作物株間機(jī)械除草技術(shù)的研究現(xiàn)狀

劉 文，徐麗明，邢潔潔，史麗娜，高振銘，袁全春

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，北京 100083)

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作物株間機(jī)械除草技術(shù)的研究現(xiàn)狀

劉 文，徐麗明，邢潔潔，史麗娜，高振銘，袁全春

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，北京 100083)

作物行間除草技術(shù)和裝備已趨于成熟，而株間除草技術(shù)由于受到作物識(shí)別與定位技術(shù)的限制，至今仍是一個(gè)研究熱點(diǎn)。為此，針對(duì)株間機(jī)械除草，國(guó)內(nèi)外均從純機(jī)械的株間除草機(jī)開始研究，后得益于傳感器技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)控制逐漸得以應(yīng)用。目前，研究最多的是基于機(jī)器視覺(jué)和GPS導(dǎo)航的株間除草技術(shù)，而作物識(shí)別與定位依然是研究的關(guān)鍵點(diǎn)和難點(diǎn)。未來(lái)將著力研究用于雜草和作物檢測(cè)的傳感器技術(shù)，并利用“互聯(lián)網(wǎng)+”、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)，以期實(shí)現(xiàn)作物株間除草的在線控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)全過(guò)程自動(dòng)化。

株間；機(jī)械除草；作物識(shí)別與定位

0 引言

雜草與農(nóng)作物爭(zhēng)搶生長(zhǎng)資源，導(dǎo)致減產(chǎn)，因此除草成了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中不可或缺的重要環(huán)節(jié)。除草技術(shù)發(fā)展迅速，除草方式多種多樣：“二戰(zhàn)”前誕生的除草劑，以其作用迅速、使用方便、易于大面積應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)，得以一直應(yīng)用至今[1]，用除草劑除草的方式成為現(xiàn)在應(yīng)用最廣泛的除草方式。但使用除草劑會(huì)帶來(lái)很多負(fù)面影響，如除草劑的殘留對(duì)人畜、某些益鳥益蟲有傷害；如果某地不是輪作，且長(zhǎng)期使用同一種除草劑，容易造成某些雜草的“抗藥性”，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)有幾種雜草對(duì)草甘膦具有抵抗性[2]。在國(guó)外，有機(jī)農(nóng)場(chǎng)(organic farming)越來(lái)越多[2]，而在有機(jī)農(nóng)場(chǎng)的管理中，傳統(tǒng)的除草劑是被禁止使用的[3]。因此，國(guó)內(nèi)外對(duì)非化學(xué)除草技術(shù)的研究都很重視。由此研究出很多種非化學(xué)除草方式，常用的如農(nóng)業(yè)防除、機(jī)械除草及生物技術(shù)除草、熱力除草、電力除草等[4]。

其中，機(jī)械除草是一個(gè)研究熱點(diǎn)。到目前，行間機(jī)械除草技術(shù)已得以應(yīng)用很長(zhǎng)一段時(shí)間了，但株間機(jī)械除草還是一個(gè)比較新的研究領(lǐng)域[5]。株間機(jī)械除草通常有3種不同的方式[6]：①用土壤覆蓋雜草；②切斷雜草的根或莖；③連根拔起雜草。而無(wú)論是哪種方式，都需要知道作物植株的位置，也就是作物識(shí)別與定位，以控制作業(yè)部件避開作物而除去雜草，這是株間機(jī)械除草研究的關(guān)鍵點(diǎn)和難點(diǎn)所在，也是目前株間除草機(jī)械研究進(jìn)展緩慢的主要原因。可見(jiàn)，研究高效可靠的作物識(shí)別與定位技術(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)作物株間機(jī)械除草是十分必要與迫切的。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

