淺談智能化除草機的研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢

喬清旭，楊 晶*，袁洪印，齊瑞鋒，孫 鴻，董洪偉

（1.吉林省農(nóng)業(yè)機械研究院，吉林長春 130000；2.吉林農(nóng)業(yè)大學，吉林長春 130118）

1 研究的目的與意義

隨著我國對農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的大力投入，農(nóng)業(yè)領(lǐng)域發(fā)展尤為迅速，我國逐漸由傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)作業(yè)轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)代化農(nóng)業(yè)作業(yè)。結(jié)合信息技術(shù)的發(fā)展，其智能化、信息化也逐漸加入農(nóng)業(yè)機械的設(shè)計領(lǐng)域[1]。

我國作為產(chǎn)糧大國，其作物的生長發(fā)育、收獲效益尤為重要。植株幼苗在生長過程中受田間雜草的影響，會阻礙幼苗的生長發(fā)育，降低后期作物收成。目前國內(nèi)除草主要以中耕機除草、化學藥劑除草、人力除草為主。其中，中耕機除草主要以疏松土壤、降低土壤板結(jié)情況為主，且作業(yè)費時費力，除草效率低；人工除草的作業(yè)效率低，已逐步被其他除草技術(shù)取代；化學藥劑除草主要有人工背負式作業(yè)、無人機作業(yè)這幾種作業(yè)方式。化學藥劑除草的除草效率較高，但無法根除土壤下面雜草種子，而且長期藥劑使用，對田間土質(zhì)、水源影響較大，作物表面易殘留農(nóng)藥，且對作業(yè)人員有一定危險性，因此，研究智能化除草技術(shù)有重要的發(fā)展及意義[2-3]。

近年來，隨著5G技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，其信息化、無人機、人工智能等高新技術(shù)逐漸走向成熟，將其與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)作業(yè)機械相結(jié)合，是走向農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要一步。智能化除草機結(jié)合路徑分析、環(huán)境因素、識別系統(tǒng)、運動控制、自動化操作部件，借助單、雙照相機識別裝置，結(jié)合信息儲備資料庫，可精準定位識別作物幼苗及雜草（目前智能除草機在識別雜草后，其除草方式主要分為定點藥物噴灑除草、機械臂除草和激光除草），加裝監(jiān)測系統(tǒng)、路徑系統(tǒng)、導航功能，保障作業(yè)連續(xù)性[4-5]。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

智能除草機的研究始于1960年，于1990年得到全面推廣，受到廣泛學者的關(guān)注及研究。目前，智能除草機的難點主要分布于智能導航系統(tǒng)、機器視覺系統(tǒng)。通過完善這兩部分，最終目標達到無人作業(yè)效果，使除草機做到智能化、高效化。因此國內(nèi)外研究人員仍不斷研究更精準控制技術(shù)、更智能的圖像處理算法[6]。

2.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

美國加州大學研制的一款精準噴藥除草機器人[7]，該除草機的視覺系統(tǒng)以耕作機作為平臺，通過貝葉斯分離函數(shù)區(qū)分田間作物及雜草。該除草機具備智能處理器，將數(shù)據(jù)上傳至處理器后，對雜草進行精準噴藥處理，達到除草目的。

德國科技公司生產(chǎn)的一款以機械手臂除草的除草機，該機器可在播種、施肥作業(yè)時完成除草作業(yè)，通過Smartsoft軟件平臺，作業(yè)前錄入作物及雜草圖片，將信息錄入資料庫，作業(yè)時根據(jù)識別系統(tǒng)區(qū)分作物及雜草，通過對比錄入的資料庫，達到處理雜草的目的。該機器可在作業(yè)的同時，自身具備學習系統(tǒng)，不斷提高識別精度。

瑞典的哈姆斯塔德大學研制的除草機[8]，加裝黑白、彩色兩種相機，黑白相機用以識別作物條帶界線，彩色相機識別作物及雜草，該設(shè)計方式提高了導航精度，經(jīng)試驗測試得出，其導航誤差不超過20 mm。

