農業(yè)機器人的春天來(lái)了嗎

▲四驅輪式巡檢機器人

▲雙目巡檢機器人卜葉攝

　　當前，農業(yè)生產(chǎn)中，人工成本已經(jīng)超過(guò)整體成本的一半。在這種背景下，如何降低人工成本逐漸成為農業(yè)生產(chǎn)關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。

　　“智能化的農業(yè)農機裝備為提高農業(yè)生產(chǎn)效率指出了一條路。從長(cháng)遠看，農業(yè)機器裝備發(fā)展到一定程度就會(huì )衍生出農業(yè)機器人。農業(yè)機器人可全部或部分替代人或輔助人高效、便捷、安全、可靠地完成特定的、復雜的生產(chǎn)任務(wù)。”日前，中國工程院院士、國家農業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心主任趙春江在2019世界機器人大會(huì )上說(shuō)。

　　農業(yè)機器人是農業(yè)智能化裝備的一種，能夠利用多傳感器融合、自動(dòng)控制等技術(shù)，讓自然環(huán)境下作業(yè)的農業(yè)裝備實(shí)現自動(dòng)化、智能化生產(chǎn)。農業(yè)機器人種類(lèi)豐富，包括大田作業(yè)機器人、溫室機器人、林業(yè)農業(yè)機器人、畜牧農業(yè)機器人、水產(chǎn)農業(yè)機器人等。

　　傳統農民正在減少

　　來(lái)自農業(yè)農村部的數據顯示，我國田間平均機械化作業(yè)水平達到63%，而江蘇、黑龍江等全國糧食主產(chǎn)區已經(jīng)突破80%。

　　“雖然農業(yè)機械化水平已經(jīng)比較高，但是農機的作業(yè)環(huán)境依然比較惡劣，勞動(dòng)強度也比較大，而且對農機操作人員的駕駛水平要求比較高。”江蘇大學(xué)教授魏新華說(shuō)，“由于操作人員技術(shù)水平的差別，農業(yè)作業(yè)質(zhì)量也差別較大。”

　　中國農業(yè)大學(xué)教授李偉表示，現代農業(yè)生產(chǎn)對作業(yè)人員提出了規?；?、標準化、信息化等要求。

　　農業(yè)生產(chǎn)對生產(chǎn)人員提出更高要求，與此同時(shí)，傳統農民正在減少。據統計，“十三五”期間，我國約有1.2億人口進(jìn)入城鎮。

　　越來(lái)越多的耕地依靠集體經(jīng)營(yíng)、規?；a(chǎn)。目前，我國40%的耕地由270萬(wàn)個(gè)農業(yè)新型經(jīng)營(yíng)主體耕作，農業(yè)生產(chǎn)開(kāi)始依靠合作社、家庭農場(chǎng)、牧場(chǎng)、種植業(yè)和養殖業(yè)大戶(hù)、龍頭企業(yè)等新型經(jīng)營(yíng)主體。

　　國際上同樣面臨農業(yè)生產(chǎn)人員缺乏的問(wèn)題。自上世紀80年代起，農業(yè)機器人應運而生，如瑞士的田間除草機器人、蘋(píng)果采摘機器人，美國的苗圃機器人、智能分揀機器人，愛(ài)爾蘭的大型噴藥機器人，法國的葡萄園作業(yè)機器人等。

　　國際學(xué)術(shù)界對農業(yè)機器人非常重視，2008年國際機器人與自動(dòng)化協(xié)會(huì )(IEEE RAS)成立農業(yè)機器人與自動(dòng)化學(xué)術(shù)委員會(huì )。2009年美國《時(shí)代周刊》將年度**佳發(fā)明獎頒發(fā)給一款除草機器人。

　　美國研究公司Tractica的一份報告預測，到2024年底，全球農業(yè)機器人的年出貨量預計將達到594000臺，農業(yè)機器人市場(chǎng)的年收入將超過(guò)740億美元。

　　“農業(yè)機器人的發(fā)展擁有前所未有的大好局面，農業(yè)機器人迎來(lái)了春天。”李偉說(shuō)。

　　非結構性環(huán)境的挑戰

　　春天的到來(lái)都要經(jīng)歷寒冬的考驗。對于農業(yè)機器人來(lái)說(shuō)，這場(chǎng)寒冬就是機器人研發(fā)使用過(guò)程中的一個(gè)個(gè)科研難題。

　　和其它機器人一樣，農業(yè)機器人由三個(gè)重要部分組成：類(lèi)似人類(lèi)五官的視覺(jué)、觸覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、味覺(jué)等，能夠感知、獲得信息的傳感器和系統；能夠解析任務(wù)，識別、判斷環(huán)境，制訂行動(dòng)計劃的芯片，功能類(lèi)似大腦；具有超強的執行能力的機構?？蒲须y題就隱藏在這其中。

