【前沿】赵春江院士团队：无人农场精准作业技术与装备

精准作业是按照农艺需求或处方决策对作物生长所需的种、苗、肥、药等农资精量投放到特定位置的作业过程。按施用农资的不同可分为精准播/栽、精准施肥和精准喷药。

“七分靠种，三分靠管”。精准播/栽是农作物生产的关键环节之一，目的是保证作物植株空间分布均匀，有利于减小植株间光、热、水、气、养分等的竞争，提高产量。大田精准播/栽主要包括单粒精量穴播，定量均匀条播和移栽3种形式。

（1）单粒精量穴播是播种机按均匀的株距、稳定的播深和一致的行距将单粒种子播入土壤的过程，主要针对玉米、大豆、棉花等需要单粒精量播种的作物。为了实现播种机的无人作业，传统机械式播种机的关键作业部件包括排种器、导种管、播种深度调节、下压力控制、覆土镇压等机构均进行了智能化改造。Precision Planting、Kverneland等公司代表着单粒精量穴播的国际先进水平，实现了播种机排种器的电机驱动控制、播种深度的智能无级调节、下压力的液压/气动调控、作业质量监测等一系列功能。Precision Planting研发的SmartFirmer（图1（a））可实现种沟内水分、温度、有机质含量等参数的实时监测；SmartDepth（图1（b））可以在人机交互终端通过电机实现播种深度的快速无级调节；VDrive（图1（c））采用电机周向驱动的方式，实现了排种器的精准控制；DeltaForce（图1（d））可实现播种单体下压力的快速检测和基于液压的实时控制；WaveVision（图1（e））排种检测传感器，具有强穿透性和高防尘功能；Speedtube（图1（f））通过隔板传送带实现了种子从排种器到种床的平稳有序输送。Kverneland公司在排种器电机驱动基础上，结合卫星定位技术，实现了种子横向和纵向的精准控制，可播种品种苗。中国在播种机智能化改造方面也进行了开创性研究，He等探索了电机驱动排种技术，利用直流电机驱动排种器，在12 km/h的高速播种作业条件下，排种单粒率可达到98.4%，在此基础上探索了基于处方图的变量播种技术。

在播种检测方面，目前学者对机器视觉式、光电式、电容式、压电式等不同排种检测传感器进行了探索，并形成了以光电式传感器为主的排种检测产品。付卫强等、高原源等利用轴销传感器检测播种单体下压力，并分别采用液压和气动方式对播种单体下压力进行调控，播种深度合格指数分别达到90.37%和98.91%。为实现种子从排种器到种床的平稳运移，Liu等设计了一种隔板传送带式种子二次输送装置，在14 km/h时仍能实现高质量的播种作业。 

图1 Precision Planting单粒精密穴播产品

Fig. 1 Precision Planting's single-grain precision hole seeding products 

（2）定量均匀条播是播种机按照作物所需播量将种子均匀播撒到深浅一致土层的过程，主要针对小麦和直播的水稻，基本要求是播量精确、下种均匀、深浅一致。条播机根据种子输送方式的不同，分为机械式和气力式，机械式采用不同曲线或形状的外槽轮式排种器为主要种子分配部件，气力式主要采用气送式集排器为种子分配部件，多用在大型播种机上。Amazone的Cataya系列条播机（图2（a）），是耕整地和播种联合作业机，采用外槽轮式排种器，可实现播量快速校准和高精度控制，播量控制误差≤1%；Avant系列播种机（图2（b））配备气送集排器，种子分配均匀，配合智能人机交互终端可实现区段控制功能。国内配备外槽轮式排种器的条播机与国外产品具有相同的工作原理，但在可靠性和作业精度上存在一定差距。针对气送式集排器，雷小龙等采用气固两相耦合等方法，优化设计一种小麦油菜兼用型气送式集排器，排种油菜、小麦的各行排量一致性变异系数分别低于4%和5%，总排量稳定性变异系数和种子破损率分别低于1.0%和0.1%。张晓辉等设计到气力集排器排量稳定性变异系数低至1.01%~1.19%，播种小麦效果良好。另外，中国独有的小麦宽幅精播技术因其良好的节种增产效果被广泛应用，主要通过优化导种管和均布器结构实现种子宽幅均布。

