“北斗”助力 無人農(nóng)場成為現(xiàn)實(shí)

在廣州增城的水稻無人農(nóng)場里，水稻生長期間，需要打藥時(shí)，噴霧機(jī)無人駕駛自行開到田間，將噴桿展開進(jìn)行噴霧，它的噴霧高度可調(diào)，噴量可調(diào)，以達(dá)到最佳的噴霧效果。在水稻生長的過程中，智能設(shè)備全程監(jiān)控生長情況。

隨著工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的發(fā)展，我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面臨勞動(dòng)力短缺和老齡化的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。現(xiàn)代農(nóng)業(yè)要求大幅提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、土地產(chǎn)出率和資源利用率，智慧農(nóng)業(yè)技術(shù)可為“三率”的提高和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)建設(shè)提供強(qiáng)有力的科技支撐。智慧農(nóng)業(yè)是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的高級(jí)形式，依托生物技術(shù)、智能農(nóng)機(jī)和信息技術(shù)建設(shè)的無人農(nóng)場是實(shí)現(xiàn)智慧農(nóng)業(yè)的重要途徑。

無人農(nóng)場主要包括農(nóng)作物生產(chǎn)全程無人自主作業(yè)、作業(yè)環(huán)節(jié)自主完成和農(nóng)作物生長全程自動(dòng)監(jiān)控。無人農(nóng)場是在人不進(jìn)入農(nóng)場的情況下采用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、5G、機(jī)器人等新一代信息技術(shù)，通過對(duì)農(nóng)場設(shè)施、裝備、機(jī)械等遠(yuǎn)程控制的智能裝備,與機(jī)器人的自主決策、自主作業(yè)完成所有農(nóng)場生產(chǎn)、管理任務(wù)的一種全天候、全過程、全空間的無人化生產(chǎn)作業(yè)模式。

2020年，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)羅錫文院士團(tuán)隊(duì)在廣州增城華南農(nóng)業(yè)大學(xué)教學(xué)科研基地建成水稻無人農(nóng)場進(jìn)行實(shí)踐，對(duì)我國無人農(nóng)場建設(shè)起到了示范作用。

耕種管收 實(shí)現(xiàn)全程機(jī)械化

2020年5月3日，在廣州增城的水稻無人農(nóng)場里，無人駕駛旋耕機(jī)自動(dòng)出庫，自行開到田里作業(yè)。按照設(shè)定好的規(guī)劃路線，完成整個(gè)地塊的作業(yè)，在作業(yè)時(shí)能精準(zhǔn)地完成走直線，調(diào)頭轉(zhuǎn)彎和對(duì)行上線等各個(gè)動(dòng)作，直線行駛誤差不超過2.5 cm，對(duì)行誤差不超過3 cm，可以保證不漏耕、不重耕。

5月9日，水稻播種時(shí)，無人駕駛拖拉機(jī)配備水稻旱直播機(jī)，采用開溝旱播的方式，精準(zhǔn)地將水稻種子成行成穴地播在田中。

水稻生長期間，需要打藥時(shí)，噴霧機(jī)無人駕駛自行開到田間，將噴桿展開進(jìn)行噴霧，它的噴霧高度可調(diào)，噴量可調(diào)，以達(dá)到最佳的噴霧效果。在水稻生長的過程中，智能設(shè)備全程監(jiān)控生長情況。

2020年8月30日，無人農(nóng)場的水稻已經(jīng)到了收獲的時(shí)機(jī)。收獲機(jī)自動(dòng)進(jìn)入田中收獲，運(yùn)糧車則在田邊等待。收獲機(jī)糧倉快滿時(shí)，通過云端服務(wù)器向運(yùn)糧車發(fā)出一個(gè)“請(qǐng)來接糧”的信號(hào)，運(yùn)糧車收到信號(hào)后，開到收獲機(jī)旁邊，收獲機(jī)準(zhǔn)確地將稻谷卸至運(yùn)糧車中。卸完糧后，收獲機(jī)繼續(xù)收獲，運(yùn)糧車判斷自身糧倉是否裝滿，若未滿則原地等待，繼續(xù)等待“請(qǐng)來接糧”信號(hào)，若已滿則將稻谷卸至卡車中。據(jù)羅錫文院士介紹，收獲過程中，收割機(jī)和運(yùn)糧機(jī)中間的橫向誤差不超過5cm，縱向誤差不超過10cm。這樣就能保證每一次收割機(jī)和運(yùn)糧機(jī)“默契”配合。

