馬雨秋，孫 霞

（山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程和食品科學(xué)學(xué)院，山東 淄博 255000）

0 引言

智能農(nóng)機(jī)與技術(shù)是將現(xiàn)代信息通信技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、電控技術(shù)和人工智能等裝備與技術(shù)與傳統(tǒng)農(nóng)機(jī)裝備集成而形成的新型的農(nóng)機(jī)裝備與技術(shù)。智能農(nóng)機(jī)裝備能夠?qū)崿F(xiàn)高效、標(biāo)準(zhǔn)、舒適、人機(jī)交互、傻瓜操作等農(nóng)機(jī)作業(yè),能獨(dú)自完成耕作、播種、移栽、施肥、施藥、投飼、灌溉、采摘、收獲等作業(yè)，還能采集土壤、水質(zhì)、農(nóng)作物和水產(chǎn)品等信息，為實(shí)施精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、健康養(yǎng)殖、生態(tài)環(huán)保等提供技術(shù)支撐。智能農(nóng)機(jī)始終使裝備自身處于最佳技術(shù)狀態(tài)下工作，能耗低，采用精準(zhǔn)作業(yè)方式，化肥、農(nóng)藥、水產(chǎn)飼料的利用率得到提高，環(huán)境污染減少，節(jié)本增效。

智能農(nóng)機(jī)的典型特征是安裝有微處理器、各種傳感器和無線通訊系統(tǒng)等。

微處理器（微型計(jì)算機(jī)）對(duì)傳感器傳來的各種信息進(jìn)行邏輯運(yùn)算、傳遞，然后在作業(yè)環(huán)境下發(fā)出指令驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)或部件來完成符合要求的農(nóng)機(jī)動(dòng)作。微處理器的應(yīng)用使農(nóng)機(jī)的功能更多、適用性更強(qiáng)，通常只需改變部分軟件，就能變更動(dòng)作，適應(yīng)不同作業(yè)環(huán)境、不同作業(yè)對(duì)象，根據(jù)作業(yè)需求變化而自動(dòng)調(diào)整、控制，減少人工操作，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。

各種各樣的傳感器用于監(jiān)視農(nóng)機(jī)自身狀況、作業(yè)環(huán)境和作業(yè)狀況，可根據(jù)作業(yè)環(huán)境和對(duì)象變化而自動(dòng)調(diào)整工作狀態(tài)，并為安全作業(yè)提供保障。

1 智能農(nóng)機(jī)裝備與技術(shù)類型

1.1 智能農(nóng)機(jī)動(dòng)力機(jī)械

包括拖拉機(jī)、水稻插秧機(jī)、自走式蔬菜移栽機(jī)、自走式聯(lián)合收獲機(jī)、自走式施肥施藥機(jī)等，這些動(dòng)力機(jī)械在行走、操控、人機(jī)工程等方面實(shí)現(xiàn)智能化。利用GPS自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)、圖像識(shí)別技術(shù)、計(jì)算機(jī)總線通信技術(shù)等來提高機(jī)器的操控性、機(jī)動(dòng)性和人員作業(yè)舒適性。在智能化動(dòng)力機(jī)械駕駛室中，都有一臺(tái)或數(shù)臺(tái)計(jì)算機(jī)，具有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的接口，用于與不同類型的機(jī)具配套使用。智能化農(nóng)業(yè)動(dòng)力機(jī)械安裝有信息顯示終端的人機(jī)交互界面，操作者通過屏幕菜單可任意選擇顯示機(jī)組中不同部分的終端信息。其關(guān)鍵技術(shù)是動(dòng)力換擋、全自動(dòng)換擋、動(dòng)力轉(zhuǎn)向、自動(dòng)導(dǎo)航、智能操控作業(yè)等技術(shù)。拖拉機(jī)除了能在大田作業(yè)外，還要能在果園、茶園、菜園、設(shè)施園藝及水田、丘陵山地等復(fù)雜田塊作業(yè)。

1.2 智能收獲機(jī)械

聯(lián)合收割機(jī)裝備有各種傳感器和GPS定位系統(tǒng)，既可收獲各種糧食作物，又可實(shí)時(shí)測(cè)出作物的含水量、小區(qū)產(chǎn)量等參數(shù)，形成作物產(chǎn)量圖，為處方農(nóng)作提供技術(shù)支撐。其關(guān)鍵技術(shù)是作物產(chǎn)量的測(cè)量，根據(jù)產(chǎn)量自動(dòng)控制作業(yè)速度和喂入量，同時(shí)繪制產(chǎn)量分布圖，以便確定下一季的種植計(jì)劃及種子、化肥和農(nóng)藥在不同小區(qū)的使用量。

