農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)在果園管理中的應(yīng)用分析

馮 瑩

（江蘇省江都中等專業(yè)學(xué)校，江蘇 揚(yáng)州 225200）

隨著人工成本的不斷提高，傳統(tǒng)的人工果園管理方式逐漸顯露出更多問(wèn)題。為了降低成本和提高管理效率，農(nóng)業(yè)部門開始逐步采用農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)智能化和信息化的果園管理。農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化是應(yīng)用各種自動(dòng)控制及檢測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)械設(shè)備的智能化和無(wú)人化操作[1]。這些技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)果樹修剪、果實(shí)采摘、病蟲害防治等果園作業(yè)的自動(dòng)化，大大降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作效率和質(zhì)量。

1 農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)的工作原理

農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)主要涉及機(jī)器視覺(jué)、傳感技術(shù)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)技術(shù)和農(nóng)業(yè)專用機(jī)器人等方面。機(jī)器視覺(jué)技術(shù)通過(guò)攝像頭、圖像傳感器等設(shè)備獲取作物和環(huán)境的視覺(jué)信息，然后經(jīng)過(guò)圖像處理和分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的識(shí)別和定位。常用的算法有卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、語(yǔ)義分割等深度學(xué)習(xí)算法[2]。例如，可以訓(xùn)練出識(shí)別果實(shí)熟透程度的視覺(jué)模型，根據(jù)果實(shí)顏色區(qū)分成熟和未熟水果。通過(guò)此類視覺(jué)感知技術(shù)，機(jī)器人可以準(zhǔn)確抓取成熟的水果進(jìn)行自動(dòng)采摘。傳感技術(shù)則主要通過(guò)聲音、溫度、濕度等不同類型的傳感器獲取環(huán)境參數(shù)信息。如在溫室大棚中布置溫濕度傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)大棚內(nèi)溫度、濕度和光照變化情況，以便及時(shí)調(diào)節(jié)通風(fēng)系統(tǒng)和灌溉系統(tǒng)，確保作物生長(zhǎng)環(huán)境處于最佳狀態(tài)。另外，通過(guò)聲音傳感器監(jiān)測(cè)機(jī)械設(shè)備的異音，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的故障預(yù)測(cè)和診斷。執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要包括機(jī)械手、傳動(dòng)系統(tǒng)等，可實(shí)現(xiàn)對(duì)作物和環(huán)境的操作。如修剪機(jī)械手根據(jù)視覺(jué)分析結(jié)果，可以精確識(shí)別需要修剪的樹枝位置，并通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)修剪刀進(jìn)行剪除[3]。液壓系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)等也廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械的動(dòng)力執(zhí)行系統(tǒng)。農(nóng)業(yè)專用機(jī)器人是整合上述多種技術(shù)的智能系統(tǒng)，可根據(jù)環(huán)境感知結(jié)果，進(jìn)行自主規(guī)劃和導(dǎo)航，實(shí)現(xiàn)各種農(nóng)業(yè)作業(yè)的自動(dòng)化?，F(xiàn)已研發(fā)出適用于果園管理的多種專用機(jī)器人，如樹上運(yùn)動(dòng)的果園修剪機(jī)器人、地面自主巡航噴霧機(jī)器人等。

2 傳統(tǒng)果園管理方式存在的問(wèn)題

我國(guó)果園管理長(zhǎng)期以來(lái)主要依靠大量人工進(jìn)行操作，這種傳統(tǒng)的管理方式存在很多問(wèn)題，如表1所示。

表1 傳統(tǒng)果園管理方式存在的問(wèn)題

綜上所述，依靠大量人工進(jìn)行果園管理，效率低下、成本高、質(zhì)量參差等問(wèn)題突出。這亟需引入自動(dòng)化技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)智能化、信息化的現(xiàn)代化果園管理。

