農機領域自動導航系統專利情報分析

關鍵詞：農業機械；自動導航；專利分析；功效矩陣；智能化農業裝備；農業信息化

0 引言

農機領域的自動導航作為智能化農業裝備的重要組成部分，是集計算機、自動控制、電子通信為一體的綜合性技術，主要包括對周圍環境的感知、導航路徑規劃、導航模型建立及轉向控制[1]。通過導航系統，農業行走機械能夠實現實時精準定位，并通過搭載的多種類型的作業執行部件，如噴藥、施肥、播種和收獲等，可自動完成多項農業生產活動[2-3]。

近年來，隨著智能化農業裝備的加速推進，無人作業裝備的研究變得更加迫切?！丁笆奈濉蓖七M農業農村現代化規劃》和《中國制造2025》指出，智能化農業裝備的研究既是制造業發展的剛需，又是國家扶持的重點領域。實現農業行走機械的自動導航，不僅能夠將駕駛員從繁重的工作中解放出來，而且能夠提高農產品質量，對我國農業行走機械的智能化、農業生產的精細化有重大的促進作用[4-5]。

本研究以農機領域自動導航系統的專利申請為研究分析對象，基于目前主要的導航方式構建了技術分支，梳理了該領域的專利申請態勢、技術構成、重要申請人，以及重點的研究領域、主要發明人及其主要研究的關鍵技術、產學研結合現狀、國外在中國申請專利情況、技術發展脈絡及技術研發熱點和突破點，旨在為相關領域的專利審查，以及相關科研院所、企業等的技術研發提供可行性參考。

1 專利申請概況

1.1 檢索

在中文摘要數據庫（CNABS）、全文數據庫（CNTXT），以及外文摘要數據庫（VEN）中針對自動導航相關技術（涉及G05D1、G01C21、G01S等分類號，以及導航、自動駕駛、無人駕駛、無人車和自動跟隨等關鍵詞），以農田、大田、農業、果園、收獲和收割等關鍵詞進行限定，并對檢索結果進行批量及人工去噪。截至2023年8月15日，共檢索專利4524件，其中在中國申請專利1928件，在其他國家和地區遞交的專利申請2596件，以此構建專利池對該技術領域進行分析研究。

1.2 技術分支

為便于自動導航技術的分析研究，基于作業環境的不同，將自動導航系統分為應用于大田環境和應用于果園環境的自動導航系統，基于導航方式的差異將二級分支確定為導航方式、部件，并對導航方式進行了三級分支，分為機械接觸式導航（接觸傳感導航）、預埋引導電纜的有線導航（電磁導航）、物理軌道導航（機械導航）、超聲波導航、激光導航、衛星定位導航、視覺導航、紅外導航、利用距離傳感器實施導航及多傳感器融合導航[6-10]。根據融合導航采用的導航方式，對多傳感器融合導航細化了分支，即四級分支劃分為視覺+超聲波+紅外融合導航、視覺+電磁融合導航、電磁+超聲波融合導航、激光+超聲波融合導航、視覺+超聲波融合導航、視覺+激光融合導航、衛星定位+激光融合導航及衛星定位+視覺融合導航等多種融合導航方式，具體如圖1所示[1]。

為了便于研究各技術分支和主要技術功能效果之間的相互關系，以尋求領域發展的技術空白點、技術研發熱點和突破點，以及利于文獻的檢索，對上述專利池中涉及導航方式部分的專利進行了功能效果的標引，并劃分為降低成本、降低勞動強度、降低設備復雜性、提高安全性、提高導航精度、提高導航可靠性、提高可維護性、提高路徑覆蓋率、提高自動化和提高作業效率10種功能效果。