1.3 智能植保、施藥機(jī)械

智能植保機(jī)械能提高農(nóng)藥利用率，減少對(duì)土壤、水體、農(nóng)作物的污染，保護(hù)生態(tài)環(huán)境。其關(guān)鍵技術(shù)是路徑規(guī)劃、作物病蟲草害快速識(shí)別、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸與處理、變量噴霧控制、高地隙自走底盤的土壤—植物—機(jī)器系統(tǒng)適應(yīng)性等技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)施藥、變量施藥、對(duì)靶施藥、減少霧滴飄失，適應(yīng)“四大”主要糧食作物及棉花、甘蔗、蔬菜、水果、茶葉等經(jīng)濟(jì)作物以及水產(chǎn)養(yǎng)殖的施藥作業(yè)。

1.4 智能施肥機(jī)械

智能施肥機(jī)能在施肥過程中，依據(jù)作物種類、土壤肥力等參數(shù)確定合適的施肥量，避免均勻施肥，不斷調(diào)節(jié)瞬時(shí)施肥量，提高肥料利用率。其關(guān)鍵技術(shù)是系統(tǒng)通過電子地圖內(nèi)疊存的數(shù)據(jù)庫處方（包括產(chǎn)量、施肥計(jì)劃專家系統(tǒng)），分別對(duì)氮肥、磷肥、鉀肥的施用量進(jìn)行調(diào)控，滿足不同區(qū)塊對(duì)不同肥料的需要量。

1.5 智能播種機(jī)械

播種機(jī)通常是同時(shí)完成播種、施肥、開溝等一體復(fù)合式作業(yè)工序，智能播種機(jī)能根據(jù)田塊的土壤墑情、土壤肥力、作物產(chǎn)量等條件，精確調(diào)控播種機(jī)的播種量及深度、開溝深度、施肥量等復(fù)式作業(yè)的工作參數(shù)。其關(guān)鍵技術(shù)是計(jì)量裝置和播種施肥開溝等的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，系統(tǒng)調(diào)控計(jì)量裝置，通過驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，就能調(diào)整不同地塊的播種量、施肥量。

1.6 智能灌溉機(jī)械

智能灌溉機(jī)械能做到按需灌溉，節(jié)水、節(jié)電，節(jié)本省工。其關(guān)鍵技術(shù)是能定時(shí)獲取農(nóng)作物葉面、根部、土壤等的濕度參數(shù)，系統(tǒng)根據(jù)專家系統(tǒng)的處方通過計(jì)算機(jī)發(fā)出需水灌溉指令。移動(dòng)式噴灌機(jī)械應(yīng)加裝GPS定位系統(tǒng)，結(jié)合存放在地理信息系統(tǒng)中的信息和數(shù)據(jù)，通過處方實(shí)現(xiàn)變量灌溉。

1.7 智能設(shè)施農(nóng)業(yè)裝備

大棚溫室智能化成套裝備與技術(shù)基本成熟，并向高度自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展，其關(guān)鍵技術(shù)是：通過各種傳感器或其它元器件獲取農(nóng)作物相關(guān)生長信息，智能調(diào)控農(nóng)作物生長所需要最佳的光、水、溫、肥、藥、氣等參數(shù)，完全擺脫棚外一年四季自然環(huán)境對(duì)農(nóng)作物的影響，并且產(chǎn)量高于常規(guī)栽培。

1.8 智能采摘機(jī)

智能水果采摘機(jī)的機(jī)械臂都配有攝像頭，它可以通過先進(jìn)的圖像處理單元來判斷果實(shí)的成熟度，同時(shí)配上3D感應(yīng)，利用短距離集成彩色和紅外深度傳感器來捕捉水果的所有細(xì)節(jié)，分析核實(shí)每個(gè)水果的外觀和顏色，如水果成熟完好，機(jī)械臂才會(huì)決定采摘。

1.9 智能水產(chǎn)養(yǎng)殖裝備

主要是水質(zhì)調(diào)控裝備和精準(zhǔn)投喂投藥裝備。

在線水質(zhì)智能監(jiān)測(cè)監(jiān)控裝備對(duì)水體的溫度、溶氧、pH值、氨氮、亞硝酸鹽等水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行24 h不間斷測(cè)定，監(jiān)測(cè)到的參數(shù)通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)傳送到總監(jiān)控室和有關(guān)有人員手機(jī)，然后應(yīng)用專家決策系統(tǒng)進(jìn)行增氧、調(diào)水、投餌、割草、控溫等，確保溫度、溶氧、pH值、氨氮、亞硝酸鹽等水質(zhì)指標(biāo)控制在安全、健康、高質(zhì)、高效的養(yǎng)殖標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

