苗间除草机械末端执行装置研究现状

2018-05-14 08:59王洪昌涂鸣刘念曾荣佟金

安徽农业科学 2018年17期

王洪昌涂鸣刘念曾荣佟金

摘要针对苗间除草技术的特点，国内外从纯机械除草方式出发，结合机器视觉、自动控制和导航技术，形成了苗间智能除草机械装备。综述了目前苗间除草机械末端执行装置的研究现状，并提出了发展趋势。

关键词苗间；除草机械；末端执行装置

中图分类号 S233.3 文献标识码 A 文章编号 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

田间杂草的存在降低了农作物可吸收的水分和养分，使农作物的光照降低，减少农作物的生长空间，尤其是在农作物苗期，地表裸露严重，杂草更易滋生和成长，而且杂草是农作物病虫害的寄宿体，直接或间接地影响农作物的生长和发育，因此杂草一直是影响农作物产量的要素之一[1]。每年要投入大量的人力和物力进行杂草防除[2-5]。常见的除草方式有人工除草、化学除草、机械除草、生物技术除草、热力和电力除草等，其中利用除草剂的化学除草方式见效快、使用方便，应用最为普遍[6-9]。长期使用化学除草剂也造成了诸多问题，如对农业生态造成污染，使人身体健康受到危害，也给农产品的食用安全带来问题，同时造成杂草抗药性增强[10]。随着有机农业的提出和发展，人们对非化学除草方式的研究逐渐增多，欧盟已立法规定在有机农业中禁止使用农药[11]。

机械除草方式是一种绿色除草方式，随着自动控制、机器视觉和导航技术的应用，智能除草机械逐渐发展起来。目前国内外研究集中在机器视觉和导航技术在苗草识别和田间导航的应用，并取得了一定的成效[12]。末端执行机构作为苗间除草机械的重要组成部分，其性能直接影响除草的效果，因此加强对末端执行器的研究对苗间除草机械的发展具有重要意义。笔者针对苗间除草技术的特点，综述了苗间除草机械末端执行装置的研究现状。

1 国外研究现状

国外对苗（株）间机械除草技术的研究起步较早，从20世纪50年代开始相关研究，经过多年的研究和发展，多种类型的苗间除草机械已经投入实际应用，其末端执行装置的类型也较多，如弹齿式、滚耙式、爪式、梳齿式及指状式等[2，13-16]（图1和2）。

Melander[17]设计了一种末端执行器为除草刷的株间除草机（图3），除草刷绕垂直于地面的轴转动，从而达到除去田间杂草的目标。试验结果表明，此除草机适用于农作物幼苗期的田间除草，除草刷的转速和拖拉机的前进速度对除草效果的影响不显著。

Fogelberg等[18]设计了一种水平除草刷式除草机（图4），并就除草刷的转动方向、前进速度、转动速度、除草深度和土壤湿度对除草效果的影响进行研究。

Nrremark等[19-20]、 Griepentrog等[21]研究了多种类型的株间除草机器人。如末端执行机构为爪式的株间除草机（图5），该除草机具由拖拉机牵引，RTK-GPS进行导航，精确定位植株位置，然后控制爪式除草机构进行除草作业。

Midtiby等[22]设计了名为Robovator的除草机（图6），该除草机的末端执行装置为弹齿，视觉系统由双光谱线扫描相机和卤素灯组成，通过红外和近红外光检测苗株茎秆位置，控制除草执行器弹齿的运动轨迹来完成除草和避开苗株的动作。

英国Garford公司和Tillett等[23]、Dedousis[24]设计研发了一种苗间除草机（图7），该除草机的末端执行装置是缺口圆盘刀，通过机器视觉系统采集农作物和苗株信息，并对采集的信息进行处理，控制拖拉机沿平行于作物行方向行驶，控制横移机构进行对刀，通过旋转的除草刀盘进行除草作业。

Blasco等[25]设计了用于蔬菜田地的株间除草平台（图8），该平台包括2个机器视觉系统，一个机器视觉系统用于识别和传送杂草信息，另一个系统用于纠正惯性的干扰重新定位杂草信息，信息确定后将机械手移动到杂草上方，机械手末端的电极释放高压电杀死杂草。试验结果显示，在前进速度为0.8 m/s时，杂草和生菜的识别率分别为84%和99%。

Pérez-Rui'z等[26-27]设计了一种株间除草机，末端执行装置为分布于植物两侧的锄刀（图9）。该机具基于RTK-DPS系统导航，利用机器视觉技术检测苗株位置信息并传送到控制系统，控制锄刀的运动轨迹，从而达到除草的目的。

Gobor等[28]提出了电动株间除草机概念（图10），此种电动株间除草机在向前行进的同时通过伺服电机带动后置的除草机构旋转来达到除草的目的，除草机构的旋转速度与机器的前进速度相关联。

