2022 年 12 月 第 4 卷 第 4 期 智 慧 农 业 （ 中 英 文 ） Smart Agriculture Dec. 2022 Vol. 4, No. 4
doi ： 10.12133/j.smartag.SA202212005
大 田 无 人 农 场 关 键 技 术 研 究 现 状 与 展 望
1 ， 3 1 ， 3 2 1 ， 3 1 ， 3 1 ， 3
尹 彦 鑫 ， 孟 志 军 ， 赵 春 江 ， 王 昊 ， 温 昌 凯 ， 陈 竞 平 ，
1 ， 4 1 ， 4 1 ， 3 1 ， 2 1 ， 4 1 ， 3
李 立 伟 ， 杜 经 纬 ， 王 培 ， 安 晓 飞 ， 尚 业 华 ， 张 安 琪 ，
1 ， 3 1 ， 3
颜 丙 新 ， 武 广 伟
（1. 北 京 市 农 林 科 学 院 智 能 装 备 技 术 研 究 中 心 ， 北 京 100097 ； 2. 国 家 农 业 信 息 化 工 程 技 术 研 究 中 心 ， 北 京
100097 ； 3. 智 能 农 业 动 力 装 备 全 国 重 点 实 验 室 ， 北 京 100097 ； 4. 农 芯 科 技 （ 北 京 ） 股 份 有 限 公 司 ， 北 京 100097 ）
摘 要 ： 无 人 农 场 是 智 慧 农 业 的 一 种 表 现 形 式 ， 也 是 建 设 农 业 强 国 和 实 现 农 业 现 代 化 的 重 要 探 索 。 无 人 农
场 以 数 据 、 知 识 和 智 能 装 备 为 核 心 要 素 ， 将 现 代 信 息 技 术 与 农 业 深 度 融 合 ， 实 现 农 业 全 过 程 生 产 所 需 的 信
息 感 知 、 定 量 决 策 、 智 能 控 制 、 精 准 投 入 及 个 性 化 服 务 一 体 化 。 本 文 系 统 地 阐 述 了 大 田 无 人 农 场 的 概 念 与
总 体 技 术 架 构 ， 讨 论 了 信 息 感 知 与 智 能 决 策 、 精 准 作 业 系 统 与 装 备 、 自 动 驾 驶 、 无 人 化 农 机 装 备 以 及 无 人
农 场 管 控 平 台 等 五 项 大 田 无 人 农 场 的 关 键 技 术 与 装 备 ， 深 入 分 析 了 发 展 中 国 大 田 无 人 农 场 亟 待 解 决 的 关 键
科 学 与 技 术 问 题 。 以 吉 林 省 公 主 岭 市 玉 米 无 人 农 场 为 例 介 绍 了 物 联 网 、 大 数 据 、 云 计 算 以 及 人 工 智 能 等 技
术 在 玉 米 全 程 无 人 化 生 产 中 的 具 体 应 用 及 效 果 。 最 后 ， 展 望 了 无 人 农 场 在 解 决 全 球 农 业 生 产 面 临 的 “ 无 人
种 田 ” 等 共 性 问 题 中 发 挥 的 重 要 作 用 ， 分 析 了 中 国 发 展 无 人 农 场 存 在 的 机 遇 和 挑 战 ， 提 出 了 中 国 发 展 无 人
农 场 的 战 略 目 标 与 思 路 。
关 键 词 ： 无 人 农 场 ； 自 动 驾 驶 ； 智 能 感 知 ； 智 能 决 策 ； 智 能 装 备 ； 管 控 平 台
中 图 分 类 号 ： F324.1 ； S24 ； 文 献 标 志 码 ： A 文 章 编 号 ： SA202212005
引 用 格 式 ： 尹 彦 鑫, 孟 志 军, 赵 春 江, 王 昊, 温 昌 凯, 陈 竞 平, 李 立 伟, 杜 经 纬, 王 培, 安 晓 飞, 尚 业 华, 张 安 琪, 颜 丙
新, 武 广 伟 . 大 田 无 人 农 场 关 键 技 术 研 究 现 状 与 展 望[J]. 智 慧 农 业( 中 英 文), 2022, 4(4): 1-25.
YIN Yanxin, MENG Zhijun, ZHAO Chunjiang, WANG Hao, WEN Changkai, CHEN Jingping, LI Liwei, DU Jing‐
wei, WANG Pei, AN Xiaofei, SHANG Yehua, ZHANG Anqi, YAN Bingxin, WU Guangwei. State-of-the-art and
prospect of research on key technical for unmanned farms of field corp[J]. Smart Agriculture, 2022, 4(4): 1-25. (in
Chinese with English abstract)
为 代 表 的 新 技 术 正 在 世 界 范 围 内 引 领 现 代 农 业 的
1 引 言
发 展 方 向 。 智 慧 农 业 以 数 据 、 知 识 和 智 能 装 备 为
随 着 农 业 现 代 化 的 发 展 ， 当 前 中 国 农 机 装 备
核 心 要 素 ， 将 互 联 网 、 物 联 网 、 大 数 据 、 云 计
水 平 以 及 农 业 机 械 化 水 平 已 逐 渐 无 法 满 足 农 业 高
算 、 人 工 智 能 等 现 代 信 息 技 术 与 农 业 深 度 融 合 ，
质 量 、 高 效 率 、 低 成 本 发 展 的 要 求 。 以 智 慧 农 业 实 现 农 业 生 产 信 息 感 知 、 定 量 决 策 、 智 能 控 制 、
收 稿 日 期 ：2022-12-20
基 金 项 目 ： 国 家 重 点 研 发 计 划 项 目 课 题 （2021YFD2000604 ） ； 国 家 自 然 基 金 项 目 （31971800 ） ； 内 蒙 古 自 治 区 科 技 重 大 专 项 项 目
（2021ZD0003 ）
作 者 简 介 ： 尹 彦 鑫 （1984 － ） ， 男 ， 博 士 ， 副 研 究 员 ， 研 究 方 向 为 智 能 农 机 装 备 。E-mail ：yinyx@nercita.org.cn
通 信 作 者 ： 赵 春 江 （1964 － ） ， 男 ， 博 士 ， 研 究 员 ， 中 国 工 程 院 院 士 ， 研 究 方 向 为 农 业 信 息 化 。E-mail ：zhaocj@nercita.org.cn智 慧 农 业 （ 中 英 文 ） Smart Agriculture Vol. 4, No. 4
2
精 准 投 入 及 个 性 化 服 务 ， 其 具 体 实 现 途 径 是 无 人
［1 ］
农 场 。2017 年 ， 英 国 Harper Adams 大 学 进 行
了 小 麦 全 程 无 人 生 产 的 实 践 ， 成 为 世 界 第 一 个 无
人 农 场 的 应 用 范 例 ， 该 无 人 农 场 通 过 应 用 无 人 驾
驶 拖 拉 机 、 无 人 打 药 机 、 无 人 收 割 机 等 智 能 化 农
机 装 备 ， 完 成 了 小 麦 耕 、 种 、 管 、 收 全 程 无 人 化
［2 ］
生 产 。 中 国 在 近 几 年 也 开 展 了 小 麦 、 玉 米 、 水
稻 等 大 田 无 人 农 场 以 及 蔬 菜 、 果 园 、 畜 牧 等 领 域
无 人 农 场 的 技 术 探 索 及 实 践 ， 积 累 了 一 定 的 经
［3 ］
验 。 如 北 京 市 农 林 科 学 院 智 能 装 备 技 术 研 究 中
心 围 绕 小 麦 、 玉 米 、 水 稻 等 主 粮 作 物 的 无 人 化 生
产 开 展 了 长 期 研 究 与 产 品 研 发 ， 突 破 了 农 机 自 动
导 航 、 精 准 作 业 、 农 机 作 业 监 测 等 关 键 技 术 ， 创
制 了 无 人 化 耕 整 地 、 播 种 、 施 肥 、 施 药 、 收 获 等
图 1 无 人 农 场 系 统 架 构 图
智 能 农 机 装 备 ， 并 在 上 海 、 吉 林 、 内 蒙 古 等 地 建
Fig. 1 System architecture diagram of unmanned farm
设 了 多 个 无 人 农 场 ， 实 现 了 农 机 耕 种 管 收 全 程 无
“ 耕 种 管 收 ” 全 程 作 业 的 无 人 化 农 机 装 备 ， 以 及
人 化 农 机 作 业 。 随 着 劳 动 力 资 源 紧 缺 、 农 业 生 产
支 撑 无 人 农 场 智 能 决 策 、 任 务 分 配 与 调 度 、 作 业
成 本 逐 年 提 高 等 问 题 的 不 断 加 剧 ， 无 人 农 场 在 世
监 管 与 作 业 分 析 评 价 的 信 息 化 平 台 ， 其 核 心 是 智
界 范 围 内 受 到 了 广 泛 认 可 ， 世 界 多 个 发 达 国 家 和
慧 大 脑 。 作 为 构 建 无 人 农 场 的 关 键 支 撑 技 术 ， 信
地 区 相 继 开 展 了 以 无 人 农 场 为 具 体 形 式 的 智 慧 农
息 感 知 与 决 策 重 点 是 通 过 获 取 农 田 土 壤 、 作 物 、
业 的 研 究 与 实 践 ， 并 制 定 了 相 应 的 发 展 计 划 。 无
病 虫 草 害 等 信 息 ， 并 对 信 息 进 行 融 合 分 析 ， 确 定
人 农 场 是 中 国 发 展 现 代 农 业 ， 成 为 农 业 强 国 的 关
土 壤 和 作 物 缺 墒 、 缺 肥 、 缺 营 养 元 素 ， 以 及 病 虫
键 支 撑 。
草 害 严 重 程 度 等 情 况 ， 进 而 决 策 出 施 肥 处 方 和 施
本 文 通 过 梳 理 无 人 农 场 在 信 息 感 知 与 决 策 、
药 处 方 ； 精 准 作 业 技 术 围 绕 农 业 耕 种 管 收 各 个 环
自 动 驾 驶 、 精 准 作 业 、 无 人 化 农 机 装 备 及 作 业 管
节 ， 根 据 农 艺 要 求 以 及 决 策 处 方 ， 利 用 精 量 播 种
控 技 术 的 研 究 进 展 与 问 题 ， 分 析 发 展 中 国 无 人 农
机 、 精 准 施 肥 机 和 喷 药 机 等 将 种 、 肥 、 药 按 质 按
场 亟 待 解 决 的 关 键 技 术 问 题 ， 为 中 国 无 人 农 场 的
量 施 用 到 地 里 ， 在 作 物 收 获 阶 段 能 够 根 据 作 物 属
发 展 提 供 思 路 。
性 和 收 获 质 量 等 信 息 对 收 获 机 作 业 工 况 进 行 智 能
2 大 田 无 人 农 场 关 键 技 术
调 控 ， 实 现 低 损 高 效 收 获 作 业 ； 自 动 驾 驶 技 术 主
要 解 决 农 机 装 备 在 田 间 自 动 行 走 的 问 题 ， 包 括 农
2.1 大 田 无 人 农 场 总 体 架 构
机 作 业 路 径 规 划 、 路 径 跟 踪 、 避 障 、 地 头 转 弯 掉
无 人 农 场 以 数 据 和 信 息 为 基 础 支 撑 ， 通 过 自 头 等 ； 多 机 协 同 主 要 解 决 无 人 场 景 下 多 台 农 机 同
动 分 析 与 决 策 ， 指 导 无 人 化 农 机 装 备 全 自 动 、 全
步 或 协 同 作 业 的 问 题 ， 目 前 比 较 典 型 的 作 业 场 景
覆 盖 、 高 质 量 、 高 效 率 地 完 成 农 业 生 产 活 动 。 一 有 收 获 机 与 运 粮 车 协 同 、 多 台 农 机 同 时 开 展 同 类
般 情 况 下 ， 无 人 农 场 总 体 系 统 架 构 如 图 1 所 示 。 型 作 业 时 协 同 分 配 任 务 并 规 划 作 业 路 径 、 无 人 播
无 人 农 场 通 常 包 括 感 知 决 策 、 精 准 作 业 、 自 种 施 肥 装 备 与 补 给 车 之 间 协 同 。 无 人 化 农 机 装 备
动 驾 驶 和 多 机 协 同 4 种 核 心 关 键 支 撑 技 术 ， 覆 盖 将 信 息 感 知 、 精 准 作 业 、 自 动 驾 驶 与 多 机 协 同 控Vol. 4, No. 4 尹 彦 鑫 等 ： 大 田 无 人 农 场 关 键 技 术 研 究 现 状 与 展 望
3
制 相 关 技 术 集 成 到 农 机 装 备 上 ， 使 其 具 备 在 无 人 测 技 术 无 法 满 足 播 种 决 策 的 快 速 响 应 需 求 。 近 几
参 与 情 况 下 自 主 完 成 耕 种 管 收 全 程 作 业 的 能 力 ， 年 ， 部 分 学 者 开 展 了 车 载 式 土 壤 墒 情 在 线 监 测 装
是 构 建 无 人 农 场 较 为 关 键 的 物 质 基 础 。 无 人 农 场 置 ， 可 在 播 种 时 实 时 获 取 当 前 土 壤 含 水 率 ， 从 而
为 后 续 播 深 、 播 种 间 距 的 控 制 提 供 理 论 依 据 。 张
信 息 管 控 平 台 是 无 人 农 场 运 转 的 总 指 挥 ， 其 将 气
［5 ］
东 兴 等 设 计 了 一 种 可 见 光 近 红 外 式 土 壤 水 分
象 、 农 田 环 境 、 作 物 、 农 机 等 各 类 信 息 进 行 汇
总 ， 然 后 决 策 出 农 机 最 佳 作 业 时 间 、 最 合 理 任 务 传 感 器 ， 实 现 了 对 播 种 沟 土 壤 水 分 的 在 线 测 量 。
［6 ］
分 配 、 最 优 作 业 路 径 以 及 种 肥 药 作 业 处 方 等 ， 无 朱 文 静 等 针 对 探 针 式 土 壤 水 分 传 感 器 插 入 土
壤 后 因 反 馈 点 固 定 而 需 大 量 布 点 、 成 本 高 、 破 坏
人 化 农 机 装 备 基 于 管 控 平 台 的 决 策 信 息 与 指 令 开
耕 层 等 问 题 ， 研 制 了 一 种 基 于 法 布 里- 珀 罗 干 涉
展 农 业 生 产 ， 并 将 作 业 信 息 反 馈 到 平 台 ， 平 台 根
近 红 外 传 感 器 的 非 接 触 式 土 壤 墒 情 在 线 检 测 系
据 农 机 作 业 数 据 进 行 作 业 质 量 的 分 析 与 评 价 ， 并
［7 ］
结 合 异 常 情 况 对 农 机 作 业 任 务 进 行 优 化 和 调 整 。 统 。 Weatherly 和 Bowers 采 用 电 阻 法 检 测 原
