嘉定区水稻生产机械化全程无人驾驶技术初探

龚智峰

（上海市嘉定区农机技术推广站，上海市 201800）

0 引言

随着我国社会的老龄化、城镇化的推进以及青壮年劳动力就业观念的变化，农业劳动力日益短缺，“谁来种地、如何种地”已成为严峻的问题。改变农业生产对劳动力的依赖性，农业机械融合电子信息、物联网、云计算等技术，实现农业生产过程的自动化、智能化、机器人化是解决上述问题的根本途径。“智能在端、管控在屏、智慧在云”，即现场控制智能化、云端决策智慧化、监控调度移动终端化是未来智慧农业的发展方向。

根据《上海市推进农业高质量发展行动方案（2021—2025）》，嘉定作为数字化无人农场先行片区，推进无人农场建设，嘉定区农业农村委在外冈镇周泾水稻基地建立了一个20 hm2的试验点，对水稻生产全程“耕、种、管、收”各环节进行无人化作业的研究与试验，推进水稻无人化农场的发展，为未来智慧农业的创建提供技术支撑。

1 机具改装

依据本市无人农场建设的整体规划，依托无人农场项目支撑，聚焦嘉定外冈镇重点区域，围绕水稻耕整地、种植、植保、施肥及收获5个方面，积极探索水稻智能机械化生产机具的研发，开展全程作业环节无人驾驶试验示范。从2021年“三夏”开始，对拖拉机、插秧机、穴播机、自走式喷杆喷雾机、联合收割机进行了北斗导航无人驾驶系统的改装，改装后的机具要符合无人驾驶技术要求（表1）。

表1 无人驾驶机具要求

2 试验情况

以减少劳动力，减轻劳动强度，提高农机自动水平为目的，开展水稻全程作业无人驾驶生产技术的研究与试验。2021年，以嘉定区外冈镇周泾水稻基地为主要试验基地，进行了水稻生产各环节的无人驾驶生产试验。周泾基地的田块为改造过的高标准良田，田块宽度42 m左右，长度400 m～500 m，田块方正，有利于无人驾驶的试验。

2.1 无人驾驶机械化深翻试验

在外冈镇周泾基地开展无人驾驶机械化深翻试验，测试无人驾驶模式下耕整地机械在实际生产中的作业性能。田块面积约为1.34 hm2，实际作业面积约为1.16 hm2，深翻平均深度20.1 cm。

在实际作业中，无人驾驶拖拉机深翻作业的有效作业效率为1.04 hm2/h，无人驾驶模式下，四周需要留下空白，确保无人驾驶安全运行，需要后期人工驾驶进行补充作业，因此，无人化率为87%。作业效率良好，满足作业要求（表2）。

表2 无人驾驶深翻作业效率记录

2.2 无人驾驶机械化旋耕试验

在外冈镇周泾基地开展无人驾驶机械化旋耕试验，测试无人驾驶模式下耕整地机械在实际生产中的作业性能。考虑到田埂直线度达不到无人驾驶的直线度要求，田块无法做到无人化作业全覆盖，四周需要留下少量空白，田块面积1.48 hm2，实际作业面积1.28 hm2，旋耕平均深度13.4 cm。

实际作业中，无人驾驶拖拉机旋耕作业的有效作业效率为7 706.67 m2/h，无人驾驶模式下，四周需要留下空白，确保无人驾驶安全运行，需要后期人工驾驶进行补充作业，因此，无人化率为86%。作业效率良好，满足作业要求（表3）。

表3 无人驾驶旋耕作业效率记录

2.3 无人驾驶插秧机作业试验

在外冈周泾基地开展水稻插秧机自动驾驶技术的试验研究，试验田块为外冈的高水平良田，田块长170 m×宽42 m，总面积6 666.67 m2，分别从水稻插秧机自动驾驶技术的稳定性、可操作性、精准性三方面展开。

在实际作业中，外冈无人驾驶插秧机插秧作业的有效作业效率为4 600 m2/h，无人驾驶模式下，考虑到田埂直线度达不到无人驾驶的直线度要求，四周需要留下30 cm空白，确保无人驾驶安全运行，需要后期人工驾驶进行补充作业，加上自动封边功能后，无人化覆盖率为95%以上。插秧机自动驾驶秧苗栽插直线精度明显好传统人工驾驶；总体调头交接行对行精准度也明显优于传统人工驾驶；栽插质量（漏插、漂秧、伤秧等）二者无明显差异，基本一致，均和水田平整度、水浆管理等有关（表4）。

表4 无人驾驶插秧机作业效率记录

2.4 无人驾驶喷杆喷雾机作业试验

在外冈镇周泾基地开展无人驾驶喷杆喷雾机的作业试验，测试无人驾驶模式下植保机械在实际生产中的作业性能。田块面积9 368.67 m2，宽度42 m×长度2 22 m。

考虑安全因素，无人驾驶喷杆喷雾机作业时速度调至较小值，约为人工驾驶的速度的1/2，作业效率仍达到2.15 hm2/h（表5）。

表5 无人驾驶喷杆喷雾机作业效率记录

同时对机具喷雾的雾化效果也进行了测试，采用水敏纸作为采样片承接雾滴。间隔每2 m左右在水稻叶片上放置一张水敏纸，采集样品要等雾滴完全干后再采集。将收回的纸卡，做好标记，扫描进计算机后用软件进行分析，测雾滴粒径的值，验证是否达到最佳效果范围内。

经测试表明，无人驾驶喷杆喷雾机的雾化效果良好，植保雾滴粒径在30 μm～150 μm最佳粒径范围内（表6）。

表6 雾滴粒径测试结果

2.5 无人驾驶收割机作业试验

在外冈镇周泾基地开展水稻无人驾驶机械化收割作业，测试无人驾驶模式下收获机械在实际生产中的作业性能。考虑到田埂直线度达不到无人驾驶的直线度要求，无人驾驶前先需人工驾驶对田块外围进行收割，然后再进行无人收割作业。

本次收割测试田块总面积1.12 hm2，其中外围人工驾驶收割面积为2 746.67 m2，因此在本次收割作业中，无人化率为75.46%。人工驾驶总耗时49 min，作业效率3 366.67 m2/h；无人驾驶3 h 47 min，无人驾驶的收割效率为0.223 hm2/h。

3 结论

1）通过引进无人化驾驶技术，对现有的各类农机进行无人化改造，既减少了对人工的强依赖度，又显著提高了作业精度，推动了农业生产方式变革，成为嘉定区破解都市农业发展瓶颈的重要途径之一，真正将种粮农民从“面朝黄土背朝天”的辛苦劳作中解放出来。

2）无人驾驶机具的作业效果良好，作业直线度更是明显优于人工驾驶，能提高土地利用率，避免重耕漏耕和重播漏播，提高插秧、植保等环节的作业质量。

3）无人驾驶机具的作业效率优势还不够明显。目前大多数自动驾驶导航系统的应用还处于试验阶段，自动驾驶导航系统的性能如自动规划路线、系统与原机具的匹配度、操作人员熟练程度等还未到最佳最优状态，实际作业效率仍略低于传统人工驾驶模式。

4）由于智能驾驶系统是后装系统、在电路、油路方面进行了一定的改装。在切换回手动驾驶模式后，机手操作过程发现会有脱档、挂挡困难、油门变小的各类小问题，需要进一步优化改装方案，减少对原机模块的干扰。同时，智能驾驶系统还需进一步优化，提高系统的稳定性、精确性。