權(quán)龍哲 張景禹 姜 偉 李恒達(dá) 楊春杰 張溪麟

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 哈爾濱 150030)

0 引言

目前，機(jī)械除草是繼化學(xué)藥劑除草后的一種廣泛被人們接受的除草方法[1-2]，具有重要的研究意義和廣泛的應(yīng)用前景。根據(jù)田間不同的雜草控制區(qū)域，機(jī)械除草又通常分為行間除草和株間除草[3-5]。行間雜草通過中耕除草的方式相對(duì)容易除去，但是株間雜草的控制相當(dāng)困難，因?yàn)榍宄拷r(nóng)作物的雜草存在誤傷農(nóng)作物的高風(fēng)險(xiǎn)[6-7]。目前，株間除草模式的優(yōu)化和創(chuàng)新成為許多學(xué)者的研究關(guān)注點(diǎn)[8-11]。

關(guān)于株間機(jī)械除草的研究大多以傷苗率和除草率作為衡量除草性能的指標(biāo)[12-14]，而對(duì)機(jī)械除草過程中末端執(zhí)行器存在損傷作物根系的高風(fēng)險(xiǎn)問題關(guān)注較少。譚國(guó)強(qiáng)等[15]設(shè)計(jì)的玉米地中耕次數(shù)對(duì)玉米產(chǎn)量影響的試驗(yàn)表明，免中耕和中耕次數(shù)少的玉米根系量都明顯多于中耕次數(shù)多的。此外，試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)中耕后的玉米根系在壟體內(nèi)分布不均勻，順壟向的較多，橫壟向的較少，而免中耕與此相反。因此，在設(shè)計(jì)機(jī)械除草結(jié)構(gòu)和除草模式時(shí)，應(yīng)該充分重視末端執(zhí)行器可能傷害作物根系的問題。

機(jī)械除草過程中為了“多除草，少傷苗”，不但要改善除草機(jī)構(gòu)或除草模式，同時(shí)對(duì)目標(biāo)物體的精準(zhǔn)檢測(cè)也十分關(guān)鍵。傳統(tǒng)的農(nóng)作物檢測(cè)方法有RTK-GPS(Real time kinematic-global positioning system)、激光、超聲波和光譜等[16-19]，而且上述方法都只是單一檢測(cè)農(nóng)作物目標(biāo)，對(duì)雜草則進(jìn)行忽略。目前，以深度學(xué)習(xí)技術(shù)為基礎(chǔ)的檢測(cè)方法在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛，該技術(shù)具有強(qiáng)大的目標(biāo)特征學(xué)習(xí)能力[20]，不但能夠檢測(cè)作物還能檢測(cè)雜草，甚至給雜草分類。WU等[21]對(duì)蘋果花進(jìn)行檢測(cè)，將使用的YOLO(You only look once) V4檢測(cè)模型進(jìn)行通道修剪，修剪后的參數(shù)量減少了96.74%，模型占用內(nèi)存減少了231.51 MB，但是平均準(zhǔn)確率均值(Mean average precision，mAP)僅降低了0.24%。TIAN等[22]對(duì)蘋果進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，將YOLO V3低分辨率的特征層引入DenseNet以增加特征的傳輸量和復(fù)用率。QUAN等[23]以VGG19為主干網(wǎng)絡(luò)改進(jìn)了Faster R-CNN，完成對(duì)復(fù)雜田間環(huán)境下不同生長(zhǎng)階段的玉米幼苗的檢測(cè)，準(zhǔn)確率高達(dá)97.71%。

本文依據(jù)東北地區(qū)玉米壟作的種植方式以及苗期株間除草的作業(yè)要求，并且充分考慮到機(jī)械除草過程中末端執(zhí)行器損傷作物根系風(fēng)險(xiǎn)的問題，設(shè)計(jì)一種基于玉米根系保護(hù)的株間除草機(jī)器人系統(tǒng)。該除草機(jī)器人根據(jù)土上避苗除草模式進(jìn)行株間除草作業(yè)，同時(shí)能夠降低除草裝置末端執(zhí)行器損傷作物根系的風(fēng)險(xiǎn)，以期達(dá)到保護(hù)玉米根系的目的。

