“北斗”助力 無人農場成為現實

在廣州增城的水稻無人農場里，水稻生長期間，需要打藥時，噴霧機無人駕駛自行開到田間，將噴桿展開進行噴霧，它的噴霧高度可調，噴量可調，以達到最佳的噴霧效果。在水稻生長的過程中，智能設備全程監控生長情況。

隨著工業化和城鎮化的發展，我國農業生產面臨勞動力短缺和老齡化的嚴峻挑戰。現代農業要求大幅提高勞動生產率、土地產出率和資源利用率，智慧農業技術可為“三率”的提高和現代農業建設提供強有力的科技支撐。智慧農業是農業現代化的高級形式，依托生物技術、智能農機和信息技術建設的無人農場是實現智慧農業的重要途徑。

無人農場主要包括農作物生產全程無人自主作業、作業環節自主完成和農作物生長全程自動監控。無人農場是在人不進入農場的情況下采用物聯網、大數據、人工智能、5G、機器人等新一代信息技術，通過對農場設施、裝備、機械等遠程控制的智能裝備,與機器人的自主決策、自主作業完成所有農場生產、管理任務的一種全天候、全過程、全空間的無人化生產作業模式。

2020年，華南農業大學羅錫文院士團隊在廣州增城華南農業大學教學科研基地建成水稻無人農場進行實踐，對我國無人農場建設起到了示范作用。

耕種管收 實現全程機械化

2020年5月3日，在廣州增城的水稻無人農場里，無人駕駛旋耕機自動出庫，自行開到田里作業。按照設定好的規劃路線，完成整個地塊的作業，在作業時能精準地完成走直線，調頭轉彎和對行上線等各個動作，直線行駛誤差不超過2.5 cm，對行誤差不超過3 cm，可以保證不漏耕、不重耕。

5月9日，水稻播種時，無人駕駛拖拉機配備水稻旱直播機，采用開溝旱播的方式，精準地將水稻種子成行成穴地播在田中。

水稻生長期間，需要打藥時，噴霧機無人駕駛自行開到田間，將噴桿展開進行噴霧，它的噴霧高度可調，噴量可調，以達到最佳的噴霧效果。在水稻生長的過程中，智能設備全程監控生長情況。

2020年8月30日，無人農場的水稻已經到了收獲的時機。收獲機自動進入田中收獲，運糧車則在田邊等待。收獲機糧倉快滿時，通過云端服務器向運糧車發出一個“請來接糧”的信號，運糧車收到信號后，開到收獲機旁邊，收獲機準確地將稻谷卸至運糧車中。卸完糧后，收獲機繼續收獲，運糧車判斷自身糧倉是否裝滿，若未滿則原地等待，繼續等待“請來接糧”信號，若已滿則將稻谷卸至卡車中。據羅錫文院士介紹，收獲過程中，收割機和運糧機中間的橫向誤差不超過5cm，縱向誤差不超過10cm。這樣就能保證每一次收割機和運糧機“默契”配合。

從2020年5月3日旋耕至8月3日收獲，歷時100多天。也就是說，這個水稻農場從最初播種到最后收獲，都無需任何人進入農場半步，所有步驟都通過機器操作完成。

四項關鍵技術 讓無人農場成為現實

華南農業大學水稻無人農場是在國家重點研發計劃“智能農機裝備”專項項目“基于北斗的農機定位與導航技術裝置研究”和廣東省重點領域研發計劃項目“無人農場關鍵技術集成與應用示范”資助下的研究成果。該項目突破了農機自動導航和農業協同作業關鍵技術，研制了無人駕駛農機裝備，實現了水稻生產耕、種、管、收環節全程無人化作業。

一是突破了復雜農田環境下農機自動導航作業高精度定位和姿態檢測技術。復雜的農田環境會嚴重影響農機位姿檢測精度和穩定性，該項目采用北斗和MEMS慣性傳感器結合，創新提出了車輛外部加速度辨識與線性時變自適應卡爾曼濾波的姿態同步估計算法和融合定位算法，實現了不同農機不同工況下的高精度連續穩定定位和測姿，解決了精準定位難的問題。

二是創新農業機械自動導航控制技術。農田地塊小、水田側滑嚴重、邊界不規則，田中障礙物會影響農機導航精度。針對這些問題，項目創新提出了全區域覆蓋作業路徑規劃方法、復合路徑跟蹤控制算法、自動避障和主從導航控制技術，提高了農機導航精度和作業效率。

為了提高農機自動導航作業系統對復雜農田地面的適應性、控制精度和上線速度，項目創新設計了由預瞄跟隨控制器、前視距離自適應調節器、農機運動狀態預估器和抗飽和變速積分器等構成的農機導航復合路徑跟蹤控制算法。顯著提高了水田農機路徑跟蹤精度，解決了導航控制難的問題。

