楊 碩,李法德,2,閆銀發(fā),2,董 巖,郭家樂,宋占華,2

(1.山東農業(yè)大學 機械與電子工程學院,山東泰安 271018;2.山東省園藝機械與裝備重點實驗室,山東 泰安 271018;3.日照鋼鐵有限公司,山東日照 276806)

0 引言

果園地勢廣闊,果樹株距、行距大,適于雜草生長,極大地影響了果樹的生長和水果產(chǎn)量[1]。雜草造成的果樹減產(chǎn)可達10%～20%[2],因此除草成了果園生產(chǎn)活動中必不可少的重要環(huán)節(jié)。常見的除草方式有化學除草、機械除草、生物技術除草、熱力除草和電力除草等[3]?；瘜W除草主要指使用除草劑進行雜草防除的方式,除草劑使用方便,可使雜草迅速得到控制[4],但大量使用會對生態(tài)環(huán)境造成破壞,且同一種除草劑的長期使用還會使雜草產(chǎn)生“抗藥性”[5]。生物技術除草、熱力除草和電力除草雖然除草效果尚可,但面臨技術成本高、使用不方便、費用昂貴等問題。隨著有機農業(yè)的提出和發(fā)展,果園雜草管理應避免化學除草劑的使用[6],而機械除草工作效率高、效果顯著,開始受到越來越多的重視[7]。

據(jù)統(tǒng)計,截止2016年底,我國果園面積已達12 981.6khm2[8],果園種植業(yè)的迅速發(fā)展提升了果園機械的市場需求。傳統(tǒng)的果園除草機主要解決行間除草問題,株間雜草無法清除,導致果園雜草重新泛濫,降低了機械除草的作業(yè)效果[9]。在果園中,由于果樹株間為非連續(xù)區(qū)域,相比于果園行間機械除草,株間機械除草則更加困難[10]。果園株間除草機可同時進行果樹行間和株間除草,作業(yè)效率高,除草徹底。本文主要介紹了果園株間除草機的國內外研究進展,對避障裝置、除草裝置、驅動方式、工作速度等關鍵技術進行分析,在此基礎上提出果園株間機械除草技術的發(fā)展方向,以期為后續(xù)研究提供依據(jù)。

1 果園株間除草機概述及現(xiàn)狀

果園株間除草機主要包括動力裝置、避障裝置和株間除草裝置,工作過程如下:避障裝置未觸碰到果樹或障礙物時,避障裝置不工作,株間除草裝置進行正常幅寬作業(yè);當避障裝置觸碰到果樹或障礙物時,除草裝置開始由避障裝置控制改變作業(yè)路徑,使除草裝置能順利避開果樹和障礙物;當避障裝置與果樹分離后,株間除草裝置復位,進行正常幅寬作業(yè),以此往復循環(huán)。果園株間除草機通過避障裝置改變除草裝置的作業(yè)路徑,從而實現(xiàn)果樹株間機械除草,除草更加干凈、徹底,有利于果樹生長和水果產(chǎn)量的提高,使果園株間機械除草效果得到改善[9]。

1.1 國外研究進展

國外對果園機械除草作業(yè)的研究始于20世紀50年代[10],到目前為止,已經(jīng)研制出多種類型的果園除草作業(yè)機械,且已經(jīng)將智能控制技術運用到了低矮農作物田間株間除草上[11-12]。其中,果園株間除草機發(fā)展較快。波蘭農機生產(chǎn)企業(yè)JAGODA JPS[13]生產(chǎn)了一款果園人工協(xié)作株間除草機[見圖1(a)],避障方式為人工操縱手柄調整除草裝置與果樹的相對位置,從而實現(xiàn)避障除草作業(yè)。意大利農機生產(chǎn)企業(yè)Mornei研制了一款集松土除草于一體的果園株間除草機,如圖1(b)所示。意大利AEDES公司[見圖1(c)]和ARRIZZA公司[16][見圖1(d)、(e)]生產(chǎn)的果園株間自動避障除草機,其除草裝置多樣,1臺拖拉機可以分別與多種除草裝置配合使用,從而實現(xiàn)了一機多用。然而,國外大型果園株間除草機并不適于在我國傳統(tǒng)果園進行株間除草作業(yè)。

