智能除草機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀分析與展望 甄 研 莊衛(wèi)東 黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 工程學(xué)院 黑龍江 大慶 1 6 3 3 1 9 摘要 除草是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要管理環(huán)節(jié) 在環(huán)境和效率兼顧的原則下 物理除草相較于化學(xué)除草 生物除草 正得到廣泛的關(guān)注和重視 農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中引入了機(jī)器人和自動化的技術(shù)后 各種類型的除草機(jī)器人也隨之出現(xiàn) 這 大大降低了農(nóng)藥對生態(tài)環(huán)境的影響 文章主要概括了智能除草機(jī)器人的優(yōu)勢 并詳細(xì)描述了其在國內(nèi)外的研究現(xiàn) 狀 同時還探討了目前存在的問題 最終對智能除草機(jī)器人的未來發(fā)展方向進(jìn)行了總結(jié)與展望 關(guān)鍵詞 智能除草機(jī)器人 識別技術(shù) 智慧農(nóng)業(yè) 人工智能 機(jī)器人平臺 中圖分類號 S 2 2 4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1 0 0 1 0 2 5 4 2 0 2 5 0 5 0 0 5 5 0 3 0 引言 雜草影響作物生長 是作物減產(chǎn)的重要因素之一 在我國農(nóng)田中的雜草大約有1 4 3 0種 包括變種 每 年由于這些雜草的影響 農(nóng)作物的產(chǎn)量減少了1 0 糧食產(chǎn)量下降了6 0 0 0萬t 造成了2 2 0 0億元的經(jīng)濟(jì)損 失 在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中 除草是一個必不可少的步驟 其重要性不言而喻 除草技術(shù)按照原理可分為物理除 草 化學(xué)除草 生物除草等 化學(xué)除草是一種通過向植株噴灑除草劑來消滅或限制雜草生長的方法 其效果 顯著且成本較低 然而 近些年來不當(dāng)使用除草劑已經(jīng)導(dǎo)致了嚴(yán)重的環(huán)境污染問題 對人類健康構(gòu)成了巨大 威脅 這與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的原則相悖 與此同時 長期單一的除草劑施用 也促進(jìn)了雜草抗藥性的發(fā)展 進(jìn) 一步增大了雜草防控的難度 利用生物 微生物以及他感物質(zhì)與雜草的生態(tài)關(guān)系 生物除草技術(shù)能夠?qū)﹄s草 進(jìn)行控制 實現(xiàn)環(huán)保和安全 但生物防控技術(shù)依然存在應(yīng)用方法復(fù)雜 操作難度大 效果不穩(wěn)定 普適性差等 問題 在國內(nèi)農(nóng)田雜草控制中暫未得到廣泛應(yīng)用 除草機(jī)器人是一類具有自主導(dǎo)航 雜草識別 自動除草等能力的自主操作機(jī)器人系統(tǒng) 可幫助維護(hù)農(nóng)田 果 園 設(shè)施大棚 園藝場地等園區(qū)的植物健康 1 除草機(jī)器人可以自主工作 無需人工干預(yù) 從而節(jié)省了大量的時 間及勞動成本 而且可以減少化學(xué)農(nóng)藥的使用量 從而保障食品綠色無公害 保障食品安全 還可以搭載不同 工具 同時開展農(nóng)情監(jiān)測 作物估產(chǎn)等多項農(nóng)事工作 除草機(jī)器人通常配備了先進(jìn)的導(dǎo)航系統(tǒng) 避障系統(tǒng)和識 別系統(tǒng) 可以適應(yīng)各種復(fù)雜的環(huán)境和地形 許多除草機(jī)器人使用電力等清潔能源 而不是燃油 這不僅可以減 少空氣污染 而且相比傳統(tǒng)割草機(jī) 電力驅(qū)動的機(jī)器人運(yùn)行成本更低 此外 隨著各個國家積極出臺相關(guān)政策 