2 專利技術分析

2.1 專利技術總體概況

由圖2可知，農機領域自動導航系統相關專利申請量的變化大致可以分為緩慢發展期、第1快速發展期、調整期及第2快速發展期4個階段。第1階段在1981年以前，受全球機械化發展水平及自動導航技術發展的制約，相關技術在全球范圍內處于剛剛起步的緩慢發展階段。第2階段在1982—2005年，自動導航相關專利的年申請量30余項，申請量開始逐步增長，進入了第1快速發展期。這主要得益于世界各國高度重視糧食產業發展，大力發展農業機械化，同時電子信息技術的快速發展，使得導航技術、傳感器技術等在實際工程領域得到了快速應用，為自動導航系統應用到農機領域提供了技術支撐。日本的研究成果逐漸顯現，僅1982年久保田株式會社就提交了34項專利申請，開始在該領域進行專利布局；并且，隨著技術的發展，到1988年，自動導航系統呈現出了多種技術分支，以久保田株式會社、洋馬株式會社、井關農機株式會社等為代表的農機公司將視覺導航、超聲波導航、接觸傳感導航等技術應用到農業機械領域以提高自動化作業程度。第3階段為2006—2010年，相關技術處于發展調整期，申請量略有下降，并呈現波動趨勢，這主要是受制于各類導航傳感器技術發展的限制，間接影響了全球專利申請總體趨勢。第4階段為2011年后，我國逐步開始在農業機械領域進行自動導航系統的研究，并從2013年開始基于植保、收獲、插秧、割草及拖拉機對自動化發展的迫切需求，我國在該技術領域下的專利申請量出現了快速增長，這直接影響了全球專利申請的總體趨勢，使其發展階段由調整期進入了第2快速發展期。僅2019年全球的申請量就達到了640項，相關專利申請中以衛星定位為主要研究方向的技術分支始終是該領域的研究熱點，這主要得益于美國的GPS系統、歐洲的伽利略系統、俄羅斯的格洛納斯系統及我國的北斗導航系統的快速發展，為以衛星定位作為導航方式的自動導航系統應用提供了強有力的技術支撐。同時，隨著圖像處理技術的發展，視覺導航因其采集的環境信息更加完備，使得相關專利申請量也逐步提升，并在2019年達到了134項；此階段，多傳感器融合的自動導航技術也是該領域的研究熱點，衛星定位、視覺導航、超聲波導航等技術的融合也在2013年之后進入快速發展階段。

專利申請量排名靠前的國家分布如表1所示，在4524項相關申請中，在中國申請的專利超過了42.6%，這也反映出我國作為人口大國和農業大國在該領域的技術需求非常旺盛。其他申請量較多的國家有日本、美國、德國等技術較發達國家。對各國專利技術分析發現，我國由于不同地區的耕作制度差異較大、田間應用環境不同，相關的專利申請主要集中在小型農機的自動導航系統；日本、美國、德國等則因農業技術發展較早、農場規模化作業成熟，相關專利申請多聚焦于大型聯合耕作機械。

在中國申請的1928項專利中，我國申請人提交的專利申請量1776項，國外申請人申請的專利量152項。我國申請人提交的專利申請占92.12%，具體分布情況如表2所示。其中，江蘇省的申請人占比最多，其次是陜西省、廣東省、山東省和北京市的申請人；并且專利申請主要來自江蘇大學、東南大學、寶時得、西北農林科技大學、華南農業大學、青島農業大學、濟南大學、中國農業大學及中國農業機械化科學研究院等，不同地域申請量的差異也與上述高校在該領域的申請量密切相關，這也在一定程度上說明了我國的專利導航技術多數處于技術研發階段，成果轉化不高。日本在中國申請的專利114項，占比5.91%，這體現出日本較為重視中國市場的專利布局。

全球農機領域自動導航系統專利申請中各技術分支的申請情況如表3所示。在一級分支中，大田環境方面的申請量3890件，占86%；果園環境方面的申請量634項，占14%。大田環境下，采用衛星定位導航和視覺導航相關的專利較多，申請量分別為1131和650項。這主要是由于大田環境中的行走路徑比較規律，信號不受樹林等的影響，適合衛星定位導航技術的應用。在果園環境中，更多的是采用融合導航，申請量198項；其次是視覺導航，申請量110項。這主要是基于果園環境更加復雜，采用多傳感器融合導航方式進行綜合分析，能夠實現更準確的路徑規劃[11]。

融合導航方式下大田專利申請有401項、果園有196項，涉及四級分支的申請量如表4所示。衛星定位+視覺導航是申請量占比最大的融合導航方式，其中大田的環境中，僅衛星定位+視覺的融合導航方式就有187項專利申請，涉及衛星定位類的融合導航方式占比達75.1%，另外涉及視覺傳感類的融合導航方式占比達34.2%；而在果園環境中，衛星定位+視覺的融合導航方式有75項專利申請，占比達38.3%，涉及衛星定位類的融合導航方式占比達69.9%，另外涉及視覺傳感類的融合導航方式占比達39.8%。除此之外，機械類、電磁類融合導航技術相關專利占比較小，這與兩種導航方式所涉及的配套設備復雜、維護性和適配性較差、市場接受度差有關；而超聲波、紅外、激光在融合類導航技術中所占比例較大，主要基于此類導航成本較低，導航數據的精準性較高。

在中國申請的1928件農機領域自動導航系統專利中專利類型、法律狀態如圖3所示，專利復審、許可等信息如表5所示。由圖3可知，1928項中發明專利占68.0%，具有主導地位，并且發明專利授權中的有效量也保持著較高的占比；實用新型中失效專利222項，占比達36.2%，這與實用新型授權后的穩定性和保護年限相較于發明專利不具優勢有關。由表5可知，目前專利的后期運用以轉讓為主，許可和質押形式占比較少，并且總體占比較低，說明相關技術的成果轉化和市場運用還有待提高。

