淺談智能化除草機的研究現狀及其發展趨勢

喬清旭，楊 晶*，袁洪印，齊瑞鋒，孫 鴻，董洪偉

（1.吉林省農業機械研究院，吉林長春 130000；2.吉林農業大學，吉林長春 130118）

1 研究的目的與意義

隨著我國對農業領域的大力投入，農業領域發展尤為迅速，我國逐漸由傳統農業作業轉變為現代化農業作業。結合信息技術的發展，其智能化、信息化也逐漸加入農業機械的設計領域[1]。

我國作為產糧大國，其作物的生長發育、收獲效益尤為重要。植株幼苗在生長過程中受田間雜草的影響，會阻礙幼苗的生長發育，降低后期作物收成。目前國內除草主要以中耕機除草、化學藥劑除草、人力除草為主。其中，中耕機除草主要以疏松土壤、降低土壤板結情況為主，且作業費時費力，除草效率低；人工除草的作業效率低，已逐步被其他除草技術取代；化學藥劑除草主要有人工背負式作業、無人機作業這幾種作業方式。化學藥劑除草的除草效率較高，但無法根除土壤下面雜草種子，而且長期藥劑使用，對田間土質、水源影響較大，作物表面易殘留農藥，且對作業人員有一定危險性，因此，研究智能化除草技術有重要的發展及意義[2-3]。

近年來，隨著5G技術、物聯網的發展，其信息化、無人機、人工智能等高新技術逐漸走向成熟，將其與傳統農業作業機械相結合，是走向農業現代化的重要一步。智能化除草機結合路徑分析、環境因素、識別系統、運動控制、自動化操作部件，借助單、雙照相機識別裝置，結合信息儲備資料庫，可精準定位識別作物幼苗及雜草（目前智能除草機在識別雜草后，其除草方式主要分為定點藥物噴灑除草、機械臂除草和激光除草），加裝監測系統、路徑系統、導航功能，保障作業連續性[4-5]。

2 國內外研究現狀

智能除草機的研究始于1960年，于1990年得到全面推廣，受到廣泛學者的關注及研究。目前，智能除草機的難點主要分布于智能導航系統、機器視覺系統。通過完善這兩部分，最終目標達到無人作業效果，使除草機做到智能化、高效化。因此國內外研究人員仍不斷研究更精準控制技術、更智能的圖像處理算法[6]。

2.1 國外發展現狀

美國加州大學研制的一款精準噴藥除草機器人[7]，該除草機的視覺系統以耕作機作為平臺，通過貝葉斯分離函數區分田間作物及雜草。該除草機具備智能處理器，將數據上傳至處理器后，對雜草進行精準噴藥處理，達到除草目的。

德國科技公司生產的一款以機械手臂除草的除草機，該機器可在播種、施肥作業時完成除草作業，通過Smartsoft軟件平臺，作業前錄入作物及雜草圖片，將信息錄入資料庫，作業時根據識別系統區分作物及雜草，通過對比錄入的資料庫，達到處理雜草的目的。該機器可在作業的同時，自身具備學習系統，不斷提高識別精度。

瑞典的哈姆斯塔德大學研制的除草機[8]，加裝黑白、彩色兩種相機，黑白相機用以識別作物條帶界線，彩色相機識別作物及雜草，該設計方式提高了導航精度，經試驗測試得出，其導航誤差不超過20 mm。

Cordill與Grift等人研制的除草設備，以激光脈沖識別玉米秸稈及雜草。由4組激光發射器及1組激光接收器完成識別。

丹麥奧爾胡斯大學農業研究所研制的除草機，可在種苗成熟的地塊中作業，且作業時不傷種苗。該機器設計結構能夠避開成熟作物，根據雜草形狀信息區分，通過田間試驗證明，該機器能降低70%的除草藥劑的使用。

