| 随着工业化和城镇化的发展，我国农业生产面临劳动力短缺和老龄化的严峻挑战。现代农业要求大幅提高劳动生产率、土地产出率和资源利用率，智慧农业技术可为“三率”的提高和现代农业建设提供强有力的科技支撑。智慧农业是农业现代化的高级形式，依托生物技术、智能农机和信息技术建设的无人农场是实现智慧农业的重要途径。 无人农场主要包括农作物生产全程无人自主作业、作业环节自主完成和农作物生长全程自动监控。无人农场是在人不进入农场的情况下采用物联网、大数据、人工智能、5g、机器人等新一代信息技术，通过对农场设施、装备、机械等远程控制的智能装备,与机器人的自主决策、自主作业完成所有农场生产、管理任务的一种全天候、全过程、全空间的无人化生产作业模式。 耕种管收实现全程机械化 2020年，华南农业大学罗锡文院士团队在广州增城华南农业大学教学科研基地建成水稻无人农场进行实践，对我国无人农场建设起到了示范作用。2020年5月3日，在广州增城的水稻无人农场里，无人驾驶旋耕机自动出库，自行开到田里作业。按照设定好的规划路线，完成整个地块的作业，在作业时能精准地完成走直线，调头转弯和对行上线等各个动作，直线行驶误差不超过2.5 cm，对行误差不超过3 cm，可以保证不漏耕、不重耕。 5月9日，水稻播种时，无人驾驶拖拉机配备水稻旱直播机，采用开沟旱播的方式，精准地将水稻种子成行成穴地播在田中。水稻生长期间，需要打药时，喷雾机无人驾驶自行开到田间，将喷杆展开进行喷雾，它的喷雾高度可调，喷量可调，以达到最佳的喷雾效果。在水稻生长的过程中，智能设备全程监控生长情况。 2020年8月30日，无人农场的水稻已经到了收获的时机。收获机自动进入田中收获，运粮车则在田边等待。收获机粮仓快满时，通过云端服务器向运粮车发出一个“请来接粮”的信号，运粮车收到信号后，开到收获机旁边，收获机准确地将稻谷卸至运粮车中。卸完粮后，收获机继续收获，运粮车判断自身粮仓是否装满，若未满则原地等待，继续等待“请来接粮”信号，若已满则将稻谷卸至卡车中。 据罗锡文院士介绍，收获过程中，收割机和运粮机中间的横向误差不超过5cm，纵向误差不超过10cm。这样就能保证每一次收割机和运粮机“默契”配合。从2020年5月3日旋耕至8月3日收获，历时100多天。也就是说，这个水稻农场从最初播种到最后收获，都无需任何人进入农场半步，所有步骤都通过机器操作完成。 四项关键技术让无人农场成为现实 华南农业大学水稻无人农场是在国家重点研发计划“智能农机装备”专项项目“基于北斗的农机定位与导航技术装置研究”和广东省重点领域研发计划项目“无人农场关键技术集成与应用示范”资助下的研究成果。该项目突破了农机自动导航和农业协同作业关键技术，研制了无人驾驶农机装备，实现了水稻生产耕、种、管、收环节全程无人化作业。 一是突破了复杂农田环境下农机自动导航作业高精度定位和姿态检测技术。复杂的农田环境会严重影响农机位姿检测精度和稳定性，该项目采用北斗和mems惯性传感器结合，创新提出了车辆外部加速度辨识与线性时变自适应卡尔曼滤波的姿态同步估计算法和融合定位算法，实现了不同农机不同工况下的高精度连续稳定定位和测姿，解决了精准定位难的问题。 二是创新农业机械自动导航控制技术。农田地块小、水田侧滑严重、边界不规则，田中障碍物会影响农机导航精度。针对这些问题，项目创新提出了全区域覆盖作业路径规划方法、复合路径跟踪控制算法、自动避障和主从导航控制技术，提高了农机导航精度和作业效率。 为了提高农机自动导航作业系统对复杂农田地面的适应性、控制精度和上线速度，项目创新设计了由预瞄跟随控制器、前视距离自适应调节器、农机运动状态预估器和抗饱和变速积分器等构成的农机导航复合路径跟踪控制算法。显著提高了水田农机路径跟踪精度，解决了导航控制难的问题。 农田中存在着各种障碍物，如树木、电线杆等，影响了智能农机的正常作业，并存在安全隐患。因此，智能农机必须具备障碍物识别与检测的能力。在智能农机对障碍物检测的研究中，项目创新提出了基于激光雷达的农田障碍物目标识别算法、障碍物绕行的路径规划算法和基于纯追踪模型的避障规划路线跟踪控制算法。该避障导航方法可准确识别和绕行农田障碍物，提高了农机自动导航作业的安全性。 |
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