馮亞利，彭 俊，孫世鵬，傅隆生

(西北農(nóng)林科技大學 機電學院，陜西 楊凌 712100)

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收獲期花椒的力學特性與形態(tài)特征測定與分析

馮亞利，彭 俊，孫世鵬，傅隆生

(西北農(nóng)林科技大學 機電學院，陜西 楊凌 712100)

我國花椒的收獲主要以人工收獲為主。隨著社會的發(fā)展，花椒市場需求不斷擴大，迫切需要解決花椒收獲效率低下的問題。因此，花椒收獲機械化已成為椒農(nóng)的心聲，研究分析收獲期花椒的力學特性可以為花椒收獲機械的設(shè)計者提供必須的基礎(chǔ)理論數(shù)據(jù)。因花椒在品種、氣候條件、土壤及其他方面的差異，其力學特性會有較大的差別。為此，通過陜西省韓城市收獲期花椒的實驗室測定，采用圖像解析和數(shù)理統(tǒng)計方法對收獲期花椒的力學特性進行分析，得出了花椒主要幾何特性指標值的變化區(qū)間，并統(tǒng)計分析了花椒果實與果柄及果柄與樹枝之間的分離力以及花椒果實的顏色特征，為花椒的收獲和加工機器系統(tǒng)的開發(fā)提供科學依據(jù)。

花椒；力學特性；顏色特征；分離力

0 引言

花椒(Zanthoxylum L.)屬蕓香科(Rutaceae)植物，原產(chǎn)我國，作為一種廣泛種植的經(jīng)濟作物，主要種植在山坡、丘陵、地頭和岸邊[1]。在古代，花椒常用作香料,隨身配帶?；ń芬部捎米鹘ㄖ牧?“椒房”就是用花椒滲入涂料糊在墻壁上面建成?；ń愤€作為防腐劑,用來保存尸體?；ń酚米髦兴幱袣⑾x、麻醉、止痛等作用?；ń纷钪饕挠猛臼亲鳛橄阈亮?用于多種食品的烹調(diào)加工調(diào)味之中,具有賦香、著色、掩蓋異味、防腐、保健及增加食欲等作用[2]。我國早在春秋時期就開始利用花椒的果實和嫩葉作調(diào)味品[3]，因此花椒果實具有很高的食用和藥用價值，同時花椒樹也是干旱半干旱地區(qū)重要的水土保持樹種[4]。我國從漢朝開始栽培花椒，花椒栽培面積于2008年達到167萬hm2，年產(chǎn)花椒20～40萬t，年產(chǎn)值30億元[5]。目前，我國正以每年20%～30%的速度增加種植面積，花椒產(chǎn)業(yè)已成為特殊區(qū)域農(nóng)民致富新的經(jīng)濟增長點。

目前，雖然出現(xiàn)了一些采收方法,但都不同程度地存在一些問題,因此人工采摘仍是當前采收的主要方法。因人工采摘周期長及成熟花椒易脫落等,大大影響了農(nóng)民的經(jīng)濟利益[6]。因此，花椒收獲機械全自動化已成為椒農(nóng)的心聲，采用收獲機械進行采收的過程中，果實與果柄或果柄與樹枝間的分離力大小是決定收獲效率的重要因素之一。為了更好地選擇林果收獲機械設(shè)計方案及確立設(shè)計參數(shù)，國外在研究林果收獲機械的同時對林果物理學和生物學特性與其分離力之間的關(guān)系進行了大量的研究[7-9]。目前，中國從事林果機械化收獲及其相關(guān)方面的研究較少，對林果分離力的研究尚處于起步階段。國內(nèi)研究人員對水稻[10]、加工番茄[11]和獼猴桃[12-13]等果實分離力進行了分析研究。花椒因其樹枝伸展長、帶刺以及果實小，采摘十分困難。同時，花椒收獲農(nóng)藝要求很高，既要不傷葉、不傷芽、不傷枝，又要適時收獲[14]。國內(nèi)學者對花椒的機械化采收裝置的開發(fā)利用進行了初步的探索，而關(guān)于花椒收獲期力學特性和形態(tài)特性的研究卻未見報道。本文通過測量花椒果實與果柄及果柄與樹枝之間的分離力，以及花椒的物料與幾何特性等，以期為花椒采收和加工裝置的進一步研究開發(fā)提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

