棉花機械打頂關鍵技術研究進展

謝慶 孔凡婷 石磊 陳長林 吳騰 孫勇飛

摘要：棉花打頂作為棉花種植過程的一個重要環節，對棉花產量與品質具有重要影響。針對我國棉花打頂機械的發展情況，分類總結近年來在棉花高度與頂端檢測、打頂裝置、控制系統等關鍵技術方面的研究現狀，闡述各個關鍵技術的突破與創新。同時指出在棉花高度與頂端檢測、打頂裝置、控制系統等方面檢測精度不足、切割可靠性與準確性差、打頂控制算法不完善等問題。提出未來打頂技術研究的發展方向，神經網絡、5G通訊等技術可用于棉花打頂識別，創新優化打頂切割裝置，先進智能控制算法應用解決棉花打頂控制問題，機器人等先進技術應用到打頂中，發展無人機打頂技術，結合水肥調控栽培技術，推進打頂機械與生產農藝相結合，最大限度減低棉花田間管理復雜度，提升棉花打頂效果，實現棉花機械打頂大規模應用。

關鍵詞：棉花；打頂；頂端檢測；切割裝置；打頂控制

中圖分類號：S224.9

文獻標識碼：A

文章編號：2095-5553 （2023） 03-0028-07

Abstract： As an important part in the cotton planting process， cotton topping has an important impact on cotton yield and quality. According to the development of cotton topping machinery in China， this paper classifies and summarizes the research status of key technologies such as cotton height and top detection， topping device and control system in recent years， and expounds the break through and innovation of various key technologies， at the same time， it points out the problems of insufficient detection accuracy， poor cutting reliability and accuracy and imperfect topping control algorithm in cotton height and top detection， topping device and control system， and puts forward the development direction of topping technology in the future. Neural network， 5G communication and other technologies can be used for cotton topping identification and innovate and optimize topping and cutting device， advanced intelligent control algorithm is applied to solve the problem of cotton topping control， and advanced technologies such as robots are applied to the topping.Unmanned aerial vehicle technology can be used for topping. The water and fertilizer regulation and cultivation technology promotes the combination of topping machinery and production agronomy， minimizes the complexity of cotton field management， improves the cotton topping effect， and realizes the largescale application of cotton machinery topping.

Keywords： cotton； topping； top detection； topping device； topping control

0引言

我國棉花種植面積廣闊，種植面積超過3 000 khm2［12］，棉花打頂作為棉花種植過程的一個重要環節，對棉花產量與品質具有重要影響［3］。

棉花打頂是通過摘除棉花頂尖，實現去除頂端優勢，抑制棉株枝葉生長，促進結鈴結桃，提高棉花產量。棉花打頂多采用人工操作，通過摘除“一葉一芯”，進行人工打頂作業。

國外對于棉花機械打頂方面研究主要集中在20世紀，研制多種形式的棉花打頂機械，但由于受到管理方式以及品種氣候等諸多因素影響，對打頂機械需求較弱，未形成成熟的產品，相關技術相對落后，近年來相關研究也鮮有報道。我國棉花打頂機械研究自20世紀60年代就有相關報道［4］，并逐步發展至今，關鍵在于解決棉花打頂機械化問題。過去依賴于我國的人口優勢，農業從業人口充足，棉花打頂采用人工作業，作業成本較低，打頂機械化需求較弱；然而隨著我國經濟快速發展，從事農業生產勞動力短缺的問題日益突出，同時由于棉花打頂勞動強度大，且打頂時為高溫炎熱的夏季，工作條件惡劣，意愿從事打頂人員大幅度減少，同時隨著人員薪酬普遍提升，大幅度提高的打頂作業成本，迫切需求機械替代人工，使得棉花打頂機械化成為目前亟待解決的棉花生產問題。

近年來開展棉花機械打頂相關研究較多，研究方向及著重點也各有不同，本文針對近年來棉花打頂主要集中的棉花高度與頂端檢測、打頂切割裝置、打頂控制系統等關鍵技術方面進行分析，闡述目前棉花機械打頂研究存在的主要問題，探究棉花機械打頂的發展方向。

1棉花打頂關鍵技術研究現狀

1.1棉花高度與頂端檢測技術

由于棉花生長高度的不同，棉花機械打頂首先需要解決的是棉花高度與頂端檢測，進而調節打頂位置，進行機械打頂作業。早期采用基于地面仿行的打頂方式，根據地形調整打頂位置，如蔣永新等［5］研制的3DDF-8型棉花打頂機，其僅僅考慮到地形對打頂位置的影響，忽視了棉花自生生長的差異性，而在實踐中易發現棉花自身生長差異影響遠遠大于地形的影響。另外，還有在自動化技術較少應用到打頂方面的時期，還有采用人工手動調節的打頂機，通過人眼觀察頂尖位置，通過手動快速調節打頂機構進行打頂的半自動打頂方式［3］。隨著技術發展，目前研究棉花高度與頂端檢測的方式方法較多，不同方式均有研究應用，主要可分為接觸式與非接觸式棉花高度與頂端檢測。