3 農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)在果園管理中的應(yīng)用

3.1 果樹修剪自動(dòng)化

果樹修剪的自動(dòng)化主要可以通過(guò)兩類機(jī)器人實(shí)現(xiàn)，一是地面移動(dòng)式修剪機(jī)器人，二是可以在樹上活動(dòng)的枝條式修剪機(jī)器人。地面式修剪機(jī)器人需要集成視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)、修剪執(zhí)行機(jī)構(gòu)和自主導(dǎo)航系統(tǒng)[4]。視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)通過(guò)深度學(xué)習(xí)算法分析樹木三維結(jié)構(gòu)，識(shí)別需要修剪的老枝，并規(guī)劃修剪路徑。執(zhí)行機(jī)構(gòu)則為類似人手的機(jī)械手，使用剪枝鉗進(jìn)行精確修剪。導(dǎo)航系統(tǒng)讓機(jī)器人可以在果園間自動(dòng)行走和避障。相比人工修剪，這樣的地面式機(jī)器人可以大幅提高修剪效率[5]。某研究測(cè)試表明，該機(jī)器人系統(tǒng)的自動(dòng)修剪速度可達(dá)每小時(shí)0.33 hm2，是有經(jīng)驗(yàn)工人修剪速度的2 倍。枝條式修剪機(jī)器人由多模塊組成，并安裝可黏附樹干的結(jié)構(gòu)，這樣就可以直接在樹上活動(dòng)和工作。例如，具備兩個(gè)自由度的機(jī)械臂，配合高清相機(jī)，可以準(zhǔn)確識(shí)別樹冠內(nèi)需要修剪的枝條位置，進(jìn)行三維空間修剪，這避免了地面機(jī)器人的遮擋問(wèn)題。測(cè)試結(jié)果顯示，此類機(jī)器人修剪精度可達(dá)95%以上。無(wú)論哪種機(jī)器人，都實(shí)現(xiàn)了果樹修剪過(guò)程的智能化、精準(zhǔn)化和自動(dòng)化，相比人工修剪更高效、更精準(zhǔn)，并且可以進(jìn)行數(shù)字化管理。

3.2 果實(shí)采摘自動(dòng)化

傳統(tǒng)的人工采摘存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、采摘效率低的問(wèn)題。應(yīng)用機(jī)器視覺(jué)和機(jī)械手技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)果實(shí)采摘過(guò)程的自動(dòng)化。采摘機(jī)器人一般由視覺(jué)系統(tǒng)、機(jī)械手系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)組成[6]。視覺(jué)系統(tǒng)利用RGB 相機(jī)、深度相機(jī)等設(shè)備拍攝樹上的果實(shí)，并利用圖像處理算法判斷果實(shí)成熟情況以確定采摘目標(biāo)。例如可以設(shè)計(jì)出基于深度學(xué)習(xí)的果實(shí)檢測(cè)與成熟度評(píng)估模型，輸入果樹圖像后可以定位每個(gè)果實(shí)并判斷其是否成熟。機(jī)械手系統(tǒng)則模擬人手設(shè)計(jì)，使用真空吸盤抓取和傳感器精確定位，進(jìn)行果實(shí)的采摘。運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)使機(jī)器人可以在樹籬間自主導(dǎo)航和工作。目前采摘機(jī)器人主要分為地面式和樹上式兩類。地面式采摘機(jī)器人通過(guò)節(jié)肢式機(jī)械手可以達(dá)到一定高度進(jìn)行采摘，但因受到身體高度限制，難以抓取較高位置的果實(shí)。樹上式采摘機(jī)器人則可通過(guò)特殊的樹行結(jié)構(gòu)，直接爬到樹上進(jìn)行全方位采摘，無(wú)高度限制[7]。研發(fā)的某樹上式蘋果采摘機(jī)器人采摘效率可達(dá)每小時(shí)800～1 000 個(gè)果實(shí)，是熟練工人的3～4 倍，采摘質(zhì)量也較為均勻。綜上所述，采摘機(jī)器人的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了果園采摘作業(yè)的自動(dòng)化、高效化和智能化。

