智能農(nóng)業(yè)機(jī)械及其發(fā)展趨勢

河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 宋盈

1 智能農(nóng)業(yè)機(jī)械的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 智能農(nóng)業(yè)機(jī)械的現(xiàn)狀

1.1.1 國外智能農(nóng)業(yè)機(jī)械的發(fā)展現(xiàn)狀

目前，一些發(fā)達(dá)國家的智能農(nóng)業(yè)機(jī)械已經(jīng)相對成熟，美國是最先提出精確農(nóng)業(yè)的國家，其智能農(nóng)業(yè)機(jī)械的技術(shù)水平也相對較高，美國同樣在農(nóng)業(yè)機(jī)器人研制方面發(fā)展迅猛，以其國土面積遼闊以及完善的科學(xué)技術(shù)作為支撐。日本是最先研究出農(nóng)業(yè)機(jī)器人的國家同時(shí)也是目前在智能農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展較好的國家之一[1]。

日本的洋馬公司生產(chǎn)出的YANMERPH1，是一臺專為卷心菜和西蘭花幼苗設(shè)計(jì)的植物移植機(jī)，使用時(shí)，只需要將移植的幼苗拿起，裝在機(jī)器上方的白色圓柱里，機(jī)器啟動(dòng)后就由離合器和加速器控制，他的底部還帶有一個(gè)尖嘴神器，可以在地表挖出一個(gè)小坑，在不破壞幼苗的情況下進(jìn)行插秧，一個(gè)坑對著一個(gè)洞，同時(shí)后面?zhèn)确诺妮喿舆€起到了埋土的作用。這臺機(jī)器不僅節(jié)省了大量的人力和時(shí)間，也將效率直線拉升[2]。

德國的荷馬甜菜收割機(jī)是目前最先進(jìn)的收割機(jī)，該收割機(jī)配備了最先進(jìn)的技術(shù)，內(nèi)置的GPS 允許駕駛員在工作時(shí)進(jìn)行智能轉(zhuǎn)彎，獨(dú)特的升降系統(tǒng)能夠保證收割時(shí)的最佳效果，坡度傳感器能夠確保所有位置的穩(wěn)定性與智能性，在收取地下的塊莖植物時(shí)也能實(shí)現(xiàn)精確無誤，而且在收割塊莖植物的時(shí)候還能順便將露在地面上的葉片也清除干凈。此外它的油耗也十分的小，最佳性能加上最佳油耗造就了這臺無與倫比的機(jī)器[2]。

英國因?yàn)槭a(chǎn)蘑菇，因此便研制了一種可以采摘蘑菇的智能農(nóng)業(yè)機(jī)械，該采摘機(jī)使用視覺技術(shù)，通過圖像采集設(shè)備采集各種蘑菇的圖像，然后對圖像進(jìn)行預(yù)處理，包括圖像增強(qiáng)、顏色轉(zhuǎn)換等，之后再控制將蘑菇采摘下來所需要的力度，在采摘蘑菇的機(jī)械手內(nèi)輸入特定的算法，之后便完成了蘑菇的自動(dòng)采摘。在英國還有專門擠牛奶的智能農(nóng)業(yè)機(jī)械，該機(jī)器人不僅能高速完成擠牛奶的工作同時(shí)還能通過牛奶的顏色、純度、雜質(zhì)多少等對牛奶的品質(zhì)好壞進(jìn)行檢測，并且能夠在給奶牛擠奶的過程中對奶牛的身體狀況進(jìn)行評估，由于每天都能檢測到奶牛的身體情況，奶牛的發(fā)病率便大大降低。

1.1.2 國內(nèi)智能農(nóng)業(yè)機(jī)械的發(fā)展現(xiàn)狀

在中國，智能農(nóng)業(yè)機(jī)械的研制和發(fā)展起步較晚，發(fā)展也較為緩慢，在20 世紀(jì)末期，我國的農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平很低，國內(nèi)的大部分地區(qū)進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)勞作靠的大多都是人工，進(jìn)入21 世紀(jì)之后，國內(nèi)的農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平便開始迅速提升，尤其這年，在國家政府的支持鼓勵(lì)以及科研人員的不斷努力創(chuàng)新下，智能農(nóng)業(yè)機(jī)械得到快速發(fā)展[3]。

