嘉定區水稻生產機械化全程無人駕駛技術初探

龔智峰

（上海市嘉定區農機技術推廣站，上海市 201800）

0 引言

隨著我國社會的老齡化、城鎮化的推進以及青壯年勞動力就業觀念的變化，農業勞動力日益短缺，“誰來種地、如何種地”已成為嚴峻的問題。改變農業生產對勞動力的依賴性，農業機械融合電子信息、物聯網、云計算等技術，實現農業生產過程的自動化、智能化、機器人化是解決上述問題的根本途徑。“智能在端、管控在屏、智慧在云”，即現場控制智能化、云端決策智慧化、監控調度移動終端化是未來智慧農業的發展方向。

根據《上海市推進農業高質量發展行動方案（2021—2025）》，嘉定作為數字化無人農場先行片區，推進無人農場建設，嘉定區農業農村委在外岡鎮周涇水稻基地建立了一個20 hm2的試驗點，對水稻生產全程“耕、種、管、收”各環節進行無人化作業的研究與試驗，推進水稻無人化農場的發展，為未來智慧農業的創建提供技術支撐。

1 機具改裝

依據本市無人農場建設的整體規劃，依托無人農場項目支撐，聚焦嘉定外岡鎮重點區域，圍繞水稻耕整地、種植、植保、施肥及收獲5個方面，積極探索水稻智能機械化生產機具的研發，開展全程作業環節無人駕駛試驗示范。從2021年“三夏”開始，對拖拉機、插秧機、穴播機、自走式噴桿噴霧機、聯合收割機進行了北斗導航無人駕駛系統的改裝，改裝后的機具要符合無人駕駛技術要求（表1）。

表1 無人駕駛機具要求

2 試驗情況

以減少勞動力，減輕勞動強度，提高農機自動水平為目的，開展水稻全程作業無人駕駛生產技術的研究與試驗。2021年，以嘉定區外岡鎮周涇水稻基地為主要試驗基地，進行了水稻生產各環節的無人駕駛生產試驗。周涇基地的田塊為改造過的高標準良田，田塊寬度42 m左右，長度400 m～500 m，田塊方正，有利于無人駕駛的試驗。

2.1 無人駕駛機械化深翻試驗

在外岡鎮周涇基地開展無人駕駛機械化深翻試驗，測試無人駕駛模式下耕整地機械在實際生產中的作業性能。田塊面積約為1.34 hm2，實際作業面積約為1.16 hm2，深翻平均深度20.1 cm。

在實際作業中，無人駕駛拖拉機深翻作業的有效作業效率為1.04 hm2/h，無人駕駛模式下，四周需要留下空白，確保無人駕駛安全運行，需要后期人工駕駛進行補充作業，因此，無人化率為87%。作業效率良好，滿足作業要求（表2）。

表2 無人駕駛深翻作業效率記錄

2.2 無人駕駛機械化旋耕試驗

在外岡鎮周涇基地開展無人駕駛機械化旋耕試驗，測試無人駕駛模式下耕整地機械在實際生產中的作業性能。考慮到田埂直線度達不到無人駕駛的直線度要求，田塊無法做到無人化作業全覆蓋，四周需要留下少量空白，田塊面積1.48 hm2，實際作業面積1.28 hm2，旋耕平均深度13.4 cm。

實際作業中，無人駕駛拖拉機旋耕作業的有效作業效率為7 706.67 m2/h，無人駕駛模式下，四周需要留下空白，確保無人駕駛安全運行，需要后期人工駕駛進行補充作業，因此，無人化率為86%。作業效率良好，滿足作業要求（表3）。

表3 無人駕駛旋耕作業效率記錄

2.3 無人駕駛插秧機作業試驗

在外岡周涇基地開展水稻插秧機自動駕駛技術的試驗研究，試驗田塊為外岡的高水平良田，田塊長170 m×寬42 m，總面積6 666.67 m2，分別從水稻插秧機自動駕駛技術的穩定性、可操作性、精準性三方面展開。

