走进智能无人植保装备的世界——记中国农业大学领军教授何雄奎

吴应清

何雄奎在研究观察梨树冠层结构

近年来，中国多个政策围绕“数字中国”“乡村振兴”“数字乡村”进行部署，其中都提到了农业数字化。目前，国内大多是利用基础农业机械化工具的小型规模化农业，总体生产效率并不高，而数字化、智能化农业却只占到国内农业发展的1%。

“农业数字化实现的初级阶段是农业机械化，继而是农业机械自动化、智能化，随着大数据、云计算、5G等技术的出现，智能农业装备搭载更加先进的智能控制技术，让农机进入更加智慧的人机互动，这便是农机2.0、3.0、4.0。”何雄奎是中国农业大学领军教授，现任中国农业大学农业无人机系统研究院院长、国家梨产业技术体系机械化岗位科学家与机械化研究室主任，长期从事农业机械化工程、药械与施药技术的教学与科研工作。他在土壤耕作板块开发了适用于低山丘陵的履带式无人驾驶土壤耕整设备，在病虫害管理环节开发了系列无人设备，还有可实现规律化投放天敌的系列空中植保无人机、自动规划路线的植保无人机等多种作业装备，这些设备在农田无人化管理中大展身手。

投身农机梦

何雄奎来自湖北，出生在长江边上的一个小县城。他上小学时，有一次，学校组织在操场看露天电影。何雄奎的印象很深，那是一部苏联的电影，电影里出现了一台他从未见过的联合收割机，他觉得很新奇，因为使用联合收割机是不需要人力的，只需要一个驾驶员。

当时，收割水稻需要大量的人力，农民面朝黄土背朝天，在阳光下暴晒，气温高达40℃，极容易中暑，十分辛苦。而电影里的联合收割机是能够一次完成谷类作物的收割、脱粒、分离茎秆、清除杂余物等工序，从田间直接获取谷粒的收割机械。“我一看见这种收割机械就觉得非常好，甚至想着将来一定要学农机。”何雄奎记得联合收割机的英文是Combine，音译成中文是康拜因，他小时候分队玩游戏，给队伍取名叫“康拜因”，嘴里喊着：“我是康拜因，天下无敌！”

从此，一颗关于农机梦的种子种在了何雄奎的心中。

1985年，何雄奎考上了北京农机学院（现中国农业大学），他读的专业正是农业机械化。学院里有着一批留苏、留美的优秀教授，何雄奎虚心向他们请教如何选择研究方向。张胜虎教授提议何雄奎去观察老家农田里农作物农药是如何喷洒的。

“张教授说，南方的病虫害防治很重要，所以他让我去观察农民是如何打药的，看看能不能提出一种让农药喷洒更加合理的改进方法。”何雄奎回忆道。在当时，研究病虫害植保技术的人很多，但研究农药是否喷洒均匀的人却很少。张教授认为，植物保护领域是很有价值的研究领域，值得更多的人去探索。“没有人研究的时候我去研究，这就是一件很有意义的事情。”就这样，何雄奎开启了农作物施药技术与设备的研究之路。

何雄奎最初研究的是一种新农药产品除草剂的实验技术。在研究的过程中，他发现了喷洒除草剂的很多问题，并且深刻感受到自己对这个领域知之甚少。他开始频繁出入图书馆，了解到欧洲最开始使用的手动喷雾器是中国最先发明应用的，但欧洲人后来淘汰了手动式喷雾器，因为它无法均匀地喷洒农药。“我了解到这些问题，非常感兴趣，到山西、河北、北京的农田里做了大量的实验，基于这些实验顺利写完了毕业论文，并且完成得很好。”何雄奎自豪地回忆道。