由圖4可知，我國專利申請人專利申請主要集中在大專院校和企業，兩者的申請量分別為856和824項，其次是個人和科研單位的申請，產學研相結合的專利申請量較少，僅有26項，如中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所和蘇州中農數智科技有限公司共同申請了一種基于激光雷達和視覺的果園路徑識別方法和機器人（CN113778087A），重慶市農業科學院和重慶合心智能科技有限公司共同申請了一種用于蔬菜立體栽培定植的AGV智能工作方法（CN110308706A）。產學研結合的現狀在一定程度上表明，在該領域國內的科研機構和大專院校的研發成果轉化相對較慢，為此需要大力推動產學研的深度融合，以利于先進技術快速、高效的轉化。

2.2 申請人和發明人分析

農機領域自動導航系統專利申請二級分支下主要申請人分布如表6所示。

由表6可知，久保田和洋馬公司是農機導航領域的重要申請人，其專利基本覆蓋了各級分支，并且在每個分支中的申請量排名均較為靠前。其中，在衛星類導航分支中久保田和洋馬公司分別有52和125項專利，分別占該分支的7.9%和19%；久保田在聯合收割機、播種機、插秧機等農機裝備領域均有重要的影響，洋馬公司在農用設備領域也有較多的專利布局；井關農機也在多個二級分支申請量中位居前列，可見日本的導航技術和專利布局是該領域技術研發時需重點考慮的因素，也是在專利檢索中需重點關注的。除此之外，約翰迪爾在該領域的多個二級分支中也有舉足輕重的地位；我國的申請人則是以西北農林科技大學、江蘇大學為代表的高等院校；結合進一步檢索可知，西北農林科技大學在融合導航、激光導航及GPS導航方面均具有一定的研發基礎，并且重點研究方向在于果園融合導航，而江蘇大學側重于融合導航和激光導航。

由圖5可知，在較為主流的衛星定位+視覺融合導航方式中，我國的相關專利在申請量上占據絕對優勢，主要集中在以西北農林科技大學和中國地質大學（武漢）為代表的高等院校；作為我國該領域的重要申請人，西北農林科技大學還在視覺+超聲波、衛星定位+激光、衛星定位+超聲波、衛星定位+視覺+超聲波、衛星定位+視覺+激光及視覺+激光等多個技術分支進行了相關專利申請，導航方式涵蓋較為全面。除此之外，也有市場創新主體如上海華測導航技術股份有限公司在導航方法上進行了相關的專利布局，其研究的衛星+視覺的融合導航測量使得農機具備更好的機動靈活性和精準度，以及可對農機姿態進行實時調整。

部件導航涉及的三級分支主要申請人分布如圖6所示，三級分支中的導航方法主要涉及的是導航路徑規劃、控制及調節等相關技術。日本的久保田、洋馬公司依然是相關技術專利布局的領頭羊；我國的相關專利申請依舊主要集中于西北農林科技大學、江蘇大學、中國農業大學和農業農村部南京農業機械化研究所等高校、科研機構，企業主體申請量偏少。

相關市場主體可通過與對應高校、科研院所進行產學研結合、技術引進，以及人才招聘等多種方式，快速構建研發團隊，提高研發實力或進行相關技術的市場推廣。

我國相關技術分支的發明人和專利申請量如表7所示。西北農林科技大學楊福增教授，主要研究方向涉及融合、衛星定位和視覺導航3個方面；進一步檢索可發現，其重點研究方向涉及丘陵山地無人機械、智能農機關鍵技術、多體機器人關鍵技術及基于無人機械的信息或控制技術等，并且針對郁閉型果園空間狹小的限制，研發了微型果園無人機械。西北農林科技大學陳軍教授，主要研究方向涉及融合、衛星定位和激光導航3個方面；進一步檢索可發現，其長期致力于智能化農業裝備與技術研發，在果園機械的自動導航方面具有深厚的研究基礎。山東農業大學劉平教授，專業方向是農業裝備智能控制技術和導航控制技術，其相關研究主要涉及融合導航和視覺導航。除此之外，河北工業大學張鵬團隊等均在相關的技術領域具有深入的研究。

2.3 國外在中國申請的專利分析

由圖7可知，相關專利申請量整體上呈逐年上升趨勢，在2018年達到頂峰，2019—2021年雖有所下降，但中國市場依然是國外公司專利布局的熱點；2010年國外/國內申請量比例達到57.1%，這一方面與當年的申請量基數較低有關，另一方面也反映了當時我國部分創新主體在該領域的專利布局量較少。近年來，國外在中國申請的專利在整體上也呈上升趨勢，2017—2020年達到了一個高峰；但國外/國內申請量比例有所降低，這主要是由于同一時期國內申請量增長較快所致。

