作者：余忠義1， 王洪宇2， 何雄奎1*， 趙磊2， 王媛媛2， 孫海2*

（1.中國農業大學理學院，北京100193，中國；2.北京市植物保護站，北京 100029，中國）

來源：《智慧農業（中英文）》2025年第2期

摘要： 

［目的/意義］農田草害制約著作物種植生產的質量和產量，激光除草技術作為一種生態環保防控田間雜草革新方法，具有環保、高效、靈活和自動化特點，可以很好地減少人力需求，降低化學藥劑用量和污染，極大地緩解農田勞動力短缺、作物減產壓力，在生態環境保護方面具有重要意義。

［進展］首先介紹了激光除草技術的研究背景，概述了激光除草技術體系和作業系統，圍繞激光除草機器人關鍵技術展開論述和討論，涵蓋雜草自動識別定位技術、機器人導航與路徑規劃、除草執行機構控制技術，以及整機研制等進展。最后結合國內外激光除草機器人的發展現狀，綜述了激光除草機器人發展目前存在的問題及未來趨勢。

［結論/展望］激光除草屬于精密的智能化除草方式，是目前國內外學者研究和開發智慧農業關鍵技術和裝備的研究熱點，并取得了一系列成果，促進了除草機器人田間實際應用和推廣示范。結合不同地區田間草害，未來還應開展大量的激光除草室內外雜草實驗研究，以進一步驗證激光田間除草的技術可行性并獲取準確的激光能耗、效率和效益等數據，為激光除草的裝備技術研發與應用提供支持。

關鍵詞： 激光除草；技術原理；智能系統；識別定位；執行控制；激光除草機器人

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四、總結及展望

激光除草是一種新興田間雜草管理技術，研究者們已開始對激光除草機器人的識別、定位和執行控制等技術和裝備開展了大量研究，并取得了一系列成果，促進了激光除草機器人田間實際應用和示范推廣。目前，激光除草裝備可以基本滿足實際除草要求，但是技術的發展、應用和普及方面還存在一些問題亟待突破。

1）在導航定位方面，存在穩定性差，續航短、易受干擾和載荷不足等問題，難以滿足精確自主導航的要求。后續可考慮多傳感器導航信息互補，結合機器視覺、GNSS、雷達等多種融合算法及多學科交叉技術導航，提高激光除草機器人田間作業精度和效率。

2）在苗草識別信息獲取方面，激光除草機器人對采集作物和雜草圖片的周圍環境要求十分嚴格，農田環境的動態性、非結構化和嘈雜性限制了機器視覺系統在實際工作中的性能，極大地降低了系統實時性。且滯后的雜草監測識別數據無法實時指導除草防治。后續可集成輕量優化除草末端執行機構及機械結構，多點多次多傳感采集田間雜草數據訓練模型，結合深度學習、機器視覺等識別定位算法，多系統融合田間測繪、精準變量調控和智能輔助決策系統等關鍵技術，開發智能化激光株間、行間除草系統，進行株行間精準除草作業。

3）大型機器人不適用地形復雜、地表不平整的小塊農田。激光除草機器人趨向于小型模塊化，符合中國小農經濟農田作業模式。裝備的研制和使用更靈活，更適應非結構、多變的農業種植生產過程。研制實用性強、種類多的可替換式多功能激光除草機器人，尤其是向變速調幅、多傳感器協同作業方向轉變，能夠極大地提高人機交互操作性、自主導航性和人機協同作業方面性能，盡可能地完成資源分配調度優化，促進創立自主的農田智能種植管理技術裝備體系。

4）除草決策方面，隨著大數據、移動物聯網和云計算等技術的普及應用，未來激光除草機器人可由云端平臺遠程識別管控、自主監測和任務調度田間作業，根據農田地況（氣候、土壤、作物和雜草等）特征信息進行智慧化最優除草作業決策，自主融合農藝技術，同時采集田間作業雜草的信息存儲進田間雜草信息庫中應用于下次除草作業，進行最佳除草作業。

5）將農業科學與智能農機技術緊密交叉配合，形成種植作物-雜草-農藝農機融合的保護性耕作配套技術體系。研究多種農田作物和雜草的生長形態、特性，分別制定適用于苗間除草的農藝措施，培育出適合激光除草機器人田間作業要求的作物品種。

激光除草機器人是田間除草裝備研發領域極具前景的重要組成部分，其研發應用普及是大田作物生產種植管理環節關鍵一環，歐美等國家對于智能激光除草機器人的研發較早，極大地解放了勞動力，減輕環境污染。中國研發起步較晚，同國際先進技術水平存在一定差距。建議政府加大農田種植裝備的扶持力度，企業加大智能農業機器人的研發投入，引導激光除草機器人向機械化、自動化、數智化和精準化方向高速發展，盡快普及適用形成產業化，增強在農田種植的實用性、普及性，對解放勞動力、減少環境污染、提高作業效率等具有重要意義。

文章圖片

圖1　常見的除草方式

Fig. 1  Common used weed control methods

圖2　激光除草的作業原理

Fig. 2  The working principle of laser weeding

圖3　激光除草關鍵技術和裝備

Fig. 3  Key technologies and equipment for laser weeding

圖4　激光除草作業系統

Fig. 4  Laser weeding working system

圖5　新型激光除草系統裝置

Fig. 5  New laser weeding system device

圖6　激光除草機器人結構設計

Fig. 6  Structural design of laser weeding robot

圖7　田間雜草識別主要技術

Fig. 7  Main techniques for identifying weeds in the field

注：1. 雙目相機數據線；2. 雙目相機；3. 相機支架；4. 激光振鏡；5. 培養箱；6. 振鏡連接光路；7. DB25激光振鏡控制線；8. 計算機；9. 振鏡支架；10. 激光振鏡數據線。

圖8 激光除草機器人雜草定位技術系統

Fig. 8  Weed localization technology system of Laser weeding robot

圖9　典型激光除草機器人的導航與路徑規劃

Fig. 9  Navigation and path planning for a typical laser weeding robot

圖10　激光除草機器人執行結構系統

Fig. 10  Structural system of laser weeding robot

圖11　典型激光除草機器人

Fig. 11  Typical laser weeding robot

注：1. 相機；2. 電流計；3. 計算機；4. 激光測距儀；5. 激光；6. 電源；7. 電機驅動器；8. 電子信號處理板；9. 激光裝置位置控制器；A、B和C顯示了作物的位置。

圖12　激光除草裝置結構與試驗圖

Fig. 12  Structure and experimental diagram of laser weeding device

圖13　基于深度學習的二極管激光除草機器人

Fig. 13  A diode laser weeding robot based on deep learning