《Smart Agricultural Technology》：Autonomous Mowing in Agriculture: Current Status, Needs, and Future Opportunities
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本文系统梳理了农业自主割草技术的研究进展，指出其在果园、葡萄园等经济作物系统中可有效降低劳动力成本、提升作业安全性与农场效益。文章通过对比不同农事操作的自动化研究现状，揭示了割草自动化相较于除草、收获等任务的滞后性，并分析了其在非结构化地形、作物变异性、传感可靠性等方面面临的独特挑战。综述进一步探讨了智能硬件、人工智能（AI）及物联网（IoT）等技术在割草系统设计、切割机制、导航策略与路径规划中的应用潜力，强调了开发适用于农业场景的多功能自主割草平台对未来智慧农业的重要意义。
农业中的自主割草：现状、需求与未来机遇
引言
Industry 4.0浪潮为人类生活品质带来质的飞跃，也深刻改变了日常生活的诸多方面，农业便是受益领域之一。尽管全球导航卫星系统（GNSS）和自动转向技术在过去几十年取得了长足进步，但农业的整体自动化水平仍相对滞后。然而，劳动力短缺、全球人口增长带来的粮食增产压力、可持续农业实践的需求等因素，正共同驱动着自动化和机器人解决方案在农业中的应用。在众多农业机器人应用中，自主割草技术对于果园、葡萄园、浆果农场等经济作物系统的行间管理以及干草生产至关重要，但其发展却显著落后于除草、收获等其他农业操作。
农业机器人学研究现状
对过去十年农业机器人学研究的分析表明，学术关注度在不同农事操作间分布不均。除草是研究最集中的领域，这主要源于减少化学除草剂使用的迫切需求。收获作为劳动密集型作业，因其对感知和操控技术的高要求，也吸引了大量研究。相较之下，尽管割草作业重复性强、劳动力需求大，且在 specialty crop 生产中可占总生产成本的38%，但针对农业割草的专门研究却相对匮乏，相关出版物数量远少于其他操作。这表明，农业自主割草是一个尚未被充分探索但具有重要应用潜力的领域。
农业割草自动化的需求与挑战
农业割草自动化具有多重驱动力。首先，它能有效节约劳动力成本。以一个小型树莓农场为例，在六周的生长季节内，手动割草累计耗时可达28小时，自主割草机器人有望消除这部分人工投入。其次，它在果园和葡萄园的地面管理中发挥关键作用，例如管理覆盖作物、清除行间杂草，从而改善作物生长环境。研究显示，用割草替代除草剂能提高产量和作物品质，并促进害虫和传粉昆虫的多样性，有益于生态系统平衡。此外，自主割草还能带来环境效益并提高生产力，有助于应对杂草抗药性，减少化学品使用。
然而，农业环境的复杂地形对自主割草机构成了严峻挑战。与结构化的城市草坪不同，农田地形不平坦、障碍物多、植被密度多变，这要求割草机器人具备强大的环境感知和鲁棒导航能力。健康与安全也是重要考量，在斜坡等复杂地形作业存在风险，采用低重心履带底盘、远程控制乃至自主姿态平衡控制技术是提升安全性的关键。现有的商用割草平台大多为城市环境设计，难以直接适应农业应用，且成本高昂，限制了其在小规模农场的普及。
智能割草系统：设计、感知与导航
一套完整的智能割草系统涉及机械设计、环境感知和路径规划等多个层面。
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割草机类型：常见类型包括悬停式、旋转式、滚筒式和甩刀式割草机，其中旋转式割草机在农业中应用最广，更适合智能割草设备的开发。
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环境感知与传感：实现自主作业依赖于多传感器融合。全球导航卫星系统实时动态差分（GNSS RTK）能提供厘米级精确定位，但在信号易受遮挡的环境下性能下降。激光雷达（LiDAR）和视觉传感器（如RGB-D相机）则用于实时障碍物检测和环境地图构建。惯性测量单元（IMU）、轮式编码器等则辅助进行位姿估计和航位推算。未来研究需重点关注对小障碍物（如石块、粗枝）的精确检测。
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路径规划技术：高效的路径规划直接影响作业效率。研究人员已探索了基于平滑时间弹性带（Smooth Timed Elastic Band）算法、改进A*算法、模型预测控制（MPC）以及仿生优化算法（如蜣螂优化算法）等多种路径规划与跟踪控制策略，以实现在复杂环境下的全覆盖作业和局部避障。
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人工智能（AI）与物联网（IoT）技术：AI技术赋能割草机智能感知环境（如识别草区、障碍物）、优化决策（如路径规划）和预测性维护。IoT技术则通过4G/5G、Wi-Fi等实现远程监控、调度和数据分析，使多机协同作业和基于云平台的智能管理成为可能。
行业概览：现成的自主农业割草机
目前，自主割草机市场主要由面向住宅和商业草坪的产品主导，如Husqvarna、John Deere等公司的产品。针对农业场景的专用自主割草机仍处于研发和初步商业化阶段，如一些公司开发的适用于果园、丘陵地形的遥控或智能割草设备。这些系统在机械结构上已相当成熟，但将自主导航技术与农业割草的特殊要求（如地形适应性、作业边界不规则性）深度融合仍面临挑战，导致其在真实农田中的性能、稳定性和适应性往往不尽如人意。根据农场规模，自主割草的发展路径也有所不同：小型农场（<50英亩）可能倾向于小型电池驱动、具备基本导航功能的多功能平台；中型农场（50-500英亩）需要能适应更复杂地形和作物类型的机器人；大型农场（>500英亩）则可能依赖配备RTK-GPS、LiDAR等高级传感器的大型、高效率机器人车队。
农业多功能自主割草机的独特机遇
自主割草机最大的潜力之一在于其可作为多功能机器人平台。凭借其广泛的田间覆盖能力，可在割草的基础上集成其他功能模块，实现“一机多用”。
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杂草测绘：通过搭载先进传感器和成像系统，割草机可以绘制田间杂草分布图，为精准除草提供数据支持。
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精准喷洒：结合机器视觉和AI，割草机可以识别作物和杂草，实现除草剂、农药或肥料的选择性喷洒，减少化学品用量。
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植物健康监测：配备多光谱相机等传感器的割草机可以采集作物冠层图像，用于早期发现病害、营养缺乏或水分胁迫。
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土壤采样：集成土壤采样工具，可自动化采集土壤样本，用于分析土壤成分和养分状况。
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干草生产：未来，结合精准传感、智能控制和自适应导航技术的自主割草机有望革新干草生产作业，实现高效、低成本的 forage 管理。
对于小规模农业而言，成本效益高的多功能自主割草平台尤其具有吸引力，能帮助其降低管理成本，应对劳动力短缺问题。
结论
自主割草是农业机器人领域一个至关重要但尚未充分发展的方向。它在解决劳动力短缺、提升作业安全性和土地管理效率方面前景广阔。尽管目前市场渗透率可能低于10%，但研究原型和近商业系统已显示出巨大潜力。未来的发展需着力于提升在非结构化和GNSS拒止环境下的感知鲁棒性、增强系统对不同作物和地形的适应性，以及开发标准化的测试验证方法。将自主割草机发展为集割草、测绘、喷洒、监测等多功能于一体的平台，将极大提升其应用价值和投资回报。通过解决上述工程挑战，自主割草系统有望从研究原型转变为可靠、实用的农业解决方案，为智慧农业和可持续发展做出重要贡献。
