【www.dagaqi.com--创业经验】
本期视频主要内容： 兰州红谷的张永功师傅种着几亩菜地，而松土锄草需借助非常原始的工具来完成，费时费力。张师傅为了不让爱人继续受累于繁重的田间工作，发明出了小型的自走式锄草松土机，比市面现有的都要小且轻，妇女老人都能操做的了，抵得上将近十个人工。 （《我爱发明》 20141127 杂草终结者）
发明人联系方式：张永功 13309460889
《杂草终结者》花絮：说起兰州，不只拉面好吃，这边的有机蔬菜也是销往西部各省，但是在乡村，机械化的程度还远远不够，很多工序依然依靠人力。老张设计的锄草机在当地蔬菜产区还没能让菜农们广泛应用，他为此遗憾，但是却很有信心，一直称呼他的锄草机叫“小家伙”，坚信“小家伙”总能派上大用场。
发明说明：本实用新型公开了一种手推式锄草机松土机，包括机架及安装在机架上的手推架和滚动轮，升降轮安装在升降器的下部，机架的下方设有刀架轴，该刀架轴通过轴承和轴承座连接有刀架，刀架上设有旋耕刀[来源:www.dagaqi.com/]，所述机架上固定连接有发动机，所述手推架包括左、右手推架，所述左手推架上设有与所述发动机相连接的熄火器，所述右手推架上设有与所述发动机相连接的加油器；所述左、右手推架之间设有变速轴，所述变速轴的一端通过链条与所述刀架轴一端的链盘轮相连接，另一端通过皮带轮与所述发动机上的离合器相连接；所述升降器与所述变速轴固定连接。该手推式锄草松土机，结构简单，轻便灵巧，工作效率高，适合农作物生长期间和农作物收割后的操作。
本期视频主要内容： 鱼企每年要处理大量的鱼，杀鱼清理工作非常繁琐，杀鱼工人一天下来处理多达一吨的鱼，再加上冰冷湿滑的环境，是一份十分辛苦的工作。汤臣都发明了一款全自动杀鱼设备，能大量节约人力，到底是一种怎样的机器，本期视频为你讲述庖丁解鱼。 （《我爱发明》 20141210 庖丁解鱼）
发明人联系方式：汤臣都13706879128
《庖丁解鱼》花絮：汤臣都一小就跟着父亲经营家里的鱼糜加工厂。汤老爷子认为，做鱼糜靠的就是传统手工艺，上了机械就失去原有的“味道”了。而汤臣都却坚持说，如果不用机器代替人工，将来杀鱼工人会越来越少，厂子就会经营不下去了。最终，汤臣都的坚持和机器的成功改变了父亲的看法。
本期视频主要内容： 山东章丘的宋师傅，从滚筒洗衣机得到灵感，发明了一台能为大量土豆，整体去皮的土豆去皮机。经过多次的改进，不仅能够胜任不同形状、品种的土豆，甚至土豆凹陷处的小坑也能处理干净，几分钟便能处理十几斤土豆；效率高，极大的节约了人力。 （《我爱发明》 20141219 地蛋脱皮记）
发明人联系方式：宋宪龙15866798608
《地蛋脱皮记》花絮： 话不多的发明人，一心想制造一台机器，代替人工为土豆去皮，可是机器做好，却遇到致命的打击；土豆表面的芽眼、小坑机器无法去除。经过了几近毁灭式的无效测试后，问题得以解决。不仅不浪费，质量还非常高。通过鲜炸薯条与酸辣土豆丝的证明；机器去皮对土豆的口感也没有任何影响。
锄草机和柴油耕地机价格
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①采用铝合金变速箱设计、重量轻、耐腐蚀、铝合金材质较生铁铸造更为经久耐用。
②高精度离合器，可轻松实现换档，倒档等功能。
③用皮带传递，因此可减小对动力机构的冲击力，对发动机有一定的保护作用。
④本机前置辅助轮，增加平稳可靠性，使用起来更加安全平稳顺畅，提升劳作耕种的效率。
⑤采用档把式离合设计，离合器开关即推即拉，方便省力。
⑥急停开关，大大的提高了本机的可控性，为农户的生产安全提供充分保障。
⑦熄火开关，按下按钮即可实现发动机熄火，不再弯腰伸手熄灭发动机。
⑧可调节扶手高度。
⑨本机为多功能微耕机能选配平原、山区、丘陵的旱地、水田、果园等各种耕种劳作配件。
⑩采用优质橡胶轮，本机整机采用高强度钢材焊接拼装，使用寿命更久。
中国锄草机市场现状分析与发展前
景预测报告（2014-2019)
中国报告网 出版时间：2014年
锄草机行业市场调研报告相关问题解答
1、什么是锄草机行业调研
锄草机行业调研是开展一切咨询业务的基石，通过对特定锄草机行业的长期跟踪监测，分析市场需求、供给、经营特性、获取能力、产业链和价值链等多方面的内容，整合锄草机行业、市场、企业、用户等多层面数据和信息资源，为客户提供深度的锄草机行业市场研究报告，以专业的研究方法帮助客户深入的了解锄草机行业，发现投资价值和投资机会，规避经营风险，提高管理和运营能力。
