京郊农业机器人的发展及应用研究

1、    京郊农业机器人的发展及应用研究    李军辉摘要 本文从现代农业机器人的特点、发展概况、应用领域出发，研究了在绿色可持续发展、人口老龄化、农村劳动力短缺的背景下，京郊农业机器人推广应用的可行性和必要性，介绍了大田无人驾驶农机、大田除草机器人、果蔬采摘机器人、农业机器人农场等农业机器人的发展状况和应用特点，分析了北京地区农业机器人推广的制约因素及建议，以期为农业机器人的推广应用提供参考。关键词 农业机器人；智能化；发展概况；应用现状；制约因素；推广建议；北京地区tp242；s126 a 1007-5739（2018）21-0154-02农业机器人是

2、机器人技术在农业生产上的应用，是在计算机软件系统控制下，能够适应农业生产环境、适应农作物种类， 具有感知和自主决策等功能，进行某一农业生产作业的机电一体自动化设备。农业机器人是靠自身动力和控制能力进行农业生产的机器，一般由执行机构、驱动系统、感知系统和控制系统等组成1。农业机器人代替人工进行耕、种、播、施肥、施药、收获等农业生产任务，对农业生产的规模化、多样化、精准化起着重要作用。目前，无人驾驶拖拉机、植保无人机、水果和蔬菜采摘机器人、除草机器人、施肥机器人、喷药机器人已经在农业生产中得到应用2。这些应用提高了农业生产力，改变了农业生产模式，缓解了劳动力不足，初步改善了农业生产环境，为农业工厂

3、化生产提供了条件。1 农业机器人在京郊应用的可能性与必要性分析为解决人口老龄化、劳动力短缺、人工成本过高等问题，欧美、日本等国家在农业生产的很多环节应用了农业机器人。食品需求压力、农田集约化、环境气候变化、设施农业增长、农业自动化普及等，刺激了农业机器人需求的增长。农业机器人在北京地区的应用受以下方面的影响。1.1 可能性农业机器人的应用首先受到经济效益因素的制约。按照经济效益的理论，若应用农业机器人，可提高工作效率、降低生产成本、增加经济效益。农业生产作为一种繁重的生产活动，人工成本支出占到总成本的50%。若采用农业机器人能降低成本支出超过10%，农业机器人的应用就能实现。例如在果蔬采摘作业

4、中，当采摘机器人能够达到人工采摘的速度，1台果蔬采摘机器人便可以完成4个工人的工作。据测算，在大田作业中应用除草机器人可使除草成本减少20%；而在有机农业生产中这一降低比例可达50%。另外，随着人工智能、云计算、计算机硬件等的快速发展，农业机器人的生产制造成本降低，农业生产的人工成本上涨。当2种成本达到平衡点后，农业机器人替代人工就成为必然。1.2 必要性1.2.1 应用农业机器人有助于缓解京郊农村劳动力短缺问题。据统计，北京人口老龄化比例超过了24%，人口老龄化造成劳动力减少，农业作为劳动艰苦、作业环境差的弱势行业，劳动力短缺更加突出。应用农业机器人，可以降低劳动强度，解决劳动力短缺以及谁来

5、种地的问题。应用无人驾驶农机可以24 h进行播种、施肥和耕作等生产作业。1.2.2 应用农业机器人有利于农业绿色可持续发展。为了解决温饱问题，为了从不断减少的土地上生产出更多的粮食、原料，传统农业生产往往以单纯追求高产量为目标。为了获得高产量，人们在土地上使用过多的化肥、农药，抽取更多的地下水资源进行灌溉。在获得高产的同时也导致农产品品质下降，土壤退化、养分流失，农药、化肥残存流入地下水，污染河流、大气，使生态环境遭到破坏。绿色生态农业是现代农业发展的目标，在保证作物的产量和质量的同时，减少化肥、农药的使用，降低农业对土壤、水等环境的影响。根据土壤、作物的具体情况应用农业机器人，可实现化肥和农

6、药施用量的精准控制，实现绿色生态农业的发展目标。据陈勇3研究发现，自动除草机器人通过切割杂草并在切口处涂抹除草剂的方法，可节省农药90%。智能喷药装置可使农药施用量降低66%80%，可使目标作物的雾滴沉降率提高2.53.7倍，可使农药的飘移量减少62%93%。此外，变量施药技术还能降低杂草的抗药性，降低地下水和土壤沉积物中农药含量。采用施肥机器人可以根据不同类型土壤的实际情况，制定针对性的施肥策略，准确计算减少的施肥总量，在降低成本的同时，减少氮、磷元素等对土壤的影响，改善地下水质，减少温室气体排放，降低农业生产能耗。2 北京地区农业机器人发展应用现状北京农业以现代都市农业为特点，在“国家农业

