农业机器人的春天来了吗

温室检测机器人

李薇，铁路和公路两用果蔬采摘机器人，举个例子

目前，农业生产中的劳动力成本已经超过总成本的一半。在此背景下，如何降低劳动力成本逐渐成为农业生产中的热点问题。

“智能农业机械设备指出了一条提高农业生产效率的途径。从长远来看，农业机械和设备的发展在一定程度上会产生农业机器人。农业机器人可以完全或部分替代人或辅助人，高效、方便、安全、可靠地完成特定而复杂的生产任务。”几天前，中国工程院院士、国家农业信息工程技术研究中心主任赵春江在2019年世界机器人大会上说。

农业机器人是一种农业智能设备，它可以利用多传感器融合、自动控制等技术，实现农业设备在自然环境下的自动化、智能化生产。农业机器人有很多种，包括田间作业机器人、温室机器人、林业农业机器人、畜牧业农业机器人、水生农业机器人等。

传统农民正在减少

农业和农村部的数据显示，中国机械化田间作业的平均水平已达到63%，而江苏和黑龙江的主要产粮区已超过80%。

虽然农业机械化水平已经比较高，但农业机械的工作环境仍然比较恶劣，劳动强度比较大，农业机械操作人员的驾驶水平也比较高江苏大学教授魏新华说，“由于操作者的技术水平不同，农业操作的质量也相差很大。”

中国农业大学教授李伟说，现代农业生产要求工人大规模、标准化和信息化。

农业生产对生产者提出了更高的要求，而传统农民却在减少。据统计，在“十三五”期间，中国约有1.2亿人进入城镇。

越来越多的耕地依靠集体经营和大规模生产。目前，中国40%的耕地由270万新的农业经营者耕种，农业生产开始依赖新的经营者，如合作社、家庭农场、牧场、大型农民和牲畜生产者以及龙头企业。

国际社会也面临农业生产人员短缺的问题。20世纪80年代以来，农业机器人应运而生，如瑞士除草机器人、苹果采摘机器人、美国苗圃机器人、智能分拣机器人、爱尔兰大型农药喷洒机器人、法国葡萄园作业机器人等。

国际学术界非常重视农业机器人。2008年，国际机器人和自动化协会成立了农业机器人和自动化学术委员会。2009年，《时代》杂志将年度发明奖授予了一个除草机器人。

美国研究公司Tractica的一份报告预测，到2024年底，全球农业机器人的年出货量预计将达到59.4万台，农业机器人市场的年收入将超过740亿美元。

“农业机器人的发展有着前所未有的大好形势。农业机器人迎来了春天。”李薇说。

非结构化环境的挑战

春天的到来要经受冬天的考验。对于农业机器人来说，这个冬天是机器人研发过程中的一个科学研究问题。

像其他机器人一样，农业机器人由三个重要部分组成:视觉、触觉、听觉、味觉等。类似于人的面部特征，能够感知和获得信息的传感器和系统；一个可以分析任务、识别和判断环境、制定行动计划的芯片，功能就像一个大脑。执行力超强的机构。科学研究的难点就在于此。

李伟说，总体而言，中国的农业机器人与国际研究处于同一水平，一些技术处于领先水平，如机器人在自然环境中的伺服控制。还有一些落后的技术，如与作物信息、动植物生理和生态感知相关的传感装置。

她强调，世界面临的一个共同问题是如何在非结构化环境中有效获取信息。“与工业环境中的装配线生产不同，农业机器人面临的工作环境非常‘多变’。各种水果形状、农业环境中复杂的光照条件以及复杂的植物布局都会干扰农业机器人的判断和执行。”

她说，例如，黄瓜收获机器人必须在采摘黄瓜的过程中首先找到目标。然而，每根黄瓜的外观并不完全一样，枝叶都被堵塞了。机器人寻找、定位、够到和采摘黄瓜的过程并不顺利，这极大地影响了机器人采摘过程的速度。

几天前，李伟的研究小组取得了突破，开发了一个非结构化的环境智能双目视觉系统。该系统能够在农田、果园等自然环境下，识别光照、时间和空间，动态、高速、实时地采集和传输数据。该系统已在采摘机器人、除草机器人和橡胶切割机器人等农业机器人中得到测试和验证。

以野外工作为切入点

事实上，农业机器人的应用已经开始。魏新华介绍说，农业机器人在中国的推广主要集中在农业机械自动驾驶和无人驾驶飞行器在农田作业中的农业植物保护方面。田间无人驾驶农业机械已经能够代替人工劳动，实现自动驾驶、工作环境监测、农业决策等具体操作。

除了解放人力，无人驾驶农业机械还有什么优势？魏新华说，无人驾驶农业机械根据需要使用精确的可变操作来提高化肥和农药的利用率。另外，无人驾驶农业机械所携带的工作环境现场传感技术，可以根据土壤、环境、工作对象的实时情况以及机器的工作状态，使机器始终处于接近满载的最佳工作状态，从而提高工作效率，保证工作质量。最重要的是，无人驾驶农业机械作业过程中也实现了信息采集和远程存储。

“未来的农场很可能是无人农场。农业机器人被组织起来后，它们会互相接触，一起工作。”魏新华预言。

但在赵春江看来，我国对机器人的研究总体上比较薄弱，前期创新研究积累不够，这将导致后期工业化缺乏“信心”。毕竟，没有一个农场是一句空话。

魏新华说:“农业机器人的发展是一个发现和解决问题的过程。”他指出，无人驾驶农业机械作业过程中农田边界的识别是研究人员面临的一个难题。无人驾驶农业机械无法识别农田边界，因此在作业前人工驾驶无人驾驶农业机械获取农田的四个顶点非常耗时。

虽然能够自动识别边界和修复障碍物的系统试图解决这个问题，但是在实际操作过程中发现了新的问题。该系统的野外工作不尽人意，特别是在不规则的野外。当被调试的无人驾驶农业机械转移到另一个区域作业时，也暴露了土壤和地表条件适应性差的问题。

此外，在播种或移栽线性差的田地中，如果农业机器人在田间管理过程中仍然按照北斗导航指定的直行路线运行，将会提高推秧率。魏新华建议进行多导航信息融合，即北斗导航和视觉导航信息融合。“未来，中国的植保将是一个以地面机械为主导，以农业航空为系统的立体植保防控体系。我们应该对农业机器人的未来充满信心。”

赵春江说，机器人学是一门跨学科的学科，涉及人工智能、材料、机械等多个学科。目前，机器人研究队伍小，不利于农业机器人的快速发展。为了做好农业机器人，我们必须鼓励和支持跨学科研究。