3.3 果園病蟲害檢測(cè)和防治自動(dòng)化

病蟲害的及時(shí)檢測(cè)和有效防治對(duì)確保果園產(chǎn)量和質(zhì)量至關(guān)重要。應(yīng)用農(nóng)業(yè)機(jī)器人和傳感器可以實(shí)現(xiàn)這一過(guò)程的自動(dòng)化[8]。首先，可以使用多光譜相機(jī)、近紅外線傳感器等設(shè)備采集果樹葉片、果實(shí)圖像，然后輸入預(yù)訓(xùn)練的檢測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)病蟲害的自動(dòng)識(shí)別與定位。這類模型可以采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)等算法，根據(jù)圖像特征判斷葉片是否存在炭疽病、蚜蟲等病蟲害。例如，一個(gè)針對(duì)蘋果黑星病的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，可實(shí)現(xiàn)對(duì)病斑的檢測(cè)精度達(dá)到96%。模型訓(xùn)練完成后，檢測(cè)過(guò)程可完全自動(dòng)化，并可給出病害發(fā)生位置與損傷面積等定量結(jié)果。相比人工檢查，機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)更為精確和高效。檢測(cè)完成后，噴霧機(jī)器人可以自動(dòng)對(duì)病樹進(jìn)行防治。該機(jī)器人整合定位系統(tǒng)、噴霧執(zhí)行機(jī)構(gòu)等，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果自主導(dǎo)航到病害聚集區(qū)域，使用氣動(dòng)噴嘴或者超聲波原子化噴霧技術(shù)對(duì)病樹定向噴灑農(nóng)藥。相比傳統(tǒng)大范圍、非定向噴淋，這種機(jī)器人噴霧方式藥液利用率高，對(duì)環(huán)境污染小[9]。測(cè)試表明機(jī)器人噴藥的殺蟲率可達(dá)90%以上，是手工噴藥的2～3 倍。通過(guò)集成應(yīng)用檢測(cè)技術(shù)和執(zhí)行機(jī)器人，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)果園病蟲害的全自動(dòng)監(jiān)測(cè)與防治，既提高了工作效率，也減少了農(nóng)藥用量和污染。這對(duì)促進(jìn)綠色防治、實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)具有重要意義。

3.4 果園灌溉和施肥自動(dòng)化

合理的灌溉和施肥對(duì)果樹生長(zhǎng)和產(chǎn)量至關(guān)重要，而這通常需要根據(jù)土壤濕度、養(yǎng)分含量等數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)控，較難僅靠人工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行精準(zhǔn)操作。應(yīng)用傳感器和執(zhí)行機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)對(duì)這一過(guò)程的自動(dòng)化?？梢栽诠麍@不同位置布設(shè)土壤濕度傳感器、土壤電導(dǎo)率傳感器等，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土壤水分和養(yǎng)分變化。這些傳感器采集的數(shù)據(jù)會(huì)傳輸?shù)街醒肟刂葡到y(tǒng)，系統(tǒng)綜合分析后可以判斷不同區(qū)域的土壤狀態(tài)，并按需自動(dòng)控制灌溉量或施肥量[10]。例如，在一處土壤過(guò)濕的區(qū)域減少灌水時(shí)間，而在養(yǎng)分不足的區(qū)域增加施肥量等。這樣就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)果園灌溉和施肥方案的動(dòng)態(tài)、精準(zhǔn)調(diào)控。在執(zhí)行環(huán)節(jié)，可以使用自主導(dǎo)航的灌溉機(jī)器人，搭載高精度噴灌系統(tǒng)對(duì)果樹進(jìn)行定向灌溉。機(jī)器人可以根據(jù)不同樹木的實(shí)際需水情況變更灌水量，避免人工灌溉可能存在的漏水、多澆、少澆情況。另外，施肥機(jī)器人搭載肥料儲(chǔ)存?zhèn)}和機(jī)械手臂，能夠根據(jù)控制指令準(zhǔn)確完成對(duì)不同區(qū)域果樹的定量施肥操作。自動(dòng)監(jiān)測(cè)和精準(zhǔn)執(zhí)行的結(jié)合，可以科學(xué)指導(dǎo)果園的灌溉和施肥工作，使之更加合理、精確，達(dá)到節(jié)肥增效的目的，提高產(chǎn)量和質(zhì)量。這種自動(dòng)系統(tǒng)還可以生成每次操作的詳細(xì)記錄，為后期果園管理決策提供數(shù)據(jù)支持。

