浅谈智能化除草机的研究现状及其发展趋势

乔清旭，杨 晶*，袁洪印，齐瑞锋，孙 鸿，董洪伟

（1.吉林省农业机械研究院，吉林长春 130000；2.吉林农业大学，吉林长春 130118）

1 研究的目的与意义

随着我国对农业领域的大力投入，农业领域发展尤为迅速，我国逐渐由传统农业作业转变为现代化农业作业。结合信息技术的发展，其智能化、信息化也逐渐加入农业机械的设计领域[1]。

我国作为产粮大国，其作物的生长发育、收获效益尤为重要。植株幼苗在生长过程中受田间杂草的影响，会阻碍幼苗的生长发育，降低后期作物收成。目前国内除草主要以中耕机除草、化学药剂除草、人力除草为主。其中，中耕机除草主要以疏松土壤、降低土壤板结情况为主，且作业费时费力，除草效率低；人工除草的作业效率低，已逐步被其他除草技术取代；化学药剂除草主要有人工背负式作业、无人机作业这几种作业方式。化学药剂除草的除草效率较高，但无法根除土壤下面杂草种子，而且长期药剂使用，对田间土质、水源影响较大，作物表面易残留农药，且对作业人员有一定危险性，因此，研究智能化除草技术有重要的发展及意义[2-3]。

近年来，随着5G技术、物联网的发展，其信息化、无人机、人工智能等高新技术逐渐走向成熟，将其与传统农业作业机械相结合，是走向农业现代化的重要一步。智能化除草机结合路径分析、环境因素、识别系统、运动控制、自动化操作部件，借助单、双照相机识别装置，结合信息储备资料库，可精准定位识别作物幼苗及杂草（目前智能除草机在识别杂草后，其除草方式主要分为定点药物喷洒除草、机械臂除草和激光除草），加装监测系统、路径系统、导航功能，保障作业连续性[4-5]。

2 国内外研究现状

智能除草机的研究始于1960年，于1990年得到全面推广，受到广泛学者的关注及研究。目前，智能除草机的难点主要分布于智能导航系统、机器视觉系统。通过完善这两部分，最终目标达到无人作业效果，使除草机做到智能化、高效化。因此国内外研究人员仍不断研究更精准控制技术、更智能的图像处理算法[6]。

2.1 国外发展现状

美国加州大学研制的一款精准喷药除草机器人[7]，该除草机的视觉系统以耕作机作为平台，通过贝叶斯分离函数区分田间作物及杂草。该除草机具备智能处理器，将数据上传至处理器后，对杂草进行精准喷药处理，达到除草目的。

德国科技公司生产的一款以机械手臂除草的除草机，该机器可在播种、施肥作业时完成除草作业，通过Smartsoft软件平台，作业前录入作物及杂草图片，将信息录入资料库，作业时根据识别系统区分作物及杂草，通过对比录入的资料库，达到处理杂草的目的。该机器可在作业的同时，自身具备学习系统，不断提高识别精度。

瑞典的哈姆斯塔德大学研制的除草机[8]，加装黑白、彩色两种相机，黑白相机用以识别作物条带界线，彩色相机识别作物及杂草，该设计方式提高了导航精度，经试验测试得出，其导航误差不超过20 mm。

Cordill与Grift等人研制的除草设备，以激光脉冲识别玉米秸秆及杂草。由4组激光发射器及1组激光接收器完成识别。

丹麦奥尔胡斯大学农业研究所研制的除草机，可在种苗成熟的地块中作业，且作业时不伤种苗。该机器设计结构能够避开成熟作物，根据杂草形状信息区分，通过田间试验证明，该机器能降低70%的除草药剂的使用。

