智能控制技术在无人农场的应用

任震宇，杨雨涛，彭世杰，李方志，王 璇

（绵阳职业技术学院，四川 绵阳 621000）

农业发展是国家发展及人民生活水平提升的必要条件[1-2]。随着近年来我国科学技术的飞速发展，各种新型智能控制设备体系不断完善，将现代化智能技术融入到农业中解决我国目前劳动力缺乏的问题，对于新型农业转型是很有必要的。《“十四五”推进农村现代化规划》中指出了未来五年农村现代化的建设思路和重要任务[3-5]。其中重要任务为提升粮食等重要农产品产量提供保障水平。相信在国家政策的带动下，我国新型智能农业建设必将取得突破性进展。

1 智能控制技术的概述

智能控制的思想产生于20世纪60年代，由美籍华人傅景孙教授提出。智能控制是指智能机器独立实现目标的驱动过程[6]。机器可独立操作，无需直接人工干预即可自动控制目标。智能控制最重要的方法为专家控制、模糊控制、神经网络控制等。其主要研究对象是不确定模型、高度非线性和复杂的任务需求。智能控制以控制理论、科学信息学、人工智能等学科为基础，扩展了相关理论和技术。生产过程中的智能控制首先包括局部智能控制和全局智能控制。

智能控制技术在农业中广泛应用[7]。在现代先进制造系统中，我们不得不依靠这些不完整和不准确的数据来解决不可预测的情况。近年来，智能控制技术在国内外发展迅速，进入了技术实践阶段。但作为一种新的理论和技术，它仍处于发展阶段。随着人工智能和计算机技术的飞速发展，智能控制将进入一个新的发展阶段。

2 无人农场的发展进程对比

2.1 传统农场

中国是世界农业的发祥地之一。自古以来，中国人就以勤劳勇敢著称，野生植物的驯化和栽培是很久以前的事了。因此，中国对世界农业的发展作出了重大贡献。战国时期《墨子》一书中提到“农夫早出暮入，耕稼树艺。[8-9]”体现了传统农业的繁忙表现，传统农场模式具有效率低、枯燥、劳累等问题且务农工作者要面临各种气候变化，会直接影响到收获成果。传统耕种依赖牲畜以及人工播种、施肥、收割。

2.2 机械化农场

随着社会主义工业化的发展，农业机械化事业从无到有，从少到多，并取得了显著成果[10]。到目前为止，尽管一些地区的农业生产主要为农业和畜牧业劳动力。但农业机械化已成为农业生产的重要组成部分。

不同时期农业机械的发展方式不同。在集体化时期，由于大众合作社生产合作形式的出现，他们享有共同的生产资料，生产大中型农业机械。在此期间，小型拖拉机以其灵活的性能和低廉的成本迅速发展。随着经济水平的提高以及农业人工的减少，大中型农业机械的生产效率进一步提高。农业机械化可以节省部分劳动力，减轻劳动强度，提高部分农业生产率。从1978年开始，我国农业机械化发展环境发生了较大变化，主要表现为农业机械化需求快速增长与国家政策的强力扶持。但由于劳动力价格迅速上涨，该时期还是达不到农业生产持续的稳定[11]。

2.3 智能控制无人农场

近年来我国在计算机技术、互联网、物联网、人工智能等方面都取得了举世瞩目的进展。随着这些技术的突破，智能控制无人农场的概念被提出。随着农业科技的跨越式发展，一场由智能科技“领跑”的革命正在蓬勃兴起，农业领域在发生巨变。我国在2019年6月实现了国内首个由智能控制技术实现的生态无人农场，该农场实现了农机自动化作业，只需手机APP控制，就能轻松实现整个农场的灌溉和施肥，生长过程都是在无人监控下完成的。无人农场是把各种现代化技术一齐运用，实现对农业生产中耕、种、管、收等环节的全方面支撑，将大大提高农场的作业效率，节约人工成本。

3 智能控制下无人农场具有的功能进阶

智能控制无人农场，主要体现在智能化、无人化，通过物联网，将万物互联，通过人工智能代替人工操作并做出判断，这便是智能控制无人农场的特征。

3.1 远程控制

由管理人员在异地通过计算机无线或电信号对农场设备进行控制。无人农场尚处在初期阶段，虽然自动化农场已经基本实现自动化作业，但由于软件系统尚未成熟，各种设备之间还未实现互联，做不到设备联合作业，仍需相关工作人员进行远程操作发出指令。

3.2 无人值守

该阶段无需通过远程操作使设备运作。各种农业设备通过数据处理等网络连接，建立起一个物联网系统，但由于此时农业设备不够智能化，部分决策机器无法自主选择执行命令，致使管理人员还必须在指定时间进行远程操作，确保设备完成工作[8]。此阶段管理员的主要任务不是操作任务，而是给设备下达命令。

