智能化技術(shù)在水稻生產(chǎn)全程機(jī)械化中的應(yīng)用研究與發(fā)展趨勢(shì)

劉婉茹，張國(guó)忠，周勇，徐紅梅， 吳擎，付建偉，黃成龍，張建

1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長(zhǎng)江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070; 2.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，武漢 430070

水稻是稻屬谷類作物，所結(jié)籽實(shí)即稻谷，稻谷脫去穎殼稱糙米，糙米碾去米糠即可得到大米。中國(guó)作為世界上最大的水稻生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，2020年水稻播種面積3 007.6萬(wàn)hm2，占世界水稻播種面積的20%，水稻總產(chǎn)量21 186萬(wàn)t，位居世界第一[1]。我國(guó)稻區(qū)分布廣泛，水稻生長(zhǎng)周期長(zhǎng)，生產(chǎn)管理環(huán)節(jié)眾多，水稻生產(chǎn)全程機(jī)械化包括耕整地、種植(育秧移栽和水稻直播)、田間管理和收獲等主要作業(yè)環(huán)節(jié)。水稻生產(chǎn)工序繁多，我國(guó)三大主糧中，水稻的耕種收綜合機(jī)械化率最低，僅為83.78%，機(jī)械化作業(yè)未能全面覆蓋水稻生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)。其中，機(jī)耕率為98.84%，機(jī)收率為93.43%，機(jī)播率僅為53.89%，各環(huán)節(jié)機(jī)械化作業(yè)率不統(tǒng)一、缺乏能夠適應(yīng)水稻品種多樣性和生產(chǎn)條件差異性的先進(jìn)技術(shù)與通用機(jī)具，智能化發(fā)展緩慢。提高水稻生產(chǎn)全程機(jī)械化、智能化水平是實(shí)現(xiàn)水稻產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的重要途徑。

本文以我國(guó)水稻生產(chǎn)全程機(jī)械化作業(yè)現(xiàn)狀為基礎(chǔ)，概述國(guó)內(nèi)外水稻生產(chǎn)機(jī)具使用情況和機(jī)械化作業(yè)情況，重點(diǎn)闡述智能化技術(shù)在水稻生產(chǎn)全程機(jī)械化中的應(yīng)用研究，分析智能化在水稻生產(chǎn)全程機(jī)械化中的技術(shù)難點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)，以期為我國(guó)水稻產(chǎn)業(yè)的自動(dòng)化、智能化發(fā)展提供參考。

1 水稻耕整地智能化技術(shù)研究進(jìn)展

水稻生產(chǎn)全程機(jī)械化主要作業(yè)環(huán)節(jié)如圖1所示。其中，耕整地是使用鏵式犁、旋耕機(jī)或平地機(jī)完成耕、耙、平地等作業(yè)過程，實(shí)現(xiàn)翻耕土層、松碎土壤與殘茬、改善土壤結(jié)構(gòu)，水稻耕整地裝備如圖2所示。耕整地機(jī)械作業(yè)過程中的作業(yè)參數(shù)有位置、姿態(tài)、壓力、耕作深度等[2]，其中耕深均勻性和地面平整度是衡量耕作質(zhì)量的重要指標(biāo)。耕整地機(jī)具大多由拖拉機(jī)通過三點(diǎn)懸掛進(jìn)行驅(qū)動(dòng)作業(yè)，由于地表不平等復(fù)雜環(huán)境因素影響，拖拉機(jī)作業(yè)時(shí)會(huì)隨地形變化起伏不定，耕整地作業(yè)易出現(xiàn)機(jī)體傾斜、耕深不均、平整度低等問題。

1.1 耕深智能調(diào)節(jié)技術(shù)

針對(duì)耕整地作業(yè)中出現(xiàn)的耕深不均勻問題，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者在拖拉機(jī)懸掛系統(tǒng)的基礎(chǔ)上結(jié)合機(jī)電

圖1 水稻生產(chǎn)全程機(jī)械化主要作業(yè)環(huán)節(jié)Fig.1 Rice production full mechanization of the main link

A:機(jī)械化翻耕 Mechanized tillage; B:1L-320型鏵式犁 1L-320 plowshare; C:機(jī)械化耙地 Mechanized harrowing; D:1BJX型圓盤耙 1BJX disc harrow; E:機(jī)械化打漿平地 Mechanized beating flat; F:打漿平地機(jī) Batter grader.

液一體化技術(shù)，對(duì)耕深自動(dòng)調(diào)節(jié)進(jìn)行了廣泛研究。國(guó)外將電液懸掛系統(tǒng)應(yīng)用到拖拉機(jī)上的典型代表有Jonh Deere、CASE、AGCO旗下的Massey Ferguson和Deutz-Fahr等。Lee等[3]利用傳感器測(cè)量拖拉機(jī)提升臂距離、機(jī)具與地面間相對(duì)高度和拖拉機(jī)俯仰角，通過信號(hào)輸出控制三點(diǎn)懸掛機(jī)構(gòu)，有效提升了耕深控制精度，控制系統(tǒng)原理圖如圖3所示。Kim等[4]設(shè)計(jì)了一種耕作深度實(shí)時(shí)測(cè)量裝置與系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了耕深自動(dòng)控制，耕作深度實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)的配置如圖4所示。國(guó)內(nèi)謝斌等[5]分析了傾角傳感器的輸出特性，得出傳感器電壓值與耕深的線性關(guān)系，結(jié)合閉環(huán)實(shí)現(xiàn)耕深的自動(dòng)控制。商高高等[6]基于PID模糊控制設(shè)計(jì)了耕深自動(dòng)檢測(cè)與控制系統(tǒng)。白學(xué)峰等[7]基于模糊控制并結(jié)合拖拉機(jī)滑轉(zhuǎn)率的檢測(cè)分析，對(duì)自動(dòng)耕深系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析與試驗(yàn)。耕深調(diào)節(jié)多依賴拖拉機(jī)進(jìn)行懸掛式作業(yè)，由于水田作業(yè)環(huán)境的特殊性，機(jī)具作業(yè)時(shí)需同步考慮水田地形起伏變化、拖拉機(jī)滑移率、傳感器響應(yīng)特性、機(jī)器行走中產(chǎn)生的振動(dòng)等多方面因素的影響。

圖3 耕深電液控制系統(tǒng)原理圖Fig.3 Schematic diagram of electro-hydraulic control system of tillage depth

圖4 耕作深度實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)Fig.4 Real-time measurement system of tillage depth

1.2 自動(dòng)平地技術(shù)

針對(duì)耕整地作業(yè)中存在的平整作業(yè)精度低的問題，美國(guó)Trimble公司開發(fā)的FieldLevel Ⅱ平地系統(tǒng)，利用厘米級(jí)PTK-GPS差分定位可以精確采集農(nóng)田地勢(shì)變化信息，根據(jù)計(jì)算的基準(zhǔn)高程和平地鏟高程之間的差值自動(dòng)調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)，進(jìn)而控制機(jī)具的升降。國(guó)內(nèi)趙潤(rùn)茂等[8]設(shè)計(jì)了激光控制水田打漿平地機(jī)，控制原理如圖5所示。王少農(nóng)等[9]開發(fā)的精準(zhǔn)平地系統(tǒng)具有響應(yīng)速度快、受環(huán)境干擾小、平地作業(yè)高程偏差小等特點(diǎn)。周俊等[10]采用模糊PID控制算法設(shè)計(jì)了一種基于GNSS的智能水田旋耕平地機(jī)，經(jīng)水田平整試驗(yàn)平整度達(dá)3 cm。

在水稻耕整地智能化應(yīng)用方面，我國(guó)對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用相比國(guó)外起步較晚。國(guó)內(nèi)雖對(duì)耕深智能檢測(cè)和自動(dòng)平地技術(shù)開展了廣泛的研究，但是并未形成規(guī)?；耐茝V和應(yīng)用。結(jié)合無(wú)人駕駛拖拉機(jī)研制配套的智能化耕整地機(jī)具，可快速采集農(nóng)田地形，智能規(guī)劃整地路徑，并在耕整地機(jī)械的基礎(chǔ)上增加打漿、壓實(shí)、開溝、施肥等功能，不斷提高耕整地作業(yè)質(zhì)量和作業(yè)效率，是稻田平整的重點(diǎn)方向。

1.拖拉機(jī) Tractor; 2.位移傳感器 Displacement sensor; 3.液壓油缸 Hydraulic cylinder; 4.鋼絲拉繩 Agricultural machinery; 5.農(nóng)機(jī)具 Agricultural implements; 6.轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) Steering mechanism; 7.滾角傳感系統(tǒng) Roll angle sensing system; 8.自動(dòng)調(diào)平控制器 Automatic leveling controller.

