果園機(jī)械除草發(fā)展分析及前景展望

中圖分類號(hào)：S224.15 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-5553（2025）07-0190-08

Abstract：Weding isanimportant link infruit tree management.Timelyandefective weedremoval isconducivetoreducing orchard pestanddiseaseinfection，improvingfruit yieldandfruitquality，andincreasing orchardeconomic benefits. Mechanical weeding has thecharacteristicsof low energyconsumption，safety，high efficiencyandgreen environmental protection，which are thecurent research hotspot and the direction of fruit tree management.Thispaper reviews and summarizes thecurent research status of weder at home and abroad from the aspects of suspension traction type，selfwalkingcaterpilartypeand intellgenttype，andexpoundstheresearchprogressofkeycomponentssuchascutting deviceandcopying deviceoforchardweeding equipment，aswellas innovativebreakthroughs in key technologies such as navigationand obstacle avoidance.There are some problems in China’sorchard mechanical weeding equipment，such as poor integration ofagricultural machineryandagronomy，low level ofRamp;Dand manufacturing，low degreeof intellgentmechanization，andinsuffcientapplicationofhighandnewtechnology.Itispointedoutthatthedevelopment ofagriculturalmachineryandagronomicintegration technology isanimportant driving force topromotetheaplication upgradeofintellgentwedingequipmentandimprovethemanagementleveloforchards，anditisclearthatChina’s intellgent weeding robot is enteringaperiodofrapid development，anditis alsoa keyopportunityfor China to quicklyfollow up theinterationalleading technology.This provides suggestionsfortechnological innovation，performanceimprovementand equipment research and development of orchard weeding machinery in China.

Keywords：orchard;mechanical weeding；weedingequipment；agriculturalmachineryandagronomic integration；intelientization

0 引言

在不斷提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化水平的戰(zhàn)略要求下，果業(yè)作為我國(guó)農(nóng)業(yè)的重要組成部分，其機(jī)械化生產(chǎn)將成為提升果品質(zhì)量和產(chǎn)量的重要手段。除草是果樹(shù)管理中的重要環(huán)節(jié)，及時(shí)有效清除雜草，可提高果樹(shù)產(chǎn)量與果品質(zhì)量，增加果園經(jīng)濟(jì)收益。果園管理是勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)，其中果園除草環(huán)節(jié)是投入勞動(dòng)力最大的環(huán)節(jié)，當(dāng)前受勞動(dòng)力短缺、用工成本高等因素影響，傳統(tǒng)的人工除草、化學(xué)藥物除草難以適應(yīng)現(xiàn)代生態(tài)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求。為解決果園管理勞動(dòng)力短缺問(wèn)題，滿足果園除草精確、高效和環(huán)保的強(qiáng)烈需求，應(yīng)大力推進(jìn)果園機(jī)械化、智能化管理[1]，果園機(jī)械化管理是果園持續(xù)高質(zhì)量發(fā)展的主要方向2，研發(fā)智能除草裝備是實(shí)現(xiàn)果園雜草管理的重要途徑。我國(guó)大力推動(dòng)果園生產(chǎn)體系的建立與完善，果園規(guī)?；l(fā)展和規(guī)范化管理的要求日益提高[3]，以機(jī)藝融合為基礎(chǔ)的果園機(jī)械化發(fā)展正在加速推進(jìn)，智能化、精準(zhǔn)化的果園除草技術(shù)在標(biāo)準(zhǔn)化果園條件下急需進(jìn)一步突破。目前，果園機(jī)械除草技術(shù)研究主要集中于利用先進(jìn)技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)除草機(jī)進(jìn)行智能化升級(jí)，促使除草機(jī)朝輕簡(jiǎn)型、多功能、智能化的方向發(fā)展。

本文通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外果園除草裝備研究現(xiàn)狀進(jìn)行梳理和總結(jié)，分析國(guó)內(nèi)外除草設(shè)備的研究進(jìn)展，剖析果園除草關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀，得出我國(guó)果園除草裝備發(fā)展面臨的難題，明確發(fā)展趨勢(shì)，并提出建議。

1果園除草裝備研究現(xiàn)狀

1.1懸掛式割草機(jī)

