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)機械關(guān)鍵技術(shù)與裝備山西省重點實驗室，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，我國果園的機械化程度和機械化普及率較低，果園優(yōu)勢產(chǎn)區(qū)與非優(yōu)勢產(chǎn)區(qū)的綜合機械化程度分別不到20%和10%，且丘陵地區(qū)果園機械化水平僅為5.7%左右，極大地制約了我國果園機械化的發(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，且勞動強度高，因此對果園割草的機械化需求日漸迫切[6-8]。同時，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)外割草機切割裝置、行走裝置、仿形裝置、避障裝置、導(dǎo)航及自動識別裝置的技術(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。旋刀式割草機具有結(jié)構(gòu)簡單、操作可靠、不堵刀的特點，但重割面積大；往復(fù)式割草機對雜草生長狀態(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，采用甩刀式切割裝置，由拖拉機三點式懸掛并通過萬向軸提供動力；其切割裝置運用的錘刀型甩刀優(yōu)點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，且錘刀自身強度大，耐磨損；錘刀式甩刀使用單螺旋形排列，三個甩刀為一組，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)田間試驗表明，該割草機性能良好，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，其割草裝置與總機采用單點式鏈接，且動力機構(gòu)通過三角膠帶傳動帶動切割裝置工作，工作中刀柄以650 r/min的轉(zhuǎn)速做往復(fù)切割運動；通過田間測試得出，割草機的設(shè)計簡約且操控性好，切割裝置和支架采用單點鏈接，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，其切割裝置運用旋刀式切割器，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；縱向切割為副切割系統(tǒng)，采用定刀圓盤式大刀片設(shè)計；主副切割系統(tǒng)處于同面，可以有效降低漏割率。

外國的割草機械最早僅作用在個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，運用割草機構(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，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

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

楊福增等[20]設(shè)計的圖傳遙控式割草機，整機采用輪式行走方式，四個車輪均由獨立的直流電機帶動，通過控制四個獨立電機的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速即可進(jìn)行割草機的前進(jìn)后退和左右轉(zhuǎn)彎，不需單獨設(shè)計轉(zhuǎn)向機構(gòu)，簡化了整車結(jié)構(gòu)，達(dá)到了輕量化的目的；通過田間試驗得到圖傳遙控式割草機的作業(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)計了一種履帶式割草機，采用了橡膠履帶，其行走機構(gòu)由導(dǎo)向輪、支重輪、驅(qū)動輪、橡膠履帶、張緊裝置組成，提高了割草機的爬坡性能，且不會對履帶下的植被生長造成破壞，同時對整機的緩震起到一個支撐作用；經(jīng)過田間試驗得出，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，將靈活性和模塊化技術(shù)創(chuàng)新結(jié)合，Elite型號割機的行走方式采用輪式行走，后邊為兩個驅(qū)動大輪，前邊則為兩個導(dǎo)向小輪，它通過雙電機帶動驅(qū)動輪行走，保證了割草機的馬力充足，并且在割草機4個方位上安裝了輔助輪，提高了割草機在丘陵地區(qū)行走的穩(wěn)定性[22]。

1.3 仿形裝置

傳統(tǒng)割草機在丘陵山地的坑洼不平地面作業(yè)時，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)計了仿形裝置。仿形裝置分為主動仿形和被動仿形，主動仿形通過機身的傳感器對地面高度進(jìn)行測量，傳回信號調(diào)節(jié)仿形機構(gòu)，達(dá)到仿形效果，但其響應(yīng)速度慢，仿形成本高；被動仿形通過機身自帶的機械裝置，可根據(jù)地面高度的起伏變化帶動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采用被動仿形，割草機仿形裝置的一端通過旋轉(zhuǎn)副與割草機底部下的割草機構(gòu)相互連接，另一端則通過剛性材料與割草機構(gòu)進(jìn)行連接，并在電機的前端安裝限深機構(gòu)，完成仿形過程；田間試驗結(jié)果表明，山地果園仿形割草機平均割茬穩(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，其仿形裝置由滑掌、浮動彈簧、抬高液壓缸等組成，通過將作業(yè)中浮動彈簧感受到的地面高低起伏的變化傳遞給液壓缸，從而帶動割草機調(diào)節(jié)割茬高度；田間試驗表明，該果園仿形割草機的割茬高度減少了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，主要適用于山地丘陵地區(qū)作業(yè)環(huán)境，其仿形機構(gòu)上的割草裝置與地面不發(fā)生接觸碰撞；仿形機構(gòu)是由多個單體仿形裝置構(gòu)成，仿形結(jié)構(gòu)由仿形輪、機架、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，并帶動仿形架進(jìn)行擺動運動，達(dá)到穩(wěn)定割草的目的。

