京郊農業機器人的發展及應用研究

李軍輝

摘要 本文從現代農業機器人的特點、發展概況、應用領域出發，研究了在綠色可持續發展、人口老齡化、農村勞動力短缺的背景下，京郊農業機器人推廣應用的可行性和必要性，介紹了大田無人駕駛農機、大田除草機器人、果蔬采摘機器人、農業機器人農場等農業機器人的發展狀況和應用特點，分析了北京地區農業機器人推廣的制約因素及建議，以期為農業機器人的推廣應用提供參考。

關鍵詞 農業機器人；智能化；發展概況；應用現狀；制約因素；推廣建議；北京地區

中圖分類號 TP242；S126 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2018）21-0154-02

農業機器人是機器人技術在農業生產上的應用，是在計算機軟件系統控制下，能夠適應農業生產環境、適應農作物種類， 具有感知和自主決策等功能，進行某一農業生產作業的機電一體自動化設備。農業機器人是靠自身動力和控制能力進行農業生產的機器，一般由執行機構、驅動系統、感知系統和控制系統等組成[1]。

農業機器人代替人工進行耕、種、播、施肥、施藥、收獲等農業生產任務，對農業生產的規模化、多樣化、精準化起著重要作用。目前，無人駕駛拖拉機、植保無人機、水果和蔬菜采摘機器人、除草機器人、施肥機器人、噴藥機器人已經在農業生產中得到應用[2]。這些應用提高了農業生產力，改變了農業生產模式，緩解了勞動力不足，初步改善了農業生產環境，為農業工廠化生產提供了條件。

1 農業機器人在京郊應用的可能性與必要性分析

為解決人口老齡化、勞動力短缺、人工成本過高等問題，歐美、日本等國家在農業生產的很多環節應用了農業機器人。食品需求壓力、農田集約化、環境氣候變化、設施農業增長、農業自動化普及等，刺激了農業機器人需求的增長。農業機器人在北京地區的應用受以下方面的影響。

1.1 可能性

農業機器人的應用首先受到經濟效益因素的制約。按照經濟效益的理論，若應用農業機器人，可提高工作效率、降低生產成本、增加經濟效益。農業生產作為一種繁重的生產活動，人工成本支出占到總成本的50%。若采用農業機器人能降低成本支出超過10%，農業機器人的應用就能實現。例如在果蔬采摘作業中，當采摘機器人能夠達到人工采摘的速度，1臺果蔬采摘機器人便可以完成4個工人的工作。據測算，在大田作業中應用除草機器人可使除草成本減少20%；而在有機農業生產中這一降低比例可達50%。另外，隨著人工智能、云計算、計算機硬件等的快速發展，農業機器人的生產制造成本降低，農業生產的人工成本上漲。當2種成本達到平衡點后，農業機器人替代人工就成為必然。

1.2 必要性

1.2.1 應用農業機器人有助于緩解京郊農村勞動力短缺問題。據統計，北京人口老齡化比例超過了24%，人口老齡化造成勞動力減少，農業作為勞動艱苦、作業環境差的弱勢行業，勞動力短缺更加突出。應用農業機器人，可以降低勞動強度，解決勞動力短缺以及誰來種地的問題。應用無人駕駛農機可以24 h進行播種、施肥和耕作等生產作業。

1.2.2 應用農業機器人有利于農業綠色可持續發展。為了解決溫飽問題，為了從不斷減少的土地上生產出更多的糧食、原料，傳統農業生產往往以單純追求高產量為目標。為了獲得高產量，人們在土地上使用過多的化肥、農藥，抽取更多的地下水資源進行灌溉。在獲得高產的同時也導致農產品品質下降，土壤退化、養分流失，農藥、化肥殘存流入地下水，污染河流、大氣，使生態環境遭到破壞。

