老福興 張秀花 張江紅

1、河北農(nóng)業(yè)大學機電工程學院 2、河北農(nóng)業(yè)大學園藝學院

引言

隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展，現(xiàn)代化果園已經(jīng)普及到全國各地?，F(xiàn)代化果園有著高壟、窄株、行寬矩形的栽植方式，這種栽培方式有利于機械化作業(yè)[1]。此外，由于現(xiàn)代化果園的發(fā)展，國內(nèi)的除草作業(yè)經(jīng)歷了由化學除草到機械式除草的轉(zhuǎn)變[2]。然而傳統(tǒng)的除草機械在現(xiàn)代化果園中進行除草作業(yè)時，無法清除果樹樹盤附近的雜草，只能清除行間的除草，會導致果樹株間雜草生長泛濫，降低除草效率。為解決果園中不便于機械化除草的情況，國內(nèi)果園株間除草機械的研發(fā)越來越多。果園株間除草機可對果樹株間和行間雜草進行清除，作業(yè)效率高，除草徹底。本文主要是介紹了果園避障除草機國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及其技術(shù)要點，提出了現(xiàn)階段我國避障除草機存在的問題。

1 果園避障除草機研究現(xiàn)狀

1.1 國外研究現(xiàn)狀

國外于20世紀50年代已經(jīng)開始對機械除草技術(shù)進行研究，到目前為止，國外的除草技術(shù)已發(fā)展成熟，其自動化程度、功能已達到很高的水平[3]。國外早期除草機僅僅是用于庭院作業(yè)，而后L型旋耕刀的研制，使得除草機從庭院轉(zhuǎn)向田間作業(yè)[4]。此時期的除草機械只是局限于行間除草，直至20世紀80年代初，荷蘭Wageningen Agricultural University的Kouwenhoven等開始研究運用起壟鋤進行行間和株間除草[5]。而后丹麥的Melander[6]等研究了一種對刷式除草機，如圖1所示。該除草機利用豎直旋轉(zhuǎn)的刷子將作物周圍的雜草去除。波蘭農(nóng)機生產(chǎn)企業(yè)JAGODA JPS生產(chǎn)了一款ZOFIA除草機，其是一款果園人工協(xié)作株間除草機，通過人工操作手柄除草裝置與果樹的相對位置實現(xiàn)避障，從而達到避障除草作業(yè)[7]。

圖1 對刷式除草機

丹麥的Noremark等研制了一種基于GPS導航技術(shù)實現(xiàn)自動避障的除草機。該除草機通過GPS實時控制拖拉機與除草鏟的橫向位移和縱向位移，能夠有效避開作物，保證在株間除草[5]。

意大利AEDES公司和ARRIZZA公司生產(chǎn)的果園株間自動避障除草機，該機械除草裝置多樣，一臺拖拉機可與多種除草裝置配合使用，可實現(xiàn)單邊和雙邊株間進行除草[7]。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國最早對除草機械的研究始于20世紀60年代，與國外相比，我國機械除草技術(shù)的研究落后，且發(fā)展時間短，設備落后。經(jīng)過多年的研究與試驗，在吸收國外先進技術(shù)的基礎上，結(jié)合國內(nèi)的研究技術(shù)，先后研制多用途復合型作業(yè)機械，如煙臺市農(nóng)業(yè)機械科學研究所研發(fā)的3ZP-1600型蘋果中耕除草機，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。該除草機具有自動避讓功能與寬幅可調(diào)鏟式松土的除草性能，可實現(xiàn)果園中的行內(nèi)株間雜草清除與松土保墑作業(yè)[8]。

圖2 3ZP-1600型蘋果中耕除草機結(jié)構(gòu)

新疆石河子大學的張斌[9]研制了一種果園自動讓樹除草機，該除草機的一側(cè)安裝有讓樹除草裝置，此裝置可以有效地避開樹干清除果樹株間雜草，大大提高了果園除草效率。

石河子大學機械電氣工程學院朱站偉[10]等針對新疆果園種植模式，研究出來一款與輪式拖拉機配套使用的果園避障除草機。安裝在除草機機架主梁兩端的避障除草裝置在液壓系統(tǒng)的控制下完成對果樹株間雜草的清除作業(yè)。

中國農(nóng)業(yè)大學工學院徐麗明[11]等針對清除葡萄株間雜草而設計的一種新型籬架式栽培葡萄株間自動避障除草機。在除草機右側(cè)邊板上安裝有株間除草裝置，機械感應觸桿碰觸到植株時，液壓系統(tǒng)開始作用，使得安裝有除草刀的斜拉桿發(fā)生一定的轉(zhuǎn)動，使得除草刀進入相鄰的作物之間進行除草實現(xiàn)避障除草作業(yè)。