锄草机行业研究是对一个行业整体情况和发展趋势进行分析，包括行业生命周期、行业的市场容量、行业成长空间和盈利空间、行业演变趋势、行业的成功关键因素、进入退出壁垒、上下游关系等。
关于锄草机行业市场调研中主要包含以下几点核心内容
调研企业通过自身营销及庞大互联网市场，掌握市场宏观微观经济，为国内外的企业单位、
研究机构和社会团体提供专业可靠的市场情报、商业信息、投资咨询、市场战略咨询等服务。2、研究报告使用人群
我公司报告使用者范围较广，包括企事业单位，个人或团体。 3、锄草机行业市场调研报告内容
锄草机行业市场调研报告书主要研究锄草机行业市场经济特性（产能、产量、供需），投资分析（市场现状、市场结构、市场特点等以及区域市场分析）、竞争分析（行业集中度、竞争格局、竞争对手、竞争因素等）、工艺技术发展状况、进出口分析、渠道分析、产业链分析、替代品和互补品分析、行业的主导驱动因素、政策环境、重点企业分析（经营特色、财务分析、竞争力分析）、商业投资风险分析、市场定位及机会分析、以及相关的策略和建议等。
4、调研方式和数据来源
观研天下有自己独立研发部门。部门成员分别擅长在中国宏观经济、食品、医药、机械、IT通讯、能源化工等领域进行深入调查研究。定期不定期采访各行业资深人士，并进行约稿。各行业公开信息：业内企业及上、下游企业的季报、年报和其它公开信息；各类中英文期刊数据库、图书馆、科研院所、高等院校的文献资料；
数据部分来自国家统计数据，海关总署，问卷调查数据，商务部采集数据等数据库。其中宏观经济数据主要来自国家统计局，部分行业统计数据主要来自国家统计局及市场调研数据，企业数据主要来自于国统计局规模企业统计数据库及证券交易所等，价格数据主要来自于各类市场监测数据库。
锄草机市场调研报告大纲
为了全面而准确地反映锄草机产业的发展现状以及未来趋势，《中国锄草机市场现状分析与发展前景预测报告(2014-2019)》在大量周密的市场调研基础上，主要依据中国国家统计局、国家海关总署、相关行业协会、国内外相关报刊杂志的基础信息以及专业研究单位等公布和提供的大量资料。对我国锄草机行业现状、锄草机场供需状况、锄草机产业链现状、锄草机重点企业状况等内容进行详细的阐述和深入的分析，着重对锄草机场发展动向作了详尽深入的分析，并根据行业的发展轨迹对未来的发展前景与趋势作了审慎的判断，为锄草机产业投资者寻找新的投资机会。为企业了解锄草机行业、投资该领域提供决策参考依据。
第一章 2013-2014年中国锄草机行业发展概述 第一节 锄草机行业发展情况概述 一、锄草机的基本情况介绍 二、锄草机的发展特点分析
第二节锄草机行业上下游产业链分析 一、产业链模型原理介绍 二、锄草机行业产业链分析
第三节 锄草机行业生命周期分析 一、行业生命周期理论概述
二、锄草机行业所属的生命周期分析 第四节 锄草机行业经济指标分析 一、锄草机行业的赢利性分析
二、锄草机行业附加值的提升空间分析 三、锄草机行业进入壁垒与退出机制分析
第二章 2013-2014年世界锄草机行业市场发展现状分析 第一节 全球锄草机行业发展历程回顾
第二节2013-2014年全球锄草机行业市场规模分析 第三节2013-2014年全球锄草机行业市场区域分布情况 第四节 2013-2014年锄草机行业亚洲地区市场分析 第五节2013-2014年锄草机行业欧盟主要国家市场分析 第六节2013-2014年锄草机行业北美地区主要国家市场分析 第七节 2014-2019年世界锄草机发展走势预测 第八节 2014-2019年全球锄草机行业市场规模预测
第三章 2013-2014年中国锄草机产业发展环境分析 第一节 我国宏观经济环境分析
第三节 中国锄草机行业政策环境分析 第四节 中国锄草机产业社会环境发展分析 一、人口环境分析
二、教育环境分析 三、文化环境分析 四、生态环境分析 五、消费观念分析
第四章 中国锄草机产业运行情况
第一节 中国锄草机行业发展状况情况介绍 一、中国锄草机行业发展历程回顾 二、中国锄草机行业技术现状分析 三、中国锄草机行业发展特点分析 第二节 中国锄草机行业市场规模分析 第三节 中国锄草机行业市场供需情况分析 一、中国锄草机行业产能情况分析 二、中国锄草机行业产值分析