2 水稻種植智能化技術(shù)研究進(jìn)展

2.1 水稻育秧移栽

從育秧方式上，機(jī)械移栽分為毯狀苗移栽和缽體苗移栽，插秧機(jī)機(jī)插作業(yè)時(shí)多使用毯狀苗，缽苗移栽是水稻秧苗采用營(yíng)養(yǎng)缽培育后進(jìn)行移栽作業(yè)。移栽機(jī)構(gòu)是移栽機(jī)的核心部件，其質(zhì)量直接決定整機(jī)的工作性能。

1)水稻工廠化設(shè)施育秧技術(shù)。水稻工廠化育秧是促進(jìn)水稻增產(chǎn)、農(nóng)業(yè)增效、農(nóng)民增收的重要措施，工廠化育秧多采用生產(chǎn)線型式，通過除芒機(jī)、精選機(jī)或催芽器進(jìn)行種子處理，使用碎土篩土機(jī)、土壤肥料拌合機(jī)和床土輸送等設(shè)備進(jìn)行苗床準(zhǔn)備；采用播種覆土聯(lián)合播種機(jī)進(jìn)行水稻播種，借助噴霧機(jī)、施肥機(jī)進(jìn)行苗期管理，育秧設(shè)備如圖6所示。①水稻秧盤育秧精密播種性能檢測(cè)技術(shù)。為提高水稻播種精度，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者采用光電傳感技術(shù)、機(jī)器視覺等方法檢測(cè)秧盤育秧精密播種性能。Mebatsion等[11]利用傅立葉橢圓描述粘連稻種圖像的邊界，根據(jù)凹點(diǎn)最短原則分割粘連稻種。Urena等[12]開發(fā)了工廠化育秧播種檢測(cè)系統(tǒng)，提出用圖像處理技術(shù)實(shí)時(shí)檢測(cè)漏播問題。國(guó)內(nèi)董文浩等[13]基于嵌入式機(jī)器視覺檢測(cè)裝置實(shí)現(xiàn)了播種量的閉環(huán)智能控制。何培祥等[14]采用光電傳感器控制穴盤精密播種裝置，試驗(yàn)結(jié)果顯示單粒率達(dá)98%以上，重播率小于2%。劉彩玲等[15]設(shè)計(jì)了一種氣吸式水稻缽盤精量播種裝置，滿足工廠化缽盤育秧空穴率低、單粒率高的要求。譚穗妍等[16]基于機(jī)器視覺和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了播量的精確監(jiān)測(cè)。

A:種子精選機(jī) Seed cleaner; B:水稻種子催芽 Prompt germination of rice seeds; C:2BPX-800X水稻秧盤播種機(jī) 2BPX-800X rice tray planter; D:水稻秧苗 Rice seedlings; E:水稻秧盤輸送機(jī) Rice tray conveyor; F:水稻秧盤 Rice seedling tray.

②水稻秧盤育秧智能補(bǔ)種技術(shù)。水稻秧盤育秧漏播補(bǔ)種技術(shù)能夠降低精密播種空穴率，Mganilwa等[17]基于機(jī)器視覺實(shí)現(xiàn)移動(dòng)秧盤種子漏播檢測(cè)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)種。王桂蓮等[18]采用LabVIEW模塊進(jìn)行圖像處理和穴位坐標(biāo)分析，實(shí)現(xiàn)播種質(zhì)量的在線檢測(cè)和智能補(bǔ)種，補(bǔ)種器三維模型如圖7所示。齊龍等[19]將視覺方法與水稻秧盤播種技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了水稻秧盤空穴在線檢測(cè)。水稻育秧智能化還應(yīng)用在自適應(yīng)清種、秧盤自動(dòng)供盤和疊放以及育秧環(huán)境智能監(jiān)控等方面。馬旭等[20-21]研制了一種氣動(dòng)式自動(dòng)供盤裝置，實(shí)現(xiàn)秧盤的自動(dòng)供送。

2)水稻缽苗移栽技術(shù)與裝備。水稻缽苗移栽具有不傷根、無(wú)緩苗期等優(yōu)點(diǎn)，國(guó)外研制水稻缽苗移栽機(jī)以日本井關(guān)、久保田和洋馬最為突出，日本井關(guān)PZP-80型水稻全自動(dòng)缽苗移栽機(jī)主要采用桿機(jī)構(gòu)取出一排缽苗至輸送帶上，由栽植機(jī)構(gòu)將缽苗植入田中，如圖8A所示。久保田NSPV-6CMD插秧機(jī)搭載自主研發(fā)的北斗農(nóng)機(jī)直行輔助自動(dòng)駕駛系統(tǒng)、施肥器、除草劑施藥器和平地輥，可以實(shí)現(xiàn)插秧的同時(shí)直行輔助駕駛，以及平地、施肥、施藥等多功能作業(yè)，如圖8B所示。洋馬VP6乘坐式插秧機(jī)采用超級(jí)回轉(zhuǎn)式栽植臂，高速插秧不傷秧苗，如圖8C所示。移栽機(jī)構(gòu)是移栽機(jī)的核心部件，對(duì)整機(jī)工作性能產(chǎn)生直接影響，葉秉良等[22]、俞高紅等[23]、吳國(guó)懷等[24]為提高水稻缽苗取苗成功率和栽植效果，對(duì)移栽機(jī)構(gòu)進(jìn)行了大量研究，提出了多種移栽機(jī)構(gòu)形式，包括旋轉(zhuǎn)式、夾缽式、非圓齒輪行星輪系式和三移栽臂非圓齒輪行星系式。蔡金平等[25]提出了一種新型的曲柄搖桿夾持式水稻缽苗移栽裝置，并設(shè)計(jì)了一種行距可變的缽苗移栽裝置，平均取苗成功率達(dá)到89.96%。左彥軍等[26]設(shè)計(jì)了非圓齒輪行星輪系缽苗移栽機(jī)構(gòu)，可依次完成取秧、送秧和栽植3 個(gè)動(dòng)作。國(guó)內(nèi)代表機(jī)型有吉林鑫華裕農(nóng)業(yè)裝備有限公司生產(chǎn)的2ZB-630獨(dú)輪乘坐式以及2ZBM-430手扶式缽苗移栽機(jī)，常州亞美柯機(jī)械設(shè)備有限公司生產(chǎn)的日神2ZB-6(RX-60AM)乘坐式缽苗移栽機(jī)等如圖8D所示。

1.復(fù)位傳感器 Reset sensor; 2.氣缸1 Cylinder 1; 3.氣缸2 Cylinder 2; 4.氣缸3 Cylinder 3; 5.吸針Suction needle.