綠色生態農業是現代農業發展的目標，在保證作物的產量和質量的同時，減少化肥、農藥的使用，降低農業對土壤、水等環境的影響。根據土壤、作物的具體情況應用農業機器人，可實現化肥和農藥施用量的精準控制，實現綠色生態農業的發展目標。據陳勇[3]研究發現，自動除草機器人通過切割雜草并在切口處涂抹除草劑的方法，可節省農藥90%。智能噴藥裝置可使農藥施用量降低66%～80%，可使目標作物的霧滴沉降率提高2.5～3.7倍，可使農藥的飄移量減少62%～93%。此外，變量施藥技術還能降低雜草的抗藥性，降低地下水和土壤沉積物中農藥含量。

采用施肥機器人可以根據不同類型土壤的實際情況，制定針對性的施肥策略，準確計算減少的施肥總量，在降低成本的同時，減少氮、磷元素等對土壤的影響，改善地下水質，減少溫室氣體排放，降低農業生產能耗。

2 北京地區農業機器人發展應用現狀

北京農業以現代都市農業為特點，在“國家農業可持續發展試驗示范區”的指引下，突出綠色發展主題，堅持落實節水、節肥、節藥，組織開展土壤污染防治和改良工作，實施化肥農藥使用減量行動計劃，提升農業生態服務水平。突出高端高效主題，打造都市現代農業產業帶，大力提升農業質量效益。繼續推進落實“調轉節”，力爭農業糧田5.33萬hm2、菜田4.67萬hm2（設施農業2.37萬hm2）、鮮果園6.67萬hm2。近年來，隨著設施農業、精準農業和農業機器人等高端農業裝備的發展，以及土地流轉與農業生產規模化、集約化發展，人工成本不斷攀升，農業機器人的應用逐漸成為必然。

2.1 農業機器人的特點

2.1.1 農業生產作業的周期性。傳統農業生產環節周期較長、環節多、差異大，農業機器人只能從事采摘、施肥、植保等農業生產的某一環節，功能單一，這就造成農業機器人應用的周期性，利用率較低。

2.1.2 農業生產作業環境惡劣、復雜。由于農業生產環境是復雜的、非結構的，受溫度、濕度、塵土、陽光等其他因素影響較大，農業機器人要具有更高的辨識能力，要具有更強的環境適應性和容錯性，要具有更快的運算速度，以保證在復雜環境中準確完成農業作業任務。

2.1.3 作業對象的嬌嫩性和復雜性。由于農作物的嬌嫩性、多樣性、復雜性[4]，農業機器人在生產作業時，必須能適應農作物的復雜性、多樣性以及柔性處理。因此，農業機器人的控制策略更加復雜。

2.1.4 使用對象的特殊性。農業機器人的應用領域是農業，第一產業的利潤率較低，因而農業機器人的價格要低；農業生產的主體是農民，知識水平低、技能操作能力低，這就要求農業機器人的操作維護簡單、可靠性高。

2.2 農業機器人的發展概況

根據農業機器人的應用地點不同，可以分為2類：一類是行走系列農業機器人，主要用于大田作業中耕、種、施肥、植保、收獲等農業生產作業，典型代表是無人駕駛農機系列；另一類是機械手系列機器人，例如在設施農業中應用的果蔬采摘機器人、育種機器人、育苗機器人、蔬菜嫁接機器人、噴藥機器人等。

2.2.1 大田無人駕駛農機。在大田機器人中，無人駕駛拖拉機是農業機器人的核心技術，華南農業大學羅錫文院士團隊以東方紅X-804拖拉機為研究平臺開發了基于RTK-DGPS定位系統的自動導航控制系統；中國農業大學毛恩榮教授團隊先后以鐵牛654型號拖拉機和雷沃TG1254拖拉機為研究平臺，進行了自動轉向系統的電液改造，采用GPS、電子羅盤、陀螺儀、單目攝像機等定位傳感器實現了拖拉機基本的自動導航。