智能自循航多功能投餌投藥船能定時(shí)、定量、定點(diǎn)、水體全方位精準(zhǔn)投飼、投藥，投料次數(shù)、投料量均記錄在冊(cè)、可隨時(shí)查閱，GPS定位自主巡航，手機(jī)集成控制。還可配置水上、水下攝像機(jī)，圖像實(shí)時(shí)顯示，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)查看作業(yè)船的工作情況，達(dá)到精準(zhǔn)控制。

1.10 農(nóng)業(yè)機(jī)器人

農(nóng)業(yè)機(jī)器人是一種能感覺并適應(yīng)作物種類或環(huán)境變化，有檢測(cè)、視覺、演算等人工智能功能的無人自動(dòng)操作機(jī)械，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的許多領(lǐng)域得到應(yīng)用，如：施肥機(jī)器人，會(huì)從不同土壤的實(shí)際情況出發(fā)，適量施肥。葡萄園機(jī)器人，幾乎能代替種植園工人的所有工作。育苗機(jī)器人，工作人員只要實(shí)現(xiàn)在觸摸屏上設(shè)定地點(diǎn)參數(shù)，機(jī)器人就能感應(yīng)盆栽，并自動(dòng)把它們移動(dòng)到目的地。擠奶機(jī)器人，不僅能完成擠奶工作，還可在擠奶過程中檢測(cè)奶質(zhì)。牧羊機(jī)器人，能在農(nóng)場(chǎng)上代替?zhèn)鹘y(tǒng)的放牧勞力。

1.11 智能農(nóng)機(jī)相關(guān)傳感器、控制裝置與技術(shù)

1.11.1 農(nóng)業(yè)機(jī)械專用傳感器

1.11.1.1 施肥播種機(jī)械作業(yè)深度、行走速度、作業(yè)質(zhì)量等測(cè)控傳感器。

1.11.1.2 植保機(jī)械前進(jìn)速度、噴量、壓力、噴灑面積等測(cè)控傳感器。

1.11.1.3 收獲機(jī)械喂入量、清選與夾帶損失、割臺(tái)高度、滾筒轉(zhuǎn)速、產(chǎn)量流量和谷物水分等測(cè)控傳感器。

1.11.1.4 設(shè)施栽培環(huán)境監(jiān)控用CO2、空氣濕度、溫度傳感器，滿足主機(jī)使用需要。

1.11.2 農(nóng)業(yè)機(jī)械導(dǎo)航及智能化控制作業(yè)裝置

1.11.2.1 位姿傳感器、導(dǎo)航控制器、顯控終端，滿足農(nóng)機(jī)自動(dòng)駕駛精確導(dǎo)航與精準(zhǔn)控制要求。

1.11.2.2 集身份識(shí)別、導(dǎo)航定位、工況監(jiān)測(cè)、產(chǎn)量監(jiān)測(cè)于一體的收割機(jī)監(jiān)測(cè)終端，實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)遠(yuǎn)程精細(xì)監(jiān)測(cè)與在線運(yùn)行維護(hù)。

1.11.2.3 農(nóng)機(jī)深松作業(yè)檢測(cè)與監(jiān)視裝置，滿足耕深實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和作業(yè)精準(zhǔn)計(jì)量要求。

1.11.2.4 農(nóng)用無人機(jī)用導(dǎo)航裝置，實(shí)現(xiàn)航空應(yīng)用遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與避碰。

1.11.2.5 通用型增強(qiáng)信號(hào)收發(fā)裝置，滿足各類農(nóng)機(jī)高精度信號(hào)應(yīng)用。

1.11.3 大型拖拉機(jī)智能作業(yè)電液控制單元

針對(duì)農(nóng)具升降、載荷、入土深度控制，突破具有精確控制策略的控制器及傳感器系統(tǒng)，形成力、位及其混合等方式的傳感器精確控制，實(shí)現(xiàn)電控系統(tǒng)中數(shù)據(jù)信息的設(shè)置、采集、應(yīng)用技術(shù)。突破智能閥控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)變量負(fù)載傳感節(jié)能，形成動(dòng)力平臺(tái)與作業(yè)機(jī)組的姿態(tài)控制和功率自動(dòng)循環(huán)控制系統(tǒng)；開發(fā)綠色、節(jié)能、高效的控制管理系統(tǒng)，滿足大型輪式拖拉機(jī)要求。

1.11.4 海洋漁業(yè)資源水平掃描、水生生物資源科學(xué)調(diào)查以及水產(chǎn)養(yǎng)殖生物量與群體行為評(píng)估的高精度水聲換能器及系列化探測(cè)儀。

