馮 瑩

（江蘇省江都中等專業(yè)學(xué)校，江蘇 揚州 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)機械自動化技術(shù)來實現(xiàn)智能化和信息化的果園管理。農(nóng)業(yè)機械自動化是應(yīng)用各種自動控制及檢測技術(shù)，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機械設(shè)備的智能化和無人化操作[1]。這些技術(shù)可以實現(xiàn)果樹修剪、果實采摘、病蟲害防治等果園作業(yè)的自動化，大大降低了勞動強度，提高了工作效率和質(zhì)量。

1 農(nóng)業(yè)機械自動化技術(shù)的工作原理

農(nóng)業(yè)機械自動化技術(shù)主要涉及機器視覺、傳感技術(shù)、執(zhí)行機構(gòu)技術(shù)和農(nóng)業(yè)專用機器人等方面。機器視覺技術(shù)通過攝像頭、圖像傳感器等設(shè)備獲取作物和環(huán)境的視覺信息，然后經(jīng)過圖像處理和分析，實現(xiàn)對目標的識別和定位。常用的算法有卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、語義分割等深度學(xué)習(xí)算法[2]。例如，可以訓(xùn)練出識別果實熟透程度的視覺模型，根據(jù)果實顏色區(qū)分成熟和未熟水果。通過此類視覺感知技術(shù)，機器人可以準確抓取成熟的水果進行自動采摘。傳感技術(shù)則主要通過聲音、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，實時監(jiān)測大棚內(nèi)溫度、濕度和光照變化情況，以便及時調(diào)節(jié)通風(fēng)系統(tǒng)和灌溉系統(tǒng)，確保作物生長環(huán)境處于最佳狀態(tài)。另外，通過聲音傳感器監(jiān)測機械設(shè)備的異音，可以實現(xiàn)設(shè)備的故障預(yù)測和診斷。執(zhí)行機構(gòu)主要包括機械手、傳動系統(tǒng)等，可實現(xiàn)對作物和環(huán)境的操作。如修剪機械手根據(jù)視覺分析結(jié)果，可以精確識別需要修剪的樹枝位置，并通過電機驅(qū)動修剪刀進行剪除[3]。液壓系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)等也廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機械的動力執(zhí)行系統(tǒng)。農(nóng)業(yè)專用機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，進行自主規(guī)劃和導(dǎo)航，實現(xiàn)各種農(nóng)業(yè)作業(yè)的自動化?，F(xiàn)已研發(fā)出適用于果園管理的多種專用機器人，如樹上運動的果園修剪機器人、地面自主巡航噴霧機器人等。

2 傳統(tǒng)果園管理方式存在的問題

我國果園管理長期以來主要依靠大量人工進行操作，這種傳統(tǒng)的管理方式存在很多問題，如表1所示。

表1 傳統(tǒng)果園管理方式存在的問題

綜上所述，依靠大量人工進行果園管理，效率低下、成本高、質(zhì)量參差等問題突出。這亟需引入自動化技術(shù)來實現(xiàn)智能化、信息化的現(xiàn)代化果園管理。

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

3.1 果樹修剪自動化

果樹修剪的自動化主要可以通過兩類機器人實現(xiàn)，一是地面移動式修剪機器人，二是可以在樹上活動的枝條式修剪機器人。地面式修剪機器人需要集成視覺識別系統(tǒng)、修剪執(zhí)行機構(gòu)和自主導(dǎo)航系統(tǒng)[4]。視覺識別系統(tǒng)通過深度學(xué)習(xí)算法分析樹木三維結(jié)構(gòu)，識別需要修剪的老枝，并規(guī)劃修剪路徑。執(zhí)行機構(gòu)則為類似人手的機械手，使用剪枝鉗進行精確修剪。導(dǎo)航系統(tǒng)讓機器人可以在果園間自動行走和避障。相比人工修剪，這樣的地面式機器人可以大幅提高修剪效率[5]。某研究測試表明，該機器人系統(tǒng)的自動修剪速度可達每小時0.33 hm2，是有經(jīng)驗工人修剪速度的2 倍。枝條式修剪機器人由多模塊組成，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和工作。例如，具備兩個自由度的機械臂，配合高清相機，可以準確識別樹冠內(nèi)需要修剪的枝條位置，進行三維空間修剪，這避免了地面機器人的遮擋問題。測試結(jié)果顯示，此類機器人修剪精度可達95%以上。無論哪種機器人，都實現(xiàn)了果樹修剪過程的智能化、精準化和自動化，相比人工修剪更高效、更精準，并且可以進行數(shù)字化管理。

3.2 果實采摘自動化

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

3.3 果園病蟲害檢測和防治自動化

病蟲害的及時檢測和有效防治對確保果園產(chǎn)量和質(zhì)量至關(guān)重要。應(yīng)用農(nóng)業(yè)機器人和傳感器可以實現(xiàn)這一過程的自動化[8]。首先，可以使用多光譜相機、近紅外線傳感器等設(shè)備采集果樹葉片、果實圖像，然后輸入預(yù)訓(xùn)練的檢測模型，實現(xiàn)對病蟲害的自動識別與定位。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，一個針對蘋果黑星病的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，可實現(xiàn)對病斑的檢測精度達到96%。模型訓(xùn)練完成后，檢測過程可完全自動化，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，機器視覺檢測更為精確和高效。檢測完成后，噴霧機器人可以自動對病樹進行防治。該機器人整合定位系統(tǒng)、噴霧執(zhí)行機構(gòu)等，根據(jù)檢測結(jié)果自主導(dǎo)航到病害聚集區(qū)域，使用氣動噴嘴或者超聲波原子化噴霧技術(shù)對病樹定向噴灑農(nóng)藥。相比傳統(tǒng)大范圍、非定向噴淋，這種機器人噴霧方式藥液利用率高，對環(huán)境污染小[9]。測試表明機器人噴藥的殺蟲率可達90%以上，是手工噴藥的2～3 倍。通過集成應(yīng)用檢測技術(shù)和執(zhí)行機器人，可以實現(xiàn)對果園病蟲害的全自動監(jiān)測與防治，既提高了工作效率，也減少了農(nóng)藥用量和污染。這對促進綠色防治、實現(xiàn)精準農(nóng)業(yè)具有重要意義。

