嘉定區(qū)水稻生產(chǎn)機(jī)械化全程無(wú)人駕駛技術(shù)初探

龔智峰

（上海市嘉定區(qū)農(nóng)機(jī)技術(shù)推廣站，上海市 201800）

0 引言

隨著我國(guó)社會(huì)的老齡化、城鎮(zhèn)化的推進(jìn)以及青壯年勞動(dòng)力就業(yè)觀念的變化，農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力日益短缺，“誰(shuí)來(lái)種地、如何種地”已成為嚴(yán)峻的問(wèn)題。改變農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)勞動(dòng)力的依賴(lài)性，農(nóng)業(yè)機(jī)械融合電子信息、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化、智能化、機(jī)器人化是解決上述問(wèn)題的根本途徑?！爸悄茉诙恕⒐芸卦谄?、智慧在云”，即現(xiàn)場(chǎng)控制智能化、云端決策智慧化、監(jiān)控調(diào)度移動(dòng)終端化是未來(lái)智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向。

根據(jù)《上海市推進(jìn)農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展行動(dòng)方案（2021—2025）》，嘉定作為數(shù)字化無(wú)人農(nóng)場(chǎng)先行片區(qū)，推進(jìn)無(wú)人農(nóng)場(chǎng)建設(shè)，嘉定區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村委在外岡鎮(zhèn)周涇水稻基地建立了一個(gè)20 hm2的試驗(yàn)點(diǎn)，對(duì)水稻生產(chǎn)全程“耕、種、管、收”各環(huán)節(jié)進(jìn)行無(wú)人化作業(yè)的研究與試驗(yàn)，推進(jìn)水稻無(wú)人化農(nóng)場(chǎng)的發(fā)展，為未來(lái)智慧農(nóng)業(yè)的創(chuàng)建提供技術(shù)支撐。

1 機(jī)具改裝

依據(jù)本市無(wú)人農(nóng)場(chǎng)建設(shè)的整體規(guī)劃，依托無(wú)人農(nóng)場(chǎng)項(xiàng)目支撐，聚焦嘉定外岡鎮(zhèn)重點(diǎn)區(qū)域，圍繞水稻耕整地、種植、植保、施肥及收獲5個(gè)方面，積極探索水稻智能機(jī)械化生產(chǎn)機(jī)具的研發(fā)，開(kāi)展全程作業(yè)環(huán)節(jié)無(wú)人駕駛試驗(yàn)示范。從2021年“三夏”開(kāi)始，對(duì)拖拉機(jī)、插秧機(jī)、穴播機(jī)、自走式噴桿噴霧機(jī)、聯(lián)合收割機(jī)進(jìn)行了北斗導(dǎo)航無(wú)人駕駛系統(tǒng)的改裝，改裝后的機(jī)具要符合無(wú)人駕駛技術(shù)要求（表1）。

表1 無(wú)人駕駛機(jī)具要求

2 試驗(yàn)情況

以減少勞動(dòng)力，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高農(nóng)機(jī)自動(dòng)水平為目的，開(kāi)展水稻全程作業(yè)無(wú)人駕駛生產(chǎn)技術(shù)的研究與試驗(yàn)。2021年，以嘉定區(qū)外岡鎮(zhèn)周涇水稻基地為主要試驗(yàn)基地，進(jìn)行了水稻生產(chǎn)各環(huán)節(jié)的無(wú)人駕駛生產(chǎn)試驗(yàn)。周涇基地的田塊為改造過(guò)的高標(biāo)準(zhǔn)良田，田塊寬度42 m左右，長(zhǎng)度400 m～500 m，田塊方正，有利于無(wú)人駕駛的試驗(yàn)。

2.1 無(wú)人駕駛機(jī)械化深翻試驗(yàn)

在外岡鎮(zhèn)周涇基地開(kāi)展無(wú)人駕駛機(jī)械化深翻試驗(yàn)，測(cè)試無(wú)人駕駛模式下耕整地機(jī)械在實(shí)際生產(chǎn)中的作業(yè)性能。田塊面積約為1.34 hm2，實(shí)際作業(yè)面積約為1.16 hm2，深翻平均深度20.1 cm。

