唐子昊 奚小波 張寶峰 杜晉 史揚(yáng)杰 張翼夫 秦康生 張瑞宏

摘要：除草是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中不可或缺的一環(huán)，國內(nèi)目前農(nóng)田雜草防除主要以化學(xué)除草為主，但長期使用化學(xué)除草會造成雜草抗性上升、農(nóng)業(yè)環(huán)境污染、農(nóng)作物藥害等問題，機(jī)械除草在無上述危害的同時還可改善土壤環(huán)境、促進(jìn)作物生長發(fā)育，有效替代化學(xué)除草 。為能給我國機(jī)械除草高新技術(shù)推廣提供參考，本文將現(xiàn)今國內(nèi)外除草機(jī)械劃分為水田除草機(jī)械、旱田除草機(jī)械與除草機(jī)器人系統(tǒng)，對其研究現(xiàn)狀和發(fā)展動態(tài)進(jìn)行闡述和剖析，并結(jié)合綠色農(nóng)業(yè)相關(guān)研究、發(fā)展要求與我國目前接近7 000萬hm2化學(xué)除草面積的客觀情況，提出構(gòu)建“以機(jī)械防治為主，機(jī)械-化學(xué)防治并舉”的協(xié)同防治思路，最后總結(jié)出國內(nèi)機(jī)械除草裝備向著信息化、仿生化、復(fù)合化、模塊化等方向發(fā)展的趨勢。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)機(jī)械；水旱田機(jī)械除草；除草機(jī)器人系統(tǒng)；機(jī)械-化學(xué)協(xié)同除草；發(fā)展趨勢

中圖分類號：S224.1+5? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? 文章編號：1003-935X（2023）04-0014-16

Research Status and Development Trend of Mechanized Weeding Equipment and Technology

TANG Zi- hao1， XI Xiao- bo1， ZHANG Bao- feng1， DU Jin2， SHI Yang- jie1， ZHANG Yi- fu1， QIN Kang- sheng1， ZHANG Rui- hong1

（1.School of Mechanical Engineering，Yangzhou University/Jiangsu Engineering Center for Modern Agricultural Machinery and Agronomy Technology，Yangzhou 225127，China； 2.Yangzhou Polytechnic College，Yangzhou 225009，China）

Abstract：Weeding is an indispensable link in the process of agricultural production，domestic currently mainly chemical weeding is given a priority，but long-term use of chemical weeding will cause resistant weed reproduction，agricultural environmental pollution，crop herbicide injury and other problems. Mechanical weeding also can improve the soil environment，promote crops growth and effectively replace chemical weeding. To provide reference for promotion of mechanical weeding high and new technology in our country，this paper divides the mechanized weeding technology at home and abroad into paddy field weeding machinery，dry field weeding machinery and weeding robot system，explores the research situation and development，and suggests to build synergistic weeding ideas of “mainly mechanical weeding，mechanical-chemical weeding simultaneously”combining green agriculture related research and development requirements?and the objective situation close to 70 million hm2 of chemical weeding area. Finally，it summarizes the domestic mechanical weeding equipment toward informatization，bionics，compound and modularization.

Key words：agricultural machinery；mechanical weeding in paddy and dry fields；weeding robot system；mechanical-chemical synergistic weeding；development trend

田間雜草作為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中的一個重要組成部分，對農(nóng)作物生產(chǎn)有直接或間接影響。聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織（FAO）報(bào)道表明，世界糧食作物收獲前因遭雜草損失減產(chǎn)約10%，損失糧食近 2.9億t［1］。我國因雜草引起的糧食損失約占糧食總產(chǎn)量的10%，每年因此損失的糧食達(dá)百億千克。為了有效防除田間雜草，目前各國普遍使用化學(xué)除草劑，但長期使用化學(xué)除草劑帶來了土壤肥力破壞、土壤微生物區(qū)系受損、耐藥性雜草滋生、農(nóng)藥殘留等一系列問題［2］。隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展，加之國家大力提倡“綠色防除雜草”“減藥增效”，除草劑減量防治技術(shù)逐步發(fā)展，機(jī)械除草、農(nóng)業(yè)防治、生物防治等非化學(xué)除草技術(shù)得到了更多的研究和應(yīng)用。

機(jī)械除草一直是非化學(xué)除草技術(shù)的重要研究突破口，具有環(huán)境友好、針對性強(qiáng)、兼具農(nóng)藝功能等優(yōu)點(diǎn)，通過不同類型的除草機(jī)進(jìn)行耕、翻、耙、中耕松土等措施在種植的不同時期進(jìn)行除草，滅殺已發(fā)芽的雜草或?qū)⒉葑焉盥?，或?qū)⒌叵虑o翻出地面使之干死、凍死［1］。本文將分別從水田與旱田、行間除草與株間除草的角度介紹國內(nèi)外除草裝備與技術(shù)的研究現(xiàn)狀，并對機(jī)械化除草技術(shù)研究趨勢進(jìn)行預(yù)測。

1 水田除草機(jī)械

水田主要分布在熱帶、亞熱帶、溫帶季風(fēng)區(qū)，常年或夏季氣溫較高，全年熱量充足；年降水量800 mm以上，降水充沛，雨熱同期，灌溉方便。目前國內(nèi)外對水田機(jī)械除草的研究主要集中在水稻田除草上，通過機(jī)械除草不僅可以控制雜草，還可以增加土壤透氣性，提高地表溫度，促進(jìn)肥料吸收［3］。由于水稻苗種植密度大，水田環(huán)境復(fù)雜，各國研究人員為解決作業(yè)效率低、除草效率低、傷苗率高等問題不斷進(jìn)行研究與嘗試。

