苗間除草機(jī)械末端執(zhí)行裝置研究現(xiàn)狀

王洪昌 涂鳴 劉念 曾榮 佟金

摘要 針對苗間除草技術(shù)的特點(diǎn)，國內(nèi)外從純機(jī)械除草方式出發(fā)，結(jié)合機(jī)器視覺、自動控制和導(dǎo)航技術(shù)，形成了苗間智能除草機(jī)械裝備。綜述了目前苗間除草機(jī)械末端執(zhí)行裝置的研究現(xiàn)狀，并提出了發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞 苗間；除草機(jī)械；末端執(zhí)行裝置

中圖分類號 S233.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 0517-6611（2018）17-0022-05

Abstract According to the characteristics of intrarow weeds， the intelligent intrarow weeding mechine which combine machine vision， automatic control and navigation technology was researched. The study status of the endactuator of intrarow weeding machine was reviewed， and development trend was put forward.

Key words Intrarow；Weeding machine；Endactuator

田間雜草的存在降低了農(nóng)作物可吸收的水分和養(yǎng)分，使農(nóng)作物的光照降低，減少農(nóng)作物的生長空間，尤其是在農(nóng)作物苗期，地表裸露嚴(yán)重，雜草更易滋生和成長，而且雜草是農(nóng)作物病蟲害的寄宿體，直接或間接地影響農(nóng)作物的生長和發(fā)育，因此雜草一直是影響農(nóng)作物產(chǎn)量的要素之一[1]。每年要投入大量的人力和物力進(jìn)行雜草防除[2-5]。常見的除草方式有人工除草、化學(xué)除草、機(jī)械除草、生物技術(shù)除草、熱力和電力除草等，其中利用除草劑的化學(xué)除草方式見效快、使用方便，應(yīng)用最為普遍[6-9]。長期使用化學(xué)除草劑也造成了諸多問題，如對農(nóng)業(yè)生態(tài)造成污染，使人身體健康受到危害，也給農(nóng)產(chǎn)品的食用安全帶來問題，同時造成雜草抗藥性增強(qiáng)[10]。隨著有機(jī)農(nóng)業(yè)的提出和發(fā)展，人們對非化學(xué)除草方式的研究逐漸增多，歐盟已立法規(guī)定在有機(jī)農(nóng)業(yè)中禁止使用農(nóng)藥[11]。

機(jī)械除草方式是一種綠色除草方式，隨著自動控制、機(jī)器視覺和導(dǎo)航技術(shù)的應(yīng)用，智能除草機(jī)械逐漸發(fā)展起來。目前國內(nèi)外研究集中在機(jī)器視覺和導(dǎo)航技術(shù)在苗草識別和田間導(dǎo)航的應(yīng)用，并取得了一定的成效[12]。末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)作為苗間除草機(jī)械的重要組成部分，其性能直接影響除草的效果，因此加強(qiáng)對末端執(zhí)行器的研究對苗間除草機(jī)械的發(fā)展具有重要意義。筆者針對苗間除草技術(shù)的特點(diǎn)，綜述了苗間除草機(jī)械末端執(zhí)行裝置的研究現(xiàn)狀。

1 國外研究現(xiàn)狀

國外對苗（株）間機(jī)械除草技術(shù)的研究起步較早，從20世紀(jì)50年代開始相關(guān)研究，經(jīng)過多年的研究和發(fā)展，多種類型的苗間除草機(jī)械已經(jīng)投入實(shí)際應(yīng)用，其末端執(zhí)行裝置的類型也較多，如彈齒式、滾耙式、爪式、梳齒式及指狀式等[2，13-16]（圖1和2）。

Melander[17]設(shè)計了一種末端執(zhí)行器為除草刷的株間除草機(jī)（圖3），除草刷繞垂直于地面的軸轉(zhuǎn)動，從而達(dá)到除去田間雜草的目標(biāo)。試驗(yàn)結(jié)果表明，此除草機(jī)適用于農(nóng)作物幼苗期的田間除草，除草刷的轉(zhuǎn)速和拖拉機(jī)的前進(jìn)速度對除草效果的影響不顯著。

Fogelberg等[18]設(shè)計了一種水平除草刷式除草機(jī)（圖4），并就除草刷的轉(zhuǎn)動方向、前進(jìn)速度、轉(zhuǎn)動速度、除草深度和土壤濕度對除草效果的影響進(jìn)行研究。

Nrremark等[19-20]、 Griepentrog等[21]研究了多種類型的株間除草機(jī)器人。如末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)為爪式的株間除草機(jī)（圖5），該除草機(jī)具由拖拉機(jī)牽引，RTK-GPS進(jìn)行導(dǎo)航，精確定位植株位置，然后控制爪式除草機(jī)構(gòu)進(jìn)行除草作業(yè)。