在實(shí)際作業(yè)中，無(wú)人駕駛拖拉機(jī)深翻作業(yè)的有效作業(yè)效率為1.04 hm2/h，無(wú)人駕駛模式下，四周需要留下空白，確保無(wú)人駕駛安全運(yùn)行，需要后期人工駕駛進(jìn)行補(bǔ)充作業(yè)，因此，無(wú)人化率為87%。作業(yè)效率良好，滿足作業(yè)要求（表2）。

表2 無(wú)人駕駛深翻作業(yè)效率記錄

2.2 無(wú)人駕駛機(jī)械化旋耕試驗(yàn)

在外岡鎮(zhèn)周涇基地開(kāi)展無(wú)人駕駛機(jī)械化旋耕試驗(yàn)，測(cè)試無(wú)人駕駛模式下耕整地機(jī)械在實(shí)際生產(chǎn)中的作業(yè)性能?？紤]到田埂直線度達(dá)不到無(wú)人駕駛的直線度要求，田塊無(wú)法做到無(wú)人化作業(yè)全覆蓋，四周需要留下少量空白，田塊面積1.48 hm2，實(shí)際作業(yè)面積1.28 hm2，旋耕平均深度13.4 cm。

實(shí)際作業(yè)中，無(wú)人駕駛拖拉機(jī)旋耕作業(yè)的有效作業(yè)效率為7 706.67 m2/h，無(wú)人駕駛模式下，四周需要留下空白，確保無(wú)人駕駛安全運(yùn)行，需要后期人工駕駛進(jìn)行補(bǔ)充作業(yè)，因此，無(wú)人化率為86%。作業(yè)效率良好，滿足作業(yè)要求（表3）。

表3 無(wú)人駕駛旋耕作業(yè)效率記錄

2.3 無(wú)人駕駛插秧機(jī)作業(yè)試驗(yàn)

在外岡周涇基地開(kāi)展水稻插秧機(jī)自動(dòng)駕駛技術(shù)的試驗(yàn)研究，試驗(yàn)田塊為外岡的高水平良田，田塊長(zhǎng)170 m×寬42 m，總面積6 666.67 m2，分別從水稻插秧機(jī)自動(dòng)駕駛技術(shù)的穩(wěn)定性、可操作性、精準(zhǔn)性三方面展開(kāi)。

在實(shí)際作業(yè)中，外岡無(wú)人駕駛插秧機(jī)插秧作業(yè)的有效作業(yè)效率為4 600 m2/h，無(wú)人駕駛模式下，考慮到田埂直線度達(dá)不到無(wú)人駕駛的直線度要求，四周需要留下30 cm空白，確保無(wú)人駕駛安全運(yùn)行，需要后期人工駕駛進(jìn)行補(bǔ)充作業(yè)，加上自動(dòng)封邊功能后，無(wú)人化覆蓋率為95%以上。插秧機(jī)自動(dòng)駕駛秧苗栽插直線精度明顯好傳統(tǒng)人工駕駛；總體調(diào)頭交接行對(duì)行精準(zhǔn)度也明顯優(yōu)于傳統(tǒng)人工駕駛；栽插質(zhì)量（漏插、漂秧、傷秧等）二者無(wú)明顯差異，基本一致，均和水田平整度、水漿管理等有關(guān)（表4）。

表4 無(wú)人駕駛插秧機(jī)作業(yè)效率記錄

2.4 無(wú)人駕駛噴桿噴霧機(jī)作業(yè)試驗(yàn)

在外岡鎮(zhèn)周涇基地開(kāi)展無(wú)人駕駛噴桿噴霧機(jī)的作業(yè)試驗(yàn)，測(cè)試無(wú)人駕駛模式下植保機(jī)械在實(shí)際生產(chǎn)中的作業(yè)性能。田塊面積9 368.67 m2，寬度42 m×長(zhǎng)度2 22 m。

考慮安全因素，無(wú)人駕駛噴桿噴霧機(jī)作業(yè)時(shí)速度調(diào)至較小值，約為人工駕駛的速度的1/2，作業(yè)效率仍達(dá)到2.15 hm2/h（表5）。

