果园避障除草机研究现状与分析

老福兴 张秀花 张江红

1、河北农业大学机电工程学院 2、河北农业大学园艺学院

引言

随着农业现代化的发展，现代化果园已经普及到全国各地。现代化果园有着高垄、窄株、行宽矩形的栽植方式，这种栽培方式有利于机械化作业[1]。此外，由于现代化果园的发展，国内的除草作业经历了由化学除草到机械式除草的转变[2]。然而传统的除草机械在现代化果园中进行除草作业时，无法清除果树树盘附近的杂草，只能清除行间的除草，会导致果树株间杂草生长泛滥，降低除草效率。为解决果园中不便于机械化除草的情况，国内果园株间除草机械的研发越来越多。果园株间除草机可对果树株间和行间杂草进行清除，作业效率高，除草彻底。本文主要是介绍了果园避障除草机国内外研究现状及其技术要点，提出了现阶段我国避障除草机存在的问题。

1 果园避障除草机研究现状

1.1 国外研究现状

国外于20世纪50年代已经开始对机械除草技术进行研究，到目前为止，国外的除草技术已发展成熟，其自动化程度、功能已达到很高的水平[3]。国外早期除草机仅仅是用于庭院作业，而后L型旋耕刀的研制，使得除草机从庭院转向田间作业[4]。此时期的除草机械只是局限于行间除草，直至20世纪80年代初，荷兰Wageningen Agricultural University的Kouwenhoven等开始研究运用起垄锄进行行间和株间除草[5]。而后丹麦的Melander[6]等研究了一种对刷式除草机，如图1所示。该除草机利用竖直旋转的刷子将作物周围的杂草去除。波兰农机生产企业JAGODA JPS生产了一款ZOFIA除草机，其是一款果园人工协作株间除草机，通过人工操作手柄除草装置与果树的相对位置实现避障，从而达到避障除草作业[7]。

图1 对刷式除草机

丹麦的Noremark等研制了一种基于GPS导航技术实现自动避障的除草机。该除草机通过GPS实时控制拖拉机与除草铲的横向位移和纵向位移，能够有效避开作物，保证在株间除草[5]。

意大利AEDES公司和ARRIZZA公司生产的果园株间自动避障除草机，该机械除草装置多样，一台拖拉机可与多种除草装置配合使用，可实现单边和双边株间进行除草[7]。

1.2 国内研究现状

我国最早对除草机械的研究始于20世纪60年代，与国外相比，我国机械除草技术的研究落后，且发展时间短，设备落后。经过多年的研究与试验，在吸收国外先进技术的基础上，结合国内的研究技术，先后研制多用途复合型作业机械，如烟台市农业机械科学研究所研发的3ZP-1600型苹果中耕除草机，其结构示意图如图2所示。该除草机具有自动避让功能与宽幅可调铲式松土的除草性能，可实现果园中的行内株间杂草清除与松土保墒作业[8]。

图2 3ZP-1600型苹果中耕除草机结构

新疆石河子大学的张斌[9]研制了一种果园自动让树除草机，该除草机的一侧安装有让树除草装置，此装置可以有效地避开树干清除果树株间杂草，大大提高了果园除草效率。

石河子大学机械电气工程学院朱站伟[10]等针对新疆果园种植模式，研究出来一款与轮式拖拉机配套使用的果园避障除草机。安装在除草机机架主梁两端的避障除草装置在液压系统的控制下完成对果树株间杂草的清除作业。

中国农业大学工学院徐丽明[11]等针对清除葡萄株间杂草而设计的一种新型篱架式栽培葡萄株间自动避障除草机。在除草机右侧边板上安装有株间除草装置，机械感应触杆碰触到植株时，液压系统开始作用，使得安装有除草刀的斜拉杆发生一定的转动，使得除草刀进入相邻的作物之间进行除草实现避障除草作业。