農機導航領域國外在中國申請的專利狀態如圖8所示，其中，日本在中國的專利布局數量明顯高于其他國家，這一方面得益于日本的農田作業環境與中國目前的農田環境較為類似，其農業機械靈活且適應性強，相較于美國和德國的大型農業機械而言，更符合中國市場用戶要求；另一方面，日本基于其智能化農業機械的發展相對較早、技術較為成熟，使得日本相關農機企業更注重在全球，尤其是在中國的專利布局。

國外在中國申請的26件有效專利主要涉及大田衛星定位導航、果園視覺導航及相關的三級分支導航方法類。因此，我國企業在相應領域進行產品研發、專利布局時要注意規避；對于處于審中狀態的申請，最終的法律狀態雖不確定，但是這些申請往往也是后期容易引起知識產權糾紛的主要方面，產業主體在專利布局時應及時關注狀態變化。

農機導航領域專利的5個主要申請國及其目標國關系如圖9所示，中國、日本和德國3個國家所申請的專利主要還是布局于本國；韓國則更多的是布局在其國外市場，其在德國的專利布局量明顯超過了本國的專利布局量。值得注意的是，日本和中國互為除本國外的最大專利目標國。

2.4 技術功效矩陣分析

由圖10可知，導航的可靠性和精度是農機導航技術發展所關注的重要指標，相關的申請量所占份額較大；提高自動化、降低勞動強度、提高作業效率也是現有導航作業中重要的技術研發方向；而提高導航安全性、降低成本、提高路徑覆蓋率和提高可維護性相關的研究均較少，相應的研究機構或企業可從該角度分析技術研發的可行性，以尋求技術突破，打破專利壁壘。

三級分支涉及的技術功效矩陣如圖11所示。在主流的衛星定位、視覺和融合導航方式中，其重點發展方向依然在于提高導航可靠性和導航精度，專利較多，技術較成熟；同時提高自動化、降低勞動強度和提高作業效率也具有不少的申請量。另外由于衛星定位、視覺和融合導航方式的核心技術相對成熟，相配套的安全性、設備復雜性、經濟成本控制也在技術發展中被重點考慮。對于接觸傳感、激光、機械導航、紅外、電磁和超聲波的導航方式，其整體的專利申請量相對較少，在提高導航可靠性和提高導航精度方面的研發布局體量也較小，在設備維護性或者設備復雜性等方面的研究則更少甚至是空白，相應的研究機構或企業可考慮這些技術空白點在實際技術應用上是否可行，并在該方向尋求技術突破，打破專利壁壘。

融合導航方式下主要技術分支的技術功效矩陣如圖12所示。衛星定位+視覺的融合導航方式技術發展相對成熟，無論是在提高導航可靠性和導航精度方面，還是在提高自動化、降低勞動強度和提高作業效率方面，均有相當體量的專利申請；同時在設備安全性、降低設備復雜性和降低成本方面也有不少技術專利布局，其技術發展成熟度和完整度都明顯高于其他融合導航方式。而衛星定位+視覺+激光、衛星定位+視覺+超聲波、衛星定位+紅外和衛星定位+超聲波的融合導航方式在總體申請量上比較少；關于相應的降低成本、降低設備復雜性、提高可維護性方面的研究則更少甚至是空白，相關的創新主體一方面要考慮此類相關技術在實際技術中應用的可行性，另一方面可以考慮從這些方面出發從而能夠更容易打破專利封鎖，形成有效的專利布局。

3 結束語

（1）農機領域自動導航系統專利技術主要集中在中國、日本、美國、德國和韓國。其中，日本的申請量僅次于中國，其重要申請人久保田和洋馬公司不僅注重本國的專利布局，在中國等其他國家也有較多的專利申請。美國的主要申請人則是以約翰迪爾為代表的農機企業。中國的主要申請人集中在以西北農林科技大學、江蘇大學為代表的高等院校，其有著較為全面且前沿的導航技術專利；但是相關的產學研專利數量較少，專利后期的轉讓、許可和質押等運用也占比較少，在專利技術的成果轉化方面還存在不足。如何加強科研院所、高校與企業的深度合作，助力專利技術的市場應用是做好知識產權服務的重點方向。

（2）我國的申請人在國外的專利布局較少，不利于國內企業相關產品走向國際市場；而日本在我國擁有較多的專利申請。國內企業在技術研發方面需要關注相關的專利布局情況。

（3）農業導航作業環境復雜，提高導航可靠性和導航精度是目前導航專利技術的重點布局方向，尤其是衛星定位、視覺和衛星定位+視覺的融合導航方式是研發熱點；而接觸傳感、激光、機械導航、紅外、電磁和超聲波相關導航方式的專利申請量相對較少，技術研發方面依然具有一定的空間；提高導航安全性、降低成本、提高路徑覆蓋率和提高可維護性相關的研究均較少，相關的創新主體可考慮從這些方面出發探索技術研究的可行性。