智能農業機械及其發展趨勢

河北農業大學機電工程學院 宋盈

1 智能農業機械的發展現狀

1.1 智能農業機械的現狀

1.1.1 國外智能農業機械的發展現狀

目前，一些發達國家的智能農業機械已經相對成熟，美國是最先提出精確農業的國家，其智能農業機械的技術水平也相對較高，美國同樣在農業機器人研制方面發展迅猛，以其國土面積遼闊以及完善的科學技術作為支撐。日本是最先研究出農業機器人的國家同時也是目前在智能農業機械發展較好的國家之一[1]。

日本的洋馬公司生產出的YANMERPH1，是一臺專為卷心菜和西蘭花幼苗設計的植物移植機，使用時，只需要將移植的幼苗拿起，裝在機器上方的白色圓柱里，機器啟動后就由離合器和加速器控制，他的底部還帶有一個尖嘴神器，可以在地表挖出一個小坑，在不破壞幼苗的情況下進行插秧，一個坑對著一個洞，同時后面側放的輪子還起到了埋土的作用。這臺機器不僅節省了大量的人力和時間，也將效率直線拉升[2]。

德國的荷馬甜菜收割機是目前最先進的收割機，該收割機配備了最先進的技術，內置的GPS 允許駕駛員在工作時進行智能轉彎，獨特的升降系統能夠保證收割時的最佳效果，坡度傳感器能夠確保所有位置的穩定性與智能性，在收取地下的塊莖植物時也能實現精確無誤，而且在收割塊莖植物的時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器[2]。

英國因為盛產蘑菇，因此便研制了一種可以采摘蘑菇的智能農業機械，該采摘機使用視覺技術，通過圖像采集設備采集各種蘑菇的圖像，然后對圖像進行預處理，包括圖像增強、顏色轉換等，之后再控制將蘑菇采摘下來所需要的力度，在采摘蘑菇的機械手內輸入特定的算法，之后便完成了蘑菇的自動采摘。在英國還有專門擠牛奶的智能農業機械，該機器人不僅能高速完成擠牛奶的工作同時還能通過牛奶的顏色、純度、雜質多少等對牛奶的品質好壞進行檢測，并且能夠在給奶牛擠奶的過程中對奶牛的身體狀況進行評估，由于每天都能檢測到奶牛的身體情況，奶牛的發病率便大大降低。

1.1.2 國內智能農業機械的發展現狀

在中國，智能農業機械的研制和發展起步較晚，發展也較為緩慢，在20 世紀末期，我國的農業機械化水平很低，國內的大部分地區進行農業生產勞作靠的大多都是人工，進入21 世紀之后，國內的農業機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以及科研人員的不斷努力創新下，智能農業機械得到快速發展[3]。

中國的農業機械化發展可概況為四個階段，中國農機1.0：機械代替人力和畜力勞作；中國農機2.0：全程和全面機械化作業；中國農機3.0：信息技術提升機械化水平；中國農機4.0：網絡技術指揮農機具作業。

在中國福建的5G 示范農業園區內，人工智能機器人可以對周邊的農業生產區域進行智能感知、實時采集。該機器人可以在園區內任意走動，可以自動檢測到前方有障礙物，然后再選擇合適的路線進行繞行。自動檢測障礙物的實現靠的是該機器人安裝了兩個700 萬像素攝像頭，該機器人的定點采集數據靠的是安裝了各種傳感器，如檢測農業生產環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。該人工智能機器人的研制實現了智能采集數據，實景智能巡邏[8]。

1.2 發展智能農業機械的原因

1.2.1 時代發展應運而生的結果

機械發明創造的初衷便是來完成一些單調繁瑣、枯燥危險的工作，隨著社會發展的不斷進步，科技力量的不斷加強，智能農業機械也隨之蓬勃發展，尤其進入21 世紀以后，人工智能、機器視覺等新產生的技術應用到農業機械上以后，出現了很多種類的智能農業機械，如耕作機械、收割機械、灌溉機械、施藥機械、采摘機械等。

