棉花机械打顶关键技术研究进展

谢庆 孔凡婷 石磊 陈长林 吴腾 孙勇飞

摘要：棉花打顶作为棉花种植过程的一个重要环节，对棉花产量与品质具有重要影响。针对我国棉花打顶机械的发展情况，分类总结近年来在棉花高度与顶端检测、打顶装置、控制系统等关键技术方面的研究现状，阐述各个关键技术的突破与创新。同时指出在棉花高度与顶端检测、打顶装置、控制系统等方面检测精度不足、切割可靠性与准确性差、打顶控制算法不完善等问题。提出未来打顶技术研究的发展方向，神经网络、5G通讯等技术可用于棉花打顶识别，创新优化打顶切割装置，先进智能控制算法应用解决棉花打顶控制问题，机器人等先进技术应用到打顶中，发展无人机打顶技术，结合水肥调控栽培技术，推进打顶机械与生产农艺相结合，最大限度减低棉花田间管理复杂度，提升棉花打顶效果，实现棉花机械打顶大规模应用。

关键词：棉花；打顶；顶端检测；切割装置；打顶控制

中图分类号：S224.9

文献标识码：A

文章编号：2095-5553 （2023） 03-0028-07

Abstract： As an important part in the cotton planting process， cotton topping has an important impact on cotton yield and quality. According to the development of cotton topping machinery in China， this paper classifies and summarizes the research status of key technologies such as cotton height and top detection， topping device and control system in recent years， and expounds the break through and innovation of various key technologies， at the same time， it points out the problems of insufficient detection accuracy， poor cutting reliability and accuracy and imperfect topping control algorithm in cotton height and top detection， topping device and control system， and puts forward the development direction of topping technology in the future. Neural network， 5G communication and other technologies can be used for cotton topping identification and innovate and optimize topping and cutting device， advanced intelligent control algorithm is applied to solve the problem of cotton topping control， and advanced technologies such as robots are applied to the topping.Unmanned aerial vehicle technology can be used for topping. The water and fertilizer regulation and cultivation technology promotes the combination of topping machinery and production agronomy， minimizes the complexity of cotton field management， improves the cotton topping effect， and realizes the largescale application of cotton machinery topping.

Keywords： cotton； topping； top detection； topping device； topping control

0引言

我国棉花种植面积广阔，种植面积超过3 000 khm2［12］，棉花打顶作为棉花种植过程的一个重要环节，对棉花产量与品质具有重要影响［3］。

棉花打顶是通过摘除棉花顶尖，实现去除顶端优势，抑制棉株枝叶生长，促进结铃结桃，提高棉花产量。棉花打顶多采用人工操作，通过摘除“一叶一芯”，进行人工打顶作业。

国外对于棉花机械打顶方面研究主要集中在20世紀，研制多种形式的棉花打顶机械，但由于受到管理方式以及品种气候等诸多因素影响，对打顶机械需求较弱，未形成成熟的产品，相关技术相对落后，近年来相关研究也鲜有报道。我国棉花打顶机械研究自20世纪60年代就有相关报道［4］，并逐步发展至今，关键在于解决棉花打顶机械化问题。过去依赖于我国的人口优势，农业从业人口充足，棉花打顶采用人工作业，作业成本较低，打顶机械化需求较弱；然而随着我国经济快速发展，从事农业生产劳动力短缺的问题日益突出，同时由于棉花打顶劳动强度大，且打顶时为高温炎热的夏季，工作条件恶劣，意愿从事打顶人员大幅度减少，同时随着人员薪酬普遍提升，大幅度提高的打顶作业成本，迫切需求机械替代人工，使得棉花打顶机械化成为目前亟待解决的棉花生产问题。

近年来开展棉花机械打顶相关研究较多，研究方向及着重点也各有不同，本文针对近年来棉花打顶主要集中的棉花高度与顶端检测、打顶切割装置、打顶控制系统等关键技术方面进行分析，阐述目前棉花机械打顶研究存在的主要问题，探究棉花机械打顶的发展方向。

1棉花打顶关键技术研究现状

1.1棉花高度与顶端检测技术

由于棉花生长高度的不同，棉花机械打顶首先需要解决的是棉花高度与顶端检测，进而调节打顶位置，进行机械打顶作业。早期采用基于地面仿行的打顶方式，根据地形调整打顶位置，如蒋永新等［5］研制的3DDF-8型棉花打顶机，其仅仅考虑到地形对打顶位置的影响，忽视了棉花自生生长的差异性，而在实践中易发现棉花自身生长差异影响远远大于地形的影响。另外，还有在自动化技术较少应用到打顶方面的时期，还有采用人工手动调节的打顶机，通过人眼观察顶尖位置，通过手动快速调节打顶机构进行打顶的半自动打顶方式［3］。随着技术发展，目前研究棉花高度与顶端检测的方式方法较多，不同方式均有研究应用，主要可分为接触式与非接触式棉花高度与顶端检测。