1.1.1接觸式棉花高度與頂端檢測

接觸式棉花高度與頂端檢測方式，主要采用可控元件與棉株頂端接觸，結合角度、壓力、限位等傳感器進行接觸檢測，通過分析獲取頂端位置。如何磊等［6］研制開發的一種垂直升降式單體仿形棉花打頂機采用了一種仿形板式結構，通過仿形板與棉花頂部接觸，結合多個不同位置接近開關檢測，實現棉花頂端位置檢測，如圖1所示，工作過程如下：當仿形板一端碰到高棉株，在棉株的反作用力下，仿形板上升，斷開下接近開關，觸發上接近開關，信號傳遞到電磁閥，驅動打頂機構上升；棉株較低時，在重力作用下仿形板降低至棉株頂端，斷開上接近開關，觸發下接近開關，信號傳遞到電磁閥，驅動打頂機構下降；如果仿形板位于上、下接近開關之間，則保持當前高度。另外，康秀生等［7］設計的一種小型棉花打頂機也采用了類似仿形板結構，不同之處在于其采用杠桿結構，可進行仿形板平衡調節，提升準確性。

彭強吉等［8］在原仿形板結構僅設高低位檢測基礎上，開發了使用角度傳感檢測的仿形板方案，如圖2所示，使得棉株檢測高度更加精確，提高了棉花打頂的準確性。

由于接觸式結構需要與棉株接觸進行檢測，在響應速度與檢測精度上存在一些不足，逐步發展起來非接觸式檢測方式。

1.1.2非接觸式棉花高度與頂端檢測

非接觸式棉花頂端檢測是通過非接觸傳感器直接或者間接檢測分析棉花頂端位置，如可采用超聲波傳感器、紅外測距傳感器、相機等進行棉花頂端分析檢測。

李霞等提出了用超聲波方式檢測棉株高度，其原理如圖3所示，后續有多種基于超聲波檢測的方式，謝慶等在一種基于PLC伺服控制的棉花打頂機中上采用進口的ＵT20-700-AIM４型超聲波傳感器對棉花高度進行檢測，并獲取了其測距特性，并經過試驗表明該傳感器可應用于棉花機械打頂機中的棉株高度檢測。康秀生等在基于單片機的棉花打頂機打頂高度的控制研究中，利用超聲波反射原理進行打頂檢測，構建了一套基于超聲波檢測機制的棉花打檢測方式。

閆毅敏等［9］于自動控制的棉株頂尖高度測量系統設計與試驗中，采用了超聲波傳感器對比實驗研究了一種紅外測距傳感器用于棉株檢測，其工作原理如圖4所示，紅外線發射器可發射出紅外線光束，當遇到棉株時，光束反射后經過濾鏡被CCD檢測器檢測到以后，可測得偏移量Ｌ，通過幾何關系計算，可得出傳感器到棉株的距離Ｄ。

由于超聲波傳感器與紅外傳感器均利用反射原理進行非接觸式棉花高度與頂端檢測，在田間復雜條件易受到干擾，逐步發展出了基于光電的檢測方式與技術。史增錄等［10］在基于自動檢測與控制的棉花打頂裝置中采用了光幕傳感器作為棉花高度檢測系統，其原理如圖5所示。另外，彭強吉等［11］研制的3MDZ-4型自走式棉花打頂噴藥聯合作業機采用一種測量光幕傳感器作為棉花高度檢測系統。該棉花高度傳感器包含相互分離且相對放置的發射管和接收管兩部分，識別范圍為0～320 mm，低于識別范圍無檢測信號，高于識別范圍將最高點視為棉株高度。作業時，棉株從傳感器中間穿過，發射管發出的光束被遮擋，接收管接收不到光束，接收管截止，接收管輸出高電平信號；如果沒有棉株從傳感器中間穿過，發射管發出光束被接收管接收，接收管導通，接收管輸出低電平信號，配合控制軟件，進行分析檢測數據，即可實現對棉花高度的精準檢測。

另外，瞿端陽等［12］提出一種基于機器視覺技術的棉株識別定位方法，利用２個相同型號的攝像頭搭建雙目立體視覺系統，在此基礎上進行相機標定、圖像采集、圖像分割、特征點提取等過程，利用最小二乘法計算出棉株的深度信息，證明基于機器視覺技術的棉株識別定位方法的可行性。韓大龍等［13］開發雙目立體視覺的棉株動態識別系統，運用基于圖像Haar_Like特征的Adaboost算法設計出棉株頂尖檢測識別的級聯分類器，應用于雙目立體識別系統的頂尖檢測識別，如圖6所示。

