果園避障除草機(jī)研究現(xiàn)狀與分析

老福興 張秀花 張江紅

1、河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 2、河北農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院

引言

隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展，現(xiàn)代化果園已經(jīng)普及到全國各地。現(xiàn)代化果園有著高壟、窄株、行寬矩形的栽植方式，這種栽培方式有利于機(jī)械化作業(yè)[1]。此外，由于現(xiàn)代化果園的發(fā)展，國內(nèi)的除草作業(yè)經(jīng)歷了由化學(xué)除草到機(jī)械式除草的轉(zhuǎn)變[2]。然而傳統(tǒng)的除草機(jī)械在現(xiàn)代化果園中進(jìn)行除草作業(yè)時(shí)，無法清除果樹樹盤附近的雜草，只能清除行間的除草，會導(dǎo)致果樹株間雜草生長泛濫，降低除草效率。為解決果園中不便于機(jī)械化除草的情況，國內(nèi)果園株間除草機(jī)械的研發(fā)越來越多。果園株間除草機(jī)可對果樹株間和行間雜草進(jìn)行清除，作業(yè)效率高，除草徹底。本文主要是介紹了果園避障除草機(jī)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及其技術(shù)要點(diǎn)，提出了現(xiàn)階段我國避障除草機(jī)存在的問題。

1 果園避障除草機(jī)研究現(xiàn)狀

1.1 國外研究現(xiàn)狀

國外于20世紀(jì)50年代已經(jīng)開始對機(jī)械除草技術(shù)進(jìn)行研究，到目前為止，國外的除草技術(shù)已發(fā)展成熟，其自動化程度、功能已達(dá)到很高的水平[3]。國外早期除草機(jī)僅僅是用于庭院作業(yè)，而后L型旋耕刀的研制，使得除草機(jī)從庭院轉(zhuǎn)向田間作業(yè)[4]。此時(shí)期的除草機(jī)械只是局限于行間除草，直至20世紀(jì)80年代初，荷蘭Wageningen Agricultural University的Kouwenhoven等開始研究運(yùn)用起壟鋤進(jìn)行行間和株間除草[5]。而后丹麥的Melander[6]等研究了一種對刷式除草機(jī)，如圖1所示。該除草機(jī)利用豎直旋轉(zhuǎn)的刷子將作物周圍的雜草去除。波蘭農(nóng)機(jī)生產(chǎn)企業(yè)JAGODA JPS生產(chǎn)了一款ZOFIA除草機(jī)，其是一款果園人工協(xié)作株間除草機(jī)，通過人工操作手柄除草裝置與果樹的相對位置實(shí)現(xiàn)避障，從而達(dá)到避障除草作業(yè)[7]。

圖1 對刷式除草機(jī)

丹麥的Noremark等研制了一種基于GPS導(dǎo)航技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動避障的除草機(jī)。該除草機(jī)通過GPS實(shí)時(shí)控制拖拉機(jī)與除草鏟的橫向位移和縱向位移，能夠有效避開作物，保證在株間除草[5]。

意大利AEDES公司和ARRIZZA公司生產(chǎn)的果園株間自動避障除草機(jī)，該機(jī)械除草裝置多樣，一臺拖拉機(jī)可與多種除草裝置配合使用，可實(shí)現(xiàn)單邊和雙邊株間進(jìn)行除草[7]。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國最早對除草機(jī)械的研究始于20世紀(jì)60年代，與國外相比，我國機(jī)械除草技術(shù)的研究落后，且發(fā)展時(shí)間短，設(shè)備落后。經(jīng)過多年的研究與試驗(yàn)，在吸收國外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合國內(nèi)的研究技術(shù)，先后研制多用途復(fù)合型作業(yè)機(jī)械，如煙臺市農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究所研發(fā)的3ZP-1600型蘋果中耕除草機(jī)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。該除草機(jī)具有自動避讓功能與寬幅可調(diào)鏟式松土的除草性能，可實(shí)現(xiàn)果園中的行內(nèi)株間雜草清除與松土保墑作業(yè)[8]。

圖2 3ZP-1600型蘋果中耕除草機(jī)結(jié)構(gòu)

新疆石河子大學(xué)的張斌[9]研制了一種果園自動讓樹除草機(jī)，該除草機(jī)的一側(cè)安裝有讓樹除草裝置，此裝置可以有效地避開樹干清除果樹株間雜草，大大提高了果園除草效率。

石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院朱站偉[10]等針對新疆果園種植模式，研究出來一款與輪式拖拉機(jī)配套使用的果園避障除草機(jī)。安裝在除草機(jī)機(jī)架主梁兩端的避障除草裝置在液壓系統(tǒng)的控制下完成對果樹株間雜草的清除作業(yè)。

中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院徐麗明[11]等針對清除葡萄株間雜草而設(shè)計(jì)的一種新型籬架式栽培葡萄株間自動避障除草機(jī)。在除草機(jī)右側(cè)邊板上安裝有株間除草裝置，機(jī)械感應(yīng)觸桿碰觸到植株時(shí)，液壓系統(tǒng)開始作用，使得安裝有除草刀的斜拉桿發(fā)生一定的轉(zhuǎn)動，使得除草刀進(jìn)入相鄰的作物之間進(jìn)行除草實(shí)現(xiàn)避障除草作業(yè)。

2 避障除草機(jī)技術(shù)要點(diǎn)

