智能化水稻插秧機無人駕駛技術的顯著優(yōu)勢和廣闊發(fā)展前景

智能化水稻插秧機無人駕駛技術作為現代農業(yè)機械化的重要組成部分，在提高農業(yè)生產效率、降低勞動成本、優(yōu)化土地利用等方面展現出了巨大的潛力?；诖耍疚闹攸c探討智能化水稻插秧機無人駕駛的關鍵技術要點，其中主要包含無人駕駛系統的搭建、路徑規(guī)劃、田間作業(yè)操作以及智能化管理等關鍵環(huán)節(jié)，旨在為農業(yè)機械化生產提供技術參考。

水稻作為馬鞍山市主要糧食作物之一，其生產效率的提升對于保障糧食安全具有重要意義，但是隨著城鄉(xiāng)發(fā)展不平衡、農村勞動力流失，以及耕地資源的減少，傳統水稻種植方式面臨嚴峻挑戰(zhàn)。為了保障國家糧食安全，提高農業(yè)生產效率、實現水稻生產機械化、自動化成為必然趨勢。農業(yè)機械的無人化和智能化是農業(yè)機械發(fā)展的重要方向，也是實現精準農業(yè)的重要手段。早在20世紀20年代，北美的一些研究人員就開始了對農業(yè)機械的自動化技術的研究。但是受限于計算機和控制技術，當時并未實現真正意義的農業(yè)機械無人化和智能化。到了20世紀80年代，精準農業(yè)技術的產生驅動了現代意義的農業(yè)機械智能化和無人化的發(fā)展?，F階段，智能化水稻插秧機無人駕駛技術的應用，通過自動化、智能化手段，實現了水稻插秧作業(yè)的全程機械化，同時也在極大程度上提高了生產效率和作業(yè)精度。

一、智能化水稻插秧機無人駕駛系統搭建

1、智能化水稻插秧機的硬件平臺搭建

智能化水稻插秧機無人駕駛系統的硬件平臺搭建，以井關PZ60型插秧機為載體，硬件平臺主要包括插秧機本體、自動駕駛儀、傳感器、GPS接收機和電動方向盤等關鍵組件；插秧機本體選用性能穩(wěn)定、操作靈活的機型，確保作業(yè)效率與穩(wěn)定性；自動駕駛儀搭載“北斗”衛(wèi)星定位系統，實現厘米級精準定位和導航，誤差不超過5cm；傳感器則用于實時監(jiān)測插秧機的速度、方向、位置等狀態(tài)參數及田間環(huán)境數據，確保作業(yè)過程的精確控制。GPS接收機接收衛(wèi)星信號，提供高精度定位信息，為自動駕駛提供可靠依據；電動方向盤通過自動駕駛儀的精準控制，實現插秧機的自動駕駛，操作精度達到98%以上，有效提升了插秧作業(yè)的精度與效率。搭建后的平臺應充分滿足智能化無人駕駛的技術標準，見表1。

2、軟件控制系統設計

軟件控制系統設計是其核心所在，主要由路徑規(guī)劃算法、路徑跟蹤控制算法以及系統監(jiān)控軟件三大模塊構成。第一，路徑規(guī)劃算法依據目標地塊的邊界坐標與插秧機的作業(yè)需求，進行全局覆蓋路徑規(guī)劃，確保插秧機以最優(yōu)路徑進行作業(yè)，路徑規(guī)劃精度可達99%以上；第二，路徑跟蹤控制算法則融合了模糊控制、純追蹤模型和PID控制等多種算法，通過實時調整插秧機的運動軌跡，實現對預定路徑的精準跟蹤，跟蹤誤差控制在2cm以內，從而確保了插秧的精度與作業(yè)效率；第三，系統監(jiān)控軟件則負責實時監(jiān)測插秧機的運行狀態(tài)和作業(yè)進度，包括速度、方向、位置等關鍵參數，同時提供故障診斷與報警功能，能夠在第一時間發(fā)現并處理異常情況，確保系統的穩(wěn)定可靠運行，故障檢測準確率高達95%，能夠有效提升無人駕駛插秧機的作業(yè)質量和安全性。