文件大力推動農(nóng)業(yè)裝備和農(nóng)業(yè)工作的數(shù)字化 信息化 智能化變革 以期在智慧農(nóng)業(yè)領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位 智能除 草機(jī)器人也越來越受到國內(nèi)外專家和學(xué)者的青睞 由此 對環(huán)境友好 效果穩(wěn)定 可持續(xù)性強(qiáng)的物理除草方式 正得到越來越多的關(guān)注 隨著人工智能技術(shù)和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備智能化水平的提升 物理除草技術(shù)近年來取得了 快速發(fā)展 智能除草技術(shù)被廣泛地研究和應(yīng)用 成為智慧農(nóng)業(yè)下農(nóng)田除草的發(fā)展趨勢 1 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 1 1 國外現(xiàn)狀 在國外 一些國家因其政府對化學(xué)除草劑使用的諸多限制 迫使其除草作業(yè)時不得不廣泛采用機(jī)械除草 方式 日益增長的市場需求極大地促進(jìn)了其智能化苗間機(jī)械除草技術(shù)的發(fā)展 2 諸多基于機(jī)器視覺的除草 機(jī)和更加智能化的田間除草機(jī)器人開始相繼誕生 這些除草機(jī)和除草機(jī)器人已經(jīng)具備了比較優(yōu)良的除草性 能 其中有些也已被商業(yè)化并投入了田間使用 澳大利亞昆士蘭科技大學(xué)B a w d e n等研發(fā)了名為A g B o t I I的除草機(jī)器人 3 這種設(shè)備結(jié)合了機(jī)械與化 學(xué)兩種方法來實現(xiàn)高效的除草任務(wù) 它的主要工作部件包括鋤式的機(jī)械清除部分及一系列化學(xué)藥液噴射 器 通過運(yùn)用視覺識別技術(shù) 除草機(jī)器人能夠辨別植物和雜草并對其進(jìn)行區(qū)分處理 同時 它還具備使用控 制系統(tǒng)驅(qū)動的機(jī)械清除功能 并且可以精準(zhǔn)地把除草劑施加到雜草身上 收稿日期 2 0 2 4 0 3 2 5 55 現(xiàn)代化農(nóng)業(yè) 2 0 2 5年第5期 總第5 5 0期 瑞典哈姆斯塔德大學(xué)制造了除草機(jī)器人 4 其采用了能夠平穩(wěn)操控車輛方向的阿克曼轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 使得它 能輕松地完成各種角度和路徑的變化操作 此設(shè)備還配置有兩臺相機(jī)作為輔助工具使用 一臺為黑色白色 相間的攝影機(jī)主要負(fù)責(zé)捕捉作物的邊緣特性以便引導(dǎo)機(jī)械按照這些特定的路線工作 另一部則是色彩豐富 的攝像機(jī)則專門用來辨別出植物及野生的植被之間的差異并加以區(qū)分開來 經(jīng)過對耕地上的測試結(jié)果表明 這種自動駕駛系統(tǒng)的工作精度最高小于2 c m 丹麥奧爾胡斯大學(xué)農(nóng)業(yè)研究所進(jìn)行了關(guān)于使用機(jī)器人的一項 試驗 開發(fā)了一款名叫 H o r t i B o t 的除草機(jī)器人 5 這種設(shè)備能在植株成熟的耕地上精確找出并去除雜草 它獨(dú)特的構(gòu)造能避免觸及周圍的其他植被而不會對其產(chǎn)生損害 通過運(yùn)用相應(yīng)的技術(shù)和方法來分析形態(tài)數(shù) 據(jù)以確定目標(biāo)為雜草后 系統(tǒng)就能有效識別它們與其他作物的區(qū)別從而實現(xiàn)精準(zhǔn)清除的目標(biāo) 機(jī)器人在實際 操作中的表現(xiàn)表明它選擇性地去莠功能可使農(nóng)民減少約7 0 的使用化學(xué)藥劑的比例 1 2 國內(nèi)現(xiàn)狀 2 0 2 3年1月 工業(yè)和信息化部 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部等十七部門印發(fā) 機(jī)器人 應(yīng)用行動計劃 中明確指出 農(nóng) 