1.1.1接触式棉花高度与顶端检测

接触式棉花高度与顶端检测方式，主要采用可控元件与棉株顶端接触，结合角度、压力、限位等传感器进行接触检测，通过分析获取顶端位置。如何磊等［6］研制开发的一种垂直升降式单体仿形棉花打顶机采用了一种仿形板式结构，通过仿形板与棉花顶部接触，结合多个不同位置接近开关检测，实现棉花顶端位置检测，如图1所示，工作过程如下：当仿形板一端碰到高棉株，在棉株的反作用力下，仿形板上升，断开下接近开关，触发上接近开关，信号传递到电磁阀，驱动打顶机构上升；棉株较低时，在重力作用下仿形板降低至棉株顶端，断开上接近开关，触发下接近开关，信号传递到电磁阀，驱动打顶机构下降；如果仿形板位于上、下接近开关之间，则保持当前高度。另外，康秀生等［7］设计的一种小型棉花打顶机也采用了类似仿形板结构，不同之处在于其采用杠杆结构，可进行仿形板平衡调节，提升准确性。

彭强吉等［8］在原仿形板结构仅设高低位检测基础上，开发了使用角度传感检测的仿形板方案，如图2所示，使得棉株检测高度更加精确，提高了棉花打顶的准确性。

由于接触式结构需要与棉株接触进行检测，在响应速度与检测精度上存在一些不足，逐步发展起来非接触式检测方式。

1.1.2非接触式棉花高度与顶端检测

非接触式棉花顶端检测是通过非接触传感器直接或者间接检测分析棉花顶端位置，如可采用超声波传感器、红外测距传感器、相机等进行棉花顶端分析检测。

李霞等提出了用超声波方式检测棉株高度，其原理如图3所示，后续有多种基于超声波检测的方式，谢庆等在一种基于PLC伺服控制的棉花打顶机中上采用进口的ＵT20-700-AIM４型超声波传感器对棉花高度进行检测，并获取了其测距特性，并经过试验表明该传感器可应用于棉花机械打顶机中的棉株高度检测。康秀生等在基于单片机的棉花打顶机打顶高度的控制研究中，利用超声波反射原理进行打顶检测，构建了一套基于超聲波检测机制的棉花打检测方式。

闫毅敏等［9］于自动控制的棉株顶尖高度测量系统设计与试验中，采用了超声波传感器对比实验研究了一种红外测距传感器用于棉株检测，其工作原理如图4所示，红外线发射器可发射出红外线光束，当遇到棉株时，光束反射后经过滤镜被CCD检测器检测到以后，可测得偏移量Ｌ，通过几何关系计算，可得出传感器到棉株的距离Ｄ。

由于超声波传感器与红外传感器均利用反射原理进行非接触式棉花高度与顶端检测，在田间复杂条件易受到干扰，逐步发展出了基于光电的检测方式与技术。史增录等［10］在基于自动检测与控制的棉花打顶装置中采用了光幕传感器作为棉花高度检测系统，其原理如图5所示。另外，彭强吉等［11］研制的3MDZ-4型自走式棉花打顶喷药联合作业机采用一种测量光幕传感器作为棉花高度检测系统。该棉花高度传感器包含相互分离且相对放置的发射管和接收管两部分，识别范围为0～320 mm，低于识别范围无检测信号，高于识别范围将最高点视为棉株高度。作业时，棉株从传感器中间穿过，发射管发出的光束被遮挡，接收管接收不到光束，接收管截止，接收管输出高电平信号；如果没有棉株从传感器中间穿过，发射管发出光束被接收管接收，接收管导通，接收管输出低电平信号，配合控制软件，进行分析检测数据，即可实现对棉花高度的精准检测。

另外，瞿端阳等［12］提出一种基于机器视觉技术的棉株识别定位方法，利用２个相同型号的摄像头搭建双目立体视觉系统，在此基础上进行相机标定、图像采集、图像分割、特征点提取等过程，利用最小二乘法计算出棉株的深度信息，证明基于机器视觉技术的棉株识别定位方法的可行性。韩大龙等［13］开发双目立体视觉的棉株动态识别系统，运用基于图像Haar_Like特征的Adaboost算法设计出棉株顶尖检测识别的级联分类器，应用于双目立体识别系统的顶尖检测识别，如图6所示。