英國農業科技公司SCR研制的播種除草一體機，可同時完成監控、播種、除草作業，獨特系統可區分小麥及闊葉雜草，精確識別出小麥輪廓及形似小麥黑草、雀麥草等。

2.2 國內發展現狀

南京林業大學研制的藥物除草機[9]，基于機器視覺自動導航作業，對雜草莖稈進行切割后，對割口處噴藥處理，經試驗數據統計，該除草機節省除草劑達到85%，節約成本，減少藥物帶來的環境污染。

南京農業大學郭偉斌等人設計的除草機，根據導航角、導航距及除草機的位置關系，得出除草機的運動控制規律，通過編程計算并控制其導航軌跡。該除草機將植株壟作作為行走的基準線，可對施藥量進行控制，完成自動噴藥，加裝機械手臂，對目標雜草進行處理作業。

中國農業大學張春龍設計的自動除草機，實現了四輪驅動與自動轉向功能，該除草機加裝了視覺系統、導航系統、3指爪式除草機械臂及升降結構。可根據雜草的不同位置，智能調節位置，達到精準除草。

通過國內外文獻查閱，及市面上樣機調查分析了解到，在智能除草機領域，我國仍處于起步階段，其智能化、自動化、精準程度、作業效率等仍不達標。目前我國智能除草機器仍處于半自動化耕播作業，智能化不高，且外形尺寸較大，目前該機器只適用于平原一帶的作業地段，作業時受地勢地貌影響，作業質量較差，行駛速度較慢。

結合國內外除草機的研究分析，其智能除草技術是結合了機械視覺采集系統、除草方法、智能控制方式、遙感定位技術、結構設計的多方領域。隨著智慧農業、綠色農業的全面推廣，智能除草機的研究設計也將更加智能化、精確化、可靠

3 實現智能除草存在的難題及發展趨勢

3.1 機器視覺系統

智能除草機器設備中，機器視覺系統作為關鍵技術，機器設備作業時，視覺系統不斷拍攝記錄周圍環境及目標物體圖像，并將拍攝圖像傳輸至中部信息處理器中，處理器將接收到的信息處理后，做出輸出指令，作出相應的控制，保證機器完成行走及完成相關作業[10]。

目前機器視覺系統主要有兩種：

OCD-ICP的圖像配準方法：按照圖形原理學，對所拍攝圖像提取輪廓邊緣，在并對邊緣處做標記點，結合事先錄入的標記規則，進行篩選優化，達到識別的目的。

HSI顏色分量法：對所錄入的圖片提取其顏色進行區分對比，作出相應的判斷。作物長勢的高度、角度的不同，使作物受到的光照程度不同，其拍攝圖片的色調、陰影程度、色差飽和度等出現差別，通過提取圖片色彩比對，對閾值分割處理，后以量化形式體現出來，提取顏色特征，將其區別分類，達到識別的目的。

目前應用的機器視覺系統，運用的是單種視覺拍攝系統，在實際作業中的誤差較大，在此基礎上，結合兩種視覺錄入系統，得出目標作物準確特征，提高識別精度。

對我國而言，對機器視覺研究的時間較短，誤差較大，仍有很大的發展空間。

我國機器視覺系統存在的問題及發展趨勢：

1）盡管我國機械視覺系統發展較為迅速，但與國外發展仍有較大差距，需不斷創新，提高技術水平，努力提高機器視覺系統的精準程度。

2）機器視覺技術涉及多個學科技術，若想得到創新升級，需不同學科協同發展，在瓶頸突破上存在較大難度。

3）在科技發展層面來看，我國仍沒做到開放式學習發展，依然處于閉門造車狀態，各廠家仍封閉式設計、開發、運營等。若想有更高發展，大格局、大產業之路是必然之路。

4）市場剛需問題，我國屬于勞動力密集型國家，在農業領域，仍未全面實現農業機械化，機器視覺技術的發展受到市場局限性的影響，發展遲緩。為實現機器視覺達到市場剛性需求的層面，應大力推廣全面機械化作業，提高自動化設備的投入。