英国农业科技公司SCR研制的播种除草一体机，可同时完成监控、播种、除草作业，独特系统可区分小麦及阔叶杂草，精确识别出小麦轮廓及形似小麦黑草、雀麦草等。

2.2 国内发展现状

南京林业大学研制的药物除草机[9]，基于机器视觉自动导航作业，对杂草茎秆进行切割后，对割口处喷药处理，经试验数据统计，该除草机节省除草剂达到85%，节约成本，减少药物带来的环境污染。

南京农业大学郭伟斌等人设计的除草机，根据导航角、导航距及除草机的位置关系，得出除草机的运动控制规律，通过编程计算并控制其导航轨迹。该除草机将植株垄作作为行走的基准线，可对施药量进行控制，完成自动喷药，加装机械手臂，对目标杂草进行处理作业。

中国农业大学张春龙设计的自动除草机，实现了四轮驱动与自动转向功能，该除草机加装了视觉系统、导航系统、3指爪式除草机械臂及升降结构。可根据杂草的不同位置，智能调节位置，达到精准除草。

通过国内外文献查阅，及市面上样机调查分析了解到，在智能除草机领域，我国仍处于起步阶段，其智能化、自动化、精准程度、作业效率等仍不达标。目前我国智能除草机器仍处于半自动化耕播作业，智能化不高，且外形尺寸较大，目前该机器只适用于平原一带的作业地段，作业时受地势地貌影响，作业质量较差，行驶速度较慢。

结合国内外除草机的研究分析，其智能除草技术是结合了机械视觉采集系统、除草方法、智能控制方式、遥感定位技术、结构设计的多方领域。随着智慧农业、绿色农业的全面推广，智能除草机的研究设计也将更加智能化、精确化、可靠

3 实现智能除草存在的难题及发展趋势

3.1 机器视觉系统

智能除草机器设备中，机器视觉系统作为关键技术，机器设备作业时，视觉系统不断拍摄记录周围环境及目标物体图像，并将拍摄图像传输至中部信息处理器中，处理器将接收到的信息处理后，做出输出指令，作出相应的控制，保证机器完成行走及完成相关作业[10]。

目前机器视觉系统主要有两种：

OCD-ICP的图像配准方法：按照图形原理学，对所拍摄图像提取轮廓边缘，在并对边缘处做标记点，结合事先录入的标记规则，进行筛选优化，达到识别的目的。

HSI颜色分量法：对所录入的图片提取其颜色进行区分对比，作出相应的判断。作物长势的高度、角度的不同，使作物受到的光照程度不同，其拍摄图片的色调、阴影程度、色差饱和度等出现差别，通过提取图片色彩比对，对阈值分割处理，后以量化形式体现出来，提取颜色特征，将其区别分类，达到识别的目的。

目前应用的机器视觉系统，运用的是单种视觉拍摄系统，在实际作业中的误差较大，在此基础上，结合两种视觉录入系统，得出目标作物准确特征，提高识别精度。

对我国而言，对机器视觉研究的时间较短，误差较大，仍有很大的发展空间。

我国机器视觉系统存在的问题及发展趋势：

1）尽管我国机械视觉系统发展较为迅速，但与国外发展仍有较大差距，需不断创新，提高技术水平，努力提高机器视觉系统的精准程度。

2）机器视觉技术涉及多个学科技术，若想得到创新升级，需不同学科协同发展，在瓶颈突破上存在较大难度。

3）在科技发展层面来看，我国仍没做到开放式学习发展，依然处于闭门造车状态，各厂家仍封闭式设计、开发、运营等。若想有更高发展，大格局、大产业之路是必然之路。

4）市场刚需问题，我国属于劳动力密集型国家，在农业领域，仍未全面实现农业机械化，机器视觉技术的发展受到市场局限性的影响，发展迟缓。为实现机器视觉达到市场刚性需求的层面，应大力推广全面机械化作业，提高自动化设备的投入。

