摘要：農(nóng)田雜草不僅影響農(nóng)作物的生長(zhǎng)，還會(huì)間接助長(zhǎng)病蟲害的滋生和蔓延。針對(duì)目前使用的人工除草、化學(xué)除草等方法存在的問題，研究設(shè)計(jì)一種智能識(shí)別農(nóng)作物定向施藥的智能除草機(jī)器人，對(duì)其設(shè)計(jì)思路、工作原理以及關(guān)鍵結(jié)構(gòu)等進(jìn)行詳細(xì)分析。該機(jī)器人采用自動(dòng)化操作，除草效率高，可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)施藥，有效保護(hù)生態(tài)環(huán)境。

關(guān)鍵詞：除草機(jī)器人；智能識(shí)別；定向施藥；自動(dòng)化

中圖分類號(hào)：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1161（2016）06-0016-03

農(nóng)田雜草若任其發(fā)展不加以有效控制，不僅會(huì)影響農(nóng)作物的生長(zhǎng)，降低農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量，而且還會(huì)間接助長(zhǎng)病蟲害的滋生和蔓延[1]。目前，國(guó)內(nèi)常用的除草方法有人工除草和化學(xué)除草等方式[2]。人工除草效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度高，已經(jīng)不適應(yīng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展需求?；瘜W(xué)除草效率比較高，對(duì)突發(fā)性的草害效果明顯，但是化學(xué)除草一般都采用噴霧施藥，如果除草劑使用不當(dāng)，不僅會(huì)造成浪費(fèi)多、成本高等問題，還會(huì)導(dǎo)致除草劑殘留量超標(biāo)、環(huán)境污染甚至人員中毒等嚴(yán)重后果。針對(duì)以上問題，國(guó)內(nèi)外專家研究了機(jī)械式除草方法，如采用噴霧機(jī)等設(shè)備施藥，但這類方法是向地面均勻地噴灑農(nóng)藥，而不管地面雜草多少或者有無，從而導(dǎo)致農(nóng)藥污染[3]。本課題以農(nóng)業(yè)主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)中的蔬菜、水果等條播作物為研究對(duì)象，根據(jù)農(nóng)田除草的特殊性，設(shè)計(jì)一種智能識(shí)別農(nóng)作物定向施藥的智能除草機(jī)器人，以提高除草效率和保護(hù)生態(tài)環(huán)境。

1 智能除草機(jī)器人的設(shè)計(jì)思路及工作原理

本課題研究的智能除草機(jī)器人，適用于蔬菜、水果等條播作物田地除草。由于雜草種類繁多，要識(shí)別出各種各樣的雜草，難度非常大；而作物相對(duì)單一，識(shí)別較容易。所以設(shè)計(jì)思路為：1） 在雜草和作物同時(shí)存在的作物行內(nèi)，嘗試采用不識(shí)別行內(nèi)雜草而只識(shí)別行內(nèi)作物植株的新方法，即只要識(shí)別出作物，在除草時(shí)就規(guī)避作物除草。這樣可以降低自動(dòng)化操作的復(fù)雜程度，從而使智能除草機(jī)器人的自動(dòng)化應(yīng)用成為可能，有利于提高人力資源的利用率。2） 完成機(jī)械除草后，再對(duì)雜草殘根抹藥，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)施藥，達(dá)到徹底除草的效果。精準(zhǔn)施藥可以減少農(nóng)藥用量，降低生產(chǎn)成本，以及起到保護(hù)生態(tài)環(huán)境的作用，符合綠色農(nóng)業(yè)的發(fā)展理念。