A:日本井關(guān)PZP-80型水稻全自動(dòng)缽苗移栽機(jī) Iigoseki PZP-80 rice automatic pot seedling transplanter; B:久保田NSPV-6CMD插秧機(jī) Kubota NSPV-6CMD rice transplanter; C:洋馬VP6乘坐式插秧機(jī) Yang Ma VP6 ride type rice transplanter;D:2ZB-6(RX-60AM)乘坐式缽苗移栽機(jī)2ZB-6 (RX-60AM) ride pot seedling transplanter.

在育秧方面，現(xiàn)階段基于智能化水稻工廠化育秧的農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備多集中在智能化取種檢測(cè)、漏播檢測(cè)和定點(diǎn)投種檢測(cè)，檢測(cè)系統(tǒng)單一，各檢測(cè)系統(tǒng)間沒有形成密切聯(lián)系，缺少檢測(cè)后的即時(shí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。在移栽方面，目前研究主要集中在優(yōu)化栽植系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，還未涉及大田作業(yè)的水稻全自動(dòng)移栽機(jī)械。完善栽植機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡和執(zhí)行策略，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、自動(dòng)、高效移栽作業(yè)，是未來全自動(dòng)移栽機(jī)械發(fā)展的方向。

2.2 水稻直播

機(jī)械水直播和機(jī)械旱直播是水稻機(jī)械化直播的兩種形式[27]，我國(guó)南方地區(qū)多應(yīng)用機(jī)械水直播，以芽種條播為主，代表機(jī)型有2BD 型水稻精量穴直播機(jī)和2BD 型折疊式寬幅水稻精量穴直播機(jī)。黑龍江、新疆、寧夏和山東等地多采用機(jī)械旱直播，旱直播代表機(jī)型有2BDH 型水稻精量旱穴直播機(jī)和2BDQJ-20 氣吹集排式水稻旱直播機(jī)，如圖9所示。采用直播技術(shù)時(shí)，播量過多造成稻谷浪費(fèi)，播量過少難以保證田間成活率，因此，需精確控制播種量。排種器是控制播種精度的關(guān)鍵部件，國(guó)外水稻精量排種器型式較多，日本洋馬公司采用槍管式排種器和水平圓盤式排種器，久保田和東洋等公司采用槽輪排種器。機(jī)械式和氣力式排種器是國(guó)內(nèi)常見的兩種水稻精量直播排種器，機(jī)械式直播機(jī)多通過地輪驅(qū)動(dòng)排種器，氣力式直播機(jī)借助風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的氣流實(shí)現(xiàn)排種。

A:機(jī)械化水直播 Mechanized rice water direct seeding; B:機(jī)械化旱直播 Mechanized rice drought direct seeding.

為提高水稻機(jī)械式精量排種器的排種精度，張明華等[28]設(shè)計(jì)了一種由型孔輪殼、型孔輪和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組成的組合型孔排種器。水稻播種時(shí)有破胸露白的普通種子和芽種之分，水稻芽種形狀復(fù)雜，機(jī)械式排種器芽種難以充進(jìn)型孔，易產(chǎn)生機(jī)械損傷，針對(duì)此問題，羅錫文等[29]設(shè)計(jì)了一種具有2 個(gè)充種室的型孔式水稻精量穴直播排種器。氣力式水稻排種器與機(jī)械式相比具有播量精確、傷種率低等特點(diǎn)，針對(duì)氣力式水稻精量排種器，張國(guó)忠等[30]針對(duì)雜交水稻3～4 粒/穴精量直播要求，采用3種方法進(jìn)行研究：(1)設(shè)計(jì)了1種垂直粘貼于吸種盤表面的直線型攪種齒，降低了種子與吸種盤間的速度差；(2)在排種器的吸種盤上設(shè)計(jì)并安裝由2 個(gè)攪種齒組成的導(dǎo)向型攪種裝置；(3)設(shè)計(jì)1種用于水稻氣力式精量排種器的具有群布吸孔的吸種盤。邢赫等[31]也分析了水稻氣力式排種器的稻種在送種正壓作用下脫離排種盤后的軌跡及其投種成穴性，為改善稻種的重吸附現(xiàn)象，設(shè)計(jì)了一種垂直于排種盤平面的清種裝置。杜俊等[32]、梅志雄等[33]設(shè)計(jì)了一種稻麥通用型氣力滾筒式精量排種器，通過性能試驗(yàn)探究了轉(zhuǎn)速、傾斜角度和出種孔對(duì)稻麥穴播合格率、重播率的影響。受水稻品種、氣候環(huán)境和土壤類型等因素影響，需根據(jù)各地域?qū)嶋H生產(chǎn)需求，研究不同類型的水稻精量直播機(jī)具與裝備。

針對(duì)水稻直播精量播種控制精度低、易漏播等問題，國(guó)外LEMKEN公司的播種機(jī)代表機(jī)型Saphir系列可通過操作電腦控制終端Easytronic系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)播量預(yù)設(shè)、播量校對(duì)和施肥量校準(zhǔn)，完成多種作物的播種作業(yè)[34]。國(guó)內(nèi)李洪昌等[35]設(shè)計(jì)了一套水稻直播機(jī)播量自動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)檢測(cè)排種管內(nèi)的播種量，當(dāng)出現(xiàn)卡種、排量變異系數(shù)較大情況時(shí)，通過發(fā)出報(bào)警及時(shí)對(duì)作業(yè)做出調(diào)整。王在滿等[36]設(shè)計(jì)了水稻精量穴直播機(jī)播量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，控制系統(tǒng)如圖10所示。林頍等[37]通過下位機(jī)監(jiān)測(cè)各播行的播種情況、上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和控制，設(shè)計(jì)了一種播種實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了播種作業(yè)的自動(dòng)監(jiān)測(cè)。趙天才等[38]利用PID調(diào)速算法和排種軸反饋轉(zhuǎn)速對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)水稻直播機(jī)播量控制。祁兵等[39]擬合出4種稻種狀態(tài)下排種量與種層高度、排種輪轉(zhuǎn)速的回歸模型。建立水稻旱直播和水直播播量監(jiān)測(cè)、漏播監(jiān)測(cè)等智能化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)滿足水稻精量直播要求、推動(dòng)智能化技術(shù)在水稻直播中的應(yīng)用具有重要意義。

圖10 水稻直播機(jī)控制系統(tǒng)Fig.10 Control system of rice seeding machine

3 田間管理智能化技術(shù)研究進(jìn)展

田間管理貫穿了水稻從播種到收獲的整個(gè)流程，主要包括灌溉、施肥、除草和病蟲害施藥4個(gè)環(huán)節(jié)。

3.1 節(jié)水灌溉技術(shù)

目前國(guó)內(nèi)設(shè)施農(nóng)業(yè)智能灌溉系統(tǒng)側(cè)重于噴灌和滴灌，水稻大田種植多運(yùn)用改造電磁閥或蝶閥控制方式的明渠灌溉[40]。作為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)重要組成部分的節(jié)水灌溉技術(shù)是水稻灌溉關(guān)鍵技術(shù)之一，節(jié)水灌溉是根據(jù)作物生長(zhǎng)所需要的水分控制灌溉用水量。

針對(duì)水稻大田種植灌溉，匡迎春等[41]以田間含水率作為輸入，灌溉時(shí)間為輸出，建立模糊控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一套精準(zhǔn)閉環(huán)全自動(dòng)水稻大田灌溉系統(tǒng)。于婷婷等[42]設(shè)計(jì)了一套基于GPRS和GSM的水稻智能灌溉系統(tǒng)，通過液位傳感器獲取田間水位信息，并根據(jù)水稻不同時(shí)期的需水量完成灌溉或排水操作，灌溉控制精度在93%以上。張伶鳦等[43]基于調(diào)虧理論和模糊控制設(shè)計(jì)了寒地水稻智能灌溉系統(tǒng)，并在大田進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果表明智能調(diào)虧控制下節(jié)水效果明顯。紀(jì)建偉等[44]提出了一種基于PLC和組態(tài)軟件的稻田灌溉自動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了稻田自動(dòng)化灌溉控制。