理 ， 开 发 了 土 壤 墒 情 在 线 感 知 传 感 器 ， 为 玉 米 播
2.2 大 田 无 人 农 场 的 信 息 感 知 与 智 能 决 策
［8 ］
深 调 控 系 统 提 供 决 策 依 据 。Price 和 Gaultney 、
技 术
［9 ］
Mouazen 等 均 采 用 近 红 外 光 谱 法 的 检 测 原 理 ，
2.2.1 精 量 播 种 信 息 感 知 与 处 方 决 策 设 计 了 土 壤 含 水 率 在 线 测 量 仪 ， 实 现 了 田 间 作 业
精 量 播 种 是 大 田 无 人 农 场 的 关 键 技 术 之 一 ，
时 对 土 壤 含 水 率 动 态 实 时 检 测 ， 用 于 指 导 玉 米 播
与 传 统 播 种 方 式 相 比 ， 在 播 种 过 程 中 ， 整 个 地 块
种 深 度 。
不 再 是 恒 定 不 变 的 播 种 量 ， 而 是 根 据 不 同 地 块 的
土 壤 电 导 率 是 评 价 土 壤 生 产 力 的 一 种 常 用 参
增 产 潜 力 情 况 ， 适 度 增 加 或 减 少 播 种 量 ， 使 种 子
数 指 标 。 土 壤 电 导 率 的 测 量 通 常 采 用 电 流- 电 压
可 以 充 分 利 用 土 壤 的 养 分 、 光 照 、 蓄 水 能 力 等 条
四 端 法 原 理 ， 近 些 年 ， 国 内 有 学 者 开 始 从 事 车 载
［4 ］
［10 ］
件 发 育 。 为 了 更 加 准 确 地 指 导 精 量 播 种 ， 需 要
式 土 壤 电 导 率 检 测 系 统 的 研 发 工 作 。 杨 玮 等 、
［11 ］
快 速 获 取 播 种 种 床 的 土 壤 环 境 信 息 ， 从 而 为 播 种
杨 文 奇 均 基 于 电 流- 电 压 四 端 法 的 测 量 原 理 ，
决 策 和 控 制 提 供 实 时 的 理 论 依 据 。 土 壤 的 环 境 信
设 计 研 发 了 车 载 式 土 壤 电 导 率 快 速 检 测 系 统 ， 该
息 通 常 包 括 土 壤 墒 情 、 土 壤 电 导 率 、 土 壤 有 机 质
系 统 可 以 快 速 预 测 土 壤 浸 出 液 电 导 率 的 分 布 趋
等 参 数 ， 为 了 获 取 上 述 信 息 并 确 保 控 制 系 统 可 以
势 ， 为 播 种 作 业 提 供 参 考 。 国 外 对 车 载 式 土 壤 电
有 足 够 的 数 据 处 理 时 间 ， 通 常 在 播 种 机 前 端 设 计
导 率 传 感 器 的 研 究 相 对 较 早 ， 目 前 部 分 产 品 已 经
安 装 实 时 传 感 器 实 现 数 据 的 获 取 。 当 前 国 内 外 学
商 用 化 ， 比 较 有 代 表 性 的 有 Geonic Limited 公
［12 ］ ［13 ］
者 在 单 一 参 数 实 时 传 感 器 研 究 方 面 已 经 取 得 了 一
司 的 EM38-MK2 和 Veris Technologies 公 司
定 的 进 展 和 突 破 ， 但 主 要 以 单 一 传 感 器 研 究 为
研 制 的 Veris 3150 型 土 壤 电 导 率 传 感 器 。 车 载 式
主 ， 在 多 源 数 据 融 合 处 理 研 究 方 面 尚 存 在 大 田 土 壤 电 导 率 快 速 检 测 系 统 如 图 2 所 示 。
［4 ］
不 足 。 土 壤 有 机 质 是 评 价 土 壤 肥 力 水 平 的 常 用 指 标
土 壤 墒 情 反 应 土 壤 含 水 率 的 多 少 ， 土 壤 墒 情
之 一 ， 基 于 土 壤 的 有 机 质 信 息 指 导 变 量 播 种 作 业
的 高 低 决 定 种 子 生 长 环 境 的 优 劣 ， 一 定 程 度 上 影
是 一 种 较 为 常 用 的 做 法 。 国 外 在 土 壤 有 机 质 传 感
响 其 后 期 出 苗 率 。 国 内 外 学 者 在 土 壤 墒 情 原 位 监 器 方 面 取 得 了 较 为 深 入 的 研 究 ， 部 分 产 品 已 经 实
［14 ］
测 方 面 取 得 了 许 多 研 究 成 果 ， 采 用 的 方 法 有 电 阻 现 商 业 化 应 用 。 普 渡 大 学 的 Ess 设 计 了 一 款 基
法 、 频 域 反 射 法 （Frequency Domain Reflectome‐ 于 光 电 式 传 感 器 的 土 壤 有 机 质 传 感 器 ， 该 传 感 器
ter ，FDR ） 、 时 域 反 射 法 （Time Domain Reflec‐
基 于 土 壤 中 有 机 质 含 量 的 不 同 会 造 成 反 射 的 光 谱
tometry ，TDR ） 、 中 子 法 等 。 但 是 ， 采 用 原 位 监 频 段 值 不 同 这 一 原 理 确 定 土 壤 有 机 质 的 含 量 。智 慧 农 业 （ 中 英 文 ） Smart Agriculture Vol. 4, No. 4
4
尚 且 处 于 起 步 阶 段 ， 已 有 研 究 多 基 于 播 种 机 前 进
［19,20 ］
速 度 进 行 播 量 控 制 ， 其 研 究 重 点 多 集 中 在 控
制 系 统 上 ， 较 少 涉 及 播 种 决 策 方 面 研 究 。
2.2.2 精 准 施 肥 信 息 感 知 与 处 方 决 策
精 准 施 肥 涉 及 到 信 息 感 知 、 处 方 决 策 与 精 确
控 制 等 多 项 关 键 技 术 。 国 内 外 关 于 作 物 氮 素 诊 断
方 面 做 了 大 量 研 究 工 作 ， 国 外 市 场 上 几 种 代 表 性
获 取 作 物 营 养 的 传 感 器 ， 包 括 美 国 俄 克 拉 荷 马
［10 ］
图 2 车 载 式 大 田 土 壤 电 导 率 快 速 检 测 系 统
州 立 大 学 和 N-tech 公 司 研 制 的 GreenSeeker
Fig. 2 Vehicle-mounted rapid detection system of field soil
（660 nm ， 780 nm ） ， 美 国 Holland 公 司 研 制 的
conductivity
RapidSCAN CS-45 （670 nm ，730 nm 和 780 nm ）
［15 ］ ［21 ］ ［22 ］ ［23 ］
Precision Planting 公 司 开 发 的 SmartFirmer 传 等 。 杨 贵 军 等 、 孙 红 等 、 林 维 潘 等 分 别
感 器 可 同 时 发 射 和 接 收 X 射 线 、 可 见 光 谱 、 无 线 研 发 了 作 物 长 势 监 测 仪 CropSense （650 nm ，
电 波 三 种 光 线 ， 通 过 分 析 三 种 光 线 的 特 征 即 可 得 810 nm ） 、 双 波 段 （650 nm ，850 nm ） 主 动 光 源 叶
到 土 壤 的 有 机 质 含 量 信 息 。 国 内 目 前 在 车 载 式 土
绿 素 含 量 检 测 传 感 器 、 便 携 式 三 波 段 （660 nm ，
壤 有 机 质 传 感 器 的 研 究 方 面 还 较 为 缺 乏 ， 已 有 研
730 nm ， 815 nm ） 以 及 作 物 生 长 监 测 仪 CG‐
究 多 集 中 在 模 型 构 建 以 及 便 携 式 速 测 仪 的 研 发 。 MD303 ， 可 获 得 归 一 化 植 被 指 数 （Normalized
［16 ］ ［17 ］
例 如 ， 唐 海 涛 等 、Xie 等 借 助 近 红 外 光 谱 Difference Vegetation Index ， NDVI ） 、 叶 面 积 指
技 术 ， 针 对 不 同 种 特 定 情 况 ， 分 别 采 用 不 同 的 特
数 （Leaf Area Index ，LAI ） 、 植 被 覆 盖 度 （Frac‐
征 波 长 提 取 算 法 ， 构 建 了 土 壤 有 机 质 含 量 预 测 模 tional Vegetation Cover ，FVC ） 、 叶 绿 素 含 量 等 指
［24 ］ ［25 ］
型 ， 该 算 法 为 土 壤 有 机 质 含 量 的 在 线 预 测 提 供 了 标 。 矫 雷 子 等 和 周 鹏 等 分 别 采 用 激 光 诱 导
［18 ］
理 论 依 据 。 崔 玉 露 等 基 于 光 谱 学 原 理 设 计 了
技 术 测 定 土 壤 氮 素 、 近 红 外 光 谱 技 术 检 测 土 壤
一 款 便 携 式 土 壤 有 机 质 检 测 仪 ， 仪 器 测 量 值 与 标
氮 素 。
2
准 值 的 相 关 系 数 R 达 到 0.891 。 在 精 准 施 肥 决 策 方 法 方 面 ， 美 国 俄 克 拉 荷 马
［26 ］ ［27 ］
虽 然 用 于 土 壤 环 境 信 息 监 测 的 传 感 器 类 型 较
州 立 大 学 Lukina 等 、Raun 和 Walsh 研 发 了
多 ， 但 受 限 于 播 种 作 业 过 程 中 传 感 器 安 装 空 间 紧
氮 肥 优 化 算 法 （Nitrogen Fertilization Optimiza‐
［28 ］
凑 、 数 据 响 应 延 迟 的 影 响 ， 当 前 难 以 实 现 多 类 型 tion Algorithm ，NFOA ） 。Shi 等 基 于 GreenS‐
土 壤 传 感 器 的 同 时 检 测 ， 而 且 缺 乏 地 块 往 年 产
eeker 传 感 器 ， 在 变 量 施 肥 决 策 时 根 据 其 氮 素 含
量 、 当 年 气 象 信 息 等 数 据 的 支 撑 ， 使 得 在 线 式 土
量 对 施 肥 模 型 进 行 修 正 ， 将 目 标 施 肥 量 按 NDVI
［29 ］
壤 传 感 器 难 以 全 面 综 合 地 决 策 播 种 作 业 ， 目 前 基
值 划 分 为 12 个 等 级 分 层 施 肥 。Cao 等 利 用 多
于 实 时 土 壤 传 感 器 的 变 量 播 种 控 制 系 统 在 国 外 的
种 光 谱 传 感 器 数 据 分 别 建 立 了 东 北 地 区 水 稻 、 玉
使 用 率 也 相 对 较 低 。 相 应 地 ， 采 用 处 方 图 指 导 变
米 变 量 施 肥 决 策 模 型 。
量 播 种 作 业 仍 然 是 最 常 用 的 一 种 变 量 播 种 方 式 。
2.2.3 精 准 施 药 信 息 感 知 与 处 方 决 策
精 准 施 药 的 核 心 是 获 取 农 田 小 区 域 内 病 虫 草
关 于 变 量 播 种 处 方 图 的 生 成 ， 美 国 已 经 形 成 了 一
个 成 熟 的 商 业 化 服 务 系 统 ， 其 中 ，CASE 公 司 、 害 差 异 性 信 息 ， 采 用 变 量 施 药 技 术 ， 按 需 施 药 。
Topcon 公 司 、Ag Leader 公 司 等 也 在 变 量 播 种 处 病 虫 草 害 信 息 实 时 获 取 技 术 主 要 包 括 基 于 光 谱 、
图 像 和 光 谱 成 像 ３ 种 ， 分 别 适 合 防 除 作 物 出 苗 前
方 图 的 决 策 和 生 成 方 面 形 成 了 许 多 技 术 服 务 。 与
发 达 国 家 相 比 ， 国 内 在 变 量 播 种 决 策 方 面 的 研 究 的 杂 草 、 行 间 杂 草 和 行 内 杂 草 。 基 于 光 谱 方 法 ，Vol. 4, No. 4 尹 彦 鑫 等 ： 大 田 无 人 农 场 关 键 技 术 研 究 现 状 与 展 望
5
［36,37 ］
国 外 已 有 WeedSeeker 、 Weed IT 等 杂 草 传 感 气 、 养 分 等 的 竞 争 ， 提 高 产 量 。 大 田 精 准
［30 ］
器 ； 基 于 图 像 方 法 ， 国 外 已 有 Autopilot 、 播/ 栽 主 要 包 括 单 粒 精 量 穴 播 ， 定 量 均 匀 条 播 和
CamPilot 、Robocrop 等 视 觉 导 航 产 品 ； 基 于 高 光
移 栽 3 种 形 式 。
［31 ］
谱 成 像 方 法 ， 潘 冉 冉 等 结 合 化 学 计 量 学 方 法
（1 ） 单 粒 精 量 穴 播 是 播 种 机 按 均 匀 的 株 距 、
实 现 了 对 油 菜 中 的 杂 草 的 分 类 识 别 。 病 害 识 别 也
稳 定 的 播 深 和 一 致 的 行 距 将 单 粒 种 子 播 入 土 壤 的
［32 ］
已 有 较 多 成 果 ， 周 巧 黎 等 基 于 改 进 轻 量 级 卷
过 程 ， 主 要 针 对 玉 米 、 大 豆 、 棉 花 等 需 要 单 粒 精
积 神 经 网 络 MobileNetV3 对 番 茄 叶 片 病 害 进 行 了
量 播 种 的 作 物 。 为 了 实 现 播 种 机 的 无 人 作 业 ， 传
［33 ］
识 别 ；REDDY 和 REKHA 基 于 迁 移 学 习 的 深
统 机 械 式 播 种 机 的 关 键 作 业 部 件 包 括 排 种 器 、 导
叶 病 害 预 测 框 架 （Deep Leaf Disease Prediction
种 管 、 播 种 深 度 调 节 、 下 压 力 控 制 、 覆 土 镇 压 等
Framework DLDPF ） 实 现 了 叶 片 病 害 自 动 检 测 ；
机 构 均 进 行 了 智 能 化 改 造 。Precision Planting 、
［34 ］
Bravo 等 采 用 光 谱 反 射 数 据 对 小 麦 黄 锈 病 进 行
Kverneland 等 公 司 代 表 着 单 粒 精 量 穴 播 的 国 际 先
［35 ］
了 早 期 诊 断 ；Liu 等 利 用 BP 神 经 网 络 实 现 了
进 水 平 ， 实 现 了 播 种 机 排 种 器 的 电 机 驱 动 控 制 、
对 4 个 等 级 的 水 稻 稻 穗 病 害 分 类 。 在 病 虫 草 害 检
播 种 深 度 的 智 能 无 级 调 节 、 下 压 力 的 液 压/ 气 动