1.2 國內研究進展

國內對苗間機械除草的研究始于20世紀60年代,70年代苗間機械除草得到快速發(fā)展[13]。目前,我國果園機械除草作業(yè)普遍采用微耕機或果園通用除草機,存在僅能除去行間雜草、對果樹株距間造成漏除現(xiàn)象,除草作業(yè)效果大大降低[10]。我國果園株間除草研究起步較晚,現(xiàn)階段國產(chǎn)的果園株間除草機還沒有被廣泛推廣應用。石河子大學的張斌等對果園株間除草自動讓樹裝置進行了設計,借助于計算機建模軟件對自動讓樹裝置各部分進行仿真優(yōu)化改進,完成了樣機試制。田間試驗表明:果園株間自動讓樹裝置在正常速度作業(yè)情況下,讓樹作業(yè)漏耕率小于6%,讓樹通過率100%[9-10,14]。石河子大學的王斌等對果園避障旋耕機關鍵部件進行了設計,結果表明:果園避障旋耕機在常規(guī)作業(yè)速度(2～5km/h)下,避障作業(yè)漏耕率小于5%,穩(wěn)定性可達100%[15-17]。塔里木大學的趙群喜設計了一款果園避障旋耕機,田間試驗表明:避障通過率為100%,碎土率為97.54%,漏耕率為3.58%[18]。中國農業(yè)大學的徐麗明等分析了自動避障機構躲避葡萄藤的工作原理,對自動避障機構進行了優(yōu)化設計,試驗表明:優(yōu)化后平均除草作業(yè)覆蓋率提高8%以上,除草作業(yè)穩(wěn)定性較好[19]。石河子大學的趙紫薇等設計了一套釀酒葡萄收獲機的避障系統(tǒng),使用接觸式檢測方法及PLC與液壓驅動執(zhí)行相結合的避障系統(tǒng),進行避障系統(tǒng)試驗臺試驗,結果表明:避障系統(tǒng)檢測模塊在行走速度為1km/h時,檢測精度可達93.18%;通過對避障系統(tǒng)集成進行試驗驗證表明,避障系統(tǒng)可以達到避障要求[20]。濟南大學泉城學院的杜文圣等設計了一種新型葡萄園自動避障除草機,結構簡單,除草效率高[21]。塔里木大學的萬暢等發(fā)明了一種果園中耕機避障機液伺服系統(tǒng),可實現(xiàn)果園中耕機避讓樹干作業(yè)[22]。北京時代沃林科技發(fā)展有限公司研制了一種無人駕駛株間除草機,如圖2(a)所示。寧夏智源農業(yè)裝備有限公司所生產(chǎn)的果園雙邊株間除草機,作業(yè)效率可達0.667hm2/h,如圖2(b)所示。

圖2 國內株間除草機

典型果園株間除草機及其性能如表1所示。

表1 典型果園株間除草機及其性能Table 1 Performance characteristics of typical orchard intra-row weeding machines