1.1 水田除草機(jī)械結(jié)構(gòu)創(chuàng)新

水田的除草機(jī)械結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，核心是通過除草部件旋轉(zhuǎn)、拋、拉、埋等機(jī)械動作達(dá)到去除雜草而不損傷水稻苗的效果。常用的除草部件有籠輥式、麻花齒輥式、排齒式、彈齒式、梳齒式等［4］，按運(yùn)動方法則可分成對轉(zhuǎn)式、擺動式和固定旋轉(zhuǎn)式三大類。

對轉(zhuǎn)式水田除草裝置常用于株間除草，通常由1對相對旋轉(zhuǎn)的彈簧齒盤組成，由于除草齒材料的彈性特征，對水稻幼苗損傷很小。圖1為陶桂香等設(shè)計(jì)的彈齒盤式株間除草裝置［5］，除草部件左右兩側(cè)對稱安裝，彈齒形狀呈曲線形且旋向與圓盤轉(zhuǎn)向相反，1根軸連接除草部件上的2根鋼絲軟軸，主動鏈輪轉(zhuǎn)動，動力從球鉸萬向聯(lián)軸器傳到彎管內(nèi)的鋼絲軟軸，當(dāng)軟軸工作時，相鄰2層鋼絲中的1層趨于纏緊，另1層趨于松動，使各層鋼絲相互壓緊，軟軸帶動彈齒盤將土壤翻轉(zhuǎn)攪動，從根部去除雜草。

擺動式水田除草裝置是通過水平方向往復(fù)擺動的梳齒對雜草梳拉進(jìn)行除草作業(yè)。圖2為田亮等研發(fā)的擺動式水田株間除草裝置［6］，該裝置通過激光傳感器確定秧苗位置，結(jié)合機(jī)組前進(jìn)速度，伺服電機(jī)控制偏心輪運(yùn)動，連桿帶動推桿從而改變2個擺動桿的夾角，驅(qū)使除草桿左右擺動，2組除草彈齒隨之張開或閉合，完成除草與避苗2個狀態(tài)的來回切換，實(shí)現(xiàn)株間避苗除草作業(yè)。

旋轉(zhuǎn)式水田除草裝置通常是憑借機(jī)具驅(qū)動行走動力帶動除草輪旋轉(zhuǎn)以消滅行間雜草，針對現(xiàn)有行間除草輪土壤擾動率低、易黏附土壤和掛草、除草作業(yè)性能不穩(wěn)定等問題，王金武等設(shè)計(jì)了被動式曲面輪齒斜置式稻田行間除草裝置（圖3），該裝置通過將除草輪安裝改為斜置式，在保證有效作業(yè)寬度不變的情況下，減少對水稻根系的破壞，避免稻株莖葉受損和掛草， 其除草率達(dá)89.66%，傷苗率僅2.1%［7］。

除在現(xiàn)有旋轉(zhuǎn)式除草裝置結(jié)構(gòu)研究的基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步提高防控效果，齊龍等發(fā)現(xiàn)在水田除草作業(yè)時，可通過對雜草的機(jī)械埋壓與拉拔，將稻田水層攪渾，從而削弱雜草的光合作用；于是利用ANSYS軟件仿真模擬耙壓式除草輪與土壤-水耦合物質(zhì)的相互作用過程，最終仿真結(jié)果顯示，當(dāng)除草齒折彎角度θ=10°時，除草輪所受的垂直反作用力與對地面的壓力相等，此時除草輪無下陷且跳動?。?］。在這一成果的基礎(chǔ)上，研發(fā)出如圖4所示的一款防下陷和入土性能都比較好的耙壓式除草輪，交錯排列的耙齒提高了除草范圍，彎曲的齒端提高了入土性能。通過田間試驗(yàn)，在轉(zhuǎn)速為160 r/min時，除草率可達(dá)93.2％，傷苗率僅為1.2％［9-10］。

1.2 水田除草控制系統(tǒng)與圖像處理技術(shù)創(chuàng)新

單純對水田機(jī)械除草結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新局限于利用稻苗和雜草扎根深度與強(qiáng)度的差異，而非通過智能系統(tǒng)進(jìn)行選擇性除草，除草機(jī)前進(jìn)路線與苗帶行無法精確匹配，為了達(dá)到理想除草效果，往往需要多次田間作業(yè)，無形中增加了傷苗率。針對這一難題，須要對水田除草機(jī)的控制系統(tǒng)與圖像技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新。

陳學(xué)深等基于觸覺感知技術(shù)研發(fā)出一款自適應(yīng)振動式稻田柔性除草機(jī)（圖5），通過雙排柔性刷指搭配氣壓傳感器，工作時前排刷指梳刷雜草，氣壓傳感器獲取水稻根系與前排刷指的力學(xué)反饋數(shù)據(jù)進(jìn)行水稻倒伏的識別，后排除草刷指根據(jù)識別結(jié)果控制橫向振動雜草系統(tǒng)的啟停。該機(jī)具可在不進(jìn)行避苗作業(yè)的前提下，兼顧除草率與傷苗率［11］。

國內(nèi)外很多研究都將圖像處理算法與除草機(jī)路徑規(guī)劃相結(jié)合，王金峰等設(shè)計(jì)的具有穩(wěn)定人機(jī)交互系統(tǒng)的除草機(jī)如圖6所示，可在田間進(jìn)行遙控轉(zhuǎn)向，通過設(shè)備前方的攝像頭將田間信息傳遞到人機(jī)交互界面，工作人員根據(jù)信息下達(dá)轉(zhuǎn)向指令，轉(zhuǎn)向舵機(jī)根據(jù)電信號調(diào)整轉(zhuǎn)向輪角度實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，該機(jī)轉(zhuǎn)角在0°～20°時調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的控制精度較高，前進(jìn)速度為0.4～0.6 m/s時，可以將除草率保持在77.9%以上，傷苗率保持在3%以內(nèi)［12］。