針對(duì)設(shè)施農(nóng)業(yè)水稻種植灌溉，石建飛等[45]基于PLC對(duì)水稻農(nóng)田土壤水分、水位、設(shè)備工作狀態(tài)等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與分析，實(shí)現(xiàn)灌溉與施肥自動(dòng)控制；李野[46]基于ZigBee 技術(shù)設(shè)計(jì)了水稻自動(dòng)灌溉控制系統(tǒng)，對(duì)設(shè)備進(jìn)行智能化自動(dòng)灌溉控制，實(shí)現(xiàn)了無(wú)人值守的遠(yuǎn)程水稻灌溉監(jiān)控；趙榮陽(yáng)等[47]設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的水稻自動(dòng)灌溉系統(tǒng)，用戶可以設(shè)置ZigBee 終端節(jié)點(diǎn)水位的上、下限閾值實(shí)現(xiàn)自動(dòng)灌溉。劉峰[48]基于PLC設(shè)計(jì)水稻智能排水及灌溉系統(tǒng)，保證稻田水位維持在預(yù)設(shè)高度。在灌溉方面，將遙感和地理信息系統(tǒng)融入灌區(qū)運(yùn)營(yíng)之中，建立智能化和網(wǎng)絡(luò)化的生產(chǎn)灌溉系統(tǒng)可有效提高水資源利用效率(圖11)。

圖11 水稻設(shè)施農(nóng)業(yè)智能灌溉系統(tǒng) Fig.11 Intelligent irrigation system for rice facility agriculture

3.2 變量施肥技術(shù)

水田土壤含水率高，流動(dòng)性強(qiáng)，肥料深施是一種節(jié)本增效的施肥方式，多依靠機(jī)械同步施肥。變量施肥技術(shù)可有效提高施肥精度[49]。針對(duì)水稻旱直播生產(chǎn)中施肥環(huán)節(jié)存在的依靠機(jī)械全層施肥和表面作業(yè)導(dǎo)致施肥不均勻或用量過大等問題，曾山等[50]在同步開溝起壟水稻精量穴直播技術(shù)基礎(chǔ)上，提出了一種同步開溝起壟施肥水稻精量旱穴直播技術(shù)，并研制了與該技術(shù)配套的同步開溝起壟施肥水稻精量旱穴直播機(jī)。由于水田土壤含水率高，流動(dòng)性強(qiáng)，對(duì)排肥器的排肥性能要求更高。陳雄飛等[51]設(shè)計(jì)了一種兩級(jí)螺旋排肥裝置，并根據(jù)水稻同步深施肥精量穴播技術(shù)的要求，設(shè)計(jì)了2BD-3.0 型同步側(cè)位深施肥水稻精量穴直播機(jī)。目前水稻變量施肥控制系統(tǒng)多基于旱田變量施肥控制系統(tǒng)開發(fā)，Yu等[52]設(shè)計(jì)了適用于稻田及顆粒肥的變量施肥系統(tǒng)，并對(duì)系統(tǒng)的控制性能和放電特性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。楊程等[53]基于PID實(shí)現(xiàn)了排肥電機(jī)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制，設(shè)計(jì)了氣力式變量施肥控制系統(tǒng)；曾山等[54]研制了一種水稻直播機(jī)氣流式分層施肥系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠調(diào)節(jié)深層施肥量和淺層施肥量分配比例滿足水稻分層施肥要求。以上研究均以固態(tài)肥為基礎(chǔ)進(jìn)行研究，液態(tài)肥具有易吸收、有利于實(shí)現(xiàn)水肥一體化管理等優(yōu)點(diǎn)。隨著規(guī)?；⒓s化生產(chǎn)與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，適用于設(shè)施農(nóng)業(yè)的水肥一體化技術(shù)、同步開溝起壟施肥水稻精量水穴直播技術(shù)、水稻插秧過程中同步向水稻根側(cè)精量施肥的機(jī)插秧同步側(cè)深施肥技術(shù)等技術(shù)，可有效提高肥料利用率、促進(jìn)水稻生長(zhǎng)。水肥一體化技術(shù)為變量施肥提供了有利條件，變量施肥技術(shù)與耕整地、播種、灌溉、雜草與病蟲害防治等環(huán)節(jié)的融合有利于機(jī)具集約化作業(yè)(圖12)。

圖12 水肥一體化灌溉系統(tǒng)Fig.12 Integrated irrigation system of water and fertilizer

3.3 水田智能機(jī)械除草技術(shù)

步進(jìn)式和乘坐式是水稻田間除草機(jī)常見的兩種形式，國(guó)外步進(jìn)式水稻田間除草機(jī)代表機(jī)型有日本和同產(chǎn)業(yè)MSJ-4型步進(jìn)式水稻田間除草機(jī)、美善株式會(huì)社研發(fā)的SMW步進(jìn)式水田除草機(jī)，如圖13A所示。日本生研機(jī)構(gòu)研制的擺動(dòng)式水田除草機(jī)，如圖13B所示。乘坐式水田除草機(jī)如圖13C所示，代表機(jī)型還有洋馬SJVP系列、久保田SJ-6(8)N系列、井關(guān)SJ-6(8)IVZ系列水田除草機(jī)。國(guó)內(nèi)水稻田間除草機(jī)代表機(jī)型有SZD-6 旋耕式水田中耕除草機(jī)、2BYS-6 型水田中耕除草機(jī)、3ZS-1 水田除草機(jī)。國(guó)內(nèi)水田除草技術(shù)關(guān)鍵在于提高株間除草率，通過田間雜草與稻株根系深淺差異控制除草部件作業(yè)的工作深度實(shí)現(xiàn)株間除草。

隨著傳感器和人工智能技術(shù)的應(yīng)用，雜草視覺識(shí)別技術(shù)發(fā)展迅速，并應(yīng)用于除草機(jī)器人的研究。為了提高除草精度，減少傷苗率，降低能耗，水田除草機(jī)器人逐漸向智能化、仿生化和多技術(shù)聯(lián)合化發(fā)展。水田智能機(jī)械除草技術(shù)利用雜草感知功能、識(shí)別雜草的分布信息、位置和生長(zhǎng)密度等關(guān)鍵信息，控制除草機(jī)執(zhí)行部件精確去除雜草[55-57]。國(guó)外基于機(jī)器視覺識(shí)別技術(shù)研發(fā)出的較為成熟的除草機(jī)器人產(chǎn)品有瑞士ECO Process &solutions公司2021年最新發(fā)布的Moondino稻田自動(dòng)除草機(jī)器人，如圖13D所示，該機(jī)器人由太陽(yáng)能電池板持續(xù)供電，能夠在稻田自動(dòng)行走、執(zhí)行除草和填充等操作。美國(guó)NTech公司針對(duì)除草裝備開發(fā)了雜草探測(cè)傳感器WeedSeeker，可以對(duì)稻田雜草進(jìn)行實(shí)時(shí)識(shí)別[58]。日本石井農(nóng)機(jī)株式會(huì)社基于距離傳感器和機(jī)器視覺識(shí)別系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了水稻田間避苗技術(shù)。Sori等[59]使用電容式觸摸傳感器檢測(cè)水稻幼苗，通過攪拌土壤和水將雜草埋于水田中，阻礙雜草的光合作用防治雜草。國(guó)內(nèi)蔣郁等[60-61]及Jiang等[62]根據(jù)水田作業(yè)特點(diǎn)設(shè)計(jì)了一種水稻株間除草裝置，并基于機(jī)器視覺開發(fā)了水稻植株定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)株間除草。

A:SMW型步進(jìn)式水田除草機(jī) SMW type stepping paddy weeding machine; B:擺動(dòng)式水田除草機(jī) Paddy weeding machine of swing type; C:RW-50型水田除草機(jī) Paddy weeding machine of the RW-50 type;D:Moondino 稻田除草機(jī)器人 Moondino rice field weeding robot.