7、可持续发展试验示范區”的指引下，突出绿色发展主题，坚持落实节水、节肥、节药，组织开展土壤污染防治和改良工作，实施化肥农药使用减量行动计划，提升农业生态服务水平。突出高端高效主题，打造都市现代农业产业带，大力提升农业质量效益。继续推进落实“调转节”，力争农业粮田5.33万hm2、菜田4.67万hm2（设施农业2.37万hm2）、鲜果园6.67万hm2。近年来，随着设施农业、精准农业和农业机器人等高端农业装备的发展，以及土地流转与农业生产规模化、集约化发展，人工成本不断攀升，农业机器人的应用逐渐成为必然。2.1 农业机器人的特点2.1.1 农业生产作业的周期性。传统农业生产环节周期较长、环节多、差

8、异大，农业机器人只能从事采摘、施肥、植保等农业生产的某一环节，功能单一，这就造成农业机器人应用的周期性，利用率较低。2.1.2 农业生产作业环境恶劣、复杂。由于农业生产环境是复杂的、非结构的，受温度、湿度、尘土、阳光等其他因素影响较大，农业机器人要具有更高的辨识能力，要具有更强的环境适应性和容错性，要具有更快的运算速度，以保证在复杂环境中准确完成农业作业任务。2.1.3 作业对象的娇嫩性和复杂性。由于农作物的娇嫩性、多样性、复杂性4，农业机器人在生产作业时，必须能适应农作物的复杂性、多样性以及柔性处理。因此，农业机器人的控制策略更加复杂。2.1.4 使用对象的特殊性。农业机器人的应用领域是农业

9、，第一产业的利润率较低，因而农业机器人的价格要低；农业生产的主体是农民，知识水平低、技能操作能力低，这就要求农业机器人的操作维护简单、可靠性高。2.2 农业机器人的发展概况根据农业机器人的应用地点不同，可以分为2类：一类是行走系列农业机器人，主要用于大田作业中耕、种、施肥、植保、收获等农业生产作业，典型代表是无人驾驶农机系列；另一类是机械手系列机器人，例如在设施农业中应用的果蔬采摘机器人、育种机器人、育苗机器人、蔬菜嫁接机器人、喷药机器人等。2.2.1 大田无人驾驶农机。在大田机器人中，无人驾驶拖拉机是农业机器人的核心技术，华南农业大学罗锡文院士团队以东方红x-804拖拉机为研究平台开发了基于

10、rtk-dgps定位系统的自动导航控制系统；中国农业大学毛恩荣教授团队先后以铁牛654型号拖拉机和雷沃tg1254拖拉机为研究平台，进行了自动转向系统的电液改造，采用gps、电子罗盘、陀螺仪、单目摄像机等定位传感器实现了拖拉机基本的自动导航。可用于农机改装的自动导航产品有美国天宝（trimble）公司的autopilot系列农机自动驾驶系统以及约翰迪尔（john deere）的auto trac农机自动导航系统；国内有上海司南导航的auto farm 农机自动导航系统、广东中海达北斗农机自动导航驾驶、北京农业智能装备技术研究中心自主研发的auto guide农机自动导航系统以及北京合众思壮的壁

11、虎、慧农农机自动导航系统。智能农机装备加装以上导航设备后就能升级为自走式农业机器人，进行农业生产作业。2.2.2 大田除草机器人。大田除草机器人，通过智能识别技术，准确识别出杂草，并采用物理方法或者化学方法近距离精确杀死杂草，将除草剂的使用量降低到5%。法国研制的dino除草机器人，重0.8 t，最高工作速度为4 km/h，最大工作幅宽为1.6 m，每天除草可达5 hm2，适用于面积在10 hm2以上的小型蔬菜农场。dino机器人采用rtk（实时动态载波相位差分技术）、gps定位和视觉相机感知技术，通过在不损伤作物的情况下机械翻动土壤拔除杂草。此外，该机器人采用模块化设计的“多功能机器人”，在

12、除草、播种时，可进行犁地、耙地作业。瑞士ecorobotix公司研制的除草机器人，重130 kg，因自重轻减少了对土壤的破坏；以太阳能为动力，完全实现无人操作和自动运行，每天工作12 h。使用该机器人，可减少除草剂的使用量，节约30%的相关费用。2.2.3 果蔬采摘类机器人。果蔬采摘类机器人主要由摄像机、伺服机构、机械手、控制系统和计算机等组成，可以用于采摘蘑菇、草莓、黄瓜、番茄等。如果采用多传感器信息融合技术和开放式控制模块，则可以实现一机多用，即1台机器可用于多种果蔬的采摘5。比利时octinion科技公司研制的草莓采摘机器人（str-awberry picker），搭载beacon技术，