從2020年5月3日旋耕至8月3日收獲，歷時(shí)100多天。也就是說，這個(gè)水稻農(nóng)場從最初播種到最后收獲，都無需任何人進(jìn)入農(nóng)場半步，所有步驟都通過機(jī)器操作完成。

四項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù) 讓無人農(nóng)場成為現(xiàn)實(shí)

華南農(nóng)業(yè)大學(xué)水稻無人農(nóng)場是在國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“智能農(nóng)機(jī)裝備”專項(xiàng)項(xiàng)目“基于北斗的農(nóng)機(jī)定位與導(dǎo)航技術(shù)裝置研究”和廣東省重點(diǎn)領(lǐng)域研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“無人農(nóng)場關(guān)鍵技術(shù)集成與應(yīng)用示范”資助下的研究成果。該項(xiàng)目突破了農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航和農(nóng)業(yè)協(xié)同作業(yè)關(guān)鍵技術(shù)，研制了無人駕駛農(nóng)機(jī)裝備，實(shí)現(xiàn)了水稻生產(chǎn)耕、種、管、收環(huán)節(jié)全程無人化作業(yè)。

一是突破了復(fù)雜農(nóng)田環(huán)境下農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航作業(yè)高精度定位和姿態(tài)檢測技術(shù)。復(fù)雜的農(nóng)田環(huán)境會(huì)嚴(yán)重影響農(nóng)機(jī)位姿檢測精度和穩(wěn)定性，該項(xiàng)目采用北斗和MEMS慣性傳感器結(jié)合，創(chuàng)新提出了車輛外部加速度辨識(shí)與線性時(shí)變自適應(yīng)卡爾曼濾波的姿態(tài)同步估計(jì)算法和融合定位算法，實(shí)現(xiàn)了不同農(nóng)機(jī)不同工況下的高精度連續(xù)穩(wěn)定定位和測姿，解決了精準(zhǔn)定位難的問題。

二是創(chuàng)新農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)導(dǎo)航控制技術(shù)。農(nóng)田地塊小、水田側(cè)滑嚴(yán)重、邊界不規(guī)則，田中障礙物會(huì)影響農(nóng)機(jī)導(dǎo)航精度。針對(duì)這些問題，項(xiàng)目創(chuàng)新提出了全區(qū)域覆蓋作業(yè)路徑規(guī)劃方法、復(fù)合路徑跟蹤控制算法、自動(dòng)避障和主從導(dǎo)航控制技術(shù)，提高了農(nóng)機(jī)導(dǎo)航精度和作業(yè)效率。

為了提高農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航作業(yè)系統(tǒng)對(duì)復(fù)雜農(nóng)田地面的適應(yīng)性、控制精度和上線速度，項(xiàng)目創(chuàng)新設(shè)計(jì)了由預(yù)瞄跟隨控制器、前視距離自適應(yīng)調(diào)節(jié)器、農(nóng)機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)預(yù)估器和抗飽和變速積分器等構(gòu)成的農(nóng)機(jī)導(dǎo)航復(fù)合路徑跟蹤控制算法。顯著提高了水田農(nóng)機(jī)路徑跟蹤精度，解決了導(dǎo)航控制難的問題。