國(guó)外對(duì)于株間除草技術(shù)的研究起步早。20世紀(jì)80年代初，荷蘭Wageningen Agricultural University的Kouwenhoven等人開始研究運(yùn)用起壟鋤(Hoe-Ridger)進(jìn)行行間和株間除草[7]，并針對(duì)出苗后的甜菜地，采用不同的除草方式(化學(xué)除草、機(jī)械除草、起壟覆蓋除草等)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果表明：除草機(jī)械未能除去行作甜菜的株間雜草[8]。其后，又研究了運(yùn)用除草刷(brushes)、除草鋤(tactile hoes)和除草耙(weeder harrows)進(jìn)行株間除草的效果[9]，雖然能減少除草劑的使用，但費(fèi)用較高，效果也不是很好，對(duì)機(jī)械化農(nóng)場(chǎng)沒(méi)有吸引力。同時(shí)，機(jī)械除草因?qū)ν寥烙袎簩?shí)，會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)量下降。

丹麥的Melander等人從20世紀(jì)90年代就開始對(duì)株間機(jī)械除草技術(shù)進(jìn)行研究，對(duì)當(dāng)時(shí)已研發(fā)出的可同時(shí)進(jìn)行行間和株間除草的刷式除草機(jī)(見(jiàn)圖 1)進(jìn)行優(yōu)化分析[10]。在洋蔥地里進(jìn)行試驗(yàn)，研究洋蔥生長(zhǎng)在不同時(shí)期，刷子的轉(zhuǎn)速、拖拉機(jī)的前進(jìn)速度、刷子的工作深度和刷子間距對(duì)除去雜草和洋蔥產(chǎn)量的影響。結(jié)果顯示：刷子的轉(zhuǎn)速和拖拉機(jī)的前進(jìn)速度對(duì)洋蔥的產(chǎn)量和雜草控制影響較小，刷子的工作深度和刷子間距是很重要的參數(shù)。瑞典的Fogelberg等人進(jìn)一步研究了影響刷式除草機(jī)在工作后形成的土壤高度的主要因素[11]。除草刷有兩個(gè)不同的轉(zhuǎn)向，由此可得到把土壤搬運(yùn)到行間或株間(即拔出或覆蓋株間的雜草)兩個(gè)效果。試驗(yàn)結(jié)果表明：影響形成土壤高度的因素有除草刷的轉(zhuǎn)向、除草刷工作深度、土壤濕度、作物和雜草的生長(zhǎng)狀態(tài)。其中，除草刷工作深度越深、土壤濕度越大，形成土壤的高度越高，某種意義上，即除草效果越好。

圖1 刷式除草機(jī)

采用覆蓋雜草的方式進(jìn)行株間除草，易造成覆蓋住作物植株，使其彎曲，繼而損傷植株。為此，荷蘭的Kurstjens等人研究了除草耙除草效果和覆蓋作物之間的關(guān)系[12]。試驗(yàn)表明：在保證不對(duì)作物產(chǎn)生嚴(yán)重覆蓋的情況下，覆蓋雜草的深度不足以達(dá)到控制雜草的效果，這可能是除草耙除草效果受到限制的一個(gè)主要原因。

最初的研究基本沒(méi)涉及自動(dòng)避開作物植株而除去株間雜草，Melander等人將能自動(dòng)避開植株和不能自動(dòng)避開植株的株間除草機(jī)的除草效果做了對(duì)比[13]。自動(dòng)避開植株的除草機(jī)配備了攝像機(jī)，利用圖像處理技術(shù)進(jìn)行雜草和作物植株識(shí)別，但不能自動(dòng)避開植株的除草機(jī)分別配備除草耙、除草指盤、除草彈齒，如圖 2所示。試驗(yàn)分別在移栽的洋蔥和白菜地中進(jìn)行。結(jié)果顯示：在相對(duì)寬闊的地方，兩者的區(qū)別不大，能自動(dòng)避開植株的除草機(jī)并沒(méi)顯示出優(yōu)越性；在針對(duì)離植株較近的地方，能避開植株的除草機(jī)可除去離植株更近的地方的雜草，不需要后續(xù)的手工除草就能得到滿意的除草效果。幾年前，丹麥的Midtiby等人研究了一套基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的控制系統(tǒng)，工作時(shí)通過(guò)檢測(cè)甜菜的葉子來(lái)對(duì)甜菜植株進(jìn)行定位，在生長(zhǎng)前期的甜菜地里試驗(yàn)后，得到甜菜單葉的平均檢測(cè)誤差小于3mm；當(dāng)同時(shí)檢測(cè)到幾片葉子時(shí)，其誤差小于2mm，可見(jiàn)其精度比較高[5]，這也是Melander等人試驗(yàn)中采用了圖像處理技術(shù)的除草機(jī)能除去離植株更近地方的雜草的原因。