　　李偉表示，整體看，我國農業(yè)機器人與國際研究水平相當，部分技術(shù)處于領(lǐng)跑水平，比如自然環(huán)境下機器人的伺服控制等。也有一些技術(shù)處于落后狀態(tài)，比如涉及作物信息、動(dòng)植物生理、生態(tài)感知的傳感器件等。

　　她強調，其中全世界面臨的一個(gè)共性難題是在非結構環(huán)境下如何有效獲取信息。“不同于工業(yè)環(huán)境的流水線(xiàn)生產(chǎn)，農業(yè)機器人面臨的工作環(huán)境非常‘多變’，果實(shí)形態(tài)多樣、農業(yè)環(huán)境中復雜的光照條件、植株的復雜布局等，都會(huì )對農業(yè)機器人的判斷和執行造成干擾。”

　　她舉例說(shuō)，黃瓜采收機器人在摘黃瓜的過(guò)程中，首先得找到目標。但是每個(gè)黃瓜長(cháng)得都不完全一樣，并且還有枝葉的遮擋，機器人找到黃瓜、定位、伸手、采摘的過(guò)程不順暢，這大大影響了機器人采摘過(guò)程的速度。

　　日前，李偉研究團隊取得突破性進(jìn)展，研發(fā)出非結構環(huán)境智能雙目視覺(jué)系統。該系統能夠在農田、果園等自然環(huán)境下，識別光照、時(shí)空，動(dòng)態(tài)采集，高速實(shí)時(shí)傳輸數據。該系統已經(jīng)在采摘機器人、除草機器人、割膠機器人等農業(yè)機器人方面展開(kāi)實(shí)驗與驗證。

　　以大田作業(yè)為切入口

　　事實(shí)上，農業(yè)機器人的應用已經(jīng)展開(kāi)。魏新華介紹，目前我國農業(yè)機器人的推廣，主要集中在大田作業(yè)中自動(dòng)駕駛農機、農業(yè)植保無(wú)人機等的應用。大田無(wú)人農機已經(jīng)能夠替代人工，實(shí)現自動(dòng)駕駛、工作環(huán)境監測、農業(yè)決策以及其它具體操作。

　　除了解放人力，無(wú)人農機還有何優(yōu)勢？魏新華表示，無(wú)人農機采用按需精準變量作業(yè)，提高化肥農藥的利用率。另外，無(wú)人農機搭載的作業(yè)環(huán)境現場(chǎng)感知技術(shù)，可以根據土壤、環(huán)境和作業(yè)對象的實(shí)時(shí)情況，以及機器的作業(yè)狀態(tài)，讓機器始終處于接近滿(mǎn)負荷的**佳作業(yè)狀態(tài)，提高作業(yè)效率，保證作業(yè)質(zhì)量。**重要的是，無(wú)人農機作業(yè)過(guò)程中還實(shí)現了信息收集和遠程存儲。

　　“未來(lái)的農場(chǎng)很可能是無(wú)人農場(chǎng)，農業(yè)機器人編組后，互相聯(lián)系，協(xié)同作業(yè)。”魏新華預言。

　　但在趙春江看來(lái)，我國對機器人的研究整體比較弱，前期的創(chuàng )新研究積累不夠，將導致后期產(chǎn)業(yè)化“底氣”不足，無(wú)人農場(chǎng)終究是紙上談兵。

　　魏新華說(shuō)：“農業(yè)機器人的研制是不斷發(fā)現問(wèn)題、解決問(wèn)題的過(guò)程。”他舉例，此前，無(wú)人農機作業(yè)過(guò)程中農田邊界的識別是困擾研究人員的難題。無(wú)人農機無(wú)法識別農田邊界，作業(yè)之前需要人工駕駛無(wú)人農機獲取田塊的四個(gè)頂點(diǎn)，非常耗時(shí)。

　　雖然能夠自動(dòng)識別邊界和固定障礙物的系統嘗試解決這一難題，但是實(shí)際作業(yè)過(guò)程中又發(fā)現了新問(wèn)題。該系統的田頭作業(yè)不盡如人意，尤其是在不規則田塊中作業(yè)存在比較大的難度。調試好的無(wú)人農機在移到另一區域作業(yè)時(shí)，也暴露出土壤及地表狀況適應性差的問(wèn)題。

　　此外，面對播種或插秧直線(xiàn)度差的田塊，如果農業(yè)機器人在田間管理時(shí)仍按照北斗導航規定的直線(xiàn)路作業(yè)，就會(huì )增加軋苗率。魏新華建議，進(jìn)行多導航信息融合，即把北斗導航和視覺(jué)導航信息融合。“未來(lái)，我國的植保將是以地面機械為主導、農業(yè)航空為體系的立體的植保防控體系，要對農業(yè)機器人的未來(lái)有信心。”

　　趙春江表示，機器人學(xué)是一門(mén)交叉學(xué)科，涉及到人工智能、材料、機械等多個(gè)學(xué)科。目前機器人的研究隊伍偏小，不利于快速推進(jìn)農業(yè)機器人發(fā)展。做好農業(yè)機器人，必須鼓勵和支持多學(xué)科交叉研究。