1 除草機(jī)器人系統(tǒng)組成和工作原理

1.1 機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)

機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)是除草裝置的掛載體，是整個(gè)除草機(jī)器人系統(tǒng)正常工作的保證，其虛擬樣機(jī)[24]如圖1所示。該機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)由車體、車輪、升降裝置、掛載架等組成，車體中主要包括控制系統(tǒng)和供電系統(tǒng)。移動(dòng)平臺(tái)前輪為2個(gè)萬向輪，后輪是驅(qū)動(dòng)輪，由輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過驅(qū)動(dòng)輪差速實(shí)現(xiàn)機(jī)器人平臺(tái)轉(zhuǎn)向；移動(dòng)平臺(tái)分為遙控和手動(dòng)2種操控方式。機(jī)器人平臺(tái)的輪距可調(diào)，以滿足不同行距的除草作業(yè)需求。

機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)共搭載3塊60 V、60 A·h鋰電池，其中2塊并聯(lián)并分別固裝在車體兩側(cè)的行走單元機(jī)箱內(nèi)部，為輪轂電機(jī)供電。第3塊為掛載裝置供電，同時(shí)作為機(jī)器人平臺(tái)的備用電源，保證平臺(tái)8 h的續(xù)航作業(yè)需求。為了便于不同設(shè)備對(duì)電源電壓的需求，平臺(tái)上配備一臺(tái)2 000 W、60 V轉(zhuǎn)220 V的逆變器(銳帝YT-2000PB型)。該機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)其它技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)主要參數(shù)Tab.1 Main technical indicators of robot mobile platform

1.2 除草系統(tǒng)構(gòu)成

除草系統(tǒng)主要由視覺檢測(cè)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和機(jī)械除草裝置3部分組成，如圖2所示。視覺檢測(cè)系統(tǒng)包括圖像獲取、圖像處理和信息輸出，將提取到的信息傳給控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)自我校正后對(duì)收到的信息進(jìn)行編譯并最終控制機(jī)械除草裝置的伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，完成除草鏟水平開合以及豎直方向升降運(yùn)動(dòng)。另外，當(dāng)視覺檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)到的雜草不滿足除草條件時(shí)，則不發(fā)送信息給控制系統(tǒng)。

1.3 避苗除草原理

除草作業(yè)過程如圖3所示，只有當(dāng)株間有雜草且在作物保護(hù)區(qū)以外時(shí)，兩側(cè)除草鏟同步進(jìn)行下降與閉合運(yùn)動(dòng)，將雜草切斷或夾住，配合移動(dòng)平臺(tái)的向前運(yùn)動(dòng)，使雜草發(fā)生移動(dòng)，達(dá)到除草目的。除草鏟閉合狀態(tài)持續(xù)到下一株玉米苗前，然后迅速?gòu)堥_與上升恢復(fù)到初始位置，完成避苗并等待下一次除草指令。以上除草過程定義為土上避苗除草模式，運(yùn)動(dòng)軌跡如圖4中的藍(lán)線所示，其中藍(lán)實(shí)線為閉合狀態(tài)(除草狀態(tài))，藍(lán)虛線為非完全閉合狀態(tài)(避苗狀態(tài))。

當(dāng)除草鏟在作業(yè)過程中省去豎直方向的運(yùn)動(dòng)，且始終置于地表以下，則定義為土下避苗除草模式，其運(yùn)動(dòng)軌跡如圖4中的黃線所示。其中黃實(shí)線為閉合狀態(tài)(除草狀態(tài))，黃虛線為非完全閉合狀態(tài)(避苗狀態(tài))。

2 除草系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 除草裝置設(shè)計(jì)

