智慧果園種植科研分享(一)

果園，作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要機(jī)構(gòu)，其科技水平代表了農(nóng)業(yè)發(fā)展水平。在無(wú)數(shù)科研機(jī)構(gòu)的努力之下，與智慧果園種植相關(guān)的研究層出不窮，本文整理了涉及：果園構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)裝備、三維虛擬果園、智能底盤(pán)與除草及收獲裝備、收獲裝備、果園噴霧機(jī)、梨樹(shù)花序檢測(cè)等，共十四篇論文內(nèi)容，分享下農(nóng)業(yè)科研進(jìn)展。

一、智慧果園構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)裝備及展望

參與機(jī)構(gòu)：中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)研究院、中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院、中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)藥械與施藥技術(shù)研究中心、中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)煙臺(tái)研究院、華為技術(shù)有限公司、北京市平谷區(qū)西營(yíng)村村委會(huì)等

針對(duì)傳統(tǒng)果園管理以人力為主，但未來(lái)可能出現(xiàn)的勞動(dòng)力短缺、農(nóng)機(jī)作業(yè)裝備與生產(chǎn)資料管理困難、生產(chǎn)效率低下等問(wèn)題，引領(lǐng)中國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展方向。該團(tuán)隊(duì)研究建設(shè)融合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、裝備智能化等技術(shù)的智慧果園，可有望解決上述問(wèn)題?；谔?、梨果園全程機(jī)械化、智能化管理等目標(biāo)，該研究在北京市平谷區(qū)峪口鎮(zhèn)西營(yíng)村構(gòu)建了約30 hm2梨與桃的智慧果園。

應(yīng)用了各類(lèi)信息獲取傳感器、機(jī)械化智能農(nóng)機(jī)裝備(無(wú)人駕駛割草機(jī)、智能防凍機(jī)、開(kāi)溝施肥機(jī)、自動(dòng)駕駛履帶智能仿形變量噴霧機(jī)、六旋翼枝向?qū)Π袩o(wú)人機(jī)、多功能采摘平臺(tái)以及整理修剪機(jī)等)，技術(shù)涉及智能信息獲取系統(tǒng)、水肥一體管理系統(tǒng)、病蟲(chóng)害智能管理系統(tǒng)、智能管理平臺(tái)等。經(jīng)比較發(fā)現(xiàn)，智慧果園生產(chǎn)模式在減少人工成本、節(jié)省農(nóng)藥用量、肥料用量、灌溉用水量方面均有明顯節(jié)約，綜合經(jīng)濟(jì)效益也有提升。該研究的推廣實(shí)施將進(jìn)一步推動(dòng)中國(guó)果業(yè)生產(chǎn)水平的提高，促進(jìn)中國(guó)智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展。

二、基于激光點(diǎn)云的三維虛擬果園構(gòu)建方法

參與機(jī)構(gòu)：中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院、北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與設(shè)施教育部工程研究中心

針對(duì)果園管理數(shù)字化程度低、構(gòu)建方法較為單一等問(wèn)題，該團(tuán)隊(duì)研究提出了一種基于激光點(diǎn)云的三維虛擬果園構(gòu)建方法。研究在海棠果園與芒果園開(kāi)展果園構(gòu)建方法測(cè)試，采用即時(shí)定位與地圖構(gòu)建-激光測(cè)距、測(cè)繪算法、統(tǒng)計(jì)濾波算法、布料模擬算法與DBSCAN 聚類(lèi)算法、Unity3D引擎等技術(shù)，構(gòu)建虛擬果園漫游場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)作業(yè)機(jī)械運(yùn)動(dòng)軌跡控制與作業(yè)軌跡的可視化展示。

結(jié)果表明，通過(guò)與實(shí)際芒果園的果樹(shù)行距、株距對(duì)比，該方法對(duì)海棠果樹(shù)與芒果樹(shù)聚類(lèi)分割的準(zhǔn)確率分別達(dá)到了95%以上，能夠有效復(fù)現(xiàn)果園三維實(shí)際情況，得到了較好地可視化效果，為果園的數(shù)字化建模與管理提供了一種技術(shù)方案。

三、蘋(píng)果生產(chǎn)智能底盤(pán)與除草及收獲裝備技術(shù)研究進(jìn)展

參與機(jī)構(gòu)：西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部蘋(píng)果全程機(jī)械化科研基地 、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部北方農(nóng)業(yè)裝備科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站、 寧夏回族自治區(qū)農(nóng)業(yè)機(jī)械化技術(shù)推廣站

針對(duì)蘋(píng)果產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，蘋(píng)果生產(chǎn)機(jī)械化和智能化的發(fā)展程度將影響其經(jīng)濟(jì)效益。該團(tuán)隊(duì)研究與智能裝備研發(fā)，旨在推進(jìn)蘋(píng)果生產(chǎn)智能化技術(shù)。