由于稻田環(huán)境的復(fù)雜性，將機(jī)器視覺除草技術(shù)與機(jī)器觸覺除草技術(shù)相融合，提高水田雜草識(shí)別精度，并將機(jī)械除草技術(shù)、化學(xué)除草技術(shù)、生物除草技術(shù)及仿生除草技術(shù)等有機(jī)結(jié)合，改善稻田除草效果。

3.4 稻田病蟲害施藥技術(shù)

農(nóng)作物病蟲害是制約我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要災(zāi)害之一，水田植保是我國(guó)水稻生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，水稻植保作業(yè)方式主要包括地面噴藥作業(yè)和航空噴藥作業(yè)。

1)稻田地面精準(zhǔn)噴藥技術(shù)。水田變量噴霧和高地隙寬幅噴霧是水田精準(zhǔn)噴施的關(guān)鍵技術(shù)。劉兆朋等[63]基于GNSS，以雷沃高地隙噴桿噴霧機(jī)為平臺(tái)，在實(shí)現(xiàn)噴霧作業(yè)的基礎(chǔ)上開發(fā)了能夠?qū)崿F(xiàn)直線、地頭轉(zhuǎn)彎的自動(dòng)導(dǎo)航作業(yè)系統(tǒng)。高地隙植保機(jī)械方面，曾山等[64]設(shè)計(jì)了一種輕型且水田通過性好、壓苗少的高地隙噴霧機(jī)輪履復(fù)合動(dòng)力底盤；邢全道等[65]研制了高地隙窄形橡膠履帶行走系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)植保噴霧機(jī)的作業(yè)；王金武等[66]研制了高地隙折腰式水田多功能動(dòng)力底盤；曾愛平等[67]研制了一種液壓后驅(qū)動(dòng)式輕型農(nóng)機(jī)水田自走底盤。由于水田環(huán)境的復(fù)雜性和水稻種植的農(nóng)藝特點(diǎn)，自走式噴藥機(jī)對(duì)水田土壤環(huán)境擾動(dòng)較大。隨著無(wú)人機(jī)的相對(duì)成熟，無(wú)人機(jī)噴藥成為未來噴施農(nóng)藥的“主力軍”。

2)稻田航空植保噴藥技術(shù)。航空植保無(wú)人機(jī)能夠減小傳統(tǒng)植保技術(shù)受作物長(zhǎng)勢(shì)和地理因素的限制，解決了水稻生長(zhǎng)過程中地面機(jī)械難以下田作業(yè)的問題，逐漸成為一種現(xiàn)代化施藥機(jī)械。王玲等[68]研究了風(fēng)場(chǎng)因素對(duì)水稻植保作業(yè)的影響，對(duì)于合理使用無(wú)人機(jī)、提高噴施效率具有重要指導(dǎo)意義，并設(shè)計(jì)了微型無(wú)人機(jī)脈寬調(diào)制型變量噴藥系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了變量噴霧調(diào)節(jié)。張菡[69]研制了一種植保無(wú)人機(jī)變量噴藥控制系統(tǒng)，依據(jù)水稻受病害等級(jí)進(jìn)行無(wú)人機(jī)變量噴藥。邢航等[70]設(shè)計(jì)了能夠?qū)崿F(xiàn)植保無(wú)人機(jī)變量噴灑過程的PC地面監(jiān)控系統(tǒng)，可通過藍(lán)牙實(shí)現(xiàn)手機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

3)無(wú)人機(jī)遙感影像病蟲害監(jiān)測(cè)技術(shù)。近年來，深度學(xué)習(xí)和無(wú)人機(jī)遙感開始應(yīng)用于遙感影像信息提取研究中。Sugiura等[71]利用無(wú)人機(jī)搭載成像設(shè)備對(duì)小區(qū)域田塊進(jìn)行航空拍攝，分析了作物生長(zhǎng)狀況。Qin等[72]采用無(wú)人機(jī)機(jī)載高光譜數(shù)據(jù)分析了紋枯病脅迫下的水稻光譜特征。孫盈蕊[73]基于低空無(wú)人機(jī)平臺(tái)搭載高清成像儀獲取了冠層水稻高清圖像，并將監(jiān)測(cè)到的病蟲害信息轉(zhuǎn)化為了噴灑信息。李昂等[74]運(yùn)用K均值聚類算法對(duì)無(wú)人機(jī)獲取的水稻冠層高清圖像進(jìn)行圖像分割和聚類分析,進(jìn)而估算水稻產(chǎn)量。荀棟[75]以TH80-1型植保無(wú)人機(jī)作為試驗(yàn)平臺(tái)，針對(duì)水稻病蟲害的防治飛控參數(shù)、藥劑配方和防治效果等進(jìn)行了詳細(xì)的研究。圖像處理技術(shù)能夠減小傳統(tǒng)依賴人工識(shí)別帶來的主觀偏差[76]。姚青等[77]建立了分布式移動(dòng)農(nóng)業(yè)病蟲害圖像采集與診斷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了圖像定位采集、圖像識(shí)別與診斷任務(wù)。建立全國(guó)尺度作物病蟲害信息庫(kù)和服務(wù)平臺(tái)，方便用戶通過專家系統(tǒng)進(jìn)行病情診斷或咨詢，實(shí)現(xiàn)不同地區(qū)之間信息共享，有利于農(nóng)業(yè)病蟲害實(shí)時(shí)監(jiān)控和有效控制。

4 水稻收獲智能化技術(shù)研究進(jìn)展

水稻聯(lián)合收獲機(jī)是集作物切割、輸送、脫粒分離、雜余清選、集糧運(yùn)輸?shù)裙δ転橐惑w的谷物收獲作業(yè)機(jī)械[78]。收割機(jī)需長(zhǎng)時(shí)間超負(fù)荷工作，建立水稻聯(lián)合收獲機(jī)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)各個(gè)部件運(yùn)行狀況智能監(jiān)測(cè)和故障的提前預(yù)警，對(duì)提高水稻聯(lián)合收獲機(jī)工作效率、延長(zhǎng)收獲機(jī)各部件的使用壽命、減輕人工勞動(dòng)強(qiáng)度、推動(dòng)我國(guó)谷物收獲機(jī)的自動(dòng)化和智能化進(jìn)程有著重要的意義[79]。

4.1 關(guān)鍵部件監(jiān)測(cè)和智能控制技術(shù)

John Deere 70系列STS水稻聯(lián)合收獲機(jī)能根據(jù)作物屬性調(diào)整脫粒滾筒轉(zhuǎn)速、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和篩子開度，可按照最小收獲損失和最大收獲效率兩種模式進(jìn)行作業(yè)，實(shí)現(xiàn)收獲谷物產(chǎn)量和濕度信息的在線檢測(cè)與信息保存，其駕駛室監(jiān)測(cè)界面如圖14A所示。CASE公司生產(chǎn)的AFS系統(tǒng)水稻聯(lián)合收獲機(jī)安裝有多種先進(jìn)傳感器，實(shí)時(shí)采集收割機(jī)作業(yè)狀態(tài)、產(chǎn)量信息、燃油消耗情況及設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)情況等，其中IH8010型水稻聯(lián)合收獲機(jī)可自動(dòng)調(diào)節(jié)割臺(tái)升降，配有全自動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，其駕駛室監(jiān)測(cè)界面如圖14B所示。AGCO代表機(jī)型為Massey Ferguson 9000系列聯(lián)合收割機(jī)，該收獲機(jī)的Field star智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)谷物收獲狀態(tài)，喂入量過大時(shí)，通過聲光警報(bào)提示駕駛?cè)藛T及時(shí)調(diào)整工作參數(shù)，其駕駛室監(jiān)測(cè)界面如圖14C所示，安裝了磁吸式仿形傳感器，能夠完成割臺(tái)高度的自我調(diào)控[80]。CLASS代表機(jī)型LEXION 700系列聯(lián)合收獲機(jī)，具有CEMOS AUTOMATIC自動(dòng)匹配功能，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)、APS脫粒系統(tǒng)和ROTO PLUS雜余谷物軸流分離系統(tǒng)，其駕駛室監(jiān)測(cè)界面如圖14D所示。