由于水面的光照反射使得水田作物行識別較為困難，Chen等設(shè)計(jì)的圖像處理方法，通過比較圖像中每個像素的藍(lán)色和綠色強(qiáng)度，即可簡單地確定水稻行之間的空間，再根據(jù)稻田的生長水平，通過分析二值圖像的每個水平線剖面，最終計(jì)算出機(jī)組除草作業(yè)時最佳的行進(jìn)路線［13］。如圖7所示，Kaizu等則是開發(fā)了一種雙光譜相機(jī)系統(tǒng)，通過1對帶濾光片的低成本單色相機(jī)，實(shí)時拍攝同一位置的不同波長圖像。在多云條件下進(jìn)行的試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)可以降低水面噪聲，清晰地檢測出作物行，從而方便除草機(jī)進(jìn)行導(dǎo)航［14］。

2 旱田除草機(jī)械

旱田是指土表不蓄水或澆不上水的耕地。我國耕地超60%都是旱田，主要分布在東北三省、黃土高原、青海西藏地區(qū)等北方地區(qū)［15］。我國五大作物中有4個屬于旱田作物，此外旱生農(nóng)作物還包括生菜、棉花、甜菜、茶樹、果園中的蔬菜等作物及經(jīng)濟(jì)作物［16-17］，因此旱田除草機(jī)械的研發(fā)非常重要。

2.1 旱田除草機(jī)械結(jié)構(gòu)創(chuàng)新

目前旱田除草部件根據(jù)適用作物類型的不同主要有5種結(jié)構(gòu)，如圖8所示，分別是耙輪式［18-19］、刷式［20］、梳齒式［21］、鏟式［22］、旋轉(zhuǎn)刀片式［23］。

在果園作物除草方面，因?yàn)楣麡渲Ω蓮澢d荷承受能力較大，現(xiàn)有研究往往采用鏟式、耙輪式、刀片式等部件結(jié)構(gòu)搭配固定式、旋轉(zhuǎn)式的運(yùn)動方式。圖9為王磊等研制的果園自動讓樹除草機(jī)，除草部件是分別安裝在主機(jī)架前后的2組除草鏟，在機(jī)架上的彈簧拉桿可以改變除草部件工作深度，最終以旋耕的方式進(jìn)行行間除草，最大除草深度可達(dá)16 cm［24］。曾晨等設(shè)計(jì)的小型自走式茶園除草機(jī)如圖10所示，工作時，機(jī)架兩側(cè)除草輪圓柱上的除草刀片依次入土，經(jīng)試驗(yàn)得出，當(dāng)除草輪轉(zhuǎn)速為350 r/min、機(jī)具前進(jìn)速度為3 km/h、除草深度為30 mm、安裝6個除草刀片時效果最優(yōu)，除草率可達(dá)80.7%［25］。如圖11所示，趙詩建等對不同直徑獼猴桃樹干最大彎曲承受力進(jìn)行試驗(yàn)，以確定對不同大小獼猴桃除草時避障彈簧強(qiáng)度與作業(yè)速度的最優(yōu)組合，經(jīng)試驗(yàn)，在選定的最優(yōu)工作參數(shù)組合下進(jìn)行田間除草作業(yè)時，可實(shí)現(xiàn)除草率達(dá)90%的同時對果樹零損傷［26］。

旱田糧食與蔬菜作物行間除草的研究已經(jīng)比較成熟，王剛等設(shè)計(jì)了一種觸碰定位式玉米行間除草裝置，其不依賴智能導(dǎo)航平臺，僅使用行程開關(guān)即可完成避苗行間除草，工作時除草部件在行間通過對雜草施加梳刷力將其拉斷或拔出，但當(dāng)和行程開關(guān)相連的軟軸觸碰到玉米莖稈時，除草執(zhí)行部件執(zhí)行躲避動作而避免傷苗，該除草裝置的平均除草率為95.1%，平均傷苗率僅為1%［27］。

如圖12-a所示，國內(nèi)還有將行間除草輪設(shè)計(jì)與仿生學(xué)結(jié)合的研究，杜偉等以櫛孔扇貝瓣為仿生原型，在除草輪刀片上引入貝殼表面的棱紋結(jié)構(gòu)，以減少土壤阻力，并增加土壤擾動［28］。尹志平以東北鼴鼠爪趾的中趾作為仿真對象，分析爪趾的減阻特征與破土特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出如圖12-b所示的仿生雙翼除草鏟，研究表明，在裝配12片仿生鏟刃，除草速度為1.8 km/h時，除草效果最佳且土壤擾動率僅為普通除草鏟的44.7%［29］。

糧食與蔬菜作物的莖稈相對脆弱，因而涉及株間除草的機(jī)械結(jié)構(gòu)時，國內(nèi)外大都選擇旋轉(zhuǎn)式、擺動式和爪齒式這3個運(yùn)動結(jié)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)式株間除草裝置在結(jié)構(gòu)方向上一般通過刀具的旋轉(zhuǎn)將雜草從根部切斷。賈洪雷等設(shè)計(jì)了一種螺旋式玉米株間除草機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)通過紅外對射管識別玉米植株，螺旋式前進(jìn)的錐形除草刀通過滑切去除株間的雜草［30］。Igawa等針對生菜除草設(shè)計(jì)了一種除草機(jī)器人，機(jī)器人前端有1個兩自由度系統(tǒng)的機(jī)械臂，工作時機(jī)械臂上安裝的鋸片旋轉(zhuǎn)切除雜草［31］。