Cordill與Grift等人研制的除草設(shè)備，以激光脈沖識別玉米秸稈及雜草。由4組激光發(fā)射器及1組激光接收器完成識別。

丹麥奧爾胡斯大學農(nóng)業(yè)研究所研制的除草機，可在種苗成熟的地塊中作業(yè)，且作業(yè)時不傷種苗。該機器設(shè)計結(jié)構(gòu)能夠避開成熟作物，根據(jù)雜草形狀信息區(qū)分，通過田間試驗證明，該機器能降低70%的除草藥劑的使用。

英國農(nóng)業(yè)科技公司SCR研制的播種除草一體機，可同時完成監(jiān)控、播種、除草作業(yè)，獨特系統(tǒng)可區(qū)分小麥及闊葉雜草，精確識別出小麥輪廓及形似小麥黑草、雀麥草等。

2.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

南京林業(yè)大學研制的藥物除草機[9]，基于機器視覺自動導航作業(yè)，對雜草莖稈進行切割后，對割口處噴藥處理，經(jīng)試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計，該除草機節(jié)省除草劑達到85%，節(jié)約成本，減少藥物帶來的環(huán)境污染。

南京農(nóng)業(yè)大學郭偉斌等人設(shè)計的除草機，根據(jù)導航角、導航距及除草機的位置關(guān)系，得出除草機的運動控制規(guī)律，通過編程計算并控制其導航軌跡。該除草機將植株壟作作為行走的基準線，可對施藥量進行控制，完成自動噴藥，加裝機械手臂，對目標雜草進行處理作業(yè)。

中國農(nóng)業(yè)大學張春龍設(shè)計的自動除草機，實現(xiàn)了四輪驅(qū)動與自動轉(zhuǎn)向功能，該除草機加裝了視覺系統(tǒng)、導航系統(tǒng)、3指爪式除草機械臂及升降結(jié)構(gòu)。可根據(jù)雜草的不同位置，智能調(diào)節(jié)位置，達到精準除草。

通過國內(nèi)外文獻查閱，及市面上樣機調(diào)查分析了解到，在智能除草機領(lǐng)域，我國仍處于起步階段，其智能化、自動化、精準程度、作業(yè)效率等仍不達標。目前我國智能除草機器仍處于半自動化耕播作業(yè)，智能化不高，且外形尺寸較大，目前該機器只適用于平原一帶的作業(yè)地段，作業(yè)時受地勢地貌影響，作業(yè)質(zhì)量較差，行駛速度較慢。

結(jié)合國內(nèi)外除草機的研究分析，其智能除草技術(shù)是結(jié)合了機械視覺采集系統(tǒng)、除草方法、智能控制方式、遙感定位技術(shù)、結(jié)構(gòu)設(shè)計的多方領(lǐng)域。隨著智慧農(nóng)業(yè)、綠色農(nóng)業(yè)的全面推廣，智能除草機的研究設(shè)計也將更加智能化、精確化、可靠

3 實現(xiàn)智能除草存在的難題及發(fā)展趨勢

3.1 機器視覺系統(tǒng)

智能除草機器設(shè)備中，機器視覺系統(tǒng)作為關(guān)鍵技術(shù)，機器設(shè)備作業(yè)時，視覺系統(tǒng)不斷拍攝記錄周圍環(huán)境及目標物體圖像，并將拍攝圖像傳輸至中部信息處理器中，處理器將接收到的信息處理后，做出輸出指令，作出相應的控制，保證機器完成行走及完成相關(guān)作業(yè)[10]。

目前機器視覺系統(tǒng)主要有兩種：

OCD-ICP的圖像配準方法：按照圖形原理學，對所拍攝圖像提取輪廓邊緣，在并對邊緣處做標記點，結(jié)合事先錄入的標記規(guī)則，進行篩選優(yōu)化，達到識別的目的。

