“北斗”助力 无人农场成为现实

在广州增城的水稻无人农场里，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。

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。

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。

耕种管收 实现全程机械化

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。

三是创制了具有自主知识产权的农机自动导航作业线控装置和农机北斗自动导航产品。我国农机装备自动化水平不高，大多缺乏适用自动导航作业的底盘线控装置。针对上述问题，项目创新提出了基于转向轮和车辆本体姿态差分测向的转角测量方法，创制了带有手动优先功能的电液比例和电机直驱两种自动转向控制装置。开发了带有CAN总线接口的农机速度控制和作业控制器，实现了上述5种功能的车载线控，满足农机自动导航作业的控制要求。

创制了具有自主知识产权的农机北斗自动导航系统产品。集成基于北斗的高精度定位测姿、自动转向控制、自动导航和路径优化等技术，创制了电液转向和电机转向两类农机北斗自动导航产品，实现了耕、种、管、收等作业环节农机自动导航作业，田间导航作业误差≤2.5 cm，达到了国外同类技术产品水平。基于北斗的农业机械自动导航作业系统实现了前装和后装、电液转向和电机转向及单/双天线导航，形成系列产品。

四是无人农场技术集成与应用示范。项目团队根据作物耕作制度、种植模式、管理体系和收获方式等作业特点，设计了无人农机在耕种管收环节中协同作业流程；协同规划同种作业多台同种无人农机的起始位置、作业幅宽和行走路线等作业方式，多台不同作业无人农机的作业先后顺序、作业起始位置、幅宽和速度等作业信息，制定了无人农机协同作业规程。

创建了无人农场作业远程交互与共享平台。采用TD-LTE 数据传输和远程控制技术，设计了无人农场数据传输和通讯交互协议以及远程控制支持系统，作业远程交互与共享软件系统平台，实现无人农机作业信息管理与共享功能。

无人农机作业状态信息上行至云端存储和平台处理，对耕种管收环节中无人农机的规划作业路径、实际作业轨迹、作业任务、作业质量、作业数量、农机作业状态和GNSS 信号质量等作业信息进行分类统计管理；作业远程交互与共享平台下行作业任务指令、规划路径和操控指令等控制信息至无人农机。

华南农业大学水稻无人农场的无人驾驶运粮车

华南农业大学水稻无人农场的无人驾驶拖拉机

无人农场未来展望

华南农业大学水稻无人农场的建设覆盖了耕作、播种、植保、收获等生产过程，优化农业机械最佳作业路径，减少重复作业区和遗漏区的作业面积。在耕作方面，提高了耕作效率，降低了人工成本，在农艺管理方面，通过精量播种、精准植保作业，提高了农业资源利用率，保护了农业生态环境，为我国粮食产量增收增产提供技术保障。

水稻无人农场的稻谷产量均高于当地的平均产量，表明了其巨大的发展潜力。2021年早稻生产采用优质丝苗米品种“19香”，产量9943.35 kg/hm2，高于当地的平均产量7500 kg/hm2。

建设无人农场可有效缓解农村劳动力短缺的现状，积极推进现代农业建设。无人农场技术可彻底将农民从繁重的劳动中解放出来，为解决“谁来种田”提供了重要的途径。

罗锡文院士认为，目前，我国的无人农场建设刚刚起步，要实现大范围推广应用还需要解决以下5个问题：一是关键技术的突破，包括适应不同区域、不同地形、不同作物和不同种植制度的无人农场关键技术，特别是智能农机技术及集成和管控平台；二是适应无人农场的经营规模和土地整治，要大力支持新型农业经营主体，扩大经营规模和加强土地连片整治；三是要因地制宜，探索各种适宜的无人农场建设模式和制定相应的标准；四是要加强无人农场建设需要的各类人才的培养和培训，包括各种技术人员和经营管理人员；五是要加强无人农场建设相关政策制定，调动政府、企业和社会资金投资建设无人农场的积极性。

当前，以互联网、大数据和人工智能为代表的新一代信息技术蓬勃发展，给经济发展、社会进步和人民生活带来重大而深远的影响，也推动了农业机械化和智能化的快速发展，这都必将促进我国无人农场建设进入快速发展期，进而为我国现代农业发展作出重要贡献。