果園割草機(jī)研究現(xiàn)狀與展望*

潘蔚錚 ， 王菊霞 ， 付夏輝 ， 王毅凡 ， 張峰滋 ， 張 宇

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，山西 晉中 030801；2.旱作農(nóng)業(yè)機(jī)械關(guān)鍵技術(shù)與裝備山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 晉中 030801）

我國作為世界水果進(jìn)出口大國，果樹的種植面積及水果產(chǎn)量都已躋身于世界前列。2022年，我國果園種植面積已經(jīng)達(dá)到13 009 khm2，水果產(chǎn)量達(dá)到31 296萬t[1]。但相比國外果園，我國果園的機(jī)械化程度和機(jī)械化普及率較低，果園優(yōu)勢產(chǎn)區(qū)與非優(yōu)勢產(chǎn)區(qū)的綜合機(jī)械化程度分別不到20%和10%，且丘陵地區(qū)果園機(jī)械化水平僅為5.7%左右，極大地制約了我國果園機(jī)械化的發(fā)展[2-3]。我國傳統(tǒng)果園果樹種植間距小，空氣與陽光流通面積大，雜草極易橫生[4-5]，致使分布于株間、行間的雜草人工清理難度大，效率低下，且勞動(dòng)強(qiáng)度高，因此對果園割草的機(jī)械化需求日漸迫切[6-8]。同時(shí)，近年來的研究表明，采用果園生草栽培技術(shù)能提高土壤穩(wěn)定性，改善土壤結(jié)構(gòu)，增加孔隙度，降低土壤容重，還可提高土壤的水分入滲能力和持水能力，為果樹高效生長奠定基礎(chǔ)[9-12]；我國果園有機(jī)質(zhì)含量偏低、風(fēng)蝕和水蝕現(xiàn)象嚴(yán)重，急需大力推廣生草覆蓋技術(shù)，因而發(fā)展果園智能機(jī)械化割草的控草技術(shù)取代目前通用的清耕方法是勢在必行的[13-15]。為此，通過綜述國內(nèi)外割草機(jī)切割裝置、行走裝置、仿形裝置、避障裝置、導(dǎo)航及自動(dòng)識別裝置的技術(shù)研究現(xiàn)狀，分析當(dāng)前存在的問題，并對果園割草機(jī)的發(fā)展予以展望。

1 關(guān)鍵部位與技術(shù)研究現(xiàn)狀

1.1 切割裝置

切割裝置是衡量一臺割草機(jī)好壞的參考標(biāo)準(zhǔn)之一，保證切割裝置持續(xù)、穩(wěn)定、高效作業(yè)對割草機(jī)工作效率起到?jīng)Q定性作用。我國現(xiàn)有的割草裝置按切割方式分可分為旋刀式、往復(fù)式、錘刀式等。旋刀式割草機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、操作可靠、不堵刀的特點(diǎn)，但重割面積大；往復(fù)式割草機(jī)對雜草生長狀態(tài)適應(yīng)性差、易堵刀，但割茬整齊；錘刀式割草機(jī)割草效率高但消耗功率大；可按照不同的作業(yè)地區(qū)選用不同類別的切割裝置。

劉學(xué)串等[16]研制的9GS-2.0割草機(jī)，采用甩刀式切割裝置，由拖拉機(jī)三點(diǎn)式懸掛并通過萬向軸提供動(dòng)力；其切割裝置運(yùn)用的錘刀型甩刀優(yōu)點(diǎn)在于錘刀自身慣性大，粉碎質(zhì)量好，切割效率高，切割穩(wěn)定，且錘刀自身強(qiáng)度大，耐磨損；錘刀式甩刀使用單螺旋形排列，三個(gè)甩刀為一組，沿圓周均勻分布，相鄰甩刀的夾角為120°，保證了割草錕總成的受力平衡，可減小重割和漏隔率；經(jīng)田間試驗(yàn)表明，該割草機(jī)性能良好，割茬平均高度為52 mm，雜草碎段區(qū)域長度≤80 mm的草段占總草段的93%。熊永森等[13]研制了一種往復(fù)式果園割草機(jī)，其割草裝置與總機(jī)采用單點(diǎn)式鏈接，且動(dòng)力機(jī)構(gòu)通過三角膠帶傳動(dòng)帶動(dòng)切割裝置工作，工作中刀柄以650 r/min的轉(zhuǎn)速做往復(fù)切割運(yùn)動(dòng)；通過田間測試得出，割草機(jī)的設(shè)計(jì)簡約且操控性好，切割裝置和支架采用單點(diǎn)鏈接，并且切割裝置的下邊有左右兩根支撐座，滿足工作要求，仿形效果佳。張雯[17]研發(fā)了一種小型圓盤式果園割草機(jī)，其切割裝置運(yùn)用旋刀式切割器，采用雙切割系統(tǒng)，即由橫向切割裝置和縱向切割裝置組成切割系統(tǒng)。橫向切割為主切割系統(tǒng)，采取定刀單刀盤重載設(shè)計(jì)；縱向切割為副切割系統(tǒng)，采用定刀圓盤式大刀片設(shè)計(jì)；主副切割系統(tǒng)處于同面，可以有效降低漏割率。