智能除草機(jī)器人的工作原理為：1） 該機(jī)器人可以沿著作物的行間行駛，改進(jìn)了現(xiàn)有很多機(jī)器人騎在作物行上行駛的方式。騎在作物行上行駛的缺點(diǎn)是機(jī)器高度要適應(yīng)作物高度（機(jī)器必須做得比作物還高），而在作物行間行駛就不受作物高度影響。2） 攝像頭對(duì)作物行內(nèi)的雜草和作物信息進(jìn)行采集，如果檢測(cè)到作物行內(nèi)是作物時(shí)，行內(nèi)除草裝置在控制系統(tǒng)作用下縮回機(jī)架，以避開作物；通過作物后，行內(nèi)除草裝置在控制系統(tǒng)作用下再伸出機(jī)架，繼續(xù)行內(nèi)除草并涂抹施藥。3） 行間除草不需識(shí)別，直接正常除草并涂抹施藥。4） 設(shè)計(jì)兩種并施的除草方式，首先利用除草刀片進(jìn)行機(jī)械式剪鋸切斷雜草，達(dá)到快速除草效果，然后涂抹施藥裝置再對(duì)雜草切口涂抹除草劑，做到精準(zhǔn)施藥。精準(zhǔn)施藥與噴灑農(nóng)藥方式相比，藥劑注入草體效率高，除草效果更好，同時(shí)避免了無效用藥，節(jié)省了除草劑用量，使農(nóng)藥浪費(fèi)大大減少。行內(nèi)作物除草實(shí)施方案如圖1所示。

2 智能除草機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)初步方案如圖2所示，主要由工作平臺(tái)、定位攝像頭、計(jì)算機(jī)、控制器、作物行內(nèi)除草裝置、作物行間除草裝置以及除草機(jī)器人前行系統(tǒng)（包括輪架系統(tǒng)、電機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向判斷及實(shí)施系統(tǒng)）等組成[4]。作物行間除草裝置位于機(jī)器的前部，作物行內(nèi)除草裝置位于機(jī)器的兩側(cè)。集成控制器電控連接計(jì)算機(jī)、平移氣缸、施藥裝置和除草機(jī)器人前行系統(tǒng)。

2.1 作物行內(nèi)除草裝置

作物行內(nèi)除草裝置如圖3所示，主要由支架、氣缸、導(dǎo)軌、除草刀具裝置等組成。氣缸為水平安裝，用來實(shí)現(xiàn)除草刀具裝置伸出/縮回的水平移動(dòng)。作物行內(nèi)除草裝置隨著除草機(jī)器人平臺(tái)在作物行間運(yùn)動(dòng)，當(dāng)控制系統(tǒng)檢測(cè)到作物植株時(shí)，除草刀具裝置往內(nèi)縮進(jìn)，讓開作物，通過作物后再行伸出；當(dāng)控制系統(tǒng)未檢測(cè)到作物時(shí)，除草刀具整體往外伸出，正常除草并施藥。由氣缸完成刀具整體往里或往外移動(dòng)。

2.1.1 除草刀具裝置 除草刀具裝置由上梳齒板、下梳齒板、除草刀片組架系統(tǒng)、除草刀片往復(fù)移動(dòng)機(jī)構(gòu)、抹藥裝置等組成（如圖4所示）。除草刀片設(shè)置在上梳齒板和下梳齒板之間。刀片的前側(cè)邊沿為刀刃，除草刀片刃口要求做成鋸條齒形狀，設(shè)為動(dòng)刀片；下梳齒板齒牙的前端也加工成刀刃，設(shè)為定刀片，與動(dòng)刀片密合安裝，形成剪切裝置。除草刀片的工作過程為：一方面鋸條齒形狀刀刃往復(fù)移動(dòng)鋸切雜草；另一方面由定刀片和動(dòng)刀片形成剪切雜草的作用。上梳齒板的齒牙前端設(shè)置為向下傾斜，傾斜角度約45°，并與下梳齒板齒牙的前端盡量靠近，形成鴨嘴型，這樣在除草過程中可以將雜草梳理起來，方便除草；同時(shí)可以推起泥土中高凸的硬石子或雜物，避免損傷除草刀片刃口。

2.1.2 刀片往復(fù)移動(dòng)機(jī)構(gòu) 除草刀片往復(fù)移動(dòng)通過偏心輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。刀片往復(fù)移動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由直流電動(dòng)機(jī)、偏心輪等組成（如圖5所示）。工作時(shí)，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)偏心輪、連桿，使刀片組架系統(tǒng)往復(fù)移動(dòng)，通過下梳齒板的定刀片與往復(fù)移動(dòng)的動(dòng)刀片配合，對(duì)雜草進(jìn)行有效切割，從而完成除草動(dòng)作。集成控制器電控連接直流電動(dòng)機(jī)。

