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摘 要：在现代化宽行密植的果园种植模式下，传统除草机无法对果树树盘附近区域有效进行杂草清除。为此，针对 现代化果园果树树盘附近杂草清除作业，国内外先后研发了不同型号的果园避障除草机。本文对国内外避障除草机研究 现状进行了介绍，通过对果园避障除草机的检测装置、控制系统以及动力系统进行阐述，分析并发现了现阶段避障割草机 存在缺乏智能化、创新性结构等问题，总结出我国避障除草机的技术研究应加强向高智能化、自动化水平转型发展。 关键词：现代化果园；果园机械；避障除草机；避障方法 果园避障除草机研究现状与分析
老福兴1张秀花1张江红2
1、河北农业大学机电工程学院
2、河北农业大学园艺学院
引言
随着农业现代化的发展，现代化果园
已经普及到全国各地。现代化果园有着高氨基甲酸酯
垄、窄株、行宽矩形的栽植方式，这种栽培 方式有利于机械化作业［1］。此外，由于现代
化果园的发展，国内的除草作业经历了由 化学除草到机械式除草的转变叫然而传
统的除草机械在现代化果园中进行除草
作业时，无法清除果树树盘附近的杂草， 只能清除行间的除草，会导致果树株间杂
草生长泛滥，降低除草效率。为解决果园
中不便于机械化除草的情况，国内果园株 间除草机械的研发越来越多。果园株间除
草机可对果树株间和行间杂草进行清除, 作业效率高，除草彻底。本文主要是介绍 了果园避障除草机国内外研究现状及其
技术要点，提出了现阶段我国避障除草机
存在的问题。
1果园避障除草机研究现状
1.1国外研究现状
国外于20世纪50年代已经开始对
机械除草技术进行研究，到目前为止，国
外的除草技术已发展成熟，其自动化程 度、功能已达到很高的水平国。国外早期除
草机仅仅是用于庭院作业，而后L 型旋耕
刀的研制，使得除草机从庭院转向田间作
业⑷。此时期的除草机械只是局限于行间
除草，直至20世纪80年代初，荷兰Wa-
拉丝模激光打孔机
geningen Agricultural University 的
Kouwenhoven 等开始研究运用起垄锄进
行行间和株间除草［5］o 而后丹麦的Me-
lande 西等研究了一种对刷式除草机，如图 1所示。该除草机利用竖直旋转的刷子将 作物周围的杂草去除。波兰农机生产企业
作者简介：老福兴，硕士研究生，研究方向：农业机械技术装备。
通讯作者：张秀花，博士，副教授，研究方向为机械设计与理论、农业机械技术装备。
课题资助：国家重点研发计划资助(2019YFD1001400)，河北省科技厅项目(18226825D )
JAGODA JPS 生产了一款ZOFIA 除草机， 其是一款果园人工协作株间除草机，通过 人工操作手柄除草装置与果树的相对位
置实现避障，从而达到避障除草作业叫
中韩渔业协定图1对刷式除草机
丹麦的Noremark 等研制了一种基于
GPS 导航技术实现自动避障的除草机。该 除草机通过GPS 实时控制拖拉机与除草 铲的横向位移和纵向位移，能够有效避开
作物，保证在株间除草阻
意大利AEDES 公司和ARRIZZA 公
司生产的果园株间自动避障除草机，该机
械除草装置多样，一台拖拉机可与多种除 草装置配合使用，可实现单边和双边株间
进行除草叫
1.2国内研究现状
我国最早对除草机械的研究始于20
世纪60年代，与国外相比，我国机械除草
技术的研究落后，且发展时间短，设备落 后。经过多年的研究与试验，在吸收国外
廖承志
先进技术的基础上，结合国内的研究技 术，先后研制多用途复合型作业机械，如
烟台市农业机械科学研究所研发的 3ZP-1600型苹果中耕除草机，其结构示
意图如图2所示。该除草机具有自动避让
功能与宽幅可调铲式松土的除草性能，可
实现果园中的行内株间杂草清除与松土
保墻作业阻
1•液压系统2•机架3•触杆避让结
4•株间及根部除草平铲5•地笼装置
6•行内除草铲
图2 3ZP-1600型苹果中耕除草机结构
新疆石河子大学的张斌卩研制了一种 果园自动让树除草机，该除草机的一侧安
装有让树除草装置，此装置可以有效地避 开树干清除果树株间杂草，大大提高了果
园除草效率。
石河子大学机械电气工程学院朱站
伟⑷等针对新疆果园种植模式，研究出来 一款与轮式拖拉机配套使用的果园避障