随着人工智能技术兴起，基于神经网络的人工智能技术也逐步应用到棉花顶芽识别定位方面。2021年陈柯屹等［14］研究了以Faster R-CNN 为基础框架，使用RegNetX-6.4GF作为主干网络的田间棉花顶芽识别方法，构建了相关数据库，并对比分析了不同神经网络识别效果，为棉花精准打顶作业奠定基础。Li等［15］通过采用双目相机，结合YOLOv3神经网络实现对棉花顶芽的精准识别，取得了较好的效果。

1.2棉花打顶切割技术

棉花打顶切割技术是最终实现棉花打顶切割动作的关键，为实现准确高效的打顶切割，目前主要采用的方式有甩刀、单/双圆盘刀、滚刀、线刀、往复式割刀等结构形式，辅助于扶禾器、防护罩等装置。

罗新豫等［16］设计了一种平推式棉花打顶机采用长滚筒切割装置与前、后推禾板相互配，将高低不齐的棉株顶尖斜推至同一水平高度进行切割打顶，试验表明速度在3.4 km/h左右时，打顶率达到92%，结构如图7所示。

史增录等［10］设计了一种棉花打顶装置，如图8所示，其利用前挡板和后挡板防止切顶装置在上升或下降时过切棉株茎叶，避免传统棉花打顶机切顶装置易过切棉株茎叶及部分棉桃问题，同时在切割装置上增加了固定刀，使得切割装置以有支撑切割的方式作业，减少切割消耗的动力，改善棉株顶尖切口的整齐度。

姚强强等［17］设计的单体仿形棉花打顶机与彭强吉等［11］设计的3MDZ-4型自走式棉花打顶喷药联合作业机均采用单独圆盘刀，如图9所示，通过高速驱动旋转刀片对棉株顶端进行切割，该切割方式操作简单，难点在于驱动结构上，需同时实现上下仿形运动与旋转切割，其中前者采用套筒式结构，而后者采用了电机直接驱动。

谢庆等在一种基于PLC伺服控制的棉花打顶机中采用了双圆盘打顶切割机构（图10），其在单圆盘切刀基础上改进，采用较低的转速，具有较高的切割可靠性。

姜学森等［18］设计了一种棉花仿形纵横切割机构，其主要包括方形滚筒以及中间水平刀以及多组纵向排布线刀，可通过方形滚筒带动水平刀与线刀高速旋转，实现切割顶芯同时打去侧枝顶芽，如图11所示。

1.3棉花打顶控制技术

棉花打顶机控制系统从纯机械仿形结构控制，逐步发展至全自动电子控制的打顶系统，主要以单片机、PLC、FPGA等为基础的打顶机控制系统。如闫毅敏等［9］设计开发了基于C51单片机的棉株高度检测系统，并进行相关试验研究；史增录等［10］设计了一种基于单片机的棉花打顶控制系统，其采用激光对射式传感器自动检测棉株高度，将高度数据反馈到单片机控器中，通过分析处理控制电机的运动，实现打顶装置精准运动到打顶位置，其结构如图12所示。另外为该系统设计了控制电路及配套控制软件，形成完整的棉花打顶控制系统，并进行了系统试验研究。

谢庆等针对3MD-3型棉花打顶机开发了基于PLC控制的打顶控制系统，其主要由PLC主控制器、觸控显示屏、行驶速度传感器、棉花顶端检测传感器、提升伺服电机及旋切伺服电机等组成，如图13所示。所设计打顶机采用一套控制系统实现3行打顶机的控制，并配备便于用户操作的触摸控制屏，实现了打顶的全自动控制。

彭强吉等［11］为3MDZ-4型自走式棉花打顶喷药联合作业机设计了一种基于FPGA的打顶机控制系统，如图14所示，将棉花打顶系统与变量喷药系统进行集成，可实现棉株高度检测、打顶切割控制、变量喷药控制等，进一步提升了打顶机的综合性能。

张晋国等［19］研究的棉花打顶机自动对行装置及控制系统，如图15所示。

通过检测杆与角度传感器相结合，运用PLC控制器结合滑移控制方法，实现棉花打顶机左右对行调节，解决打顶过程中对行作业需求，减少偏行量，提升打顶准确性。

另外，华中农业大学、江苏大学、农业农村部南京农机械化研究所等正针对棉花打顶机开发智能机器人，结合人工智能识别技术与机器人技术，实现棉花智能化打顶，实现人工打顶到智能打顶的跨越。