表5 無(wú)人駕駛噴桿噴霧機(jī)作業(yè)效率記錄

同時(shí)對(duì)機(jī)具噴霧的霧化效果也進(jìn)行了測(cè)試，采用水敏紙作為采樣片承接霧滴。間隔每2 m左右在水稻葉片上放置一張水敏紙，采集樣品要等霧滴完全干后再采集。將收回的紙卡，做好標(biāo)記，掃描進(jìn)計(jì)算機(jī)后用軟件進(jìn)行分析，測(cè)霧滴粒徑的值，驗(yàn)證是否達(dá)到最佳效果范圍內(nèi)。

經(jīng)測(cè)試表明，無(wú)人駕駛噴桿噴霧機(jī)的霧化效果良好，植保霧滴粒徑在30 μm～150 μm最佳粒徑范圍內(nèi)（表6）。

表6 霧滴粒徑測(cè)試結(jié)果

2.5 無(wú)人駕駛收割機(jī)作業(yè)試驗(yàn)

在外岡鎮(zhèn)周涇基地開(kāi)展水稻無(wú)人駕駛機(jī)械化收割作業(yè)，測(cè)試無(wú)人駕駛模式下收獲機(jī)械在實(shí)際生產(chǎn)中的作業(yè)性能?？紤]到田埂直線度達(dá)不到無(wú)人駕駛的直線度要求，無(wú)人駕駛前先需人工駕駛對(duì)田塊外圍進(jìn)行收割，然后再進(jìn)行無(wú)人收割作業(yè)。

本次收割測(cè)試田塊總面積1.12 hm2，其中外圍人工駕駛收割面積為2 746.67 m2，因此在本次收割作業(yè)中，無(wú)人化率為75.46%。人工駕駛總耗時(shí)49 min，作業(yè)效率3 366.67 m2/h；無(wú)人駕駛3 h 47 min，無(wú)人駕駛的收割效率為0.223 hm2/h。

3 結(jié)論

1）通過(guò)引進(jìn)無(wú)人化駕駛技術(shù)，對(duì)現(xiàn)有的各類(lèi)農(nóng)機(jī)進(jìn)行無(wú)人化改造，既減少了對(duì)人工的強(qiáng)依賴(lài)度，又顯著提高了作業(yè)精度，推動(dòng)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式變革，成為嘉定區(qū)破解都市農(nóng)業(yè)發(fā)展瓶頸的重要途徑之一，真正將種糧農(nóng)民從“面朝黃土背朝天”的辛苦勞作中解放出來(lái)。

2）無(wú)人駕駛機(jī)具的作業(yè)效果良好，作業(yè)直線度更是明顯優(yōu)于人工駕駛，能提高土地利用率，避免重耕漏耕和重播漏播，提高插秧、植保等環(huán)節(jié)的作業(yè)質(zhì)量。

3）無(wú)人駕駛機(jī)具的作業(yè)效率優(yōu)勢(shì)還不夠明顯。目前大多數(shù)自動(dòng)駕駛導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用還處于試驗(yàn)階段，自動(dòng)駕駛導(dǎo)航系統(tǒng)的性能如自動(dòng)規(guī)劃路線、系統(tǒng)與原機(jī)具的匹配度、操作人員熟練程度等還未到最佳最優(yōu)狀態(tài)，實(shí)際作業(yè)效率仍略低于傳統(tǒng)人工駕駛模式。

4）由于智能駕駛系統(tǒng)是后裝系統(tǒng)、在電路、油路方面進(jìn)行了一定的改裝。在切換回手動(dòng)駕駛模式后，機(jī)手操作過(guò)程發(fā)現(xiàn)會(huì)有脫檔、掛擋困難、油門(mén)變小的各類(lèi)小問(wèn)題，需要進(jìn)一步優(yōu)化改裝方案，減少對(duì)原機(jī)模塊的干擾。同時(shí)，智能駕駛系統(tǒng)還需進(jìn)一步優(yōu)化，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、精確性。