二、智能化水稻插秧機無人駕駛關鍵技術的田間操作要點

1、智能化水稻插秧機的安裝與調試

在安裝階段，首先需對插秧機本體進行細致檢查，確保所有部件完好無損，重點檢查發(fā)動機、傳動系統、懸掛裝置等。隨后，進行自動駕駛系統的安裝，包括將電動方向盤、GPS接收機、轉角傳感器等關鍵組件精確安裝至指定位置。電動方向盤的安裝需確保其轉動范圍與插秧機原有方向盤一致，誤差不超過1度，以保證自動駕駛時的精準控制。GPS接收機則需安裝于插秧機頂部開闊位置，以確保良好的衛(wèi)星信號接收，定位精度需達到厘米級；轉角傳感器則需與電動方向盤緊密連接，實時反饋方向盤轉動角度，精度需控制在0.1°以內。在安裝的過程中需要特別關注以下幾點：①確保各部件之間的連接準確無誤，避免安裝錯位；②對于精密部件，如傳動齒輪、軸承等，需輕拿輕放、避免損壞；③對于需要潤滑的部位，如轉動軸、軸承等，需提前加注適量的潤滑油，以確保部件間的順暢運轉。

在完成安裝之后需要對整機進行嚴格的檢查與調試，并要確保其滿足以下技術類的要求：①各運動件在安裝后應轉動靈活，無碰撞、卡阻等異?，F象，對于需要潤滑的運動件，應加注適量的潤滑油，以減少摩擦和磨損；②所有緊固的地方都應按規(guī)定擰緊，以確保各部件之間的連接牢固可靠；③各間隙的調整需準確無誤，秧針與導軌插口側面的標準間隙應為1.3～1.7mm，秧針和苗箱側面的標準間隙應為1.5～2.5mm；④各傳動部件不允許有漏油現象，工作運轉應正常。

2、水稻插秧機的株距調整

在調整株距的過程中應綜合考慮水稻的品種特性、秧苗的生長狀況以及大田的土壤肥力狀況，以確定最適宜的插秧株距。為實現株距的精確調控，通常采用配備有株距調節(jié)手柄的插秧機械。株距調節(jié)手柄上標有70、80、90三個不同的擋位，三個擋位分別對應著不同的株距設置；70擋位對應的株距為147mm，80擋位對應的株距為131mm，而90擋位則對應著117mm的株距；70擋位下，水稻田的基本穴數約為14000穴/667m2；在80擋位下，基本穴數增加至約16000穴/667m2；而在90擋位下，基本穴數則可達到約18000穴/667m2。

3、插秧作業(yè)的深度調整

根據農業(yè)生產的技術要求，理想的機插深度應達到“不漂不倒”的狀態(tài)，同時要在保證穩(wěn)定性的前提下，插秧深度越淺越有利于秧苗的生長和發(fā)育。針對早稻品種而言，插秧深度可以設定為12mm左右，此范圍既能保證秧苗的穩(wěn)定性，又能減少對秧苗根系的損傷，有利于其快速適應大田環(huán)境。智能化水稻插秧機通常配備有插秧深度調節(jié)手柄，該手柄設計有四個不同的調節(jié)擋位，通過向上或向下移動手柄，可以方便地調整插秧的深度。在無人教師的過程中。手柄向上移動時，插秧深度變淺；手柄向下移動時，插秧深度則加深。

4、每穴苗株數的調整

針對不同水稻品種，每穴秧苗數量的調控是確保水稻群體結構合理、提高產量潛力的關鍵措施之一。通常情況下，每穴秧苗數量控制在1～2株即可。智能化水稻插秧機普遍采用了可調節(jié)的秧針取秧機構通過調節(jié)縱向取秧量和橫向送秧量來改變每次機插時的取秧量，進而達到調整每穴秧苗數量的目的。具體而言，縱向取秧量的調節(jié)是通過調整取秧調節(jié)手柄的位置來實現的，每調整一檔手柄位置，取苗量將相應改變1mm。當手柄向左調節(jié)時，取秧量增多，每穴秧苗數量隨之增加；反之，當手柄向右調節(jié)時，取秧量減少，每穴秧苗數量則相應減少。在實際操作的過程中，為確保機插后每穴秧苗數量的合理性，通常需要先固定橫向送秧的擋位位置，然后根據生產需求，通過調節(jié)手柄來改變縱向取秧量，此時需要精確控制，以確保每穴秧苗數量既能滿足水稻生長的需要，又不會造成過多的浪費或不足。