業(yè)作為重點(diǎn)應(yīng)用領(lǐng)域 需要加速對基礎(chǔ)設(shè)施及設(shè)備的智能升級 以促進(jìn)機(jī)器人在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的深入整合 從而 助力智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展 6 2 0世紀(jì)6 0年代 我國對于作物株間機(jī)械除草技術(shù)的研究才正式開始 但是其大多 集中于高校和科研院所 除草機(jī)器人商業(yè)化程度較低 成本偏高 對于用戶而言沒有性價比 致使我國還是 以大面積的化學(xué)農(nóng)藥除草為主 但是近年來 隨著國內(nèi)電子信息 自動控制和人工智能等技術(shù)的不斷發(fā)展 我國科研人員對作物株間機(jī)械除草進(jìn)行了大量研究 也取得了諸多研究成果 由南京林業(yè)大學(xué)的陳勇等 7 9 開發(fā)的一臺新型農(nóng)用設(shè)備直接施藥除草機(jī)器人 它可以利用先進(jìn)的技術(shù)手 段來完成各種復(fù)雜的工作任務(wù) 例如使用圖像處理技術(shù)來自動規(guī)劃路徑 通過顏色分析提取目標(biāo)信息并實 施精確定位 此外還采用了人工智能算法以優(yōu)化機(jī)器人的作業(yè)路線及作業(yè)效果等一系列創(chuàng)新性的功能設(shè)計 與應(yīng)用模式都得到了廣泛關(guān)注并且取得了顯著的效果 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)的張春龍等 1 0 提出了關(guān)于一種具有 四個車軸和單獨(dú)轉(zhuǎn)動的多功能自動除草機(jī)器人的構(gòu)想 其工作原理是利用三個手指形狀的手抓來實現(xiàn)精確 切割植物的功能 這個系統(tǒng)的核心部分包括攝像頭模塊 G P S導(dǎo)向設(shè)備 移動式自動化車輛 A G V 用于實 施剪枝動作的主控單元并配有可調(diào)節(jié)高度的設(shè)計元素以適應(yīng)不同的高度需求 當(dāng)它開始操作的時候 其中 兩根穩(wěn)定的觸須會一直保持著對目標(biāo)區(qū)域的工作狀態(tài) 而另一只可以活動的機(jī)械臂則會在需要處理特定情 況或應(yīng)對復(fù)雜地形變化的過程中做出相應(yīng)的姿態(tài)變換以便更準(zhǔn)確無誤地完成任務(wù) 蘭州理工大學(xué)的賈耀 文 1 1 基于西北地區(qū)果園特點(diǎn)設(shè)計了一款果園避障除草機(jī)器人 該機(jī)器人采用了雙側(cè)避障機(jī)構(gòu) 升降模組 轉(zhuǎn)向裝置 扶手機(jī)構(gòu)和除草執(zhí)行器等主要機(jī)械結(jié)構(gòu) 可以實現(xiàn)調(diào)整刀具位置和作業(yè)幅寬的功能 保護(hù)作物不 受損害 同時滿足不同種植模式的果園作業(yè)需求 2 存在問題分析 2 1 性價比不高 智能除草機(jī)器人的研發(fā)和生產(chǎn)成本較高 導(dǎo)致市場上的售價偏高 這使得一些用戶可能更傾向于使用傳 統(tǒng)的除草方法 1 2 同時 智能除草機(jī)器人的操作和維護(hù)相對復(fù)雜 需要一定的技術(shù)和經(jīng)驗 這對于普通用 戶來說可能是一個挑戰(zhàn) 2 2 識別精度有待提高 智能除草機(jī)器人的核心技術(shù)之一是圖像識別和分類技術(shù) 1 3 然而 現(xiàn)階段的識別精度仍有待提高 由 于農(nóng)田的環(huán)境復(fù)雜多變 機(jī)器人可能難以準(zhǔn)確區(qū)分草和其他植物 從而導(dǎo)致誤識別 誤操作等問題 2 3 復(fù)雜地形適應(yīng)性差 耕地大體分為水田和旱田 兩種耕地對作業(yè)機(jī)械有著不同的要求 如今 除草機(jī)器人多是履帶式 因其 底盤通過性較好 但是針對不同性質(zhì)的農(nóng)田 如何讓除草機(jī)器人適應(yīng)性更強(qiáng) 能保證在不同耕地作業(yè)的同時 兼顧速度和效率是除草機(jī)器人的一大難題 2 4 株間除草質(zhì)量欠佳 