外國的割草機(jī)械最早僅作用在個(gè)人后院的庭院除草工作中，但伴隨著L型割草旋耕刀的研發(fā)，使其從個(gè)人小微除草作業(yè)轉(zhuǎn)變?yōu)榇笮偷墓麍@除草作業(yè)。直至20世紀(jì)80年代，荷蘭的Kouwenhoven[18]發(fā)明了起壟鋤對行間除草和株間除草進(jìn)行割草作業(yè)。丹麥的Melander[19]發(fā)明了田間對刷式割草機(jī)，運(yùn)用割草機(jī)構(gòu)高速旋轉(zhuǎn)的割草刷子對田間雜草進(jìn)行切割；并進(jìn)行了田間試驗(yàn)，得出刷子的大小、間隔、轉(zhuǎn)速對割草作業(yè)均有不小的影響。

1.2 行走裝置

果園割草機(jī)的行走方式可分為牽引式和自走式兩大類。自走式割草機(jī)又可細(xì)分為輪式割草機(jī)和履帶式割草機(jī)；牽引式割草機(jī)需要借助外部牽引帶動(dòng)，外部牽引常使用農(nóng)用拖拉機(jī)。我國牽引式割草機(jī)大部分采用三點(diǎn)式懸掛于拖拉機(jī)的正后方，拖拉機(jī)后方的萬向軸為其提供動(dòng)力；牽引式割草機(jī)具有割幅大、作業(yè)效率高等優(yōu)點(diǎn)，但其消耗大。自走式割草機(jī)本身具有動(dòng)力，機(jī)動(dòng)靈活，轉(zhuǎn)彎半徑小；輪式自走式割草機(jī)行動(dòng)快捷且工作效率高，適用于平原地區(qū)的作業(yè)；自走履帶式割草機(jī)具有爬坡穩(wěn)定、適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，多用于丘陵山地地區(qū)的作業(yè)。

楊福增等[20]設(shè)計(jì)的圖傳遙控式割草機(jī)，整機(jī)采用輪式行走方式，四個(gè)車輪均由獨(dú)立的直流電機(jī)帶動(dòng)，通過控制四個(gè)獨(dú)立電機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速即可進(jìn)行割草機(jī)的前進(jìn)后退和左右轉(zhuǎn)彎，不需單獨(dú)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，簡化了整車結(jié)構(gòu)，達(dá)到了輕量化的目的；通過田間試驗(yàn)得到圖傳遙控式割草機(jī)的作業(yè)速度為3 km/h～5 km/h，其割草穩(wěn)定系數(shù)達(dá)到了90%以上，平均漏割率則控制在0.5%。方策[21]設(shè)計(jì)了一種履帶式割草機(jī)，采用了橡膠履帶，其行走機(jī)構(gòu)由導(dǎo)向輪、支重輪、驅(qū)動(dòng)輪、橡膠履帶、張緊裝置組成，提高了割草機(jī)的爬坡性能，且不會(huì)對履帶下的植被生長造成破壞，同時(shí)對整機(jī)的緩震起到一個(gè)支撐作用；經(jīng)過田間試驗(yàn)得出，其割幅達(dá)到2.0 m，最小轉(zhuǎn)彎半徑為1.5 m，最大爬坡度為50°，可適用于丘陵山區(qū)進(jìn)行割草作業(yè)。