5、水稻插秧機作業(yè)路線

在水稻機械化插秧無人駕駛的過程中，科學的作業(yè)路徑規(guī)劃對于提高作業(yè)效率、降低生產成本具有重要意義。目前，主要存在兩種插秧作業(yè)路徑策略：

①采用“邊緣預留，逐步推進”的方式。在插秧作業(yè)開始前，首先在田埂周圍預留出一排（即四行寬）的余地，作為后續(xù)作業(yè)的緩沖區(qū)。隨后，插秧機從田塊的左側進入，開始插植第一排秧苗。緊接著，插秧機緊貼第一排，繼續(xù)插植第二排，以此類推，直至沿田埂四周預留的一排被完全插植完畢，此時插秧機從預留的出口處駛出田塊，完成一個完整的作業(yè)循環(huán)。

②采用“兩側預留，中間推進”的方式。在插秧作業(yè)開始時，插秧機直接靠田埂左側下田，開始插植第一排秧苗，同時在田頭的兩側各預留出兩排（即八行寬）的余地，作為后續(xù)作業(yè)的緩沖區(qū)。隨后插秧機一排緊挨一排地進行插植，直至插到田的右側時，再預留出一排（即四行寬）的余地，此時插秧機返回田頭，插植之前預留的兩側八行寬的秧苗。最后，再插植田的右側預留的一排秧苗，插秧機從預留的出口處駛出田塊，完成一個作業(yè)循環(huán)。

兩種作業(yè)路線各有優(yōu)勢，第一種策略適用于田塊形狀規(guī)則、面積較小的情況，可以確保插秧機在作業(yè)過程中有足夠的空間進行轉向和調整；而第二種策略則更適用于田塊面積較大、形狀不規(guī)則的情況，可以更有效地利用田塊空間，提高插秧作業(yè)的連續(xù)性和效率。在實際應用的過程中，應根據田塊的具體情況和插秧機的性能特點，選擇合適的作業(yè)路徑策略，以實現水稻機插作業(yè)的高效、優(yōu)質完成。

6、作業(yè)過程中的注意事項

在水稻機械化插秧作業(yè)的實踐操作中，需竭力維持插秧機的直線行進狀態(tài)，以確保插秧作業(yè)的精準度與效率；在執(zhí)行轉彎或掉頭動作時，應暫停插秧功能，以避免作業(yè)軌跡的偏差。面對田間復雜地形，如遇水溝或高地等障礙，應避免采取強行穿越的方式，因為此類行為不僅可能導致插秧機機械部件的損壞，還會打亂整體的作業(yè)節(jié)奏與進度，合理的做法是搭建臨時木板橋，以確保插秧機能夠安全、平穩(wěn)地通過障礙區(qū)域。在秧苗移植環(huán)節(jié)，若秧苗與田埂邊緣的間距小于1.8m，操作員需在執(zhí)行最后一圈插秧作業(yè)時，精確調控機械行進距離，預留出至少1.8m的寬度空間。

7、智能化水稻插秧機的維護與保養(yǎng)

①每日水稻插秧作業(yè)結束后，應立即對插秧機進行徹底的清洗。使用清水沖洗整機，特別注意車輪及其他轉動部件，確保無雜物殘留。對于難以沖洗的泥土和雜質，應使用適當的工具進行清除。清洗完畢后，需用干凈的布或紙巾將水分徹底擦干，以防部件生銹或損壞。②在完成清潔處理后，需對插秧機的發(fā)動機和傳動系統進行詳細檢查。檢查齒輪箱中的油料是否充足，若不足應及時補充；對各運動摩擦部位進行潤滑處理，根據部件材質和需求加注適量的機油或黃油，以確保部件運轉順暢、減少磨損；③對整機上的各緊固螺絲和螺帽進行全面檢查，發(fā)現松動現象應立即進行緊固，以防止因部件松動而導致的機械故障或安全事故。