中國的農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展可概況為四個(gè)階段，中國農(nóng)機(jī)1.0：機(jī)械代替人力和畜力勞作；中國農(nóng)機(jī)2.0：全程和全面機(jī)械化作業(yè)；中國農(nóng)機(jī)3.0：信息技術(shù)提升機(jī)械化水平；中國農(nóng)機(jī)4.0：網(wǎng)絡(luò)技術(shù)指揮農(nóng)機(jī)具作業(yè)。

在中國福建的5G 示范農(nóng)業(yè)園區(qū)內(nèi)，人工智能機(jī)器人可以對周邊的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)域進(jìn)行智能感知、實(shí)時(shí)采集。該機(jī)器人可以在園區(qū)內(nèi)任意走動(dòng)，可以自動(dòng)檢測到前方有障礙物，然后再選擇合適的路線進(jìn)行繞行。自動(dòng)檢測障礙物的實(shí)現(xiàn)靠的是該機(jī)器人安裝了兩個(gè)700 萬像素?cái)z像頭，該機(jī)器人的定點(diǎn)采集數(shù)據(jù)靠的是安裝了各種傳感器，如檢測農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中二氧化碳多少的二氧化碳傳感器以及檢測溫度和濕度的溫度傳感器和濕度傳感器。該人工智能機(jī)器人的研制實(shí)現(xiàn)了智能采集數(shù)據(jù)，實(shí)景智能巡邏[8]。

1.2 發(fā)展智能農(nóng)業(yè)機(jī)械的原因

1.2.1 時(shí)代發(fā)展應(yīng)運(yùn)而生的結(jié)果

機(jī)械發(fā)明創(chuàng)造的初衷便是來完成一些單調(diào)繁瑣、枯燥危險(xiǎn)的工作，隨著社會(huì)發(fā)展的不斷進(jìn)步，科技力量的不斷加強(qiáng)，智能農(nóng)業(yè)機(jī)械也隨之蓬勃發(fā)展，尤其進(jìn)入21 世紀(jì)以后，人工智能、機(jī)器視覺等新產(chǎn)生的技術(shù)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)機(jī)械上以后，出現(xiàn)了很多種類的智能農(nóng)業(yè)機(jī)械，如耕作機(jī)械、收割機(jī)械、灌溉機(jī)械、施藥機(jī)械、采摘機(jī)械等。

1.2.2 時(shí)代發(fā)展的需要

隨著科技水平的不斷提高以及人們對更加輕松美好的生活的向往，繁重的勞作便逐漸由機(jī)器來代替，再之后，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷精進(jìn)，智能農(nóng)業(yè)機(jī)械便逐漸發(fā)展，智能農(nóng)業(yè)機(jī)械是時(shí)代發(fā)展的需要，智能農(nóng)業(yè)機(jī)械的發(fā)展在一定程度上代表著農(nóng)業(yè)的發(fā)展水平，時(shí)代在不斷進(jìn)步，農(nóng)業(yè)自然而然也要向科學(xué)農(nóng)業(yè)、智慧農(nóng)業(yè)、精準(zhǔn)化農(nóng)業(yè)邁進(jìn)。

1.3 智能農(nóng)業(yè)機(jī)械的特點(diǎn)

1.3.1 智能化靈活性強(qiáng)

首先，智能農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)的環(huán)境復(fù)雜多變，不同生長作物的生存環(huán)境不同，不同區(qū)域作物的生長環(huán)境不同，而且同一種作物還有不同的品質(zhì)，比如采摘機(jī)器人采摘果實(shí)時(shí)就要根據(jù)不同果實(shí)的大小、色澤、紋理、光譜等制定合適的方案。因此，這就要求智能農(nóng)業(yè)機(jī)械的智能化和靈活性要強(qiáng)。