1.12 智能農(nóng)機(jī)管理系統(tǒng)

智能農(nóng)機(jī)管理系統(tǒng)包括各機(jī)具狀態(tài)、機(jī)具配置、實(shí)時(shí)調(diào)度和維修保養(yǎng)等方面的智能化。智能管理信息系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)總控制室的計(jì)算機(jī)與移動(dòng)作業(yè)機(jī)械間通過無線通信進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，能夠制定詳細(xì)的農(nóng)事操作方案和機(jī)械作業(yè)計(jì)劃，并根據(jù)作業(yè)機(jī)械顯示的相關(guān)數(shù)據(jù)，調(diào)整機(jī)械作業(yè)的負(fù)荷與速度，確保機(jī)組能在較佳狀態(tài)下運(yùn)行，如：2臺(tái)聯(lián)合收割機(jī)在同一地塊作業(yè)，可以規(guī)劃它們的不同作業(yè)路線，并通知不同的運(yùn)糧拖拉機(jī)到達(dá)哪臺(tái)聯(lián)合收割機(jī)旁不停機(jī)卸糧作業(yè)，收割機(jī)和拖拉機(jī)能互相避開，無需等待，高效配合作業(yè)。同時(shí)，利用作業(yè)過程采集的數(shù)據(jù)，通過系統(tǒng)運(yùn)算和處理，實(shí)現(xiàn)如作業(yè)面積、耗油率、產(chǎn)量的計(jì)算、統(tǒng)計(jì)及友好的人機(jī)界面顯示等智能化功能。有些智能農(nóng)機(jī)管理系統(tǒng)通過搭載在農(nóng)機(jī)上的GPS天線和通信終端，農(nóng)機(jī)能夠自動(dòng)發(fā)送位置、運(yùn)轉(zhuǎn)及保養(yǎng)方面的信息，并每天自動(dòng)生成作業(yè)報(bào)告，還可實(shí)現(xiàn)監(jiān)視防盜、運(yùn)轉(zhuǎn)狀況管理、保養(yǎng)服務(wù)、突發(fā)問題自動(dòng)通知與迅速應(yīng)對(duì)等方面的功能，該系統(tǒng)不僅能自動(dòng)支持農(nóng)機(jī)作業(yè)，還可與第三方公司提供的農(nóng)業(yè)云應(yīng)用程序配合使用，進(jìn)一步提高效率。

2 智能農(nóng)機(jī)裝備與技術(shù)推廣應(yīng)用前景

農(nóng)機(jī)化轉(zhuǎn)型升級(jí)是實(shí)施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的需要，是貫徹落實(shí)國務(wù)院重大決策部署的需要，2018年12月，國務(wù)院下發(fā)了《關(guān)于加快推進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化和農(nóng)機(jī)裝備產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的指導(dǎo)意見》，要求推動(dòng)農(nóng)機(jī)裝備產(chǎn)業(yè)向高質(zhì)量發(fā)展轉(zhuǎn)型，將低性能的裝備升級(jí)到高性能的裝備、純機(jī)械化裝備升級(jí)到機(jī)械化與信息化融合裝備、有人駕駛升級(jí)到無人駕駛智能裝備，適時(shí)更新?lián)Q代，加快物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、智能控制、衛(wèi)星定位等信息技術(shù)在農(nóng)機(jī)化領(lǐng)域的應(yīng)用，推動(dòng)智慧農(nóng)機(jī)的發(fā)展。

因此，智能化農(nóng)機(jī)裝備與技術(shù)的研制、試驗(yàn)、示范和推廣應(yīng)用將得到政府的政策和資金的大力支持；信息感知、互聯(lián)網(wǎng)、智能控制、衛(wèi)星導(dǎo)航、作業(yè)監(jiān)測(cè)等技術(shù)將大量應(yīng)用于農(nóng)機(jī)裝備；精準(zhǔn)耕作、智慧養(yǎng)殖、設(shè)施園藝作物智能化生產(chǎn)等智慧農(nóng)機(jī)示范基地逐步建立；“無人駕駛”將開展示范推廣；“互聯(lián)網(wǎng)+農(nóng)機(jī)作業(yè)”信息化平臺(tái)將加快推廣應(yīng)用。

2019年江蘇省已投入無人聯(lián)合收割機(jī)100臺(tái)、無人拖拉機(jī)200臺(tái)用于秋季作業(yè)，今后，將有更多的智能化農(nóng)機(jī)裝備與技術(shù)投入使用，智能化農(nóng)機(jī)裝備與技術(shù)的應(yīng)用前景將非常廣闊。