A:John Deere收獲機(jī)監(jiān)測(cè)界面 John Deere harvester monitoring interface; B:CASE收獲機(jī)監(jiān)測(cè)界面 CASE harvester monitoring interface; C:AGCO收獲機(jī)監(jiān)測(cè)界面 AGCO harvester monitoring interface; D:CLASS收獲機(jī)監(jiān)測(cè)界面 CLASS harvester monitoring interface.

聯(lián)合收獲機(jī)關(guān)鍵部件監(jiān)測(cè)主要包括：提升絞龍轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)、過橋轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)、雜余絞龍轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)、滾筒轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)、出糧絞龍轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)等，如圖15所示。國(guó)內(nèi)趙勝華等[81-82]采用薄膜傳感器檢測(cè)脫粒滾筒喂入量，分析了喂入量、滾筒轉(zhuǎn)速和薄膜傳感器采集到的電阻信號(hào)之間的關(guān)系；梁學(xué)修等[83]設(shè)計(jì)了間接監(jiān)測(cè)喂入量的方法與系統(tǒng)，結(jié)果表明喂入量在線監(jiān)測(cè)誤差保持在5%以內(nèi)。李耀明等[84]利用液壓油缸壓力大小反映脫粒滾筒負(fù)荷變化，設(shè)計(jì)了能夠?qū)崿F(xiàn)脫粒滾筒負(fù)荷監(jiān)測(cè)的凹板間隙調(diào)節(jié)裝置；謝干等[85]設(shè)計(jì)了一種鼓形桿齒式縱軸流脫粒滾筒，并對(duì)其功耗進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果表明鼓形脫粒滾筒能夠降低脫粒滾筒平均功耗。我國(guó)水稻聯(lián)合收獲機(jī)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)目前仍停留在研發(fā)階段，在智能調(diào)控方面，雖基本能夠?qū)崿F(xiàn)田間作業(yè)故障預(yù)警與關(guān)鍵部件監(jiān)測(cè)，但監(jiān)測(cè)精度不高，缺少先進(jìn)的控制系統(tǒng)來應(yīng)對(duì)復(fù)雜田間作業(yè)環(huán)境中出現(xiàn)的機(jī)器堵塞等突發(fā)故障。

A:提升絞龍轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè) Improve the monitor of rotor speed; B:風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè) Fan speed monitoring; C:過橋轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè) Bridge speed monitoring; D:雜余絞龍轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè) Monitor the speed of miscellaneous stranded dragon; E:切流滾筒轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)Tangential drum speed monitoring; F:縱軸流滾筒轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè) Longitudinal axial flow drum speed monitoring; G:撥禾絞龍轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè) Dial grain twister speed monitoring; H:出糧絞龍轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè) Monitor the rotation speed of grain cutter.

4.2 含雜率、破損率在線檢測(cè)技術(shù)

日本Mahirah等[86]基于機(jī)器視覺，設(shè)計(jì)了一套能夠計(jì)算水稻中的雜質(zhì)和破碎谷物比例的裝置。國(guó)內(nèi)對(duì)谷物含雜率、破碎率在線監(jiān)測(cè)方面研究較少，顧琰[87]研究了水稻圖像中的雜質(zhì)和破碎水稻識(shí)別算法，利用機(jī)器視覺方法研制出了一種含雜率、破碎率在線監(jiān)測(cè)裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)谷物中的雜質(zhì)和破碎籽粒含量的在線檢測(cè)，并及時(shí)檢查和調(diào)整作業(yè)參數(shù)。針對(duì)水稻大田作業(yè)，蔡澤宇[88]基于光電式傳感器實(shí)現(xiàn)了水稻大田作業(yè)的產(chǎn)量監(jiān)測(cè)。李朋磊等[89]基于高光譜和激光雷達(dá)遙感技術(shù)對(duì)水稻產(chǎn)量進(jìn)行了監(jiān)測(cè)研究，為水稻產(chǎn)量監(jiān)測(cè)提供了新的方法。以產(chǎn)量信息為基礎(chǔ)建立水稻產(chǎn)量分布圖可顯示大田產(chǎn)量空間差異。建立水稻聯(lián)合收獲機(jī)各關(guān)鍵部件智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)故障的提前預(yù)警與自我調(diào)控，對(duì)于提高水稻聯(lián)合收獲機(jī)的工作效率，減輕人工勞動(dòng)強(qiáng)度，增加收獲機(jī)各部件的使用壽命，推動(dòng)我國(guó)谷物收獲機(jī)的自動(dòng)化、智能化、現(xiàn)代化進(jìn)程有著重要的意義。

4.3 再生稻收獲技術(shù)

再生稻是指通過特定的栽培方式使割過的水稻稻茬再次發(fā)育成穗的一種種植模式，具有一種兩收、省工省時(shí)等優(yōu)點(diǎn)。為提高再生稻產(chǎn)量，頭季收獲時(shí)要求稻茬碾壓率低、收獲機(jī)底盤田間通過性強(qiáng)、莖稈含水率高、收獲機(jī)對(duì)青濕莖稈輸送和脫粒效果好。針對(duì)再生稻頭季收獲特殊農(nóng)藝要求，普通水稻聯(lián)合收獲機(jī)行走履帶較寬，收獲再生稻碾壓率高，且底盤離地間隙低，易刮擦再生稻稻茬，破壞再生芽活性。

國(guó)外目前尚未開展再生稻頭季收獲專用機(jī)型及相關(guān)技術(shù)研究。國(guó)內(nèi)張國(guó)忠團(tuán)隊(duì)從田間行走碾壓、田間通過性、路徑規(guī)劃和收割方式等方面展開了大量研究，從減少田間碾壓和減少秸稈在田間殘茬上的堆積角度出發(fā)，設(shè)計(jì)了一種專用于再生稻穗頭收獲的高地隙割穗機(jī)，如圖16A所示[90]；基于履帶式車輛設(shè)計(jì)理論，建立了全履帶式收割機(jī)田間直行及轉(zhuǎn)彎碾壓作業(yè)模型，獲取了全履帶式再生稻收割機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)要求[91]；從降低再生稻頭季收獲碾壓率角度，2017年研制了一臺(tái)輕量化、寬割幅、低碾壓的雙割臺(tái)雙滾筒全履帶式再生稻收割機(jī)，如圖16B所示[92]，2020年研制了一種雙通道喂入式再生稻收獲機(jī)，如圖16C所示[93-94]。楊禹錕等[95]從履帶式收割機(jī)收獲碾壓率高影響再生季萌發(fā)和產(chǎn)量方面考慮，設(shè)計(jì)了全喂入式再生稻收割機(jī)和三角履帶式再生稻收割機(jī)底盤。江蘇大學(xué)李耀明團(tuán)隊(duì)聯(lián)合沃得農(nóng)機(jī)研發(fā)一款再生稻聯(lián)合收獲機(jī)，如圖16D所示，從再生稻頭季收獲脫粒分離技術(shù)和清選技術(shù)出發(fā)展開研究，提出適用于再生稻聯(lián)合收獲機(jī)的縱軸流脫粒分離裝置和清選裝置[96]。