Franet[26]采用兩自平衡彈簧，實現(xiàn)浮動仿形割草。Schlesser等[27]通過在懸臂梁上設(shè)置浮動連桿，實現(xiàn)仿形作業(yè)。Class公司設(shè)計了一種仿形割草機，通過機架與拖拉機鉸鏈連接，使切割器在作業(yè)時能在豎直平面內(nèi)自由轉(zhuǎn)動，并利用彈管承重，隨地起伏浮動，實現(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，割草機既能行間切割，又能同時進(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)割刀和機具在株間作業(yè)時不與果樹進(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，采用先進(jìn)的激光掃描技術(shù)，當(dāng)割草機進(jìn)行割草作業(yè)時，激光掃到前方樹干后傳回信號，機具通過傳回的信號對株間切割裝置發(fā)出繞軸逆時針旋轉(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，機具對株間割草機構(gòu)發(fā)出繞軸順時針旋轉(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)了一種自走式自動避障除草機，其避障裝置進(jìn)行割草作業(yè)時，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，保證避障機構(gòu)提前快速有效地完成避障。尹鴻超[32]設(shè)計了一款基于模糊控制的割草機器人，其避障方式為機械避障，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會給弧形臂一個向后的力，弧形臂繞中心軸做旋轉(zhuǎn)運動起到一個避障的作用；當(dāng)避障結(jié)束后，弧形臂兩邊的拉壓彈簧帶動弧形臂回到正常工作位置；通過試驗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復(fù)位彈簧裝置，從而進(jìn)行被動避障，當(dāng)株間切割裝置碰到果樹及障礙物時，復(fù)位彈簧受到一個外壓力發(fā)生壓縮形變，使株間切割裝置繞果樹及障礙物產(chǎn)生繞軸運動；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。

基于實時動態(tài)GPS導(dǎo)航，丹麥的Norremark等[33]研究了一種自動避開作物的株間除草機，運用自動控制系統(tǒng)對拖拉機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，易于操作[35]。

1.5 導(dǎo)航及自動識別裝置

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，果園割草機對無人化、智能化的要求越來越高，智能的無人割草機在高密度矮樹種種植的果園除草時既可減少勞動力，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)計了一種履帶式智能全電割草機，運用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實時定位，使得割草機能夠?qū)崿F(xiàn)自主導(dǎo)航。艾永平等[37]基于機器視覺研發(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機器視覺系統(tǒng)，能自動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)實青草所在位置坐標(biāo)，實現(xiàn)割草機的自動除草。張祥[38]進(jìn)行了基于IMU與DGPS的智能割草機導(dǎo)航定位研究，運用低成本器件在嵌入式端實現(xiàn)了低成本差分GPS；并針對單個導(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)，實現(xiàn)了IMU/DGPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)，通過算法與策略，實現(xiàn)了割草機路徑規(guī)劃與自動割草、自主充電、自主避障、安全保障等自動化功能。

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個計算機系統(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)有割草機顯現(xiàn)出的不足，今后應(yīng)從以下兩個方面展開討論研究：

1）加強對割草機核心部件的研發(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)，增強割草機的自主導(dǎo)航性能，以切實實現(xiàn)無人、智能的現(xiàn)代化割草機市場。在優(yōu)化割草機本身功能的同時，也要提高割草機具的使用性能與耐久度，通過正確選用全機材質(zhì)和切割刀具的材質(zhì)，提高割草機具耐久性，提升全機器生產(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，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提出了更高的挑戰(zhàn)。為滿足時代發(fā)展的要求，需要每一位農(nóng)業(yè)機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，實現(xiàn)割草機自動化、智能化、信息化應(yīng)用，推進(jìn)果園智能機械化割草進(jìn)程。