随着学习的进一步深入，何雄奎觉得自己所学的知识还不够，应该到农业机械化发达的欧洲国家去学习。1992年，何雄奎前往德国霍恩海姆大学攻读硕士和博士学位。

到德国后，何雄奎看到研究所里各种各样的大型农业机械，深知德国的农业已经进入了一个机械化、智能化的时代，“机器人看到有虫子，就能判断是什么虫，比如说是蚜虫，它就会用专门杀蚜虫的药；看到地上长杂草了，它能分析出是马齿苋，然后喷洒除草剂。”

很快，何雄奎参与到一个农药喷雾机器人的研发项目中，它的底盘是奔驰公司生产的，控制系统是西门子公司生产的，喷雾系统是何雄奎在德国的导师团队研究出来的，他也是其中主要研究人员之一。

为了研发这样一个喷雾机器人，霍恩海姆大学农业工程所投资了30万欧元。何雄奎很不理解，他经常思考：这个机器这么先进，这么智能，但是又这么贵，没有哪个农民用得起，未来有没有市场？

何雄奎把他的疑惑告诉了导师，听到何雄奎的疑惑，他的导师大笑：“雄奎，你知道吗？我们的研究永远要超过我们的时代10年甚至20年。虽然没有一个农民用得起，但是农业机器人的模式一定要做出来。”这样超前的思维让何雄奎深刻地意识到，作为一个科研工作者应该永远走在科学研究的前沿，这样才能走得更高，走得更远。

知识助力农业发展

2000年10月，何雄奎完成了自己在德国霍恩海姆大学的博士学业，回到了祖国，入职中国农业大学，他的研究方向没有改变，继续深耕植保机械领域。带着从德国学到的新技术和新知识，何雄奎拿到了国家“十五”攻关的重点项目“高效施药技术与机具研究开发”。

在项目攻关的过程中，何雄奎根据我国果园对病虫草害防治的要求，应用光机电一体化技术、自动化控制等技术研制成功了果园自动对靶喷雾机系列机，这也是我国第一台植保喷雾机器人。

果园自动对靶喷雾机采用的红外探测器技术，不但对靶准确，还可实现间歇喷雾。何雄奎笑称，这是从厕所里学到的技术，“我在德国留学的时候，看到他们那里的马桶是自动冲水的，觉得很神奇，就去询问老师自动冲水的原理是什么。老师告诉我说，这是通过红外线探测实现的”。就这样，何雄奎研制出了第一个在植保上使用的红外对靶传感器。

“我们非常高兴，我的学生和团队都为之一振！”但何雄奎并没有满足于此，他开始了新一轮的研究。为进一步提高农药利用率，提高果园喷雾机自动化与精准喷雾作业性能，他和团队在多年研究探索的基础上，成功研制出基于LIDAR（light detection and ranging，LIDAR激光扫描传感器）探测的果园自动仿形精准变量喷雾机。

何雄奎介绍说，果树树冠是一个立体空间的靶标，冠层内部结构与边界轮廓具有多边无序的特点。不同生长期、不同部位的枝叶茂密程度与叶面积指数并不相同，最理想的施药效果是喷雾机输出的风量和喷雾量与果树不同部位的冠层结构相匹配，实现仿形喷雾效果，同时降低喷雾作业过程中农药雾滴的飘移与流失，提高农药有效利用率。

激光扫描传感器可以根据果树冠层分布特点，从扫描树冠轮廓、建模、决策、计算风量喷雾量到实时调节风机转速和喷头流量，实现高效无死角精准喷雾与均匀沉积。喷雾机识别距离0～10米；喷雾决策响应时间≤0.5秒；最小识别间距0.3米；用方木作为人工靶标模拟冠层密度，结果显示测量误差可控制在10%以内。

正是因为突破了果树不同部位冠层结构与风量和喷雾量难以匹配的难题，提高了农药有效利用率，降低了喷雾作业过程中农药雾滴飘移与流失，果园自动仿形精准变量喷雾机被评为2021年中国农业农村重大新装备之一。