懸掛式割草機(jī)利用懸掛裝置通過(guò)三點(diǎn)懸掛方式，將割草機(jī)掛接在拖拉機(jī)上進(jìn)行割草作業(yè)，懸掛方式分為前懸掛、側(cè)懸掛和后懸掛。法國(guó)GMD1025F前置圓盤(pán)割草機(jī)，采用7個(gè)高配置割草刀盤(pán)、LIFT一CONTROL液壓氣動(dòng)懸掛系統(tǒng)、擺式鉸接及NON一STOP不停機(jī)安全裝置，實(shí)現(xiàn)寬幅仿形避障牧草收獲作業(yè)，具有作業(yè)效率高、地面適應(yīng)性強(qiáng)、收割質(zhì)量高、操作安全舒適等優(yōu)點(diǎn)，單次作業(yè)寬度可達(dá) 3.10m 。歐洲后置側(cè)割草機(jī)SILVERCUTDISC30OS，通過(guò)PTO軸、角度驅(qū)動(dòng)和雙PTO接頭直接驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)刀盤(pán)作業(yè)，實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)響應(yīng)。國(guó)外懸掛式割草機(jī)主要用于大型牧場(chǎng)牧草收獲，難以適用于國(guó)內(nèi)果園除草作業(yè)。國(guó)內(nèi)益豐9GXQ一1.4型旋轉(zhuǎn)式割草機(jī)，僅配置2個(gè)旋轉(zhuǎn)式切割器進(jìn)行割草作業(yè)，體積小巧、動(dòng)作靈活，適用于果園除草作業(yè)，其采用前置懸掛方式安裝于拖拉機(jī)上，能與任意型號(hào)的單缸小四輪拖拉機(jī)配套使用。農(nóng)垚LG—160后懸掛式果園割草機(jī)，采用雙軸甩刀切割作業(yè)，通過(guò)調(diào)節(jié)輪調(diào)整留茬高度，保證行進(jìn)過(guò)程中割草作業(yè)的徹底性和割茬高度的一致性。金瑞原AGL155后置側(cè)懸掛仿形割草機(jī)，具有左右移動(dòng)及翻轉(zhuǎn)功能，適用于起壟果園坡地仿形割草和割草區(qū)域調(diào)整。針對(duì)普通懸掛式割草機(jī)果樹(shù)株間雜草清除難度大的問(wèn)題，王永爍等4研制的果園株間自動(dòng)避障除草機(jī)，在懸掛式割草機(jī)上加裝株間除草刀盤(pán)及避障機(jī)構(gòu)，利用避障觸桿與液壓系統(tǒng)的協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)果樹(shù)株間避障除草。割草機(jī)與拖拉機(jī)的連接方式還有組合式懸掛及牽引式，如德國(guó)研發(fā)的DISCO組合式割草機(jī)，多割臺(tái)組合懸掛提升作業(yè)效率；歐洲牽引式割草機(jī)SILVERCUT30OTSFPC，雙臂牽引設(shè)計(jì)保證機(jī)械平穩(wěn)行進(jìn)，但該類機(jī)具所需作業(yè)空間大，在果園作業(yè)中具有局限性。

綜上，傳統(tǒng)果園果樹(shù)種植株距、行距及栽培模式等存在差異化現(xiàn)象，嚴(yán)重影響果園除草裝備的推廣與應(yīng)用，阻礙果園除草機(jī)械化發(fā)展進(jìn)程，為進(jìn)一步提高果園除草機(jī)械化水平，果園除草裝備研發(fā)要從區(qū)域性差異、農(nóng)藝需求等方面著手，加快推進(jìn)果園宜機(jī)化改造與建設(shè)，研發(fā)適宜于新型標(biāo)準(zhǔn)化果園除草作業(yè)的專用機(jī)具及配套動(dòng)力機(jī)具。

1.2 騎乘式割草機(jī)

騎乘式割草機(jī)作為一種可以駕駛的單人小型工程機(jī)械，鑒于其出色的操作性能、作業(yè)的舒適性和杰出的工作效率，受到國(guó)內(nèi)外眾多用戶的追捧，相關(guān)車型也得到廣泛運(yùn)用。意大利研發(fā)的MaTra系列騎乘式割草機(jī)，通過(guò)操縱桿將刀盤(pán)切割高度切換至需求擋位，控制方向盤(pán)及行車制動(dòng)裝置駕駛割草機(jī)完成雜草清除作業(yè)，通過(guò)卸料通道將切碎后的雜草排出。國(guó)內(nèi)研發(fā)了EGOZ6鋰電零轉(zhuǎn)向騎乘式割草機(jī)，用來(lái)清除果園內(nèi)的雜草。在割草機(jī)的動(dòng)力與結(jié)構(gòu)方面，將傳統(tǒng)燃油引擎替換為電力驅(qū)動(dòng)，并進(jìn)行了整機(jī)原地轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，駕駛割草機(jī)可以精確高效地完成果園除草任務(wù)。針對(duì)零轉(zhuǎn)彎半徑（ZTR）割草機(jī)割幅問(wèn)題，馮運(yùn)發(fā)等[5]給出了較為系統(tǒng)的解決方案，提出一種果樹(shù)間距判斷識(shí)別方法，設(shè)計(jì)了自動(dòng)變割幅結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn) 1.2～1.8m 的無(wú)級(jí)自動(dòng)變割幅控制。針對(duì)騎乘式割草機(jī)座椅懸架穩(wěn)定性控制問(wèn)題，萬(wàn)列列等提出了基于磁流變阻尼器的振動(dòng)控制算法，實(shí)現(xiàn)了不同工況下騎乘式割草機(jī)高性能動(dòng)力學(xué)特性控制，有效提升了乘坐式割草機(jī)作業(yè)的安全舒適性。零轉(zhuǎn)彎半徑ZTR割草機(jī)作業(yè)于斜坡、洼地等復(fù)雜的工作環(huán)境時(shí)，翻車事故時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重威脅駕駛員的生命安全，所以針對(duì)零轉(zhuǎn)彎半徑割草機(jī)在斜坡上作業(yè)時(shí)可能會(huì)發(fā)生翻滾、傾覆及造成駕駛員傷亡等現(xiàn)象，學(xué)者展開(kāi)了研究[]。2021年，王新彥等[8]構(gòu)建了一種坡道工況下預(yù)測(cè)分析ZTR割草機(jī)失穩(wěn)的參數(shù)化力學(xué)模型，可對(duì)不同規(guī)格割具在不同狀態(tài)下整車的側(cè)翻穩(wěn)定性的影響進(jìn)行分析，結(jié)果表明，割草機(jī)底部配備牽引式割具比配備懸掛式割具的抗側(cè)翻性能更強(qiáng)。2023年，王新彥等°基于有限元建模方法對(duì)駕駛員的傷亡程度研究發(fā)現(xiàn)，乘坐式割草機(jī)在坡道出現(xiàn)后翻情況時(shí)，在兩點(diǎn)安全帶的保護(hù)下，相比于其他部位頸部損傷度最大。以上研究所獲數(shù)據(jù)為ZTR系列割草機(jī)安全設(shè)計(jì)及降低駕駛員損傷度等提供了可靠依據(jù)。