擺動式運(yùn)動結(jié)構(gòu)的難點(diǎn)是如何通過除草刀擺動與復(fù)位，完成對株間雜草的切除和對作物植株的避讓。如圖13所示，周福君等設(shè)計(jì)了凸輪搖桿式的擺動型玉米株間除草裝置，作業(yè)時拖拉機(jī)作為動力輸出，2個除草刀位于株間苗帶的兩側(cè)，當(dāng)除草刀靠近玉米苗時，限深輪上的霍爾開關(guān)發(fā)出脈沖信號，單片機(jī)接受到信號后開始工作，傳給電機(jī)驅(qū)動器使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)；旋轉(zhuǎn)帶動除草裝置頂部的主軸轉(zhuǎn)動，嚙合齒輪將動力傳給2個下凸輪，進(jìn)而推動2個擺桿帶動除草刀向后擺動避苗，完成避苗后，除草刀受拉簧拉力復(fù)位。通過綜合加權(quán)評分確定最佳組合為除草刀轉(zhuǎn)速130 r/min、彈簧剛度60 N/mm、機(jī)組前進(jìn)速度2.2 km/h，此時除草率可達(dá)89.8%，傷苗率僅2.1%，作業(yè)性能相較于傳統(tǒng)株間除草機(jī)械，達(dá)到優(yōu)良標(biāo)準(zhǔn)［32］。

爪齒式株間除草裝置通過除草爪齒的收攏展開結(jié)合特定運(yùn)動路徑實(shí)現(xiàn)避苗與除草，早在20世紀(jì)90年代，德國Amazone公司就研制了爪齒擺線鋤草刀［33］。圖14為胡煉等設(shè)計(jì)的余擺式爪齒株間除草裝置，將除草爪齒運(yùn)動路徑設(shè)置為余擺線，爪齒去除每次路徑環(huán)扣部分內(nèi)的雜草［34］。陳樹人等研發(fā)了有相似結(jié)構(gòu)的八爪式機(jī)械株間除草裝置控制系統(tǒng)［35］。上述幾種爪齒式除草機(jī)的除草效果均很好，傷苗率都在10%以下，但缺點(diǎn)是操作難度大、維護(hù)成本高，作物識別定位功能、橫向偏移補(bǔ)償功能還需要優(yōu)化。

2.2 旱田除草控制系統(tǒng)與圖像處理技術(shù)創(chuàng)新

為達(dá)到旱田機(jī)械除草“多除草，少傷苗”的目標(biāo)。一方面要在除草機(jī)構(gòu)上進(jìn)行優(yōu)化，另一方面利用光譜技術(shù)、控制系統(tǒng)、機(jī)器深度學(xué)習(xí)等檢測方法［36-38］提出更佳的雜草精確識別方案。

20世紀(jì)90年代開始，國外將研發(fā)的重點(diǎn)聚焦于除草部件工作深度的監(jiān)控與控制。Lee等采用非接觸式傳感器測量除草工作深度，其優(yōu)點(diǎn)是不損傷作物，但容易受到農(nóng)作物干擾，無法很好地區(qū)分作物和土壤表面［36］。van der Linden等開發(fā)了一種紅外激光傳感器來改善行間除草機(jī)工作深度的控制，其原理是利用植物光譜反射率曲線中的“紅邊”來分辨檢測土壤和作物，試驗(yàn)時傳感器分別在含水量為25%、20%、15%和10%的土壤中工作，其深度測試結(jié)果穩(wěn)定，土壤和作物的判別誤差在5%以內(nèi)，并可在運(yùn)動過程中以5 mm可重復(fù)精度檢測深度［37］。Jeon等開發(fā)的雜草控制系統(tǒng)使用識別攝像頭加機(jī)械臂控制鋸盤，該系統(tǒng)利用從圖像中識別的雜草幾何矩確定雜草中心，進(jìn)而通過Visual Basic程序控制機(jī)械臂運(yùn)動進(jìn)行除草作業(yè)，其鋸盤分為上下2層，工作時上層鋸盤旋轉(zhuǎn)切除雜草，下層鋸盤在雜草切面上涂上化學(xué)藥物抑制生長，除草率可達(dá)83%［38］。權(quán)龍哲等設(shè)計(jì)了基于YOLO v4模型來檢測玉米苗和雜草的株間除草方案，雜草和玉米苗在尺寸上相差較大的3～5葉期，通過將輸出張量26×26尺度改為輸出13×13和52×52等2種尺度的預(yù)測張量來提高檢測速度，該系統(tǒng)的玉米苗檢測率高達(dá)96.04%，雜草檢測率可達(dá)92.57%［39］。胡煉等研究發(fā)現(xiàn)，機(jī)械除草裝置的牽引拖拉機(jī)在對行行駛時總會產(chǎn)生誤差[CM（21]，導(dǎo)致除草裝置出現(xiàn)橫向偏移，因此開發(fā)了株間機(jī)械除草裝置和作物行的橫向偏移量識別方法，通過設(shè)計(jì)特定的跟蹤機(jī)構(gòu)和控制器并用正弦波、三角波2種標(biāo)準(zhǔn)信號作為橫向偏移補(bǔ)償量信號，實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下已經(jīng)將傷苗率控制在12%以內(nèi)［40］。Chen等提出了一種針對白菜與洋蔥株間除草的末端執(zhí)行器自動調(diào)平系統(tǒng)，該系統(tǒng)可在不平坦田間作業(yè)期間將除草刀傾斜度與橫滾俯仰角精確分別控制在0.25°和9°以內(nèi)，提高了除草精度［41］。

[BT1][STHZ]3 除草機(jī)器人系統(tǒng)

隨著自動導(dǎo)航、機(jī)器視覺、集成電路等技術(shù)的飛速發(fā)展，除草機(jī)器人正逐漸成為機(jī)械化除草裝備的研發(fā)熱點(diǎn)，其憑借智能控制系統(tǒng)對環(huán)境信息的識別，進(jìn)行路徑規(guī)劃與導(dǎo)航，極大地提高了除草效率、降低了勞動成本［42-43］?，F(xiàn)有除草機(jī)器人按行走方式可分為輪式、足式和履帶式3類。輪式除草機(jī)器人因?yàn)樵靸r(jià)便宜、行進(jìn)平穩(wěn)，是現(xiàn)在主流研發(fā)方向［44-45］；足式除草機(jī)器人因?yàn)槁淠_點(diǎn)分散，可在復(fù)雜農(nóng)田環(huán)境下工作［46］；履帶式除草機(jī)器人因?yàn)樾凶哐b置與地面的接觸面大，行駛較為平穩(wěn)，可在松軟泥濘的土壤環(huán)境下工作［47］。