测 基 础 上 ， 结 合 土 壤 、 气 象 、 管 理 等 多 源 异 构 数
调 控 、 作 业 质 量 监 测 等 一 系 列 功 能 。Precision
据 ， 采 用 随 机 森 林 、 人 工 神 经 网 络 等 机 器 学 习 算
Planting 研 发 的 SmartFirmer （ 图 3 （a ） ） 可 实 现
法 ， 建 立 了 作 物 生 长 状 态 诊 断 模 型 与 施 药 处 方 决
种 沟 内 水 分 、 温 度 、 有 机 质 含 量 等 参 数 的 实 时 监
策 模 型 ， 融 合 多 源 数 据 和 知 识 规 则 生 成 田 块 尺 度
测 ；SmartDepth （ 图 3 （b ） ） 可 以 在 人 机 交 互 终
施 药 处 方 。
端 通 过 电 机 实 现 播 种 深 度 的 快 速 无 级 调 节 ；
综 合 国 内 外 在 大 田 无 人 农 场 的 信 息 感 知 与 智
VDrive （ 图 3 （c ） ） 采 用 电 机 周 向 驱 动 的 方 式 ，
能 决 策 技 术 方 面 ， 国 外 种 肥 药 关 键 信 息 在 线 感 知
实 现 了 排 种 器 的 精 准 控 制 ； DeltaForce （ 图 3
技 术 研 究 较 为 系 统 ， 已 推 出 了 面 向 种 肥 药 精 准 施
（d ） ） 可 实 现 播 种 单 体 下 压 力 的 快 速 检 测 和 基 于
用 决 策 的 多 款 在 线 感 知 传 感 器 商 品 ， 国 内 多 以 集
液 压 的 实 时 控 制 ；WaveVision （ 图 3 （e ） ） 排 种
成 应 用 国 外 传 感 器 为 主 ， 在 传 感 器 组 合 和 决 策 模
检 测 传 感 器 ， 具 有 强 穿 透 性 和 高 防 尘 功 能 ；
型 的 适 应 性 上 都 受 到 了 限 制 。 国 内 科 研 团 队 也 自
Speedtube （ 图 3 （f ） ） 通 过 隔 板 传 送 带 实 现 了 种
主 研 发 了 部 分 土 壤 、 作 物 传 感 器 ， 并 在 不 同 地 区
［38 ］
子 从 排 种 器 到 种 床 的 平 稳 有 序 输 送 。Kverne‐
初 步 开 展 了 不 同 作 物 的 精 准 施 肥 和 精 准 施 药 的 决
land 公 司 在 排 种 器 电 机 驱 动 基 础 上 ， 结 合 卫 星 定
策 模 型 研 究 ， 随 着 传 感 技 术 和 决 策 模 型 的 完 善 ，
位 技 术 ， 实 现 了 种 子 横 向 和 纵 向 的 精 准 控 制 ， 可
国 内 自 主 研 发 的 传 感 器 将 在 精 准 作 业 过 程 中 发 挥
［39 ］
播 种 品 种 苗 。 中 国 在 播 种 机 智 能 化 改 造 方 面
出 更 大 的 作 用 。
［40-42 ］
也 进 行 了 开 创 性 研 究 ，He 等 探 索 了 电 机
2.3 无 人 农 场 精 准 作 业 技 术 与 装 备
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
精 准 作 业 是 按 照 农 艺 需 求 或 处 方 决 策 对 作 物
达 到 98.4% ， 在 此 基 础 上 探 索 了 基 于 处 方 图 的 变
生 长 所 需 的 种 、 苗 、 肥 、 药 等 农 资 精 量 投 放 到 特
量 播 种 技 术 。
定 位 置 的 作 业 过 程 。 按 施 用 农 资 的 不 同 可 分 为 精
在 播 种 检 测 方 面 ， 目 前 学 者 对 机 器 视 觉 式 、
准 播/ 栽 、 精 准 施 肥 和 精 准 喷 药 。
光 电 式 、 电 容 式 、 压 电 式 等 不 同 排 种 检 测 传 感 器
2.3.1 精 准 播/ 栽 技 术 作 业 技 术 与 装 备
进 行 了 探 索 ， 并 形 成 了 以 光 电 式 传 感 器 为 主 的 排
“ 七 分 靠 种 ， 三 分 靠 管 ” 。 精 准 播/ 栽 是 农 作
［43-46 ］ ［47 ］ ［48 ］
种 检 测 产 品 。 付 卫 强 等 、 高 原 源 等 利
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 、 用 轴 销 传 感 器 检 测 播 种 单 体 下 压 力 ， 并 分 别 采 用智 慧 农 业 （ 中 英 文 ） Smart Agriculture Vol. 4, No. 4
6
液 压 和 气 动 方 式 对 播 种 单 体 下 压 力 进 行 调 控 ， 播 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
种 深 度 合 格 指 数 分 别 达 到 90.37% 和 98.91% 。 为
［49 ］ 件 ， 气 力 式 主 要 采 用 气 送 式 集 排 器 为 种 子 分 配 部
实 现 种 子 从 排 种 器 到 种 床 的 平 稳 运 移 ，Liu 等
件 ， 多 用 在 大 型 播 种 机 上 。Amazone 的 Cataya 系
设 计 了 一 种 隔 板 传 送 带 式 种 子 二 次 输 送 装 置 ， 在
列 条 播 机 （ 图 4 （a ） ） ， 是 耕 整 地 和 播 种 联 合 作
14 km/h 时 仍 能 实 现 高 质 量 的 播 种 作 业 。
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 4 （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
（ a ） SmartFirmer （ b ） SmartDepth （ c ） VDrive
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
［51 ］
等 采 用 气 固 两 相 耦 合 等 方 法 ， 优 化 设 计 一 种
（d ） DeltaForce
（e ） WaveVision （f ） Speedtube
小 麦 油 菜 兼 用 型 气 送 式 集 排 器 ， 排 种 油 菜 、 小 麦
图 3 Precision Planting 单 粒 精 密 穴 播 产 品
的 各 行 排 量 一 致 性 变 异 系 数 分 别 低 于 4% 和 5% ，
Fig. 3 Precision Planting''s single-grain precision hole
总 排 量 稳 定 性 变 异 系 数 和 种 子 破 损 率 分 别 低 于
seeding products
［52 ］
1.0% 和 0.1% 。 张 晓 辉 等 设 计 到 气 力 集 排 器 排
（2 ） 定 量 均 匀 条 播 是 播 种 机 按 照 作 物 所 需 播
量 稳 定 性 变 异 系 数 低 至 1.01% ~1.19% ， 播 种 小
量 将 种 子 均 匀 播 撒 到 深 浅 一 致 土 层 的 过 程 ， 主 要
麦 效 果 良 好 。 另 外 ， 中 国 独 有 的 小 麦 宽 幅 精 播 技
针 对 小 麦 和 直 播 的 水 稻 ， 基 本 要 求 是 播 量 精 确 、
术 因 其 良 好 的 节 种 增 产 效 果 被 广 泛 应 用 ， 主 要 通
下 种 均 匀 、 深 浅 一 致 。 条 播 机 根 据 种 子 输 送 方 式 过 优 化 导 种 管 和 均 布 器 结 构 实 现 种 子 宽 幅 均 布 。
（a ） Cataya 系 列 条 播 机 （b ） Avant 系 列 条 播 机
［50 ］
图 4 Amazone 条 播 机
Fig. 4 Amazon''s seed drill
（3 ） 移 栽 方 式 是 将 适 龄 作 物 秧 苗 依 据 所 需 穴 为 主 （ 图 5 ） 。 近 年 ， 中 国 插 秧 机 也 有 了 突 破 性 发
株 数 按 农 艺 要 求 的 栽 植 深 度 和 株 距 要 求 插 入 土 展 ， 适 合 中 国 国 情 的 各 类 插 秧 机 逐 步 实 现 了 国 产
壤 。 大 田 作 业 主 要 是 指 水 稻 插 秧 移 栽 ， 基 本 要 求 化 ， 苏 州 久 富 、 沃 得 、 星 月 神 等 国 产 化 插 秧 机 不
是 保 证 所 插 秧 苗 “ 浅 、 直 、 匀 、 齐 ” 。 目 前 主 流 断 突 破 ， 可 实 现 穴 距 、 插 秧 深 度 、 横 向 取 禾 次
插 秧 机 以 Kubota 、ISEKI 、Yammar 等 日 本 品 牌 数 、 纵 向 取 禾 深 度 等 作 业 参 数 的 多 级 调 节 ， 适 合Vol. 4, No. 4 尹 彦 鑫 等 ： 大 田 无 人 农 场 关 键 技 术 研 究 现 状 与 展 望
7
不 同 品 种 和 尺 寸 的 秧 苗 。
（a ） 久 保 田 （b ） 井 关 （c ） 洋 马
图 5 日 本 知 名 插 秧 机
Fig. 5 Japanese rice transplanter
2.3.2 精 准 施 肥 作 业 技 术 与 装 备 例 和 施 肥 量 ， 包 括 基 于 处 方 图 的 变 量 施 肥 和 基 于
精 准 施 肥 是 指 通 过 农 田 作 业 装 备 对 化 肥 实 施
实 时 传 感 器 的 变 量 施 肥 。 国 外 已 研 制 出 相 应 变 量
精 准 投 入 ， 准 确 控 制 化 肥 的 精 量 、 定 位 施 用 。 按
施 肥 产 品 。 美 国 Case IH 公 司 设 计 了 一 套 精 准 农
照 作 业 过 程 可 以 分 为 施 肥 量 标 定 、 精 量 施 肥 控 制
业 地 理 信 息 系 统 — —AFS （Advanced Farming
和 施 肥 智 能 监 测 。
Systems ） ， 在 其 生 产 的 ST820 型 变 量 施 肥 播 种 机
施 肥 量 标 定 的 目 的 是 为 了 确 定 施 肥 器 每 转 施
上 ， 可 以 将 由 AFS 软 件 生 成 的 处 方 图 存 入 变 量 控
肥 量 ， 标 定 后 的 结 果 作 为 精 准 施 肥 控 制 的 基 础 。
制 器 中 ， 控 制 变 量 施 肥 作 业 （ 图 6 （a ） ） 。 法 国
［53 ］
为 了 快 捷 高 效 开 展 施 肥 量 标 定 ， 袁 文 胜 等 设
KUHN 公 司 的 Axis 系 列 悬 挂 式 变 量 撒 肥 机 ， 配
计 了 一 种 基 于 称 重 传 感 器 的 闭 环 施 肥 量 快 速 标 定
置 了 自 动 调 节 撒 肥 量 的 EMC 控 制 系 统 ， 可 实 时
装 置 ， 以 称 重 传 感 器 与 目 标 施 肥 量 的 差 值 为 输
调 节 撒 肥 盘 开 度 与 角 度 ， 实 现 高 效 变 量 撒 肥 作 业
［58 ］
入 ， 调 整 施 肥 轴 驱 动 电 机 转 速 使 施 肥 量 达 到 目 标
（ 图 6 （b ） ） 。Zhang 等 设 计 了 一 种 滞 后 时 间
值 ， 从 而 计 算 每 转 施 肥 量 。
检 测 系 统 ， 并 采 用 基 于 平 面 坐 标 的 滞 后 距 离 补 偿
精 量 施 肥 控 制 主 要 结 合 目 标 施 肥 量 、 标 定 施
方 法 来 减 小 滞 后 时 间 ， 试 验 结 果 表 明 ， 该 方 法 能
肥 量 和 施 肥 机 前 进 速 度 ， 实 现 排 肥 轴 转 速 精 准 控
有 效 减 小 变 速 施 肥 机 的 滞 后 距 离 。 受 限 于 实 时 传
［54 ］
制 ， 达 到 精 量 施 肥 的 目 标 。 孟 志 军 等 设 计 了
感 器 的 性 能 ， 基 于 实 时 传 感 器 的 变 量 施 肥 技 术 还
一 种 基 于 液 压 马 达 的 施 肥 作 业 系 统 ， 实 现 了 肥 量
处 在 研 究 阶 段 。 但 随 着 遥 感 技 术 的 发 展 和 基 于 遥
［55 ］
的 精 准 控 制 ， 施 肥 误 差≤3% 。 付 卫 强 等 设 计
感 技 术 的 施 肥 决 策 模 型 研 究 的 深 入 ， 基 于 遥 感 技
了 一 款 基 于 CAN 总 线 的 液 压 施 肥 控 制 系 统 ， 总
术 的 无 人 机 变 量 施 肥 或 将 成 为 一 个 突 破 口 。
体 施 肥 量 控 制 误 差≤10% 。 中 国 农 业 大 学 刘 刚 教
［56,57 ］
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
（ a ） 配 备 AFS 系 统 的 机 具 （ b ） KUHN 变 量 撒 肥
肥 在 整 个 作 业 区 域 进 行 肥 料 的 均 匀 定 量 投 入 ， 该
图 6 CASE IH 公 司 和 KUHN 公 司 的 变 量 施 肥 装 备
方 式 是 当 前 国 内 主 要 施 肥 方 式 。
Fig. 6 Variable rate fertilization equipment of CASE
变 量 施 肥 依 据 土 壤 养 分 空 间 区 域 分 布 状 况 、
IH and KUHN
作 物 需 肥 规 律 、 目 标 产 量 等 ， 按 区 域 调 节 施 肥 比智 慧 农 业 （ 中 英 文 ） Smart Agriculture Vol. 4, No. 4
8
施 肥 智 能 监 测 以 施 肥 传 感 器 和 卫 星 测 速 定 位 备 结 合 ， 实 现 了 机 械 除 草 和 化 学 防 控 的 融 合 。
［66 ］
为 主 要 部 件 ， 实 现 作 业 量 统 计 和 作 业 故 障 预 警 等 HARDI 公 司 的 MEGA 系 列 喷 雾 机 引 入 Smart‐
［59 ］
功 能 。 王 大 可 等 设 计 了 一 套 施 肥 量 无 线 计 量