2.1.3 施藥的具體結(jié)構(gòu) 施藥裝置由存藥箱、輸藥管、電控閥、滴藥管、施藥海綿、濕度傳感器等組成。存藥箱連接輸藥管，電控閥設(shè)置在輸藥管的進(jìn)口上、并與集成控制器連接，滴藥管與輸藥管的末端連接，施藥海綿設(shè)置在下梳齒板的齒牙間隙后部（如圖6所示），濕度傳感器通過電路與集成控制器連接。工作時(shí)，除草機(jī)器人在作物行間運(yùn)動(dòng)，作物行內(nèi)除草裝置和行間除草裝置通過上梳齒板和下梳齒板梳起雜草并切割，然后施藥裝置通過施藥海綿對(duì)剛切割過的雜草切口涂抹施藥。濕度傳感器檢測(cè)施藥海綿中的含藥量，如偏少，由輸藥管加藥進(jìn)海綿。

2.2 作物行間除草裝置

作物行間除草裝置與作物行內(nèi)除草裝置中的除草刀具裝置相似，由上梳齒板、下梳齒板、除草刀片組架系統(tǒng)、除草刀片往復(fù)移動(dòng)機(jī)構(gòu)、抹藥裝置等組成，只是寬度略大于作物行內(nèi)除草裝置，刀具結(jié)構(gòu)與兩側(cè)面刀具相同。不同的是，作物行間除草裝置不用整體移動(dòng)，而是與機(jī)器人平臺(tái)固定安裝。

2.3 作物智能識(shí)別及除草裝置控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)工作流程為：在執(zhí)行除草工作前，通過攝像頭和計(jì)算機(jī)軟件輸入作物的特征標(biāo)準(zhǔn)（如色度、垂直高度下限、水平寬度下限等信息）；除草機(jī)器人運(yùn)行時(shí)，通過兩個(gè)定位攝像頭采集圖像信息，與作物特征標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比對(duì)，識(shí)別出前方作物，并由兩個(gè)定位攝像頭確定作物對(duì)機(jī)器的方位；當(dāng)機(jī)器行進(jìn)至回避位置處，由計(jì)算機(jī)發(fā)出指令，控制行內(nèi)除草裝置縮回機(jī)架，避開作物；通過回避位置（即作物）后，計(jì)算機(jī)再發(fā)出指令，控制行內(nèi)除草裝置伸出機(jī)架，繼續(xù)除草并涂抹施藥。

3 結(jié)論

本課題研究設(shè)計(jì)的智能識(shí)別農(nóng)作物定向施藥除草機(jī)器人，可同時(shí)進(jìn)行行間除草和行內(nèi)除草工作。行內(nèi)雜草需進(jìn)行識(shí)別作物后除草并施藥，行間雜草無需識(shí)別直接除草并施藥。該機(jī)器人全部采用自動(dòng)化操作，除草效率比較高，節(jié)約了勞力，適合現(xiàn)代農(nóng)業(yè)大規(guī)模少人力的發(fā)展模式；同時(shí)，通過精準(zhǔn)施藥，提高了除草實(shí)效，避免了無效施藥，大大減少了除草劑用量，降低了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，從而減輕了農(nóng)藥對(duì)土壤和大氣環(huán)境的污染，可以有效保護(hù)生態(tài)環(huán)境。

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Abstract： Weeds not only affect the growth of crops， but also encourage the breeding and spread of pests and diseases indirectly. Considering the current existing problems by using the method of manual or chemical weeding and so on， this paper designed a kind of weeding robot for crops recognition intelligently and pesticide application directionally， and carries out a detailed analysis and study of its design ideas， working principle and key structure. This robot with automatic operation is efficient in weeding， realize precision medicine and protect the ecological environment effectively.

Key words： weeding robot； recognition intelligently； pesticide application directionally； automation