2 避障除草機技術(shù)要點

2.1 除草機避障檢測裝置

果園株間除草避障裝置分為接觸式避障裝置和非接觸式避障裝置。接觸式避障的避障檢測裝置是由機械感應觸桿接觸障礙物來實現(xiàn)避障檢測，并且由液壓控制系統(tǒng)控制實現(xiàn)避障作業(yè)。如石河子大學的羅進軍、王斌[12]等研發(fā)的果園避障旋耕機是通過接觸式避障檢測裝置來對障礙物進行檢測，該割草機上的機械觸桿接觸果樹或障礙物后，避障系統(tǒng)開始工作。

非接觸式避障的檢測裝置是由機器視覺技術(shù)、傳感器檢測技術(shù)和GPS導航定位等技術(shù)對障礙物進行無接觸避障檢測。石河子大學機械電氣工程學院的何義川[13]等設計了一種葡萄園避障除草機，此除草機采用傳感器對障礙物進行檢測避障。除草機在進行除草作業(yè)時，傳感器會檢測前方是否有障礙物，當檢測到障礙物時，避障系統(tǒng)會發(fā)生作用，除草機進行株間避障除草。蘭州理工大學機電工程學院的賈耀文[14]設計的多功能果園避障除草機器人的避障裝置由激光掃描儀、電動推桿等部件組成。該除草機器人避障檢測裝置采用無接觸式激光掃描儀無接觸式檢測障礙物，當激光掃描儀檢測到樹干障礙物，激光掃描儀控制器會發(fā)出指令給電動推桿，從而實現(xiàn)避障。

針對超聲波對果樹無接觸式監(jiān)測避障，主要是利用超聲波的發(fā)射，回波接收及處理的方式對目標障礙物進行檢測[15]。如山東師范大學的侯東偉[16]設計的一種除草機自動行走避障裝置，該裝置通過STM32發(fā)出PWN信號從而驅(qū)動超聲波換能器發(fā)出超聲波信號，經(jīng)過回波接收及處理，保證對前方障礙物的檢測。

2.2 避障裝置的控制系統(tǒng)

果園避障除草機的避障裝置是通過除草機控制系統(tǒng)的控制來實現(xiàn)避障，當避障裝置上的檢測裝置檢測到障礙物時，會反饋給控制系統(tǒng)做出反應從而實現(xiàn)避障效果。如中國農(nóng)業(yè)大學工學院徐麗明[11]等針對清除葡萄株間雜草而設計的一種新型籬架式栽培葡萄株間自動避障除草機。其通過液壓系統(tǒng)控制除草機避障裝置實現(xiàn)避障作業(yè)，當機械感應觸桿接觸到植株時，會引起液壓系統(tǒng)發(fā)生作用，控制液壓缸的伸縮，從而實現(xiàn)避障效果[17]。

非接觸式避障一般是通過已完成編程的Arduino單片機或其他編程軟件作為避障除草機控制系統(tǒng)對躲避障礙物操作進行控制[18]。蘭州理工大學機電工程學院的許杰設計的新型果園除草機器人是通過Arduino編程的方式，將各個硬件部分驅(qū)動起來。當系統(tǒng)工作時，障礙物檢測模塊控制口發(fā)出一個高電平信號，定時器開始計時，信號波碰到障礙物后返回接收口，此時接收口接收的信號為低電平信號，然后通過讀取定時器的值，計算出至障礙物的距離。當距離等于設定的安全函數(shù)值時，檢測模塊發(fā)出數(shù)字信號到報警器，報警器發(fā)出聲音報警，此時，作業(yè)人員通過遠程操控除草機完成避障作業(yè)[19]。

3 結(jié)論與展望

通過對國內(nèi)外自動果園避障除草機研究現(xiàn)狀的對比發(fā)現(xiàn)，我國對果園自動避障除草機的研究較晚，技術(shù)上不成熟，大多數(shù)采用接觸式避障方式，在除草過程中對果樹的損失較為嚴重。因此，在避障方式上迫切需要融入創(chuàng)新性、先進性的技術(shù)。

基于對果園避障除草機的技術(shù)要點的分析，歸納出我國國內(nèi)缺乏智能監(jiān)測避障裝置的智能化果園除草機械，缺少運用超聲波避障監(jiān)測、紅外避障技術(shù)、視頻識別避障等避障監(jiān)測技術(shù)。為此，我國應積極開展新型超聲傳感器的研制并應用于避障除草技術(shù)上，加強果園除草機械向高智能化、自動化水平轉(zhuǎn)型發(fā)展。在控制系統(tǒng)上運用Arduino Mega2560單片機、STM32F103單片機、PLC可編程序控制器、ROS功能包等作為控制器，控制避障監(jiān)測裝置的運行，實現(xiàn)除草機械的智能化操作。

此外，還需要吸收借鑒國外果園除草機械先進技術(shù)，加強創(chuàng)新性發(fā)展，實現(xiàn)現(xiàn)代化果園種植模式與機械除草技術(shù)協(xié)同發(fā)展。