綜上，騎乘式割草機(jī)在操作性能、功能結(jié)構(gòu)和節(jié)能環(huán)保等方面表現(xiàn)出色，但其安全性尚存在挑戰(zhàn)。后續(xù)研究中，應(yīng)緊密結(jié)合果園地形地貌特點(diǎn)，優(yōu)化割草機(jī)工程結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)突破惡劣工況下駕駛員安全防護(hù)技術(shù)，降低翻車風(fēng)險(xiǎn)與駕駛員損傷程度。

1.3履帶式割草機(jī)

履帶式割草機(jī)履帶與地面接觸面積大，壓強(qiáng)小，對(duì)地面破壞性小，其體形小巧靈活、操作方便，具有較好的附著能力和較大的牽引力，適于凹凸路面或地形復(fù)雜的果園環(huán)境。德國(guó)生產(chǎn)的AS1000OvisRC遙控連枷履帶式割草機(jī)，在割草機(jī)的動(dòng)力與功能方面，采用皮帶傳動(dòng)將發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力傳遞至刀軸，具有無(wú)級(jí)可變的切割高度調(diào)節(jié)功能，滿足了低障礙物和陡坡上割草的需求。德國(guó)生產(chǎn)的Agria9600遙控履帶割草機(jī)，陡坡作業(yè)高度可達(dá) 55^° ，采用電力式驅(qū)動(dòng)替代傳統(tǒng)液壓驅(qū)動(dòng)，有效提高了整機(jī)驅(qū)動(dòng)效率；與前置連枷式割草機(jī)相比，旋轉(zhuǎn)鏟刀位于履帶之間，無(wú)須轉(zhuǎn)彎即可實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退方向割草。徐鵬等[10對(duì)履帶式自主除草機(jī)器人行走控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，借助PLC技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)除草機(jī)運(yùn)動(dòng)的遠(yuǎn)程遙控，結(jié)果表明，履帶式自主除草機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)良好，可滿足自由行走、原地轉(zhuǎn)向以及避障的要求。針對(duì)丘陵山地果園割草機(jī)操作便捷性低、行走性能差等問(wèn)題，楊天等[1研發(fā)了一種遙控式果園割草機(jī)，采用前車架舵機(jī)驅(qū)動(dòng)，具有最小轉(zhuǎn)彎半徑小、轉(zhuǎn)向性能和爬坡性能卓越等優(yōu)點(diǎn)。張博遠(yuǎn)[12開(kāi)發(fā)的履帶式智能全電割草機(jī)，采用智能控制、傳感器技術(shù)和行為控制等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)區(qū)域路徑下割草機(jī)自主作業(yè)及避障決策。楊福增等[13]研制的郁閉果園圖傳遙控式割草機(jī)，采用圖傳系統(tǒng)傳遞顯示作業(yè)環(huán)境圖像，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)控割草機(jī)運(yùn)動(dòng)，但信號(hào)傳輸易受果園郁閉度及作業(yè)距離影響。

綜上，國(guó)內(nèi)外專家在自走履帶式割草機(jī)的動(dòng)力優(yōu)化、轉(zhuǎn)向性能、智能控制技術(shù)等方面開(kāi)展了一定的研究，但還需進(jìn)一步提高全局定位、自主導(dǎo)航及遠(yuǎn)程控制的精準(zhǔn)性和可靠性，加快推廣應(yīng)用。

1.4 智能割草機(jī)

