廣東省果園智能除草裝備現(xiàn)狀與展望

甘 玲，李君略,2，何 林，李沐桐※

（1.廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所，廣州 510630；2.廣東弘科農(nóng)業(yè)機械研究開發(fā)有限公司，廣州 510630）

0 引言

廣東省果園種植面積有96.05萬hm2，省內(nèi)各地分布如圖1所示，其中廣州、梅州、肇慶、湛江、茂名等地的總種植面積約占全省的55.3%，多為丘陵山區(qū)，種植主要以柑桔橙、香（大）蕉、荔枝和龍眼為主[1]。在果園生產(chǎn)關鍵環(huán)節(jié)中，除草作業(yè)是決定果園產(chǎn)量、果品質量的重要因素。目前果園的除草方式主要以人工作業(yè)為主，且傳統(tǒng)藥劑大面積噴除方式會帶來嚴重的污染與殘留問題，對于果樹種植密度大，分散性大，地形多變等特點而言，人工作業(yè)不僅難度大、安全性低且勞動強度高[2,3]。近年來，通過政策促進與鼓勵措施，農(nóng)業(yè)機械化水平有所提高，但農(nóng)機化作業(yè)基礎依舊薄弱、針對性適配裝備短缺、智能化技術程度較低。因此，探索智能化除草機器人作業(yè)模式已成為廣東省農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的迫切需要。

圖1 2018年廣東省果園種植面積分布概況

1 果園機械化除草現(xiàn)狀

根據(jù)對廣東省果園生產(chǎn)環(huán)節(jié)管理情況的實地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，其生長環(huán)境地形多變，作物多樣化種植，植株矮密且分散性大，傳統(tǒng)大田除草機具底盤在這種地形上作業(yè)，行走通過性很差[4]。因此，在地貌特征與種植特點的約束下，大多數(shù)標準農(nóng)用機具無法正常運行，其作業(yè)難度大、行走通過性低、穩(wěn)定性差等問題也是多年來制約丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)機械化發(fā)展的瓶頸因素。

近年來，為保證丘陵山區(qū)果園除草作業(yè)的靈活性和質量，國內(nèi)外涌現(xiàn)了一些小型特色機型，如KASS企業(yè)生產(chǎn)的UPH270型手持式多功能割草機，如圖2所示，其結構簡單，操作靈活，但作業(yè)效率低，僅為0.04 hm2/人·d；山東濰坊森海機械制造有限公司研制的森海3GT-80除草機，如圖3所示，割幅為800 mm，有效地提高了作業(yè)效率，并具有輕質低能耗的特點，但其割茬高度僅為100～300 mm，且采用地輪方式行走，不能較好地適用于坡地、坑溝環(huán)境，在實地作業(yè)中依然不能清除較高的灌木與雜草。2018年，廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所研制的GC550/800型手扶自走式割草機，如圖4所示，該機型采用小型履帶行走方式，甩刀式打草方式（550/800 mm），有效地提高了作業(yè)效率和質量，且適合丘陵山區(qū)果園作業(yè)，操作員按每天工作6 h計算，一天可完成約2.7 hm2；日本ATEX公司研制的R-805AB型乘坐式自走割草機，如圖5所示，可減輕勞動力，但其輪式行走方式受地形限制，在大坡度環(huán)境下的通過性較差，不能完全適應丘陵山區(qū)的果園作業(yè)。

2 機械化作業(yè)存在的關鍵問題

2.1 過溝越障能力不足

圖2 小型手持背負式割草機

圖3 3GT-80型除草機

圖4 手扶自走割草機（GC550）

圖5 乘坐式自走割草機（R-805AB）

在丘陵山區(qū)果園作業(yè)中，其地形地貌復雜多樣，凸凹不平，農(nóng)機具行走穩(wěn)定性和通過性較差，易產(chǎn)生傾翻等現(xiàn)象，存在安全隱患[5,6]。其主要原因是由于在突起障礙、坡溝狀況行走過程中的阻力會發(fā)生持續(xù)大幅度突變，導致因動力不足發(fā)生“打滑、卡死”等狀態(tài)，或因機體失衡發(fā)生側翻等現(xiàn)象，目前配套的底盤自動調(diào)平和農(nóng)機具自適應調(diào)節(jié)技術比較落后，在平衡控制與行走仿形功能方面仍需針對性研究，混合動力的應用也較少。

2.2 遠程控制技術落后

在作業(yè)過程中，考慮到人工作業(yè)的難度與危險性，無人作業(yè)或遠程遙控作業(yè)已成為主要發(fā)展方向，而自主導航、路徑規(guī)劃等自動行駛技術是突破此問題的關鍵，由于丘陵山區(qū)地理信息不穩(wěn)定，采集關鍵數(shù)據(jù)的準確度低、難度大，目前采用的方法是高成本構建環(huán)境地圖，通過地圖反饋實現(xiàn)部分區(qū)域的導航控制，這也是多年來阻礙丘陵山區(qū)智能農(nóng)機發(fā)展的關鍵問題。