花椒品種為陜西省廣泛種植的大紅袍，樣品取自陜西省韓城市，該地區(qū)的大紅袍花椒占據(jù)了全國近1/6的花椒市場。選擇3棵已進入生長穩(wěn)定期的花椒樹，在2015年的采摘期8月20日從3棵樹上分別取30個花椒樣本，將其從1～30按順序分別貼標簽，每個樣本包括果實、果柄和樹枝。

1.2 主要實驗儀器與軟件

自制式分離力測量系統(tǒng)、萬分之一電子天平、數(shù)碼相機，以及MatLab軟件。

1.3 方法

1.3.1 花椒果實與果柄及果柄與樹枝之間的分離力的測量

花椒樣本的分離力由自制式分離力測量系統(tǒng)測量，包括數(shù)顯式推拉力計SH-10(分辨率0.005N)、夾具和手壓機架等。研究表明：施加在果柄上力的方向與通過果蒂的軸線方向的夾角越大，果實的分離力越小，所以測量的分離力夾角為0°時，果柄與果實的軸向拉力。測量果實-果柄分離力時將果實固定，通過夾具把果柄夾緊，勻速轉(zhuǎn)動升降手柄直至果實果柄分離，記錄果柄斷裂時拉力的峰值。測量樹枝-果柄的分離力時將樹枝固定，通過夾具把果柄夾緊，勻速轉(zhuǎn)動升降手柄直至果柄與樹枝分離，記錄果柄斷裂時拉力的峰值。分離測量平臺示意圖如圖1所示。

1.旋轉(zhuǎn)手柄 2.手壓機架 3.推拉力計 4.上夾具

1.3.2 花椒果實的顏色分析及物理特性測定

用萬分之一電子天平測量選取的30個花椒樣本

的質(zhì)量，再采用圖像處理方法(MatLab)測量花椒的顏色、尺寸和面積等指標。

在成像系統(tǒng)內(nèi)，把花椒放置在坐標紙上，采用數(shù)碼相機(Canon EOS 40D)拍照。相機設(shè)置：M擋、1/125S、F8.0、鏡頭55，鏡頭距坐標紙20cm。將拍攝的圖片利用MatLab軟件分別得出花椒果實的面積、長、寬、高的像素和R、G、B、H、S、V、L*、a*、b*的值。

利用圖像處理的方法進行花椒圖片分析，首先要將各花椒果實的彩色圖像的RGB(紅、綠、藍)轉(zhuǎn)換為一個灰度。換算公式為

gray=0.299R+0.587G+0.114B

(1)

其中，灰色(gray)代表從黑色(0)到白色(255)的256種深淺不同的灰色色調(diào)，而紅、綠、藍三原色的RGB空間的值域范圍也是從0～255。

然后，使用閾值技術(shù)，選取相應的灰度圖像區(qū)域?qū)⑵滢D(zhuǎn)換為一個0或255的黑白圖像。即如果灰度圖像小于閾值則轉(zhuǎn)換為0(黑色)，高于閾值轉(zhuǎn)換為255(白色)，使每個花椒果實產(chǎn)生黑白圖像，如圖2(b)所示。采用大津法確定閾值[15]。接著，通過圖2(a)與圖2(b)相乘得到圖2(c)。通過這種方法獲得花椒果實區(qū)域，利用新圖像計算果實的幾何尺寸。

分割后，采用最小外接矩形的方法，通過找到白色區(qū)域的水平軸和垂直軸的最小值和最大值來計算果實長度和寬度[16]；然后，用長度像素數(shù)(PL)和寬度像素數(shù)(PW)的最小外接矩形來計算果實長度(L，mm)和寬度(W，mm)。通過二值圖像中計算白色像素的數(shù)目可得到的花椒果實的投影面積(PPA)的像素數(shù)和估算花椒果實投影面積(PA，mm2)。最后，所測得的實際尺寸為所得像素數(shù)目比上N(1mm×1mm坐標紙上最小正方形的像素數(shù))具體計算為

L=PL/N1/2

(2)

W=PW/N1/2

(3)

PA=PAA/N

(4)

