果园割草机研究现状与展望*

2024-03-27潘蔚铮王菊霞付夏辉王毅凡张峰滋

南方农机 2024年3期

潘蔚铮，王菊霞，付夏辉，王毅凡，张峰滋，张宇

（1.山西农业大学农业工程学院，山西晋中 030801；2.旱作农业机械关键技术与装备山西省重点实验室，山西晋中 030801）

我国作为世界水果进出口大国，果树的种植面积及水果产量都已跻身于世界前列。2022年，我国果园种植面积已经达到13 009 khm2，水果产量达到31 296万t[1]。但相比国外果园，我国果园的机械化程度和机械化普及率较低，果园优势产区与非优势产区的综合机械化程度分别不到20%和10%，且丘陵地区果园机械化水平仅为5.7%左右，极大地制约了我国果园机械化的发展[2-3]。我国传统果园果树种植间距小，空气与阳光流通面积大，杂草极易横生[4-5]，致使分布于株间、行间的杂草人工清理难度大，效率低下，且劳动强度高，因此对果园割草的机械化需求日渐迫切[6-8]。同时，近年来的研究表明，采用果园生草栽培技术能提高土壤稳定性，改善土壤结构，增加孔隙度，降低土壤容重，还可提高土壤的水分入渗能力和持水能力，为果树高效生长奠定基础[9-12]；我国果园有机质含量偏低、风蚀和水蚀现象严重，急需大力推广生草覆盖技术，因而发展果园智能机械化割草的控草技术取代目前通用的清耕方法是势在必行的[13-15]。为此，通过综述国内外割草机切割装置、行走装置、仿形装置、避障装置、导航及自动识别装置的技术研究现状，分析当前存在的问题，并对果园割草机的发展予以展望。

1 关键部位与技术研究现状

1.1 切割装置

切割装置是衡量一台割草机好坏的参考标准之一，保证切割装置持续、稳定、高效作业对割草机工作效率起到决定性作用。我国现有的割草装置按切割方式分可分为旋刀式、往复式、锤刀式等。旋刀式割草机具有结构简单、操作可靠、不堵刀的特点，但重割面积大；往复式割草机对杂草生长状态适应性差、易堵刀，但割茬整齐；锤刀式割草机割草效率高但消耗功率大；可按照不同的作业地区选用不同类别的切割装置。

刘学串等[16]研制的9GS-2.0割草机，采用甩刀式切割装置，由拖拉机三点式悬挂并通过万向轴提供动力；其切割装置运用的锤刀型甩刀优点在于锤刀自身惯性大，粉碎质量好，切割效率高，切割稳定，且锤刀自身强度大，耐磨损；锤刀式甩刀使用单螺旋形排列，三个甩刀为一组，沿圆周均匀分布，相邻甩刀的夹角为120°，保证了割草锟总成的受力平衡，可减小重割和漏隔率；经田间试验表明，该割草机性能良好，割茬平均高度为52 mm，杂草碎段区域长度≤80 mm的草段占总草段的93%。熊永森等[13]研制了一种往复式果园割草机，其割草装置与总机采用单点式链接，且动力机构通过三角胶带传动带动切割装置工作，工作中刀柄以650 r/min的转速做往复切割运动；通过田间测试得出，割草机的设计简约且操控性好，切割装置和支架采用单点链接，并且切割装置的下边有左右两根支撑座，满足工作要求，仿形效果佳。张雯[17]研发了一种小型圆盘式果园割草机，其切割装置运用旋刀式切割器，采用双切割系统，即由横向切割装置和纵向切割装置组成切割系统。横向切割为主切割系统，采取定刀单刀盘重载设计；纵向切割为副切割系统，采用定刀圆盘式大刀片设计；主副切割系统处于同面，可以有效降低漏割率。

外国的割草机械最早仅作用在个人后院的庭院除草工作中，但伴随着L型割草旋耕刀的研发，使其从个人小微除草作业转变为大型的果园除草作业。直至20世纪80年代，荷兰的Kouwenhoven[18]发明了起垄锄对行间除草和株间除草进行割草作业。丹麦的Melander[19]发明了田间对刷式割草机，运用割草机构高速旋转的割草刷子对田间杂草进行切割；并进行了田间试验，得出刷子的大小、间隔、转速对割草作业均有不小的影响。

1.2 行走装置

果园割草机的行走方式可分为牵引式和自走式两大类。自走式割草机又可细分为轮式割草机和履带式割草机；牵引式割草机需要借助外部牵引带动，外部牵引常使用农用拖拉机。我国牵引式割草机大部分采用三点式悬挂于拖拉机的正后方，拖拉机后方的万向轴为其提供动力；牵引式割草机具有割幅大、作业效率高等优点，但其消耗大。自走式割草机本身具有动力，机动灵活，转弯半径小；轮式自走式割草机行动快捷且工作效率高，适用于平原地区的作业；自走履带式割草机具有爬坡稳定、适应性强的优点，多用于丘陵山地地区的作业。