近年來(lái)，人工智能、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、自主定位導(dǎo)航等技術(shù)不斷融入農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，智能除草機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生，推動(dòng)果園除草技術(shù)向自動(dòng)化、智能化方向轉(zhuǎn)型升級(jí)，減少化學(xué)藥劑對(duì)環(huán)境的污染，滿足現(xiàn)代果園綠色發(fā)展需求。法國(guó)研制了一款太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的除草機(jī)器人，應(yīng)用機(jī)器視覺(jué)、GPS和其他傳感器繪制環(huán)境地圖，優(yōu)化決策作業(yè)路線，實(shí)現(xiàn)了葡萄園內(nèi)雜草覆蓋區(qū)域自主割草作業(yè)。法國(guó)研發(fā)了不同尺度的BAKUS一P75系列純電動(dòng)力藤蔓跨式除草機(jī)器人，利用高分辨率3D攝像機(jī)和全球定位系統(tǒng)自主跟蹤葡萄藤行移動(dòng)，并集成多末端執(zhí)行器，可完成葡萄藤株間雜草控制、土壤管理等作業(yè)，監(jiān)控作物數(shù)據(jù)，輔助作物產(chǎn)量管理。瑞士研發(fā)的一款A(yù)RA智能除草機(jī)器人，采用Seeamp;Spray化學(xué)雜草控制技術(shù)，運(yùn)用機(jī)器視覺(jué)實(shí)時(shí)檢測(cè)識(shí)別雜草，實(shí)現(xiàn)逐株雜草精準(zhǔn)噴施，有效降低了除草劑使用量。呂沐華等[14研發(fā)的果園噴藥除草機(jī)器人，通過(guò)機(jī)器視覺(jué)識(shí)別定位目標(biāo)除草區(qū)域，并依據(jù)該區(qū)域雜草覆蓋率數(shù)據(jù)實(shí)施精準(zhǔn)變量噴藥，日光環(huán)境下雜草識(shí)別率達(dá) 87.4% ，噴藥成功率達(dá)84.5% ，滿足除草區(qū)域識(shí)別精度高、受光照影響小、噴藥成功率高的要求。針對(duì)履帶運(yùn)動(dòng)控制響應(yīng)速度慢、穩(wěn)態(tài)誤差大的難題，趙智宇等[15開(kāi)發(fā)了一套丘陵果園環(huán)境除草機(jī)器人底盤(pán)系統(tǒng)，基于自抗擾控制策略研制的履帶運(yùn)動(dòng)電機(jī)位置控制算法，保障了行進(jìn)過(guò)程中底盤(pán)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的快速性、準(zhǔn)確性及穩(wěn)定性。

綜上，果園智能除草機(jī)器人可通過(guò)視覺(jué)識(shí)別與定位、自主導(dǎo)航和精準(zhǔn)作業(yè)控制技術(shù)完成果園雜草管理，然而果園生產(chǎn)環(huán)境的復(fù)雜性和任務(wù)的多樣性為果園智能除草機(jī)器人研發(fā)帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。未來(lái)還需針對(duì)復(fù)雜果園場(chǎng)景下果園智能除草機(jī)器人的環(huán)境感知、智能控制、系統(tǒng)決策與管控技術(shù)進(jìn)行深入研究，以推動(dòng)果園智能除草裝備功能完善和升級(jí)發(fā)展。

2關(guān)鍵技術(shù)與裝置研究

2.1除草裝置

除草機(jī)械的核心是刀盤(pán)，刀盤(pán)結(jié)構(gòu)主要有圓盤(pán)式、滾刀式、往復(fù)式、甩刀式等，切割方式多采用圓盤(pán)式，研究主要集中在切割裝置優(yōu)化、切割性能探索等方面。馬攀宇等[16設(shè)計(jì)了一款等滑切角甩刀式切割器，甩刀刀片與刀盤(pán)鉸接形成讓刀結(jié)構(gòu)，具有避障功能；同時(shí)采用對(duì)數(shù)螺線作為刀片切割曲線，滑切阻力小，切割性能好。為減少纏草、保證割草機(jī)的順利作業(yè)，張?chǎng)?研制了一款具有橫向和縱向刀盤(pán)的小型圓盤(pán)式割草機(jī)，采用雙切割系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)水平、豎直雙向切割。付作立等設(shè)計(jì)的雙圓盤(pán)式苜蓿旋轉(zhuǎn)切割器（圖1），采用雙刀盤(pán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，試驗(yàn)表明，該切割器切割性能好，重割率、漏割損失率和超茬損失率分別為 0.8% 、

0.19% 和 0.3% ，比標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的技術(shù)要求分別低 46% 、（204號(hào) 24% 和 40% 。在切割部件結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面，劉永平等[19]利用LS_DYNA軟件對(duì)切割部件作業(yè)過(guò)程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，研究不同結(jié)構(gòu)參數(shù)刀具工作性能的不同，獲取了最優(yōu)結(jié)構(gòu)選擇。針對(duì)割草機(jī)作業(yè)時(shí)劇烈振動(dòng)影響割茬高度穩(wěn)定性的問(wèn)題，李雪軍等[20]對(duì)切割裝置開(kāi)展了模態(tài)分析和振動(dòng)動(dòng)力學(xué)分析，得到不同頻率下各特征節(jié)點(diǎn)最大徑向振幅發(fā)生情況，為切割裝置減振措施研究提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。在割刀切割性能提升方面，通過(guò)優(yōu)化切割裝置結(jié)構(gòu)及作業(yè)參數(shù)來(lái)降低割刀重割率對(duì)切割性能產(chǎn)生的影響。鮑秀蘭等[21]運(yùn)用機(jī)器人D—H矩陣建立了甩刀運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，通過(guò)該模型分析，甩刀軸轉(zhuǎn)速為1500r/min 時(shí)，單個(gè)甩刀在“最優(yōu)切割位\"產(chǎn)生的碰撞力滿足切割需求，為降低重割率、優(yōu)化甩刀結(jié)構(gòu)參數(shù)提供依據(jù)。李雪軍等[22]討論了切割器參數(shù)與重割率的關(guān)系，提出了一種虛擬樣機(jī)的設(shè)計(jì)方法，并通過(guò)虛擬正交試驗(yàn)獲得了最優(yōu)參數(shù)方案。