2 果園株間除草機關鍵技術

2.1 果園株間除草機避障裝置

果園株間除草避障裝置分為接觸式避障和非接觸式避障,接觸式避障主要包括繞立軸旋轉式[10,14,23]、四連桿機構偏擺式[15-19,22,24-25]及滑套橫移式[29,39-40],3種方式的共同特點是均有機械感應觸桿,且均由液壓系統(tǒng)控制實現(xiàn)避障作業(yè)。張斌等[10]設計了一款繞立軸旋轉式果樹株間自動讓樹裝置,避障過程為:當感應觸桿接觸果樹時,液壓系統(tǒng)控制讓樹裝置沿與機具前進垂直方向繞軸旋轉,從而實現(xiàn)避障作業(yè)。王斌等[15]、徐麗明等[19]等設計的避障裝置是通過液壓缸伸縮驅動平行四桿機構偏擺實現(xiàn)的。石河子大學的畢新勝等[27]設計了一種可以改變作業(yè)幅寬的果園旋耕機,調幅機架在感應觸桿與障礙物接觸和分離的過程中,由油缸帶動做往返運動,從而實現(xiàn)避障作業(yè)。非接觸式避障又分為人工協(xié)作避障和智能避障,進行避障作業(yè)時作業(yè)機具均不與果樹等接觸。人工協(xié)作避障主要依賴人為操縱避障裝置進行避障作業(yè),在除草裝置將要觸碰到果樹前,人為操縱避障裝置,改變除草裝置作業(yè)路徑進行避障作業(yè)。智能避障技術主要包括機器視覺技術、傳感器檢測技術和GPS導航定位技術。機器視覺技術通過實時采集、處理、分析圖像,辨別作物與雜草,計算作物的位置信息[11]。機器視覺具有能夠進行實時識別和定位、精度較高、信息量豐富及目標信息完整等優(yōu)點[28-30];缺點是穩(wěn)定性較差,容易受田間環(huán)境和人工管理方式的影響[31]。Astrand等[32]在甜菜田中建立了自動除草系統(tǒng),利用機器視覺系統(tǒng)導航,通過雜草識別和旋轉鋤頭控制系統(tǒng),在直播條件下,甜菜植株密度高而雜草密度低或中等時,雜草的識別和去除效果較好。丹麥的N?rremark[33]、西班牙的Pérez-Ruiz[34]對株間自動避障除草技術展開了研究,把機器視覺技術、GPS定位技術應用到了株間除草機械的自動避障控制系統(tǒng)中,改善了除草效果且降低了傷苗率。華南農業(yè)大學的胡煉等[35-36]、中國農業(yè)大學的陳子文等[37]把機器視覺技術與傳感技術應用到了自動避障控制系統(tǒng)中,取得了較好效果。到目前為止,紅外線傳感器、激光傳感器及超聲波傳感器等傳感器得到了較快發(fā)展[38]。美國伊利諾伊大學的Cordill等[5]研制了一種玉米株間鋤草機器人,利用激光傳感器組檢測作物,以鋤刀為除草部件,沿正弦波軌跡避苗或鋤草,采用2組互成角度的激光傳感器對機具橫向偏移量進行檢測。試驗表明:激光傳感器可識別玉米作物,并能夠檢測機器相對于作物行的偏移量。Linden等39]基于紅外激光測深傳感器對株間機械除草的深度控制進行了研究。李震等[40]研制了一種鋼絲繩牽引貨運機避障系統(tǒng),通過檢測超聲波渡越時間的方法測量貨運機與障礙物間的距離,從而實現(xiàn)障礙物檢測,試驗表明:動、靜態(tài)障礙物貨運機避障停車率均可達到100%。GPS技術具有全球、全天候工作、定位精度高、操作簡便等優(yōu)點[29,41]。張春龍等[42]研究的移動機器人平臺,利用車載DGPS獲取道路方向與位置信息,從而控制機器人的道路導航、軌跡規(guī)劃及速度與方向角。采用單一的智能避障技術難以滿足在復雜田間工作環(huán)境下的作業(yè)需求,幾種技術的相互融合可提高智能避障裝置的準確性、穩(wěn)定性及可靠性。Creed等[43]研制的自主割草機試驗臺,通過激光測距儀、跟蹤控制器、GPS和差動驅動系統(tǒng)的結合,綜合分析GPS實時定位信息與障礙物信息,從而得到運動路徑規(guī)劃。表2為果園株間機械除草避障方法的比較,并總結出其優(yōu)缺點。