3.2 系統控制技術

系統控制技術涉及多個領域，是軟件與硬件相結合的系統工程。時至今日，已形成獨特的控制體系，取得了豐富的成果，其結合傳統控制技術與智能控制技術協同作業、相互配合，實現無人作業，較優地完成各種作業。隨著信息技術的發展，控制技術將更加智能化，并具有適應性實現云處理的特點。

目前控制系統主要分模糊控制、專家控制、分層控制。

模糊控制：將傳輸的數據以模糊的狀態上傳，傳出時卻以明確的指令輸出執行。該控制方式主要由數據庫、轉化端、模糊處理器、明確輸出端組成。將上傳模糊數據經一系列轉化后實現對機器的精準控制。

專家控制：搭配自身編寫好的程序及算法，結合傳統控制技術，實現大幅度提升控制效果的目的。該控制系統主要使用在對目標對象監測方面，根據目標的監測系統及結果，作出相應的輸出及控制。

分層控制：由組織級、協調級、執行機構組成，基于三元理論思想，主要適用于對任務的組織與分配作業，由協調級分析任務執行的可行性，最后由執行機構完成對目標作業的操作與控制。

目前我國控制系統存在的問題及發展趨勢：

1）理論研究與實際操作無法做到統一，目前我國控制領域的抗干擾性不達標準，部分數據參數過于敏感，作業時受實際操作環境影響，對復雜情況及惡劣環境無法做出有效分析判斷，造成預期效果與實際情況相悖的現象。所以在未來控制領域上，提高控制部件對抗干擾性的研究，降低誤差，提高精準程度。

2）傳統控制行業近年來沒有實際進步，僅僅是在原有基礎上做的微小調整，本質上沒有變化，沒有實質上的創新優化。

3）在我國，仍把控制領域認為傳統領域，致使控制領域得不到重視與發展，其處理器的頻率達不到計算要求，無法滿足高頻計算。今后的發展中完善信息處理器，也是我們需要攻克的一大難題。

3.3 導航定位技術

導航定位系統依賴光、聲波、電磁、紅外等介質做出判斷，具備即時運算部署、自主控制、行走控制功能，是一個復合操作系統。目前市面上常用導航包括：光學導航、聲波導航、紅外導航、電磁導航、GPS導航等。不同導航，依賴不同信息傳導介質，實際作業時根據環境情況選擇所需導航。

智能機器導航系統，基于實時位置姿態、周圍環境等信息因素做出行為部署與命令傳達，將信息資料傳遞至控制設備。目前，導航所做出的控制以主動控制方法、反應控制方法為主；為使智能化機械做出精準的判斷及部署，其導航系統需更加精準地監測出所處地勢周圍情況，及被監測對象的全貌，因此導航系統需朝著多傳感器融合技術的領域發展，其兼容性、開拓性、融合性成了研究關鍵點。

4 結語

隨著全面開展現代化農業作業方式，我國智能化作業、精準農業發展迅速，落后的生產作業方式逐步淘汰。智能除草技術符合精準農業的發展方向，結合智能導航、自動化作業、精準除草等技術于一體，借助信息化作業模式，減少人力投入，提高農業生產效率，其精確除草、定點除草的作業方式，減少農藥使用，降低對環境的破壞，保證作物良好的生長。智能除草技術將在未來農業除草領域的發展中占主導地位。因此開發智能化除草對解決勞動力短缺、解決農藥對環境的污染有重要的意義[11]。

而在當前階段，我國起步較晚，雖然在該領域已開展大量研究，但受技術的局限性，智能除草機仍不成熟，無法應對復雜的作業環境、多變的處理對象，同時也沒有實現智能導航系統與精準控制技術，無法轉型到商業化的生產模式。因此，根據對該領域的學習及研究，通過對比國內外發展現狀得出，我國應該大力支持對機械視覺系統、系統控制技術及導航技術的投入及研究，培養大批量相關人才，支持科技企業的發展，加快走向農業現代化的腳步。

未來希望我國智能化除草技術將朝著更加智能、高效、綠色的方向發展。其智能化程度將實現智能定位、遠程操控、無人駕駛、精準作業于一體，真正達到現代化除草作業模式。