圖2 具有自動(dòng)避開植株功能的除草機(jī)單體

丹麥的Norremark等人研究了一種基于實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)GPS導(dǎo)航的自動(dòng)避障(避開作物)株間除草機(jī)，如圖 3所示[14]。其利用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)GPS，通過(guò)自動(dòng)控制系統(tǒng)，對(duì)拖拉機(jī)及除草部件的橫向和縱向位移進(jìn)行控制，保證除草用的S形齒能在遇到作物植株時(shí)避開，隨后伸入株間進(jìn)行除草。試驗(yàn)表明：該機(jī)能避開植株的一個(gè)前提是GPS的定位精度不超過(guò)20mm，試驗(yàn)預(yù)定的拖拉機(jī)行進(jìn)速度為0.3m/s和0.5m/s，通過(guò)拖拉機(jī)天線檢測(cè)到的平均速度分別為(0.31±0.03)m/s(標(biāo)準(zhǔn)偏差)和(0.52±0.06)m/s(標(biāo)準(zhǔn)偏差)，能達(dá)到要求。研究表明：精確的GPS對(duì)促進(jìn)株間自動(dòng)避障除草技術(shù)的發(fā)展、減少甚至消除有機(jī)農(nóng)場(chǎng)手工除草和減少傳統(tǒng)農(nóng)場(chǎng)除草劑的使用具有很大的潛力。隨后，Norremark等人在此研究的基礎(chǔ)上，又對(duì)其除草效果進(jìn)行定量評(píng)估[15]。其采用除草部件耕過(guò)的株間地面所占比例作為評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果顯示：在拖拉機(jī)前進(jìn)速度為0.52 m/s時(shí)，耕過(guò)的株間地面面積占30%～49%，當(dāng)速度為0.31m/s時(shí)，耕過(guò)的株間地面所占比例有比較大的增加。即速度較低時(shí)，除草效果較好。

1.拖拉機(jī) 2.拖拉機(jī)GPS天線 3.側(cè)邊移動(dòng)擺線鋤GPS天線 4.地輪 5.前機(jī)架 6.后機(jī)架 7.傾斜傳感器 8.擺線鋤限深輪 9.平行四桿機(jī)構(gòu) 10.液壓馬達(dá)和減速箱 11.攝像機(jī) 12.旋轉(zhuǎn)齒箱 13.螺線管 14.齒軸 15.S形齒 16.白色塑料棒(作為植株)

西班牙的Pérez-Ruiz、美國(guó)的Slaughter等人也研究了把GPS定位系統(tǒng)用于株間除草工作中[16]，其除草部件如圖4所示。對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明：此系統(tǒng)在針對(duì)設(shè)定的靠近植株的區(qū)域(以植株為中心，半徑10mm的范圍內(nèi))的定位精度高于Norremark等人報(bào)道的控制系統(tǒng)。他們后來(lái)又研究了一個(gè)基于一種精確的測(cè)距傳感器的協(xié)作機(jī)器人(co-robot)控制系統(tǒng)[17]。這個(gè)系統(tǒng)用于控制類似圖 4所示的1對(duì)除草刀的開閉，在人工輔助監(jiān)控下，以達(dá)到避開植株而除去株間雜草的目的。其優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單廉價(jià)，易于操作。

(a) 閉合時(shí)的除草刀系統(tǒng)前視圖 (b) 閉合的除草刀

圖4 行作作物株間除草刀

Fig.4 UC Davis intra-row weed knife system for row crops

傳感器技術(shù)在自動(dòng)避障中扮演著十分重要的角色。比利時(shí)的Van der Linden等人研究了一種檢測(cè)除草部件工作深度的激光傳感器[18]。研究表明：這種傳感器不受土壤濕度和陽(yáng)光的影響，檢測(cè)精度至少為1mm，在運(yùn)動(dòng)中的檢測(cè)精度至少為5mm，可用來(lái)做株間機(jī)械除草的深度檢測(cè)。