圖1雙圓盤(pán)式旋轉(zhuǎn)切割器結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of two-disc rotary mower1.刀盤(pán)2.錐形轉(zhuǎn)筒3.導(dǎo)草裝置4.支撐裝置5.固定支架6.傳動(dòng)裝置7.滑掌

目前，在除草部件性能提升方面，主要通過(guò)對(duì)切割部件建模及仿真分析方式優(yōu)化割刀結(jié)構(gòu)參數(shù)，提高切割性能，但仍缺少適宜復(fù)雜環(huán)境、性能穩(wěn)定的切割器。由于丘陵果園地形復(fù)雜，雜草繁茂，適應(yīng)性強(qiáng)、性能優(yōu)良的多功能切割器有待深入研究。

2.2 果園除草機(jī)避障技術(shù)與裝置

果園除草避障是果園機(jī)械除草作業(yè)關(guān)鍵技術(shù)之一，分為接觸式避障和智能避障?；跈C(jī)械感應(yīng)觸桿的接觸式避障技術(shù)應(yīng)用較廣，研究主要集中在避障裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)控制等方面。張晉等[23]設(shè)計(jì)了一款工作機(jī)具橫向偏移式果園株間自動(dòng)避障裝置，避障過(guò)程：當(dāng)觸桿觸碰到果樹(shù)時(shí)，液壓控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)機(jī)架滑移油缸動(dòng)作帶動(dòng)工作機(jī)具橫向移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)避障作業(yè)（圖2）。王磊等[24]設(shè)計(jì)了一款自動(dòng)讓樹(shù)裝置，感應(yīng)觸桿接觸到果樹(shù)受力彎曲并繞軸旋轉(zhuǎn)，此時(shí)壓力控制閥受力響應(yīng)，液壓控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)讓樹(shù)裝置沿與機(jī)具前進(jìn)垂直方向旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)避障，試驗(yàn)結(jié)果表明，讓樹(shù)通過(guò)率為100% 。王永爍等4基于Adams軟件建立除草機(jī)模型，進(jìn)行單因素仿真試驗(yàn)，確定影響株間避障除草的關(guān)鍵因素，并通過(guò)虛擬正交試驗(yàn)獲取了最優(yōu)參數(shù)方案，結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的除草機(jī)平均雜草除凈比為 92.65% 滿足果園除草農(nóng)藝要求。

圖2株間除草避障過(guò)程

目前，果園割草機(jī)器人智能避障主要依靠機(jī)器視覺(jué)、傳感器檢測(cè)、GPS導(dǎo)航定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)，但基于GPS的果園定位易受果樹(shù)冠層遮擋，導(dǎo)致信號(hào)傳輸受干擾、定位效果差，學(xué)者們主要利用圖像處理、激光測(cè)距等方法獲取位置信息以解決上述問(wèn)題。Al-Kaff等25提出了采用單目視覺(jué)檢測(cè)、航點(diǎn)跟蹤和避讓控制算法完成智能飛行器實(shí)時(shí)障礙物檢測(cè)和規(guī)避任務(wù)，能夠?qū)崿F(xiàn)接近機(jī)器人的障礙物碰撞狀態(tài)檢測(cè)和運(yùn)動(dòng)控制規(guī)避?；诩す饫走_(dá)掃描精度高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，史璐等[26]以激光雷達(dá)測(cè)距為基礎(chǔ)，融合矢量場(chǎng)直方圖算法（VFH）和動(dòng)態(tài)窗口算法（DWA）完成果園割草機(jī)智能避障控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)在除草機(jī)行進(jìn)方向上高效避障，改善了除草效果且提高了工作效率。針對(duì)單一傳感器易受果園復(fù)雜環(huán)境影響的問(wèn)題，耿乾等[27]設(shè)計(jì)了基于視覺(jué)傳感器和激光雷達(dá)傳感器融合卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的果園障礙物識(shí)別避讓裝置，充分利用了兩種傳感器在不同環(huán)境下有效檢測(cè)數(shù)據(jù)，提高了避障運(yùn)動(dòng)導(dǎo)航的精準(zhǔn)性和穩(wěn)定性（圖3）。在避障運(yùn)動(dòng)規(guī)劃算法不斷改進(jìn)的基礎(chǔ)上，果園動(dòng)態(tài)環(huán)境下割草機(jī)器人實(shí)時(shí)自主避障得以實(shí)現(xiàn)。Zhang等28提出了一種改進(jìn)的局部路徑規(guī)劃算法，割草機(jī)器人在自主移動(dòng)過(guò)程中通過(guò)改進(jìn)的人工勢(shì)場(chǎng)算法（APF）完成路徑規(guī)劃求解實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)避障功能，并通過(guò)評(píng)估模型及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試驗(yàn)證了改進(jìn)算法的有效性和可靠性。