1.3.2 操作便捷效率高

智能農(nóng)業(yè)機(jī)械的使用操作對象基本是農(nóng)民，而在中國，就目前而言，大部分農(nóng)民的文化水平并不高，同時(shí)這其中很多農(nóng)民是老年人，因此智能農(nóng)業(yè)機(jī)械應(yīng)操作簡便，能夠讓農(nóng)民們在短時(shí)間內(nèi)熟練掌握使用智能農(nóng)業(yè)機(jī)械的方法。

1.3.3 應(yīng)用范圍廣泛

目前大家所了解的大多數(shù)的智能農(nóng)業(yè)機(jī)械的作業(yè)地點(diǎn)基本上都是陸地，但是也有在空中作業(yè)的，比如無人機(jī)，我國在無人機(jī)領(lǐng)域居于世界前列，農(nóng)用無人機(jī)在中國也在不斷地精進(jìn)，用無人機(jī)噴灑農(nóng)藥，不僅加快了噴灑農(nóng)藥的效率，而且減少了農(nóng)民被農(nóng)藥危害的風(fēng)險(xiǎn)。

1.4 目前國內(nèi)智能農(nóng)業(yè)機(jī)械存在的問題

1.4.1 地域復(fù)雜

我國地大物博，土地面積達(dá)九百六十萬平方公里，擁有著豐富的資源，同樣我國的地域也相當(dāng)復(fù)雜，各地的自然環(huán)境條件、種植的作物類型以及農(nóng)業(yè)機(jī)械的基礎(chǔ)差異都很大，因此，在我國，全面推進(jìn)智能農(nóng)業(yè)機(jī)械還有很長的一段路要走。

1.4.2 農(nóng)民積極性較低

首先我國農(nóng)村地區(qū)的大部分農(nóng)田都分散且田塊較小，因此，農(nóng)民便認(rèn)為自己的那一塊田地不需要農(nóng)業(yè)機(jī)械來完成，而且智能農(nóng)業(yè)機(jī)械的價(jià)格也比較高，許多農(nóng)民都承擔(dān)不起費(fèi)用，智能農(nóng)業(yè)機(jī)械的自動(dòng)化程度越高價(jià)格也越高。智能農(nóng)業(yè)機(jī)械在農(nóng)村不方便購買，一些經(jīng)濟(jì)發(fā)展落后的地區(qū)，還未普及智能農(nóng)業(yè)機(jī)械。而農(nóng)民尤其是老年人對新事物的接受能力、適應(yīng)能力較低，并且對智能農(nóng)業(yè)機(jī)械的認(rèn)知程度也不高，因此農(nóng)民們對智能農(nóng)業(yè)機(jī)械的積極性不高[3]。

1.4.3 農(nóng)業(yè)機(jī)械盲目引進(jìn)、缺少核心技術(shù)

在我國部分地區(qū)盲目引進(jìn)國外智能農(nóng)業(yè)機(jī)械，但是沒有經(jīng)過實(shí)地考察以及合理分析，導(dǎo)致高價(jià)引進(jìn)的智能農(nóng)業(yè)機(jī)械無法進(jìn)行正常的作業(yè)。

我國農(nóng)業(yè)機(jī)械的研制和發(fā)展起步較晚，發(fā)展也較為緩慢，近幾年才開始逐漸蓬勃發(fā)展，但是與一些發(fā)達(dá)國家的智能農(nóng)業(yè)機(jī)械水平還有一段不小的差距，尤其在核心技術(shù)方面[3]，我國無法學(xué)習(xí)到一些智能農(nóng)業(yè)機(jī)械的關(guān)鍵技術(shù)，導(dǎo)致部分智能農(nóng)業(yè)機(jī)械處于停滯狀態(tài)，發(fā)展較為緩慢。