4 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

4.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了全面地驗(yàn)證和評(píng)估農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)在果園管理中的效果，本實(shí)驗(yàn)采取如下設(shè)計(jì)方案：選擇2 塊條件相近的蘋果園作為試驗(yàn)地，每個(gè)園區(qū)面積為10 畝，其中1 塊蘋果園采用傳統(tǒng)的人工管理模式作為對(duì)照組，另1 塊蘋果園則在管理過(guò)程中引入智能機(jī)械設(shè)備作為試驗(yàn)組。在試驗(yàn)組果園內(nèi)配置1 臺(tái)智能修剪機(jī)器人、1 臺(tái)果實(shí)采摘機(jī)器人、1 臺(tái)病蟲害監(jiān)測(cè)機(jī)器人、1 臺(tái)帶有土壤傳感器的自主灌溉機(jī)器人和1 臺(tái)施肥機(jī)器人。所有這些智能機(jī)械設(shè)備需要通過(guò)本地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)連接到中央控制計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)統(tǒng)一進(jìn)行調(diào)度和命令下達(dá)。在整個(gè)蘋果生長(zhǎng)周期內(nèi)，對(duì)照組繼續(xù)采用人工進(jìn)行修剪、采摘、病蟲防治、澆水施肥等傳統(tǒng)果園管理工作。而試驗(yàn)組則由中央計(jì)算機(jī)自動(dòng)命令調(diào)度各項(xiàng)管理任務(wù)，使智能機(jī)械設(shè)備可以自動(dòng)完成果園的修剪、采摘、監(jiān)測(cè)、灌溉等全部作業(yè)。當(dāng)蘋果生長(zhǎng)周期結(jié)束后，需要對(duì)對(duì)照組和試驗(yàn)組的管理效果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)比較，如修剪效率、采摘速度、病蟲發(fā)生率、土壤濕度數(shù)據(jù)、產(chǎn)量質(zhì)量情況等，觀察自動(dòng)化管理與傳統(tǒng)管理的差異。同時(shí)，還要收集和匯總試驗(yàn)組中各智能設(shè)備的具體運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。綜合分析試驗(yàn)結(jié)果，評(píng)估農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)在提高果園管理效率、質(zhì)量、產(chǎn)量等方面的效果，檢驗(yàn)自動(dòng)化設(shè)備是否運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定可靠，分析該技術(shù)在果園管理中的應(yīng)用前景，為進(jìn)一步優(yōu)化這些智能系統(tǒng)提供依據(jù)。

4.2 實(shí)驗(yàn)效果分析

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)組采用智能機(jī)械設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)化果園管理和對(duì)照組采用傳統(tǒng)人工管理進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證結(jié)果表明自動(dòng)化管理在效率、質(zhì)量、成本等方面均優(yōu)于傳統(tǒng)管理。在工作效率方面，自動(dòng)化管理可以大幅提高工作效率。質(zhì)量方面，機(jī)器視覺(jué)和傳感器的引入可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)操作。在降低成本方面，試驗(yàn)組自動(dòng)化管理大幅減少了人力成本。具體數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 自動(dòng)化管理與傳統(tǒng)管理效果對(duì)比

此外，試驗(yàn)組中的智能設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，故障率低于5%，驗(yàn)證了自動(dòng)化系統(tǒng)的可靠性。通過(guò)本次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用于果園管理中，可以顯著提升工作效率、質(zhì)量和效益，具有廣闊的應(yīng)用前景，是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化、智能化果園管理的重要途徑。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著社會(huì)發(fā)展和科技進(jìn)步，傳統(tǒng)的人工果園管理方式逐步顯露出低效率、高成本、質(zhì)量參差等問(wèn)題。引入智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化果園管理，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。本研究通過(guò)分析農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)的工作原理，提出可以將自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用于果樹修剪、果實(shí)采摘、病蟲害防治以及灌溉施肥等過(guò)程，構(gòu)建自動(dòng)化的智能果園系統(tǒng)?？傊七M(jìn)智能技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的深度融合，是促進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要途徑之一。相信隨著相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，自動(dòng)化和智能化的果園管理模式必將得到廣泛應(yīng)用，為我國(guó)果業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供有力支持。