株間除草屬于精細(xì)化作業(yè)范疇 尤其依賴于機(jī)器人對農(nóng)作物和雜草識別的精準(zhǔn)度 1 4 在行間除草表現(xiàn)良好 的機(jī)具不一定適合株間除草 而具有株間除草能力的部分機(jī)具 其除草效率比較低下 無法將雜草完全清除干凈 65 現(xiàn)代化農(nóng)業(yè) 2 0 2 5年第5期 總第5 5 0期 3 技術(shù)研究展望 3 1 成本降低與普及化 隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和市場的競爭加劇 智能除草機(jī)器人的成本將逐漸降低 這將使更多的用戶能夠 購買和使用智能除草機(jī)器人 從而促進(jìn)其普及化 同時 銷售公司應(yīng)配備完備的售后體系 只有讓用戶有經(jīng) 濟(jì)賬可算 才能使智能除草機(jī)器人走進(jìn)千家萬戶 3 2 深度學(xué)習(xí)技術(shù)應(yīng)用 隨著深度學(xué)習(xí)技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步 智能除草機(jī)器人的圖像辨識和分類準(zhǔn)確性將有顯著提升 這將使機(jī)器 人能夠更準(zhǔn)確地識別草和其他植物 從而減少誤識別 誤操作等問題 3 3 機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計 優(yōu)化設(shè)計智能除草機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)可以增強(qiáng)其在復(fù)雜地形和環(huán)境中的適應(yīng)性 例如 通過改進(jìn)機(jī)器 人的底盤設(shè)計 增加懸掛系統(tǒng)等 可以使機(jī)器人更好地適應(yīng)各種地形和氣候條件 3 4 多機(jī)群控制與協(xié)同作業(yè) 除草機(jī)器人的多機(jī)群控制與協(xié)同作業(yè)是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一 這種技術(shù)可以顯著提高除草效率 擴(kuò)大 作業(yè)范圍 并更好地適應(yīng)復(fù)雜多變的環(huán)境 多機(jī)群控制主要涉及到如何有效地管理和調(diào)度多個除草機(jī)器人 使它們能夠協(xié)同工作 共同完成除草任務(wù) 這涉及到的問題包括路徑規(guī)劃 任務(wù)分配 通信協(xié)議 避障和防撞 等 協(xié)同作業(yè)則是指多個除草機(jī)器人在工作中相互配合 共同實現(xiàn)某一目標(biāo) 為了實現(xiàn)多機(jī)群控制與協(xié)同 作業(yè) 需要借助先進(jìn)的傳感器 控制系統(tǒng)和通信技術(shù) 例如 可以利用激光雷達(dá) 攝像頭等傳感器來感知周圍 環(huán)境 利用G P S R T K等技術(shù)進(jìn)行精確定位 利用無線通信技術(shù)實現(xiàn)機(jī)器人之間的信息共享和協(xié)同控制 4 總結(jié) 隨著智慧農(nóng)業(yè)與A I技術(shù)的深入發(fā)展 除草技術(shù)也將不斷創(chuàng)新和發(fā)展 智能除草機(jī)器人必將是未來智慧農(nóng) 業(yè)的應(yīng)用趨勢 目前除草機(jī)器人在實際生產(chǎn)中還存在一定的應(yīng)用困境 需要在技術(shù) 效率 成本等方面不斷進(jìn) 行優(yōu)化和完善 盡管我國在這個領(lǐng)域的進(jìn)展相對滯后 但是已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究工作 然而 由于技術(shù)上的 限制 目前我們的智能除草機(jī)器人還不夠完善 不能適應(yīng)各種復(fù)雜的工作場景和不斷變化的需求 此外 它還 沒有達(dá)到能夠使用智能導(dǎo)航系統(tǒng)的精確控制水平 這使得其難以進(jìn)入商用生產(chǎn)的軌道 基于此 結(jié)合本領(lǐng)域的 研究現(xiàn)狀和研究成果 可以看出國內(nèi)外的差距 因此要積極投資于機(jī)器視覺系統(tǒng) 