1.5 智能農(nóng)業(yè)機(jī)械的問題解決

1.5.1 因地制宜，合理化研發(fā)智能農(nóng)業(yè)機(jī)械

在不同的地區(qū)根據(jù)不同的作物以及不同的自然環(huán)境條件研發(fā)不同的智能農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品，做到因地制宜、定點(diǎn)農(nóng)業(yè)、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)，確保智能農(nóng)業(yè)機(jī)械能夠全面覆蓋，應(yīng)用到全國各個(gè)地區(qū)，讓全國各個(gè)地區(qū)農(nóng)業(yè)的發(fā)展都能跟上時(shí)代的步伐。

1.5.2 積極普及智能農(nóng)業(yè)機(jī)械

智能農(nóng)業(yè)機(jī)械對于科研人員以及具有一定學(xué)歷的人來說，并不陌生，但是對于一些普通人尤其是普通農(nóng)民來說，智能農(nóng)業(yè)機(jī)械比較陌生，原因就在于智能農(nóng)業(yè)機(jī)械目前還沒有大范圍的應(yīng)用，大多數(shù)農(nóng)民不了解智能農(nóng)業(yè)機(jī)械，甚至都沒有聽說過，這就說明了目前的普及率較低，應(yīng)當(dāng)在一些農(nóng)村地區(qū)，進(jìn)行一些有關(guān)智能農(nóng)業(yè)機(jī)械的宣講活動(dòng)，讓廣大農(nóng)民了解智能農(nóng)業(yè)機(jī)械，了解過后大家有可能去選擇使用智能農(nóng)業(yè)機(jī)械，從而推動(dòng)我國農(nóng)業(yè)智能化、專業(yè)化、知識化、集約化、規(guī)?；?、國際化的發(fā)展。

1.5.3 培養(yǎng)專業(yè)人才，加強(qiáng)核心技術(shù)的突破

限制智能農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展的最大問題就是核心技術(shù)問題，因此，要從根本上解決這個(gè)問題，就需要注重培養(yǎng)智能農(nóng)業(yè)機(jī)械人才，尤其在各高校要著重選拔人才，培養(yǎng)熱愛且具有奉獻(xiàn)精神的人才，突破核心技術(shù)，打破限制智能農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展的瓶頸，擁有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的智能農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備[3]。

2 智能農(nóng)業(yè)機(jī)械的發(fā)展趨勢

2.1 技術(shù)上的應(yīng)用

2.1.1 傳感器技術(shù)的應(yīng)用

傳感器技術(shù)對智能農(nóng)業(yè)機(jī)械的發(fā)展起著重要的作用，在農(nóng)業(yè)機(jī)械中應(yīng)用傳感器，就可以實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程科學(xué)檢測各種數(shù)據(jù)，比如檢測農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中的二氧化碳的多少的二氧化碳傳感器以及檢測溫度和濕度的溫度傳感器和濕度傳感器等。

隨著傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)誕生了，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)以其低成本、低功耗、簡單易用的特點(diǎn)在促進(jìn)智能農(nóng)業(yè)發(fā)展和實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)水平方面起著重要的作用，同樣，遙感中的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在地形分析、災(zāi)難研究、害蟲檢測和植物保護(hù)無人機(jī)的實(shí)現(xiàn)中起著主導(dǎo)作用[4]。