三、中国锄草机行业产量统计与分析 四、中国锄草机行业需求量分析
第四节 中国锄草机行业发展趋势分析
第五章 中国锄草机市场格局分析 第一节 中国锄草机行业竞争现状分析 第二节 中国锄草机行业集中度分析 一、中国锄草机行业市场集中度分析 二、中国锄草机行业企业集中度分析 三、中国锄草机行业区域集中度分析 第三节 中国锄草机行业存在的问题
第六章2011-2013年中国锄草机所属行业经济指标统计 第一节2011-2013年锄草机所属行业运行情况统计 一、2011-2013年锄草机所属行业企业数量增长分析 二、2011-2013年锄草机所属行业从业人数增长分析 三、2011-2013年锄草机所属行业资产规模增长分析 第二节2014年中国锄草机所属行业结构分析
一、2011-2013年锄草机所属行业企业数量结构分析 二、2011-2013年锄草机所属行业销售收入结构分析 第三节2011-2013年锄草机所属行业产成品增长分析 第四节2011-2013年锄草机所属行业工业销售产值分析 第五节2011-2013年锄草机所属行业成本费用分析 一、2011-2013年锄草机所属行业销售成本统计 二、2011-2013年锄草机所属行业费用统计分析
第六节2011-2013年中国锄草机所属行业主要盈利指标
第七章 中国锄草机行业竞争情况 第二节 中国锄草机行业竞争结构分析 一、现有企业间竞争
质控人员现厂区 齐心协力除草忙
一连几天的阴雨天，在炎热的夏天给员工带来一丝凉爽，但也给从杂草带来了生机，厂区植树带的杂草也趁机露出地面，严重影响公司的印象，为此武乡公司质量控制室人员决定对厂区植树带开展义务除草劳动。
7月8日下午，雨刚刚停，质量控制室人员携带除草工具兴高采烈地来到长满杂草的植树带开始义务除草活动。主任亲临劳动现场，身先士卒清除杂草。经过初步的分工过后，大家就热火朝天地开始劳动。劳动过程中，大家分工协作、配合默契、互帮互助，不怕脏、不怕累、不怕苦，虽然挥汗如雨，但仍然兴致高昂，不到一小时就将厂区植树带上的杂草清理完毕。
本次义务劳动中，质量控制室人员充分发扬了公司员工吃苦耐劳的优秀品质，团结协作的团队精神，充分体现了山水人踏实、肯干、团结一致的良好精神风貌。本次义务劳动，不仅改善了厂区环境，而且锻炼了员工体质，提升了企业凝聚力和向心力，进一步增强了员工对公司的归属感和主人翁精神。今后公司还会不定期组织这样有意义的集体义务劳动，为企业的建设做出实实在在的贡献。
农业除草机和家用割草机价格
第31卷 第5期 农 业 工 程 学 报 Vol.31 No.5
2015年 3月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Mar. 2015 1
·综合研究·
智能高效株间锄草机器人研究进展与分析
陈子文，张春龙，李 南，孙 哲，李 伟，张 宾
（中国农业大学工学院，北京 100083）
※
摘 要：非化学方式除草是摒弃除草剂、生产有机农产品的前提，传统的中耕锄草机主要解决行间锄草，由于株间苗草集聚，机械锄草难度较大，目前主要依靠人工，劳动成本高且效率低。智能株间锄草机器人是一种能够实时识别作物行和苗草信息，并能控制株间锄草刀高速作业的自动锄草装备，具有智能、高效、环保等特点，可大大减少劳动力，提高锄草效率，降低锄草成本。该文主要对近年来国外研究较为成熟的株间锄草机器人进行介绍，概述了中国该方面的研究进展，对苗草信息获取、对行、锄草装置、驱动方式、时速等几个技术点进行分析和比对，提出了如何提高信息获取速度，增强系统实时性，以及如何改进机器视觉标定方法，提高苗草定位准确性是苗草信息获取技术存在的关键问题，强调了锄草装置在系统中的重要性；针对不同形态作物、不同土质土壤研制针对性强、锄草效果好的锄草装置是锄草机器人的基础，同时由于系统集成性及动力系统与速度匹配仍无法满足田间高负载、高速的锄草作业要求，因此加强该方面研究力度，研制使用性强、效率高的株间锄草机器人仍是中国的研究重点和方向。最后，提出多传感器融合、模块化、小型化的株间锄草机器人将是未来发展趋势，是实现中国农业有机、精准、高效生产的重要依据。 关键词：机械锄草；机器人；机器视觉；株间锄草；精准农业；关键技术 doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2015.05.001