圖3果園機(jī)器人避障過(guò)程Fig.3Orchard robot obstacle avoidance process

國(guó)內(nèi)果園除草機(jī)大多采用接觸式避障，利用機(jī)械感應(yīng)觸桿與液壓控制系統(tǒng)進(jìn)行避障作業(yè)。果園智能割草機(jī)器人已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)基于自主避障算法在線規(guī)劃避障除草路徑，基于果園環(huán)境感知的智能決策避障導(dǎo)航技術(shù)是下一步的研究重點(diǎn)。

2.3果園除草機(jī)仿形技術(shù)與裝置

割臺(tái)高度根據(jù)地形起伏進(jìn)行相應(yīng)的仿形浮動(dòng)，能夠保障復(fù)雜地形下機(jī)器的通過(guò)性以及雜草割茬高度的一致性。目前割草機(jī)的仿形控制主要通過(guò)機(jī)械仿形和液壓仿形實(shí)現(xiàn)，機(jī)械結(jié)構(gòu)仿形主要采用機(jī)械提升裝置調(diào)節(jié)切割器離地高度，實(shí)現(xiàn)仿形作業(yè)。挪威Kverneland4332LR型割草機(jī)主要利用雙外側(cè)彈簧懸掛裝置同時(shí)升降機(jī)架與刀盤(pán)，改變切割裝置到地面的高度實(shí)現(xiàn)浮動(dòng)仿形功能。Schlesser等[29]提出了一種利用浮動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)來(lái)進(jìn)行仿形的割草機(jī)，懸臂梁與切割器鉸接，通過(guò)懸臂梁上連桿浮動(dòng)對(duì)切割器進(jìn)行位置調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)仿形作業(yè)。Kverneland53100MTVARIOBX型仿形割草機(jī)則采用同賽車一樣的四連桿懸掛浮動(dòng)仿形劉割裝置，通過(guò)多個(gè)連桿將刈割裝置與拖拉機(jī)相連，控制連桿運(yùn)動(dòng)調(diào)整劉割裝置位置達(dá)到仿形目的，工作角度調(diào)節(jié)范圍可達(dá)30^° 。采用液壓仿形的割草機(jī)，主要通過(guò)液壓裝置控制切割器升降，實(shí)現(xiàn)仿形高度的調(diào)節(jié)。德國(guó)研制的一款基于液壓仿形的CLASSDISCO系列割草機(jī)，在進(jìn)行仿形作業(yè)時(shí)，通過(guò)液壓缸主動(dòng)調(diào)節(jié)切割器的相對(duì)位置，對(duì)切割器進(jìn)行升降，實(shí)現(xiàn)仿形作業(yè)。國(guó)內(nèi)優(yōu)牧達(dá)9GYQ一3.0圓盤(pán)割草壓扁機(jī)，采用液壓和彈簧雙重仿形裝置，實(shí)現(xiàn)浮動(dòng)仿形割草。國(guó)內(nèi)對(duì)于仿形割草機(jī)的研究才剛剛起步，穩(wěn)定性和設(shè)計(jì)水平較國(guó)外同類產(chǎn)品還存在差距，且主要集中在機(jī)械結(jié)構(gòu)和液壓結(jié)構(gòu)的仿形設(shè)計(jì)，在智能化方面仍有較大差距。針對(duì)單一仿形機(jī)構(gòu)存在起伏地面通過(guò)穩(wěn)定性差的問(wèn)題，馬攀宇等[3°將鉸接在主機(jī)架上的割刀架與仿形輪結(jié)合實(shí)現(xiàn)仿形功能，試驗(yàn)結(jié)果表明，割茬穩(wěn)定性系數(shù)為 90.92% 。代富彬[31]設(shè)計(jì)了基于限深輪和鉸接連桿結(jié)合阻尼彈簧的后置側(cè)切仿形割臺(tái)，充分利用了前方彈簧與后側(cè)兩活動(dòng)連桿的協(xié)同運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)刀盤(pán)橫縱向仿形，提高了仿形割臺(tái)的通過(guò)性和穩(wěn)定性。祝露等[32設(shè)計(jì)了基于液壓控制的折疊機(jī)構(gòu)，提升臂在液壓系統(tǒng)控制下隨地形上下擺動(dòng)一定角度，實(shí)現(xiàn)懸掛式割草機(jī)仿形功能。周棕凱[33利用激光雷達(dá)感知地形，通過(guò)最小二乘法處理檢測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)坡度值精準(zhǔn)擬合，調(diào)整割臺(tái)傾角實(shí)現(xiàn)坡地仿形。

綜上所述，機(jī)械仿形裝置和液壓仿形控制進(jìn)行交互結(jié)合，二者融合調(diào)控，實(shí)現(xiàn)浮動(dòng)仿形作業(yè)最優(yōu)化有待深入研究。

2.4果園除草機(jī)導(dǎo)航技術(shù)