[BT2]3.1 國外除草機(jī)器人系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

國外典型的輪式機(jī)器人有如圖15所示的除草機(jī)器人HortiBot［48］，其被《時代》評為2007年最佳發(fā)明獎，由中央液壓馬達(dá)作為動力源，直流電機(jī)控制轉(zhuǎn)向，搭配的HCC系統(tǒng)能依靠攝像頭控制行走路線，并根據(jù)葉片形狀和方位對雜草進(jìn)行識別與割除。而Deepfield Robotics公司則是將除草機(jī)器人賦予決策樹機(jī)制，如圖16所示的Bonirob可以根據(jù)前期學(xué)習(xí)作物圖片與雜草圖片在實(shí)際工作時對比葉片外觀進(jìn)行判斷除草，這得益于學(xué)習(xí)機(jī)制，Bonirob的作業(yè)準(zhǔn)確率會隨工作時長增加，經(jīng)試驗(yàn)，除草率高達(dá)90%［49］。足式比較領(lǐng)先的機(jī)器人系統(tǒng)為Amer等研發(fā)的Agri Bot多功能農(nóng)業(yè)機(jī)器人，如圖17所示，通過Raspberry Pia對該機(jī)器人進(jìn)行控制，6條機(jī)械腿可適應(yīng)各種地形［50］。圖18為韓國Triaxle有限公司研發(fā)的履帶式自動除草機(jī)器人［51］，底盤兩側(cè)履帶搭配前后[KG*8]2[KG*8]種除草刀讓該機(jī)器人同時在正常和潮濕土壤上工作。

3.2 國內(nèi)除草機(jī)器人系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)輪式機(jī)器人研究處于領(lǐng)先的有權(quán)龍哲等研發(fā)的深度學(xué)習(xí)技術(shù)與針對性除草模式相結(jié)合的智能除草機(jī)器人系統(tǒng)，如圖19所示，該系統(tǒng)由1個移動機(jī)器人平臺和2個智能除草單元組成，移動機(jī)器人平臺提供動力，基于深度學(xué)習(xí)的系統(tǒng)可以根據(jù)檢測結(jié)果提出針對性的除草方案，該平臺還搭配普通、楔形、犁面等3種不同除草刀，可根據(jù)田間環(huán)境進(jìn)行自動換刀，其除草率達(dá)85.91%，傷苗率為1.17%［52］。履帶式方向的研究有夏歡設(shè)計(jì)的一款采用履帶式底盤結(jié)構(gòu)的水田踩踏式除草機(jī)器人（圖20），該機(jī)器人在水田行駛過程中在攪起渾濁泥水抑制雜草光合作的同時對雜草進(jìn)行踩踏與鏟除，從而完成除草作業(yè)過程［53］。

對比國外除草機(jī)器人系統(tǒng)的研發(fā)，我國在機(jī)械結(jié)構(gòu)、除草方式、控制算法等關(guān)鍵領(lǐng)域已經(jīng)取得了長足進(jìn)步，但是在功能復(fù)合化、視覺圖像識別、技術(shù)交叉融合等方面與國外相比還有較大差距。

4 機(jī)械-化學(xué)協(xié)同除草技術(shù)

機(jī)械化除草有著環(huán)境友好、針對性強(qiáng)、見效快、兼具農(nóng)藝功能等優(yōu)點(diǎn)，但目前國內(nèi)外廣泛應(yīng)用的機(jī)械除草仍停留在耕、翻、耙等措施上，其除草部件難以完全打破土壤和雜草的團(tuán)聚狀態(tài)，導(dǎo)致機(jī)械除草后雜草往往除而不死，除草效果并不理想［54］。Richard等調(diào)查使用不同機(jī)械除草方法對盧森堡有機(jī)大豆雜草的影響，發(fā)現(xiàn)如果想要完全控制大豆栽培中的多年生雜草，必須采取長期的除草策略，單一的機(jī)械除草不足以達(dá)到理想效果；且是否在除草的最佳時機(jī)對機(jī)械除草效果影響非常大，還要考慮天氣條件的影響，種種原因讓雜草控制的窗口期通常非常?。?5］。國內(nèi)如今又伴隨著農(nóng)村勞動力轉(zhuǎn)移一系列問題，將接近7 000萬hm2使用化學(xué)除草的田塊短期內(nèi)全部改為機(jī)械或其他綠色除草技術(shù)同樣不現(xiàn)實(shí)［56］。所以，先用機(jī)械除草替代部分化學(xué)除草，再構(gòu)建以機(jī)械防治為主，這種機(jī)械-化學(xué)防治為輔的協(xié)同防治策略更符合我國國情。

20世紀(jì)90年代以來，Mulder等發(fā)現(xiàn)將化學(xué)除草與機(jī)械除草結(jié)合，與單一機(jī)械除草比較，在雜草控制、作物產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益等方面均有較大提升［57］。Donald等在玉米和大豆的田間管理中采用機(jī)械行間除草與化學(xué)除草劑減施相結(jié)合的方法，結(jié)果表明，除草劑的最大施用量減半的情況下，作物產(chǎn)量仍可得到保證［58］。在國內(nèi)，方會敏等以玉米為對象，分別研究行間與株間機(jī)械除草方式，減施25%、50%、75%的除草劑及使用全幅和苗行2種施藥方式對防除效果的影響，結(jié)果表明，各混合除草模式下平均產(chǎn)量均高于單一除草模式［59］。