HSI顏色分量法：對所錄入的圖片提取其顏色進行區(qū)分對比，作出相應的判斷。作物長勢的高度、角度的不同，使作物受到的光照程度不同，其拍攝圖片的色調(diào)、陰影程度、色差飽和度等出現(xiàn)差別，通過提取圖片色彩比對，對閾值分割處理，后以量化形式體現(xiàn)出來，提取顏色特征，將其區(qū)別分類，達到識別的目的。

目前應用的機器視覺系統(tǒng)，運用的是單種視覺拍攝系統(tǒng)，在實際作業(yè)中的誤差較大，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合兩種視覺錄入系統(tǒng)，得出目標作物準確特征，提高識別精度。

對我國而言，對機器視覺研究的時間較短，誤差較大，仍有很大的發(fā)展空間。

我國機器視覺系統(tǒng)存在的問題及發(fā)展趨勢：

1）盡管我國機械視覺系統(tǒng)發(fā)展較為迅速，但與國外發(fā)展仍有較大差距，需不斷創(chuàng)新，提高技術(shù)水平，努力提高機器視覺系統(tǒng)的精準程度。

2）機器視覺技術(shù)涉及多個學科技術(shù)，若想得到創(chuàng)新升級，需不同學科協(xié)同發(fā)展，在瓶頸突破上存在較大難度。

3）在科技發(fā)展層面來看，我國仍沒做到開放式學習發(fā)展，依然處于閉門造車狀態(tài)，各廠家仍封閉式設(shè)計、開發(fā)、運營等。若想有更高發(fā)展，大格局、大產(chǎn)業(yè)之路是必然之路。

4）市場剛需問題，我國屬于勞動力密集型國家，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，仍未全面實現(xiàn)農(nóng)業(yè)機械化，機器視覺技術(shù)的發(fā)展受到市場局限性的影響，發(fā)展遲緩。為實現(xiàn)機器視覺達到市場剛性需求的層面，應大力推廣全面機械化作業(yè)，提高自動化設(shè)備的投入。

3.2 系統(tǒng)控制技術(shù)

系統(tǒng)控制技術(shù)涉及多個領(lǐng)域，是軟件與硬件相結(jié)合的系統(tǒng)工程。時至今日，已形成獨特的控制體系，取得了豐富的成果，其結(jié)合傳統(tǒng)控制技術(shù)與智能控制技術(shù)協(xié)同作業(yè)、相互配合，實現(xiàn)無人作業(yè)，較優(yōu)地完成各種作業(yè)。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，控制技術(shù)將更加智能化，并具有適應性實現(xiàn)云處理的特點。

目前控制系統(tǒng)主要分模糊控制、專家控制、分層控制。

模糊控制：將傳輸?shù)臄?shù)據(jù)以模糊的狀態(tài)上傳，傳出時卻以明確的指令輸出執(zhí)行。該控制方式主要由數(shù)據(jù)庫、轉(zhuǎn)化端、模糊處理器、明確輸出端組成。將上傳模糊數(shù)據(jù)經(jīng)一系列轉(zhuǎn)化后實現(xiàn)對機器的精準控制。

專家控制：搭配自身編寫好的程序及算法，結(jié)合傳統(tǒng)控制技術(shù)，實現(xiàn)大幅度提升控制效果的目的。該控制系統(tǒng)主要使用在對目標對象監(jiān)測方面，根據(jù)目標的監(jiān)測系統(tǒng)及結(jié)果，作出相應的輸出及控制。

分層控制：由組織級、協(xié)調(diào)級、執(zhí)行機構(gòu)組成，基于三元理論思想，主要適用于對任務的組織與分配作業(yè)，由協(xié)調(diào)級分析任務執(zhí)行的可行性，最后由執(zhí)行機構(gòu)完成對目標作業(yè)的操作與控制。