2存在问题

目前众多学者与研究机构进行棉花机械打顶方面的技术研究，开展了大量的试验探索，但在诸多方面仍然存在不足，棉花机械打顶方面依然面临诸多问题。

1） 棉花打顶检测方面。由于棉花顶芽较小，同时棉花生长的特殊构造，易受到遮挡，同时种植密度较大，检测难度较大，其主要问题在于准确性、抗干扰与实时性方面不足。无论是仿形板等接触方式还是超声波、光幕等非接触方式均为间接测量，其准确性存在天生缺陷，无法实现高精度打顶；基于相机等图像处理方式，需要结合复杂的算法分析，准确性较高，但受到传感器与算法双重影响，同时实时性也受到硬件制约，成本也相对较高。针对棉花顶尖检测技术，详细对比分析见表1。

2） 切割装置方面。目前主要采用的甩刀、单/双圆盘刀、滚刀、线刀、往复式割刀等多种切割方式应用于棉花打顶切割，不同切割方式针对切割转速、切割范围、切割时对行要求以及对特定目标切割的可靠性等方面对比如表2所示。

主要问题是切割可控性普遍不足，无法稳定高效切割棉花顶尖部分，易发生漏切与过切问题；另外切割精度不足，普遍易伤顶芽周边枝叶，易损伤盖顶桃，影响棉花品质和产量。

3） 打顶控制系统方面。多种自动控制技术应用提升了打顶自动化与智能化程度，而打顶控制系统主要在于控制精度、稳定性与可靠性不足。硬件方面主要应用有单片机、PLC、FPGA等，在系统结构上基本相似，整体结构已趋于完善，但在软件方面存在较大不足，相关理论研究较少，特别是针对打顶作业的动态过程，需要实现精准速度匹配，相关算法的无法满足精准打顶要求。

4） 另外，在进行棉花打顶相关研究开展方面也存在不足。棉花打顶机械与农艺管理融合不足。目前进行棉花机械打顶相关研究主要还集中在机械装备的研制方面，配套的相关农艺要求研究还不足，目前多采用与人工打顶相同的管理方式，对于机械打顶的时间、打顶期的田间管理等方面的技术要求仍不明确，还未形成与机械打顶相适应的规范流程，成为影响机械打顶效果的一个重要因素。另外目前研制棉花打顶机多为单一功能装备，使用期短，成本较高，装备利用率与成本问题制约其进一步发展与推广应用。

3发展趋势

随着科学技术的发展，棉花机械打顶相关技术逐步发展，更多新的技术将应用在棉花打顶领域。

在顶端检测技术方面，多学科多技术融合成为研究的重点方向，诸如基于人工智能相关的图像识别技术将成为棉花打顶研究的一个重要方面，解决当前棉花顶尖识别这一关键性问题，大大提升识别的准确性与可靠性。另外基于5G通讯技术，可将云处理技术应用在打顶方面，在保证棉花打顶实时性需求的同时，可以进一步优化识别准确性，同时满足大规模处理需求，降低设备成本。

在棉花打顶切割方面，创新设计打顶切割装置，进一步优化棉花打顶装置结构，提高打顶效率，解决打顶切割可靠性问题，同时最大限度降低打顶过程中对枝叶与花蕾的损伤，减少对棉花产量影响。

在打顶控制方面，各种控制系统的集成应用以及多种控制理论与方法的应用将推动打顶控制技术的提升，关键在于解决打顶准确性、打顶速度与行驶速度的同步等核心问题，提升打顶效率与准确性。

另外可開展棉花打顶机械手的研究，将其替代人工打顶，提高效率同时提升打顶精度，从而实现精准打顶；而随着无人机技术的发展，也可应用在棉花打顶方面，开发打顶无人机，配合集群控制模式，可实现大规模打顶应用。

此外，融合机械打顶与水肥调控方式用于棉花生产管理，可实现少打顶甚至不打顶，进一步提升棉花打顶管理的效果，提高棉花品质与产量。

为进一步推动棉花打顶机械发展，需要相关政策扶持，吸引更多人才与企业参与，将相关技术转化应用，形成产品，应用到实际生产中，推动棉花打顶机械快速发展。

4结语

随着我国农村土地流转方式的改变，土地逐步推进集约化管理，棉花生产将进一步向大规模化发展，为减少棉花田间管理成本，提升棉花品质与产量，棉花打顶机械化将成为棉花生产的重要一环。棉花打顶相关装备研发将针对棉花顶端识别与定位、打顶切割等方面存在的问题，解决棉花打顶的准确性与可靠性问题，融合新兴技术，发展打顶新方式，改变目前打顶现状，推进棉花生产全程机械化；结合水肥调控栽培技术，推进打顶机械与生产农艺相结合，最大限度减低棉花田间管理复杂度，提升棉花打顶效果，实现棉花机械打顶大规模应用。

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