意大利的Alberto Assirelli等人研究了光電傳感器和電容傳感器在檢測(cè)白楊樹苗時(shí)的差別，發(fā)現(xiàn)電容傳感器在檢測(cè)到白楊樹苗時(shí)能得到更好的響應(yīng)[19]。試驗(yàn)表明：電容傳感器在株間除草機(jī)械的設(shè)計(jì)中也可以使用，且具有很好的前景。

美國(guó)的Cordill等人研制了一種自動(dòng)避障玉米株間除草機(jī)，如圖5所示[20]。該除草機(jī)采用光電傳感器進(jìn)行檢測(cè)玉米植株，在以下3種情況下進(jìn)行試驗(yàn)：①3行沒(méi)有雜草的玉米；②3行有寬葉雜草(用大豆代替)的玉米；③3行有牧草的玉米。試驗(yàn)后，3種情況下受到很大損傷(最后不能存活)的玉米分別占8.8%、23.7%、23.7%，輕微損傷(可以存活)的玉米分別占17.6%、20%、25.9%?？梢?jiàn)，雜草對(duì)傳感器的檢測(cè)準(zhǔn)確度有著比較大的影響，沒(méi)有雜草時(shí)，控制系統(tǒng)也需要進(jìn)一步優(yōu)化。

(a) 機(jī)器的后面 (b) 機(jī)器的側(cè)面

美國(guó)的Zhang Yun等人研制了一種利用微劑量熱油進(jìn)行除草的株間除草機(jī)[21]。此除草機(jī)具有一套把食用油加熱到160℃后定點(diǎn)噴到雜草上的系統(tǒng)，其利用高光譜成像技術(shù)進(jìn)行作物識(shí)別與定位。在種植番茄的地中試驗(yàn)后，接近95.8%的龍葵和93.8%的反枝莧在噴施熱油15天后得到有效控制，同時(shí)只有2.4%的番茄苗受到了嚴(yán)重?fù)p傷。但除草機(jī)的工作效率受限于圖像采集、傳輸、處理的速度，工作效率不高。另外，也需要評(píng)估一下采用食用油進(jìn)行除草的收益與成本，并與傳統(tǒng)的商業(yè)化方法進(jìn)行比較，研究這種技術(shù)是否具有經(jīng)濟(jì)上的可行性。

1.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國(guó)目前的株間除草作業(yè)除了使用除草劑外，基本還靠人工來(lái)完成，盡管對(duì)株間除草機(jī)械有了較多的相關(guān)研究，譬如關(guān)于旱地的、水田的；但多數(shù)僅處于試驗(yàn)研究之中，未能得以推廣使用。

東北農(nóng)業(yè)大學(xué)陳振歆等人設(shè)計(jì)了一種水田株間除草作業(yè)的彈齒式除草裝置，如圖6所示[22]。除草盤為弧形，采用鋼絲軟軸傳動(dòng)。分別在秧苗生長(zhǎng)到第7天和第14天時(shí)采用二次旋轉(zhuǎn)正交設(shè)計(jì)并進(jìn)行土槽試驗(yàn)，并應(yīng)用響應(yīng)曲面對(duì)影響除草率及傷苗率的因素及其相互作用進(jìn)行分析，得到最優(yōu)工作參數(shù)為轉(zhuǎn)速230r/min、機(jī)器前進(jìn)速度1.02m/s、耕作深度18mm，此時(shí)傷苗率為0.13%；確定了二次除草作業(yè)的最佳工作參數(shù)組合為除草盤轉(zhuǎn)速230r/min、機(jī)器前進(jìn)速度0.48m/s、耕作深度27mm；經(jīng)過(guò)兩次除草，總除草率達(dá)94%，但傷苗率可能會(huì)提高。

1.除草盤 2.聯(lián)接頭 3.套管 4.鋼絲軟軸 5.支撐架 6.聯(lián)軸器 7.電動(dòng)機(jī)