2 国内研究现状

我国对苗间除草机械的研究起步晚于国外，尤其在智能苗间除草机械的研究方面相对于国外差距较大。随着有机农业的发展，自动控制、导航技术、机器视觉在农业生产管理中的应用越来越广泛和成熟。我国对苗间除草机械研究的关注度越来越高。

郭占斌[29]设计了一种弹齿式苗间中耕锄草机，用于解决初期设计的中耕除草机在工作时易伤苗、株间杂草防除效果不好等問题。该除草机以偏心弹齿为主要工作部件，在完成除草作业的同时兼顾其他中耕作业，机械伤苗率不超过2%。刘天祥等[30]在弹齿式中耕锄草机的基础上进行了改进（图11），改进后的机具体积小，结构紧凑，弹齿具有弹性，对农作物的冲击较少，伤苗率降低，适应能力强。

魏兆凱等[31]设计了一种大豆苗间除草松土机（图12），除草部件为针齿锄盘，能同时完成中耕、松土和除草功能。田间试验结果表明，该机具作业时不夹带土块，除草率高，伤苗率低，使大豆产量平均增加8%～10%。

韩豹等[32-33]设计了水平圆盘式苗间除草机构（图13）和组合梳齿式除草机构（图14）。田间试验结果表明，水平圆盘式苗间除草机构在锄齿数12、齿盘安装半径160 mm、转速170 r/min、前进速度2.1 m/s时苗间除草率大于78.1%，伤苗率小于5.0%，能够有效完成大田作物苗株间的除草和松土作业；组合梳齿式苗间除草机构在梳齿数目6、梳齿间50 mm、梳齿盘转速180 r/min和作业速度2.3 m/s的条件下除草率达87.6%，伤苗率为2.73%。

张朋举等[34]、陈树人等[35]、周恩权等[36]设计了用于苗间除草机械的八爪式机械除草装置（图15），利用轨道变换滑块和带有螺旋轨道的套管来实现除草铲齿转轴的上、下移动和转动，用以控制除草铲爪齿在作物株间空隙的进入或转出，从而实现苗间除草，并避开农作物的作业目标。研究者还发明了用于除草机器人的六爪执行机构和张合型扇形耙机械除草装置[37-38]。

胡炼等[39-40]设计了一种基于余摆运动的爪齿式株间机械除草装置（图16），并搭建了试验平台，此装置通过控制算法控制爪齿摆动以达到避苗和除草的目的。试验结果表明，此类型的除草爪齿能快速高效地在避开苗株和除草间进行切换和控制，伤苗率不大于8%，当作物株距大于200 mm时能确保除草爪齿除去每个株间部分的杂草。

黄小龙等[41]设计了一种月牙形锄刀（图17），并对锄刀参数对除草效果的影响进行分析，得到了最佳结构参数。

陈子文等[42]设计了一种行星刷式苗间除草机构（图18），该机构由液压马达或者电动机驱动，通过刷盘相对于地面的运动将杂草幼苗刷断或被土覆盖，利用偏心刀杆的旋转实现避苗的动作。

王洪昌[43]基于鼢鼠挖掘爪趾的曲线特征，设计了一种用于苗间除草机械的仿生除草铲（图19），并就除草铲的入土角度、前进速度对除草效果的影响进行研究。

李碧青等[44]设计了一种杂草自动识别的除草机器人，其末端执行器装置为带有执行臂的刀盘（图20），当机器识别杂草时，通过步进电机带动除草刀盘除去杂草。

周福君等[45]设计了一种凸轮摇杆式摆动型玉米苗间除草装置，并就前进速度、弹簧刚度和除草刀转速对除草率和伤苗率的影响进行了研究，结果表明，在弹簧刚度60 N/mm、前进速度0.6 m/s、除草刀转速130 r/min时除草率为89.8%，伤苗率为2.1%，有较优的作业性能（图21）。

3 发展趋势

虽然对于苗间除草机械的研究较多，但真正投入实际应用的较少，尤其是国内，鲜见苗间除草机械投入使用的相关报道。我国对苗间除草机械的研究起步较晚，而且现阶段对于苗间除草机械的研究大多是针对某项技术，而不是整机装备。有关农机企业对于苗间除草机械的研发和推广关注度不够。杂草和作物的识别与定位技术，以及田间导航技术发展不够完善，未能达到苗间除草机械对精准除草的要求。

随着有机农业的发展，以及人们对于绿色健康食品需求的增加，苗间智能除草机械相关技术的关注度越来越高。自动控制、机器视觉和导航技术的成熟度越来越高，苗间除草机械的智能化程度也会越来越高。杂草识别与精准定位、田间导航和除草装置的研究将是未来一段时间发展的重点。

末端执行装置作为苗间除草机械的重要组成部分，直接影响除草效果，现阶段除草装置的研究较少，且相对简单。由于除草执行装置的结构和运动轨迹对除草率和伤苗率有重要影响，对于末端执行机构的研究将集中于2个方面：①除草执行机构结构和参数的设计和优化；②除草执行机构运动轨迹的控制。

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