隨著人工智能技術興起，基于神經網絡的人工智能技術也逐步應用到棉花頂芽識別定位方面。2021年陳柯屹等［14］研究了以Faster R-CNN 為基礎框架，使用RegNetX-6.4GF作為主干網絡的田間棉花頂芽識別方法，構建了相關數據庫，并對比分析了不同神經網絡識別效果，為棉花精準打頂作業奠定基礎。Li等［15］通過采用雙目相機，結合YOLOv3神經網絡實現對棉花頂芽的精準識別，取得了較好的效果。

1.2棉花打頂切割技術

棉花打頂切割技術是最終實現棉花打頂切割動作的關鍵，為實現準確高效的打頂切割，目前主要采用的方式有甩刀、單/雙圓盤刀、滾刀、線刀、往復式割刀等結構形式，輔助于扶禾器、防護罩等裝置。

羅新豫等［16］設計了一種平推式棉花打頂機采用長滾筒切割裝置與前、后推禾板相互配，將高低不齊的棉株頂尖斜推至同一水平高度進行切割打頂，試驗表明速度在3.4 km/h左右時，打頂率達到92%，結構如圖7所示。

史增錄等［10］設計了一種棉花打頂裝置，如圖8所示，其利用前擋板和后擋板防止切頂裝置在上升或下降時過切棉株莖葉，避免傳統棉花打頂機切頂裝置易過切棉株莖葉及部分棉桃問題，同時在切割裝置上增加了固定刀，使得切割裝置以有支撐切割的方式作業，減少切割消耗的動力，改善棉株頂尖切口的整齊度。

姚強強等［17］設計的單體仿形棉花打頂機與彭強吉等［11］設計的3MDZ-4型自走式棉花打頂噴藥聯合作業機均采用單獨圓盤刀，如圖9所示，通過高速驅動旋轉刀片對棉株頂端進行切割，該切割方式操作簡單，難點在于驅動結構上，需同時實現上下仿形運動與旋轉切割，其中前者采用套筒式結構，而后者采用了電機直接驅動。

謝慶等在一種基于PLC伺服控制的棉花打頂機中采用了雙圓盤打頂切割機構（圖10），其在單圓盤切刀基礎上改進，采用較低的轉速，具有較高的切割可靠性。

姜學森等［18］設計了一種棉花仿形縱橫切割機構，其主要包括方形滾筒以及中間水平刀以及多組縱向排布線刀，可通過方形滾筒帶動水平刀與線刀高速旋轉，實現切割頂芯同時打去側枝頂芽，如圖11所示。

1.3棉花打頂控制技術

棉花打頂機控制系統從純機械仿形結構控制，逐步發展至全自動電子控制的打頂系統，主要以單片機、PLC、FPGA等為基礎的打頂機控制系統。如閆毅敏等［9］設計開發了基于C51單片機的棉株高度檢測系統，并進行相關試驗研究；史增錄等［10］設計了一種基于單片機的棉花打頂控制系統，其采用激光對射式傳感器自動檢測棉株高度，將高度數據反饋到單片機控器中，通過分析處理控制電機的運動，實現打頂裝置精準運動到打頂位置，其結構如圖12所示。另外為該系統設計了控制電路及配套控制軟件，形成完整的棉花打頂控制系統，并進行了系統試驗研究。

謝慶等針對3MD-3型棉花打頂機開發了基于PLC控制的打頂控制系統，其主要由PLC主控制器、觸控顯示屏、行駛速度傳感器、棉花頂端檢測傳感器、提升伺服電機及旋切伺服電機等組成，如圖13所示。所設計打頂機采用一套控制系統實現3行打頂機的控制，并配備便于用戶操作的觸摸控制屏，實現了打頂的全自動控制。

彭強吉等［11］為3MDZ-4型自走式棉花打頂噴藥聯合作業機設計了一種基于FPGA的打頂機控制系統，如圖14所示，將棉花打頂系統與變量噴藥系統進行集成，可實現棉株高度檢測、打頂切割控制、變量噴藥控制等，進一步提升了打頂機的綜合性能。

張晉國等［19］研究的棉花打頂機自動對行裝置及控制系統，如圖15所示。

通過檢測桿與角度傳感器相結合，運用PLC控制器結合滑移控制方法，實現棉花打頂機左右對行調節，解決打頂過程中對行作業需求，減少偏行量，提升打頂準確性。

另外，華中農業大學、江蘇大學、農業農村部南京農機械化研究所等正針對棉花打頂機開發智能機器人，結合人工智能識別技術與機器人技術，實現棉花智能化打頂，實現人工打頂到智能打頂的跨越。