東北農(nóng)業(yè)大學(xué)楊松梅等人研制了一種立式水田除草裝置，如圖7所示[23]。通過(guò)建立除草裝置的數(shù)學(xué)模型， 對(duì)除草裝置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真， 得到能除去株間雜草時(shí)的彈齒運(yùn)動(dòng)軌跡，并做了田間試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，為后續(xù)的整機(jī)研制提供了理論依據(jù)。

圖7 弧形彈齒除草圓盤

東北農(nóng)業(yè)大學(xué)韓豹等人研發(fā)了3ZCF-7700 型多功能中耕除草機(jī)，屬于純機(jī)械系統(tǒng)，可同時(shí)進(jìn)行行間和株間除草[24]。其株間松土除草部件構(gòu)成如圖8所示。在除草作業(yè)時(shí)，前、后梳齒盤轉(zhuǎn)速相同，分別由壟兩側(cè)向內(nèi)進(jìn)行梳理，前后梳齒盤上的梳齒在地面上齒跡疊加效果如圖9所示。田間試驗(yàn)表明：在整地效果好的前提下，提高作業(yè)速度有利于株間與行間雜草的鏟除，且對(duì)傷苗率影響并不明顯。在作業(yè)速度為2.0～2.4m/s范圍內(nèi)，在玉米定苗前，平均株間除草率約76%，傷苗率4.4%。

1.梳齒軸 2.梳齒 3.前輸出軸 4.前圓形滑道 5.前梳齒盤 6.前從動(dòng)盤 7.部件連接架 8.輸入鏈 9.張緊鏈輪 10.從動(dòng)鏈輪 11.后圓形滑道 12.后梳齒盤 13.后輸出軸 14.后從動(dòng)盤 15.連接板 16.銷軸口 17.錐齒輪箱

江蘇大學(xué)張鵬舉等人研究了一種八爪式株間機(jī)械除草裝置(見(jiàn)圖10)，前期利用Pro/E和ADAMS軟件對(duì)設(shè)計(jì)的八爪式株間除草裝置進(jìn)行了三維建模和運(yùn)動(dòng)仿真，研究進(jìn)行株間除草時(shí)對(duì)前進(jìn)速度和轉(zhuǎn)速的要求[25-26]。結(jié)果表明：最佳速比(鏟齒旋轉(zhuǎn)軸繞主軸軸心旋轉(zhuǎn)線速度與臺(tái)車前進(jìn)速度之比)為0.754。此后，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于LabVIEW的控制系統(tǒng)，利用圖像處理技術(shù)對(duì)雜草進(jìn)行識(shí)別和定位，采用除草鏟齒與作物之間的距離作為閾值實(shí)現(xiàn)株間除草控制，對(duì)八爪株間除草裝置控制進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證[27-28]。對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析表明：八爪除草裝置在進(jìn)行株間除草時(shí)可達(dá)到避開作物植株的效果，若作物平均株距在30cm以上，則可把傷苗率控制在10%以內(nèi)；同時(shí)，株間間隙覆蓋率可達(dá)到50%以上。另外，臺(tái)車位移誤差、電磁裝置吸合時(shí)間和鏟齒初始位置是造成傷苗的因素，需對(duì)此作進(jìn)一步研究，降低傷苗率。

1.前齒跡線 2.后齒跡線 A.前后梳齒盤偏心距 W.梳理苗帶寬度

1.主軸 2.T型套筒 3.除草鏟齒轉(zhuǎn)軸 4.帶螺旋軌道的套管 5.鏟齒 6.主軸轉(zhuǎn)盤 7.軌道 8.下側(cè)軌道 9.上側(cè)軌道 10.軌道變換滑塊 11.外殼

黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院余濤等人研究了一種智能株間除草平臺(tái)，如圖11所示[29]。通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型，分析了除草鏟的運(yùn)動(dòng)軌跡；利用圖像處理技術(shù)與位置傳感器的配合對(duì)植株進(jìn)行識(shí)別和定位，通過(guò)電液閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)除草鏟運(yùn)動(dòng)的控制。此研究為進(jìn)一步研制株間除草機(jī)械提供了實(shí)驗(yàn)臺(tái)。