2.1.1硬件選型

除草裝置中控制除草鏟水平運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力源采用直流低壓伺服電機(jī)，型號(hào)為XK60A2A02080-SCK。其供電電壓24 V DC，額定電流7.5 A，額定扭矩1.27 N·m，額定轉(zhuǎn)速5 000 r/min。根據(jù)電動(dòng)機(jī)選取DM-806A型驅(qū)動(dòng)器，適用于驅(qū)動(dòng)小功率直流伺服電動(dòng)機(jī)，供電電壓24～50 V DC；最大連續(xù)電流達(dá)30 A；具有位置控制模式、速度控制模式和電流(轉(zhuǎn)矩)控制模式；支持RS232通信，具有溫度保護(hù)，過流、過壓、欠壓保護(hù)等功能，可靠性高。

減速器為行星減速器，減速比為16；直角齒輪箱為1根輸入軸，2根輸出軸，減速比為2；控制除草鏟豎直方向運(yùn)動(dòng)的絲杠步進(jìn)電機(jī)為57BYGH型混合式步進(jìn)電機(jī)，步距角1.8°，靜力矩1.6 N·m，相電流3 A。

2.1.2除草單體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

玉米田株間除草裝置簡(jiǎn)化模型如圖5所示，該除草單體結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)除草鏟的空間運(yùn)動(dòng)和平面運(yùn)動(dòng)2種運(yùn)動(dòng)方式，完成土上避苗除草模式和土下避苗除草模式的除草作業(yè)。

除草鏟空間立體運(yùn)動(dòng)包括水平方向和豎直方向運(yùn)動(dòng)。除草鏟的豎直方向運(yùn)動(dòng)主要由絲杠步進(jìn)電機(jī)、光軸與滑塊組成的直線滑臺(tái)模組完成；水平方向上的左右開合運(yùn)動(dòng)是由伺服電機(jī)連接減速器，通過直角齒輪箱將繞x軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成繞z軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，再通過曲柄四連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)擺臂的開合。擺臂上掛載直線滑臺(tái)模組，當(dāng)擺臂和直線滑臺(tái)模組一起工作時(shí)，除草鏟可以實(shí)現(xiàn)空間立體開合運(yùn)動(dòng)，達(dá)到土下除草土上避苗的效果，即土上避苗除草模式。

當(dāng)除草鏟在整個(gè)除草過程中被水平放置，且由直線滑臺(tái)模組始終將其置于最底端時(shí)，則除草鏟工作期間始終處于地表以下，僅能實(shí)現(xiàn)平面開合運(yùn)動(dòng)，達(dá)到土下除草土下避苗的效果，即土下避苗除草模式。

2.1.3除草鏟設(shè)計(jì)

由前期玉米田環(huán)境測(cè)量知，玉米根系在地表下20 mm處的輻射直徑約為60 mm，并參照了周福君等[10]、陳子文等[25]提出的玉米苗保護(hù)區(qū)范圍。如圖6所示，本研究將除草鏟單側(cè)張開初始距離設(shè)計(jì)為30 mm，調(diào)節(jié)范圍20～40 mm。此外，由于除草鏟在作業(yè)過程中需要長(zhǎng)期與土壤接觸摩擦，因此在材料上選擇耐磨性較好的45號(hào)鋼并經(jīng)表面熱處理增強(qiáng)其硬度，厚度為2.5 mm，入土深度約20 mm。除草鏟上有3個(gè)矩形孔，旨在通過減少土壤與除草鏟之間的接觸面積來減少二者間的阻力。

在除草鏟的土下避苗除草模式下，由于只進(jìn)行平面開合運(yùn)動(dòng)，故除草鏟始終水平放置于地表下20 mm深度位置。在土上避苗除草模式下，除草鏟傾斜向下放置，傾斜角由除草鏟的水平和豎直方向運(yùn)動(dòng)速度的復(fù)合速度確定，其計(jì)算式為

(1)

(2)

(3)

vx=ωLb

(4)

式中d——相鄰兩棵玉米苗的平均距離，m

t——機(jī)器人平臺(tái)經(jīng)過株間的時(shí)間，s

v——機(jī)器人平均前進(jìn)速度，m/s

vy——除草鏟豎直方向平均速度，m/s

vx——除草鏟水平方向平均速度，m/s

Ls——絲杠步進(jìn)電機(jī)的單程距離，m

ω——擺臂轉(zhuǎn)動(dòng)的平均角速度，rad/s

Lb——擺臂的長(zhǎng)度，m

α——除草鏟傾斜放置角，(°)