可用于農機改裝的自動導航產品有美國天寶（Trimble）公司的Autopilot系列農機自動駕駛系統以及約翰迪爾（John Deere）的Auto Trac農機自動導航系統；國內有上海司南導航的Auto Farm 農機自動導航系統、廣東中海達北斗農機自動導航駕駛、北京農業智能裝備技術研究中心自主研發的Auto Guide農機自動導航系統以及北京合眾思壯的壁虎、慧農農機自動導航系統。智能農機裝備加裝以上導航設備后就能升級為自走式農業機器人，進行農業生產作業。

2.2.2 大田除草機器人。大田除草機器人，通過智能識別技術，準確識別出雜草，并采用物理方法或者化學方法近距離精確殺死雜草，將除草劑的使用量降低到5%。法國研制的Dino除草機器人，重0.8 t，最高工作速度為4 km/h，最大工作幅寬為1.6 m，每天除草可達5 hm2，適用于面積在10 hm2以上的小型蔬菜農場。Dino機器人采用RTK（實時動態載波相位差分技術）、GPS定位和視覺相機感知技術，通過在不損傷作物的情況下機械翻動土壤拔除雜草。此外，該機器人采用模塊化設計的“多功能機器人”，在除草、播種時，可進行犁地、耙地作業。瑞士EcoRobotix公司研制的除草機器人，重130 kg，因自重輕減少了對土壤的破壞；以太陽能為動力，完全實現無人操作和自動運行，每天工作12 h。使用該機器人，可減少除草劑的使用量，節約30%的相關費用。

2.2.3 果蔬采摘類機器人。果蔬采摘類機器人主要由攝像機、伺服機構、機械手、控制系統和計算機等組成，可以用于采摘蘑菇、草莓、黃瓜、番茄等。如果采用多傳感器信息融合技術和開放式控制模塊，則可以實現一機多用，即1臺機器可用于多種果蔬的采摘[5]。

比利時Octinion科技公司研制的草莓采摘機器人（Str-awberry Picker），搭載Beacon技術，采用能自主移動的3D視覺感測器，辨別出成熟草莓以及成熟度，計算出采摘力度，采用3D打印的柔軟機械手作業，3 s便可采摘1顆。機器可擴展到摘取番茄、辣椒等質地較脆弱的蔬菜。美國Abundant Robotics公司研制的蘋果采摘機器人采用了“多臂采摘系統”，機械手采用吸塵器式真空采摘，減少了對蘋果的損傷，機器能全天候工作，采摘速度可達1個/s。以色列研制的鮮果機器人（Fresh Fruit Robotics or FFR）構建了一個廉價的簡單機械臂，一個3自由度的直角坐標機器人，通過三叉手爪旋轉摘下蘋果，可裝配8個或12個采摘機械臂，每1 h可采摘上萬個蘋果，采摘速度和質量都高于人工，節省人工成本25%。

上海摩天農業科技公司的黃瓜采摘機器人每1 h采摘600根黃瓜，并且可以24 h工作。華南農業大學研制的荔枝采摘機器人每1 h能摘20 kg荔枝，是人工的2倍。

2.2.4 農業機器人農場。日本Spread公司研究建立無人蔬菜農場，農業機器人從事種植、管理、收獲、包裝等工作。該蔬菜農場產量高，節約勞動力成本達50%。

2.3 北京地區農業機器人可推廣領域

目前，北京地區比較大型的農機合作組織有157個，蔬菜農機合作組織有21家，平均服務面積在533.3 hm2以上。大型示范農機合作組織，如興農天力農機服務專業合作組織，種植糧食逾2 000 hm2、花卉果樹逾33.3 hm2，蔬菜大棚100棟。這些農機合作組織是推廣應用農業機器人的主體。

大型農機合作組織發揮了引領和示范作用，在大田農業生產上重點推廣自動駕駛拖拉機，實現了農業生產耕、種、播、收的自動化。大型農機合作組織具備一定的物質條件和規模，通過應用施肥機器人、除草機器人等，減少了農藥和化肥的用量，降低了生產成本，為實現農業綠色生態可持續發展積累了經驗，為大面積推廣創造了條件。

