智能农机装备与技术

马雨秋，孙 霞

（山东理工大学农业工程和食品科学学院，山东 淄博 255000）

0 引言

智能农机与技术是将现代信息通信技术、互联网技术、卫星导航技术、检测技术、计算机技术、电控技术和人工智能等装备与技术与传统农机装备集成而形成的新型的农机装备与技术。智能农机装备能够实现高效、标准、舒适、人机交互、傻瓜操作等农机作业,能独自完成耕作、播种、移栽、施肥、施药、投饲、灌溉、采摘、收获等作业，还能采集土壤、水质、农作物和水产品等信息，为实施精准农业、健康养殖、生态环保等提供技术支撑。智能农机始终使装备自身处于最佳技术状态下工作，能耗低，采用精准作业方式，化肥、农药、水产饲料的利用率得到提高，环境污染减少，节本增效。

智能农机的典型特征是安装有微处理器、各种传感器和无线通讯系统等。

微处理器（微型计算机）对传感器传来的各种信息进行逻辑运算、传递，然后在作业环境下发出指令驱动机构或部件来完成符合要求的农机动作。微处理器的应用使农机的功能更多、适用性更强，通常只需改变部分软件，就能变更动作，适应不同作业环境、不同作业对象，根据作业需求变化而自动调整、控制，减少人工操作，降低劳动强度。

各种各样的传感器用于监视农机自身状况、作业环境和作业状况，可根据作业环境和对象变化而自动调整工作状态，并为安全作业提供保障。

1 智能农机装备与技术类型

1.1 智能农机动力机械

包括拖拉机、水稻插秧机、自走式蔬菜移栽机、自走式联合收获机、自走式施肥施药机等，这些动力机械在行走、操控、人机工程等方面实现智能化。利用GPS自动导航技术、图像识别技术、计算机总线通信技术等来提高机器的操控性、机动性和人员作业舒适性。在智能化动力机械驾驶室中，都有一台或数台计算机，具有统一标准设计的接口，用于与不同类型的机具配套使用。智能化农业动力机械安装有信息显示终端的人机交互界面，操作者通过屏幕菜单可任意选择显示机组中不同部分的终端信息。其关键技术是动力换挡、全自动换挡、动力转向、自动导航、智能操控作业等技术。拖拉机除了能在大田作业外，还要能在果园、茶园、菜园、设施园艺及水田、丘陵山地等复杂田块作业。

1.2 智能收获机械

联合收割机装备有各种传感器和GPS定位系统，既可收获各种粮食作物，又可实时测出作物的含水量、小区产量等参数，形成作物产量图，为处方农作提供技术支撑。其关键技术是作物产量的测量，根据产量自动控制作业速度和喂入量，同时绘制产量分布图，以便确定下一季的种植计划及种子、化肥和农药在不同小区的使用量。

1.3 智能植保、施药机械

智能植保机械能提高农药利用率，减少对土壤、水体、农作物的污染，保护生态环境。其关键技术是路径规划、作物病虫草害快速识别、数据实时传输与处理、变量喷雾控制、高地隙自走底盘的土壤—植物—机器系统适应性等技术，能实现精准施药、变量施药、对靶施药、减少雾滴飘失，适应“四大”主要粮食作物及棉花、甘蔗、蔬菜、水果、茶叶等经济作物以及水产养殖的施药作业。

1.4 智能施肥机械

智能施肥机能在施肥过程中，依据作物种类、土壤肥力等参数确定合适的施肥量，避免均匀施肥，不断调节瞬时施肥量，提高肥料利用率。其关键技术是系统通过电子地图内叠存的数据库处方（包括产量、施肥计划专家系统），分别对氮肥、磷肥、钾肥的施用量进行调控，满足不同区块对不同肥料的需要量。

1.5 智能播种机械

播种机通常是同时完成播种、施肥、开沟等一体复合式作业工序，智能播种机能根据田块的土壤墒情、土壤肥力、作物产量等条件，精确调控播种机的播种量及深度、开沟深度、施肥量等复式作业的工作参数。其关键技术是计量装置和播种施肥开沟等的驱动机构，系统调控计量装置，通过驱动机构，就能调整不同地块的播种量、施肥量。

1.6 智能灌溉机械

智能灌溉机械能做到按需灌溉，节水、节电，节本省工。其关键技术是能定时获取农作物叶面、根部、土壤等的湿度参数，系统根据专家系统的处方通过计算机发出需水灌溉指令。移动式喷灌机械应加装GPS定位系统，结合存放在地理信息系统中的信息和数据，通过处方实现变量灌溉。

1.7 智能设施农业装备

大棚温室智能化成套装备与技术基本成熟，并向高度自动化、智能化方向发展，其关键技术是：通过各种传感器或其它元器件获取农作物相关生长信息，智能调控农作物生长所需要最佳的光、水、温、肥、药、气等参数，完全摆脱棚外一年四季自然环境对农作物的影响，并且产量高于常规栽培。

1.8 智能采摘机

智能水果采摘机的机械臂都配有摄像头，它可以通过先进的图像处理单元来判断果实的成熟度，同时配上3D感应，利用短距离集成彩色和红外深度传感器来捕捉水果的所有细节，分析核实每个水果的外观和颜色，如水果成熟完好，机械臂才会决定采摘。