Com 数 组 平 台 ， 实 现 喷 雾 机 的 监 测 诊 断 和 控 制 ，
系 统 ， 实 现 了 肥 箱 空 、 肥 管 空/ 堵 等 的 准 确 预 警 。
提 高 作 业 效 率 和 作 业 精 度 。 国 内 针 对 上 述 技 术 开
［60 ］
［67 ］
杨 柳 等 通 过 红 外 光 电 传 感 器 实 现 肥 管 空/ 堵 报
展 了 广 泛 的 研 究 ，Chen 等 研 发 了 一 种 基 于 空
警 ， 采 用 编 码 器 测 量 排 肥 轴 转 速 计 算 施 肥 量 ， 实
气 悬 架 的 高 度 稳 定 性 滑 膜 控 制 系 统 ， 可 改 善 因 药
现 了 施 肥 量 的 实 时 监 测 和 故 障 预 警 。 陈 金 城
液 减 少 造 成 的 自 走 式 喷 雾 机 喷 杆 高 度 变 化 。 张 春
［61 ］
［68 ］
等 设 计 的 分 层 施 肥 机 作 业 监 测 系 统 可 实 现 作
凤 等 针 对 精 准 对 靶 喷 药 系 统 作 业 中 由 于 不 同
业 面 积 的 精 准 统 计 ， 统 计 误 差≤0.05% 。
数 量 喷 头 反 复 启 闭 造 成 管 路 压 力 波 动 问 题 ， 开 展
2.3.3 精 准 施 药 作 业 技 术 与 装 备
了 对 靶 喷 药 系 统 回 流 比 例 对 管 路 压 力 波 动 影 响 的
精 准 施 药 核 心 在 于 获 取 农 田 小 区 域 内 病 虫 草
研 究 ， 为 精 准 对 靶 施 药 装 置 的 进 一 步 优 化 提 供 支
害 的 差 异 性 ， 采 用 高 效 喷 雾 技 术 和 变 量 施 药 技
［69 ］
撑 。Jeon 等 采 用 超 声 传 感 技 术 测 量 植 物 冠 层
术 ， 按 需 施 药 。
与 喷 嘴 距 离 ， 辅 助 实 现 变 量 喷 雾 ， 试 验 表 明 ， 优
目 前 高 光 谱 、 可 见 光 等 技 术 是 农 田 病 虫 草 害
化 超 声 传 感 器 与 喷 嘴 相 对 位 置 可 以 改 善 测 距 精
识 别 的 主 流 技 术 ， 从 功 能 上 已 经 基 本 实 现 了 病 虫
［70 ］
度 。Wei 等 研 发 了 一 种 基 于 Pulse-Width-Mod‐
［62 ］
草 害 的 识 别 。 孙 文 斌 等 提 出 了 一 种 基 于 可 见
ulation （PWM ） 控 制 的 变 量 喷 雾 系 统 ， 喷 药 流
光 谱 和 改 进 注 意 力 机 制 的 浅 层 农 作 物 病 害 识 别 模
量 从 最 大 调 至 最 小 过 程 中 ， 雾 滴 直 径 变 化 量 不 超
型 ， 设 计 了 新 的 注 意 力 模 块 SMLP 和 农 作 物 病 害
［71 ］
过 10% 。Wen 等 构 建 的 流 体 动 力 学 模 型 可 以
识 别 模 型 SMLP_ResNet ， 采 用 数 据 集 AI Chal‐
高 精 度 还 原 四 旋 翼 无 人 机 在 喷 药 过 程 中 雾 滴 漂 移
lenger 2018 和 Plant Village 验 证 ， 病 害 识 别 率 分
与 沉 积 情 况 ， 为 植 保 无 人 研 究 提 供 良 好 理 论 研 究
［63 ］
别 为 86.93% 和 99.32% 。Tronthmanna 等 指 出
基 础 。
多 特 征 融 合 技 术 的 发 展 在 一 定 程 度 上 提 升 了 杂 草
中 国 企 业 在 精 准 喷 药 领 域 形 成 了 众 多 符 合 中
识 别 率 与 稳 定 性 ， 如 使 用 激 光 雷 达 与 光 谱 成 像 相
国 国 情 、 具 有 自 主 知 识 产 权 的 产 品 ， 在 国 内 具 有
结 合 ， 从 植 被 水 平 与 垂 直 结 构 全 方 位 了 解 作 物 信
较 高 认 可 度 。 巨 大 的 市 场 需 求 驱 动 下 ， 以 电 动 多
［64 ］
息 。Cao 等 提 出 采 用 高 光 谱 、 近 红 外 、 激 光
旋 翼 植 保 无 人 机 为 主 的 航 空 植 保 机 械 在 中 国 快 速
雷 达 等 多 样 化 数 据 设 备 ， 结 合 迁 移 学 习 算 法 、 数
发 展 ， 成 为 高 秆 作 物 、 水 田 、 丘 陵 山 地 等 场 景 下
据 增 强 方 法 和 深 度 学 习 网 络 等 先 机 数 据 处 理 方
植 保 作 业 的 有 效 方 式 ， 是 地 面 喷 药 机 械 的 有 效 补
法 ， 实 现 了 对 农 作 物 病 虫 害 的 精 准 识 别 。 但 是 因
充 。 一 键 起 飞 、 自 主 路 径 规 划 、 精 准 施 药 控 制 、
为 田 间 光 照 、 作 物 交 叠 等 复 杂 多 变 的 条 件 ， 上 述
自 动 绕 障 、 仿 地 形 飞 行 等 先 进 技 术 在 植 保 无 人 机
技 术 距 离 实 际 应 用 仍 存 在 一 定 距 离 。
上 快 速 迭 代 ， 推 广 应 用 。 综 合 国 内 外 精 准 作 业 技
主 流 的 精 准 施 药 仍 以 全 区 域 均 匀 喷 洒 为 主 ，
术 的 研 究 ， 在 精 准 作 业 监 测 与 控 制 技 术 上 国 内 外
主 要 依 赖 牵 引 式/ 悬 挂 式 喷 杆 喷 雾 机 、 自 走 式 喷
均 有 广 泛 研 究 及 成 熟 产 品 的 应 用 。 在 处 方 生 成 和
杆 喷 雾 机 和 航 空 植 保 机 实 现 。 国 外 如 法 国
智 能 决 策 方 面 ， 无 法 快 速 、 准 确 、 低 成 本 地 获 取
KUHN 、 丹 麦 HARDI 等 企 业 的 精 准 喷 药 机 可 实
地 块 种 肥 药 处 方 图 ， 缺 乏 准 确 制 定 基 于 实 时 传 感
现 加 药 、 喷 洒 、 搅 拌 、 冲 洗 主 罐 等 功 能 ， 喷 头 调
器 决 策 模 型 的 数 据 和 理 论 基 础 ， 是 限 制 精 准 作 业
节 、 喷 杆 控 制 、 变 量 喷 施 、 智 能 监 控 等 先 进 技 术
技 术 发 展 的 瓶 颈 ， 也 是 未 来 精 准 作 业 技 术 创 新 发
已 广 泛 应 用 ， 可 实 现 全 区 域 农 药 精 准 喷 施 。
［65 ］
KUHN 公 司 的 SprayKit 将 喷 药 设 备 与 除 草 设 展 的 突 破 口 。Vol. 4, No. 4 尹 彦 鑫 等 ： 大 田 无 人 农 场 关 键 技 术 研 究 现 状 与 展 望
9
［84 ］
7 cm 。 王 侨 等 根 据 垂 直 间 距 、 趋 势 角 和 覆 盖
2.4 自 动 驾 驶 技 术
宽 度 等 特 征 参 数 聚 类 并 用 最 小 二 乘 法 拟 合 得 到 玉
2.4.1 自 动 驾 驶 环 境 感 知 技 术
［85 ］
米 苗 期 的 多 条 作 物 行 线 。Choi 等 提 出 了 利 用
自 动 驾 驶 的 环 境 感 知 是 服 务 于 农 机 自 主 行 走
叶 片 通 常 朝 着 中 心 茎 区 域 的 方 向 会 聚 的 形 态 学 特
的 农 田 环 境 感 知 技 术 ， 主 要 包 括 对 农 田 地 块 边 界
［86 ］
征 来 识 别 水 稻 植 株 的 中 心 区 域 的 方 法 。Hu 等
的 感 知 、 作 物 行 的 感 知 和 田 间 障 碍 物 的 感 知 。
提 出 了 一 种 利 用 激 光 雷 达 数 据 识 别 水 稻 作 物 行
农 田 物 理 边 界 的 信 息 感 知 主 要 是 对 农 田 在 耕
的 方 法 ， 最 大 平 行 度 为 45 mm ， 最 大 中 值 偏 差
种 过 程 中 人 为 或 自 然 形 成 的 耕 地 边 界 的 检 测 ， 可
［87 ］
为 7 mm 。Zhai 等 提 出 了 一 种 基 于 双 目 视 觉 的
为 自 动 驾 驶 确 定 起 始 行 、 转 弯 掉 头 处 和 结 束 行 ，
多 作 物 行 检 测 算 法 ， 检 测 正 确 率 大 于 92.78% 。
对 确 定 农 机 自 动 驾 驶 的 作 业 范 围 具 有 重 要 意 义 。
［88 ］
Gasparino 等 提 出 一 种 摄 像 机 和 二 维 激 光 雷
常 用 的 农 田 地 块 边 界 检 测 方 式 主 要 有 基 于 全 球 卫
达 融 合 的 玉 米 行 检 测 方 法 ， 其 有 64.02% 的 误
星 导 航 系 统 （Global Navigation Satellite System ，
差 在 5 cm 以 内 。
GNSS ） 高 精 度 定 位 的 检 测 、 基 于 遥 感 方 法 的 检
田 间 障 碍 物 的 感 知 是 农 机 自 动 驾 驶 安 全 作 业
测 和 基 于 车 载 视 觉 信 息 的 检 测 。 目 前 在 自 动 驾 驶
的 基 础 。 常 用 的 障 碍 物 检 测 传 感 器 有 视 觉 、 激 光
中 应 用 最 多 的 地 块 检 测 方 法 是 采 用 GNSS 的 预 先
雷 达 、 毫 米 波 雷 达 、 红 外 相 机 和 超 声 波 探 测 器
定 位 检 测 方 法 ， 基 于 遥 感 影 像 的 大 面 积 地 块 边 界
等 ， 目 前 ， 基 于 视 觉 和 激 光 雷 达 的 田 间 障 碍 物 检
提 取 和 车 载 传 感 器 的 实 时 检 测 仍 处 于 研 究 阶
［72-75 ］ ［76 ］ 测 准 确 率 不 断 提 高 ， 近 几 年 成 为 研 究 热 点 。Yang
段 。 刘 东 等 通 过 无 人 机 获 取 农 田 多 光 谱
［89 ］
和 Nocuchi 等 采 用 全 向 立 体 视 觉 重 建 场 景 中
数 据 ， 基 于 不 同 区 域 NDVI 值 的 差 异 ， 采 用 大 津
［77 ］ 人 的 位 置 ， 实 现 田 间 行 人 检 测 ， 障 碍 物 的 检 测 均
阈 值 法 实 现 农 田 分 割 。Zhang 等 采 用 无 人 机
［90 ］
方 差 小 于 0.5 m 。Li 等 基 于 深 度 学 习 卷 积 神 经
搭 载 图 像 和 GNSS 定 位 传 感 器 拼 接 得 到 完 整 农 田
［78 ］ ［79 ］ 网 络 ， 实 现 水 稻 收 获 环 境 下 不 同 姿 势 状 态 行 人 的
地 图 ； 王 侨 等 和 乔 榆 杰 等 基 于 农 田 内 外 像
检 测 ， 平 均 处 理 速 度 为 32.2 帧/ 秒 ， 障 碍 物 检 测
素 灰 度 的 跳 变 等 图 像 处 理 方 法 判 断 地 头 出 现 的 准
［91 ］
的 平 均 成 功 率 为 96.6% 。 尚 业 华 等 提 出 了 基
确 率 在 96% 以 上 ， 地 头 边 界 线 的 检 测 准 确 率 在
［80 ］
于 欧 式 聚 类 的 三 维 激 光 点 云 田 间 障 碍 物 检 测 方
92% 以 上 。 阚 韬 和 辜 斌 发 明 了 一 种 农 田 边 界
法 ， 田 间 行 人 在 30 m 内 平 均 检 出 率 为 96.11% 。
检 测 方 法 及 装 置 ， 通 过 获 取 待 检 测 图 像 并 进 行 第
［92 ］
郎 朗 等 提 出 采 用 LiDAR （ 激 光 雷 达 ） 技 术 对
一 干 扰 降 低 处 理 以 得 到 第 一 图 像 ， 对 第 一 图 像 进
农 田 地 形 进 行 重 建 ， 设 计 了 车 载 农 田 地 形 重 建 系
行 边 界 处 理 以 得 到 第 二 图 像 ， 对 第 二 图 像 进 行 第
统 ， 平 整 前 后 所 重 建 农 田 地 形 和 原 始 农 田 地 形 点
二 干 扰 降 低 处 理 从 而 得 到 农 田 边 界 图 形 。
云 数 据 的 投 影 面 积 逼 近 度 为 93% 以 上 。 Zeng
作 物 行 的 感 知 是 确 定 农 机 自 动 驾 驶 每 个 作 业
［93 ］
等 研 究 了 基 于 几 何 特 征 的 网 络 结 构 苹 果 园 稀
行 路 径 的 基 础 。 对 于 无 作 物 场 景 的 农 机 自 动 驾 驶
疏 三 维 点 云 的 语 义 分 割 方 法 ， 创 建 了 树 冠 密 度 和
作 业 ， 如 耕 整 、 播 种 环 节 ， 确 定 作 物 行 主 要 采 用
深 度 图 ， 对 树 冠 的 格 子 线 、 支 撑 杆 和 树 干 分 割 的
GNSS 高 精 度 定 位 数 据 生 成 作 业 行 线 ， 对 于 苗 期
准 确 率 分 别 为 88.6% 、82.1% 和 94.7% 。Rovira-
田 间 管 理 的 作 物 行 感 知 主 要 采 用 基 于 车 载 传 感 器
［94 ］
［81,82 ］
mas 等 使 用 双 目 立 体 相 机 对 站 立 在 田 间 的 人
如 图 像 等 的 实 时 感 知 。 姜 国 权 等 采 用 基 于 图
进 行 检 测 ， 试 验 表 明 在 0.3 ~2.9 m 范 围 内 该 方 法
像 特 征 点 提 取 并 对 特 征 点 进 行 粒 子 群 聚 类 的 小 麦
［83 ］
可 以 有 效 检 测 到 障 碍 物 ， 且 检 测 精 度 随 车 辆 与 障
行 检 测 算 法 ， 识 别 率 达 95% 。 孟 庆 宽 等 提 出
［95 ］
碍 物 距 离 的 增 加 而 减 小 。Yin 等 使 用 3D 相 机
一 种 基 于 线 性 相 关 系 数 约 束 的 玉 米 中 心 线 检 测 方
法 ， 当 速 度 为 1.2 m/s 时 ， 最 大 横 向 偏 差 不 超 过 采 用 基 于 二 维 直 方 图 的 聚 类 算 法 ， 将 障 碍 物 像 素智 慧 农 业 （ 中 英 文 ） Smart Agriculture Vol. 4, No. 4
10
反 投 影 到 地 平 面 上 ， 用 于 图 像 分 割 和 分 析 实 时 针 对 农 田 地 头 转 弯 、 掉 头 等 路 径 规 划 需 求 ，