2.2 視覺系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1數(shù)據(jù)集制作

田間地面環(huán)境復(fù)雜，雜草形態(tài)豐富多樣，一些雜草的形態(tài)和玉米苗有很大的相似之處。此外，田間的光照強(qiáng)度和自然風(fēng)等外界因素變化多端。針對(duì)以上非結(jié)構(gòu)化的田間復(fù)雜環(huán)境，制作一個(gè)好的田間苗草數(shù)據(jù)集需要考慮多種田間狀況，所以圖像采集工作特別重要。QUAN等[23]在采集玉米苗圖像時(shí)，為了獲得豐富的數(shù)據(jù)集，提出了3種田間狀況，即：多角度、全周期、多天氣，最終獲得的玉米秧苗檢測(cè)率高達(dá)97.71%。

本研究中，雜草和玉米苗圖像采集地點(diǎn)為東北農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)田，采集時(shí)間為2020年6月14日，采集時(shí)玉米苗處于3～5葉期。由于該除草機(jī)器人工作時(shí)，攝像頭始終垂直于地面，所以在圖像采集時(shí)也只設(shè)定了90°一個(gè)拍攝角，滿足除草時(shí)所需的視角要求。此外，為了降低光照變化造成的影響，選取當(dāng)天3個(gè)時(shí)間段進(jìn)行采集：08：30—10:30、13：30—15：30、17：00—18：00，共采集圖像800幅，分辨率為640像素×480像素。

如表2所示，通過對(duì)圖像進(jìn)行亮度、飽和度、噪聲和模糊4種光度畸變以及翻轉(zhuǎn)、縮放、平移3種幾何畸變[26]的數(shù)據(jù)增強(qiáng)方法最終將苗草圖像擴(kuò)展到8 000幅。采用LabelImg標(biāo)記軟件制作PASCAL VOC 數(shù)據(jù)集格式的田間苗草數(shù)據(jù)集，其中70%為訓(xùn)練集，30%為驗(yàn)證集。

表2 數(shù)據(jù)增強(qiáng)后圖像數(shù)量Tab.2 Number of images generated by data augmentation methods 幅

2.2.2檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練

本試驗(yàn)需要實(shí)現(xiàn)在自然環(huán)境下對(duì)玉米苗和雜草2類目標(biāo)的快速、精準(zhǔn)檢測(cè)，為了讓視覺系統(tǒng)達(dá)到快速和魯棒的檢測(cè)效果[27]，選用在速度和精度上表現(xiàn)較好的YOLO V4模型。YOLO V4的主干提取網(wǎng)絡(luò)雖然深度多達(dá)53層，但通過引入CSP(Center and scale prediction)網(wǎng)絡(luò)不但提高了卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)能力，還加快了計(jì)算速度[28]。深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠自適應(yīng)地學(xué)習(xí)目標(biāo)特征，實(shí)現(xiàn)端到端的目標(biāo)檢測(cè)，并且能夠檢測(cè)各種動(dòng)態(tài)環(huán)境下的目標(biāo)[29]。

在玉米苗3～5葉期，圖像中的雜草和玉米苗在尺寸上相差較大，故將輸出張量26×26尺度去除，改為輸出13×13和52×52 2種尺度的預(yù)測(cè)張量，其目的是提高整體模型的速度，使其能夠更好地檢測(cè)到玉米苗(大目標(biāo))和雜草(小目標(biāo))?；赮OLO V4的雜草和玉米苗檢測(cè)流程[30]如圖7所示。

由于雜草目標(biāo)尺寸較小，為了提升檢測(cè)精度，所以選擇輸入尺寸為416像素×416像素，初始學(xué)習(xí)率0.001，動(dòng)量系數(shù)設(shè)置為0.9，分類數(shù)2，迭代次數(shù)20 000次。在所有參數(shù)中，根據(jù)數(shù)據(jù)集中的圖像特點(diǎn)和GPU的表現(xiàn)，當(dāng)批量尺寸設(shè)置為7時(shí)，訓(xùn)練效果更好。