除草机。安装在除草机机架主梁两端的避 障除草装置在液压系统的控制下完成对
果树株间杂草的清除作业。
中国农业大学工学院徐丽明冋等针 对清除葡萄株间杂草而设计的一种新型
篱架式栽培葡萄株间自动避障除草机。在 除草机右侧边板上安装有株间除草装置,
机械感应触杆碰触到植株时，液压系统开
始作用，使得安装有除草刀的斜拉杆发生
一定的转动，使得除草刀进入相邻的作物
之间进行除草实现避障除草作业。
2避障除草机技术要点
2.1除草机避障检测装置
果园株间除草避障装置分为接触式 避障装置和非接触式避障装置。接触式避
障的避障检测装置是由机械感应触杆接
触障碍物来实现避障检测，并且由液压控 制系统控制实现避障作业。如石河子大学
2021年第3期 何H 衣祂
15
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的罗进军、王斌问等研发的果园避障旋耕机是通过接触式避障检测装置来对障碍物进行检测，该割草机上的机械触杆接触果树或障碍物后，避障系统开始工作。
非接触式避障的检测装置是由机器视觉技术、传感器检测技术和GPS导航定位等技术对障碍物进行无接触避障检测。石河子大学机械电气工程学院的何义川回等设计了一种葡萄园避障除草机，此除草机采用传感器对障碍物进行检测避障。除草机在进行除草作业时，传感器会检测前方是否有障碍物，当检测到障碍物时，避障系统会发生作用，除草机进行株间避障除草。兰州理工大学机电工程学院的贾耀文冋设计的多功能果园避障除草机器人的避障装置由激光扫描仪、电动推杆等部件组成。该除草机器人避障检测装置采用无接触式激光扫描仪无接触式检测障碍物，当激光扫描仪检测到树干障碍物，激光扫描仪控制器会发出指令给电动推杆，从而实现避障。
针对超声波对果树无接触式监测避障，主要是利用超声波的发射，回波接收及处理的方式对目标障碍物进行检测问。如山东师范大学的侯东伟閃设计的一种除草机自动行走避障装置，该装置通过STM32发出PWN信号从而驱动超声波换能器发出超声波信号，经过回波接收及处理，保证对前方障碍物的检测。
2.2避障装置的控制系统
果园避障除草机的避障装置是通过除草机控制系统的控制来实现避障，当避障装置上的检测装置检测到障碍物时，会反馈给控制系统做出反应从而实现避障效果。如中国农业大学工学院徐丽明问等针对清除葡萄株间杂草而设计的一种新型篱架式栽培葡萄株间自动避障除草机。其通过液压系统控制除草机避障装置实现避障作业，当机械感应触杆接触到植株时，会引起液压系统发生作用，控制液压缸的伸缩，从而实现避障效果问。
非接触式避障一般是通过已完成编程的Arduino单片机或其他编程软件作为避障除草机控制系统对躲避障碍物操作进行控制两。兰州理工大学机电工程学院的许杰设计的新型果园除草机器人是通过Arduino编程的方式，将各个硬件部分驱动起来。当系统工作时，障碍物检测模块控制口发出一个高电平信号，定时器开始计时，信号波碰到障碍物后返回接收
口，此时接收口接收的信号为低电平信
号，然后通过读取定时器的值，计算出至
障碍物的距离。当距离等于设定的安全函
数值时，检测模块发出数字信号到报警
器，报警器发出声音报警，此时，作业人员
通过远程操控除草机完成避障作业回。
3结论与展望
通过对国内外自动果园避障除草机
研究现状的对比发现，我国对果园自动避
障除草机的研究较晚，技术上不成熟，大
多数采用接触式避障方式，在除草过程中
对果树的损失较为严重。因此，在避障方
式上迫切需要融入创新性、先进性的技
术。
基于对果园避障除草机的技术要点
的分析，归纳出我国国内缺乏智能监测避
障装置的智能化果园除草机械，缺少运用
超声波避障监测、红外避障技术、视频识
别避障等避障监测技术。为此，我国应积
极开展新型超声传感器的研制并应用于
避障除草技术上，加强果园除草机械向高
智能化、自动化水平转型发展。在控制系
统上运用Arduino Mega2560单片机、
STM32F103单片机、PLC可编程序控制
器、ROS功能包等作为控制器，控制避障
监测装置的运行，实现除草机械的智能化
操作。
此外，还需要吸收借鉴国外果园除草
机械先进技术，加强创新性发展，实现现
代化果园种植模式与机械除草技术协同
发展。
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