2.2 果園株間除草機除草裝置

除草末端執(zhí)行器的性能直接影響鋤草的效率[11],因此選擇合適的株間除草裝置至關重要。根據(jù)株間除草裝置是否有動力源可分為被動除草裝置和主動除草裝置[46]。被動株間除草裝置主要包括除草鏟[10,47-48]、指狀鋤草刀[28]、犁、圓盤耙等。此類除草裝置結構簡單,價格低廉,能夠滿足除草要求。主動株間除草裝置根據(jù)其運動方式分為立軸旋轉式和水平旋轉式。立軸旋轉式包括動力耙、彈齒式、割草刀片、V型刀、立軸式打草繩、垂直刷式、爪式等。Ahmad等[49]以彈齒為除草部件,設計了一種蔬菜作物株間自動機械除草機,用直流電機驅動彈齒旋轉,利用高速旋轉的彈齒達到除草的目的,如圖3(a)所示。意大利Moreni公司[見圖3(b)]和Rinieri公司以動力耙為工作部件,生產(chǎn)了集除草、松土于一體的果園株間除草機。陳子文等[37]設計了行星刷式株間鋤草機械手,ARRIZZA公司設計了除草刷盤,采用鋤草刷[見圖3(c)]作為鋤草部件,旋轉的刷盤將雜草幼苗刷斷或覆蓋土壤。盧希誠等[50]研制了一款能改善空氣流動性能而噪聲又較低的旋刀裝置用于草坪割草。威海中頤現(xiàn)代農裝科技有限公司生產(chǎn)了一款自動避障式割草機,依靠割刀旋轉切割雜草以達到除草的目的,如圖3(d)所示。水平旋轉式包括旋耕機、水平式打草繩、除草輪等。王斌等[見圖3(e)][15]、趙群喜等[18]以旋耕機為工作部件,設計了一款集除草、碎土于一體,并且可以有效避讓果樹及障礙物的旋耕除草作業(yè)機具,可實現(xiàn)果樹株間旋耕除草作業(yè)。意大利AEDES公司生產(chǎn)了一種由尼龍繩高速旋轉打擊雜草的果園株間除草機,如圖3(f)所示。程遠瑜等[51]、曾晨等[52]、王勇斌等[53][見圖3(g)]以除草輪為除草作業(yè)部件,確定了除草輪行間除草的最佳工作參數(shù)。

表2 果園株間避障方法比較Table 2 Comparison of intra-row obstacle avoidance methods

圖3 株間除草裝置

2.3 果園株間除草機驅動方式

接觸式避障裝置的驅動方式主要為液壓驅動[10,14-19],果樹或障礙物等對觸桿產(chǎn)生壓力,通過液壓系統(tǒng)驅動避障裝置,使除草裝置實現(xiàn)避障作業(yè)。除草裝置的驅動方式主要有液壓驅動、電動和氣動。目前,株間除草裝置多采用液壓驅動和電機驅動。表3為幾種驅動方式工作原理及優(yōu)缺點比較。

表3 驅動方式比較Table 3 Comparison of driving mode

2.4 工作速度

果園株間除草機的工作速度直接反映其工作效率,由于果園株間除草作業(yè)時,機器會進行除草作業(yè)和避讓作業(yè),若前進速度變大,避讓裝置工作頻率必然加快,這對避障裝置及除草裝置的穩(wěn)定性提出了更高的要求,要求其具有更快的反應速度和更高的穩(wěn)定性。同時,作業(yè)速度過快還會使除草輪等除草裝置達不到理想的除草效果。因此,確定合理的工作速度,既能滿足除草要求又能降低機器成本。張斌等[10]通過田間試驗得出:當果園株間除草機作業(yè)速度為2～6 km/h時,果園株間自動讓樹裝置可以滿足果園株間除草作業(yè)要求。趙群喜等[18]確定了果園避障旋耕機的最佳工作參數(shù)。徐麗明等[19,54]通過對籬架式栽培葡萄株間除草機樣機的初步試驗得出:葡萄植株株距為1 m,其前進速度為350～420 mm/s時整機工作較平穩(wěn)。同時,進一步明確了避障液壓缸速度、前進速度和控制系統(tǒng)預設的當觸桿轉動達到一定角度觸發(fā)自動避障機構工作的閾值(簡稱“角度閾值”)對除草作業(yè)覆蓋率的影響規(guī)律,得到最優(yōu)參數(shù)組合為:避障液壓缸速度160 mm/s,前進速度380 mm/s,角度閾值15.12°,在最優(yōu)參數(shù)下進行了田間驗證試驗,獲得平均除草作業(yè)覆蓋率約為90.02%。程遠瑜等[51]、曾晨等[52]確定了除草輪的最佳工作參數(shù),但機器并沒有避障裝置,僅能進行行間除草作業(yè)。以上研究人員均未對機器前進速度與避障作業(yè)效果間的關系進行詳細的研究,到目前為止,關于果園株間除草機最佳工作速度的研究還很少。