1.9 智能水产养殖装备

主要是水质调控装备和精准投喂投药装备。

在线水质智能监测监控装备对水体的温度、溶氧、pH值、氨氮、亚硝酸盐等水质指标进行24 h不间断测定，监测到的参数通过物联网技术传送到总监控室和有关有人员手机，然后应用专家决策系统进行增氧、调水、投饵、割草、控温等，确保温度、溶氧、pH值、氨氮、亚硝酸盐等水质指标控制在安全、健康、高质、高效的养殖标准范围内。

智能自循航多功能投饵投药船能定时、定量、定点、水体全方位精准投饲、投药，投料次数、投料量均记录在册、可随时查阅，GPS定位自主巡航，手机集成控制。还可配置水上、水下摄像机，图像实时显示，实现远程实时查看作业船的工作情况，达到精准控制。

1.10 农业机器人

农业机器人是一种能感觉并适应作物种类或环境变化，有检测、视觉、演算等人工智能功能的无人自动操作机械，在农业生产的许多领域得到应用，如：施肥机器人，会从不同土壤的实际情况出发，适量施肥。葡萄园机器人，几乎能代替种植园工人的所有工作。育苗机器人，工作人员只要实现在触摸屏上设定地点参数，机器人就能感应盆栽，并自动把它们移动到目的地。挤奶机器人，不仅能完成挤奶工作，还可在挤奶过程中检测奶质。牧羊机器人，能在农场上代替传统的放牧劳力。

1.11 智能农机相关传感器、控制装置与技术

1.11.1 农业机械专用传感器

1.11.1.1 施肥播种机械作业深度、行走速度、作业质量等测控传感器。

1.11.1.2 植保机械前进速度、喷量、压力、喷洒面积等测控传感器。

1.11.1.3 收获机械喂入量、清选与夹带损失、割台高度、滚筒转速、产量流量和谷物水分等测控传感器。

1.11.1.4 设施栽培环境监控用CO2、空气湿度、温度传感器，满足主机使用需要。

1.11.2 农业机械导航及智能化控制作业装置

1.11.2.1 位姿传感器、导航控制器、显控终端，满足农机自动驾驶精确导航与精准控制要求。

1.11.2.2 集身份识别、导航定位、工况监测、产量监测于一体的收割机监测终端，实现农机远程精细监测与在线运行维护。

1.11.2.3 农机深松作业检测与监视装置，满足耕深实时监测和作业精准计量要求。

1.11.2.4 农用无人机用导航装置，实现航空应用远程监测与避碰。

1.11.2.5 通用型增强信号收发装置，满足各类农机高精度信号应用。

1.11.3 大型拖拉机智能作业电液控制单元

针对农具升降、载荷、入土深度控制，突破具有精确控制策略的控制器及传感器系统，形成力、位及其混合等方式的传感器精确控制，实现电控系统中数据信息的设置、采集、应用技术。突破智能阀控技术，实现变量负载传感节能，形成动力平台与作业机组的姿态控制和功率自动循环控制系统；开发绿色、节能、高效的控制管理系统，满足大型轮式拖拉机要求。

1.11.4 海洋渔业资源水平扫描、水生生物资源科学调查以及水产养殖生物量与群体行为评估的高精度水声换能器及系列化探测仪。

1.12 智能农机管理系统

智能农机管理系统包括各机具状态、机具配置、实时调度和维修保养等方面的智能化。智能管理信息系统能实现总控制室的计算机与移动作业机械间通过无线通信进行数据交换，能够制定详细的农事操作方案和机械作业计划，并根据作业机械显示的相关数据，调整机械作业的负荷与速度，确保机组能在较佳状态下运行，如：2台联合收割机在同一地块作业，可以规划它们的不同作业路线，并通知不同的运粮拖拉机到达哪台联合收割机旁不停机卸粮作业，收割机和拖拉机能互相避开，无需等待，高效配合作业。同时，利用作业过程采集的数据，通过系统运算和处理，实现如作业面积、耗油率、产量的计算、统计及友好的人机界面显示等智能化功能。有些智能农机管理系统通过搭载在农机上的GPS天线和通信终端，农机能够自动发送位置、运转及保养方面的信息，并每天自动生成作业报告，还可实现监视防盗、运转状况管理、保养服务、突发问题自动通知与迅速应对等方面的功能，该系统不仅能自动支持农机作业，还可与第三方公司提供的农业云应用程序配合使用，进一步提高效率。

2 智能农机装备与技术推广应用前景

农机化转型升级是实施乡村振兴战略的需要，是贯彻落实国务院重大决策部署的需要，2018年12月，国务院下发了《关于加快推进农业机械化和农机装备产业转型升级的指导意见》，要求推动农机装备产业向高质量发展转型，将低性能的装备升级到高性能的装备、纯机械化装备升级到机械化与信息化融合装备、有人驾驶升级到无人驾驶智能装备，适时更新换代，加快物联网、大数据、移动互联网、智能控制、卫星定位等信息技术在农机化领域的应用，推动智慧农机的发展。

因此，智能化农机装备与技术的研制、试验、示范和推广应用将得到政府的政策和资金的大力支持；信息感知、互联网、智能控制、卫星导航、作业监测等技术将大量应用于农机装备；精准耕作、智慧养殖、设施园艺作物智能化生产等智慧农机示范基地逐步建立；“无人驾驶”将开展示范推广；“互联网+农机作业”信息化平台将加快推广应用。

2019年江苏省已投入无人联合收割机100台、无人拖拉机200台用于秋季作业，今后，将有更多的智能化农机装备与技术投入使用，智能化农机装备与技术的应用前景将非常广阔。