Ambrogio Robot公司生產(chǎn)的Elite型號割機(jī)，將靈活性和模塊化技術(shù)創(chuàng)新結(jié)合，Elite型號割機(jī)的行走方式采用輪式行走，后邊為兩個(gè)驅(qū)動(dòng)大輪，前邊則為兩個(gè)導(dǎo)向小輪，它通過雙電機(jī)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪行走，保證了割草機(jī)的馬力充足，并且在割草機(jī)4個(gè)方位上安裝了輔助輪，提高了割草機(jī)在丘陵地區(qū)行走的穩(wěn)定性[22]。

1.3 仿形裝置

傳統(tǒng)割草機(jī)在丘陵山地的坑洼不平地面作業(yè)時(shí)，由于地面高低的變化從而影響了割草裝置割茬高度的一致性，針對這一問題設(shè)計(jì)了仿形裝置。仿形裝置分為主動(dòng)仿形和被動(dòng)仿形，主動(dòng)仿形通過機(jī)身的傳感器對地面高度進(jìn)行測量，傳回信號調(diào)節(jié)仿形機(jī)構(gòu)，達(dá)到仿形效果，但其響應(yīng)速度慢，仿形成本高；被動(dòng)仿形通過機(jī)身自帶的機(jī)械裝置，可根據(jù)地面高度的起伏變化帶動(dòng)仿形裝置的高度變化，使割草裝置與地面始終處于平行的平面中，保證了割茬高度的一致性。

代富彬[23]研制的山地果園仿形割草機(jī)采用被動(dòng)仿形，割草機(jī)仿形裝置的一端通過旋轉(zhuǎn)副與割草機(jī)底部下的割草機(jī)構(gòu)相互連接，另一端則通過剛性材料與割草機(jī)構(gòu)進(jìn)行連接，并在電機(jī)的前端安裝限深機(jī)構(gòu)，完成仿形過程；田間試驗(yàn)結(jié)果表明，山地果園仿形割草機(jī)平均割茬穩(wěn)定系數(shù)為89.0%，能夠適應(yīng)地面不平的高度為0～45 mm。鄔備等[24]研制了一種果園仿形自走割草機(jī)，其仿形裝置由滑掌、浮動(dòng)彈簧、抬高液壓缸等組成，通過將作業(yè)中浮動(dòng)彈簧感受到的地面高低起伏的變化傳遞給液壓缸，從而帶動(dòng)割草機(jī)調(diào)節(jié)割茬高度；田間試驗(yàn)表明，該果園仿形割草機(jī)的割茬高度減少了6%，提高了作業(yè)效率。荊龍龍[25]研制了一種果園自走式割草機(jī)，主要適用于山地丘陵地區(qū)作業(yè)環(huán)境，其仿形機(jī)構(gòu)上的割草裝置與地面不發(fā)生接觸碰撞；仿形機(jī)構(gòu)是由多個(gè)單體仿形裝置構(gòu)成，仿形結(jié)構(gòu)由仿形輪、機(jī)架、仿形架等組成，工作中的仿形輪可以在高低不平的路面上行走，并帶動(dòng)仿形架進(jìn)行擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，達(dá)到穩(wěn)定割草的目的。

Franet[26]采用兩自平衡彈簧，實(shí)現(xiàn)浮動(dòng)仿形割草。Schlesser等[27]通過在懸臂梁上設(shè)置浮動(dòng)連桿，實(shí)現(xiàn)仿形作業(yè)。Class公司設(shè)計(jì)了一種仿形割草機(jī)，通過機(jī)架與拖拉機(jī)鉸鏈連接，使切割器在作業(yè)時(shí)能在豎直平面內(nèi)自由轉(zhuǎn)動(dòng)，并利用彈管承重，隨地起伏浮動(dòng)，實(shí)現(xiàn)仿形除草[28-29]。

1.4 避障裝置

果園割草作業(yè)中為了提高割草效率，割草機(jī)既能行間切割，又能同時(shí)進(jìn)行株間割草作業(yè)。為了保證株間切割的穩(wěn)定性，株間避障裝置需要十分靈敏高效。株間避障裝置的作用就是保護(hù)割刀和機(jī)具在株間作業(yè)時(shí)不與果樹進(jìn)行碰撞，達(dá)到保護(hù)果樹不受損傷的目的。