检 测 田 间 的 人 ， 试 验 表 明 静 态 条 件 下 的 定 位 精 相 关 学 者 多 从 机 具 自 身 运 动 属 性 结 合 田 块 特 点 ，
度 平 均 误 差 为 5.6 cm ， 移 动 情 况 下 的 距 离 检 测 误 对 地 头 转 弯 局 部 路 径 算 法 进 行 设 计 优 化 ， 以 达 到
［106 ］
差 为 7.1 cm 。 最 好 的 地 头 转 向 效 果 。 袁 加 红 以 插 秧 机 为 研
2.4.2 无 人 化 农 机 路 径 规 划 方 法 究 对 象 ， 设 计 了 五 种 转 向 方 式 ， 作 业 时 根 据 作 业
无 人 化 农 机 路 径 规 划 是 在 已 知 地 图 环 境 的 基
间 距 和 机 械 的 最 小 转 弯 半 径 的 关 系 对 转 弯 方 式 进
［107 ］
础 上 ， 以 一 个 或 多 个 条 件 （ 例 如 非 作 业 状 态 移 动
行 选 择 。 Wang 和 Noguchi 等 提 出 了 Circle-
距 离 、 工 作 总 时 长 最 短 等 ） 作 为 约 束 ， 实 现 对 待
back 转 弯 方 式 ， 并 以 对 行 精 度 、 地 头 宽 度 、 非 作
作 业 区 域 的 完 全 遍 历 ， 进 而 规 划 出 全 部 区 域 作 业
业 行 驶 距 离 等 约 束 条 件 为 优 化 目 标 设 计 了 环 境 自
［96-98 ］
路 线 的 路 径 规 划 算 法 。 无 人 化 农 机 路 径 规 划
适 应 的 地 头 转 弯 路 径 规 划 和 控 制 方 法 。 基 于 该 方
算 法 根 据 不 同 的 目 标 有 着 不 同 的 方 法 ， 但 所 有 方
法 的 无 人 驾 驶 拖 拉 机 在 转 弯 的 效 率 和 对 行 精 度 上
［108 ］
法 的 最 终 目 标 都 是 通 过 最 少 的 时 间 最 大 化 土 地 利
都 有 明 显 提 升 。 翟 卫 欣 等 研 究 设 计 了 一 种 基
用 率 ， 规 划 过 程 主 要 对 两 个 方 面 进 行 考 虑 ， 一 是
于 区 块 套 行 作 业 模 式 的 路 径 规 划 方 法 ， 作 业 区 域
作 业 区 域 的 全 覆 盖 路 径 规 划 ， 二 是 地 头 区 域 的 调
内 的 四 边 形 地 块 适 应 性 、 无 人 驾 驶 农 机 适 应 性 和
头 转 弯 路 径 规 划 。
农 田 作 业 路 径 完 整 规 划 等 问 题 得 到 了 有 效 解 决 。
针 对 作 业 区 域 的 全 覆 盖 路 径 规 划 主 要 有 两 种
2.4.3 路 径 跟 踪 控 制 技 术
方 式 ： 一 种 是 由 驾 驶 员 规 定 初 始 作 业 路 径 ， 并 通 在 规 划 好 作 业 路 径 的 前 提 下 ， 农 机 自 动 导 航
过 不 断 对 其 平 移 实 现 对 农 田 的 全 覆 盖 ； 另 一 种 是 系 统 通 过 实 时 采 集 传 感 器 信 息 的 方 式 获 取 车 辆 状
在 特 定 的 农 田 环 境 下 ， 以 梭 行 法 、 套 行 法 或 螺 旋 态 信 息 ， 如 位 置 、 航 向 等 姿 态 信 息 ， 以 及 速 度 、
［99,100 ］
法 进 行 作 业 。 加 速 度 等 运 动 学 信 息 ， 利 用 运 动 学 或 动 力 学 建 模
近 年 来 ， 因 全 覆 盖 作 业 相 较 于 手 动 作 业 主 观 结 合 所 选 路 径 跟 踪 控 制 算 法 计 算 并 获 得 车 辆 运 动
判 断 的 作 业 方 式 ， 具 有 降 低 路 径 重 复 率 、 提 高 作 控 制 参 数 ， 如 车 速 、 转 向 轮 转 角 等 ， 最 终 达 到 使
［101 ］
业 质 量 与 效 率 的 优 势 ， 在 耕 作 、 喷 药 、 施 肥 、 车 辆 可 以 自 动 跟 踪 由 规 划 算 法 得 到 的 轨 迹 路 线 的
收 获 等 领 域 进 行 了 广 泛 的 研 究 与 应 用 。 如 华 中 农 目 的 。 农 机 自 动 导 航 作 业 过 程 对 规 划 路 径 的 跟 踪
［102 ］
业 大 学 罗 承 铭 等 提 出 全 覆 盖 作 业 路 径 规 划 算 效 果 直 接 影 响 作 业 质 量 和 效 率 。 目 前 ， 农 机 自 动
法 对 油 菜 联 合 收 获 机 作 业 路 径 进 行 规 划 ， 减 少 了 导 航 路 径 跟 踪 方 法 主 要 包 括 PID 算 法 、 模 型 预 测
［109 ］
非 作 业 路 径 长 度 。 但 是 ， 由 于 农 田 作 业 环 境 复 控 制 算 法 和 纯 跟 踪 控 制 算 法 等 。
杂 ， 大 部 分 田 块 为 不 规 则 地 块 ， 全 覆 盖 路 径 规 划 PID 算 法 是 一 种 基 于 反 馈 误 差 的 控 制 方 法 ，
存 在 重 复 率 高 、 无 法 覆 盖 整 个 区 域 等 问 题 ， 且 农 不 需 要 对 被 控 制 对 象 建 模 ， 原 理 简 控 制 性 能 良
［110 ］
机 作 业 过 程 需 考 虑 最 优 作 业 路 径 、 避 障 以 及 绕 障 好 。 如 日 本 国 家 农 业 研 究 中 心 的 Nagasaka 等
等 特 定 的 作 业 场 景 ， 单 一 的 路 径 规 划 算 法 无 法 满 以 农 机 当 前 位 姿 与 期 望 路 径 之 间 的 横 向 偏 差 和 航
足 农 机 自 动 驾 驶 需 求 ， 国 内 外 采 用 多 种 算 法 结 合 向 偏 差 为 输 入 ， 设 计 比 例 控 制 器 ， 根 据 不 同 的 横
的 方 式 进 行 作 业 区 域 的 全 覆 盖 路 径 规 划 算 法 优 向 偏 差 设 置 比 例 参 数 ， 求 解 车 轮 转 向 角 ， 实 现 直
［103 ］ ［104 ］
化 。Khan 等 基 于 未 知 区 域 提 出 在 线 牛 耕 线 跟 踪 。 由 于 PID 控 制 参 数 受 外 界 环 节 以 及 车 身
运 动 结 合 双 向 邻 近 搜 索 算 法 的 优 化 回 溯 机 制 ， 实 状 态 影 响 较 大 ， 参 数 的 调 整 过 程 耗 时 严 重 ， 影 响
［105 ］
现 完 全 覆 盖 路 径 规 划 。Liu 等 提 出 了 一 种 启 作 业 效 率 ， 单 一 PID 控 制 方 法 无 法 满 足 农 机 自 动
发 式 模 板 结 合 贪 心 准 则 的 回 溯 机 制 实 现 全 覆 盖 路 驾 驶 作 业 需 求 ， 针 对 该 技 术 瓶 颈 ， 许 多 学 者 应 用
径 规 划 方 法 。 改 进 的 PID 控 制 器 对 轨 迹 追 踪 进 行 了 研 究 。NettoVol. 4, No. 4 尹 彦 鑫 等 ： 大 田 无 人 农 场 关 键 技 术 研 究 现 状 与 展 望
11
［111 ］
等 设 计 了 一 种 加 入 了 反 馈 机 制 的 PID 结 合 视 收 获 边 界 对 齐 控 制 的 研 究 主 要 有 收 割 边 界 的 检 测
觉 导 航 的 控 制 方 法 ， 实 验 表 明 在 大 曲 率 的 路 径 上 和 自 动 对 齐 的 控 制 两 方 面 。 收 获 环 节 的 作 物 行 感
［112 ］ ［117 ］
可 以 保 证 良 好 的 跟 踪 性 能 。Al-Mayyahi 等 提 知 以 图 像 和 二 维 激 光 雷 达 检 测 为 主 ，Wu 等
出 基 于 粒 子 群 算 法 的 分 数 阶 PID 控 制 器 ， 将 跟 踪 根 据 已 收 获 与 未 收 获 区 域 颜 色 特 征 确 定 候 选 点 ，
偏 差 的 平 方 和 作 为 粒 子 群 算 法 的 适 应 度 评 价 函 提 出 了 改 进 随 机 Hough 变 换 的 收 割 直 线 检 测 算
数 ， 求 解 最 优 的 控 制 器 参 数 ， 提 升 了 算 法 的 鲁 法 ， 算 法 可 有 效 检 测 出 直 线 ， 处 理 时 间 在 200 ms
［118 ］
棒 性 。 作 业 。Zhao 等 采 用 二 维 激 光 雷 达 应 用 邻 域 均
模 型 预 测 控 制 算 法 （Model Predictive Con‐ 值 微 分 法 和 Otsu 边 缘 检 测 算 法 得 到 水 稻 收 割 边
trol ，MPC ） 通 过 对 当 前 模 型 进 行 预 测 ， 并 对 其 界 线 ， 静 态 测 试 的 平 均 横 向 误 差 为±12 cm ， 动 态
［119 ］
进 行 滚 动 优 化 和 反 馈 校 正 算 法 控 制 ， 以 达 到 控 制 测 试 的 平 均 侧 向 误 差 为±25 cm 。Zhang 等 提
［113 ］
目 标 的 目 的 。 近 年 来 ， 国 内 外 学 者 基 于 MPC 出 了 一 种 基 于 机 器 视 觉 的 稻 麦 收 获 边 缘 检 测 方
算 法 结 合 农 机 实 际 作 业 情 况 对 农 机 路 径 跟 踪 控 制 法 ， 用 多 项 式 拟 合 直 线 与 曲 线 边 界 ， 收 割 边 界 的
［120 ］
算 法 进 行 了 设 计 及 优 化 ， 对 路 径 跟 踪 控 制 精 度 有 平 均 定 位 误 差 为 2.84 cm 。Jiang 等 提 出 了 一
［114 ］ ［115 ］
了 一 定 程 度 的 提 高 。 如 张 万 枝 等 在 分 析 种 利 用 深 度 图 像 提 取 导 航 路 径 曲 线 的 方 法 ， 农 田
PID 路 径 跟 踪 控 制 算 法 的 基 础 上 ， 为 进 一 步 提 升 试 验 表 明 ， 边 界 点 的 平 均 检 测 精 度 为 99.0% ， 每
农 业 车 辆 导 航 路 径 自 动 跟 踪 精 度 ， 设 计 了 一 种 基 帧 的 平 均 处 理 时 间 为 45 ms 。 收 获 环 节 的 自 动 对
于 线 性 时 变 模 型 预 测 控 制 的 路 径 跟 踪 算 法 ， 该 方 齐 控 制 以 基 于 动 力 学 模 型 的 控 制 为 主 ，Snider
［121 ］
法 将 农 业 车 辆 非 线 性 运 动 学 模 型 进 行 了 线 性 化 与 等 基 于 GNSS 定 位 获 得 的 行 走 信 息 设 计 了 纯
［122 ］
离 散 化 处 理 ， 以 系 统 控 制 增 量 为 状 态 量 作 为 目 标 追 踪 控 制 器 。Coen 等 将 车 辆 简 化 为 二 轮 车 运
函 数 ， 将 目 标 函 数 求 解 转 为 带 约 束 的 二 次 规 划 问 动 学 模 型 ， 基 于 阿 克 曼 转 向 几 何 计 算 车 轮 转 角 实
［123 ］
题 ， 实 现 了 优 化 控 制 。 现 了 对 行 控 制 。 赵 腾 基 于 二 维 激 光 雷 达 检 测
在 农 机 自 动 驾 驶 路 径 跟 踪 领 域 ， 纯 跟 踪 算 法 的 边 界 根 据 履 带 收 获 机 转 向 模 型 设 计 了 PI 控 制
［124 ］
以 其 简 单 、 易 实 现 的 特 点 ， 得 到 了 广 泛 应 用 。 该 器 进 行 稻 麦 的 对 齐 收 获 。 王 立 辉 等 根 据
算 法 利 用 几 何 关 系 ， 计 算 农 机 到 达 指 定 位 置 所 需 GNSS 定 位 信 息 采 用 了 基 于 粒 子 群 的 模 糊 控 制 算
走 过 的 圆 弧 路 径 ， 进 而 获 得 车 身 运 动 控 制 参 数 ， 法 实 现 履 带 收 获 机 的 导 航 控 制 。
以 实 现 路 径 跟 踪 的 效 果 。 然 而 ， 农 机 作 业 环 境 复 2.4.5 主 从 农 机 协 同 控 制 技 术
随 着 农 业 机 械 化 水 平 迅 速 发 展 ， 农 机 田 间 作
杂 ， 作 业 过 程 常 伴 随 自 身 定 位 的 偏 差 及 波 动 ， 车
业 效 率 有 所 提 高 、 降 低 能 源 消 耗 ， 人 力 消 耗 的 多
辆 系 统 在 传 统 的 基 于 几 何 模 型 的 跟 踪 控 制 中 不 易
机 协 同 作 业 逐 渐 成 为 农 机 应 用 的 发 展 趋 势 之 一 。
进 行 几 何 路 径 的 调 整 ， 基 于 该 现 状 ， 相 关 学 者 对
［116 ］
农 机 多 机 协 同 作 业 研 究 最 早 起 源 于 21 世 纪
纯 跟 踪 系 统 的 相 关 算 法 进 行 了 优 化 。Wang 等
［125,126 ］
初 ， 中 国 在 2010 年 前 后 开 始 了 多 机 协 同 作
提 出 一 种 改 进 纯 追 踪 模 型 的 农 机 路 径 跟 踪 方 法 ，
业 研 究 ， 主 要 包 括 多 机 协 同 路 径 规 划 与 主 从 协 同
采 用 速 度 自 适 应 的 前 视 距 离 ， 有 效 提 高 了 无 人 农
控 制 两 方 面 。
机 高 速 作 业 时 的 导 航 精 度 。
多 机 协 同 路 径 规 划 能 够 提 高 协 同 系 统 的 执 行
2.4.4 作 物 对 行 与 边 界 对 齐 控 制 技 术
稻 麦 收 获 边 界 对 齐 控 制 是 农 机 自 动 驾 驶 系 统 效 率 ， 实 现 区 域 农 田 内 的 多 机 协 同 作 业 调 度 管
［127 ］
在 作 物 收 获 环 节 的 一 个 特 殊 场 景 ， 由 于 稻 麦 收 获 理 ， 如 Li 等 提 出 了 基 于 NSGA-III 和 改 进 蚁
时 一 般 不 需 要 对 行 作 业 ， 其 主 要 的 工 作 路 径 为 使 群 算 法 的 多 机 协 同 作 业 智 能 调 度 方 法 ， 可 输 出 具
［128 ］