1.2.2 時代發展的需要

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器來代替，再之后，隨著科學技術的不斷精進，智能農業機械便逐漸發展，智能農業機械是時代發展的需要，智能農業機械的發展在一定程度上代表著農業的發展水平，時代在不斷進步，農業自然而然也要向科學農業、智慧農業、精準化農業邁進。

1.3 智能農業機械的特點

1.3.1 智能化靈活性強

首先，智能農業機械作業的環境復雜多變，不同生長作物的生存環境不同，不同區域作物的生長環境不同，而且同一種作物還有不同的品質，比如采摘機器人采摘果實時就要根據不同果實的大小、色澤、紋理、光譜等制定合適的方案。因此，這就要求智能農業機械的智能化和靈活性要強。

1.3.2 操作便捷效率高

智能農業機械的使用操作對象基本是農民，而在中國，就目前而言，大部分農民的文化水平并不高，同時這其中很多農民是老年人，因此智能農業機械應操作簡便，能夠讓農民們在短時間內熟練掌握使用智能農業機械的方法。

1.3.3 應用范圍廣泛

目前大家所了解的大多數的智能農業機械的作業地點基本上都是陸地，但是也有在空中作業的，比如無人機，我國在無人機領域居于世界前列，農用無人機在中國也在不斷地精進，用無人機噴灑農藥，不僅加快了噴灑農藥的效率，而且減少了農民被農藥危害的風險。

1.4 目前國內智能農業機械存在的問題

1.4.1 地域復雜

我國地大物博，土地面積達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復雜，各地的自然環境條件、種植的作物類型以及農業機械的基礎差異都很大，因此，在我國，全面推進智能農業機械還有很長的一段路要走。

1.4.2 農民積極性較低

首先我國農村地區的大部分農田都分散且田塊較小，因此，農民便認為自己的那一塊田地不需要農業機械來完成，而且智能農業機械的價格也比較高，許多農民都承擔不起費用，智能農業機械的自動化程度越高價格也越高。智能農業機械在農村不方便購買，一些經濟發展落后的地區，還未普及智能農業機械。而農民尤其是老年人對新事物的接受能力、適應能力較低，并且對智能農業機械的認知程度也不高，因此農民們對智能農業機械的積極性不高[3]。

1.4.3 農業機械盲目引進、缺少核心技術

在我國部分地區盲目引進國外智能農業機械，但是沒有經過實地考察以及合理分析，導致高價引進的智能農業機械無法進行正常的作業。

我國農業機械的研制和發展起步較晚，發展也較為緩慢，近幾年才開始逐漸蓬勃發展，但是與一些發達國家的智能農業機械水平還有一段不小的差距，尤其在核心技術方面[3]，我國無法學習到一些智能農業機械的關鍵技術，導致部分智能農業機械處于停滯狀態，發展較為緩慢。

1.5 智能農業機械的問題解決

1.5.1 因地制宜，合理化研發智能農業機械

在不同的地區根據不同的作物以及不同的自然環境條件研發不同的智能農業機械產品，做到因地制宜、定點農業、精準農業，確保智能農業機械能夠全面覆蓋，應用到全國各個地區，讓全國各個地區農業的發展都能跟上時代的步伐。

1.5.2 積極普及智能農業機械

智能農業機械對于科研人員以及具有一定學歷的人來說，并不陌生，但是對于一些普通人尤其是普通農民來說，智能農業機械比較陌生，原因就在于智能農業機械目前還沒有大范圍的應用，大多數農民不了解智能農業機械，甚至都沒有聽說過，這就說明了目前的普及率較低，應當在一些農村地區，進行一些有關智能農業機械的宣講活動，讓廣大農民了解智能農業機械，了解過后大家有可能去選擇使用智能農業機械，從而推動我國農業智能化、專業化、知識化、集約化、規模化、國際化的發展。