訓(xùn)練集和驗(yàn)證集分別用來訓(xùn)練和檢測(cè)YOLO V4檢測(cè)模型。其訓(xùn)練模型基于驗(yàn)證集計(jì)算出的平均準(zhǔn)確率隨迭代次數(shù)的變化曲線如圖8所示，可以看出平均準(zhǔn)確率均值(mAP)穩(wěn)定在93%，具有較優(yōu)的檢測(cè)性能。

2.2.3檢測(cè)信息提取

當(dāng)除草機(jī)器人系統(tǒng)在田間工作時(shí)，攝像頭實(shí)時(shí)獲取壟上的玉米和雜草圖像并傳給便攜式計(jì)算機(jī)，使用計(jì)算機(jī)中的檢測(cè)模型進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。當(dāng)視覺檢測(cè)系統(tǒng)沒有檢測(cè)到株間雜草，則不向控制系統(tǒng)發(fā)送除草指令。如圖9所示，當(dāng)視覺檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)到株間有雜草時(shí)，首先通過玉米苗的綠色邊框計(jì)算出其中心點(diǎn)坐標(biāo)，并以提前設(shè)置好的保護(hù)區(qū)直徑畫圓作為作物的虛擬保護(hù)區(qū)。當(dāng)雜草的黃色邊框上邊界與下一棵玉米苗保護(hù)區(qū)中心點(diǎn)距離L1和下邊界與上一棵玉米苗的距離L2都滿足除草條件時(shí)，則向控制系統(tǒng)發(fā)送除草指令和距離L1和L2，視覺系統(tǒng)檢測(cè)流程如圖10所示。

2.3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.3.1硬件選型

控制系統(tǒng)采用STM32F407單片機(jī)作為主控芯片，該單片機(jī)是由STMicroelectronic公司開發(fā)的32位微處理器，其內(nèi)核為ARM的Cortex架構(gòu)，I/O口眾多，功能強(qiáng)大，滿足本系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。角度傳感器型號(hào)為ATK-MPU6050 V1.1，接口電壓3.3 V/5 V DC，通信方式遵循標(biāo)準(zhǔn)IIC通信協(xié)議，通信頻率400 kHz (Max)。

由上述整個(gè)除草系統(tǒng)的硬件配置可知：便攜式計(jì)算機(jī)采用220 V AC供電；伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)采用24 V供電；單片機(jī)采用5 V供電。本除草系統(tǒng)自身配備24 V鋰電池，通過逆變器從機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)上的48 V電池獲得220 V AC電源，通過降壓模塊從鋰電池獲得5 V電源，角度傳感器直接從單片機(jī)上端子獲得5 V電源。

2.3.2控制策略

如圖11所示，在除草作業(yè)開始之前，伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)首先進(jìn)行初始化?？刂葡到y(tǒng)接收到視覺系統(tǒng)傳遞的除草指令和苗草距離信息后，將距離信息L2編譯為除草鏟啟動(dòng)延時(shí)時(shí)間，將L1編譯為除草鏟閉合狀態(tài)持續(xù)時(shí)間。

在機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)前進(jìn)時(shí)，為了保證除草鏟水平運(yùn)動(dòng)和豎直運(yùn)動(dòng)的同步性，控制系統(tǒng)應(yīng)保證擺臂單向擺動(dòng)時(shí)間等于除草鏟豎直方向單程運(yùn)動(dòng)時(shí)間，滿足

(5)

式中θ——擺臂擺動(dòng)角，(°)

3 試驗(yàn)

3.1 田間試驗(yàn)環(huán)境

為了更方便統(tǒng)計(jì)除草鏟對(duì)玉米根系的傷害情況，如圖12所示，對(duì)地表下的根系進(jìn)行大致測(cè)量為：地表下10 mm，根系輻射直徑約為40 mm；地表下20 mm，根系輻射直徑約為60 mm；地表下30 mm，根系輻射直徑約為90 mm。