割 台 边 界 沿 着 作 物 边 界 行 走 作 业 。 目 前 关 于 稻 麦 有 部 署 信 息 的 准 确 调 度 规 划 方 案 。 宫 金 良 等智 慧 农 业 （ 中 英 文 ） Smart Agriculture Vol. 4, No. 4
12
提 出 了 一 种 以 机 器 人 组 整 体 效 能 最 优 为 目 标 的 协 RANSAC ） 算 法 获 取 路 径 点 ， 并 采 用 纯 追 踪 算 法
同 作 业 策 略 ， 提 高 了 机 器 人 总 遍 历 面 积 的 重 复 对 这 些 路 径 点 进 行 跟 踪 ， 解 决 了 在 主 从 导 航 模 式
［129 ］
［139,140 ］
率 。 姚 竟 发 等 考 虑 联 合 收 割 机 转 弯 和 作 业 冲 下 转 弯 无 法 连 续 行 驶 的 问 题 。 白 晓 平 团 队
突 的 情 况 ， 提 出 了 以 总 作 业 时 间 和 作 业 时 长 为 综 结 合 反 馈 线 性 化 理 论 和 滑 模 控 制 理 论 ， 设 计 了 收
合 优 化 目 标 的 路 径 优 化 算 法 （Improved Genetic
割 机 组 队 保 持 控 制 律 和 路 径 跟 踪 控 制 律 ， 实 现 了
Algorithm ，IGA ） ， 降 低 了 总 作 业 时 间 和 时 长 。 农 业 机 械 的 高 精 度 跟 踪 操 作 。
［130 ］
Qin 等 提 出 了 一 种 基 于 主 从 指 令 的 果 园 地 图 经 过 近 30 年 的 研 究 ， 国 内 外 已 经 在 环 境 识
多 机 器 人 协 同 导 航 系 统 ， 喷 雾 机 器 人 的 绝 对 横 向 别 、 导 航 避 障 、 路 径 规 划 、 多 机 协 同 等 自 动 驾 驶
误 差 最 大 值 为 24.9 cm ， 加 药 机 器 人 的 绝 对 横 向
关 键 技 术 方 面 取 得 突 破 ， 围 绕 水 田 、 旱 田 作 物 在
误 差 最 大 值 为 29.7 cm ， 满 足 传 统 果 园 喷 药 机 器
耕 、 种 、 管 、 收 全 程 无 人 化 的 生 产 需 求 创 制 了 多
［131 ］
人 群 协 同 任 务 的 自 动 导 航 需 求 。Zhang 等 提 种 无 人 化 作 业 装 备 ， 并 开 展 了 应 用 示 范 。 然 而 ，
出 了 一 种 农 业 主 从 机 器 人 系 统 的 路 径 规 划 与 跟 踪 目 前 在 不 规 则 地 块 的 边 界 信 息 获 取 以 及 路 径 规 划
算 法 ， 主 机 能 够 完 成 收 割 、 耕 作 、 种 植 等 工 作 ，
还 需 要 进 一 步 研 究 ， 结 合 区 域 气 候 、 农 艺 、 地
从 机 跟 踪 主 人 完 成 运 输 、 加 油 等 辅 助 工 作 。
形 、 作 业 能 力 和 作 业 效 率 等 约 束 开 展 作 业 方 向 、
主 从 协 同 作 业 是 针 对 主 从 农 机 间 距 保 持 、 速
不 规 则 地 块 子 区 域 划 分 、 自 动 加 装 补 给 等 路 径 规
度 跟 随 、 姿 态 跟 随 等 进 行 精 确 控 制 的 技 术 ， 是 多
划 相 关 的 研 究 。 此 外 ， 还 需 要 针 对 高 速 作 业 、 土
目 标 优 化 控 制 问 题 ， 广 泛 应 用 于 耕 地 、 播 种 、 收
壤 湿 滑 、 坡 地 等 情 况 开 展 高 精 度 导 航 控 制 算 法 的
获 等 环 节 。 近 年 来 ， 国 内 外 针 对 主 从 农 机 协 同 作
研 究 ， 保 障 无 人 农 机 的 作 业 质 量 。 在 多 机 协 同 方
［132 ］
业 开 展 了 大 量 研 究 。 如 Shojaei 等 设 计 了 一 种
面 ， 机 群 的 任 务 动 态 分 配 是 今 后 研 究 的 重 点 和 难
基 于 饱 和 观 测 器 的 自 适 应 引 领- 跟 随 神 经 网 络 控
点 。 针 对 作 业 时 间 窗 口 的 改 变 、 可 调 配 农 机 数 量
制 器 ， 实 现 了 多 辆 拖 拉 机 协 同 控 制 。Moorehead
的 增 加 等 突 发 情 况 ， 快 速 完 成 作 业 任 务 的 优 化 与
［133 ］
等 采 用 一 台 远 程 监 控 终 端 管 理 两 个 自 动 拖 拉
再 分 配 ， 对 于 抢 种 、 抢 收 保 障 粮 食 生 产 至 关
机 ， 使 用 雷 达 和 摄 像 头 引 导 拖 拉 机 沿 着 树 行 的 中
重 要 。
［134 ］
心 行 驶 。Zhang 等 开 发 了 一 种 智 能 农 用 车 主
2.5 无 人 化 作 业 装 备
从 系 统 ， 该 系 统 通 过 从 车 在 给 定 的 横 向 和 纵 向 偏
［126 ］
移 跟 随 主 车 。 Noguchi 等 提 出 了 “GO-TO ” 无 人 化 作 业 设 备 是 大 田 无 人 农 场 全 生 产 环 节
中 所 使 用 的 移 动 设 备 的 统 称 ， 其 发 展 得 益 于 物 联
和 “FOLLOW ” 两 种 运 行 模 式 的 农 机 协 同 运 行
网 、 大 数 据 、 云 计 算 以 及 人 工 智 能 技 术 在 农 业 智
系 统 ， 实 现 了 主 从 农 机 的 协 同 作 业 。 Zhang
［135 ］
能 装 备 、 机 器 人 领 域 的 快 速 推 广 应 用 ， 现 已 基 本
等 开 发 了 leader-follow 系 统 ， 实 现 两 台 机 器
人 相 互 配 合 ， 完 成 直 线 行 走 与 跟 踪 、 地 头 转 弯 等 涵 盖 了 农 作 物 耕 、 种 、 管 、 收 的 全 程 无 人 化 生 产
［136 ］
协 同 作 业 。Luo 等 采 用 两 车 转 向 角 控 制 律 和 环 节 ， 可 全 自 动 、 全 覆 盖 、 高 质 量 、 高 效 率 地 完
成 各 项 必 需 的 农 业 生 产 活 动 。
速 度 控 制 律 ， 解 决 了 主 从 协 同 运 行 模 式 下 两 车 不
［137 ］
土 地 耕 整 是 大 田 无 人 农 场 中 各 项 农 业 生 产 环
在 同 一 直 线 上 行 驶 的 问 题 。Li 等 设 计 了 由 一
台 主 机 和 一 台 从 机 械 组 成 的 农 机 自 动 导 航 系 统 ， 节 的 基 础 。 无 人 耕 整 作 业 设 备 是 指 采 用 具 有 自 动
根 据 主 从 机 的 位 置 信 息 控 制 从 车 的 横 向 与 航 向 偏 驾 驶 功 能 的 拖 拉 机 或 具 有 足 够 动 力 源 的 机 器 人 挂
［138 ］
差 实 现 主 从 车 的 跟 随 控 制 。Mao 等 采 用 点 云 载 犁 具 、 深 松 机 、 旋 耕 机 以 及 联 合 耕 整 等 整 地 机
具 开 展 大 田 无 人 耕 整 作 业 ， 具 备 路 径 规 划 、 路 径
地 面 点 滤 波 （Cloth Simulation Filter ，CSF ） 和 随
机 样 本 一 致 性 （Random Sample Consensus ， 跟 踪 、 耕 深 检 测 以 及 机 具 控 制 等 功 能 。 其 中 ， 采Vol. 4, No. 4 尹 彦 鑫 等 ： 大 田 无 人 农 场 关 键 技 术 研 究 现 状 与 展 望
13
用 无 人 驾 驶 拖 拉 机 挂 载 深 松 机 进 行 旱 地 深 松 ， 田
间 导 航 作 业 误 差≤2 cm ， 自 动 转 向 稳 态 误 差≤0.23° ，
［116 ］
作 业 质 量 好 、 作 业 效 率 高 。 图 7 所 示 为 北 京
市 农 林 科 学 院 智 能 装 备 技 术 研 究 中 心 研 发 的 无 人
化 耕 整 地 装 备 。
（a ） 无 人 化 播 种 装 备
图 7 无 人 化 耕 整 地 装 备
Fig. 7 Unmanned soil preparation equipment
播/ 栽 、 施 肥 和 喷 药 是 大 田 无 人 农 场 中 种 、 （b ） 无 人 化 喷 药 装 备
管 生 产 环 节 的 重 要 部 分 。 无 动 力 精 准 播/ 栽 、 施
图 8 无 人 化 播 种 、 喷 药 装 备
肥 和 喷 药 机 具 与 无 人 驾 驶 拖 拉 机 组 成 种 苗 肥 药 无
Fig. 8 Unmanned seeding and spraying equipment
人 化 作 业 装 备 。 自 走 式 机 具 安 装 自 动 驾 驶 系 统 及
统 及 自 动 控 制 装 置 和 无 人 化 改 造 ， 结 合 已 改 装 完
自 动 控 制 装 置 ， 经 无 人 化 改 造 形 成 无 人 作 业 装
毕 的 配 套 运 粮 车 ， 可 实 现 大 田 作 物 的 无 人 化 精 准
备 ， 可 实 现 大 田 农 资 的 无 人 化 精 准 施 用 。 种 苗 肥
收 获 ， 具 备 作 物 行 感 知 、 障 碍 物 检 测 、 路 径 规
药 无 人 化 作 业 装 备 多 具 备 农 资 播 施 量 快 速 精 准 调
划 、 路 径 跟 踪 、 作 物 对 行 、 边 界 对 齐 、 主 从 协 同
节 、 自 动 精 准 播 施 、 余 量 检 测 与 加 装 预 警 、 作 业
以 及 割 台 控 制 等 功 能 。 图 9 所 示 为 北 京 市 农 林 科
质 量 监 测 、 数 据 远 程 传 输 等 功 能 ， 部 分 无 人 作 业
学 院 智 能 装 备 技 术 研 究 中 心 研 发 的 无 人 化 收 获
装 备 配 备 处 方 图 可 实 现 变 量 无 人 作 业 ， 改 变 了 传
统 粗 放 型 农 资 投 入 模 式 、 提 高 了 作 业 精 度 和 肥 药 装 备 ， 现 场 试 验 结 果 显 示 ， 作 业 路 径 跟 踪 精 度
利 用 率 、 实 现 了 作 业 过 程 数 据 的 实 时 监 控 。 图 8
±2.5 cm ； 可 地 头 自 动 掉 头 并 与 作 物 边 界 自 动 对
所 示 为 北 京 市 农 林 科 学 院 智 能 装 备 技 术 研 究 中 心
齐 ， 对 齐 误 差≤10 cm ； 可 实 现 收 割 机 机 器 人 脱
研 发 的 无 人 化 播 种 、 喷 药 装 备 。
分 、 清 选 等 关 键 作 业 部 件 的 工 况 自 动 控 制 ， 控 制
物 料 补 给 是 实 现 农 机 全 程 无 人 化 作 业 的 关
精 度≥97% 。
键 ， 也 是 其 中 的 薄 弱 环 节 。 目 前 农 机 作 业 过 程 中
综 上 ， 目 前 无 人 化 农 机 装 备 研 发 主 要 聚 焦 于
的 物 料 补 给 以 人 工 和 简 易 机 械 为 主 ， 劳 动 强 度
自 动 驾 驶 、 精 准 作 业 等 单 机 智 能 控 制 技 术 ， 而 多
大 、 补 给 效 率 低 。 现 有 的 物 料 补 给 方 法 和 装 备 无
法 满 足 农 机 无 人 化 补 给 的 作 业 要 求 。 今 后 应 结 合
无 人 化 作 业 过 程 中 种 、 肥 、 药 、 油 等 物 料 的 补 给
需 求 ， 开 发 适 合 不 同 物 料 运 送 的 无 人 化 补 给 移 动
平 台 ， 集 成 研 制 模 块 化 无 人 化 物 料 补 给 装 备 ， 实
现 大 田 无 人 农 场 中 种 、 肥 、 药 、 油 等 物 料 无 人 化
自 动 补 给 。
图 9 无 人 化 收 获 装 备
作 物 收 获 是 无 人 化 作 业 的 最 终 环 节 ， 也 是 一
锤 定 音 的 环 节 。 自 走 式 收 获 机 械 安 装 自 动 驾 驶 系 Fig. 9 Unmanned harvester智 慧 农 业 （ 中 英 文 ） Smart Agriculture Vol. 4, No. 4
14
机 协 同 、 主 机 与 机 具 作 业 协 同 等 相 关 技 术 研 究 不 方 面 的 研 究 也 逐 步 深 入 ， 采 用 物 联 网 等 信 息 化 技
足 。 在 单 机 控 制 方 面 也 存 在 问 题 ， 如 无 人 化 农 机 术 构 建 了 多 个 业 务 化 运 行 的 监 管 服 务 系 统 ， 实 现
装 备 自 动 驾 驶 目 前 主 要 根 据 规 划 好 的 路 线 进 行 导 了 农 机 作 业 远 程 监 控 与 调 度 ， 提 高 了 农 机 作 业 质
［146 ］
航 跟 踪 ， 尚 无 法 实 现 基 于 实 时 传 感 信 息 进 行 导 航 量 和 农 机 装 备 的 智 能 化 水 平 。 如 北 京 市 农 林
科 学 院 智 能 装 备 技 术 研 究 中 心 建 立 了 农 机 作 业 远
和 避 障 控 制 。 未 来 ， 无 人 化 农 机 装 备 一 定 朝 着 更
高 智 能 化 程 度 的 自 主 无 人 方 向 发 展 ， 面 向 非 结 构 程 监 管 服 务 平 台 ， 实 现 了 农 机 作 业 位 置 、 工 况 、
化 农 田 环 境 信 息 感 知 、 自 主 路 径 规 划 与 导 航 避 图 像 等 实 时 监 测 ， 作 业 面 积 、 捆 数 、 质 量 等 参 数
障 、 多 机 自 主 协 同 等 核 心 技 术 将 成 为 亟 待 突 破 的 的 监 测 与 统 计 核 算 ， 施 肥 量 、 播 种 量 、 喷 洒 量 等
处 方 决 策 ， 以 及 农 机 作 业 地 块 的 重 漏 检 测 、 跨 区
关 键 技 术 难 题 。
检 测 等 服 务 ， 产 品 面 向 全 国 27 个 省 区 市 开 展 了
2.6 无 人 农 场 管 控 平 台
推 广 应 用 ， 服 务 耕 地 面 积 1.5 亿 亩 次 （1000 万 公
［147 ］
目 前 ， 国 外 知 名 农 机 装 备 企 业 均 研 发 了 农 机
