除草机器人研究现状与趋势
张文莉1，陈树人2，褚德宏1
【摘 要】农田除草机器人是集环境感知、路径规划、目标识别和动作控制于一体的智能机器人系统，能精确、高效地除去农田杂草。介绍了国内外农田除草机器人的研究现状，并做了总结与展望。 【期刊名称】农业装备技术 【年(卷),期】2015(041)002 【总页数】5
【关键词】农田；除草机器人；研究现状
0 引言
农田中的杂草是农业生产的大敌，对庄稼的危害很大，它们直接与庄稼争夺养分、水分和阳光，使作物的产量减少，降低经济作物的效益。全世界大约有3000种杂草，其中1800种可影响作物的收成。根据我国一次农田草害调查研究结果：我国农田共有杂草约580种，其中危害严重又难于防除的恶性杂草有15种，还有分布较广而危害较重的主要杂草31种[1]。农田草害面积约4300万h m2，其中严重受害面积约1000万h m2，因杂草危害减产15.4%，估计每年减产粮食1750万t。而现有的人工除草、机械除草和化学除草，一方面劳动强度大、效率低、满足不了需求；另一方面大面积的喷洒农药对环境污染严重，也浪费资源。农田除草机器人应运而生。除草机器人可以代替人类进行除草活动，减轻劳动强度。
农田除草机器人是集环境感知、路径规划、目标识别和动作控制于一体的智能机器人系统，是精确农业(Precision Agriculture)在农田除草上一个重要应用。
基于精确作业技术的农业除草机器人，一方面提高农药有效利用率，降低农业成本；另一方面通过适当减少农药用量，降低环境污染，改善农业生态环境，提高农产品的品质。
1 研究现状
20世纪60年代就有了关于除草机器人的研究，而到了20世纪90年代，除草机器人技术己经得到了广泛的研究。随着机器视觉技术的发展以及其在农业上定位和识别领域的应用，基于机器视觉的除草机器人技术也得到了很大的发展。 1.1 国外的研究现状
美国加州大学戴维斯学院WONSUKLEE等1998年以机器人耕作机为平台，研制出基于机器视觉系统的精确喷药除草机器人[2]，如图1所示。该系统利用作物叶片的形状学特征结合贝叶斯分离函数，将番茄和杂草识别出来，计算机将杂草的位置信息送到精确施药系统的控制器，然后由控制器控制相应的喷头开启，将农药喷施到目标杂草上，达到除草的目的。
美国加州大学戴维斯学院R.D.umm等2002年开发了基于耕作机械为平台的棉田除草机器人[3]，如图2所示。该机器人除草系统由视觉识别统、喷药系统和位移信息采集系统组成。视觉系统用于获取图片并识别出杂草和棉花，位移信息采集系统控制电磁阀组开启相应的喷头，将农药喷施到目标杂草上，同时向视觉系统发送触发信号，获取下一幅图片。他们在14块不同的地块进行实验，在0.45m/s的行驶速度下，对靶准确率可以达80.9%~96.5%。
西班牙农业研究所J.Blasco等2002年开发了基于机器视觉的生菜田间除草机器人[4]。主要由一个六自由度的平行式机械手臂、机器视觉系统和高压电产生模块组成。视觉识别系统识别出杂草后，机械手臂移动到目标杂草上方，高压
电产生模块通过机械手臂的末端电极，将杂草杀死。机器人在0.8m/s的行驶速度下，可以识别出84%的杂草和99%的生菜。
美国堪萨斯大学Ning Wang等2002年设计一个实时嵌入式的麦田杂草识别和喷施系统[5]，如图3所示。系统基于机器视觉和微处理器网络，微处理器网络间的通信及微处理器与计算机间的通信采用CAN总线通信。麦田实验结果显示80%的杂草可以被识别出来。
美国Illinois大学研究了如图4所示的除草机器人[6]。机器人四轮行驶，车轮具有防滑转向功能。除草设备包括机械臂、末端涂药执行器、两个微型泵、刀盘、直流电机、药箱、流量控制器、微型蓄药器等。机械臂具有5个自由度，臂长约170m m，机械臂转动由电机PW M控制，PWM占空比由c++程序控制。除草刀盘割草后，涂药执行器在切口上涂抹化学除草剂。通过对两种杂草进行实验，结果显示，一株杂草使用药量为21.89~56.18m g，90.9%的杂草在第6天出现症状，10d后死亡。
荷兰Wageningen大学Tijmen Bakker等设计了如图5所示的自动除草机器人[7]。机器人长约2.5m，宽约1.5m,质量达1250k g。采用柴油发动机作为动力，具有独立转向系统，可实现四轮转向。采用D G P S和机器视觉导航，机器人能自动获取作物的边界信息，沿作物行线行驶。机器人采用机器视觉技术进行杂草识别。根据在甜菜田的实验结果显示，除草机器人导航线与实际作物行线的平均偏差小于25m m。
德国研制出一种施用除草剂的除草机器人[8]，他们采用计算机、全球定位系统(GPS)以及多用途拖拉机综合技术。该机器人由农业工人领在田间行走，在到达杂草多的地块时，其身上的GPS接收器便会显示出确定杂草位置的坐标定位图。
除草机器人研究现状与趋势