如果说，以上的植保机械做到了机械的精准，那么药理的精准也是何雄奎必须考虑的事情。

科学用药

“我在农村里打过药，背着个药箱，夏天又热，左手要上下加压，右手要摆动喷杆喷雾，非常辛苦。”何雄奎说道。如今，中国人口突破14亿，耕地却只有19.18亿亩。如果没有农药，中国的粮食要减产30%到40%。“如何科学合理地使用农药”是何雄奎一直思索的事情。

何雄奎经常把打农药的雾滴比作子弹，把打农药的机械比作枪。“试想一下，你用手枪打航母，用导弹打坏人，这合适吗？显然不合适。”那么，能不能做到哪里需要药就打到哪里？针对不同的农药与防治对象，选用各自合适的雾滴大小喷雾，需要多的地方多打，需要少的地方少打，没有病虫害的地方不打呢？就这样，精准施药的概念诞生了。

为了推进我国精准施药技术的发展，何雄奎带领他的团队开展科技攻关。“我们研发了计算机控制喷雾系统，它是由喷杆分段控制阀、总控制阀、控制面板、传感器、中央处理器组成的变量喷雾控制系统，搭配喷雾计算机系统，在计算机面板上可显示喷头压力、喷头类型、雾滴大小，以及施药量等信息。”何雄奎介绍道。他和团队还研制了一批人工智能大田变量喷雾技术装备，如自走式高地隙低量导流防飘人工智能变量喷杆喷雾机，实现了地隙、轮距等均可调节功能。

除了雾滴大小，何雄奎和他的团队还会利用先进的传感技术，减少农药喷洒。“比如说我们的雷达激光传感器，可以把整个作物冠的株形大小、叶面指数等都分析出来，叶子多的地方多喷，少的地方少喷，没有的地方不喷。这种机器在梨、苹果地里头，能节省60%的农药喷洒。”

何雄奎和团队还积极与大疆创新（下称“大疆”）这家无人机领域的“独角兽”企业合作，开发农业植保无人机。“大疆的负责人和我说，他们要把之前不能量产的无人机变成一个老百姓用得起的‘锄头’。”2015年4月，极飞发布了第一款植保无人机；11月，大疆发布了首款农业植保机M G-1S，此后农业植保无人机的研发进入快速发展阶段。

“对中国来说，在三四十年前，如果想用无人机打药，这是不可能的事情；但随着中国经济的高速发展，各种各样的传感器技术以及智能化的控制，还有北斗系统建成开放，科学家将这些技术集成起来，就可以满足各种各样的机械化、智能化的打药需求。”何雄奎欣慰地说道。

何雄奎与团队成员在讨论循环喷雾机雾滴回收系统方案设计

向农业智能化迈进

2020年，中国农业大学成立了中国农业大学农业无人机系统研究院（下称“研究院”），由何雄奎担任院长，落地北京平谷国家农业创新示范区-农业中关村，占地面积1万多平方米。研究院成立以来承担智慧农业示范项目4项，在平谷建设300亩智慧果园。

智慧果园以“大物移云”（大数据、物联网、移动互联网、云计算）为支撑，农业智能装备（机器人）为手段，实现农业生产全过程的信息感知、优化决策、精准控制、精细管理，实现高产、优质、高效、生态、安全。目前除农业无人机系统研究院5名教师入驻智慧果园外，团队中还有3名专项博士后和8名博、硕士研究生等科研人员。

下一步，何雄奎将继续与华为、大疆等公司进行深度合作，除了平谷智慧果园项目外，还将在延吉智慧果园、云南红河智慧烟草等多个项目上开展技术攻关和合作创新，开发出让农民真正能用上的、好用的技术装备，帮助农民提高生产效率。

面向未来，何雄奎希望经过3～5年的建设与发展，将研究院建设成为立足北京、服务全国、面向世界的一流农业无人装备系统研究院，将研究院打造成为国际知名农业无人装备产业创新、应用研究和教育培训中心。“我们的革命尚未成功，很多机器还达不到完全适合农民的轻简化生产需要。未来，我们将致力于让农业无人智能装备更简单、更便宜，让大家用着更舒心。”