農(nóng)田中存在著各種障礙物，如樹木、電線桿等，影響了智能農(nóng)機(jī)的正常作業(yè)，并存在安全隱患。因此，智能農(nóng)機(jī)必須具備障礙物識(shí)別與檢測的能力。在智能農(nóng)機(jī)對(duì)障礙物檢測的研究中，項(xiàng)目創(chuàng)新提出了基于激光雷達(dá)的農(nóng)田障礙物目標(biāo)識(shí)別算法、障礙物繞行的路徑規(guī)劃算法和基于純追蹤模型的避障規(guī)劃路線跟蹤控制算法。該避障導(dǎo)航方法可準(zhǔn)確識(shí)別和繞行農(nóng)田障礙物，提高了農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航作業(yè)的安全性。

三是創(chuàng)制了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航作業(yè)線控裝置和農(nóng)機(jī)北斗自動(dòng)導(dǎo)航產(chǎn)品。我國農(nóng)機(jī)裝備自動(dòng)化水平不高，大多缺乏適用自動(dòng)導(dǎo)航作業(yè)的底盤線控裝置。針對(duì)上述問題，項(xiàng)目創(chuàng)新提出了基于轉(zhuǎn)向輪和車輛本體姿態(tài)差分測向的轉(zhuǎn)角測量方法，創(chuàng)制了帶有手動(dòng)優(yōu)先功能的電液比例和電機(jī)直驅(qū)兩種自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制裝置。開發(fā)了帶有CAN總線接口的農(nóng)機(jī)速度控制和作業(yè)控制器，實(shí)現(xiàn)了上述5種功能的車載線控，滿足農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航作業(yè)的控制要求。

創(chuàng)制了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的農(nóng)機(jī)北斗自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)產(chǎn)品。集成基于北斗的高精度定位測姿、自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制、自動(dòng)導(dǎo)航和路徑優(yōu)化等技術(shù)，創(chuàng)制了電液轉(zhuǎn)向和電機(jī)轉(zhuǎn)向兩類農(nóng)機(jī)北斗自動(dòng)導(dǎo)航產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了耕、種、管、收等作業(yè)環(huán)節(jié)農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航作業(yè)，田間導(dǎo)航作業(yè)誤差≤2.5 cm，達(dá)到了國外同類技術(shù)產(chǎn)品水平?；诒倍返霓r(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)導(dǎo)航作業(yè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了前裝和后裝、電液轉(zhuǎn)向和電機(jī)轉(zhuǎn)向及單/雙天線導(dǎo)航，形成系列產(chǎn)品。

四是無人農(nóng)場技術(shù)集成與應(yīng)用示范。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)根據(jù)作物耕作制度、種植模式、管理體系和收獲方式等作業(yè)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了無人農(nóng)機(jī)在耕種管收環(huán)節(jié)中協(xié)同作業(yè)流程；協(xié)同規(guī)劃同種作業(yè)多臺(tái)同種無人農(nóng)機(jī)的起始位置、作業(yè)幅寬和行走路線等作業(yè)方式，多臺(tái)不同作業(yè)無人農(nóng)機(jī)的作業(yè)先后順序、作業(yè)起始位置、幅寬和速度等作業(yè)信息，制定了無人農(nóng)機(jī)協(xié)同作業(yè)規(guī)程。

創(chuàng)建了無人農(nóng)場作業(yè)遠(yuǎn)程交互與共享平臺(tái)。采用TD-LTE 數(shù)據(jù)傳輸和遠(yuǎn)程控制技術(shù)，設(shè)計(jì)了無人農(nóng)場數(shù)據(jù)傳輸和通訊交互協(xié)議以及遠(yuǎn)程控制支持系統(tǒng)，作業(yè)遠(yuǎn)程交互與共享軟件系統(tǒng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)無人農(nóng)機(jī)作業(yè)信息管理與共享功能。