2.3 復雜目標識別定位研究薄弱

廣東省果園環(huán)境具有多樣化、低矮密植、作物嬌嫩等特點，且頑固巖體無規(guī)則分布，植被堆積較多，灌木、雜草分散量大，作業(yè)環(huán)境惡劣，在除草環(huán)節(jié)中，硬性障礙物與機具關鍵執(zhí)行部件常出現(xiàn)撞擊、摩擦現(xiàn)象，造成機具頻繁受損、失靈等問題[7]。當前國內(nèi)外對于果樹、雜草、障礙物等辨識定位技術有較多的基礎性研究，但應用在大田、株間除草居多，針對丘陵山區(qū)果園復雜環(huán)境的研究還是空白。

3 對策與建議

3.1 加強政策支持

近年來，丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)機械化已成為廣東省的重點發(fā)展領域之一，自2015年農(nóng)業(yè)農(nóng)村部出臺了《到 2020 年農(nóng)藥使用量零增長行動方案》后，2018年10月，廣東省科技廳先后發(fā)布了《廣東省重點領域研發(fā)計劃2018—2019 年度 “智能機器人和裝備制造”重大科技專項申報指南》和《廣東省重點領域研發(fā)計劃2018—2019年度“智能農(nóng)機裝備”重點專項申報指南》，全面針對丘陵山地機械化、國產(chǎn)裝備可靠性和適應性差等問題，支持關鍵技術攻關和裝備研制；同年12月，廣東省農(nóng)業(yè)農(nóng)村廳發(fā)布了《2019年省級鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略專項資金第二批（省級項目）入庫申報指南》，在丘陵山區(qū)農(nóng)機裝備產(chǎn)業(yè)化能力提升專項中，對廣東省丘陵山區(qū)林果業(yè)機械化的發(fā)展給與了充分支持。在此前提下，除草作為丘陵山區(qū)耕、種、收、運等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的關鍵環(huán)節(jié)，做好智能除草裝備的研制與推廣，是奠定廣東省特色農(nóng)機發(fā)展的重要基礎，在政策與支持方向上，還需細化機具類型，明確具體功能機型，以便提供有效技術支持與產(chǎn)能供給。

3.2 提升可靠性研究

基于丘陵山區(qū)地貌特征，搭建坡度調(diào)節(jié)試驗設施，對行走底盤、執(zhí)行部件、動力輸出裝置及傳動結構進行可靠性試驗研究，保證在作業(yè)過程中的靈活性與穩(wěn)定性；針對坡度變化不確定、坑溝、頑固障礙物隨機分布等環(huán)境條件，改進關鍵除草部件刀型、排列方式等設計，優(yōu)化刀具數(shù)量、刀輥轉速等工作參數(shù)，在降低能耗、高效作業(yè)的基礎上，最大程度保護核心裝置。

3.3 開發(fā)智能化技術

由于丘陵山區(qū)作業(yè)環(huán)境復雜、條件惡劣，半自動（手持式、乘坐式）除草機不能有效保障操作人員的安全性，采用智能化控制技術可以有效解決此問題，包括果園環(huán)境大數(shù)據(jù)采集與知識庫的建立（土壤質地、地形形狀、枝干、雜草與灌木的紋理和顏色特征等）、復雜目標快速識別、遠程實時交互平臺開發(fā)、抗干擾技術搭載、混合動力控制、自動駕駛與全程導航監(jiān)測技術、機器視覺與路況感知技術及自適應調(diào)控技術等[8,9]。智能化的研發(fā)是需要不斷地改進、糾正和完善的，發(fā)展進程可按如下技術成熟度逐步實現(xiàn)：人員遙控作業(yè)、遠程交互作業(yè)、自動巡航智能監(jiān)測作業(yè)[10,11]，每一步對丘陵山區(qū)智能農(nóng)機的發(fā)展都有著重要的意義[12]。目前，主要以遙控作業(yè)為主要研制方向，技術成果可作為未來智能化可持續(xù)研究基礎和參考依據(jù)。

3.4 強化集成性能

總體技術集成是智能除草裝備研制成功的最關鍵環(huán)節(jié)，涉及多種感應裝置、控制元件、調(diào)節(jié)模塊、監(jiān)測設備與多自由度的復雜機械結構相連接，若其中某個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，可能造成整機無法正常使用[13,14]。在作業(yè)性能方面，部件的標準化、模塊化要統(tǒng)一分類與規(guī)定，以逐步完善丘陵山地果園除草裝備的作業(yè)效率和性能。

4 結語

廣東省丘陵山區(qū)除草智能機械化是發(fā)展丘陵山區(qū)特色農(nóng)機裝備的首要目標，也是重要的一步，目前機械化裝備未形成有效供給，智能控制技術還不能成熟應用，因此，需要全力突破重大前沿技術，提升廣東省特色農(nóng)機裝備智能化水平，針對性攻克核心零部件技術與制造工藝，是加速廣東省丘陵山區(qū)農(nóng)機裝備升級發(fā)展的重點。本文結合廣東省丘陵山區(qū)果園的實際情況，針對除草環(huán)節(jié)，對目前丘陵山區(qū)果園農(nóng)機化裝備現(xiàn)狀進行總結和闡述，根據(jù)具體作業(yè)方式，對智能化農(nóng)機進行初步分析與討論，并提出對策與建議，以加快提升廣東省丘陵山區(qū)果園智能除草裝備水平。