系統(tǒng)控制技術(shù)和導(dǎo)航技術(shù)的 研究 以培育更多相關(guān)的人才 要鼓勵科技創(chuàng)新型企業(yè)的成長 推動農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程加速前進(jìn) 5 參考文獻(xiàn) 1 高勇 陳中武 李沐桐 等 果園除草機(jī)器人研究現(xiàn)狀與展望 J 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備 2 0 2 3 4 4 5 2 8 2 9 2 馬中洋 基于改進(jìn)U N e t模型的白菜株間避苗除草裝置設(shè)計與試驗 D 長春 吉林大學(xué) 2 0 2 3 3 B A W D E N O K U L K J R U S S E L L R e t a l R o b o t f o r w e e d s p e c i e s p l a n t s p e c i f i c m a n a g e m e n t J J o u r n a l o f F i e l d R o b o t i c s 2 0 1 7 3 4 6 1 1 7 9 1 1 9 9 4 A S T R A N D B B A E R V E L D T A J A n a g r i c u l t u r a l m o b i l e r o b o t w i t h v i s i o n b a s e d p e r c e p t i o n f o r m e c h a n i c a l w e e d c o n t r o l J A u t o n o m o u s R o b o t s 2 0 0 2 1 3 1 2 1 3 5 5 張寄塵 丹麥 研制出農(nóng)田除草機(jī)器人 J 農(nóng)村 農(nóng)業(yè) 農(nóng)民 2 0 0 4 7 4 6 6 谷毅 淺析農(nóng)作物智能除草技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展 J 農(nóng)業(yè)科技通訊 2 0 2 3 1 0 2 2 7 陳勇 田磊 鄭加強(qiáng) 基于直接施藥方法的除草機(jī)器人 J 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報 2 0 0 5 3 6 1 0 9 1 9 3 8 侯學(xué)貴 除草機(jī)器人雜草識別與視覺導(dǎo)航技術(shù)研究 D 南京 南京林業(yè)大學(xué) 2 0 0 7 9 郭偉斌 除草機(jī)器人設(shè)計與控制 D 南京 南京林業(yè)大學(xué) 2 0 0 8 1 0 張春龍 黃小龍 耿長興 等 智能鋤草機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計與仿真 J 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報 2 0 1 1 4 2 7 1 9 6 1 9 9 1 1 賈耀文 多功能果園避障除草機(jī)器人機(jī)械及控制系統(tǒng)設(shè)計 D 蘭州 蘭州理工大學(xué) 2 0 2 0 1 2 蘭天 李端玲 張忠海 等 智能農(nóng)業(yè)除草機(jī)器人研究現(xiàn)狀與趨勢分析 J 計算機(jī)測量與控制 2 0 2 1 2 9 5 1 7 1 3 尹麒麟 丘陵果園除草機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計與控制研究 D 武漢 華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 2 0 2 3 1 4 周志強(qiáng) 水田機(jī)械除草技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 J 南方農(nóng)機(jī) 2 0 2 2 5 3 5 1 6 1 8 2 8 0 2 3 75 現(xiàn)代化農(nóng)業(yè) 2 0 2 5年第5期 總第5 5 0期