為了檢驗(yàn)整個(gè)除草系統(tǒng)的可行性和穩(wěn)定性，試制了樣機(jī)，并在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)田進(jìn)行株間除草試驗(yàn)，如圖13所示。試驗(yàn)田種植方式為壟作，壟距為550～650 mm，株距為250～300 mm；地塊面積約800 m2，長(zhǎng)約40 m，寬約20 m；共計(jì)約5 200株玉米苗，處于3～5葉期。

3.2 視覺檢測(cè)系統(tǒng)試驗(yàn)

視覺檢測(cè)系統(tǒng)試驗(yàn)單獨(dú)在田間進(jìn)行，攝像頭安裝在機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)上，攝像頭垂直于地面，高度與實(shí)際除草時(shí)保持一致。試驗(yàn)中采用的圖像處理設(shè)備為便攜式計(jì)算機(jī)，其配置為Intel i7 7500u 2.7 GHz處理器，GPU NVIDIA顯卡GTX1060，16 GB內(nèi)存，滿足基本檢測(cè)要求。

在試驗(yàn)中，機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)分別以速度1.0、1.2、1.5 km/h在試驗(yàn)田中行走，每種速度下完成3壟的圖像檢測(cè)并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3、4所示。

表3 玉米苗檢測(cè)結(jié)果Tab.3 Detection results of maize seedlings

表4 雜草檢測(cè)結(jié)果Tab.4 Detection results of weeds

移動(dòng)平臺(tái)在速度1.0 km/h下，玉米苗和雜草的平均檢測(cè)率都最高，而在速度1.5 km/h下檢測(cè)率有所下降。造成以上結(jié)果的原因可能是隨著機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)速度的提高，攝像頭采集到的圖像質(zhì)量下降，視覺系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)能力下降，導(dǎo)致某些玉米苗和雜草被漏檢。

由表3、4看出，玉米苗檢測(cè)結(jié)果穩(wěn)定，雜草檢測(cè)結(jié)果發(fā)生輕微波動(dòng)，通過查看檢測(cè)過程中的錄屏發(fā)現(xiàn)造成該結(jié)果的原因可能是在俯視的角度下，小尺寸雜草和玉米苗的葉子重疊[31]，導(dǎo)致雜草只有局部被“看”到或者完全“看”不到，增加了檢測(cè)難度。

3.3 除草試驗(yàn)

除草試驗(yàn)共分2種除草模式進(jìn)行，第1種是除草鏟土下避苗除草模式，即除草鏟始終在壟臺(tái)地表下20～30 mm的平面內(nèi)進(jìn)行開合運(yùn)動(dòng)；第2種是除草鏟土上避苗除草模式，除草鏟傾斜放置，與水平面呈約37°夾角，綜合其水平和豎直方向運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)空間立體開合運(yùn)動(dòng)。參照文獻(xiàn)[5，7，16]對(duì)除草機(jī)器人作業(yè)速度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，本研究設(shè)定在平臺(tái)前進(jìn)速度為1.2 km/h時(shí)，進(jìn)行2種避苗除草模式試驗(yàn)，除草原則都是基于視覺系統(tǒng)檢測(cè)到株間有雜草時(shí)才進(jìn)行除草作業(yè)，否則不進(jìn)行作業(yè)。

在每種除草模式下，基于玉米根系損傷最小化目的，田間試驗(yàn)按保護(hù)區(qū)直徑共分為3組進(jìn)行，直徑分別設(shè)置為40、60、80 mm，每組試驗(yàn)分別進(jìn)行3次取平均值，以此來檢驗(yàn)除草裝備的穩(wěn)定性和除草、避苗以及根系保護(hù)的效果。每次試驗(yàn)后統(tǒng)計(jì)傷苗率、除草率和傷根率，并計(jì)算出平均除草率、平均傷苗率和平均傷根率。除草率和傷苗率統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表5、6所示。由表5、6可知，平均除草率均高于81%，但隨著保護(hù)區(qū)直徑設(shè)計(jì)逐漸減小，株間可除草區(qū)域?qū)?yīng)增大，可除雜草數(shù)量增多，除草能力增強(qiáng)，除草率增加。此外，玉米苗保護(hù)區(qū)減小，給除草系統(tǒng)避苗帶來更大挑戰(zhàn)，傷苗率也有所增加，且以上結(jié)果在2種模式下都有體現(xiàn)。