2 避障除草机技术要点

2.1 除草机避障检测装置

果园株间除草避障装置分为接触式避障装置和非接触式避障装置。接触式避障的避障检测装置是由机械感应触杆接触障碍物来实现避障检测，并且由液压控制系统控制实现避障作业。如石河子大学的罗进军、王斌[12]等研发的果园避障旋耕机是通过接触式避障检测装置来对障碍物进行检测，该割草机上的机械触杆接触果树或障碍物后，避障系统开始工作。

非接触式避障的检测装置是由机器视觉技术、传感器检测技术和GPS导航定位等技术对障碍物进行无接触避障检测。石河子大学机械电气工程学院的何义川[13]等设计了一种葡萄园避障除草机，此除草机采用传感器对障碍物进行检测避障。除草机在进行除草作业时，传感器会检测前方是否有障碍物，当检测到障碍物时，避障系统会发生作用，除草机进行株间避障除草。兰州理工大学机电工程学院的贾耀文[14]设计的多功能果园避障除草机器人的避障装置由激光扫描仪、电动推杆等部件组成。该除草机器人避障检测装置采用无接触式激光扫描仪无接触式检测障碍物，当激光扫描仪检测到树干障碍物，激光扫描仪控制器会发出指令给电动推杆，从而实现避障。

针对超声波对果树无接触式监测避障，主要是利用超声波的发射，回波接收及处理的方式对目标障碍物进行检测[15]。如山东师范大学的侯东伟[16]设计的一种除草机自动行走避障装置，该装置通过STM32发出PWN信号从而驱动超声波换能器发出超声波信号，经过回波接收及处理，保证对前方障碍物的检测。

2.2 避障装置的控制系统

果园避障除草机的避障装置是通过除草机控制系统的控制来实现避障，当避障装置上的检测装置检测到障碍物时，会反馈给控制系统做出反应从而实现避障效果。如中国农业大学工学院徐丽明[11]等针对清除葡萄株间杂草而设计的一种新型篱架式栽培葡萄株间自动避障除草机。其通过液压系统控制除草机避障装置实现避障作业，当机械感应触杆接触到植株时，会引起液压系统发生作用，控制液压缸的伸缩，从而实现避障效果[17]。

非接触式避障一般是通过已完成编程的Arduino单片机或其他编程软件作为避障除草机控制系统对躲避障碍物操作进行控制[18]。兰州理工大学机电工程学院的许杰设计的新型果园除草机器人是通过Arduino编程的方式，将各个硬件部分驱动起来。当系统工作时，障碍物检测模块控制口发出一个高电平信号，定时器开始计时，信号波碰到障碍物后返回接收口，此时接收口接收的信号为低电平信号，然后通过读取定时器的值，计算出至障碍物的距离。当距离等于设定的安全函数值时，检测模块发出数字信号到报警器，报警器发出声音报警，此时，作业人员通过远程操控除草机完成避障作业[19]。

3 结论与展望

通过对国内外自动果园避障除草机研究现状的对比发现，我国对果园自动避障除草机的研究较晚，技术上不成熟，大多数采用接触式避障方式，在除草过程中对果树的损失较为严重。因此，在避障方式上迫切需要融入创新性、先进性的技术。

基于对果园避障除草机的技术要点的分析，归纳出我国国内缺乏智能监测避障装置的智能化果园除草机械，缺少运用超声波避障监测、红外避障技术、视频识别避障等避障监测技术。为此，我国应积极开展新型超声传感器的研制并应用于避障除草技术上，加强果园除草机械向高智能化、自动化水平转型发展。在控制系统上运用Arduino Mega2560单片机、STM32F103单片机、PLC可编程序控制器、ROS功能包等作为控制器，控制避障监测装置的运行，实现除草机械的智能化操作。

此外，还需要吸收借鉴国外果园除草机械先进技术，加强创新性发展，实现现代化果园种植模式与机械除草技术协同发展。