(a) 原始RGB彩色圖像 (b) 使用閾值技術(shù)后的 (c) 圖a與圖b的乘法圖像 (d) 利用最小外接矩形計算

軟件所測量的R值、G值、B值代表紅、綠、藍3種顏色，是基于發(fā)光體的色彩模式，是目前運用最廣的顏色系統(tǒng)之一。R、G、B的值域范圍0～255。H、S、B的值是基于人眼的一種顏色模式。色相H的取值范圍為0°～360°，從紅色開始按逆時針方向計算，紅色為0°，綠色為120°,藍色為240°。飽和度S是指顏色的強度或純度，表示色相中彩色成分所占的比例，用從0%(灰色)～100%(完全飽和)的百分比來度量。亮度Bri表示顏色的明亮程度，通常取值范圍為0%(黑)～100%(白)。轉(zhuǎn)化而成的L*值、a*值、b*值的顏色空間是當前最通用的測量物體的顏色空間之一[17]。在這一顏色空間中，一種顏色由L(亮度)、a顏色、b顏色3種參數(shù)表征L*值域范圍0～100，L*值越大表示所測樣品的表面越亮。其中，a*正值為紅色，負值為綠色，絕對值越大紅色或綠色越深；b*值正值為黃色，負值為藍色，絕對值越大，黃色或藍色越深[18]。

2 結(jié)果與討論

2.1 試驗數(shù)據(jù)描述分析

由表1可知：花椒果實面積的標準值為26.667mm2,范圍為22.843～34.086mm2，最小值與最大值相差11.243mm2；花椒果實長度、寬度及厚度分別以6.015、5.713 、5.556mm為基準上下浮動?；ń饭麑嵸|(zhì)量為0.069～0.120g，標準差為0.014，說明花椒果實質(zhì)量的集中趨勢較好?；ń饭麑嵉拿娣e、長度、寬度、厚度的變異系數(shù)分別為8.76%、4.52%、4.92%、4.29%，比花椒果實質(zhì)量、果柄與樹枝間分離力、果實與果柄之間的分離力的變異系數(shù)小的多，說明花椒果實的形狀比花椒果實的質(zhì)量、果柄與樹枝間分離力、果實與果柄間分離力的集中性更好，即花椒果實的形狀較穩(wěn)定。果實與果柄之間的分離力的標準差(0.588)比果柄與樹枝之間的分離力的標準差(1.296)明顯小，說明果實與果柄之間的分離力較為穩(wěn)定，則設(shè)計花椒采收機械時，花椒果實與果柄之間的分離力相對穩(wěn)定。而果柄與樹枝之間的分離力相比果實與果柄之間的分離力波動幅度比較大，且整體分布上大于花椒果實與果柄之間的分離力。由此可知，如果使用機械設(shè)備使花椒果實與果柄分離，會使機械收獲更加方便快捷。

表1 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

由表2可知：F=16.324>Fcrit=4.007，說明花椒果實與果柄之間的分離力、果柄與樹枝之間的分離力存在顯著差異；P=0.000 159小于指定的顯著水平α=0.05，即獨立樣本的總體分布存在顯著差異，即兩個不同位置的分離力分布有顯著差異[19]?；ń饭麑嵟c果柄之間的分離力、果柄與樹枝之間的分離力的均值分別為1.642、2.692N，花椒果實與果柄之間分離力的最大值(3.015N)和最小值(0.980N)明顯小于果柄與樹枝之間分離力的最大值(5.780N)和最小值(1.025N)，且花椒果實與果柄間分離力的最花椒大值和最小值之差為2.035N，較果柄與樹枝間的分離力的最大值和最小值之差4.755N小很多。由此可知：果柄與樹枝之間的分離力明顯高于果實與果柄之間的分離力。即果實與果柄、果柄與樹枝這兩個不同位置之間的分離力分布有差異，說明不同位置對其對應的分離力有顯著影響。

表2 果實與果柄、果柄與樹枝之間的分離力的方差分析

綜上所述，通過花椒的物料特性及其方差分析，可以為花椒果實機械采收提供合適的采摘位置和收獲后果實處理等技術(shù)參數(shù)提供理論依據(jù)，以及為設(shè)計花椒采摘器的主要技術(shù)參數(shù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，同時給出了在設(shè)計中需注意的一些問題。

2.2 不同大小花椒果實的分布規(guī)律

花椒樣本的面積范圍及各范圍內(nèi)花椒果實數(shù)如圖3所示。

圖3 花椒果實不同面積范圍果實個數(shù)

由表1的數(shù)據(jù)分析可知：花椒果實面積、長度、寬度及厚度的標準差分別為2.336、0.272、0.281、0.238，且花椒果實面積、長度、寬度、厚度的變異系數(shù)分別為8.76%、4.52%、4.92%、4.29%比花椒果實質(zhì)量的變異系數(shù)15.52%小很多，說明成熟期花椒果實