無人農(nóng)機(jī)作業(yè)狀態(tài)信息上行至云端存儲(chǔ)和平臺(tái)處理，對(duì)耕種管收環(huán)節(jié)中無人農(nóng)機(jī)的規(guī)劃作業(yè)路徑、實(shí)際作業(yè)軌跡、作業(yè)任務(wù)、作業(yè)質(zhì)量、作業(yè)數(shù)量、農(nóng)機(jī)作業(yè)狀態(tài)和GNSS 信號(hào)質(zhì)量等作業(yè)信息進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)管理；作業(yè)遠(yuǎn)程交互與共享平臺(tái)下行作業(yè)任務(wù)指令、規(guī)劃路徑和操控指令等控制信息至無人農(nóng)機(jī)。

華南農(nóng)業(yè)大學(xué)水稻無人農(nóng)場的無人駕駛運(yùn)糧車

華南農(nóng)業(yè)大學(xué)水稻無人農(nóng)場的無人駕駛拖拉機(jī)

無人農(nóng)場未來展望

華南農(nóng)業(yè)大學(xué)水稻無人農(nóng)場的建設(shè)覆蓋了耕作、播種、植保、收獲等生產(chǎn)過程，優(yōu)化農(nóng)業(yè)機(jī)械最佳作業(yè)路徑，減少重復(fù)作業(yè)區(qū)和遺漏區(qū)的作業(yè)面積。在耕作方面，提高了耕作效率，降低了人工成本，在農(nóng)藝管理方面，通過精量播種、精準(zhǔn)植保作業(yè)，提高了農(nóng)業(yè)資源利用率，保護(hù)了農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境，為我國糧食產(chǎn)量增收增產(chǎn)提供技術(shù)保障。

水稻無人農(nóng)場的稻谷產(chǎn)量均高于當(dāng)?shù)氐钠骄a(chǎn)量，表明了其巨大的發(fā)展?jié)摿Α?021年早稻生產(chǎn)采用優(yōu)質(zhì)絲苗米品種“19香”，產(chǎn)量9943.35 kg/hm2，高于當(dāng)?shù)氐钠骄a(chǎn)量7500 kg/hm2。

建設(shè)無人農(nóng)場可有效緩解農(nóng)村勞動(dòng)力短缺的現(xiàn)狀，積極推進(jìn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)建設(shè)。無人農(nóng)場技術(shù)可徹底將農(nóng)民從繁重的勞動(dòng)中解放出來，為解決“誰來種田”提供了重要的途徑。

羅錫文院士認(rèn)為，目前，我國的無人農(nóng)場建設(shè)剛剛起步，要實(shí)現(xiàn)大范圍推廣應(yīng)用還需要解決以下5個(gè)問題：一是關(guān)鍵技術(shù)的突破，包括適應(yīng)不同區(qū)域、不同地形、不同作物和不同種植制度的無人農(nóng)場關(guān)鍵技術(shù)，特別是智能農(nóng)機(jī)技術(shù)及集成和管控平臺(tái)；二是適應(yīng)無人農(nóng)場的經(jīng)營規(guī)模和土地整治，要大力支持新型農(nóng)業(yè)經(jīng)營主體，擴(kuò)大經(jīng)營規(guī)模和加強(qiáng)土地連片整治；三是要因地制宜，探索各種適宜的無人農(nóng)場建設(shè)模式和制定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)；四是要加強(qiáng)無人農(nóng)場建設(shè)需要的各類人才的培養(yǎng)和培訓(xùn)，包括各種技術(shù)人員和經(jīng)營管理人員；五是要加強(qiáng)無人農(nóng)場建設(shè)相關(guān)政策制定，調(diào)動(dòng)政府、企業(yè)和社會(huì)資金投資建設(shè)無人農(nóng)場的積極性。

當(dāng)前，以互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能為代表的新一代信息技術(shù)蓬勃發(fā)展，給經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)進(jìn)步和人民生活帶來重大而深遠(yuǎn)的影響，也推動(dòng)了農(nóng)業(yè)機(jī)械化和智能化的快速發(fā)展，這都必將促進(jìn)我國無人農(nóng)場建設(shè)進(jìn)入快速發(fā)展期，進(jìn)而為我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展作出重要貢獻(xiàn)。