3.2 系统控制技术

系统控制技术涉及多个领域，是软件与硬件相结合的系统工程。时至今日，已形成独特的控制体系，取得了丰富的成果，其结合传统控制技术与智能控制技术协同作业、相互配合，实现无人作业，较优地完成各种作业。随着信息技术的发展，控制技术将更加智能化，并具有适应性实现云处理的特点。

目前控制系统主要分模糊控制、专家控制、分层控制。

模糊控制：将传输的数据以模糊的状态上传，传出时却以明确的指令输出执行。该控制方式主要由数据库、转化端、模糊处理器、明确输出端组成。将上传模糊数据经一系列转化后实现对机器的精准控制。

专家控制：搭配自身编写好的程序及算法，结合传统控制技术，实现大幅度提升控制效果的目的。该控制系统主要使用在对目标对象监测方面，根据目标的监测系统及结果，作出相应的输出及控制。

分层控制：由组织级、协调级、执行机构组成，基于三元理论思想，主要适用于对任务的组织与分配作业，由协调级分析任务执行的可行性，最后由执行机构完成对目标作业的操作与控制。

目前我国控制系统存在的问题及发展趋势：

1）理论研究与实际操作无法做到统一，目前我国控制领域的抗干扰性不达标准，部分数据参数过于敏感，作业时受实际操作环境影响，对复杂情况及恶劣环境无法做出有效分析判断，造成预期效果与实际情况相悖的现象。所以在未来控制领域上，提高控制部件对抗干扰性的研究，降低误差，提高精准程度。

2）传统控制行业近年来没有实际进步，仅仅是在原有基础上做的微小调整，本质上没有变化，没有实质上的创新优化。

3）在我国，仍把控制领域认为传统领域，致使控制领域得不到重视与发展，其处理器的频率达不到计算要求，无法满足高频计算。今后的发展中完善信息处理器，也是我们需要攻克的一大难题。

3.3 导航定位技术

导航定位系统依赖光、声波、电磁、红外等介质做出判断，具备即时运算部署、自主控制、行走控制功能，是一个复合操作系统。目前市面上常用导航包括：光学导航、声波导航、红外导航、电磁导航、GPS导航等。不同导航，依赖不同信息传导介质，实际作业时根据环境情况选择所需导航。

智能机器导航系统，基于实时位置姿态、周围环境等信息因素做出行为部署与命令传达，将信息资料传递至控制设备。目前，导航所做出的控制以主动控制方法、反应控制方法为主；为使智能化机械做出精准的判断及部署，其导航系统需更加精准地监测出所处地势周围情况，及被监测对象的全貌，因此导航系统需朝着多传感器融合技术的领域发展，其兼容性、开拓性、融合性成了研究关键点。

4 结语

随着全面开展现代化农业作业方式，我国智能化作业、精准农业发展迅速，落后的生产作业方式逐步淘汰。智能除草技术符合精准农业的发展方向，结合智能导航、自动化作业、精准除草等技术于一体，借助信息化作业模式，减少人力投入，提高农业生产效率，其精确除草、定点除草的作业方式，减少农药使用，降低对环境的破坏，保证作物良好的生长。智能除草技术将在未来农业除草领域的发展中占主导地位。因此开发智能化除草对解决劳动力短缺、解决农药对环境的污染有重要的意义[11]。

而在当前阶段，我国起步较晚，虽然在该领域已开展大量研究，但受技术的局限性，智能除草机仍不成熟，无法应对复杂的作业环境、多变的处理对象，同时也没有实现智能导航系统与精准控制技术，无法转型到商业化的生产模式。因此，根据对该领域的学习及研究，通过对比国内外发展现状得出，我国应该大力支持对机械视觉系统、系统控制技术及导航技术的投入及研究，培养大批量相关人才，支持科技企业的发展，加快走向农业现代化的脚步。

未来希望我国智能化除草技术将朝着更加智能、高效、绿色的方向发展。其智能化程度将实现智能定位、远程操控、无人驾驶、精准作业于一体，真正达到现代化除草作业模式。