杨福增等[20]设计的图传遥控式割草机，整机采用轮式行走方式，四个车轮均由独立的直流电机带动，通过控制四个独立电机的转向和转速即可进行割草机的前进后退和左右转弯，不需单独设计转向机构，简化了整车结构，达到了轻量化的目的；通过田间试验得到图传遥控式割草机的作业速度为3 km/h～5 km/h，其割草稳定系数达到了90%以上，平均漏割率则控制在0.5%。方策[21]设计了一种履带式割草机，采用了橡胶履带，其行走机构由导向轮、支重轮、驱动轮、橡胶履带、张紧装置组成，提高了割草机的爬坡性能，且不会对履带下的植被生长造成破坏，同时对整机的缓震起到一个支撑作用；经过田间试验得出，其割幅达到2.0 m，最小转弯半径为1.5 m，最大爬坡度为50°，可适用于丘陵山区进行割草作业。

Ambrogio Robot公司生产的Elite型号割机，将灵活性和模块化技术创新结合，Elite型号割机的行走方式采用轮式行走，后边为两个驱动大轮，前边则为两个导向小轮，它通过双电机带动驱动轮行走，保证了割草机的马力充足，并且在割草机4个方位上安装了辅助轮，提高了割草机在丘陵地区行走的稳定性[22]。

1.3 仿形装置

传统割草机在丘陵山地的坑洼不平地面作业时，由于地面高低的变化从而影响了割草装置割茬高度的一致性，针对这一问题设计了仿形装置。仿形装置分为主动仿形和被动仿形，主动仿形通过机身的传感器对地面高度进行测量，传回信号调节仿形机构，达到仿形效果，但其响应速度慢，仿形成本高；被动仿形通过机身自带的机械装置，可根据地面高度的起伏变化带动仿形装置的高度变化，使割草装置与地面始终处于平行的平面中，保证了割茬高度的一致性。

代富彬[23]研制的山地果园仿形割草机采用被动仿形，割草机仿形装置的一端通过旋转副与割草机底部下的割草机构相互连接，另一端则通过刚性材料与割草机构进行连接，并在电机的前端安装限深机构，完成仿形过程；田间试验结果表明，山地果园仿形割草机平均割茬稳定系数为89.0%，能够适应地面不平的高度为0～45 mm。邬备等[24]研制了一种果园仿形自走割草机，其仿形装置由滑掌、浮动弹簧、抬高液压缸等组成，通过将作业中浮动弹簧感受到的地面高低起伏的变化传递给液压缸，从而带动割草机调节割茬高度；田间试验表明，该果园仿形割草机的割茬高度减少了6%，提高了作业效率。荆龙龙[25]研制了一种果园自走式割草机，主要适用于山地丘陵地区作业环境，其仿形机构上的割草装置与地面不发生接触碰撞；仿形机构是由多个单体仿形装置构成，仿形结构由仿形轮、机架、仿形架等组成，工作中的仿形轮可以在高低不平的路面上行走，并带动仿形架进行摆动运动，达到稳定割草的目的。

Franet[26]采用两自平衡弹簧，实现浮动仿形割草。Schlesser等[27]通过在悬臂梁上设置浮动连杆，实现仿形作业。Class公司设计了一种仿形割草机，通过机架与拖拉机铰链连接，使切割器在作业时能在竖直平面内自由转动，并利用弹管承重，随地起伏浮动，实现仿形除草[28-29]。

1.4 避障装置

果园割草作业中为了提高割草效率，割草机既能行间切割，又能同时进行株间割草作业。为了保证株间切割的稳定性，株间避障装置需要十分灵敏高效。株间避障装置的作用就是保护割刀和机具在株间作业时不与果树进行碰撞，达到保护果树不受损伤的目的。