Midtiby等[22]設(shè)計了名為Robovator的除草機(jī)（圖6），該除草機(jī)的末端執(zhí)行裝置為彈齒，視覺系統(tǒng)由雙光譜線掃描相機(jī)和鹵素?zé)艚M成，通過紅外和近紅外光檢測苗株莖稈位置，控制除草執(zhí)行器彈齒的運(yùn)動軌跡來完成除草和避開苗株的動作。

英國Garford公司和Tillett等[23]、Dedousis[24]設(shè)計研發(fā)了一種苗間除草機(jī)（圖7），該除草機(jī)的末端執(zhí)行裝置是缺口圓盤刀，通過機(jī)器視覺系統(tǒng)采集農(nóng)作物和苗株信息，并對采集的信息進(jìn)行處理，控制拖拉機(jī)沿平行于作物行方向行駛，控制橫移機(jī)構(gòu)進(jìn)行對刀，通過旋轉(zhuǎn)的除草刀盤進(jìn)行除草作業(yè)。

Blasco等[25]設(shè)計了用于蔬菜田地的株間除草平臺（圖8），該平臺包括2個機(jī)器視覺系統(tǒng)，一個機(jī)器視覺系統(tǒng)用于識別和傳送雜草信息，另一個系統(tǒng)用于糾正慣性的干擾重新定位雜草信息，信息確定后將機(jī)械手移動到雜草上方，機(jī)械手末端的電極釋放高壓電殺死雜草。試驗(yàn)結(jié)果顯示，在前進(jìn)速度為0.8 m/s時，雜草和生菜的識別率分別為84%和99%。

Pérez-Rui'z等[26-27]設(shè)計了一種株間除草機(jī)，末端執(zhí)行裝置為分布于植物兩側(cè)的鋤刀（圖9）。該機(jī)具基于RTK-DPS系統(tǒng)導(dǎo)航，利用機(jī)器視覺技術(shù)檢測苗株位置信息并傳送到控制系統(tǒng)，控制鋤刀的運(yùn)動軌跡，從而達(dá)到除草的目的。

Gobor等[28]提出了電動株間除草機(jī)概念（圖10），此種電動株間除草機(jī)在向前行進(jìn)的同時通過伺服電機(jī)帶動后置的除草機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)來達(dá)到除草的目的，除草機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)速度與機(jī)器的前進(jìn)速度相關(guān)聯(lián)。

2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國對苗間除草機(jī)械的研究起步晚于國外，尤其在智能苗間除草機(jī)械的研究方面相對于國外差距較大。隨著有機(jī)農(nóng)業(yè)的發(fā)展，自動控制、導(dǎo)航技術(shù)、機(jī)器視覺在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理中的應(yīng)用越來越廣泛和成熟。我國對苗間除草機(jī)械研究的關(guān)注度越來越高。

郭占斌[29]設(shè)計了一種彈齒式苗間中耕鋤草機(jī)，用于解決初期設(shè)計的中耕除草機(jī)在工作時易傷苗、株間雜草防除效果不好等問題。該除草機(jī)以偏心彈齒為主要工作部件，在完成除草作業(yè)的同時兼顧其他中耕作業(yè)，機(jī)械傷苗率不超過2%。劉天祥等[30]在彈齒式中耕鋤草機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)（圖11），改進(jìn)后的機(jī)具體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，彈齒具有彈性，對農(nóng)作物的沖擊較少，傷苗率降低，適應(yīng)能力強(qiáng)。

魏兆凱等[31]設(shè)計了一種大豆苗間除草松土機(jī)（圖12），除草部件為針齒鋤盤，能同時完成中耕、松土和除草功能。田間試驗(yàn)結(jié)果表明，該機(jī)具作業(yè)時不夾帶土塊，除草率高，傷苗率低，使大豆產(chǎn)量平均增加8%～10%。

韓豹等[32-33]設(shè)計了水平圓盤式苗間除草機(jī)構(gòu)（圖13）和組合梳齒式除草機(jī)構(gòu)（圖14）。田間試驗(yàn)結(jié)果表明，水平圓盤式苗間除草機(jī)構(gòu)在鋤齒數(shù)12、齒盤安裝半徑160 mm、轉(zhuǎn)速170 r/min、前進(jìn)速度2.1 m/s時苗間除草率大于78.1%，傷苗率小于5.0%，能夠有效完成大田作物苗株間的除草和松土作業(yè)；組合梳齒式苗間除草機(jī)構(gòu)在梳齒數(shù)目6、梳齒間50 mm、梳齒盤轉(zhuǎn)速180 r/min和作業(yè)速度2.3 m/s的條件下除草率達(dá)87.6%，傷苗率為2.73%。