图 2 Amazone条播机

Fig. 2 Amazon's seed drill

（3）移栽方式是将适龄作物秧苗依据所需穴株数按农艺要求的栽植深度和株距要求插入土壤。大田作业主要是指水稻插秧移栽，基本要求是保证所插秧苗“浅、直、匀、齐”。目前主流插秧机以Kubota、ISEKI、Yammar等日本品牌为主（图3）。近年，中国插秧机也有了突破性发展，适合中国国情的各类插秧机逐步实现了国产化，苏州久富、沃得、星月神等国产化插秧机不断突破，可实现穴距、插秧深度、横向取禾次数、纵向取禾深度等作业参数的多级调节，适合不同品种和尺寸的秧苗。

图 3 日本知名插秧机

Fig. 3 Japanese rice transplanter

精准施肥是指通过农田作业装备对化肥实施精准投入，准确控制化肥的精量、定位施用。按照作业过程可以分为施肥量标定、精量施肥控制和施肥智能监测。

施肥量标定的目的是为了确定施肥器每转施肥量，标定后的结果作为精准施肥控制的基础。为了快捷高效开展施肥量标定，袁文胜等设计了一种基于称重传感器的闭环施肥量快速标定装置，以称重传感器与目标施肥量的差值为输入，调整施肥轴驱动电机转速使施肥量达到目标值，从而计算每转施肥量。

精量施肥控制主要结合目标施肥量、标定施肥量和施肥机前进速度，实现排肥轴转速精准控制，达到精量施肥的目标。孟志军等设计了一种基于液压马达的施肥作业系统，实现了肥量的精准控制，施肥误差≤3%。付卫强等设计了一款基于CAN总线的液压施肥控制系统，总体施肥量控制误差≤10%。中国农业大学刘刚教授团队设计了一种基于排肥口开度和排肥轴转速双变量的精量排肥控制系统，作业速度为7 km/h时，排肥量控制精度达到97.6%。精量施肥控制可应用于精量施肥和变量施肥，精量施肥在整个作业区域进行肥料的均匀定量投入，该方式是当前国内主要施肥方式。

变量施肥依据土壤养分空间区域分布状况、作物需肥规律、目标产量等，按区域调节施肥比例和施肥量，包括基于处方图的变量施肥和基于实时传感器的变量施肥。国外已研制出相应变量施肥产品。美国Case IH公司设计了一套精准农业地理信息系统——AFS（Advanced Farming Systems），在其生产的ST820型变量施肥播种机上，可以将由AFS软件生成的处方图存入变量控制器中，控制变量施肥作业（图4（a））。法国KUHN公司的Axis系列悬挂式变量撒肥机，配置了自动调节撒肥量的EMC控制系统，可实时调节撒肥盘开度与角度，实现高效变量撒肥作业（图4（b））。Zhang等设计了一种滞后时间检测系统，并采用基于平面坐标的滞后距离补偿方法来减小滞后时间，试验结果表明，该方法能有效减小变速施肥机的滞后距离。受限于实时传感器的性能，基于实时传感器的变量施肥技术还处在研究阶段。但随着遥感技术的发展和基于遥感技术的施肥决策模型研究的深入，基于遥感技术的无人机变量施肥或将成为一个突破口。 