華南農(nóng)業(yè)大學(xué)胡煉等人設(shè)計(jì)了一種利用除草爪齒余擺運(yùn)動(dòng)原理的株間機(jī)械除草裝置[30-31]，研究了裝置的除草和避障工作原理，建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，分析了除草爪齒余擺運(yùn)動(dòng)的不同參數(shù)值對(duì)除草效果的影響，獲得了合理的工作參數(shù)。在試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：此裝置可在避障和除草狀態(tài)間進(jìn)行快速可靠的切換，傷苗率小于 8%，能夠滿足株距大于或等于20cm 的行作作物株間除草要求。同時(shí)，他們提出了一種株間機(jī)械除草裝置和作物行的橫向偏移量識(shí)別方法，并設(shè)計(jì)了株間機(jī)械除草作物行跟蹤機(jī)構(gòu)和控制器，利用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)、雙閾值死區(qū)PD控制算法等，實(shí)現(xiàn)了株間機(jī)械除草跟隨作物行的功能。此外，由于田間情況復(fù)雜和株間機(jī)械除草裝置試驗(yàn)平臺(tái)的局限性，未能進(jìn)行田間試驗(yàn)，因此還需進(jìn)一步對(duì)試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行優(yōu)化，在田間開展相關(guān)研究。

1.電器系統(tǒng) 2.液壓系統(tǒng) 3.機(jī)架 4.橫移部分 5.鋤草鏟部分 6.平行四桿仿形部分 7.轉(zhuǎn)向部分

中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)陳子文等人針對(duì)根系較發(fā)達(dá)作物和易板結(jié)土壤工況下的株間除草，設(shè)計(jì)了行星刷式株間除草機(jī)械手，如圖 12所示[32]。通過(guò)研究分析除草機(jī)械手避障除草的工作原理，建立了運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，分析了刷盤上點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡和速度曲線隨行星輪系傳動(dòng)比變化的規(guī)律，將覆蓋率、入侵率及保護(hù)區(qū)范圍(不允許除草刷盤進(jìn)入的以作物根莖為中心的圓形區(qū)域)作為除草效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)除草刷盤運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行仿真，分析覆蓋率和入侵率的影響因素。結(jié)果表明：刀桿偏心距80mm、橫向偏移20mm、除草刷盤直徑60～180mm為最優(yōu)參數(shù)，可獲得直徑30～140mm的保護(hù)區(qū)及80%以上的株間覆蓋率。對(duì)優(yōu)化后的機(jī)械手進(jìn)行大田除草試驗(yàn)，選用傳動(dòng)比為3的行星輪系，其平均除草率可達(dá)89.3%，平均傷苗率為3.5%。

中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)馬锃宏等人根據(jù)溫室機(jī)械除草的需要，針對(duì)電驅(qū)除草機(jī)械設(shè)計(jì)了一種缺口圓盤除草刀株間除草控制系統(tǒng)[33]。該系統(tǒng)基于MC9S12DG128 雙核單片機(jī)，同時(shí)采集霍爾傳感器、旋轉(zhuǎn)編碼器的信號(hào)，通過(guò)RS232串口中斷實(shí)時(shí)接收上位機(jī)(PC)視覺(jué)信息，采用CAN 總線與下位機(jī)(電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器)實(shí)時(shí)通信，對(duì)缺口圓盤除草刀轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)角進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，以實(shí)現(xiàn)株間除草和避障。在溫室大棚內(nèi)進(jìn)行除草試驗(yàn)，結(jié)果表明：前進(jìn)速度為1.2km/h 時(shí)，傷苗率小于10%。

1.大同步帶輪 2.小同步帶輪 3.液壓馬達(dá) 4.箱蓋 5.編碼器 6.霍爾開關(guān) 7.霍爾開關(guān)檢測(cè)盤 8.箱體 9.行星齒輪 10.刀桿上端軸承 11.刀柄 12.刀桿 13.刀桿軸 14.刀桿下端軸 承15.作物苗 16.鋤草刷盤 17.主軸 18.太陽(yáng)齒輪 19.太陽(yáng)齒輪安裝座 20.主軸軸承 21.軸承座