表5 土下避苗除草模式下的除草率、傷苗率統(tǒng)計(jì)Tab.5 Statistics of rate of weeding and maize seedlings injured under mode that weeding shovels were always placed under ground to avoid maize seedlings

表6 土上避苗除草模式下的除草率、傷苗率統(tǒng)計(jì)Tab.6 Statistics of rate of weeding and maize seedlings injured under mode that weeding shovels were placed on ground to avoid maize seedlings

玉米苗傷根率對(duì)比如表7所示，2種模式下的傷根率相差很大，其中保護(hù)區(qū)直徑在40 mm時(shí)對(duì)比最為明顯，土上避苗除草模式減少了約50個(gè)百分點(diǎn)。造成這一明顯現(xiàn)象的原因可能是當(dāng)保護(hù)區(qū)直徑設(shè)置偏小時(shí)，清除距離玉米苗較近的雜草會(huì)使得末端執(zhí)行器進(jìn)入作物根系受損的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，如圖3紅色方塊區(qū)域所示。以上關(guān)于傷根率的結(jié)果顯示，土上避苗除草模式平均傷根率為3.35%，相較于土下避苗除草模式降低了36.40個(gè)百分點(diǎn)，十分有利于降低玉米根系受損風(fēng)險(xiǎn)，充分發(fā)揮了保護(hù)作物根系的作用。

4 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了包括視覺檢測(cè)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和機(jī)械除草裝置在內(nèi)的株間除草機(jī)器人系統(tǒng)，可在3～5葉期的玉米田內(nèi)進(jìn)行株間除草。該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，可完成苗草識(shí)別、定位和除草等一系列工序。

(2)提出了一種基于除草鏟空間立體運(yùn)動(dòng)的株間土上避苗除草模式。為實(shí)現(xiàn)該運(yùn)動(dòng)模式設(shè)計(jì)了除草裝置，通過一個(gè)伺服電機(jī)和四桿機(jī)構(gòu)完成除草鏟水平運(yùn)動(dòng)，通過2個(gè)絲杠步進(jìn)電機(jī)完成除草鏟豎直方向運(yùn)動(dòng)，綜合以上2個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)控制除草鏟完成空間立體運(yùn)動(dòng)。在該運(yùn)動(dòng)下，玉米苗保護(hù)區(qū)域變小，可除草區(qū)域增大，且除草鏟避苗時(shí)處于地表以上，遠(yuǎn)離玉米苗根系。

(3)建立了基于YOLO V4模型的視覺系統(tǒng)來檢測(cè)玉米苗和雜草，并通過修剪去除26像素×26像素尺度特征層，降低了單幀圖像處理時(shí)間，提高了檢測(cè)速度。在移動(dòng)平臺(tái)前進(jìn)速度為1.2 km/h時(shí)玉米苗的檢測(cè)率高達(dá)96.04%，雜草檢測(cè)率高達(dá)92.57%，驗(yàn)證了苗草視覺檢測(cè)系統(tǒng)的可行性。

(4)田間試驗(yàn)分別測(cè)試了土上避苗除草模式和土下避苗除草模式。在2種模式下，分別對(duì)比了不同玉米苗保護(hù)區(qū)直徑下的除草率、傷苗率和傷根率。結(jié)果表明，在機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)前進(jìn)速度為1.2 km/h時(shí)，除草率均高于81%，土上避苗除草模式的平均傷苗率和傷根率均低于土下避苗除草模式，其中傷根率為3.35%，平均降低了36.40個(gè)百分點(diǎn)，驗(yàn)證了土上避苗除草模式除草效果好，且具有較優(yōu)的保護(hù)作物根系的性能。