概述了蘋(píng)果生產(chǎn)各個(gè)環(huán)節(jié)機(jī)械化水平，涉及動(dòng)力底盤(pán)、除草裝備、收獲裝備等蘋(píng)果生產(chǎn)裝備主要技術(shù)，并研究了自動(dòng)調(diào)平與控制、自主導(dǎo)航、自動(dòng)避障、雜草識(shí)別、雜草去除、蘋(píng)果識(shí)別、蘋(píng)果定位、蘋(píng)果分離等技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)展，指出了目前蘋(píng)果生產(chǎn)智能裝備技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)，并提出了發(fā)展建議。

四、自走式果園多工位收獲裝備設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

參與機(jī)構(gòu)：農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所、華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長(zhǎng)江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

為解決現(xiàn)代化果園，水果收獲中勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)效率低、配套機(jī)械匱乏等問(wèn)題，基于果樹(shù)矮砧寬行密植模式和農(nóng)藝種植的要求，該團(tuán)隊(duì)研究設(shè)計(jì)了一種自走式果園多工位收獲裝備。

該裝備根據(jù)“兩側(cè)、兩高度、六工位”采摘作業(yè)模式，對(duì)履帶自走式底盤(pán)、擴(kuò)展作業(yè)平臺(tái)、果實(shí)自動(dòng)輸送裝箱及轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)等關(guān)鍵部件，進(jìn)行了參數(shù)分析、計(jì)算與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。田間試驗(yàn)表明，該裝備可同步于六工位人工采收速度，蘋(píng)果采收損傷率低，裝箱均布系數(shù)、裝箱速度等，達(dá)到果園采收作業(yè)要求，有望實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化果園的智能化采摘收獲。

五、地面彌霧機(jī)與六旋翼植保無(wú)人機(jī)在芒果冠層中霧滴沉積性能對(duì)比

參與機(jī)構(gòu)：中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院、中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)研究院

為解決芒果園傳統(tǒng)植保作業(yè)中農(nóng)藥用量大、施藥不均勻、作業(yè)效率低等問(wèn)題，進(jìn)而構(gòu)建智慧芒果園，該團(tuán)隊(duì)研究對(duì)比了地面彌霧機(jī)和六旋翼植保無(wú)人機(jī)兩種果園施藥機(jī)具，在冠層中的藥液霧滴沉積性能。

研究表明，相較于植保無(wú)人機(jī)，地面彌霧機(jī)適用于芒果冠層中下部及內(nèi)部病蟲(chóng)害防治，同時(shí)該機(jī)具較高的霧滴覆蓋密度在噴灑殺菌劑時(shí)也有明顯優(yōu)勢(shì)，植保無(wú)人機(jī)適用于針對(duì)芒果上部冠層如薊馬、炭疽等易發(fā)于外部花絮的病蟲(chóng)害防治。

六、果園自主導(dǎo)航兼自動(dòng)對(duì)靶噴霧機(jī)器人

參與機(jī)構(gòu)：中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院、中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)研究院、中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院

為同時(shí)實(shí)現(xiàn)果園智能植保機(jī)自主導(dǎo)航及自動(dòng)對(duì)靶噴霧，該團(tuán)隊(duì)研制了一種果園自主導(dǎo)航兼自動(dòng)對(duì)靶噴霧機(jī)器人。

結(jié)果表明，機(jī)器人相比于傳統(tǒng)連續(xù)噴霧機(jī)施藥液量、空中漂移量、地面流失量均有減少，實(shí)現(xiàn)了噴霧機(jī)器人自主導(dǎo)航及自動(dòng)對(duì)靶噴霧，降低了農(nóng)藥使用量及飄失量。

七、果園多風(fēng)道噴霧機(jī)送風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化與試驗(yàn)

參與機(jī)構(gòu)：河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院

針對(duì)果園多風(fēng)道噴霧機(jī)內(nèi)部氣流分布不均導(dǎo)致由出風(fēng)口吹出的氣流紊亂、影響使霧滴在果樹(shù)冠層上均勻沉積的問(wèn)題，該團(tuán)隊(duì)對(duì)多風(fēng)道噴霧機(jī)內(nèi)部導(dǎo)流板長(zhǎng)度參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。研究應(yīng)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)技術(shù)、Star-CCM+軟件等技術(shù)，對(duì)風(fēng)速值等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化改善。

結(jié)果表明，在距離噴霧機(jī)出風(fēng)口1.25 m處，風(fēng)場(chǎng)風(fēng)速由上層到下層逐漸增大，實(shí)現(xiàn)風(fēng)場(chǎng)按果樹(shù)冠層形狀分布，噴霧機(jī)左右兩側(cè)風(fēng)場(chǎng)對(duì)稱(chēng)分布，氣流分布均勻。果園多風(fēng)道噴霧機(jī)設(shè)計(jì)滿(mǎn)足要求，可為同類(lèi)設(shè)計(jì)提供參考。

審核編輯黃宇