在果蔬生產上，對已經形成規模特色生產的區域，比如昌平草莓種植3 333.3 hm2、蘋果種植1 333.3 hm2，可以推廣應用蘋果、草莓等采摘機器人，建立農業機器人應用示范區。相關部門牽頭，在硬件條件特別好的區縣農機合作組織，嘗試建立示范性無人農場。

3 北京地區推廣農業機器人的制約因素

3.1 購買機器人的成本過高

因農業生產作業的非結構性，使農業機器人成本比工業機器人高；因農業生產的季節性，目前農業機器人只能應用在某一種作物生產的某一環節或某一項作業中，導致使用效率低，增加了農業機器人的應用成本。農業機器人性價比不能滿足市場的需要，是制約農業機器人商業化的關鍵。

3.2 農業機器人使用者的能力低

北京市現有農機服務機構157個、從業人員467人，全市有農機化作業服務組織及農機戶45 519個、人員52 862名。這些農機從業人員年齡偏大、文化知識水平低（以高中以下文化水平為主），制約了農業機器人的推廣應用。

3.3 智能系統、執行機構的發展限制

農業機器人的復雜作業環境要求其具備較高的智能系統和柔性生產能力，具有視覺識別能力、較快的計算能力和躲避障礙能力，其結構和控制系統較工業機器人復雜。目前，農業機器人的智能系統和執行機構在靈活性、精準性、適應性上還存在差距[6]。

4 北京地區農業機器人推廣建議

4.1 加大土地流轉，形成規模經營，為農業機器人的應用搭建平臺

農村的土地經營權和承包權分開，農民在保留承包權的前提下可以轉讓經營權，從政策上為規模經營創造了條件。農民通過轉包、轉讓、入股、合作、租賃、互換等方式出讓土地經營權，將土地向專業大戶、合作社等流轉，形成有特色的規模經營。政府職能部門根據地區特點，指導規劃發展適合本區域的規模生產，形成規模效應，為農業機器人等高端農業裝備的應用和農業自動化水平的提高創造硬件平臺。

4.2 落實國家可持續發展試驗示范區建設重點，創建農業機器人應用示范基地

落實國家可持續發展試驗示范區的建設工作重點，充分發揮北京都市型農業的優勢，規劃綠色生態農業試驗基地，在大田生產上突出保護資源、綠色生產，通過農業機器人的使用，采用變量施肥，使用非化學除草方式，降低化肥、農藥使用量。通過推廣無人駕駛農機生產作業，提高勞動效率。在大型設施農業和規模化果園中，在具備條件的農機戶合作組織中，推廣施肥機器人、采摘機器人，建立農業機器人應用示范基地。通過示范基地的引領和示范，利用出租、出借等方式逐步推廣應用成熟的機器人。

4.3 培養“新三農”人才

農業機器人等高端農業裝備需要大量的專業人才，充分利用北京高等院校、科研機構的優勢，通過短期培訓、職業教育、學歷培養等方式，培養一批懂農業、愛農村、愛農民的專業技術隊伍。

5 參考文獻

[1] 潘強，王波，馮淳元，等.農業機器人發展概況與展望[J].廣西農業機械化，2017（5）：4-5.

[2] 林歡，許林云.中國農業機器人發展及應用現狀[J].浙江農業學報，2015，27（5）：865-871.

[3] 陳勇.自動施藥機器人及可變量控制系統研究[D].南京：南京林業大學，2005.

[4] 戴乃昌.農業機器人的發展和應用初探[J].農機化研究，2009，31（2）：241-244.

[5] 張鐵中，楊麗，陳兵旗，等.農業機器人技術研究進展[J].中國科學：信息科學，2010，40（增刊1）：71-87.

[6] 崔勇.農業機器人的研究與應用淺探[J].南方農機，2008（1）：35-37.