2存在問題

目前眾多學者與研究機構進行棉花機械打頂方面的技術研究，開展了大量的試驗探索，但在諸多方面仍然存在不足，棉花機械打頂方面依然面臨諸多問題。

1） 棉花打頂檢測方面。由于棉花頂芽較小，同時棉花生長的特殊構造，易受到遮擋，同時種植密度較大，檢測難度較大，其主要問題在于準確性、抗干擾與實時性方面不足。無論是仿形板等接觸方式還是超聲波、光幕等非接觸方式均為間接測量，其準確性存在天生缺陷，無法實現高精度打頂；基于相機等圖像處理方式，需要結合復雜的算法分析，準確性較高，但受到傳感器與算法雙重影響，同時實時性也受到硬件制約，成本也相對較高。針對棉花頂尖檢測技術，詳細對比分析見表1。

2） 切割裝置方面。目前主要采用的甩刀、單/雙圓盤刀、滾刀、線刀、往復式割刀等多種切割方式應用于棉花打頂切割，不同切割方式針對切割轉速、切割范圍、切割時對行要求以及對特定目標切割的可靠性等方面對比如表2所示。

主要問題是切割可控性普遍不足，無法穩定高效切割棉花頂尖部分，易發生漏切與過切問題；另外切割精度不足，普遍易傷頂芽周邊枝葉，易損傷蓋頂桃，影響棉花品質和產量。

3） 打頂控制系統方面。多種自動控制技術應用提升了打頂自動化與智能化程度，而打頂控制系統主要在于控制精度、穩定性與可靠性不足。硬件方面主要應用有單片機、PLC、FPGA等，在系統結構上基本相似，整體結構已趨于完善，但在軟件方面存在較大不足，相關理論研究較少，特別是針對打頂作業的動態過程，需要實現精準速度匹配，相關算法的無法滿足精準打頂要求。

4） 另外，在進行棉花打頂相關研究開展方面也存在不足。棉花打頂機械與農藝管理融合不足。目前進行棉花機械打頂相關研究主要還集中在機械裝備的研制方面，配套的相關農藝要求研究還不足，目前多采用與人工打頂相同的管理方式，對于機械打頂的時間、打頂期的田間管理等方面的技術要求仍不明確，還未形成與機械打頂相適應的規范流程，成為影響機械打頂效果的一個重要因素。另外目前研制棉花打頂機多為單一功能裝備，使用期短，成本較高，裝備利用率與成本問題制約其進一步發展與推廣應用。

3發展趨勢

隨著科學技術的發展，棉花機械打頂相關技術逐步發展，更多新的技術將應用在棉花打頂領域。

在頂端檢測技術方面，多學科多技術融合成為研究的重點方向，諸如基于人工智能相關的圖像識別技術將成為棉花打頂研究的一個重要方面，解決當前棉花頂尖識別這一關鍵性問題，大大提升識別的準確性與可靠性。另外基于5G通訊技術，可將云處理技術應用在打頂方面，在保證棉花打頂實時性需求的同時，可以進一步優化識別準確性，同時滿足大規模處理需求，降低設備成本。

在棉花打頂切割方面，創新設計打頂切割裝置，進一步優化棉花打頂裝置結構，提高打頂效率，解決打頂切割可靠性問題，同時最大限度降低打頂過程中對枝葉與花蕾的損傷，減少對棉花產量影響。

在打頂控制方面，各種控制系統的集成應用以及多種控制理論與方法的應用將推動打頂控制技術的提升，關鍵在于解決打頂準確性、打頂速度與行駛速度的同步等核心問題，提升打頂效率與準確性。

另外可開展棉花打頂機械手的研究，將其替代人工打頂，提高效率同時提升打頂精度，從而實現精準打頂；而隨著無人機技術的發展，也可應用在棉花打頂方面，開發打頂無人機，配合集群控制模式，可實現大規模打頂應用。

此外，融合機械打頂與水肥調控方式用于棉花生產管理，可實現少打頂甚至不打頂，進一步提升棉花打頂管理的效果，提高棉花品質與產量。

為進一步推動棉花打頂機械發展，需要相關政策扶持，吸引更多人才與企業參與，將相關技術轉化應用，形成產品，應用到實際生產中，推動棉花打頂機械快速發展。

4結語

隨著我國農村土地流轉方式的改變，土地逐步推進集約化管理，棉花生產將進一步向大規模化發展，為減少棉花田間管理成本，提升棉花品質與產量，棉花打頂機械化將成為棉花生產的重要一環。棉花打頂相關裝備研發將針對棉花頂端識別與定位、打頂切割等方面存在的問題，解決棉花打頂的準確性與可靠性問題，融合新興技術，發展打頂新方式，改變目前打頂現狀，推進棉花生產全程機械化；結合水肥調控栽培技術，推進打頂機械與生產農藝相結合，最大限度減低棉花田間管理復雜度，提升棉花打頂效果，實現棉花機械打頂大規模應用。

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