3 果園株間除草的發(fā)展趨勢

1)果園產(chǎn)業(yè)多學科結合發(fā)展,解決農機農藝融合問題,基于果樹生長特性,培育適于機械化作業(yè)的果樹品種,建立新型果園。利用標準化建園技術,規(guī)范果樹株距、行距及行頭留距等[55],有利于確定果園株間除草機械的整機參數(shù)及工作參數(shù),進而提高作業(yè)質量和工作效率。隨著農業(yè)傳感器技術、機器視覺技術、GPS技術的發(fā)展,3種技術相互融合成為今后研究的熱點,各技術實現(xiàn)優(yōu)勢互補,可提高工作效率和資源利用率。農機、農藝與信息技術的相互融合,不僅能夠有效提高果園株間除草的智能化水平,而且能夠實現(xiàn)非接觸式避障,使果樹幼苗的株間除草成為可能。

2)針對我國不同地區(qū)果樹品種、種植模式等差異,因地制宜,研究明確避障裝置工作參數(shù)與除草裝置工作參數(shù)的最佳組合方式,為株間除草機的設計提供理論基礎。

3)研究高效穩(wěn)定的避障裝置,能夠在滿足快速避障作業(yè)的同時保證機體和各工作部件的穩(wěn)定性。目前,由于果園株間除草作業(yè)時,避障裝置會有大幅度擺動,前進速度越快,機器穩(wěn)定性和可操作性會隨之下降,需研制擺動慣量小且能夠高頻避障的避障裝置,從而使得機器作業(yè)效率和工作穩(wěn)定性大大提高。

4)向小型化發(fā)展。由于果樹行間、株間空間有限,大型機械不宜進入果園作業(yè)。研制小型機械,不僅能夠提高機器的操作性能,使作業(yè)過程更加方便,而且能夠提高果園的空間利用率,提高果園生產(chǎn)效率。

5)進行模塊化設計,針對不同的作業(yè)需求,設計相應的功能模塊,對于需要實現(xiàn)單一功能作業(yè)的需求,通過更換相應的功能模塊,從而實現(xiàn)一機多用。對于需要實現(xiàn)多功能作業(yè)的需求,對相應的各功能模塊進行組合,從而實現(xiàn)一機多能,一次作業(yè)就可達到幾次作業(yè)的效果。通過模塊化設計,可極大地提高機器的利用率,節(jié)約生產(chǎn)成本。

4 結論

果園株間機械除草技術包括避障裝置、除草裝置和驅動方式等方面,高效穩(wěn)定的避障裝置是果園株間機械除草技術的核心,除草裝置進行實際的除草作業(yè),是實現(xiàn)果園機械除草的基礎。智能避障方式的實現(xiàn),不僅能夠提高工作效率,避免對果樹的損傷,而且能夠降低勞動強度,極大提高作業(yè)質量,是農業(yè)現(xiàn)代化的重要內容。

我國的果園株間機械除草技術還未能全面推廣,智能化除草技術尚處于初級階段。由于果園建設不合理,果樹品種不適于機械化作業(yè)等因素的影響,導致一些果園株間機械除草技術難以用于生產(chǎn)實踐,間接阻礙了我國株間機械除草技術的發(fā)展進程。但隨著近年來果樹園藝學的發(fā)展、新型果園的建設及現(xiàn)代種植戶對經(jīng)濟效益的追求,我國優(yōu)勢產(chǎn)區(qū)的果園正逐步向規(guī)?；鸵?guī)范化方向發(fā)展,果園株間除草機械必將得到更廣泛的應用,同時促進我國果園株間除草技術的進步?，F(xiàn)階段,我國果園株間機械除草技術應根據(jù)種植區(qū)域、果園類型和種植規(guī)模研發(fā)配套的株間除草機械。果樹園藝學的發(fā)展為建設高產(chǎn)、高效的新型果園提供了有力的技術支持,適應穩(wěn)定作業(yè)要求的株間避障技術和高速、高效的機械除草技術是我國果園株間機械除草的研究重點。加強農機、農藝和信息技術的深度融合,研究高效穩(wěn)定的避障裝置、小型化及模塊化設計,將是我國果園株間機械除草技術的發(fā)展方向。