中图分类号：TP242.6 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2015)-05-0001-08
陈子文，张春龙，李 南，等. 智能高效株间锄草机器人研究进展与分析[J]. 农业工程学报，2015，31(5)：1－8. Chen Ziwen, Zhang Chunlong, Li Nan, et al. Study review and analysis of high performance intra-row weeding robot[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(5): 1－8. (in Chinese with English abstract)
0 引 言
随着人们对食品安全要求的提高及可持续发展的需求，有机农业生产及农产品越来越受到人们的关注。除草是农业生产中的重要环节，根据是否使用化学药剂将除草大体分为化学除草、非化学除草及其两种方式的结合[1]。根据除草执行机构是否与土壤产生接触将非化学除草又分为土壤接触（soil engaging）和非土壤接触（non-soil engaging）2种方式，其中人工锄草和机械锄草为土壤接触方式；火焰除草、高温除草、电力除草、辐射除草、地膜除草等为非土壤接触方式。机械锄草能够满足有机生产系统及人们对食品安全和环境保护的要求，相比其他非化学除草方式，可增加土壤的曝光和水分的渗透，产生很多对土壤本身积极的影响[2]。1999年Laber[3]定义了经典的锄草三原则：1）可行性原则：耕作在作物行间进行；2）物理原则：土壤覆盖杂草、杂草根茎被切断、杂草被连根拔起；3）生理学原则：减小光合作用、减少水分传送。其中原则二可作为机械锄草效果的衡量标准。 收稿日期：2015-01-15 修订日期：2015-02-10
基金项目：先进制造技术领域国家“863”课题（2012AA041507）；现代农业技术领域国家“863”课题（2013AA102406）；中央高校基本科研业务费专项资金资助（2013XJ004）
作者简介：陈子文，男（汉族），内蒙古包头人，博士生，主要从事农业机器人方面研究，Email：[email protected]
※通信作者：李 伟，女（汉族），教授，博士，博士生导师，主要从事农业机器人及机器视觉方面研究，Email：[email protected]
传统的中耕锄草机主要解决行间锄草的问题，相对
行间杂草，株间杂草更接近作物[2]，并将株间分割成不连续的区域，因此机械株间锄草更加困难，目前主要依靠人工。智能高效锄草机器人可同时对株间和行间进行混联锄草，具有智能、高效、环保等特点。该文主要介绍了国内外的研究进展，对其关键技术进行分析，并对株间智能锄草机的未来发展趋势进行展望，最后提出该方面存在的主要技术问题及发展思路与建议。本研究为智能株间锄草技术提供依据，对于提高有机农业生产作业效率、减小人工劳动力和作业成本具有重要意义。
1 智能株间锄草机器人研究进展
智能株间锄草技术的研究多见于欧洲，原因是其政府对除草剂使用的限制，并规划在2005年前将5%～10%的土地实现有机种植，同时日益增加的市场需求也促进了该技术的发展[4]。近年来，美国、日本、加拿大以及中国等国也相继开展株间智能锄草的研究。 1.1 国外研究进展
2002年瑞典哈尔穆斯塔德大学的Aastrand等研制了一种基于机器视觉的锄草机器人移动平台[4]，主要针对杂草密度较大和作物与杂草大小一致2种复杂情况进行作物和作物行识别算法研究。其利用2套视觉系统，灰度视觉系统主要用于识别作物行结构并通过梯形导向机构控制机器人沿作物行运动，大田试验表明其导航误差为±2 cm；彩色视觉系统用于识别作物行内的单棵作物位置并控制锄刀锄草。
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农业工程学报 2015年