三、智能化水稻插秧機無人駕駛關鍵技術的應用前景

1、打造互聯網+農機產業(yè)鏈生態(tài)圈

智能化水稻插秧機無人駕駛技術不僅代表著農業(yè)機械化的高級階段，更是現代農業(yè)信息化、智能化的重要體現。在此技術基礎上，進一步打造互聯網+農機產業(yè)鏈生態(tài)圈，將極大推動農業(yè)生產的轉型升級。具體而言，通過大數據技術的深度應用，可以創(chuàng)立一個遠程監(jiān)控平臺，該平臺能夠實時收集插秧機作業(yè)過程中的各項數據，如作業(yè)速度、插秧密度、土壤濕度等關鍵參數，數據的積累與分析不僅有助于提升大規(guī)模作業(yè)的效率與精度，還能為農機管理部門提供詳盡的作業(yè)報告，便于其進行宏觀管理和決策優(yōu)化。對于水稻種植戶而言，這一平臺同樣具有重要意義。通過對插秧機作業(yè)全程數據的深入分析，種植戶可以精準掌握水稻種植的實際情況，包括生長周期、營養(yǎng)需求、病蟲害風險等，從而為后續(xù)的田間管理提供科學依據，實現水稻種植的精細化管理。

2、政策拉動農機智能技術推廣

農業(yè)技術的推廣與應用，特別是在水稻種植領域，面臨著農業(yè)從業(yè)人員受教育水平偏低、年齡結構差異顯著以及技術人員新老交替不暢等多重挑戰(zhàn)，多種因素共同制約了農業(yè)技術與信息化技術的深度融合，使得農機智能技術的發(fā)展和應用受到了制約。為此，地方政府的政策引導和支持顯得尤為重要。政策拉動作為一種有效的技術推廣策略，能夠通過一系列具體措施，激發(fā)農業(yè)從業(yè)者的技術采用熱情，加速農機智能技術的普及。一方面，政府可以出臺相關補貼政策，對采用農機智能技術的水稻種植戶給予經濟激勵，降低其技術應用的初期成本，提高其技術采納的積極性。另一方面，政府還可以定期舉辦農機智能知識的培訓活動，邀請專家學者進行授課，提升農業(yè)從業(yè)人員的專業(yè)技能和知識水平，幫助廣大農戶更好地理解和應用新技術。除此之外，政府部門還可以通過建立農機智能技術的示范點和示范區(qū)，展示技術應用的實際效果，增強農業(yè)從業(yè)者對技術可行性和效益的認可，從而推動技術在更大范圍內的應用，以此來充分發(fā)揮出政府部門在智能化水稻插秧機無人駕駛關鍵技術推廣中的主導作用，為農機智能技術的廣泛應用奠定堅實的基礎。

3、建立標準先行的平臺集成

在農機智能技術開發(fā)領域，我國已經取得了顯著的進展，技術成熟度日益提高。但是當前各農機平臺獨立運行的現象較為普遍，這不僅限制了農機相關部門實施聯合監(jiān)管的能力，也阻礙了農機智能技術的進一步普及和優(yōu)化。為了應對這一挑戰(zhàn)，建立標準先行的平臺集成顯得尤為重要。標準先行的平臺集成，意味著在平臺構建之初，就需制定一套統一的、具有前瞻性的技術標準。這些標準應涵蓋數據格式、通信協議、接口規(guī)范等多個方面，以確保不同農機平臺之間能夠實現無縫對接和高效協同，以達到打破技術壁壘、促進農機智能技術的通用化效果，使其在不同平臺和場景下都能發(fā)揮最大效用。在平臺集成的過程中，還需要注重技術的兼容性和可擴展性。這意味著平臺設計應能夠容納多種農機智能技術，并隨著技術的不斷發(fā)展而持續(xù)升級。與此同時，平臺還應具備強大的數據處理和分析能力，以支持對農機作業(yè)數據的深入挖掘和有效利用。

智能化水稻插秧機無人駕駛技術作為現代農業(yè)的重要組成部分，具有顯著的優(yōu)勢和廣闊的應用前景。通過掌握田間操作技術要點，可以充分發(fā)揮無人駕駛技術的優(yōu)勢，提高水稻生產的效率和精度、降低人工成本，進而全面推動農業(yè)現代化進程。

（作者單位：243172 安徽省馬鞍山市當涂縣塘南鎮(zhèn)農業(yè)服務中心）