顷 ） 。 中 国 农 业 机 械 化 科 学 研 究 院 建 立 了 农 业
远 程 监 管 平 台 ， 通 过 安 装 在 农 机 上 的 车 载 终 端 向
机 械 化 精 准 作 业 平 台 ， 该 平 台 可 实 时 获 取 农 机 作
监 管 平 台 实 时 传 输 农 机 作 业 位 置 、 工 作 状 态 、 工
业 工 况 、 位 置 、 时 间 等 信 息 ， 并 进 行 作 业 面 积 统
况 等 信 息 ， 对 农 机 作 业 进 行 全 方 位 的 监 控 、 管 理
计 分 析 ， 能 够 满 足 农 机 作 业 远 程 监 测 和 管 理 的 需
［148 ］
和 提 供 远 程 服 务 。 如 德 国 CLAAS 公 司 研 发 的
要 。 哈 尔 滨 工 业 大 学 构 建 的 农 机 智 能 管 理 系
TELEMATICS 系 统 能 够 访 问 机 器 性 能 参 数 、 电
统 可 进 行 农 机 深 松 、 播 种 、 收 获 及 秸 秆 还 田 等 不
［149 ］
子 数 据 、 作 业 数 据 ， 并 进 行 远 程 故 障 维 修 和 智 能
同 类 型 的 作 业 监 管 服 务 。 雷 沃 重 工 股 份 有 限
［141 ］
运 维 服 务 。CASE IH 公 司 的 AFS Connect 系
公 司 面 向 农 机 装 备 集 群 精 准 作 业 服 务 与 远 程 运 维
统 具 有 远 程 监 控 农 机 车 队 的 状 态 和 位 置 、 管 理 作
需 求 ， 发 布 了 智 慧 农 业 解 决 方 案 iFarming ， 构 建
业 数 据 、 故 障 信 息 分 享 、 故 障 远 程 诊 断 与 警 报 处
了 农 机 装 备 智 能 云 服 务 平 台 ， 实 现 了 耕 整 、 播
理 等 功 能 ， 可 为 农 场 主 的 农 业 生 产 提 供 主 动 服
种 、 种 植 、 植 保 、 收 获 、 粮 食 烘 干 存 储 等 农 业 生
［142 ］
务 。John Deere 公 司 开 发 的 远 程 信 息 处 理 的
产 全 程 精 细 化 运 营 管 理 ， 该 系 统 服 务 了 20 多 万
［150 ］
协 作 系 统 JDLink 具 有 农 机 监 控 、 故 障 诊 断 、 电
台 农 机 。
子 围 栏 和 共 享 地 图 和 AB 线 等 功 能 ， 基 于 该 系 统
综 上 ， 国 外 主 流 农 机 企 业 面 向 农 场 生 产 运
构 建 了 覆 盖 其 农 机 产 品 较 为 完 备 的 运 维 管 理 与 服 营 、 农 事 服 务 及 农 机 作 业 与 运 维 管 理 等 需 求 ， 广
［143 ］
务 体 系 。AGCO 公 司 研 发 的 FUSE 智 慧 农 业
泛 利 用 大 数 据 、 云 计 算 和 移 动 互 联 等 新 一 代 信 息
系 统 实 现 了 农 场 农 机 播 种 量 、 施 肥 量 决 策 和 农 机
技 术 ， 打 造 基 于 智 能 服 务 和 数 字 化 应 用 的 农 业 智
燃 料 消 耗 量 统 计 分 析 等 功 能 ， 利 用 该 系 统 能 够 进
能 决 策 与 管 控 平 台 ， 向 用 户 提 供 农 机 装 备 全 生 命
行 作 业 路 线 规 划 ， 以 减 少 转 弯 次 数 、 压 实 和 消 耗 周 期 的 管 理 、 监 测 和 运 维 服 务 以 及 农 场 生 产 智 慧
［144 ］
时 间 ， 提 高 了 农 机 作 业 效 率 。 欧 洲 农 场 管 理 管 理 服 务 ， 提 高 农 场 的 生 产 效 率 和 经 济 效 益 。 经
平 台 365FarmNet 具 有 农 场 管 理 、 土 壤 养 分 信 息
过 多 年 发 展 ， 国 内 目 前 在 农 机 作 业 监 管 方 面 建 成
采 集 、 处 方 图 制 作 、 作 物 轮 作 及 品 种 规 划 等 功
了 多 个 适 应 国 内 农 业 生 产 模 式 的 服 务 系 统 ， 并 实
能 ， 通 过 定 制 实 现 个 性 化 、 便 捷 智 能 的 农 业 现 了 业 务 化 运 行 ， 为 农 机 高 效 作 业 监 管 提 供 了 有
［145 ］
服 务 。 力 支 撑 。 但 是 ， 农 机 作 业 监 管 技 术 目 前 主 要 用 于
随 着 “ 互 联 网+ ” 信 息 化 农 业 的 快 速 发 展 ， 农 机 作 业 监 管 ， 在 农 场 农 事 智 能 管 理 、 精 准 作 业
国 内 在 农 机 监 控 调 度 平 台 （Agricultural Machin‐
决 策 、 农 机 机 群 任 务 分 配 与 调 度 、 远 程 交 互 等 方
ery Monitoring & Mcheduling Platform ，AMMSP ） 面 缺 乏 高 效 分 析 与 决 策 模 型 ， 服 务 技 术 也 不 成Vol. 4, No. 4 尹 彦 鑫 等 ： 大 田 无 人 农 场 关 键 技 术 研 究 现 状 与 展 望
15
熟 ， 尚 不 能 支 撑 农 机 全 程 无 人 化 生 产 作 业 。 这 是 和 农 机 装 备 精 准 作 业 提 供 基 础 数 据 。 虫 情 、 土
当 前 中 国 无 人 农 场 管 控 平 台 面 临 的 主 要 技 术 难 壤 、 气 象 观 测 站 如 图 11 所 示 ， 采 集 到 的 玉 米 长
势 、 虫 情 分 布 如 图 12 所 示 。
点 ， 也 是 未 来 需 要 攻 克 的 关 键 技 术 。
3 无 人 农 场 技 术 建 设 案 例 分 析
以 北 京 市 农 林 科 学 院 智 能 装 备 技 术 研 究 中 心
在 吉 林 省 公 主 岭 市 参 与 建 设 的 玉 米 无 人 农 场 为
例 ， 阐 述 玉 米 无 人 农 场 的 组 成 与 应 用 。 公 主 岭 无
人 农 场 位 于 吉 林 省 公 主 岭 市 102 国 道 南 侧 吉 林 省
农 业 科 技 示 范 园 内 ， 无 人 农 场 建 设 面 积 67 公 顷
图 11 虫 情 、 土 壤 、 气 象 监 测 站
（1000 亩 ） ， 其 中 核 心 区 （ 旱 田 ） 23 公 顷
Fig. 11 Insect situation ， soil and meteorological
（350 亩 ） 。
monitoring station
3.1 无 人 农 场 建 设 内 容
玉 米 无 人 农 场 由 信 息 感 知 系 统 、 智 能 农 机 装
备 、 管 控 云 平 台 三 部 分 组 成 。
3.1.1 信 息 感 知 系 统
包 含 无 人 机 遥 感 设 备 、 田 间 综 合 监 测 站 、 物
（a ） 玉 米 长 势 图
（b ） 虫 情 分 布 图
联 网 测 控 系 统 的 天 空 地 一 体 化 观 测 和 数 据 感 知 系
图 12 公 主 岭 无 人 农 场 玉 米 长 势 、 虫 情 情 况 分 析 图
统 ， 能 够 自 动 监 测 农 场 环 境 及 作 物 生 长 信 息 ， 并
Fig. 12 Analysis map of corn growth and insect situation in
传 输 至 智 慧 农 机 管 理 系 统 。
Gongzhuling unmanned farm
部 署 了 无 人 机 遥 感 设 备 用 于 开 展 农 田 地 块 信
3.1.2 智 能 农 机 装 备
息 、 作 物 信 息 采 集 监 测 ， 为 农 场 生 产 管 理 和 农 机
面 向 无 人 农 场 高 效 、 精 准 作 业 需 求 ， 将 现 有
装 备 无 人 作 业 提 供 基 础 地 块 边 界 、 作 物 长 势 等 信
的 拖 拉 机 及 其 配 套 机 具 、 植 保 机 、 收 割 机 、 运 粮
息 数 据 。 采 集 到 的 农 田 地 块 信 息 如 图 10 所 示 。
车 等 进 行 无 人 化 改 造 ， 加 装 无 人 驾 驶 系 统 、 精 准
作 业 控 制 装 置 、 远 程 监 测 终 端 等 ， 通 过 与 无 人 农
场 云 平 台 进 行 数 据 共 享 和 指 令 交 互 ， 实 现 玉 米 的
耕 、 种 、 管 、 收 无 人 化 作 业 。
如 图 13 所 示 ， 无 人 拖 拉 机 可 搭 载 深 松 机 、
秸 秆 还 田 机 等 农 机 具 进 行 无 人 耕 整 作 业 ， 可 实 现
自 主 规 划 路 径 、 运 行 状 态 实 时 监 测 、 作 业 效 果 实
图 10 公 主 岭 玉 米 无 人 农 场 地 块 信 息 采 集
时 拍 摄 上 传 、 作 业 机 具 自 动 升 降 。
Fig. 10 Information collection of farm plots in Gongzhuling
无 人 拖 拉 机 挂 接 电 驱 播 种 机 ， 并 集 成 高 精 度
unmanned farm
卫 星 定 位 系 统 、 导 航 控 制 系 统 、 精 量 播 种 控 制 系
此 外 ， 无 人 农 场 部 署 了 田 间 综 合 监 测 站 点 和
统 、 作 业 路 径 规 划 系 统 和 网 络 通 信 系 统 ， 实 现 主
物 联 网 监 控 系 统 ， 用 于 实 时 采 集 土 壤 肥 力 、 土 壤
从 机 协 作 ， 完 成 无 人 播 种 作 业 。 玉 米 无 人 播 种 作
温 湿 度 、 大 气 温 湿 度 、 日 照 辐 射 等 玉 米 生 长 环 境
业 场 景 如 图 14 所 示 。
信 息 和 叶 龄 等 生 长 状 态 的 信 息 ， 为 农 场 生 产 管 理 在 植 保 环 节 ， 利 用 无 人 机 搭 载 多 光 谱 相 机 采智 慧 农 业 （ 中 英 文 ） Smart Agriculture Vol. 4, No. 4
16
导 航 系 统 、 障 碍 物 检 测 系 统 和 收 获 作 业 智 能 控 制
系 统 ， 实 现 了 玉 米 无 人 收 获 作 业 状 态 、 工 况 自 动
监 测 、 无 人 驾 驶 、 自 动 避 障 、 作 业 自 动 控 制 等 功
能 ， 收 获 效 率 提 高 3 ~4 倍 ， 为 农 场 玉 米 的 无 人 化
收 获 提 供 了 有 力 支 撑 。
3.1.3 无 人 农 场 云 平 台
图 13 秸 秆 还 田 无 人 作 业
无 人 农 场 云 平 台 主 要 包 括 无 人 农 场 基 础 地 理
Fig. 13 Unmanned operation of straw returning to the field
信 息 管 理 系 统 、 无 人 农 机 远 程 管 控 系 统 、 智 能 农
机 精 准 作 业 管 理 系 统 和 无 人 农 机 系 统 四 部 分 。 其
中 ， 农 场 基 础 地 理 信 息 管 理 系 统 通 过 农 场 田 块 尺
度 的 厘 米 级 数 字 地 图 测 绘 和 处 理 ， 为 无 人 农 机 精
准 作 业 提 供 基 础 地 理 信 息 支 撑 ； 无 人 农 机 远 程 管
控 系 统 主 要 面 向 智 能 农 机 装 备 的 作 业 管 控 ， 提 供
图 14 玉 米 播 种 无 人 作 业
农 场 耕 种 管 收 作 业 监 管 、 工 况 监 控 、 前 后 台 交 互
Fig. 14 Unmanned maize sowing operations
和 作 业 管 理 等 服 务 ； 智 慧 农 机 精 准 作 业 管 理 系 统
集 农 田 作 物 信 息 ， 采 用 机 器 视 觉 算 法 对 田 间 作 物
及 数 据 库 主 要 面 向 智 能 农 机 装 备 基 准 作 业 ， 提 供
长 势 和 养 分 等 信 息 进 行 分 析 ， 生 成 叶 片 氮 素 含 量
基 础 农 作 数 据 维 护 管 理 、 变 量 处 方 管 理 、 农 机 作
分 布 图 （ 图 15 ） ， 并 决 策 出 施 肥 量 ； 搭 载 可 见 光
业 参 数 共 享 、 农 机 作 业 质 量 监 管 等 服 务 ； 无 人 农
相 机 采 集 农 田 环 境 图 像 ， 分 析 并 获 得 玉 米 病 虫 害
机 作 业 展 示 系 统 为 农 场 日 常 系 统 运 维 、 运 营 服 务
信 息 ， 制 定 施 药 处 方 图 ； 通 过 云 平 台 管 控 系 统 将
和 展 示 提 供 基 础 平 台 。 图 16 为 公 主 岭 市 无 人 农
施 肥 、 施 药 处 方 图 下 发 至 地 面 作 业 机 器 端 ， 由 无
场 云 平 台 。
人 植 保 机 实 现 精 准 变 量 喷 施 。
图 16 公 主 岭 市 玉 米 无 人 农 场 云 平 台
Fig. 16 The management and controlling system for maize
图 15 玉 米 叶 片 氮 素 含 量 分 析
in Gongzhuling unmanned farm
Fig. 15 Nitrogen content analysis of maize leaves
3.2 社 会 经 济 效 益 分 析
采 用 无 人 驾 驶 高 地 隙 喷 杆 喷 雾 机 实 现 精 量 变
量 喷 洒 作 业 ， 实 现 了 作 业 路 径 自 主 规 划 、 高 精 度
在 全 球 农 业 劳 动 力 持 续 减 少 、 人 工 成 本 不 断
路 径 跟 踪 、 地 头 自 动 转 向 、 行 进 速 度 自 动 调 控 、
增 加 、 农 业 生 产 投 入 不 断 加 大 的 现 状 下 ， 无 人 农
喷 杆 升 降 折 叠 融 合 控 制 、 紧 急 避 障 、 远 程 遥 控 等
场 为 现 在 农 业 发 展 提 供 了 有 效 技 术 支 撑 。 吉 林 省
功 能 ， 减 少 了 药 害 产 生 ， 降 低 了 用 人 成 本 ， 提 升