2003年英国克兰菲尔德大学的Home研制了一种摆动株间锄草系统，该系统是基于Hague研制的自动导航车搭建 [5]，如图1所示。其采用单彩色相机视觉系统对作物和作物行进行识别定位，摆动锄刀机构可同时对2行作物的株间和一个行间区域进行锄草，整个机器由液压提供动力。田间试验表明平均株距为300 mm，前进速度在4 km/h以下时锄草效果良好，8 km/h时有17%的作物根区域被锄刀入侵[1-2]。虽然该机距实际应用还有一定差距，但为智能株间锄草技术奠定了基础。
图1 基于自动平台车的株间锄草系统
Fig.1 Autonomous vehicle with intra-row weeding system
丹麦皇家兽医和农业学院的Griepentrog等于2006年设计并优化了基于GPS的电液锄刀控制系统。株间锄草样机由德国的奥斯那布鲁克大学和Amazone Werke公司联合研制，如图2。采用GPS地理种子地图信息技术进行作物识别和定位，通过控制八爪齿摆线锄刀的轨迹切换动作，实现避苗锄草，并基于GPS和倾斜传感器融合技术对机器相对作物行横向偏移量进行采集，控制液压横移机架横向运动，使锄刀实时沿作物行运动。试验表明GPS和其他传感器融合使用可以提高系统的稳定性和准确性[6-7]。人力锄草机
1.液压马达和减速器 2.摆线锄草刀 3.平行四边形仿形机构 4.GPS天线 5.液压横移机架 6. 地轮
1.Hydraulic motor and gearbox 2.Cycloid weeder 3.Parallelogram height control 4.GPS antenna 5.Hydraulic side-shift frame 6.Ground wheel
图2 基于地理信息控制的摆线爪齿除草机器
Fig.2 Cycloid hoe weeding machine based on geo-referenced
control
英国克兰菲尔德大学和佳福德农机公司联合研制了转盘式株间锄草系统[2]，如图3所示。该机器前置于拖拉
机，由液压驱动。前置视觉系统立即寻址作物苗位置，通过计算当前作物苗与锄刀的相位误差，伺服控制锄刀旋转。其采用可自主对行的横移机构，其包括横移机架和导向轮机构，在视觉导向系统的控制下，通过控制导向轮的转向，使锄草刀实时跟随作物行运动[8-9]。试验表明锄草率在60%以上。人力锄草机
图3 株间锄草机器人 Fig.3 Intra-row weed control robot
2011年西班牙塞维利亚大学的Pérez等研制了一种基于GPS的株间锄草系统，其由全自动株间锄草刀路径控制系统和实时动态差分全球卫星定位系统（RTK -GPS）组成。该系统采用地理种子地图信息进行作物定位，通过RTK-GPS系统可引导机器沿作物行前进，导航平均位
置误差为0.8 cm[10]，
试验表明RTK-GPS可提高株间锄草系统的准确性和稳定性。
美国伊利诺伊大学的Cordill等针对玉米开发了一种株间锄草机器人[11]。采用激光传感器组作为作物检测装置，通过电机控制对称锄刀沿正弦波轨迹避苗或锄草，并采用2组互成角度的激光传感器对机具横向偏移量进行检测。机器后置于拖拉机，如图4所示。试验表明激光传感器实现了对玉米作物的识别及机器相对作物行偏移量的检测，且降低了机器成本，但识别系统受禾本科杂草的影响较为严重。
图4 机械锄草机器
Fig.4 Mechanical weeding machine
意大利比萨大学的Peruzzi等于2012年研制了一款机械-火焰智能锄草机器人[12-13]。机器后置于拖拉机，作业幅宽3 m，可对4行作物同时进行锄草，锄草机构由火焰燃烧器、鹅脚型铲及L型铲组成，火焰燃烧器布置在作物两侧，喷出的火焰对准株间区域，鹅脚型铲布置于
第5期 陈子文等：智能高效株间锄草机器人研究进展与分析
3
行间中央位置，L型铲置于两侧，见图5。采用机器视觉进行作物行定位和杂草密度识别，根据不同区域的杂草密度控制液化石油气（LPG）的压力实现除草火焰精准可调。通过液压主动导向轮实时纠正机器相对作物行的横向偏差[14]，由于火焰除草特点，该机器不需要对单个作物进行精准定位，只需要检测杂草的密度，但是火焰除草针对的作物较为有限[15-16]。
图5 机械-火焰锄草机
Fig.5 Mechanical-thermal weeding machine