自主導(dǎo)航是果園智能除草機(jī)器人的關(guān)鍵功能之一，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航精準(zhǔn)定位與實(shí)時(shí)控制至關(guān)重要。導(dǎo)航定位多采用GNSS、激光雷達(dá)、機(jī)器視覺(jué)信息、慣性導(dǎo)航等其中的一種或多種配合實(shí)現(xiàn)。目前應(yīng)用較為廣泛的除草裝備大多采用GNSS定位技術(shù)，但基于GNSS定位易受果園非結(jié)構(gòu)化環(huán)境影響導(dǎo)致信號(hào)丟失。Raikwar等[34]提出了一種基于行走底盤(pán)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型設(shè)計(jì)的果園機(jī)器人導(dǎo)航算法，從車速和轉(zhuǎn)向編碼器獲取輸入的行駛坐標(biāo)和車輛狀態(tài)，并將其轉(zhuǎn)化為車輛導(dǎo)航指令，可在GNSS定位失靈時(shí)繼續(xù)工作。Blok等[35]利用基于2D激光雷達(dá)掃描儀的果園機(jī)器人行內(nèi)導(dǎo)航，并設(shè)計(jì)試驗(yàn)驗(yàn)證了有激光束模型的粒子濾波器和有線檢測(cè)算法的卡爾曼濾波器定位算法在果園中導(dǎo)航的適用性，試驗(yàn)可得，粒子濾波器的性能更優(yōu)異。劉超等[36]采用基于三維激光雷達(dá)傳感器與優(yōu)化DBSCAN算法相融合的果樹(shù)定位方法，試驗(yàn)表明，可以滿足果園噴霧機(jī)器人在行間果樹(shù)定位的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性要求（圖4）。賴漢榮等[37采用單目相機(jī)獲取玉米苗帶圖像，識(shí)別作物行并獲取導(dǎo)航線，利用PID算法進(jìn)行玉米除草機(jī)器人視覺(jué)導(dǎo)航控制，田間試驗(yàn)結(jié)果表明，不同速度導(dǎo)航跟蹤平均誤差 ?1.51cm ，標(biāo)準(zhǔn)誤差 ?0.44cm ?；诩す饫走_(dá)的定位方案數(shù)據(jù)計(jì)算量大，導(dǎo)航特征提取困難；基于視覺(jué)傳感器的定位方案易受果園復(fù)雜光照條件的影響，定位效果差，為改進(jìn)上述問(wèn)題，研究人員提出了多傳感器數(shù)據(jù)融合方法來(lái)開(kāi)發(fā)果園導(dǎo)航系統(tǒng)。Bayar等[38基于轉(zhuǎn)向編碼器和車載激光雷達(dá)掃描研發(fā)果園自主設(shè)備的低成本模塊化導(dǎo)航定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠在GPS信號(hào)受限制的果園環(huán)境中實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航。褚福春等[39利用多傳感器融合定位技術(shù)，通過(guò)三維激光雷達(dá)與慣性測(cè)量單元（IMU）等傳感器的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)果園機(jī)器人的高精度定位。Zhang等4設(shè)計(jì)了一種基于誤差卡爾曼濾波的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和慣性測(cè)量單元集成導(dǎo)航算法，以解決BDS信號(hào)不穩(wěn)定和IMU數(shù)據(jù)累積誤差的問(wèn)題，結(jié)果表明：當(dāng)噴涂機(jī)器人以 0.4m/s 的速度沿直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，北斗/IMU集成導(dǎo)航系統(tǒng)的精度相較于僅使用BDS導(dǎo)航有顯著提高。

圖4基于激光雷達(dá)的果樹(shù)定位方法 Fig.4Fruit tree positioning method based on LiDAR

目前，果園智能除草機(jī)器人在基于多傳感器融合的導(dǎo)航定位方面積累了一系列技術(shù)成果，但現(xiàn)有果園定位方法的精度和穩(wěn)定性、導(dǎo)航系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性還有待進(jìn)一步研究。

3存在問(wèn)題及發(fā)展建議

3.1存在問(wèn)題

當(dāng)前國(guó)內(nèi)果園除草技術(shù)與裝備發(fā)展迅速，眾多科研院所與企業(yè)進(jìn)行大量研究，解決諸多實(shí)際問(wèn)題，推動(dòng)果園除草技術(shù)的發(fā)展，然而與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，仍存在一定差距。

1）果園除草農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合度低。傳統(tǒng)果園宜機(jī)化條件差，果園建設(shè)布局不規(guī)范，果樹(shù)種植模式多為低矮密植型，適宜機(jī)械化的基礎(chǔ)條件建設(shè)滯后，導(dǎo)致果園除草機(jī)械作業(yè)難度大；果園地區(qū)數(shù)字化基礎(chǔ)設(shè)施薄弱，同時(shí)缺乏數(shù)據(jù)采集和管理能力，導(dǎo)致相關(guān)農(nóng)藝數(shù)據(jù)資源匱乏、數(shù)據(jù)資源難以得到有效利用和共享；需要加速研發(fā)果園復(fù)雜作業(yè)環(huán)境下適用性高、支持精準(zhǔn)作業(yè)決策的智能除草裝備。