為提高缺口圓盤除草刀的定位精度、降低機(jī)器視覺(jué)受外界因素的影響，陳子文等人提出一種對(duì)除草刀定位數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化的方法[34]。通過(guò)分析視覺(jué)系統(tǒng)滯后原理，提出采用實(shí)時(shí)里程信息對(duì)視覺(jué)滯后進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ鉀Q了圖像處理耗時(shí)引起的除草系統(tǒng)滯后的問(wèn)題；設(shè)計(jì)了刀苗距優(yōu)化模糊校正器，降低了機(jī)器視覺(jué)受外界因素的影響，提高了除草刀定位數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。將優(yōu)化系統(tǒng)搭載于智能除草平臺(tái)進(jìn)行大田試驗(yàn)，靜態(tài)試驗(yàn)表明：刀苗距平均誤差從9.88mm 減小到6.06mm，提高了刀苗距的準(zhǔn)確性。動(dòng)態(tài)試驗(yàn)表明：視覺(jué)刀苗距出錯(cuò)誤率為4.8%～6.6%，且優(yōu)化方法可有效過(guò)濾視覺(jué)出現(xiàn)的錯(cuò)誤或不穩(wěn)定數(shù)據(jù)點(diǎn)，不同車速下優(yōu)化后刀苗距平均誤差為5.30～7.08mm，較優(yōu)化前下降25%左右。

2 存在的問(wèn)題

1)研究的多，真正投入實(shí)際應(yīng)用的少。目前報(bào)道的很多研究成果，多是比較零碎、不完整的，沒(méi)有更多地從農(nóng)機(jī)農(nóng)藝的整體上來(lái)著手。尤其是國(guó)內(nèi)，多數(shù)研究成果僅僅是作為一種單一的技術(shù)而存在，沒(méi)能形成一個(gè)比較完整的系統(tǒng)，給實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)了一定的困難。

2)作物的識(shí)別與定位是株間機(jī)械除草的關(guān)鍵點(diǎn)，也是難點(diǎn)。作物行并不像工業(yè)上的軌道那樣能做到嚴(yán)格筆直，作物間的距離也不能保證完全一樣，每株作物間的個(gè)體差異更是難以預(yù)知，因此對(duì)作物的識(shí)別與定位成為了最大的難題。解決這個(gè)問(wèn)題可以有很多方法，可利用各種傳感器、使用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)、使用GPS定位技術(shù)等。但在目前，沒(méi)有一種傳感器能很好地屏蔽雜草的干擾，某些情況下，雜草和作物的區(qū)別并不明顯；采用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)，受限于目前的圖像采集、傳輸、處理速度，工作效率提不上來(lái)；GPS定位系統(tǒng)也受限于其定位精度，工作效率與質(zhì)量也難以提升。

3)目前，株間機(jī)械除草技術(shù)研究幾乎未涉及像果樹類的比較高的作物。多數(shù)株間機(jī)械除草技術(shù)只針對(duì)蔬菜類等低矮的作物，即機(jī)械可以橫跨在作物行上進(jìn)行作業(yè)。對(duì)于果園、葡萄園等的株間除草機(jī)械，還未見(jiàn)有相關(guān)理論研究報(bào)道。這類除草機(jī)械都不能橫跨在作物行上進(jìn)行作業(yè)，而只能行走在作物行中，除草部件在側(cè)面，從側(cè)面進(jìn)入株間進(jìn)行除草，挨近植株時(shí)退出以避開植株。

3 措施和對(duì)策

1)出臺(tái)相關(guān)政策，鼓勵(lì)合作研究。2004年的《中華人民共和國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化促進(jìn)法》給我國(guó)帶來(lái)了農(nóng)機(jī)發(fā)展的“黃金十年”，我國(guó)的農(nóng)機(jī)主要在量上獲得了大發(fā)展，接下來(lái)也將會(huì)有一個(gè)“黃金十年”，將著重從質(zhì)上進(jìn)行發(fā)展，通過(guò)國(guó)家出臺(tái)的相關(guān)政策，使廣大科研人員能戒驕戒躁，防止急于求成，能集中精力深入研究，爭(zhēng)取質(zhì)的突破；鼓勵(lì)合作，充分利用團(tuán)隊(duì)協(xié)作的力量，使研究工作不僅僅局限于點(diǎn)線面，更能形成一個(gè)完整的系統(tǒng)，使研究成果能更多地投入實(shí)際應(yīng)用之中。

