作者:李晨 来源:中国科学报 发布时间:2022/11/16 14:46:27
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种菜收菜,人工智能都能干

 

搭载无人作业系统的结球类蔬菜收获机正在采收甘蓝。李晨摄

11月初,北京的甘蓝成熟了。在北京市昌平区小汤山国家精准农业研究示范基地里,一辆无人驾驶拖拉机搭载着结球类蔬菜收获机,匀速走过行列齐整的甘蓝地。一颗颗甘蓝被依次切下,并通过传送带运送到收获机后方平台,两个大滚轮摩擦掉甘蓝外层的老叶片后,鲜嫩的甘蓝被送进了收获车的大框里。一行甘蓝收完,无人收获机转弯调头,开始收取下一行。这是国家大宗蔬菜产业技术体系智能化管理岗位专家吴华瑞牵头,联合育种、栽培、植保等专家研制的露地蔬菜无人作业系统。

国家大宗蔬菜产业技术体系首席科学家张友军告诉《中国科学报》,2022年,在北京市昌平区建成了50亩规模的首个生产型蔬菜无人农场,从整地、施肥、灌溉、起垄、定植、巡检、植保、采收等全流程实现无人化作业,摸索出一套生产型蔬菜无人农场种植规程,整个农场70%以上作业环节实现了数字自主化作业管理,节约人工成本76230元,甘蓝获得了亩产9000斤(商品化净菜5000斤)产量。

未来“谁来种菜”

张友军说,我国露地蔬菜生产规模达2.6亿亩,露地蔬菜生产面临种收环节用工多、劳动力短缺、劳动强度高等一系列问题。

据调查,目前我国蔬菜生产从业人员50岁以上占56%,人力成本占蔬菜生产成本近70%。“伴随着我国农业领域从业劳动力锐减,未来‘谁来种菜、如何种菜’已经成为保障我国‘菜篮子’安全的主要瓶颈问题。”张友军说。

围绕上述需求,国家大宗蔬菜产业技术体系从2020年开始,依托昌平小汤山国家精准农业研究示范基地开展了露地蔬菜无人农场宜机化农艺种植模式研究、自主无人系统装备研制。

吴华瑞告诉《中国科学报》,经过6个茬口的反复试验,已经形成了具有自主知识产权的露地蔬菜无人农场软硬件产品和配套农艺种植模式,相关技术成果入选农业农村部2020年度十大引领性技术,并获得中国人工智能学会2020年优秀成果奖。

吴华瑞介绍,该团队突破了自主路径规划、苗垄识别、多传感器融合避障、农机具姿态调优等关键技术,构建了我国首个面向露地蔬菜无人农场系统。该系统目前已经实现了与约翰迪尔、凯斯、鲁中等电控拖拉机,国内外起垄机、旋耕机、采收机等常用农机具上的集成适配,探索形成了露地蔬菜生产无人作业技术模式和整体解决方案,支持露地蔬菜平整地、起垄、移栽、田间管理和采收等全程24小时连续无人化作业。

自主知识产权的无人作业系统

吴华瑞介绍,露地蔬菜无人作业系统集成北斗定位导航、自主路径规划、车辆轨迹跟踪控制、激光雷达避障、农机具姿态调优等关键技术,自适应配装蔬菜不同种植结构、栽培模式、作业环节农机具参数等,具备自主作业规划、智能紧急避障、夜间连续作业、机具智能适配、作业质量监测、多机实时协同作业等功能,通过灵活的作业路径规划与机具调控,实现了农机全自主无人作业。

目前该系统安装方式有两种。一种是后装式的,作业中演示的绿色约翰迪尔1204拖拉机是通过无损式加装传感器、线路控制等,实现了不同作业的适配。另一种方式是前装式的,目前已与国产鲁中1404-CVT拖拉机实现了定制集成。观摩会上,参观者看到了无人作业系统与鲁中拖拉机结构完全融合,实现了无驾驶舱拖拉机的创制,能够独立完成露地田块的深松作业。

“无人农机可以适配深松机、旋耕机、起垄机、移栽机、结球类蔬菜收获机等进行无人作业,实现甘蓝等蔬菜品种从耕整地、移栽、田间管理、采收等生产全过程的无人智能化生产与作业。”吴华瑞说。

智能巡检机器人正在田间巡检。李晨摄

观摩会现场,一台智能巡检机器人也引起了参观者的兴趣。据介绍,这台机器人集成无人作业系统、视觉识别、作业模型构建、核心算法、机器学习、四轮万向控制等核心技术,可进行自主路径规划与智能避障,开展蔬菜长势巡检、田间运输等智能化复合作业。

巡检机器人主要用于田间技术巡检,可减轻日常田间管理的劳动投入强度。吴华瑞介绍,巡检机器人能够自主作业巡检,对每一行、每株进行标记,实现单株连续性生长发育的记录,并能够准确识别长势和病虫草害分析图,为生产上精准管理和提前预警提供信息。

据悉,该项技术成果在北京、河北沧州、天津静海、河北张家口、甘肃张掖、重庆、内蒙古乌兰察布等地区,围绕甘蓝、辣椒、萝卜开展了规模化生产应用。

吴华瑞说,实际应用表明无人作业过程中障碍物识别与避障成功率100%,深松、旋耕漏耕重耕率小于2%,整体作业轨迹精度控制在2cm以内,移栽合格率超过90%,移栽效率较人工提升28倍,收获破损率小于5%,收获效率较人工提升12倍,人力投入总成本大幅降低,实际测产与传统种植方式产量相当。

 
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