2.1 除草機(jī)避障檢測裝置

果園株間除草避障裝置分為接觸式避障裝置和非接觸式避障裝置。接觸式避障的避障檢測裝置是由機(jī)械感應(yīng)觸桿接觸障礙物來實(shí)現(xiàn)避障檢測，并且由液壓控制系統(tǒng)控制實(shí)現(xiàn)避障作業(yè)。如石河子大學(xué)的羅進(jìn)軍、王斌[12]等研發(fā)的果園避障旋耕機(jī)是通過接觸式避障檢測裝置來對障礙物進(jìn)行檢測，該割草機(jī)上的機(jī)械觸桿接觸果樹或障礙物后，避障系統(tǒng)開始工作。

非接觸式避障的檢測裝置是由機(jī)器視覺技術(shù)、傳感器檢測技術(shù)和GPS導(dǎo)航定位等技術(shù)對障礙物進(jìn)行無接觸避障檢測。石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院的何義川[13]等設(shè)計(jì)了一種葡萄園避障除草機(jī)，此除草機(jī)采用傳感器對障礙物進(jìn)行檢測避障。除草機(jī)在進(jìn)行除草作業(yè)時(shí)，傳感器會檢測前方是否有障礙物，當(dāng)檢測到障礙物時(shí)，避障系統(tǒng)會發(fā)生作用，除草機(jī)進(jìn)行株間避障除草。蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院的賈耀文[14]設(shè)計(jì)的多功能果園避障除草機(jī)器人的避障裝置由激光掃描儀、電動推桿等部件組成。該除草機(jī)器人避障檢測裝置采用無接觸式激光掃描儀無接觸式檢測障礙物，當(dāng)激光掃描儀檢測到樹干障礙物，激光掃描儀控制器會發(fā)出指令給電動推桿，從而實(shí)現(xiàn)避障。

針對超聲波對果樹無接觸式監(jiān)測避障，主要是利用超聲波的發(fā)射，回波接收及處理的方式對目標(biāo)障礙物進(jìn)行檢測[15]。如山東師范大學(xué)的侯東偉[16]設(shè)計(jì)的一種除草機(jī)自動行走避障裝置，該裝置通過STM32發(fā)出PWN信號從而驅(qū)動超聲波換能器發(fā)出超聲波信號，經(jīng)過回波接收及處理，保證對前方障礙物的檢測。

2.2 避障裝置的控制系統(tǒng)

果園避障除草機(jī)的避障裝置是通過除草機(jī)控制系統(tǒng)的控制來實(shí)現(xiàn)避障，當(dāng)避障裝置上的檢測裝置檢測到障礙物時(shí)，會反饋給控制系統(tǒng)做出反應(yīng)從而實(shí)現(xiàn)避障效果。如中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院徐麗明[11]等針對清除葡萄株間雜草而設(shè)計(jì)的一種新型籬架式栽培葡萄株間自動避障除草機(jī)。其通過液壓系統(tǒng)控制除草機(jī)避障裝置實(shí)現(xiàn)避障作業(yè)，當(dāng)機(jī)械感應(yīng)觸桿接觸到植株時(shí)，會引起液壓系統(tǒng)發(fā)生作用，控制液壓缸的伸縮，從而實(shí)現(xiàn)避障效果[17]。

非接觸式避障一般是通過已完成編程的Arduino單片機(jī)或其他編程軟件作為避障除草機(jī)控制系統(tǒng)對躲避障礙物操作進(jìn)行控制[18]。蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院的許杰設(shè)計(jì)的新型果園除草機(jī)器人是通過Arduino編程的方式，將各個(gè)硬件部分驅(qū)動起來。當(dāng)系統(tǒng)工作時(shí)，障礙物檢測模塊控制口發(fā)出一個(gè)高電平信號，定時(shí)器開始計(jì)時(shí)，信號波碰到障礙物后返回接收口，此時(shí)接收口接收的信號為低電平信號，然后通過讀取定時(shí)器的值，計(jì)算出至障礙物的距離。當(dāng)距離等于設(shè)定的安全函數(shù)值時(shí)，檢測模塊發(fā)出數(shù)字信號到報(bào)警器，報(bào)警器發(fā)出聲音報(bào)警，此時(shí)，作業(yè)人員通過遠(yuǎn)程操控除草機(jī)完成避障作業(yè)[19]。

3 結(jié)論與展望

通過對國內(nèi)外自動果園避障除草機(jī)研究現(xiàn)狀的對比發(fā)現(xiàn)，我國對果園自動避障除草機(jī)的研究較晚，技術(shù)上不成熟，大多數(shù)采用接觸式避障方式，在除草過程中對果樹的損失較為嚴(yán)重。因此，在避障方式上迫切需要融入創(chuàng)新性、先進(jìn)性的技術(shù)。

基于對果園避障除草機(jī)的技術(shù)要點(diǎn)的分析，歸納出我國國內(nèi)缺乏智能監(jiān)測避障裝置的智能化果園除草機(jī)械，缺少運(yùn)用超聲波避障監(jiān)測、紅外避障技術(shù)、視頻識別避障等避障監(jiān)測技術(shù)。為此，我國應(yīng)積極開展新型超聲傳感器的研制并應(yīng)用于避障除草技術(shù)上，加強(qiáng)果園除草機(jī)械向高智能化、自動化水平轉(zhuǎn)型發(fā)展。在控制系統(tǒng)上運(yùn)用Arduino Mega2560單片機(jī)、STM32F103單片機(jī)、PLC可編程序控制器、ROS功能包等作為控制器，控制避障監(jiān)測裝置的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)除草機(jī)械的智能化操作。

此外，還需要吸收借鑒國外果園除草機(jī)械先進(jìn)技術(shù)，加強(qiáng)創(chuàng)新性發(fā)展，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化果園種植模式與機(jī)械除草技術(shù)協(xié)同發(fā)展。