图 4 CASE IH公司和KUHN公司的变量施肥装备

Fig. 4 Variable rate fertilization equipment of CASE IH and KUHN 

施肥智能监测以施肥传感器和卫星测速定位为主要部件，实现作业量统计和作业故障预警等功能。王大可等设计了一套施肥量无线计量系统，实现了肥箱空、肥管空/堵等的准确预警。杨柳等通过红外光电传感器实现肥管空/堵报警，采用编码器测量排肥轴转速计算施肥量，实现了施肥量的实时监测和故障预警。陈金城等设计的分层施肥机作业监测系统可实现作业面积的精准统计，统计误差≤0.05%。

精准施药核心在于获取农田小区域内病虫草害的差异性，采用高效喷雾技术和变量施药技术，按需施药。

目前高光谱、可见光等技术是农田病虫草害识别的主流技术，从功能上已经基本实现了病虫草害的识别。孙文斌等提出了一种基于可见光谱和改进注意力机制的浅层农作物病害识别模型，设计了新的注意力模块SMLP和农作物病害识别模型SMLP_ResNet，采用数据集AI Challenger 2018和Plant Village验证，病害识别率分别为86.93%和99.32%。Tronthmanna等指出多特征融合技术的发展在一定程度上提升了杂草识别率与稳定性，如使用激光雷达与光谱成像相结合，从植被水平与垂直结构全方位了解作物信息。Cao等提出采用高光谱、近红外、激光雷达等多样化数据设备，结合迁移学习算法、数据增强方法和深度学习网络等先机数据处理方法，实现了对农作物病虫害的精准识别。但是因为田间光照、作物交叠等复杂多变的条件，上述技术距离实际应用仍存在一定距离。

主流的精准施药仍以全区域均匀喷洒为主，主要依赖牵引式/悬挂式喷杆喷雾机、自走式喷杆喷雾机和航空植保机实现。国外如法国KUHN、丹麦HARDI等企业的精准喷药机可实现加药、喷洒、搅拌、冲洗主罐等功能，喷头调节、喷杆控制、变量喷施、智能监控等先进技术已广泛应用，可实现全区域农药精准喷施。KUHN公司的SprayKit将喷药设备与除草设备结合，实现了机械除草和化学防控的融合。HARDI公司的MEGA系列喷雾机引入SmartCom数组平台，实现喷雾机的监测诊断和控制，提高作业效率和作业精度。国内针对上述技术开展了广泛的研究，Chen等研发了一种基于空气悬架的高度稳定性滑膜控制系统，可改善因药液减少造成的自走式喷雾机喷杆高度变化。张春凤等针对精准对靶喷药系统作业中由于不同数量喷头反复启闭造成管路压力波动问题，开展了对靶喷药系统回流比例对管路压力波动影响的研究，为精准对靶施药装置的进一步优化提供支撑。Jeon等采用超声传感技术测量植物冠层与喷嘴距离，辅助实现变量喷雾，试验表明，优化超声传感器与喷嘴相对位置可以改善测距精度。Wei等研发了一种基于Pulse-Width-Modulation（PWM）控制的变量喷雾系统，喷药流量从最大调至最小过程中，雾滴直径变化量不超过10%。Wen等构建的流体动力学模型可以高精度还原四旋翼无人机在喷药过程中雾滴漂移与沉积情况，为植保无人研究提供良好理论研究基础。

中国企业在精准喷药领域形成了众多符合中国国情、具有自主知识产权的产品，在国内具有较高认可度。巨大的市场需求驱动下，以电动多旋翼植保无人机为主的航空植保机械在中国快速发展，成为高秆作物、水田、丘陵山地等场景下植保作业的有效方式，是地面喷药机械的有效补充。一键起飞、自主路径规划、精准施药控制、自动绕障、仿地形飞行等先进技术在植保无人机上快速迭代，推广应用。综合国内外精准作业技术的研究，在精准作业监测与控制技术上国内外均有广泛研究及成熟产品的应用。在处方生成和智能决策方面，无法快速、准确、低成本地获取地块种肥药处方图，缺乏准确制定基于实时传感器决策模型的数据和理论基础，是限制精准作业技术发展的瓶颈，也是未来精准作业技术创新发展的突破口。