贾耀文[30]研制了一种多功能避障割草机，采用先进的激光扫描技术，当割草机进行割草作业时，激光扫到前方树干后传回信号，机具通过传回的信号对株间切割装置发出绕轴逆时针旋转的指令，从而达到提前避障的作用；当避障结束，激光未扫到前方树干时，机具对株间割草机构发出绕轴顺时针旋转的指令继续进行正常割草作业。侯东伟等[31]研发了一种自走式自动避障除草机，其避障装置进行割草作业时，传感器接收到了STM32发出的信号后，通过超声波信号对前方作业区域进行检测，保证避障机构提前快速有效地完成避障。尹鸿超[32]设计了一款基于模糊控制的割草机器人，其避障方式为机械避障，即在车身上加装一根前伸式弧形臂，当前伸装置接触到障碍物时会给弧形臂一个向后的力，弧形臂绕中心轴做旋转运动起到一个避障的作用；当避障结束后，弧形臂两边的拉压弹簧带动弧形臂回到正常工作位置；通过试验得到该避障装置的卡顿率为10%，且复位误差＜5°，避障效果良好。杨福增等[20]通过在株间切割装置上添加一个复位弹簧装置，从而进行被动避障，当株间切割装置碰到果树及障碍物时，复位弹簧受到一个外压力发生压缩形变，使株间切割装置绕果树及障碍物产生绕轴运动；当外压力消失后，复位弹簧复位使株间切割装置回到原来的切割位置。

基于实时动态GPS导航，丹麦的Norremark等[33]研究了一种自动避开作物的株间除草机，运用自动控制系统对拖拉机及除草部件的横向和纵向位移进行控制，保证除草用的S形齿能在遇到作物植株时避开，随后伸入株间进行除草。西班牙的Manuel和美国的Slaughter等[34]也成功地把GPS定位系统用于株间除草中，试验结果表明，他们研发的系统在针对设定的植株区域（以植株为中心，半径10 mm的范围内）的定位精度高于Norremark等研发的控制系统；此后，他们研制了基于精确测距传感器的协作机器人控制系统，可控制除草刀的开闭，在人工辅助监控下，能达到避开植株除去株间杂草的目的，该系统简单廉价，易于操作[35]。

1.5 导航及自动识别装置

随着科学技术的发展，果园割草机对无人化、智能化的要求越来越高，智能的无人割草机在高密度矮树种种植的果园除草时既可减少劳动力，又能提高果园除草效率。

张博远[36]基于Pixhawk开源控制器设计了一种履带式智能全电割草机，运用Pixhawk开源控制器的自主导航系统，通过手持PTK发送北斗或GPS实时定位，使得割草机能够实现自主导航。艾永平等[37]基于机器视觉研发了可识别青草的割草系统，该系统利用SSD算法模型赋予割草机机器视觉系统，能自动识别青草在图片中的坐标，然后将青草在图片中的位置坐标用算法映射为现实青草所在位置坐标，实现割草机的自动除草。张祥[38]进行了基于IMU与DGPS的智能割草机导航定位研究，运用低成本器件在嵌入式端实现了低成本差分GPS；并针对单个导航元件可能存在不工作的情况，利用无迹卡尔曼滤波融合了IMU与DGPS数据，实现了IMU/DGPS组合导航系统，通过算法与策略，实现了割草机路径规划与自动割草、自主充电、自主避障、安全保障等自动化功能。

美国卡耐基梅隆大学研制的NavLab系列无人车，典型型号有NavLab-1系统、NavLab-5系统和NavLab-11系统；NavLab-1建于20世纪80年代，有3个计算机系统分别用来完成控制器间通信、图像处理、激光雷达处理，其采用的环境感知系统传感器包括摄像头、激光雷达、超声波传感器、GPS、惯导元件等，实现了结构化道路下的无人车自主行驶[39]。此外，欧洲也展开了无人车的研究，其中，意大利帕尔玛大学的ARGO无人车利用摄像头作为导航传感器，其核心是通用障碍物车道检测（Generic Obstacle and Lane Detection, GOLD）视觉系统，该系统能够实现道路跟踪、换道操作，采用立体视觉算法来检测障碍物[40]。

2 割草机发展展望

随着果园生草覆盖技术的大面积推广，我国在果园除草割草方面取得了质的跨越，然而在割草机关键部位的研发生产上仍存在不足的地方，近些年我国自主研发的割草机在智能性、稳定性、创新性方面与国外还存在一定的差距。根据以上我国现有割草机显现出的不足，今后应从以下两个方面展开讨论研究：

1）加强对割草机核心部件的研发创新、生产制造。在今后的科研开发中，通过对牵引式割草机的割幅与割草行距的一致性加以研究，真正做到与当地农业种植技术相结合。在主动探测位置与割茬长度的自主调整领域要加以侧重研发，增强割草机的自主导航性能，以切实实现无人、智能的现代化割草机市场。在优化割草机本身功能的同时，也要提高割草机具的使用性能与耐久度，通过正确选用全机材质和切割刀具的材质，提高割草机具耐久性，提升全机器生产效率、切割刀具的应用效益与使用年限。

2）更好地把优秀的传感器技术和信号处理技术应用到割草机自身优化上。用传感器代替人眼进行识别，用信号处理代替大脑做出反馈，打造出更加智能、稳定、可靠的无人割草机，更好地解决果园割草这一果园难题，保证果园作物的生长。