2014年西班牙塞维利亚大学的Pérez等设计了一款协作株间锄草机器人（Co-robot[17]），图6所示，利用人类的视觉系统配合机器人共同完成株间锄草的任务，其目的在于开发一款锄草效率高于人工且成本低的株间锄草系统[18]。其将预先编好的作物间距模板信息配合实时里程数据作为锄草铲运动控制输入量，机器大部分状态处于自动工作状态，人可观测锄草情况，并操纵手柄对作物与锄刀相对位置、保护区大小及株距进行实时修正。锄草评估试验表明1.2 km/h为最佳的工作速度，8 h连续作业伤苗率为0.5%。协作锄草机器人大大降低了锄草机器人研制成本和时间。但是由于一个人只能观察一行作物的锄草情况，因此该机器面向小面积种植农户。
图6 协作株间锄草机器人
Fig.6 Co-robot for intra-row weed control
1.2 国内研究进展
国内在智能株间锄草机方面研究起步较晚，现阶段主要以研究部分关键技术为主。
苗草信息获取方面，华南农业大学的胡炼等提出了一种基于机器视觉作物识别和定位方法，采用像素累加
曲线、曲线标准偏差和正弦波曲线综合获取作物的位置信息，试验表明该方法可适应不同天气及不同作物，棉花识别率为95.8%，生菜识别率达100% [19]。中国农业大学的张春龙等提出基于机器视觉的最小耗时最大包容准确度的作物信息获取方法，试验表明该方法检测平均误差为±5 mm，平均耗时小于20 ms[20]。中国农业机械化科学研究院的毛文华等采用基于多特征的田间杂草识别方法，通过颜色、位置、纹理等特征识别株间或行间杂草，通过形态特征处理误识别的杂草，该方法识别率为
89%～98%，耗时为157～252 ms[21]。
导航定位研究方面，中国农业大学的陈艳等采用无迹卡尔曼滤波器构建了基于GPS和机器视觉多传感器组合导航定位系统，获得x，y方向标准偏差分别为2.43、0.07 mm，提高了导航准确度和稳定性[22]。上海交通大学的周俊等基于卡尔曼滤波思想融合各传感器的观测值提出了预测跟踪控制方法，解决了视觉系统为主的计算耗时导致状态回馈滞后的问题[23-24]。株间锄草装置及运动控制方面，胡炼等研制了一款爪齿株间锄草装置，通过控制轨道切换，使爪齿锄刀实现避苗锄草，试验表明伤苗率小于8%[25]，并提出了基于PID控制器的余摆运动锄刀控制算法，采用MATLAB对控制算法进行仿真，分析锄刀结构参数对覆盖率的影响[26]。江苏大学的张朋举等设计了用于株间作业的八爪式机械锄草装置，采用电磁铁控制爪齿锄刀运动轨迹的切换，通过运动仿真优化装置
参数使伤苗率小于10%
[27-28]
。中国农业大学的黄小龙设计了一种旋转盘株间锄刀，通过轨迹模拟得到最大覆盖率和最小入侵率的锄刀外形参数，田间试验锄草率为
88.6%，伤苗率为1.6%[29]
。
2 智能株间锄草机器人关键技术
根据国内外智能锄草机研究进展，总结株间锄草机器人的关键技术点并进行分析。 2.1 对行技术
对行技术（steering/lateral control），或行跟踪技术row following），是指控制机具或拖拉机实时沿作物行方向运动，且锄刀相对作物行的横向偏差应控制在不会伤害作物的范围内[30-31]。对行分为人工对行和自动对行，人工对行主要依赖于拖拉机驾驶员的驾驶技术。自动对行技术分为锄草机载体导航技术和锄草机自主对行技术。锄草机载体导航技术主要依赖GPS或机器视觉对载体进行路径规划和导航。GPS系统采用“双导向”方式，即在锄草机具和拖拉机上都装上GPS天线，从而可以分别对锄草机和拖拉机进行导向，如今Trimble®、AgGPS®、TrueTrackerTM 等公司都成功研制出可用于行间锄草机上的GPS双导向系统[32]。锄草机自主对行技术使用主动横移装置对机器相对作物行的横向偏差进行实时补偿，横向偏差可通过机器视觉和GPS获得。目前这方面的研究主要集中于机器视觉对作物行的动态识别，Tillett等采用扩展卡尔曼滤波（EKF）器对机器视觉及其他传感器数据进行融合，预测并控制移动平台的运动[33]，Marchant
（
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农业工程学报 2015年人力锄草机
使用哈佛变换对作物行进行实时跟踪[34-35]，Sogaard等采用图像免分割方法实现对作物行结构识别[36]，Frank Poulsen Engineering Aps公司采用机器视觉实现了锄草机器人自动对行[32]。