農田中存在著各種障礙物，如樹木、電線桿等，影響了智能農機的正常作業，并存在安全隱患。因此，智能農機必須具備障礙物識別與檢測的能力。在智能農機對障礙物檢測的研究中，項目創新提出了基于激光雷達的農田障礙物目標識別算法、障礙物繞行的路徑規劃算法和基于純追蹤模型的避障規劃路線跟蹤控制算法。該避障導航方法可準確識別和繞行農田障礙物，提高了農機自動導航作業的安全性。

三是創制了具有自主知識產權的農機自動導航作業線控裝置和農機北斗自動導航產品。我國農機裝備自動化水平不高，大多缺乏適用自動導航作業的底盤線控裝置。針對上述問題，項目創新提出了基于轉向輪和車輛本體姿態差分測向的轉角測量方法，創制了帶有手動優先功能的電液比例和電機直驅兩種自動轉向控制裝置。開發了帶有CAN總線接口的農機速度控制和作業控制器，實現了上述5種功能的車載線控，滿足農機自動導航作業的控制要求。

創制了具有自主知識產權的農機北斗自動導航系統產品。集成基于北斗的高精度定位測姿、自動轉向控制、自動導航和路徑優化等技術，創制了電液轉向和電機轉向兩類農機北斗自動導航產品，實現了耕、種、管、收等作業環節農機自動導航作業，田間導航作業誤差≤2.5 cm，達到了國外同類技術產品水平。基于北斗的農業機械自動導航作業系統實現了前裝和后裝、電液轉向和電機轉向及單/雙天線導航，形成系列產品。

四是無人農場技術集成與應用示范。項目團隊根據作物耕作制度、種植模式、管理體系和收獲方式等作業特點，設計了無人農機在耕種管收環節中協同作業流程；協同規劃同種作業多臺同種無人農機的起始位置、作業幅寬和行走路線等作業方式，多臺不同作業無人農機的作業先后順序、作業起始位置、幅寬和速度等作業信息，制定了無人農機協同作業規程。

創建了無人農場作業遠程交互與共享平臺。采用TD-LTE 數據傳輸和遠程控制技術，設計了無人農場數據傳輸和通訊交互協議以及遠程控制支持系統，作業遠程交互與共享軟件系統平臺，實現無人農機作業信息管理與共享功能。

無人農機作業狀態信息上行至云端存儲和平臺處理，對耕種管收環節中無人農機的規劃作業路徑、實際作業軌跡、作業任務、作業質量、作業數量、農機作業狀態和GNSS 信號質量等作業信息進行分類統計管理；作業遠程交互與共享平臺下行作業任務指令、規劃路徑和操控指令等控制信息至無人農機。

華南農業大學水稻無人農場的無人駕駛運糧車

華南農業大學水稻無人農場的無人駕駛拖拉機

無人農場未來展望

華南農業大學水稻無人農場的建設覆蓋了耕作、播種、植保、收獲等生產過程，優化農業機械最佳作業路徑，減少重復作業區和遺漏區的作業面積。在耕作方面，提高了耕作效率，降低了人工成本，在農藝管理方面，通過精量播種、精準植保作業，提高了農業資源利用率，保護了農業生態環境，為我國糧食產量增收增產提供技術保障。

水稻無人農場的稻谷產量均高于當地的平均產量，表明了其巨大的發展潛力。2021年早稻生產采用優質絲苗米品種“19香”，產量9943.35 kg/hm2，高于當地的平均產量7500 kg/hm2。

建設無人農場可有效緩解農村勞動力短缺的現狀，積極推進現代農業建設。無人農場技術可徹底將農民從繁重的勞動中解放出來，為解決“誰來種田”提供了重要的途徑。

羅錫文院士認為，目前，我國的無人農場建設剛剛起步，要實現大范圍推廣應用還需要解決以下5個問題：一是關鍵技術的突破，包括適應不同區域、不同地形、不同作物和不同種植制度的無人農場關鍵技術，特別是智能農機技術及集成和管控平臺；二是適應無人農場的經營規模和土地整治，要大力支持新型農業經營主體，擴大經營規模和加強土地連片整治；三是要因地制宜，探索各種適宜的無人農場建設模式和制定相應的標準；四是要加強無人農場建設需要的各類人才的培養和培訓，包括各種技術人員和經營管理人員；五是要加強無人農場建設相關政策制定，調動政府、企業和社會資金投資建設無人農場的積極性。

當前，以互聯網、大數據和人工智能為代表的新一代信息技術蓬勃發展，給經濟發展、社會進步和人民生活帶來重大而深遠的影響，也推動了農業機械化和智能化的快速發展，這都必將促進我國無人農場建設進入快速發展期，進而為我國現代農業發展作出重要貢獻。