在Jacquet等在葡萄栽培中使用機(jī)械-化學(xué)除草模式取代化學(xué)農(nóng)藥除草后的微觀經(jīng)濟(jì)影響研究［60］和Pradel等引入自主機(jī)器人系統(tǒng)對葡萄園效益影響的研究［61］中，因?yàn)槿斯こ杀镜脑黾雍唾徺I新設(shè)備的支出，使用單一機(jī)械化或機(jī)械-化學(xué)模式會比僅使用化學(xué)農(nóng)藥增加成本。但通過給予農(nóng)戶與企業(yè)足夠的過渡時間，加強(qiáng)政府在財(cái)政方面的補(bǔ)貼，銷售時突出強(qiáng)調(diào)機(jī)械除草，主打綠色食品證明產(chǎn)品高價(jià)的合理性等措施完全可以推動該模式的推廣。

5 機(jī)械化除草技術(shù)研究趨勢及預(yù)測

通過對國內(nèi)外水旱田除草機(jī)械發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行歸納分析，預(yù)測出以下發(fā)展趨勢：（1）智能化。機(jī)械化除草裝備設(shè)計(jì)逐步從傳統(tǒng)機(jī)械式向集機(jī)、電、液、氣、控制技術(shù)于一體的高度集成的智能化除草機(jī)器人平臺發(fā)展，且具有自動換刀的田間除草機(jī)器人技術(shù)將會是新的研究熱點(diǎn)。（2）多功能一體化與模塊化。除草裝備整機(jī)研發(fā)向著多功能一體化融合方向發(fā)展，通過設(shè)計(jì)不同的功能模塊，能對不同的功能模塊進(jìn)行組合，一機(jī)多用，以減少機(jī)具下地次數(shù)，保持土壤疏松的結(jié)構(gòu)，節(jié)本降耗。（3）除草技術(shù)復(fù)合化。將機(jī)械除草技術(shù)與其他除草技術(shù)合理結(jié)合使用，形成復(fù)合除草技術(shù)，提高除草作業(yè)綜合效益。（4）仿生化。在除草部件設(shè)計(jì)上，對土壤動物的生物結(jié)構(gòu)進(jìn)行模仿，形成仿生機(jī)械除草技術(shù)，以提升除草性能。（5）小型化。該趨勢主要體現(xiàn)在水田與果園機(jī)械中，因?yàn)樾虚g、株間除草時空間都很有限，機(jī)型便設(shè)計(jì)得較為緊湊，向著小型、輕量化方向發(fā)展。不僅提升了機(jī)器的操作性，還提高了空間利用率，增加了水田生產(chǎn)效率。（6）信息化。人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、自動駕駛等信息技術(shù)的發(fā)展為除草機(jī)械的研究帶來了新的機(jī)遇，為打破傳統(tǒng)技術(shù)壁壘提供了新的方案與可能，從而實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)全過程現(xiàn)代化。

6 結(jié)論

（1）株間除草技術(shù)尚不成熟。目前國內(nèi)外水旱田行間除草技術(shù)都相對成熟，機(jī)具選擇較多，但在株間除草方面仍存在除草率低、傷苗率高的問題。且因?yàn)橹觊g除草的作業(yè)思路大多橫跨在作物行中進(jìn)行，至今對果樹類等較高作物的株間除草還沒有太優(yōu)秀的方案。

（2）實(shí)際應(yīng)用與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展任重道遠(yuǎn)。目前國內(nèi)有關(guān)機(jī)械除草的研究還僅僅局限于理論或?qū)嶒?yàn)室階段，并未投入到實(shí)際應(yīng)用中，產(chǎn)業(yè)化也并未形成，優(yōu)秀的除草機(jī)械應(yīng)該在市場中、在實(shí)際應(yīng)用中不斷升級優(yōu)化。

（3）整體思維，步步為營。因?yàn)閲鴥?nèi)在機(jī)械化除草上研究起步較晚，雖已呈現(xiàn)智能除草裝備研發(fā)穩(wěn)步推進(jìn)、除草環(huán)節(jié)與農(nóng)藝快速融合等特點(diǎn)，但與西方國家相比，國內(nèi)除草機(jī)械的技術(shù)性、效率性、持續(xù)性等方面還沒有達(dá)到農(nóng)業(yè)發(fā)展現(xiàn)代化的要求。

（4）尊重差異，實(shí)事求是。我國不同地區(qū)存在自然環(huán)境差異大，社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展不平衡，作物種植結(jié)構(gòu)多樣的客觀現(xiàn)實(shí)，想要“一刀切”地大規(guī)模推廣機(jī)械化除草并不現(xiàn)實(shí)，但隨著綠色健康的觀念深入人心，政府逐漸加大政策、經(jīng)濟(jì)上的扶持力度，加之廣大科研工作者的不斷研究，相信在未來一定能形成一套針對不同地域、不同作物的完整機(jī)械化除草技術(shù)系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)：

［1］李江國，劉占良，張晉國，等. 國內(nèi)外田間機(jī)械除草技術(shù)研究現(xiàn)狀［J］. 農(nóng)機(jī)化研究，2006，28（10）：14-16.

［2］吳亦鵬. 水田機(jī)械除草應(yīng)大力推廣［J］. 農(nóng)機(jī)市場，2021（6）：19.

［3］Rebich R A，Coupe R H，Thurman E M. Herbicide concentrations in the Mississippi River Basin—the importance of chloroacetanilide herbicide degradates［J］. Science of the Total Environment，2004，321（1/2/3）：189-199.

［4］馬 旭，齊 龍，梁 柏，等. 水稻田間機(jī)械除草裝備與技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011，27（6）：162-168.

［5］陶桂香，王金武，周文琪，等. 水田株間除草機(jī)械除草機(jī)理研究與關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)［J］. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2015，46（11）：57-63.

