝熟果脱落过程进行跟踪，考虑到试验现场的光照条件和工作环境，选用每秒500帧、1 280×1 024像素进行跟踪拍摄。利用i-speed处理软件回放高速视频并进行处理计算，研究枸杞果实在振动脱落过程中的运动规律，为振动采收设备提供理论依据。

2 结果与分析

2.1 枸杞果实脱落瞬时速度变化分析

2.1.1同高度同侧枝不同位置的枸杞果实瞬时速度变化规律

图1为一组枸杞果实与所在侧枝的位置分布图。枸杞果实所在的侧枝直径为4.5mm，枸杞果实从左至

右依次为1、2、3号，枸杞果实1、2、3号生物力学特性相似，与振动排齿作用点距离为80～100mm其位置关系如图1所示。试验中，将枸杞熟果脱落时刻的前后40帧作为时间分析序列，共选取80帧作为研究对象，利用i-speed处理软件对枸杞果实振动脱落的运动规律进行处理分析。回放分析中，将枸杞果实质心处分别标记为point1 、point2和point3，通过逐帧跟踪计算果实1、2、3号的瞬时速度并利用Origin软件对果实脱落瞬间绘制时间速度曲线图，如图2所示。

图1 枸杞果实1、2、3号位置关系图Fig.1 The location of wolfberries

图2 枸杞果实脱落前瞬时速度曲线图Fig.2 The instantaneous velocity changes of wolfberries before falling off completely

由图2可知：枸杞果实1、2、3号瞬时速度的变化规律主要分为3个阶段。第1阶段为0～44ms,枸杞果实的瞬时速度范围为0.2～1.4m/s，瞬时速度出现波动，整体趋于增大趋势；第2阶段为44～70ms,枸杞果实的瞬时速度范围为1.2～2.97m/s，果实的瞬时速度变化幅度较大，1、2、3号果实瞬时速度分别在56、62、64ms时出现峰值2.58、2.97、2.83m/s；第3阶段为70～86ms,果实瞬时速度再次进入波动阶段，整体趋于降低趋势，枸杞果实的瞬时速度范围为0.5～1.8m/s。

通过对果实脱落运动的逐帧分析可知：在44～70ms时间段，枸杞果实1、2、3号的瞬时速度变化明显，在56、62、64ms时枸杞果实1、2、3号瞬时速度达到峰值，此时果实与果柄处出现断裂，果柄与侧枝连接处未出现明显断裂；同一侧枝的不同位置的枸杞果实脱落顺序不同，距离振源较近的果实脱落时刻早于距离振源较远的果实；由于本组枸杞果实1、2、3 号为同振幅、同频率条件下振动，故在果实脱落过程中1、2、3号果实瞬时速度的变化规律较为相似，果实的瞬时速度随着振动作用时间的增加呈先增大后减少的趋势，其3个阶段运动时间分别为44、26、16ms。

2.1.2 枸杞果实与所在侧枝瞬时速度对比

整理枸杞果实与侧枝分离的瞬时速度数据，选取果柄与侧枝连接处为侧枝运动的跟踪点，果实质心为果实运动的跟踪点，绘制枸杞果实与所在侧枝的瞬时速度对比曲线，如图3所示。进一步研究枸杞振动采收过程中,枸杞果实与所在枝干的相对运动，为振动采果参数提供理论参考。

图3 果实与枝干脱落前瞬时速度对比曲线图Fig.3 Comparison of instantaneous velocities between Fruit and branch of wolfberries

由图3可知：枸杞果实与所在侧枝分离过程瞬时速度的变化规律整体可以分为3个阶段来分析。第1阶段：在0～45ms枸杞果实与所在侧枝瞬时速度变化趋势一致，二者瞬时速度变化存在波动，整体呈周期性增大趋势；第2阶段：在45～100ms枸杞果实与所在侧枝的瞬时速度变化明显，分别在54ms与78ms枸杞侧枝与枸杞果实的瞬时速度达到最大值1.75 m/s与2.62 m/s，在76ms时果实与侧枝的瞬时速度差值最大，枸杞果实与侧枝完成分离；第3阶段：在100～120ms枸杞果实与所在枝干的瞬时速度变化趋势一致，二者瞬时速度变化存在波动，整体呈周期性减小趋势。

通过逐帧分析可知：枸杞果实的瞬时速度与侧枝的瞬时速度变化趋势大致相同，先周期性增大至最大值后周期性减小；枸杞侧枝瞬时速度的数值整体低于果实的瞬时速度，由于振动排齿作用于枸杞侧枝，侧枝的瞬时速度变化早于果实的瞬时速度变化。

2.2 枸杞果实脱落过程运动特性分析

为研究枸杞果实在脱落瞬间的运动情况，采用高速摄影机以1 000帧/s及每隔1ms拍摄的一组枸杞果实脱落过程图。图4分别为枸杞果实完全脱落前10、5、脱落时刻，以及脱落后5、10ms的的运动情况图。在跟踪拍摄前利用黑色记号笔标记待跟踪枸杞果实与果柄、果柄与侧枝以及枸杞果实相对侧枝的位置，以便观察枸杞果实在脱落过程中的运动过程。

(a) 脱落前10ms (b) 脱落前5ms (c) 脱落时刻 (d) 脱落后5ms (e) 脱落后10ms图4 枸杞果实脱落分离过程图Fig.4 Diagram of separalion process between wolfberry and stalk

由图4可知：枸杞侧枝在激振力的作用下枸杞果实与果柄发生分离而果柄与侧枝连接部分未发生明显断裂情况，故枸杞果实与果柄处的结合力小于果柄与枝干的结合力。通过观察枸杞果实纵向标记线可知枸杞果实在脱落过程中存在以下3种运动形式：

1) 直线往复运动。当枸杞侧枝受到外加激振力作用时，侧枝产生与激振力方向一致的直线往复运动，挂果侧枝与果实产生相对运动，从而果实随之产生空间内的直线往复振动，果实与果柄、果柄与侧枝之间主要受剪力作用。

2) 定点摇摆运动。由于枸杞侧枝、果柄与果实在生物力学特性存在差异，在振动采收过程中枸杞果实在惯性力的作用下，产生以果柄与侧枝连接处为中心、果柄长为转动半径的定点摇摆运动，果实相对侧枝产生变加速的单摆运动，果实与果柄之间主要受拉力作用。

3) 扭转运动。枸杞果实质量较轻，在振动状态下产生以果实纵向中轴线为中心的扭转运动，果实与侧枝之间主要受到扭转力作用。

3 结论

1) 在果实脱落的过程中，枸杞果实的瞬时速度变化主要分为3个阶段，整体呈周期性先增大后减小的趋势。

2) 在相同振幅、频率的条件下，同一侧枝的不同位置的枸杞果实脱落顺序不同，其距离振源较近的果实优先脱落。

3) 在相同振幅、频率的条件下，枸杞侧枝的瞬时间速度与枸杞果实的瞬时速度存在一定的时间差，二者的运动趋势大致相同即呈先周期性增大至最大值后周期性减小，当二者的相对速度最大时，枸杞果实所受加速度最大并与侧枝发生分离。

4) 枸杞果实在脱落中存在沿振动方向的直线往复运动、相对果柄与侧枝连接处的定点摇摆运动及绕自身中轴线为中心的扭转运动。

5) 枸杞果实与果柄的结合力小于果柄与侧枝的结合力，当枸杞果实所受剪切力、扭转力与拉力的合力大于果实与果柄的结合力时，果实与果柄完成分离。