目前我國控制系統(tǒng)存在的問題及發(fā)展趨勢：

1）理論研究與實際操作無法做到統(tǒng)一，目前我國控制領(lǐng)域的抗干擾性不達標準，部分數(shù)據(jù)參數(shù)過于敏感，作業(yè)時受實際操作環(huán)境影響，對復雜情況及惡劣環(huán)境無法做出有效分析判斷，造成預期效果與實際情況相悖的現(xiàn)象。所以在未來控制領(lǐng)域上，提高控制部件對抗干擾性的研究，降低誤差，提高精準程度。

2）傳統(tǒng)控制行業(yè)近年來沒有實際進步，僅僅是在原有基礎(chǔ)上做的微小調(diào)整，本質(zhì)上沒有變化，沒有實質(zhì)上的創(chuàng)新優(yōu)化。

3）在我國，仍把控制領(lǐng)域認為傳統(tǒng)領(lǐng)域，致使控制領(lǐng)域得不到重視與發(fā)展，其處理器的頻率達不到計算要求，無法滿足高頻計算。今后的發(fā)展中完善信息處理器，也是我們需要攻克的一大難題。

3.3 導航定位技術(shù)

導航定位系統(tǒng)依賴光、聲波、電磁、紅外等介質(zhì)做出判斷，具備即時運算部署、自主控制、行走控制功能，是一個復合操作系統(tǒng)。目前市面上常用導航包括：光學導航、聲波導航、紅外導航、電磁導航、GPS導航等。不同導航，依賴不同信息傳導介質(zhì)，實際作業(yè)時根據(jù)環(huán)境情況選擇所需導航。

智能機器導航系統(tǒng)，基于實時位置姿態(tài)、周圍環(huán)境等信息因素做出行為部署與命令傳達，將信息資料傳遞至控制設(shè)備。目前，導航所做出的控制以主動控制方法、反應控制方法為主；為使智能化機械做出精準的判斷及部署，其導航系統(tǒng)需更加精準地監(jiān)測出所處地勢周圍情況，及被監(jiān)測對象的全貌，因此導航系統(tǒng)需朝著多傳感器融合技術(shù)的領(lǐng)域發(fā)展，其兼容性、開拓性、融合性成了研究關(guān)鍵點。

4 結(jié)語

隨著全面開展現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)作業(yè)方式，我國智能化作業(yè)、精準農(nóng)業(yè)發(fā)展迅速，落后的生產(chǎn)作業(yè)方式逐步淘汰。智能除草技術(shù)符合精準農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向，結(jié)合智能導航、自動化作業(yè)、精準除草等技術(shù)于一體，借助信息化作業(yè)模式，減少人力投入，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，其精確除草、定點除草的作業(yè)方式，減少農(nóng)藥使用，降低對環(huán)境的破壞，保證作物良好的生長。智能除草技術(shù)將在未來農(nóng)業(yè)除草領(lǐng)域的發(fā)展中占主導地位。因此開發(fā)智能化除草對解決勞動力短缺、解決農(nóng)藥對環(huán)境的污染有重要的意義[11]。

而在當前階段，我國起步較晚，雖然在該領(lǐng)域已開展大量研究，但受技術(shù)的局限性，智能除草機仍不成熟，無法應對復雜的作業(yè)環(huán)境、多變的處理對象，同時也沒有實現(xiàn)智能導航系統(tǒng)與精準控制技術(shù)，無法轉(zhuǎn)型到商業(yè)化的生產(chǎn)模式。因此，根據(jù)對該領(lǐng)域的學習及研究，通過對比國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀得出，我國應該大力支持對機械視覺系統(tǒng)、系統(tǒng)控制技術(shù)及導航技術(shù)的投入及研究，培養(yǎng)大批量相關(guān)人才，支持科技企業(yè)的發(fā)展，加快走向農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的腳步。

未來希望我國智能化除草技術(shù)將朝著更加智能、高效、綠色的方向發(fā)展。其智能化程度將實現(xiàn)智能定位、遠程操控、無人駕駛、精準作業(yè)于一體，真正達到現(xiàn)代化除草作業(yè)模式。