國(guó)內(nèi)多所高校和企業(yè)研制了多款再生稻聯(lián)合收獲機(jī)，涵蓋了履帶式、輪式、背負(fù)式等多種機(jī)型，但是目前都處于樣機(jī)研制階段，尚未批量生產(chǎn)。再生稻收獲機(jī)的智能化可借鑒普通水稻收獲機(jī)，主要包括關(guān)鍵部件監(jiān)測(cè)和智能控制、喂入量檢測(cè)與堵塞故障預(yù)警、含雜率和破碎率在線檢測(cè)等。其中再生稻頭季收獲過程中基于作業(yè)路徑規(guī)劃的自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)是實(shí)現(xiàn)再生稻聯(lián)合收獲機(jī)低碾壓率、高通過性、實(shí)現(xiàn)再生稻高效收獲的重要發(fā)展方向。

A:再生稻割穗機(jī) Ratoon rice head spike harvester; B:雙割臺(tái)雙滾筒全履帶式再生稻收獲機(jī) Tracked combine for ratoon rice with double-headers and double-threshing cylinders;C:雙通道喂入式再生稻收割機(jī)Double-channel feeding ratoon rice harvester;D:4LZ-6.0再生稻聯(lián)合收獲機(jī)4LZ-6.0 ratoon rice harvester.

5 自動(dòng)導(dǎo)航與無(wú)人駕駛技術(shù)研究進(jìn)展

自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用于水稻耕整地、播種、插秧、田間管理和收獲等自走式作業(yè)機(jī)械上，幾乎貫穿水稻生產(chǎn)全程機(jī)械化的整個(gè)環(huán)節(jié)。

1)耕整地方面。耕整地機(jī)械作業(yè)的動(dòng)力來源是拖拉機(jī)，自動(dòng)導(dǎo)航拖拉機(jī)進(jìn)行旋耕作業(yè)如圖17所示。國(guó)外自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)如John Deere公司的GreenStar TM衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、Hemisphere公司的Outback衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和Trimble公司的Autopilot自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)張智剛等[97]開發(fā)了一種基于RTK-DGPS的自動(dòng)導(dǎo)航控制系統(tǒng)，路徑跟蹤表明偏差絕對(duì)值的平均值為0.49 cm。呂安濤等[98]在拖拉機(jī)上搭建DGPS自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了自動(dòng)駕駛、人工駕駛、人工輔助駕駛和遙控駕駛的拖拉機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航模式。黎永鍵等[99]、王新忠等[100]、紀(jì)朝鳳等[101]基于CAN總線分別對(duì)自動(dòng)導(dǎo)航控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究，其中黎永鍵等[99]開發(fā)的自動(dòng)導(dǎo)航控制系統(tǒng)包括控制終端、GPS、電子羅盤、角度傳感器及轉(zhuǎn)向控制，控制部分采用自適應(yīng)PID控制算法，實(shí)現(xiàn)車輛的轉(zhuǎn)向控制。

圖17 自動(dòng)導(dǎo)航拖拉機(jī)旋耕作業(yè)Fig.17 Automatic navigation tractor rotary tillage operation

2)水稻插秧方面。Matsuo等[102]融合光纖陀螺儀、傾斜傳感器和地磁方向傳感器技術(shù)對(duì)水稻插秧機(jī)進(jìn)行自動(dòng)導(dǎo)航控制。國(guó)內(nèi)胡煉等[103]將插秧機(jī)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、變速機(jī)構(gòu)和插秧機(jī)具升降機(jī)構(gòu)改造為電控操作，實(shí)現(xiàn)水稻插秧自動(dòng)控制；偉利國(guó)等[104]采用RTK-GPS定位技術(shù)，增加了插秧機(jī)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、變速機(jī)構(gòu)和栽插機(jī)構(gòu)的電控功能，結(jié)合GPS技術(shù)與智能控制策略，實(shí)現(xiàn)了插秧機(jī)的自動(dòng)導(dǎo)航及地頭轉(zhuǎn)向等功能。

3)水稻直播方面。張智剛等[105]以插秧機(jī)為試驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行了電控農(nóng)機(jī)轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)及導(dǎo)航控制系統(tǒng)的相關(guān)研究。李志騰等[106]基于CAN總線開發(fā)了雙閉環(huán)軌跡跟蹤控制算法，實(shí)現(xiàn)了水田直播機(jī)檔位控制、行進(jìn)速度控制和電動(dòng)轉(zhuǎn)向控制。孫承銘[107]基于水稻智能化穴直播機(jī)開發(fā)了農(nóng)機(jī)自動(dòng)駕駛與管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)機(jī)自動(dòng)駕駛路徑規(guī)劃與實(shí)時(shí)跟蹤功能。張雁等[108]采用傾角傳感器獲取車身姿態(tài)變化角度，設(shè)計(jì)了一種能夠在泥濘水田行走和地頭轉(zhuǎn)彎的水稻直播機(jī)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)。

4)水稻收獲方面。Yanmar系列履帶式收獲機(jī)大部分采用了方向盤+FDS變速箱的驅(qū)動(dòng)操控系統(tǒng)；Kubota和井關(guān)系列收獲機(jī)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用差逆轉(zhuǎn)向(SST)的變速箱結(jié)構(gòu)，可通過作業(yè)工況需求和轉(zhuǎn)彎半徑，選擇切邊轉(zhuǎn)向、單邊制動(dòng)轉(zhuǎn)向和差逆轉(zhuǎn)向。國(guó)內(nèi)關(guān)卓懷等[109]提出一種水稻收獲作業(yè)視覺導(dǎo)航路徑提取方法，該方法適于提取水稻已收獲區(qū)域與未收獲區(qū)域分界線。丁幼春等[110]提出一種基于前視點(diǎn)的直線路徑跟蹤控制方法，構(gòu)建了輪式谷物聯(lián)合收獲機(jī)視覺導(dǎo)航控制系統(tǒng)。

我國(guó)農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)不斷突破，產(chǎn)品功能不斷優(yōu)化，逐步從單功能旱地作業(yè)、小地塊作業(yè)、簡(jiǎn)單直線行走作業(yè)向水田作業(yè)、大規(guī)模作業(yè)和按規(guī)劃路徑行走作業(yè)提檔升級(jí)。路徑跟蹤方法也逐漸擴(kuò)充到PID模糊控制、RTK-DGPS的自動(dòng)導(dǎo)航控制系統(tǒng)、CAN總線控制、GPS定位技術(shù)融合發(fā)展。

6 技術(shù)難點(diǎn)與發(fā)展趨勢(shì)

6.1 技術(shù)難點(diǎn)

常用耕深測(cè)量方法有3種，一是人工直接測(cè)量耕深；二是在犁架上安裝仿形附加裝置換算得到耕深；三是采用角度傳感器、光電距離傳感器或超聲波傳感器測(cè)量舉升臂的傾斜角度和離地高度計(jì)算耕深。耕深控制系統(tǒng)在實(shí)際耕作過程中連續(xù)測(cè)量的準(zhǔn)確性難以驗(yàn)證，成為制約耕深精度測(cè)量的一大難點(diǎn)。耕深檢測(cè)、自動(dòng)調(diào)平技術(shù)均使用傳感器采集到的數(shù)據(jù)作為感知信息傳輸給主控制器，使用傳感器采集數(shù)據(jù)時(shí)，易受水田地形起伏變化、拖拉機(jī)滑移率、傳感器響應(yīng)特性、機(jī)器行走中產(chǎn)生的振動(dòng)等方面因素的影響，數(shù)據(jù)采集易產(chǎn)生誤差，因此，研究適用于耕深智能調(diào)節(jié)和自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)的多傳感器融合裝置是提高耕深測(cè)量精度的重點(diǎn)。