3.4 果園灌溉和施肥自動化

合理的灌溉和施肥對果樹生長和產(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)進行調(diào)控，較難僅靠人工經(jīng)驗進行精準操作。應(yīng)用傳感器和執(zhí)行機器人可以實現(xiàn)對這一過程的自動化。可以在果園不同位置布設(shè)土壤濕度傳感器、土壤電導(dǎo)率傳感器等，實時監(jiān)測土壤水分和養(yǎng)分變化。這些傳感器采集的數(shù)據(jù)會傳輸?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)，并按需自動控制灌溉量或施肥量[10]。例如，在一處土壤過濕的區(qū)域減少灌水時間，而在養(yǎng)分不足的區(qū)域增加施肥量等。這樣就可以實現(xiàn)對整個果園灌溉和施肥方案的動態(tài)、精準調(diào)控。在執(zhí)行環(huán)節(jié)，可以使用自主導(dǎo)航的灌溉機器人，搭載高精度噴灌系統(tǒng)對果樹進行定向灌溉。機器人可以根據(jù)不同樹木的實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，施肥機器人搭載肥料儲存?zhèn)}和機械手臂，能夠根據(jù)控制指令準確完成對不同區(qū)域果樹的定量施肥操作。自動監(jiān)測和精準執(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，達到節(jié)肥增效的目的，提高產(chǎn)量和質(zhì)量。這種自動系統(tǒng)還可以生成每次操作的詳細記錄，為后期果園管理決策提供數(shù)據(jù)支持。

4 實驗設(shè)計與結(jié)果分析

4.1 實驗設(shè)計

為了全面地驗證和評估農(nóng)業(yè)機械自動化技術(shù)在果園管理中的效果，本實驗采取如下設(shè)計方案：選擇2 塊條件相近的蘋果園作為試驗地，每個園區(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照組，另1 塊蘋果園則在管理過程中引入智能機械設(shè)備作為試驗組。在試驗組果園內(nèi)配置1 臺智能修剪機器人、1 臺果實采摘機器人、1 臺病蟲害監(jiān)測機器人、1 臺帶有土壤傳感器的自主灌溉機器人和1 臺施肥機器人。所有這些智能機械設(shè)備需要通過本地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)連接到中央控制計算機，由計算機統(tǒng)一進行調(diào)度和命令下達。在整個蘋果生長周期內(nèi)，對照組繼續(xù)采用人工進行修剪、采摘、病蟲防治、澆水施肥等傳統(tǒng)果園管理工作。而試驗組則由中央計算機自動命令調(diào)度各項管理任務(wù)，使智能機械設(shè)備可以自動完成果園的修剪、采摘、監(jiān)測、灌溉等全部作業(yè)。當蘋果生長周期結(jié)束后，需要對對照組和試驗組的管理效果進行統(tǒng)計比較，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，觀察自動化管理與傳統(tǒng)管理的差異。同時，還要收集和匯總試驗組中各智能設(shè)備的具體運行數(shù)據(jù)，對設(shè)備運行狀態(tài)進行檢測。綜合分析試驗結(jié)果，評估農(nóng)業(yè)機械自動化技術(shù)在提高果園管理效率、質(zhì)量、產(chǎn)量等方面的效果，檢驗自動化設(shè)備是否運轉(zhuǎn)穩(wěn)定可靠，分析該技術(shù)在果園管理中的應(yīng)用前景，為進一步優(yōu)化這些智能系統(tǒng)提供依據(jù)。

4.2 實驗效果分析

通過對試驗組采用智能機械設(shè)備進行自動化果園管理和對照組采用傳統(tǒng)人工管理進行對比，驗證結(jié)果表明自動化管理在效率、質(zhì)量、成本等方面均優(yōu)于傳統(tǒng)管理。在工作效率方面，自動化管理可以大幅提高工作效率。質(zhì)量方面，機器視覺和傳感器的引入可以實現(xiàn)精準操作。在降低成本方面，試驗組自動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 自動化管理與傳統(tǒng)管理效果對比

此外，試驗組中的智能設(shè)備運行穩(wěn)定，故障率低于5%，驗證了自動化系統(tǒng)的可靠性。通過本次實驗驗證，農(nóng)業(yè)機械自動化技術(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，是實現(xiàn)現(xiàn)代化、智能化果園管理的重要途徑。

5 結(jié)語

隨著社會發(fā)展和科技進步，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)量參差等問題。引入智能技術(shù)實現(xiàn)自動化果園管理，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢。本研究通過分析農(nóng)業(yè)機械自動化技術(shù)的工作原理，提出可以將自動化技術(shù)應(yīng)用于果樹修剪、果實采摘、病蟲害防治以及灌溉施肥等過程，構(gòu)建自動化的智能果園系統(tǒng)。總之，推進智能技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的深度融合，是促進農(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，自動化和智能化的果園管理模式必將得到廣泛應(yīng)用，為我國果業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供有力支持。