2.2 系統(tǒng)化的應(yīng)用

2.2.1 避障系統(tǒng)的應(yīng)用

在智能農(nóng)業(yè)機(jī)械行進(jìn)的過程中存在著許多路障，因此智能農(nóng)業(yè)機(jī)械需安裝避障系統(tǒng)，在機(jī)械身上安裝雷達(dá)、測距激光和視頻攝像頭，機(jī)械在遇到路障時(shí)，能夠感知前方的路障，判斷前方路障的類型，從而機(jī)械進(jìn)行繞行或重新進(jìn)行路徑規(guī)劃。一些大型農(nóng)業(yè)機(jī)械如無人駕駛拖拉機(jī)，若遇到上下坡的問題，可以通過對發(fā)動(dòng)機(jī)功率參數(shù)的控制調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，針對上下坡的陡緩，增大或減小功率，來保證無人駕駛拖拉機(jī)正常作業(yè)的運(yùn)行[5]。采摘機(jī)器人在采摘果實(shí)的過程中也需要進(jìn)行避障處理，在果實(shí)的周邊可能會(huì)有很多的枝條樹葉，這些枝條樹葉會(huì)阻礙機(jī)器人采摘果實(shí)，因此機(jī)器人要精準(zhǔn)識別果實(shí)，規(guī)劃合理的采摘路線。

2.2.2 控制系統(tǒng)的應(yīng)用

智能農(nóng)業(yè)機(jī)械的控制系統(tǒng)主要由感知信息系統(tǒng)、認(rèn)知與響應(yīng)系統(tǒng)、產(chǎn)生決策結(jié)果系統(tǒng)三個(gè)系統(tǒng)組成，感知信息系統(tǒng)是建立傳感網(wǎng)絡(luò)，運(yùn)用多種傳感器等設(shè)備來感知農(nóng)作物的深度和距離信息、位置信息、視覺和多光譜信息，或者感知環(huán)境的溫度、濕度、二氧化碳含量等信息以及其他信息等；認(rèn)知與響應(yīng)系統(tǒng)是對智能農(nóng)業(yè)機(jī)械存在的環(huán)境進(jìn)行重建、對農(nóng)作物進(jìn)行目標(biāo)識別定位，對傳感器獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，以及運(yùn)用GPS 技術(shù)進(jìn)行定位等；產(chǎn)生決策結(jié)果系統(tǒng)是產(chǎn)生智能農(nóng)業(yè)機(jī)械所處環(huán)境的地圖、產(chǎn)生目標(biāo)農(nóng)作物所在位置的3D 坐標(biāo)集、產(chǎn)生智能農(nóng)業(yè)機(jī)械的作業(yè)路徑和作業(yè)參數(shù)等，運(yùn)用 GIS 技術(shù)[6]。

2.2.3 智能農(nóng)業(yè)機(jī)械的人機(jī)交互與多機(jī)合作系統(tǒng)

目前的智能農(nóng)業(yè)機(jī)械在人機(jī)交互方面雖有一些應(yīng)用，但仍不夠成熟以及系統(tǒng)化，人機(jī)交互能夠使農(nóng)民與農(nóng)業(yè)機(jī)器人相互輔助，從而大大地提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率。智能農(nóng)業(yè)機(jī)械的交互界面能夠交互操作員的命令及顯示機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)，以幫助操作員進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控。交互界面應(yīng)根據(jù)不同智能農(nóng)業(yè)機(jī)械的用途以及農(nóng)民所要獲取的信息來進(jìn)行設(shè)定。

智能農(nóng)業(yè)機(jī)械在多機(jī)合作領(lǐng)域發(fā)展也較為緩慢，尚處于理論研究階段，在作業(yè)區(qū)域很大的地方，一個(gè)機(jī)器作業(yè)的效率和工作強(qiáng)度都有限，多個(gè)機(jī)器一同協(xié)作進(jìn)行工作效率便會(huì)大幅度提升[7]，因此多個(gè)機(jī)器之間要進(jìn)行連通，共同協(xié)作，每個(gè)機(jī)器各自控制一定的管轄區(qū)域，避免它們之間發(fā)生沖突。

2.2.4 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用

目前在中國，大部分農(nóng)民在獲取農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)時(shí)仍采用傳統(tǒng)的人工到田間地頭去獲取信息的方法，效率低下且準(zhǔn)確度不高，一部分農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)的地區(qū)安裝了農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)施，但農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)施投入成本高，而且移動(dòng)性差。因此，在農(nóng)業(yè)機(jī)械身上安置物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備便能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的。