13、采用能自主移动的3d视觉感测器，辨别出成熟草莓以及成熟度，计算出采摘力度，采用3d打印的柔软机械手作业，3 s便可采摘1颗。机器可扩展到摘取番茄、辣椒等质地较脆弱的蔬菜。美国abundant robotics公司研制的苹果采摘机器人采用了“多臂采摘系统”，机械手采用吸尘器式真空采摘，减少了对苹果的损伤，机器能全天候工作，采摘速度可达1个/s。以色列研制的鲜果机器人（fresh fruit robotics or ffr）构建了一个廉价的简单机械臂，一个3自由度的直角坐标机器人，通过三叉手爪旋转摘下苹果，可装配8个或12个采摘机械臂，每1 h可采摘上万个苹果，采摘速度和质量都高于人工，节省人工成

14、本25%。上海摩天农业科技公司的黄瓜采摘机器人每1 h采摘600根黄瓜，并且可以24 h工作。华南农业大学研制的荔枝采摘机器人每1 h能摘20 kg荔枝，是人工的2倍。2.2.4 农业机器人农场。日本spread公司研究建立无人蔬菜农场，农业机器人从事种植、管理、收获、包装等工作。该蔬菜农场产量高，节约劳动力成本达50%。2.3 北京地区农业机器人可推广领域目前，北京地区比较大型的农机合作组织有157个，蔬菜农机合作组织有21家，平均服务面积在533.3 hm2以上。大型示范农机合作组织，如兴农天力农机服务专业合作组织，种植粮食逾2 000 hm2、花卉果树逾33.3 hm2，蔬菜大棚100栋

15、。这些农机合作组织是推广应用农业机器人的主体。大型农机合作组织发挥了引领和示范作用，在大田农业生产上重点推广自动驾驶拖拉机，实现了农业生产耕、种、播、收的自动化。大型农机合作组织具备一定的物质条件和规模，通过应用施肥机器人、除草机器人等，减少了农药和化肥的用量，降低了生产成本，为实现农业绿色生态可持续发展积累了经验，为大面积推广创造了条件。在果蔬生产上，对已经形成规模特色生产的区域，比如昌平草莓种植3 333.3 hm2、苹果种植1 333.3 hm2，可以推广应用苹果、草莓等采摘机器人，建立农业机器人应用示范区。相关部门牵头，在硬件条件特别好的区县农机合作组织，尝试建立示范性无人农场。3 北

16、京地区推广农业机器人的制约因素3.1 购买机器人的成本过高因农业生产作业的非结构性，使农业机器人成本比工业机器人高；因农业生产的季节性，目前农业机器人只能应用在某一种作物生产的某一环节或某一项作业中，导致使用效率低，增加了農业机器人的应用成本。农业机器人性价比不能满足市场的需要，是制约农业机器人商业化的关键。3.2 农业机器人使用者的能力低北京市现有农机服务机构157个、从业人员467人，全市有农机化作业服务组织及农机户45 519个、人员52 862名。这些农机从业人员年龄偏大、文化知识水平低（以高中以下文化水平为主），制约了农业机器人的推广应用。3.3 智能系统、执行机构的发展限制农业机器

17、人的复杂作业环境要求其具备较高的智能系统和柔性生产能力，具有视觉识别能力、较快的计算能力和躲避障碍能力，其结构和控制系统较工业机器人复杂。目前，农业机器人的智能系统和执行机构在灵活性、精准性、适应性上还存在差距6。4 北京地区农业机器人推广建议4.1 加大土地流转，形成规模经营，为农业机器人的应用搭建平台农村的土地经营权和承包权分开，农民在保留承包权的前提下可以转让经营权，从政策上为规模经营创造了条件。农民通过转包、转让、入股、合作、租赁、互换等方式出让土地经营权，将土地向专业大户、合作社等流转，形成有特色的规模经营。政府职能部门根据地区特点，指导规划发展适合本区域的规模生产，形成规模效应，为

18、农业机器人等高端农业装备的应用和农业自动化水平的提高创造硬件平台。4.2 落实国家可持续发展试验示范区建设重点，创建农业机器人应用示范基地落实国家可持续发展试验示范区的建设工作重点，充分发挥北京都市型农业的优势，规划绿色生态农业试验基地，在大田生产上突出保护资源、绿色生产，通过农业机器人的使用，采用变量施肥，使用非化学除草方式，降低化肥、农药使用量。通过推广无人驾驶农机生产作业，提高劳动效率。在大型设施农业和规模化果园中，在具备条件的农机户合作组织中，推广施肥机器人、采摘机器人，建立农业机器人应用示范基地。通过示范基地的引领和示范，利用出租、出借等方式逐步推广应用成熟的机器人。4.3 培养“新三农”人才农业机器人等高端农业装备需要大量的专业人才，充分利用北京高等院校、科研机构的优势，通过短期培训、职业教育、学历培养等方式，培养一批懂农业、爱农村、爱农民的专业技术队伍。5 参考文献1 潘