2)加強(qiáng)農(nóng)機(jī)農(nóng)藝的融合。由于株間機(jī)械除草作業(yè)環(huán)境干擾因素多而復(fù)雜，目前，僅單方面研究除草機(jī)械以達(dá)到理想的株間除草效果非常困難， 應(yīng)更多地綜合考慮農(nóng)機(jī)和農(nóng)藝兩方面[35]。農(nóng)機(jī)農(nóng)藝相互促進(jìn)，能促進(jìn)機(jī)械化水平的快速提高，目前在諸多作物的生產(chǎn)上也取得了很大的成效；但針對(duì)需要株間除草的作物，還有待于進(jìn)一步提高。后續(xù)的研究應(yīng)探討農(nóng)機(jī)農(nóng)藝相融合的關(guān)鍵技術(shù)，在農(nóng)機(jī)農(nóng)藝的動(dòng)態(tài)平衡中獲取發(fā)展。

3)充分利用現(xiàn)代技術(shù)，從更廣闊的視角進(jìn)行審視和研究。加強(qiáng)研究能檢測(cè)到各種雜草與作物間差異的傳感器，發(fā)展計(jì)算機(jī)智能控制技術(shù)。同時(shí)，各種“網(wǎng)”(“互聯(lián)網(wǎng)+”、物聯(lián)網(wǎng)等)的概念正不斷被提出并得到蓬勃發(fā)展，大數(shù)據(jù)、云計(jì)算技術(shù)也逐漸得到了廣泛應(yīng)用(如張微微等人把云計(jì)算技術(shù)利用到采棉機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中[36])，這將給株間機(jī)械除草技術(shù)帶來(lái)顛覆性的研究與發(fā)展機(jī)遇，抓住這個(gè)機(jī)遇，給研究工作開辟一片新天地。不難想象，在未來(lái)，把各種作物和雜草的相關(guān)特征參數(shù)做成數(shù)據(jù)庫(kù)，利用蓬勃發(fā)展的大數(shù)據(jù)與云計(jì)算技術(shù)，實(shí)現(xiàn)作物株間機(jī)械除草的在線實(shí)時(shí)實(shí)控制，目前存在的作物識(shí)別與定位的難題將迎刃而解，全過(guò)程自動(dòng)高效高質(zhì)量的作物株間機(jī)械除草將不難實(shí)現(xiàn)。

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Research Status of Mechanical Intra-Row Weed Control in Row Crops

Liu Wen，Xu Liming，Xing Jiejie，Shi Lina，Gao Zhenming，Yuan Quanchun

(College of Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083, China)

Mechanical inter-row weeding between crop rows has been developed in the past decades of years. However, mechanical intra-row weed control is relatively new because of the difficulties of crop identification and location. The study of intra-row weeding machine began with pure mechanical system without any electric control system at home and abroad. Now, the studies on the mechanical intra-row weed control are most based on machine vision and GPS navigation system. And crop identification and location is still the key points and difficulties of mechanical intra-row weed control. The sensor technology that is used to find the more differences between weeds and crops will be studied all the way. And the “internet +”, big data and cloud computing will be took advantage of to achieve the on-line control of mechanical intra-row weeding machine to realize the automation of the whole process.

intra-row; mechanical weed control; crop identification and location

2016-03-14

北京市自然科學(xué)基金項(xiàng)目(6152012)

劉 文(1992-)，男，貴州畢節(jié)人，碩士研究生，(E-mail)lwen407@sina.com。

徐麗明(1969-)，女，山東蓬萊人，教授，博士生導(dǎo)師，(E-mail)xlmoffice@126.com。

S233.3

A

1003-188X(2017)01-0243-08