賈耀文[30]研制了一種多功能避障割草機(jī)，采用先進(jìn)的激光掃描技術(shù)，當(dāng)割草機(jī)進(jìn)行割草作業(yè)時(shí)，激光掃到前方樹干后傳回信號，機(jī)具通過傳回的信號對株間切割裝置發(fā)出繞軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的指令，從而達(dá)到提前避障的作用；當(dāng)避障結(jié)束，激光未掃到前方樹干時(shí)，機(jī)具對株間割草機(jī)構(gòu)發(fā)出繞軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的指令繼續(xù)進(jìn)行正常割草作業(yè)。侯東偉等[31]研發(fā)了一種自走式自動(dòng)避障除草機(jī)，其避障裝置進(jìn)行割草作業(yè)時(shí)，傳感器接收到了STM32發(fā)出的信號后，通過超聲波信號對前方作業(yè)區(qū)域進(jìn)行檢測，保證避障機(jī)構(gòu)提前快速有效地完成避障。尹鴻超[32]設(shè)計(jì)了一款基于模糊控制的割草機(jī)器人，其避障方式為機(jī)械避障，即在車身上加裝一根前伸式弧形臂，當(dāng)前伸裝置接觸到障礙物時(shí)會(huì)給弧形臂一個(gè)向后的力，弧形臂繞中心軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)起到一個(gè)避障的作用；當(dāng)避障結(jié)束后，弧形臂兩邊的拉壓彈簧帶動(dòng)弧形臂回到正常工作位置；通過試驗(yàn)得到該避障裝置的卡頓率為10%，且復(fù)位誤差＜5°，避障效果良好。楊福增等[20]通過在株間切割裝置上添加一個(gè)復(fù)位彈簧裝置，從而進(jìn)行被動(dòng)避障，當(dāng)株間切割裝置碰到果樹及障礙物時(shí)，復(fù)位彈簧受到一個(gè)外壓力發(fā)生壓縮形變，使株間切割裝置繞果樹及障礙物產(chǎn)生繞軸運(yùn)動(dòng)；當(dāng)外壓力消失后，復(fù)位彈簧復(fù)位使株間切割裝置回到原來的切割位置。

基于實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)GPS導(dǎo)航，丹麥的Norremark等[33]研究了一種自動(dòng)避開作物的株間除草機(jī)，運(yùn)用自動(dòng)控制系統(tǒng)對拖拉機(jī)及除草部件的橫向和縱向位移進(jìn)行控制，保證除草用的S形齒能在遇到作物植株時(shí)避開，隨后伸入株間進(jìn)行除草。西班牙的Manuel和美國的Slaughter等[34]也成功地把GPS定位系統(tǒng)用于株間除草中，試驗(yàn)結(jié)果表明，他們研發(fā)的系統(tǒng)在針對設(shè)定的植株區(qū)域（以植株為中心，半徑10 mm的范圍內(nèi)）的定位精度高于Norremark等研發(fā)的控制系統(tǒng)；此后，他們研制了基于精確測距傳感器的協(xié)作機(jī)器人控制系統(tǒng)，可控制除草刀的開閉，在人工輔助監(jiān)控下，能達(dá)到避開植株除去株間雜草的目的，該系統(tǒng)簡單廉價(jià)，易于操作[35]。

1.5 導(dǎo)航及自動(dòng)識別裝置

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，果園割草機(jī)對無人化、智能化的要求越來越高，智能的無人割草機(jī)在高密度矮樹種種植的果園除草時(shí)既可減少勞動(dòng)力，又能提高果園除草效率。

張博遠(yuǎn)[36]基于Pixhawk開源控制器設(shè)計(jì)了一種履帶式智能全電割草機(jī)，運(yùn)用Pixhawk開源控制器的自主導(dǎo)航系統(tǒng)，通過手持PTK發(fā)送北斗或GPS實(shí)時(shí)定位，使得割草機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)自主導(dǎo)航。艾永平等[37]基于機(jī)器視覺研發(fā)了可識別青草的割草系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用SSD算法模型賦予割草機(jī)機(jī)器視覺系統(tǒng)，能自動(dòng)識別青草在圖片中的坐標(biāo)，然后將青草在圖片中的位置坐標(biāo)用算法映射為現(xiàn)實(shí)青草所在位置坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)割草機(jī)的自動(dòng)除草。張祥[38]進(jìn)行了基于IMU與DGPS的智能割草機(jī)導(dǎo)航定位研究，運(yùn)用低成本器件在嵌入式端實(shí)現(xiàn)了低成本差分GPS；并針對單個(gè)導(dǎo)航元件可能存在不工作的情況，利用無跡卡爾曼濾波融合了IMU與DGPS數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了IMU/DGPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)，通過算法與策略，實(shí)現(xiàn)了割草機(jī)路徑規(guī)劃與自動(dòng)割草、自主充電、自主避障、安全保障等自動(dòng)化功能。