水稻播種性能檢測(cè)常采用3種方法：一是采用步進(jìn)電機(jī)與光電傳感器實(shí)現(xiàn)精密播種；二是采用高速攝影監(jiān)測(cè)排種器工作狀態(tài)；三是利用機(jī)器視覺實(shí)現(xiàn)播種質(zhì)量的動(dòng)態(tài)檢測(cè)。實(shí)現(xiàn)高速排種的連續(xù)粒子流性能的準(zhǔn)確檢測(cè)是光電式播種性能檢測(cè)的主要難點(diǎn)之一。高速攝影法主要用于坐標(biāo)提取和數(shù)據(jù)分析，對(duì)精密播種裝置播種性能的在線檢測(cè)適應(yīng)性不高。精量取種、精準(zhǔn)播種、精確投種是水稻育秧精密播種監(jiān)控系統(tǒng)的主要技術(shù)難點(diǎn)，應(yīng)加強(qiáng)補(bǔ)種決策方法等相關(guān)理論研究。移栽方面，目前主要集中在優(yōu)化栽植系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，還未涉及大田作業(yè)的水稻全自動(dòng)移栽機(jī)械。提高栽植機(jī)構(gòu)作業(yè)精準(zhǔn)度、優(yōu)化排苗、取苗、供苗運(yùn)動(dòng)軌跡和執(zhí)行策略、研發(fā)自動(dòng)導(dǎo)航和路線自主規(guī)劃是全自動(dòng)移栽機(jī)械發(fā)展的重要方向。

水稻播種時(shí)有破胸露白的普通種子和芽種之分，水稻芽種形狀復(fù)雜，如何降低因芽種難以充進(jìn)型孔造成的芽谷機(jī)械損傷問題；如何改善清種時(shí)存在漏清或過度清種問題；以及如何減少水稻氣力式排種器工作時(shí)存在的精度難以控制、稻種重吸附等現(xiàn)象是機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)的要點(diǎn)。建立水稻旱直播和水直播播量監(jiān)測(cè)、漏播監(jiān)測(cè)等智能化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，簡(jiǎn)化播量調(diào)節(jié)方式，實(shí)現(xiàn)播量的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)和及時(shí)補(bǔ)種。

智能化應(yīng)用在設(shè)施農(nóng)業(yè)水稻種植方向主要是節(jié)水灌溉技術(shù)和水肥一體化技術(shù)。針對(duì)水稻大田種植，如何將遙感、地理信息系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)等多種技術(shù)融合引入到灌區(qū)運(yùn)營(yíng)管理之中是值得思考的一大問題。智能化應(yīng)用在施肥方向主要是變量施肥技術(shù)，同步開溝起壟施肥水稻精量水穴直播技術(shù)、水稻插秧同步側(cè)深施肥技術(shù)等集約化施肥方式也逐步發(fā)展。智能化應(yīng)用在除草方向主要是智能除草機(jī)器人，利用機(jī)器視覺識(shí)別農(nóng)田雜草進(jìn)行機(jī)械除草作業(yè)時(shí)，如何降低復(fù)雜作業(yè)環(huán)境中水、土壤、水稻葉片等周邊介質(zhì)對(duì)識(shí)別精度的影響是智能除草技術(shù)的一大技術(shù)難點(diǎn)。如何將機(jī)器視覺與機(jī)器觸覺相融合，打造智能化新型除草機(jī)器人是迫切需要攻克的關(guān)鍵技術(shù)。智能化應(yīng)用在水稻病蟲害防治方向主要是無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)，無(wú)人機(jī)彌補(bǔ)了遠(yuǎn)距離和重訪周期對(duì)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)精度的影響，為區(qū)域尺度和野外規(guī)模的遙感監(jiān)測(cè)提供了良好的技術(shù)支持，但是如何降低天氣等因素影響提高監(jiān)測(cè)精度仍需深入研究。

目前國(guó)內(nèi)對(duì)水稻收獲方向的谷物含雜率、破碎率在線監(jiān)測(cè)方法研究較少，研發(fā)能夠適應(yīng)多品種、多農(nóng)藝和多土壤類型的水稻聯(lián)合收獲機(jī)，并同步實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵部件智能化控制和遠(yuǎn)程故障診斷，實(shí)現(xiàn)破碎率和含雜率的在線檢測(cè)是聯(lián)合收獲機(jī)智能化發(fā)展的關(guān)鍵。在敏感材料制備方面，我國(guó)傳感工藝與發(fā)達(dá)國(guó)家有較大差距，現(xiàn)有傳感器存在穩(wěn)定性差、高端農(nóng)業(yè)傳感器缺乏等問題，攻克農(nóng)業(yè)專業(yè)傳感器是水稻生產(chǎn)機(jī)械化邁向智能化的根本保障。

6.2 發(fā)展趨勢(shì)

多傳感器信息融合發(fā)展，探索傳感器檢測(cè)機(jī)制，在水稻生產(chǎn)機(jī)械關(guān)鍵部位安裝傳感器，通過整合傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能技術(shù)，綜合利用土壤水分、土壤養(yǎng)分、土壤耕作阻力、水稻長(zhǎng)勢(shì)情況等多種信息源的不同特點(diǎn)，多方位地獲取水稻生產(chǎn)機(jī)械化在耕整地、種植、田間管理和收獲作業(yè)中的農(nóng)情信息，將模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)等有機(jī)結(jié)合起來，通過實(shí)時(shí)監(jiān)控和記錄，獲取農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)，提高多傳感器信息融合性能，提升水稻生產(chǎn)機(jī)械的智能感知能力。

創(chuàng)新加快水稻高效、精準(zhǔn)、節(jié)能型智能裝備研發(fā)，提高水稻裝備智能監(jiān)測(cè)與導(dǎo)航控制技術(shù)、農(nóng)機(jī)裝備智能化設(shè)計(jì)與關(guān)鍵環(huán)節(jié)驗(yàn)證等，開發(fā)基于信息傳感控制的水稻耕整深度可調(diào)、變量播種、精量施肥、收獲實(shí)時(shí)在線減損等控制體系，開展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備參數(shù)信息獲取與控制智能一體化，提升水稻耕整地機(jī)械、播種機(jī)、施肥機(jī)、除草機(jī)和收獲等機(jī)械智能化。

強(qiáng)化視覺導(dǎo)航直線和轉(zhuǎn)彎的路徑規(guī)劃和操向控制，探索慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和機(jī)器視覺系統(tǒng)融合的高端導(dǎo)航系統(tǒng)。開展水稻無(wú)人農(nóng)機(jī)路徑規(guī)劃及導(dǎo)航?jīng)Q策、自主避障、多機(jī)協(xié)同作業(yè)的研究，推進(jìn)未來無(wú)人農(nóng)場(chǎng)復(fù)雜多場(chǎng)景作業(yè)。

優(yōu)化智能控制算法，結(jié)合深度學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等開發(fā)變量播種自動(dòng)控制系統(tǒng)，著重于播種、插秧與側(cè)深施肥一體化集約作業(yè)、研發(fā)適用于水稻多品種、配備完善監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的新型排種器。水稻收獲方面：攻克水稻機(jī)械化收獲實(shí)時(shí)在線減損技術(shù)，建立物料質(zhì)量和像素面積的預(yù)測(cè)模型，同步考慮聯(lián)合收獲機(jī)振動(dòng)引起的收獲損失的前提下，降低收獲機(jī)振動(dòng)對(duì)檢測(cè)精度的影響。實(shí)現(xiàn)“一機(jī)多用”、節(jié)本增效、強(qiáng)化資源利用，適應(yīng)規(guī)?；?、集約化生產(chǎn)與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。