3.3 自主作业

此阶段智能化无人农场通过计算机在农业设备中植入程序，再利用5G技术、物联网、大数据收集等众多智能化技术让其变得有自主判断、自主选择、自主执行的能力。此时智能控制技术向农业设备提供自主执行的支撑。管理人员仅对设备进行清洗维护，对不能正常工作的设备部件进行更换。此时的智能化无人农场系统已有自己的“大脑”。

4 智能控制技术在无人农场中的应用

智能控制的“无人农场”是现代化农业建设的标志，它的出现代表着未来智慧农业的技术方向。此技术的技术核心涉及到物联网、互联网、5G技术、大数据、人工智能等。农场的生产、湿度、温度光照和作物生长的阶段都是通过以上技术控制。大数据及人工智能组成无人农场的智慧大脑。按照模块划分关键技术可分为感知数据模块和决策模块。感知模块主要包含物联网技术应用及各种视觉传感器的应用。决策模块主要由人工智能、智能控制、大数据进行应用[2]。智能控制技术的支撑是为无人农场配备“智能大脑”，使无人农场“能思考”，如图1所示。

图1 无人农场示意图

4.1 视觉传感在无人农场中的应用

视觉传感作为人工智能技术下一个最为重要的技术，在无人农场也是最为关键的技术。农业设备在自主采摘过程中需要有适当的光照和一定的空间范围并具备在其他遮挡物遮挡的情况下确定物体空间位置的能力。果实于农业设备距离的确定就显得尤为重要，视觉传感技术的测量距离就是一种最为有效的方法。

给农业设备装入CCD摄像机，在农机移动过程中CCD摄像机实时开启距离测算，进行距离精准定位。如在遇到果实前方有障碍物的情况时可以有效避开障碍物进行采摘。视觉传感还可在农机设备需要解决部分特殊问题时提供帮助，如在收获果实时，对于筛选一些未成熟的果实和残次品的鉴别有很大帮助。

农业机械的自主操作必须基于导航系统的控制。基于视觉检测原理的视觉导航技术是农业机械导航方式中最为深入的研究。视觉导航是在农业机械中安装CCD摄像机，获取周围环境的图像，进行路径规划，并命令农业机械移动到预定的工作地点的采摘过程（图2）。视觉导航具备目标成像完整，探测范围广等优点。能在复杂恶劣的环境下进行精准定位，因此高速图传处理和硬件及合理算法是保证视觉导航正常运作的基础。视觉传感技术具有可靠性高、成本低、图像处理容易实现等优点，因此运用于无人农场是最为合适，也是农场最为重要的技术之一。

图2 视觉传感技术采摘过程

4.2 大数据在无人农场中的应用

大数据为智能化、无人农场提供了一种异构多源数据处理技术，实现了消除虚假保真度、消除厚度和保持精度、分类等处理方法。它可以提取、分析和发现许多云数据知识，形成传统的业务知识库。它实际上可以存储所有类型的数据并形成历史数据，还可以用来学习农场管理和控制。可与云技术和边缘计算相结合，形成高效的计算能力。从而保证农业运营，特别是农业机械设备的快速响应。

4.3 物联网在无人农场中的应用

物联网作为无人农场智能管理的重要支撑技术，提供了全面的传感器识别技术，确保动植物在最佳环境中生长，并提供以图像处理为核心的表型动植物技术和视觉导航技术，确保遥感技术实时捕捉动植物生长和生长调控关键参数；提供设备现场和最先进的检测技术，确保设备导航和维护技术运行参数。总之，科技物联网使农业装备无人联网成为可能，保证在整个农业生产和管理过程中对可靠信息和传输的感知。

5 智能控制无人农场的实际案例

5.1 碧桂园全球首个万亩无人农场投运

2020年10月11 日，碧桂园收割万亩无人农场正式试验投放。各种嘈杂的设备正在田野中移动，17家公司的智能农机设备组装完成，成功展示了世界上最先进的农业技术，覆盖农作物从春到秋的作业。整个操作过程均已实现无人化农业设备作业（图3）。

图3 无人驾驶收割

5.2 四川首个无人农场投运

2021年12月2 日，由西华大学和成都大邑县农业农村局联合建设的四川首个无人化农场正式投运，在300亩的农场试验田内田间工作人员点击电脑发出指令，无人驾驶的农业设备便从机库驶出，开始有序地工作。此次投运全程只用2-3名工作人员，他们负责用电脑对系统进行智能控制，闲余时间去田间视察和对设备进行能源补给及维护。

6 结束语

本文主要介绍随着人工智能近年来的不断发展，智能控制已经向农业大幅度推广。智能控制在无人农场的应用已经在我国多个地区开始进行，加之近些年来国家相继出台多项农业相关政策，大力支持现代化农业建设，全面推广无人化农场规划和农产品生产并提高应用水平。了解智能控制无人农场所需用到的核心技术，并解决短板技术，防止过度依赖于他国技术而在关键技术上被“卡脖子”。智能控制无人农场代表以先进技术进行农业生产，是现代化农业发展的方向，相信在现代化建设的今天。智能控制下的无人农场必将在精准农业、智慧农业等方面实现质的飞跃。