智能农业机械及其发展趋势

河北农业大学机电工程学院 宋盈

1 智能农业机械的发展现状

1.1 智能农业机械的现状

1.1.1 国外智能农业机械的发展现状

目前，一些发达国家的智能农业机械已经相对成熟，美国是最先提出精确农业的国家，其智能农业机械的技术水平也相对较高，美国同样在农业机器人研制方面发展迅猛，以其国土面积辽阔以及完善的科学技术作为支撑。日本是最先研究出农业机器人的国家同时也是目前在智能农业机械发展较好的国家之一[1]。

日本的洋马公司生产出的YANMERPH1，是一台专为卷心菜和西兰花幼苗设计的植物移植机，使用时，只需要将移植的幼苗拿起，装在机器上方的白色圆柱里，机器启动后就由离合器和加速器控制，他的底部还带有一个尖嘴神器，可以在地表挖出一个小坑，在不破坏幼苗的情况下进行插秧，一个坑对着一个洞，同时后面侧放的轮子还起到了埋土的作用。这台机器不仅节省了大量的人力和时间，也将效率直线拉升[2]。

德国的荷马甜菜收割机是目前最先进的收割机，该收割机配备了最先进的技术，内置的GPS 允许驾驶员在工作时进行智能转弯，独特的升降系统能够保证收割时的最佳效果，坡度传感器能够确保所有位置的稳定性与智能性，在收取地下的块茎植物时也能实现精确无误，而且在收割块茎植物的时候还能顺便将露在地面上的叶片也清除干净。此外它的油耗也十分的小，最佳性能加上最佳油耗造就了这台无与伦比的机器[2]。

英国因为盛产蘑菇，因此便研制了一种可以采摘蘑菇的智能农业机械，该采摘机使用视觉技术，通过图像采集设备采集各种蘑菇的图像，然后对图像进行预处理，包括图像增强、颜色转换等，之后再控制将蘑菇采摘下来所需要的力度，在采摘蘑菇的机械手内输入特定的算法，之后便完成了蘑菇的自动采摘。在英国还有专门挤牛奶的智能农业机械，该机器人不仅能高速完成挤牛奶的工作同时还能通过牛奶的颜色、纯度、杂质多少等对牛奶的品质好坏进行检测，并且能够在给奶牛挤奶的过程中对奶牛的身体状况进行评估，由于每天都能检测到奶牛的身体情况，奶牛的发病率便大大降低。

1.1.2 国内智能农业机械的发展现状

在中国，智能农业机械的研制和发展起步较晚，发展也较为缓慢，在20 世纪末期，我国的农业机械化水平很低，国内的大部分地区进行农业生产劳作靠的大多都是人工，进入21 世纪之后，国内的农业机械化水平便开始迅速提升，尤其这年，在国家政府的支持鼓励以及科研人员的不断努力创新下，智能农业机械得到快速发展[3]。

中国的农业机械化发展可概况为四个阶段，中国农机1.0：机械代替人力和畜力劳作；中国农机2.0：全程和全面机械化作业；中国农机3.0：信息技术提升机械化水平；中国农机4.0：网络技术指挥农机具作业。

在中国福建的5G 示范农业园区内，人工智能机器人可以对周边的农业生产区域进行智能感知、实时采集。该机器人可以在园区内任意走动，可以自动检测到前方有障碍物，然后再选择合适的路线进行绕行。自动检测障碍物的实现靠的是该机器人安装了两个700 万像素摄像头，该机器人的定点采集数据靠的是安装了各种传感器，如检测农业生产环境中二氧化碳多少的二氧化碳传感器以及检测温度和湿度的温度传感器和湿度传感器。该人工智能机器人的研制实现了智能采集数据，实景智能巡逻[8]。

1.2 发展智能农业机械的原因

1.2.1 时代发展应运而生的结果

机械发明创造的初衷便是来完成一些单调繁琐、枯燥危险的工作，随着社会发展的不断进步，科技力量的不断加强，智能农业机械也随之蓬勃发展，尤其进入21 世纪以后，人工智能、机器视觉等新产生的技术应用到农业机械上以后，出现了很多种类的智能农业机械，如耕作机械、收割机械、灌溉机械、施药机械、采摘机械等。