公 主 岭 市 围 绕 发 展 现 代 农 业 的 战 略 需 求 ， 构 建 了
了 高 地 隙 植 保 机 利 用 率 ， 为 玉 米 无 人 农 场 植 保 作
玉 米 全 程 无 人 化 生 产 农 场 ， 实 现 了 玉 米 耕 、 种 、
业 提 供 关 键 技 术 装 备 。 管 、 收 全 程 无 人 化 作 业 ， 极 大 提 高 了 玉 米 生 产 效
无 人 收 获 机 集 成 了 作 业 信 息 检 测 系 统 、 自 动 率 ， 减 少 了 人 工 投 入 。 以 玉 米 收 获 环 节 为 例 ， 无Vol. 4, No. 4 尹 彦 鑫 等 ： 大 田 无 人 农 场 关 键 技 术 研 究 现 状 与 展 望
17
人 驾 驶 收 获 机 可 以 24 小 时 不 间 断 工 作 ， 玉 米 收 模 型 少 ， 模 型 缺 乏 普 适 性 。 总 体 上 ， 中 国 在 精 量
获 速 度 提 升 了 3 ~4 倍 ，67 公 顷 玉 米 3 至 5 天 即 可 播 种 与 变 量 施 肥 控 制 、 精 准 喷 洒 控 制 、 高 效 高 质
完 成 收 获 ， 节 省 人 工 50 ~60 人 。 在 其 他 环 节 ， 无 收 获 作 业 控 制 等 领 域 尚 处 于 研 究 发 展 阶 段 ， 与 国
外 存 在 一 定 差 距 ， 这 也 是 中 国 未 来 无 人 农 场 技 术
人 化 播 种 机 在 节 省 人 力 的 同 时 ， 还 可 以 实 现 精 量
领 域 需 要 着 力 发 展 的 方 向 。
播 种 和 区 段 播 种 控 制 ， 有 效 避 免 了 地 头 重 复 作
（2 ） 无 人 农 场 作 为 新 型 生 产 方 式 ， 目 前 在 技
业 ， 提 高 了 作 业 质 量 ， 减 少 了 种 子 投 入 。 综 上 ，
术 上 尚 不 完 全 成 熟 ， 普 遍 还 存 在 农 田 非 结 构 环 境
公 主 岭 市 玉 米 无 人 农 场 的 构 建 与 应 用 是 现 代 科 学
多 模 态 信 息 融 合 感 知 模 型 缺 乏 、 无 人 化 农 机 装 备
技 术 与 农 业 深 度 融 合 的 典 型 案 例 ， 作 为 农 业 领 域
自 主 性 差 等 问 题 。 未 来 无 人 农 场 技 术 研 究 将 主 要
先 进 生 产 力 的 代 表 ， 无 人 农 场 技 术 促 进 了 农 机 装
聚 焦 于 农 田 非 结 构 化 环 境 感 知 、 复 杂 多 变 农 田 环
备 的 转 型 升 级 ， 推 动 了 现 代 农 业 生 产 方 式 的 转
境 下 农 机 无 人 驾 驶 、 无 人 农 机 作 业 任 务 分 配 与 路
变 ， 具 有 重 大 的 社 会 与 经 济 效 益 。
径 自 主 规 划 、 无 人 化 农 机 机 群 自 主 协 同 作 业 控 制
4 无 人 农 场 发 展 展 望
等 核 心 技 术 领 域 ， 这 些 技 术 既 是 难 点 ， 也 是 未 来
最 具 竞 争 力 的 技 术 制 高 点 。 中 国 与 国 外 在 该 领 域
全 球 农 业 生 产 均 存 在 农 业 从 业 人 员 持 续 减
基 本 处 于 同 一 起 跑 线 ， 是 未 来 最 有 可 能 超 越 国 外
少 、 人 工 成 本 高 、 传 统 机 械 作 业 质 量 差 等 问 题 ，
同 类 技 术 产 品 的 领 域 。
未 来 谁 来 种 田 、 怎 样 种 田 甚 至 无 人 种 田 问 题 是 全
（3 ） 中 国 无 人 农 场 的 发 展 需 要 瞄 准 农 业 现 代
球 农 业 面 临 的 重 要 挑 战 。 随 着 现 代 信 息 技 术 与 农
化 与 乡 村 振 兴 战 略 的 重 大 需 求 ， 突 破 一 批 无 人 农
业 生 产 的 深 度 融 合 ， 无 人 农 场 在 农 业 生 产 中 发 挥
场 卡 脖 子 与 短 板 技 术 ， 创 制 适 用 于 中 国 农 业 生 产
的 作 用 和 带 来 的 效 益 越 发 明 显 ， 以 自 动 导 航 为 代
的 无 人 化 农 机 装 备 ， 实 现 机 器 代 替 人 力 、 电 脑 代
表 的 无 人 农 场 关 键 技 术 已 经 或 正 在 改 变 现 代 农 业
替 人 脑 、 自 主 取 代 进 口 的 转 变 ， 并 通 过 技 术 产 品
生 产 方 式 。
的 广 泛 推 广 应 用 ， 加 速 改 善 中 国 农 业 生 产 面 临 的
以 农 机 自 动 导 航 为 标 志 ， 中 国 无 人 农 场 关 键
困 局 ， 提 高 中 国 农 业 生 产 效 率 与 效 益 ， 引 领 现 代
技 术 已 开 展 了 近 20 年 的 研 究 。 期 间 ， 中 国 农 机
农 业 的 发 展 ， 早 日 成 为 世 界 农 业 强 国 。
自 动 驾 驶 系 统 的 发 展 经 历 了 学 习 、 发 展 、 追 赶 和
超 越 国 外 技 术 的 艰 辛 历 程 ， 形 成 了 具 有 自 主 知 识
参 参 考 考 文 文 献 献 ：
产 权 的 农 机 导 航 系 列 产 品 ， 打 破 了 国 外 产 品 长 期
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1,3 1,3 2 1,3 1,3
YIN Yanxin , MENG Zhijun , ZHAO Chunjiang , WANG Hao , WEN Changkai ,
1,3 1,4 1,4 1,3 1,2
CHEN Jingping , LI Liwei , DU Jingwei , WANG Pei , AN Xiaofei ,
1,4 1,3 1,3 1,3
SHANG Yehua , ZHANG Anqi , YAN Bingxin , WU Guangwei
（1. Research Center of Intelligent Equipment, Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences, Beijing
100097, China; 2. National Engineering Research Center for Information Technology in Agriculture, Beijing
100097, China; 3. State Key Laboratory of Intelligent Agricultural Power Equipment, Beijing 100097, China;
4. AgChip Science and Technology (Beijing) Co. , Ltd. , Beijing 100097, China ）
Abstract: As one of the important way for constructing smart agriculture, unmanned farms are the most attractive in nowadays,
and have been explored in many countries. Generally, data, knowledge and intelligent equipment are the core elements of un‐
manned farms. It deeply integrates modern information technologies such as the Internet of Things, big data, cloud computing,
edge computing, and artificial intelligence with agriculture to realize agricultural production information perception, quantita‐
tive decision-making, intelligent control, precise input and personalized services. In the paper, the overall technical architecture
of unmanned farms is introduced, and five kinds of key technologies of unmanned farms are proposed, which include informa‐
tion perception and intelligent decision-making technology, precision control technology and key equipment for agriculture, au‐
tomatic driving technology in agriculture, unmanned operation agricultural equipment, management and remote controlling sys‐
tem for unmanned farms. Furthermore, the latest research progress of the above technologies both worldwide are analyzed.
Based on which, critical scientific and technological issues to be solved for developing unmanned farms in China are proposed,
include unstructured environment perception of farmland, automatic drive for agriculture machinery in complex and changeable
farmland environment, autonomous task assignment and path planning of unmanned agricultural machinery, autonomous coop‐
erative operation control of unmanned agricultural machinery group. Those technologies are challenging and absolutely, and
would be the most competitive commanding height in the future. The maize unmanned farm constructed in the city of Gongzhul‐
ing, Jilin province, China, was also introduced in detail. The unmanned farms is mainly composed of information perception
system, unmanned agricultural equipment, management and controlling system. The perception system obtains and provides the
farmland information, maize growth, pest and disease information of the farm. The unmanned agricultural machineries could
complete the whole process of the maize mechanization under unattended conditions. The management and controlling system
includes the basic GIS, remote controlling subsystem, precision operation management subsystem and working display system
for unmanned agricultural machineries. The application of the maize unmanned farm has improved maize production efficiency
(the harvesting efficiency has been increased by 3 －4 times) and reduced labors. Finally, the paper summarizes the important
role of the unmanned farm technology were summarized in solving the problems such as reduction of labors, analyzes the oppor‐
tunities and challenges of developing unmanned farms in China, and put forward the strategic goals and ideas of developing un‐
manned farm in China.
Key words: unmanned farm; automatic driving; intelligent perception; intelligent decision-making; intelligent equipment; man‐
agement and control platform
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