美國卡耐基梅隆大學(xué)研制的NavLab系列無人車，典型型號有NavLab-1系統(tǒng)、NavLab-5系統(tǒng)和NavLab-11系統(tǒng)；NavLab-1建于20世紀(jì)80年代，有3個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)分別用來完成控制器間通信、圖像處理、激光雷達(dá)處理，其采用的環(huán)境感知系統(tǒng)傳感器包括攝像頭、激光雷達(dá)、超聲波傳感器、GPS、慣導(dǎo)元件等，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)化道路下的無人車自主行駛[39]。此外，歐洲也展開了無人車的研究，其中，意大利帕爾瑪大學(xué)的ARGO無人車?yán)脭z像頭作為導(dǎo)航傳感器，其核心是通用障礙物車道檢測（Generic Obstacle and Lane Detection, GOLD）視覺系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)道路跟蹤、換道操作，采用立體視覺算法來檢測障礙物[40]。

2 割草機(jī)發(fā)展展望

隨著果園生草覆蓋技術(shù)的大面積推廣，我國在果園除草割草方面取得了質(zhì)的跨越，然而在割草機(jī)關(guān)鍵部位的研發(fā)生產(chǎn)上仍存在不足的地方，近些年我國自主研發(fā)的割草機(jī)在智能性、穩(wěn)定性、創(chuàng)新性方面與國外還存在一定的差距。根據(jù)以上我國現(xiàn)有割草機(jī)顯現(xiàn)出的不足，今后應(yīng)從以下兩個(gè)方面展開討論研究：

1）加強(qiáng)對割草機(jī)核心部件的研發(fā)創(chuàng)新、生產(chǎn)制造。在今后的科研開發(fā)中，通過對牽引式割草機(jī)的割幅與割草行距的一致性加以研究，真正做到與當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)種植技術(shù)相結(jié)合。在主動(dòng)探測位置與割茬長度的自主調(diào)整領(lǐng)域要加以側(cè)重研發(fā)，增強(qiáng)割草機(jī)的自主導(dǎo)航性能，以切實(shí)實(shí)現(xiàn)無人、智能的現(xiàn)代化割草機(jī)市場。在優(yōu)化割草機(jī)本身功能的同時(shí)，也要提高割草機(jī)具的使用性能與耐久度，通過正確選用全機(jī)材質(zhì)和切割刀具的材質(zhì)，提高割草機(jī)具耐久性，提升全機(jī)器生產(chǎn)效率、切割刀具的應(yīng)用效益與使用年限。

2）更好地把優(yōu)秀的傳感器技術(shù)和信號處理技術(shù)應(yīng)用到割草機(jī)自身優(yōu)化上。用傳感器代替人眼進(jìn)行識別，用信號處理代替大腦做出反饋，打造出更加智能、穩(wěn)定、可靠的無人割草機(jī)，更好地解決果園割草這一果園難題，保證果園作物的生長。

3 總結(jié)

隨著我國果園生草覆蓋技術(shù)的逐步推廣，對現(xiàn)代化果園無人割草機(jī)提出了更高的挑戰(zhàn)。為滿足時(shí)代發(fā)展的要求，需要每一位農(nóng)業(yè)機(jī)械科研工作者做出努力，積極進(jìn)行技術(shù)革新，有效提升割草機(jī)的生產(chǎn)制造水平，研發(fā)出技術(shù)一流、安全穩(wěn)定的果園割草機(jī)，實(shí)現(xiàn)割草機(jī)自動(dòng)化、智能化、信息化應(yīng)用，推進(jìn)果園智能機(jī)械化割草進(jìn)程。