在實際作業中，外岡無人駕駛插秧機插秧作業的有效作業效率為4 600 m2/h，無人駕駛模式下，考慮到田埂直線度達不到無人駕駛的直線度要求，四周需要留下30 cm空白，確保無人駕駛安全運行，需要后期人工駕駛進行補充作業，加上自動封邊功能后，無人化覆蓋率為95%以上。插秧機自動駕駛秧苗栽插直線精度明顯好傳統人工駕駛；總體調頭交接行對行精準度也明顯優于傳統人工駕駛；栽插質量（漏插、漂秧、傷秧等）二者無明顯差異，基本一致，均和水田平整度、水漿管理等有關（表4）。

表4 無人駕駛插秧機作業效率記錄

2.4 無人駕駛噴桿噴霧機作業試驗

在外岡鎮周涇基地開展無人駕駛噴桿噴霧機的作業試驗，測試無人駕駛模式下植保機械在實際生產中的作業性能。田塊面積9 368.67 m2，寬度42 m×長度2 22 m。

考慮安全因素，無人駕駛噴桿噴霧機作業時速度調至較小值，約為人工駕駛的速度的1/2，作業效率仍達到2.15 hm2/h（表5）。

表5 無人駕駛噴桿噴霧機作業效率記錄

同時對機具噴霧的霧化效果也進行了測試，采用水敏紙作為采樣片承接霧滴。間隔每2 m左右在水稻葉片上放置一張水敏紙，采集樣品要等霧滴完全干后再采集。將收回的紙卡，做好標記，掃描進計算機后用軟件進行分析，測霧滴粒徑的值，驗證是否達到最佳效果范圍內。

經測試表明，無人駕駛噴桿噴霧機的霧化效果良好，植保霧滴粒徑在30 μm～150 μm最佳粒徑范圍內（表6）。

表6 霧滴粒徑測試結果

2.5 無人駕駛收割機作業試驗

在外岡鎮周涇基地開展水稻無人駕駛機械化收割作業，測試無人駕駛模式下收獲機械在實際生產中的作業性能。考慮到田埂直線度達不到無人駕駛的直線度要求，無人駕駛前先需人工駕駛對田塊外圍進行收割，然后再進行無人收割作業。

本次收割測試田塊總面積1.12 hm2，其中外圍人工駕駛收割面積為2 746.67 m2，因此在本次收割作業中，無人化率為75.46%。人工駕駛總耗時49 min，作業效率3 366.67 m2/h；無人駕駛3 h 47 min，無人駕駛的收割效率為0.223 hm2/h。

3 結論

1）通過引進無人化駕駛技術，對現有的各類農機進行無人化改造，既減少了對人工的強依賴度，又顯著提高了作業精度，推動了農業生產方式變革，成為嘉定區破解都市農業發展瓶頸的重要途徑之一，真正將種糧農民從“面朝黃土背朝天”的辛苦勞作中解放出來。

2）無人駕駛機具的作業效果良好，作業直線度更是明顯優于人工駕駛，能提高土地利用率，避免重耕漏耕和重播漏播，提高插秧、植保等環節的作業質量。

3）無人駕駛機具的作業效率優勢還不夠明顯。目前大多數自動駕駛導航系統的應用還處于試驗階段，自動駕駛導航系統的性能如自動規劃路線、系統與原機具的匹配度、操作人員熟練程度等還未到最佳最優狀態，實際作業效率仍略低于傳統人工駕駛模式。

4）由于智能駕駛系統是后裝系統、在電路、油路方面進行了一定的改裝。在切換回手動駕駛模式后，機手操作過程發現會有脫檔、掛擋困難、油門變小的各類小問題，需要進一步優化改裝方案，減少對原機模塊的干擾。同時，智能駕駛系統還需進一步優化，提高系統的穩定性、精確性。