1.2.2 时代发展的需要

随着科技水平的不断提高以及人们对更加轻松美好的生活的向往，繁重的劳作便逐渐由机器来代替，再之后，随着科学技术的不断精进，智能农业机械便逐渐发展，智能农业机械是时代发展的需要，智能农业机械的发展在一定程度上代表着农业的发展水平，时代在不断进步，农业自然而然也要向科学农业、智慧农业、精准化农业迈进。

1.3 智能农业机械的特点

1.3.1 智能化灵活性强

首先，智能农业机械作业的环境复杂多变，不同生长作物的生存环境不同，不同区域作物的生长环境不同，而且同一种作物还有不同的品质，比如采摘机器人采摘果实时就要根据不同果实的大小、色泽、纹理、光谱等制定合适的方案。因此，这就要求智能农业机械的智能化和灵活性要强。

1.3.2 操作便捷效率高

智能农业机械的使用操作对象基本是农民，而在中国，就目前而言，大部分农民的文化水平并不高，同时这其中很多农民是老年人，因此智能农业机械应操作简便，能够让农民们在短时间内熟练掌握使用智能农业机械的方法。

1.3.3 应用范围广泛

目前大家所了解的大多数的智能农业机械的作业地点基本上都是陆地，但是也有在空中作业的，比如无人机，我国在无人机领域居于世界前列，农用无人机在中国也在不断地精进，用无人机喷洒农药，不仅加快了喷洒农药的效率，而且减少了农民被农药危害的风险。

1.4 目前国内智能农业机械存在的问题

1.4.1 地域复杂

我国地大物博，土地面积达九百六十万平方公里，拥有着丰富的资源，同样我国的地域也相当复杂，各地的自然环境条件、种植的作物类型以及农业机械的基础差异都很大，因此，在我国，全面推进智能农业机械还有很长的一段路要走。

1.4.2 农民积极性较低

首先我国农村地区的大部分农田都分散且田块较小，因此，农民便认为自己的那一块田地不需要农业机械来完成，而且智能农业机械的价格也比较高，许多农民都承担不起费用，智能农业机械的自动化程度越高价格也越高。智能农业机械在农村不方便购买，一些经济发展落后的地区，还未普及智能农业机械。而农民尤其是老年人对新事物的接受能力、适应能力较低，并且对智能农业机械的认知程度也不高，因此农民们对智能农业机械的积极性不高[3]。

1.4.3 农业机械盲目引进、缺少核心技术

在我国部分地区盲目引进国外智能农业机械，但是没有经过实地考察以及合理分析，导致高价引进的智能农业机械无法进行正常的作业。

我国农业机械的研制和发展起步较晚，发展也较为缓慢，近几年才开始逐渐蓬勃发展，但是与一些发达国家的智能农业机械水平还有一段不小的差距，尤其在核心技术方面[3]，我国无法学习到一些智能农业机械的关键技术，导致部分智能农业机械处于停滞状态，发展较为缓慢。

1.5 智能农业机械的问题解决

1.5.1 因地制宜，合理化研发智能农业机械

在不同的地区根据不同的作物以及不同的自然环境条件研发不同的智能农业机械产品，做到因地制宜、定点农业、精准农业，确保智能农业机械能够全面覆盖，应用到全国各个地区，让全国各个地区农业的发展都能跟上时代的步伐。

1.5.2 积极普及智能农业机械

智能农业机械对于科研人员以及具有一定学历的人来说，并不陌生，但是对于一些普通人尤其是普通农民来说，智能农业机械比较陌生，原因就在于智能农业机械目前还没有大范围的应用，大多数农民不了解智能农业机械，甚至都没有听说过，这就说明了目前的普及率较低，应当在一些农村地区，进行一些有关智能农业机械的宣讲活动，让广大农民了解智能农业机械，了解过后大家有可能去选择使用智能农业机械，从而推动我国农业智能化、专业化、知识化、集约化、规模化、国际化的发展。