2.2 苗草信息获取技术
根据国内外研究现状，将苗草信息获取技术总结为3类：机器视觉技术、地理信息系统（GIS）技术和近距离传感器实时检测技术。杂草和作物的辨别主要依靠机器视觉技术实现。
机器视觉技术是通过实时采集、处理、分析图像，辨别作物与杂草，并计算作物的位置信息。机器视觉优点在于在大田现场环境下可以对作物和杂草进行实时识别和定位，精度较高，硬件成本相对较低[37]。缺点是视觉信息会受到光线、作物出现、阴影、缺失作物、作物大小、杂草密度、机械振动等其他因素的影
响[8,10,32]。
目前主要通过3个视觉特性对作物物种进行鉴别：生物形态，光谱特征及视觉纹理[38-39]。
GIS是结合地理学与地图学以及遥感和计算机科学的一门综合学科。采用装配GPS的播种机或移栽机记录每棵作物的位置信息，整合并绘制成地理种子地图
geo-referenced seed map[2,33]）
。图7[11]为基于地理种子地图的株间锄草系统流程图，作物GPS坐标配合里程值信息对作物位置进行实时跟踪，并控制株间锄刀相应动作。GIS方法对作物定位不会受到外界因素的影响，提高了定位精度[6,10]，但该方法使用前需绘制地理种子地图，由于地图绘制与锄草作业为不同时间段，因此锄草作业现场出现的新问题无法及时获取，且该方法增大前期投入成本，对机器配套使用提出更高要求，该系统对里程器的要求大大提高。
近距离传感器检测技术主要是通过使用近距离传感对作物进行识别和定位，常见的近距离传感器有红外线传感器、光电传感器[40]、激光发射-接收传感器[11]、颜色传感器[30]、X射线[41]等。此类传感器的优点是成本较低，操作方便，系统简单。但该类传感器只有当作物靠近时才能检测出来，因此无预判功能；且对机器响应速度提出更高要求；同时机器前进速度受到限制。Cordil应用激光传感器进行玉米检测，受控制算法处理数据的限制该机器的最大工作速度为0.1 m/s[11]。
选取外界因素影响、预判能力、现场性、精度、成本5方面对3种苗草信息获取方法进行比较，其中作物大小、杂草密度及光线和阴影被视为外界影响苗草信息获取的因素，采用GPS方式的敏感度最低，不受外界因素影响，机器视觉受影响较大。预判能力是指该方法是否对苗草位置信息获取有预判和跟踪功能，相对其他2种方式，机器视觉可实时采集动态图像，获得当前任意时刻的苗草位置信息，具有预判能力。现场性是衡量该方法对锄草现场出现的新问题是否能够及时获取，如作物缺失或被移位。5方面对比结果见表1，该表为研究苗草信息获取方法的选择提供依据。
图7 基于种子地图的株间锄刀控制流程图
Fig.7 Flow chart of intra-row hoe path control based on seed map
2.3 锄草装置
锄草末端执行器的性能直接影响锄草的效率。耙和铲仍然是人工锄草的主要工具，中耕除草提高了锄草效率，但只能清除行间杂草。根据株间锄草装置是否有动力源可分为被动锄草装置和主动锄草装置[42]。被动株间锄草装置包括指状锄草刀（finger weeder）、弹性锄草齿（torsion weeder）、垂直轴刷式锄草刀[43-44]等，当作物相对杂草更健壮时，采用被动锄草能满足锄草要求，同时成本低。主动株间锄草装置可实现避苗和锄草动作，根据其运动形式分为摆动式、旋转式及2种方式的混合。其中摆动式主要由液压缸或气压缸带动锄刀进行往复运动，根据摆动轴线的位置，可分为左右摆动和上下摆动；旋转式根据旋转轴位置分为垂直轴旋转和水平轴旋转，垂直轴旋转方式包括带豁口锄刀、爪齿摆线锄刀等。图8为常见的几种主动株间锄草装置。图8a为Dedousis[45-46]设计的带豁口旋转锄草刀，并首次提出了旋转避苗的思想，通过改变豁口的大小，可以改变作物保护区的大小。图8b是Home设计的一款株间行间混联锄草装置，该装置巧妙地采用槽凸轮机构，将连续旋转运动转化为锄刀往复摆动[1]。图8c为Bontsema[47]等设计的株间水平旋转锄刀，由液压马达驱动，装置由30 cm旋转盘、2个锄刀和弹簧组成，在离心力和弹簧拉力作用下，通过控制装置转速使锄刀向旋转盘外打开或向内收回。图8d为Eversman[48]设计的经济型锄草刀，采用气压缸带动锄草刀柄进行摆动。图8e是德国的奥斯那布鲁克大学和Amazone Werke公司联合研制爪齿摆线锄刀[31]