［6］田 亮，曹成茂，秦 寬，等. 擺動型水田株間除草裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)［J］. 浙江農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2022，34（8）：1772-1783.

［7］王金武，馬驍馳，唐 漢，等. 曲面輪齒斜置式稻田行間除草裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)［J］. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2021，52（4）：91-100.

［8］齊 龍，梁仲維，馬 旭，等. 耙壓式除草輪與水田土壤作用的流固耦合仿真分析及驗(yàn)證［J］. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2015，31（5）：29-35，37，36.

［9］齊 龍，梁仲維，蔣 郁，等. 輕型水田除草機(jī)的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)［J］. 吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2016，46（3）：1004-1012. [ZK）]

［10］[ZK（#]梁仲維，齊 龍，馬 旭，等. QSC-2型步進(jìn)式水稻除草機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)［J］. 農(nóng)機(jī)化研究，2015，37（8）：115-119.

［11］陳學(xué)深，熊悅淞，程 楠，等. 自適應(yīng)振動式稻田株間柔性機(jī)械除草性能試驗(yàn)［J/OL］. 吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版）. （2022-07-26）［2023-12-19］. https：//doi.org/10.13229/j. cnki.jdxbgxb20220350.

［12］王金峰，翁武雄，鞠金艷，等. 基于遙控轉(zhuǎn)向的稻田行間除草機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)［J］. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2021，52（9）：97-105.

［13］Chen B，Tojo S，Watanabe K. Machine vision for a micro weeding robot in a paddy field［J］. Biosystems Engineering，2003，85（4）：393-404.

［14］Kaizu Y，Imou K. A dual-spectral camera system for paddy rice seedling row detection［J］. Computers and Electronics in Agriculture，2008，63（1）：49-56.

［15］論中國確保18億畝耕地“紅線”的必要性與對策措施體系［C］//劉彥隨. 中國土地資源可持續(xù)利用與新農(nóng)村建設(shè)研究. 重慶：西南大學(xué)出版社，2008：31-37.

［16］蔡麗君，張敬濤，蓋志佳，等. 東北三江平原覆蓋作物種植效果［J］. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2022，33（10）：2736-2742.

［17］Yan X Y，Xia L L，Ti C P. Temporal and spatial variations in nitrogen use efficiency of crop production in China［J］. Environmental Pollution，2022，293：118496.

［18］Pullen D W M，Cowell P A. An evaluation of the performance of mechanical weeding mechanisms for use in high speed inter-row weeding of arable crops［J］. Journal of Agricultural Engineering Research，1997，67（1）：27-34.

［19］Sharma B，Singh S K，Gupta S，et al. Improving efficiency and reduction in drudgery of farm women in weeding activity by twin wheel hoe［J］. Indian Research Journal of Extension Education，2015，15：76-80.

［20］Melander B. Optimization of the adjustment of a vertical axis rotary brush weeder for intra-row weed control in row crops［J］. Journal of Agricultural Engineering Research，1997，68（1）：39-50.

［21］Rasmussen J. Testing harrows for mechanical control of annual weeds in agricultural crops［J］. Weed Research，1992，32（4）：267-274.

［22］Meyers J M，Miles J A，Tejeda D G，et al. Priority risk factors for [JP2]back injury in agricultural field work［J］. Journal of Agromedicine，2002，8（1）：39-54.

［23］Kwon T H，Kim J，Lee C G，et al. A study on rotary weeding blade installation angle for reduction of hand vibration in working type cultivator［J］. Journal of Biosystems Engineering，2014，39（1）：11-20.

［24］王 磊，張 斌，張宏文，等. 果園株間除草自動讓樹裝置的設(shè)計(jì)［J］. 農(nóng)機(jī)化研究，2018，40（10）：69-74.

［25］曾 晨，李 兵，李尚慶，等. 自走式茶園除草機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)［J］. 農(nóng)機(jī)化研究，2016，38（12）：101-106.

［26］[JP]趙詩建，盧彩云，李守忠，等. 獼猴桃株間機(jī)械避障除草機(jī)作業(yè)性能優(yōu)化與試驗(yàn)［J］. 農(nóng)機(jī)化研究，2023，45（10）：134-142.[JP+1]

［27］王 剛，劉慧力，賈洪雷，等. 觸碰定位式玉米行間除草裝置的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)［J］. 吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2021，51（4）：1518-1527.

［28］杜 偉，海文博，劉春雨，等. 基于貝殼棱紋結(jié)構(gòu)的仿生除草輪設(shè)計(jì)與分析［J］. 農(nóng)機(jī)化研究，2023，45（6）：94-99.

［29］尹志平. 基于鼴鼠爪趾結(jié)構(gòu)仿生除草鏟的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究［D］. 長春：吉林大學(xué)，2022.

［30］賈洪雷，顧炳龍，馬中洋，等. 螺旋式玉米株間除草執(zhí)行機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與試驗(yàn)［J］. 農(nóng)業(yè)工程技術(shù)，2022，42（12）：115.

［31］Igawa H，Tanaka T，Kaneko S，et al. Base position detection of grape stem considering its displacement for weeding robot in vineyards［C］//38th Annual Conference on IEEE Industrial Electronics Society. Montreal：IEEE，2012：2567-2572.

［32］周福君，王文明，李小利，等. 凸輪搖桿式擺動型玉米株間除草裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)［J］. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2018，49（1）：77-85.[JP+1]

［33］Laurent K，Thomas P. Grass handler for mower：DE19535362A1［P］. 1997-03-27.

［34］胡 煉，羅錫文，嚴(yán)乙桉，等. 基于爪齒余擺運(yùn)動的株間機(jī)械除草裝置研制與試驗(yàn)［J］. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28（14）：10-16.

［35］陳樹人，張朋舉，尹東富，等. 基于LabVIEW的八爪式機(jī)械株間除草裝置控制系統(tǒng)［J］. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2010，26（增刊2）：234-237.