1.5.3 培养专业人才，加强核心技术的突破

限制智能农业机械发展的最大问题就是核心技术问题，因此，要从根本上解决这个问题，就需要注重培养智能农业机械人才，尤其在各高校要着重选拔人才，培养热爱且具有奉献精神的人才，突破核心技术，打破限制智能农业机械发展的瓶颈，拥有我国自主知识产权的智能农业机械设备[3]。

2 智能农业机械的发展趋势

2.1 技术上的应用

2.1.1 传感器技术的应用

传感器技术对智能农业机械的发展起着重要的作用，在农业机械中应用传感器，就可以实时远程科学检测各种数据，比如检测农业生产环境中的二氧化碳的多少的二氧化碳传感器以及检测温度和湿度的温度传感器和湿度传感器等。

随着传感器技术的不断发展，无线传感器网络诞生了，无线传感器网络以其低成本、低功耗、简单易用的特点在促进智能农业发展和实现精准农业水平方面起着重要的作用，同样，遥感中的无线传感器网络在地形分析、灾难研究、害虫检测和植物保护无人机的实现中起着主导作用[4]。

2.2 系统化的应用

2.2.1 避障系统的应用

在智能农业机械行进的过程中存在着许多路障，因此智能农业机械需安装避障系统，在机械身上安装雷达、测距激光和视频摄像头，机械在遇到路障时，能够感知前方的路障，判断前方路障的类型，从而机械进行绕行或重新进行路径规划。一些大型农业机械如无人驾驶拖拉机，若遇到上下坡的问题，可以通过对发动机功率参数的控制调节发动机的功率，针对上下坡的陡缓，增大或减小功率，来保证无人驾驶拖拉机正常作业的运行[5]。采摘机器人在采摘果实的过程中也需要进行避障处理，在果实的周边可能会有很多的枝条树叶，这些枝条树叶会阻碍机器人采摘果实，因此机器人要精准识别果实，规划合理的采摘路线。

2.2.2 控制系统的应用

智能农业机械的控制系统主要由感知信息系统、认知与响应系统、产生决策结果系统三个系统组成，感知信息系统是建立传感网络，运用多种传感器等设备来感知农作物的深度和距离信息、位置信息、视觉和多光谱信息，或者感知环境的温度、湿度、二氧化碳含量等信息以及其他信息等；认知与响应系统是对智能农业机械存在的环境进行重建、对农作物进行目标识别定位，对传感器获取的数据进行数据分析，以及运用GPS 技术进行定位等；产生决策结果系统是产生智能农业机械所处环境的地图、产生目标农作物所在位置的3D 坐标集、产生智能农业机械的作业路径和作业参数等，运用 GIS 技术[6]。

2.2.3 智能农业机械的人机交互与多机合作系统

目前的智能农业机械在人机交互方面虽有一些应用，但仍不够成熟以及系统化，人机交互能够使农民与农业机器人相互辅助，从而大大地提高农业生产的效率。智能农业机械的交互界面能够交互操作员的命令及显示机器人的运行状态，以帮助操作员进行状态监控。交互界面应根据不同智能农业机械的用途以及农民所要获取的信息来进行设定。

智能农业机械在多机合作领域发展也较为缓慢，尚处于理论研究阶段，在作业区域很大的地方，一个机器作业的效率和工作强度都有限，多个机器一同协作进行工作效率便会大幅度提升[7]，因此多个机器之间要进行连通，共同协作，每个机器各自控制一定的管辖区域，避免它们之间发生冲突。

2.2.4 远程监控系统的应用

目前在中国，大部分农民在获取农业数据时仍采用传统的人工到田间地头去获取信息的方法，效率低下且准确度不高，一部分农业发达的地区安装了农业物联网设施，但农业物联网设施投入成本高，而且移动性差。因此，在农业机械身上安置物联网设备便能实现远程监控的目的。