1.5.3 培養專業人才，加強核心技術的突破

限制智能農業機械發展的最大問題就是核心技術問題，因此，要從根本上解決這個問題，就需要注重培養智能農業機械人才，尤其在各高校要著重選拔人才，培養熱愛且具有奉獻精神的人才，突破核心技術，打破限制智能農業機械發展的瓶頸，擁有我國自主知識產權的智能農業機械設備[3]。

2 智能農業機械的發展趨勢

2.1 技術上的應用

2.1.1 傳感器技術的應用

傳感器技術對智能農業機械的發展起著重要的作用，在農業機械中應用傳感器，就可以實時遠程科學檢測各種數據，比如檢測農業生產環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。

隨著傳感器技術的不斷發展，無線傳感器網絡誕生了，無線傳感器網絡以其低成本、低功耗、簡單易用的特點在促進智能農業發展和實現精準農業水平方面起著重要的作用，同樣，遙感中的無線傳感器網絡在地形分析、災難研究、害蟲檢測和植物保護無人機的實現中起著主導作用[4]。

2.2 系統化的應用

2.2.1 避障系統的應用

在智能農業機械行進的過程中存在著許多路障，因此智能農業機械需安裝避障系統，在機械身上安裝雷達、測距激光和視頻攝像頭，機械在遇到路障時，能夠感知前方的路障，判斷前方路障的類型，從而機械進行繞行或重新進行路徑規劃。一些大型農業機械如無人駕駛拖拉機，若遇到上下坡的問題，可以通過對發動機功率參數的控制調節發動機的功率，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正常作業的運行[5]。采摘機器人在采摘果實的過程中也需要進行避障處理，在果實的周邊可能會有很多的枝條樹葉，這些枝條樹葉會阻礙機器人采摘果實，因此機器人要精準識別果實，規劃合理的采摘路線。

2.2.2 控制系統的應用

智能農業機械的控制系統主要由感知信息系統、認知與響應系統、產生決策結果系統三個系統組成，感知信息系統是建立傳感網絡，運用多種傳感器等設備來感知農作物的深度和距離信息、位置信息、視覺和多光譜信息，或者感知環境的溫度、濕度、二氧化碳含量等信息以及其他信息等；認知與響應系統是對智能農業機械存在的環境進行重建、對農作物進行目標識別定位，對傳感器獲取的數據進行數據分析，以及運用GPS 技術進行定位等；產生決策結果系統是產生智能農業機械所處環境的地圖、產生目標農作物所在位置的3D 坐標集、產生智能農業機械的作業路徑和作業參數等，運用 GIS 技術[6]。

2.2.3 智能農業機械的人機交互與多機合作系統

目前的智能農業機械在人機交互方面雖有一些應用，但仍不夠成熟以及系統化，人機交互能夠使農民與農業機器人相互輔助，從而大大地提高農業生產的效率。智能農業機械的交互界面能夠交互操作員的命令及顯示機器人的運行狀態，以幫助操作員進行狀態監控。交互界面應根據不同智能農業機械的用途以及農民所要獲取的信息來進行設定。

智能農業機械在多機合作領域發展也較為緩慢，尚處于理論研究階段，在作業區域很大的地方，一個機器作業的效率和工作強度都有限，多個機器一同協作進行工作效率便會大幅度提升[7]，因此多個機器之間要進行連通，共同協作，每個機器各自控制一定的管轄區域，避免它們之間發生沖突。

2.2.4 遠程監控系統的應用

目前在中國，大部分農民在獲取農業數據時仍采用傳統的人工到田間地頭去獲取信息的方法，效率低下且準確度不高，一部分農業發達的地區安裝了農業物聯網設施，但農業物聯網設施投入成本高，而且移動性差。因此，在農業機械身上安置物聯網設備便能實現遠程監控的目的。