［36］Lee J，Yamazaki M，Oida A，et al. Non-contact sensors for distance measurement from ground surface［J］. Journal of Terramechanics，1996，33（3）：155-165.

［37］van der Linden S，Mouazen A M，Anthonis J，et al. Infrared laser sensor for depth measurement to improve depth control in intra-row mechanical weeding［J］. Biosystems Engineering，2008，100（3）：309-320.

［38］Jeon H Y，Tian L F，Grift T E. Development of an individual weed treatment system using a robotic arm［C］//American Society of Agricultural and Biological Engineers. Tampa：NCSA，2005.

［39］權(quán)龍哲，張景禹，姜 偉，等. 基于玉米根系保護(hù)的株間除草機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)［J］. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2021，52（12）：115-123.

［40］胡 煉，羅錫文，張智剛，等. 株間除草裝置橫向偏移量識別與作物行跟蹤控制［J］. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013，29（14）：8-14.

［41］Chen L，Kaewkorn S，He L，et al. Design and evaluation of a levelling system for a weeding robot［J］. IFAC，2016，49（16）：299-304.

［42］王樹才. 農(nóng)業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域、特點(diǎn)及支撐技術(shù)［J］. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，24（增刊1）：86-90.

［43］Nφrremark M，Griepentrog H W，Nielsen J，et al. The development and assessment of the accuracy of an autonomous GPS-based system for intra-row mechanical weed control in row crops［J］. Biosystems Engineering，2008，101（4）：396-410.

［44］Kim J，Song Y，Kim D W，et al. Enhancing yield and nutritive value of forage for livestock feeding through corn soybean intercropping strategy with several pre-sowing soybean seed coatings［J］. Journal of the Korean Society of Grassland and Forage Science，2017，37（1）：50-55.

［45］Tillett N D，Hague T，Miles S J. Inter-row vision guidance for mechanical weed control in sugar beet［J］. Computers and Electronics in Agriculture，2002，33（3）：163-177.

［46］王海江. 農(nóng)業(yè)機(jī)械智能化設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與展望［J］. 當(dāng)代農(nóng)機(jī)，2021（4）：49-50.

［47］易中懿，胡志超. 農(nóng)業(yè)機(jī)器人概況與發(fā)展［J］. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，38（2）：390-393.

［48］Jφrgensen R，Srensen C，Maagaard J，et al. HortiBot：a system design of a robotic tool carrier for high-tech plant nursing［J/OL］. Agricultural Engineering International. （2007-07-01）［2023-12-19］.https：//cigrjournal.org/index.php/Ejounral/article/view/937/931.

［49］Lottes P，Hφrferlin M，Sander S，et al. Effective vision-based classification for separating sugar beets and weeds for precision farming［J］. Journal of Field Robotics，2017，34（6）：1160-1178.

［50］Amer G，Mudassir S M M，Malik M A. Design and operation of Wi-Fi agribot integrated system［C］//2015 International Conference on Industrial Instrumentation and Control. Pune：IEEE，2015：207-212.

［51］Korea Triaxle Co Ltd. Autonomous driving system of weed removal robot：KR102389379B1［P］. 2022-04-22.

［52］Quan L Z，Jiang W，Li H L，et al. Intelligent intra-row robotic weeding system combining deep learning technology with a targeted weeding mode［J］. Biosystems Engineering，2022，216：13-31.

［53］夏 歡. 水田用除草機(jī)器人的結(jié)構(gòu)與實(shí)現(xiàn)［D］. 廣州：華南理工大學(xué)，2012.

［54］王玉陽，陳亞鵬. 植物根系吸水模型研究進(jìn)展［J］. 草業(yè)學(xué)報(bào)，2017，26（3）：214-225.

［55］Richard D，Leimbrock-Rosch L，Keвler S，et al. Impact of different mechanical weed control methods on weed communities in [JP2]organic soybean cultivation in Luxembourg［J］. Organic Agriculture，[JP+1]2020，10（1）：79-92.

［56］潘亞清. 我國農(nóng)田化學(xué)除草現(xiàn)狀及綜合防治的研究［J］. 農(nóng)機(jī)化研究，2006，28（6）：42-43.

［57］Mulder T A，Doll J D. Integrating reduced herbicide use with mechanical weeding in corn （Zea mays）［J］. Weed Technology，1993，7（2）：382-389.

［58］Donald W W，Kitchen N R，Sudduth K A. Between-row mowing+banded herbicide to control annual weeds and reduce herbicide use in no-till soybean（Glycine max） and corn（Zea mays）［J］. Weed Technology，2001，15（3）：576-584.

［59］方會敏，牛萌萌，薛新宇，等. 玉米田間機(jī)械-化學(xué)協(xié)同除草的雜草防除效果［J］. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2022，38（6）：44-51.

［60］Jacquet F，Delame N，Vita J L，et al. The micro-economic impacts of a ban on glyphosate and its replacement with mechanical weeding in French vineyards［J］. Crop Protection，2021，150：105778.

［61］Pradel M，de Fays M，Seguineau C. Comparative life cycle assessment of intra-row and inter-row weeding practices using autonomous robot systems in French vineyards［J］. Science of the Total Environment，2022，838：156441.

基金項(xiàng)目：江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新資金［編號：CX（22）3098］；江蘇省現(xiàn)代農(nóng)機(jī)裝備與技術(shù)示范推廣項(xiàng)目（編號：NJ2022-07）；揚(yáng)州大學(xué)高端人才支持計(jì)劃。

作者簡介：唐子昊（2000—），男，江蘇淮安人，碩士研究生，主要從事農(nóng)業(yè)工程與信息技術(shù)研究。E-mail：tangzihao0517@163.com。

通信作者：奚小波，博士，副教授，主要從事農(nóng)業(yè)工程與裝備研究。E-mail：xxbctg@126.com。