的形狀(近乎圓形)非常穩(wěn)定且花椒果實面積的集中趨勢較花椒果實質(zhì)量好。又因花椒果實質(zhì)量分布趨于小波浪形，波動幅度比較大；尤其考慮花椒果實受環(huán)境的影響，如在運輸風干以及受環(huán)境溫度等影響中，花椒果實質(zhì)量比花椒果實面積受到溫度的影響大，所以在花椒的機械化分級中，按花椒果實的面積分級比質(zhì)量分級更為方便和準確。

對花椒果實樣本的面積范圍及各范圍內(nèi)花椒果實數(shù)目的分析可知：處于24mm2以上的花椒果實極多，約占全部花椒果實數(shù)量的90%。因此，從花椒果實大小分級的實用性及經(jīng)濟性考慮，設(shè)計花椒果實大小分級機械時可將其分為兩級，應以24mm2為界線進行分級。

2.3 花椒果實的顏色特征測定

收獲期花椒果實的顏色特征結(jié)果如表3所示。收獲期花椒果實顏色特征R、G、B的變化區(qū)間分別為99.42～121.59、56.95～76.12、51.50～62.34，標準值分別為123.42、68.10、57.20；R的變異系數(shù)為4.68%比G、B的變異系數(shù)說明花椒果實在成熟期果皮紅色較穩(wěn)定。色相、飽和度以及亮度的范圍為23.50～64.06、143.83～158.61和91.37～113.24，L*、a*、b*值的范圍分別為30.31～35.45、14.34～26.2、13.36～20.05。

由此可知：韓城的大紅袍品種花椒成熟后，花椒整體顏色的均值微偏橙色。

表3 花椒果實的顏色特征

3 結(jié)論

1)花椒果實的形狀較為穩(wěn)定，且花椒果實的形狀比花椒果實的質(zhì)量更為集中，因此考慮到收獲后的花椒果實的分級以及經(jīng)濟性，花椒果實可以以24mm2(花椒果實形狀面積)進行機械分級收獲。

2)在收獲期花椒自然生長狀態(tài)下，約有98%果實與果柄之間所需分離力為(1.642±1.176)N，約有95%果柄與樹枝之間所需分離力為(2.692±2.592)N。

3)花椒果實與果柄之間的分離力、果柄與樹枝之間的分離力存在顯著差異，且花椒果實與果柄之間的分離力較為穩(wěn)定，所需分離力相對較小，所以機械收獲時的采摘位置最好選擇在花椒果實與果柄之間。

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Physical and Mechanical Properties of Zanthoxylum at Harvest Time

Feng Yali, Peng Jun, Sun Shipeng, Fu Longsheng

(College of Mechanical and Electronic Engineering, Northwest A & F University, Yangling 712100, China)

China is main and biggest planting area of Zanthoxylum, and reached 1.67×106 hm2in 2008. Harvesting of Zanthoxylum is mainly based on manual picking which is conflicting with rapidly increasing labor cost and labor shortage in farming. Therefore, it is very important to study mechanized harvesting technologies to improve the harvesting efficiency and promote the development of Chinese Zanthoxylum industry. Study of the mechanical characteristics of the harvest period can provide basic theoretical data for designing Zanthoxylum harvesting machinery. Since the differences of Zanthoxylum in the variety, soil conditions, climate and other aspects, the material properties of Zanthoxylum are also different. Therefore, through the laboratory determination of Zanthoxylum fruit from Hancheng city of Shaanxi province, the mechanical properties of Zanthoxylum were analyzed by image analysis and mathematical statistics. Geometric characteristic, separation force between fruit and stalk, and separation force between stalk and branches, as well as the color characteristics of Zanthoxylum fruit were studied. It was found that the separation force between fruit and stalk was significantly smaller than that between stalk and branch. And the fruit size was uniform.This study will provide a scientific basis for the development of the machine.Our hope is that this work will spark the renewal of a research or development process which will move the technology another step forward.

zanthoxylum; mechanical properties; color feature; separating force

2016-05-18

陜西省自然科學基礎(chǔ)研究計劃-青年人才項目(2015JQ306 5)；國家自然科學基金項目(31301242)

馮亞利(1991-)，女，山西大同人，碩士研究生，(E-mail)18792415467@163.com。

傅隆生(1984-)，男，江西吉安人，副教授，博士，碩士生導師，(E-mail)fulsh@nwsuaf.edu.cn。

S183；S567.2

A

1003-188X(2017)07-0043-05