，这种锄草刀可用于株间和行间混联锄草，整个装置包含8个金属指状锄刀，其中分为独立运动指和不动指，独立运动指可以选择2种不同的轨道使其拥有避苗和锄草2个位置状态。
（
第5期 陈子文等：智能高效株间锄草机器人研究进展与分析
5
根据不同锄草装置的运动特点，总结出其优缺点，见表2。
表1 苗草识别定位方法比较人力锄草机
Table 1 Comparison of different information acquisition methods
方法 Methods 机器视觉 Machine vision
GPS 近距离传感器 Proximity sensor
作物大小 Crop size 有 无 有
外界因素影响
External factors influence
杂草密度 光线、阴影 Weed density Light, Shadow
有 无 有
有 无 无
预判功能
Anticipation function
有 有 无
现场性 Scene situation
很好 无 好
精度 Precision 高 很高 中
成本 Cost 中 高 低
图8 主动株间锄草装置
Fig.8 Active tools for intra-row weed control
表2 株间锄草刀分类及优缺点比较
Table 2 Classification and comparison of intra-row weeding tools
锄刀分类
Weeder classification
左右摆动
摆动式 Swing type
上下摆动 水平轴旋转 带豁口盘垂
状锄直
刀 轴旋爪齿转 摆线
锄刀
举例（设计者）
Example Eversman[47][图8d]、Home[1][图8b]
优点 Advantage 摆动幅度小、覆盖率高、控制简
单 控制简单
缺点 Disadvantage保护区不可
变 摆动幅度大、覆盖率较低、保护区不可
变 抛土严重 需要精准控
制 覆盖率低、维修频率高、成本大、需要精准控制 多动力源、成本大、维修频
率高
Sarl Radis[2]
Bontsema [46][图8c] Dedousis[42][图8a]、
黄小龙[29] Amazone Werke[31][图8e]、胡
[25]炼
控制简单 成本低、运动平稳、覆盖率高
2.5 工作速度
锄草机器人工作时速是机器性能指标之一，直接反映机器的锄草效率。主动株间锄草装置工作时会产生从行间进入株间的动作，该动作的速度方向与前进速度方向垂直，当前进速度越大时，锄刀运动也越快，因此对机器硬件提出更高要求，需要其具有更快的响应速度，同时运动速度过快将引起土壤的剧烈移动，土壤被掀起或抛甩都有可能对作物造成伤害。因此设计株间锄草机时选择合适的工作速度，既能满足高效的锄草要求又能减小对作物的伤害及甩土情况，同时降低机器的成本。但目前还未见到株间锄草最佳工作速度的相关研究。
旋转式 Rotation type
3 智能株间锄草机器人的发展趋势
通过智能株间锄草机器人国内外研究现状的分析和关键技术点的比较，结合精准农业发展的趋势，将智能株间锄草机的发展趋势总结为以下几点：
1）多传感器融合技术的应用
3种主要的苗草信息获取方法发展都较为成熟，但是每个技术都存在其优势和劣势，3种技术的相互融合具有取长补短的作用，可大大提高作物识别定位系统的准确性、稳定性及可靠性。GPS和机器视觉融合技术被视为最有前景的方法[2,24]。
2）向模块化趋势发展
模块化使机器研制和使用变得更加灵活，更加适应非结构、多变的农业生产过程。针对不同的需求，如不同作物行、不同作物、不同土壤等，相应的改变模块功能单元，从而便捷快速地适应农业生产的使用需求。
运动平稳
混合式 Hybrid type
Aastrand[4]
锄草效果好
2.4 驱动方式
锄草执行机构驱动方式主要有液压驱动，气动，电动3种。由于液压驱动输出扭矩大、相同功率装置质量轻、可实现无极变速及拖拉机都具有液压输出等优点，被广泛用于农用机械上。电动和气动具有更快速的响应速度，但能源依然是一个问题，蓄电池的续航能力无法满足大田农业作业时间和作业环境的要求。
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