農(nóng)作物智能識別定向施藥除草機器人的設(shè)計研究

摘要：農(nóng)田雜草不僅影響農(nóng)作物的生長，還會間接助長病蟲害的滋生和蔓延。針對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)計一種智能識別農(nóng)作物定向施藥的智能除草機器人，對其設(shè)計思路、工作原理以及關(guān)鍵結(jié)構(gòu)等進行詳細分析。該機器人采用自動化操作，除草效率高，可實現(xiàn)精準施藥，有效保護生態(tài)環(huán)境。

關(guān)鍵詞：除草機器人；智能識別；定向施藥；自動化

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2016）06-0016-03

農(nóng)田雜草若任其發(fā)展不加以有效控制，不僅會影響農(nóng)作物的生長，降低農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量，而且還會間接助長病蟲害的滋生和蔓延[1]。目前，國內(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、勞動強度高，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)，不僅會造成浪費多、成本高等問題，還會導(dǎo)致除草劑殘留量超標、環(huán)境污染甚至人員中毒等嚴重后果。針對以上問題，國內(nèi)外專家研究了機械式除草方法，如采用噴霧機等設(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象，根據(jù)農(nóng)田除草的特殊性，設(shè)計一種智能識別農(nóng)作物定向施藥的智能除草機器人，以提高除草效率和保護生態(tài)環(huán)境。

1 智能除草機器人的設(shè)計思路及工作原理

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

智能除草機器人的工作原理為：1） 該機器人可以沿著作物的行間行駛，改進了現(xiàn)有很多機器人騎在作物行上行駛的方式。騎在作物行上行駛的缺點是機器高度要適應(yīng)作物高度（機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） 攝像頭對作物行內(nèi)的雜草和作物信息進行采集，如果檢測到作物行內(nèi)是作物時，行內(nèi)除草裝置在控制系統(tǒng)作用下縮回機架，以避開作物；通過作物后，行內(nèi)除草裝置在控制系統(tǒng)作用下再伸出機架，繼續(xù)行內(nèi)除草并涂抹施藥。3） 行間除草不需識別，直接正常除草并涂抹施藥。4） 設(shè)計兩種并施的除草方式，首先利用除草刀片進行機械式剪鋸切斷雜草，達到快速除草效果，然后涂抹施藥裝置再對雜草切口涂抹除草劑，做到精準施藥。精準施藥與噴灑農(nóng)藥方式相比，藥劑注入草體效率高，除草效果更好，同時避免了無效用藥，節(jié)省了除草劑用量，使農(nóng)藥浪費大大減少。行內(nèi)作物除草實施方案如圖1所示。

2 智能除草機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計

該機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計初步方案如圖2所示，主要由工作平臺、定位攝像頭、計算機、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器人前行系統(tǒng)（包括輪架系統(tǒng)、電機動力系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向判斷及實施系統(tǒng)）等組成[4]。作物行間除草裝置位于機器的前部，作物行內(nèi)除草裝置位于機器的兩側(cè)。集成控制器電控連接計算機、平移氣缸、施藥裝置和除草機器人前行系統(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，用來實現(xiàn)除草刀具裝置伸出/縮回的水平移動。作物行內(nèi)除草裝置隨著除草機器人平臺在作物行間運動，當(dāng)控制系統(tǒng)檢測到作物植株時，除草刀具裝置往內(nèi)縮進，讓開作物，通過作物后再行伸出；當(dāng)控制系統(tǒng)未檢測到作物時，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。

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)移動機構(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)移動鋸切雜草；另一方面由定刀片和動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)移動機構(gòu) 除草刀片往復(fù)移動通過偏心輪機構(gòu)實現(xiàn)。刀片往復(fù)移動機構(gòu)主要由直流電動機、偏心輪等組成（如圖5所示）。工作時，電動機帶動偏心輪、連桿，使刀片組架系統(tǒng)往復(fù)移動，通過下梳齒板的定刀片與往復(fù)移動的動刀片配合，對雜草進行有效切割，從而完成除草動作。集成控制器電控連接直流電動機。

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，除草機器人在作物行間運動，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剛切割過的雜草切口涂抹施藥。濕度傳感器檢測施藥海綿中的含藥量，如偏少，由輸藥管加藥進海綿。

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)移動機構(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，而是與機器人平臺固定安裝。

2.3 作物智能識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，通過攝像頭和計算機軟件輸入作物的特征標準（如色度、垂直高度下限、水平寬度下限等信息）；除草機器人運行時，通過兩個定位攝像頭采集圖像信息，與作物特征標準進行比對，識別出前方作物，并由兩個定位攝像頭確定作物對機器的方位；當(dāng)機器行進至回避位置處，由計算機發(fā)出指令，控制行內(nèi)除草裝置縮回機架，避開作物；通過回避位置（即作物）后，計算機再發(fā)出指令，控制行內(nèi)除草裝置伸出機架，繼續(xù)除草并涂抹施藥。

3 結(jié)論

本課題研究設(shè)計的智能識別農(nóng)作物定向施藥除草機器人，可同時進行行間除草和行內(nèi)除草工作。行內(nèi)雜草需進行識別作物后除草并施藥，行間雜草無需識別直接除草并施藥。該機器人全部采用自動化操作，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，通過精準施藥，提高了除草實效，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)藥對土壤和大氣環(huán)境的污染，可以有效保護生態(tài)環(huán)境。

參考文獻

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[2] 范德耀，姚青，楊保軍，等.田間雜草識別與除草技術(shù)智能化研究進展[J].中國農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，43（9）：1 823-1 833.

[3] 金小俊.基于雙目立體視覺的除草機器人行內(nèi)雜草識別方法研究[D].南京：南京林業(yè)大學(xué)，2012.

[4] 張金美，沈建明，陶雄春.漫反射光電開關(guān)在除草機器人中的應(yīng)用[J].傳感器世界，2016，22（5）：19-22.

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