張朋舉等[34]、陳樹人等[35]、周恩權(quán)等[36]設(shè)計了用于苗間除草機(jī)械的八爪式機(jī)械除草裝置（圖15），利用軌道變換滑塊和帶有螺旋軌道的套管來實(shí)現(xiàn)除草鏟齒轉(zhuǎn)軸的上、下移動和轉(zhuǎn)動，用以控制除草鏟爪齒在作物株間空隙的進(jìn)入或轉(zhuǎn)出，從而實(shí)現(xiàn)苗間除草，并避開農(nóng)作物的作業(yè)目標(biāo)。研究者還發(fā)明了用于除草機(jī)器人的六爪執(zhí)行機(jī)構(gòu)和張合型扇形耙機(jī)械除草裝置[37-38]。

胡煉等[39-40]設(shè)計了一種基于余擺運(yùn)動的爪齒式株間機(jī)械除草裝置（圖16），并搭建了試驗(yàn)平臺，此裝置通過控制算法控制爪齒擺動以達(dá)到避苗和除草的目的。試驗(yàn)結(jié)果表明，此類型的除草爪齒能快速高效地在避開苗株和除草間進(jìn)行切換和控制，傷苗率不大于8%，當(dāng)作物株距大于200 mm時能確保除草爪齒除去每個株間部分的雜草。

黃小龍等[41]設(shè)計了一種月牙形鋤刀（圖17），并對鋤刀參數(shù)對除草效果的影響進(jìn)行分析，得到了最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)。

陳子文等[42]設(shè)計了一種行星刷式苗間除草機(jī)構(gòu)（圖18），該機(jī)構(gòu)由液壓馬達(dá)或者電動機(jī)驅(qū)動，通過刷盤相對于地面的運(yùn)動將雜草幼苗刷斷或被土覆蓋，利用偏心刀桿的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)避苗的動作。

王洪昌[43]基于鼢鼠挖掘爪趾的曲線特征，設(shè)計了一種用于苗間除草機(jī)械的仿生除草鏟（圖19），并就除草鏟的入土角度、前進(jìn)速度對除草效果的影響進(jìn)行研究。

李碧青等[44]設(shè)計了一種雜草自動識別的除草機(jī)器人，其末端執(zhí)行器裝置為帶有執(zhí)行臂的刀盤（圖20），當(dāng)機(jī)器識別雜草時，通過步進(jìn)電機(jī)帶動除草刀盤除去雜草。

周福君等[45]設(shè)計了一種凸輪搖桿式擺動型玉米苗間除草裝置，并就前進(jìn)速度、彈簧剛度和除草刀轉(zhuǎn)速對除草率和傷苗率的影響進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，在彈簧剛度60 N/mm、前進(jìn)速度0.6 m/s、除草刀轉(zhuǎn)速130 r/min時除草率為89.8%，傷苗率為2.1%，有較優(yōu)的作業(yè)性能（圖21）。

3 發(fā)展趨勢

雖然對于苗間除草機(jī)械的研究較多，但真正投入實(shí)際應(yīng)用的較少，尤其是國內(nèi)，鮮見苗間除草機(jī)械投入使用的相關(guān)報道。我國對苗間除草機(jī)械的研究起步較晚，而且現(xiàn)階段對于苗間除草機(jī)械的研究大多是針對某項(xiàng)技術(shù)，而不是整機(jī)裝備。有關(guān)農(nóng)機(jī)企業(yè)對于苗間除草機(jī)械的研發(fā)和推廣關(guān)注度不夠。雜草和作物的識別與定位技術(shù)，以及田間導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展不夠完善，未能達(dá)到苗間除草機(jī)械對精準(zhǔn)除草的要求。

隨著有機(jī)農(nóng)業(yè)的發(fā)展，以及人們對于綠色健康食品需求的增加，苗間智能除草機(jī)械相關(guān)技術(shù)的關(guān)注度越來越高。自動控制、機(jī)器視覺和導(dǎo)航技術(shù)的成熟度越來越高，苗間除草機(jī)械的智能化程度也會越來越高。雜草識別與精準(zhǔn)定位、田間導(dǎo)航和除草裝置的研究將是未來一段時間發(fā)展的重點(diǎn)。

末端執(zhí)行裝置作為苗間除草機(jī)械的重要組成部分，直接影響除草效果，現(xiàn)階段除草裝置的研究較少，且相對簡單。由于除草執(zhí)行裝置的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動軌跡對除草率和傷苗率有重要影響，對于末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的研究將集中于2個方面：①除草執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)和參數(shù)的設(shè)計和優(yōu)化；②除草執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動軌跡的控制。

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