2）果園除草機(jī)械裝備穩(wěn)定性差、可靠性低。機(jī)械裝備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，作業(yè)過(guò)程中出現(xiàn)振動(dòng)、變形或損壞，影響其穩(wěn)定性；為降低制造成本，選用性能較差的材料進(jìn)行制造，導(dǎo)致裝備出現(xiàn)強(qiáng)度不足或耐腐蝕性差等問(wèn)題，影響其結(jié)構(gòu)可靠性和耐久性；制造工藝不規(guī)范、加工精度低導(dǎo)致制造缺陷、質(zhì)量不穩(wěn)定等問(wèn)題，影響裝備作業(yè)穩(wěn)定性和可靠性。

3）果園除草機(jī)械裝備智能化程度不高。在精準(zhǔn)定位方面，僅使用單一傳感器會(huì)受到環(huán)境因素影響，難以提供連續(xù)、可靠和準(zhǔn)確的定位解決方案；在作業(yè)調(diào)度方面，單一裝備作業(yè)效率低難以滿足大規(guī)模作業(yè)需求，多作業(yè)裝備之間缺乏有效調(diào)度，導(dǎo)致資源浪費(fèi)和重復(fù)作業(yè)等問(wèn)題；在自主系統(tǒng)構(gòu)建方面，目前面臨著控制平臺(tái)設(shè)計(jì)難度大、智能控制算法效果差、技術(shù)不成熟等難題，有待進(jìn)一步解決。

3.2 發(fā)展建議

1）增強(qiáng)果園除草機(jī)藝融合度。開(kāi)展果園宜機(jī)化改造，加快推進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)化果園建設(shè)，培育適于機(jī)械化作業(yè)的果樹(shù)品種，為機(jī)械設(shè)備提供適宜的作業(yè)條件。在此基礎(chǔ)上，依托5G、物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)，強(qiáng)化果園地區(qū)數(shù)字化基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，采集相關(guān)農(nóng)藝數(shù)據(jù)，構(gòu)建果園數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)及果園信息服務(wù)平臺(tái)，逐步積累和豐富果園農(nóng)藝數(shù)據(jù)資源，為發(fā)展以人工智能為代表的農(nóng)機(jī)終端、云端個(gè)性化決策技術(shù)提供支持，同時(shí)，持續(xù)推動(dòng)果園智能除草機(jī)械的創(chuàng)新和研發(fā)，促進(jìn)農(nóng)藝數(shù)據(jù)和智能農(nóng)機(jī)深度融合。

2）提高果園除草裝備穩(wěn)定性和可靠性。對(duì)現(xiàn)有機(jī)械裝備結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，改進(jìn)機(jī)械的傳動(dòng)系統(tǒng)、懸掛系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)等，確保其在不同工作條件下穩(wěn)定運(yùn)行；選用優(yōu)質(zhì)材料和精密制造工藝，提高機(jī)具耐用性和穩(wěn)定性，延長(zhǎng)機(jī)具使用壽命；突破關(guān)鍵零部件的“瓶頸”制約；建立完善的質(zhì)量管理體系，加強(qiáng)對(duì)機(jī)械設(shè)備的售后服務(wù)和維護(hù)保養(yǎng)，以確保其長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，提高除草裝備可靠性。

3）提高果園除草裝備智能化水平。加快機(jī)器視覺(jué)、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、雷達(dá)等多傳感器融合技術(shù)的推廣應(yīng)用，為除草機(jī)器人提供豐富的感知信息，有效提高定位精度，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)作業(yè)；突破果園除草機(jī)器人多機(jī)協(xié)同和調(diào)度技術(shù)，提高作業(yè)效率，減少人力成本，使果園管理更加智能化和高效化；不斷加強(qiáng)軟硬件控制平臺(tái)設(shè)計(jì)、智能控制算法優(yōu)化、智能化決策系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，促進(jìn)果園除草機(jī)器人狀態(tài)感知、自主決策、精準(zhǔn)執(zhí)行等功能的實(shí)現(xiàn)，提高果園除草機(jī)器人智慧化決策水平與智能控制技術(shù)。

4結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)果園管理技術(shù)的生產(chǎn)應(yīng)用，果園除草裝備逐步向智能化方向發(fā)展，果園智能除草技術(shù)與裝備日趨成熟。在果園除草裝備未來(lái)發(fā)展進(jìn)程中，輕量化、復(fù)合型除草機(jī)器人平臺(tái)的不斷探索研發(fā)，將有效解決大型除草機(jī)械壓實(shí)土壤造成的土壤板結(jié)問(wèn)題；基于多源信息融合的智能感知技術(shù)的廣泛應(yīng)用，將為果園除草裝置進(jìn)行雜草識(shí)別、精準(zhǔn)避障及智能導(dǎo)航提供可靠技術(shù)支撐；除草裝置末端執(zhí)行結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化升級(jí)，將進(jìn)一步提高除草作業(yè)質(zhì)量。目前，果園智能除草裝備的研發(fā)與應(yīng)用仍處于初級(jí)階段。隨著人工智能、5G通信、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等前沿科技的快速發(fā)展，加之農(nóng)機(jī)農(nóng)藝的深度融合，將促使果園除草裝備智能化水平不斷提升；復(fù)雜果園環(huán)境下感知認(rèn)知、智能控制、裝備集成、系統(tǒng)決策與管控等理論技術(shù)突破，也將進(jìn)一步提升果園智慧化管理水平。

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