科创中国

无人智慧果园选址位于平谷区峪口镇西营村，50亩桃园。已实现水肥药远程管控，土壤信息状态获取，病虫害测报及无人作业预期目标。

为实现平谷大桃生产专业化，企业化，降低生产成本，项目组在未来果园引入大型高效作业机械，覆盖整地、疏花疏果、追肥、施药、采摘等系列生产环节，利用空中及地面无人机可获取作物全程的生长状态信息。开沟施肥机可实现开沟施肥回填及树行下除草等功能。疏花疏果是果树生产中一项重要技术措施，用于保障果品质量。传统人工疏花疏果耗时费力，而通过使用疏花疏果机，保证疏花疏果效果同时极大降低了人力投入，有效节约了生产成本。

自行研发多款智能无人施药装备，结合无人机施药技术，可实现空地结合的病虫害防治。实现人机分离，人药分离，有效保障作业人员的人身安全，避免人员中毒情况发生。结合高精度北斗卫星定位技术，机具可实现自主导航，完全依据预先规划的路径行驶，无需人员操控，提高作业质量，减少人力投入。机具采用压力可调的变量高压喷头，并搭配风送技术，可实现良好穿透性及分布均匀性，提高农药利用率，相比于传统的喷枪施药可省水省药50%以上。

研发的手眼采摘机器人通过深度相机识别获取果实的相对坐标，并通过自主开发的效应器执行采摘任务，可连续不间断作业，有效降低采收过程的人力成本，提升生产效率，保证果实在采收过程中不受损。项目组研发的智能物联网防冻机可以融合实时温度传感器获取的温度数据和物联网平台下发的指令，防冻机将下方冷空气吸入，经过加热后喷出，从而形成以防冻机为中心的圆形温热圈，从而对范围内的果树起防霜作用。

田间架设多种固定的传感器用于获取田间作物状态信息。小型气象站可获取记录空气温湿度、光照、降水等信息，指导灌溉，进行短期降雨降温及冰雹预测，提前发出预警，提醒采取防雹防冻措施，降低经济损失的风险。埋设于土壤中的土壤环境监测系统可监测土壤状况并通过大数据平台展示，为管理人员的生产决策提供数据支撑。通过对果园进行视频监控摄像头布局，对整个种植过程中的各个环节进行监控。同时通过远程环境监控能够方便管理人员对果树生长状况进行监测并遥感获取病虫草害信息。对现场数据信息和图像信息的获取、备份和分析处理，也为以后利用获取生物信息提供了必要的基础条件。物联网智能杀虫灯及虫情测报站可吸引并杀死害虫，拍照上传到系统后台，进行虫害识别和测报。杀虫灯利用特定波长的灯光吸引害虫，绿色无污染，太阳能供电，架设方便。

项目组开发的手眼采摘机器人通过对单个机械臂建模，对其工作空间、正运动学、逆运动学进行分析，最后在实际环境中对多机械臂协同控制，了解多机械臂工作空间的分布、交叠。将每一部分采摘顺序转换成旅行商问题，并选取合适的算法对机械臂的采摘路径进行优化，提高系统整体的采摘效率。对机械臂每部分采摘顺序进行优化，大大缩短了机械臂遍历路径，提高了机械臂的采摘效率。

果园智能防冻机研制主要包括结构设计、基于群智能优化算法的结构优化和工作参数优化和控制系统开发，并对防冻机的流场特性进行探究和分析。通过理论分析和数据仿真，一方面，根据梨树冠层特征，对防冻机的结构参数进行优化；另一方面，探究了防冻机在实际梨园中收到自然风影响的工作区域，并根据所需要的覆盖范围，获得了不同外界参数（环境温度和环境风速）对应的不同工作参数（出口温度和出口风速）。后期将基于优化结果实习防冻机工作参数的自动调节控制，对于构建智慧果园无人农业作业具有实际意义。智能防冻机与手眼协同采摘系统的开发填补了国内智慧果园项目的空白。

项目构建了农业一张图系统，主要包含农业田块监测平台、农业可追溯平台和农田指标可视化平台三个子系统，项目组突破了不同传感器及控制器接口通讯协议不同的技术难点，将上述农业机械及传感器网络接入了农业一张图系统，实现了无人智慧果园的统一管理。系统在后台汇总并记录各传感器的历史信息，将各个系统紧密集成，各系统不仅能运行并采集数据，还能通过后台预设的作物模型，融合多传感器信息来指导生产。通过架设固定的土壤墒情传感器及土壤氮磷钾传感器来获取土壤墒情及营养状况，采集的数据结合平谷大桃生长模型来计算出水肥一体管理系统的施肥量，实现水肥一体的精准控制。结合架设的病虫害测报系统和气象信息进行病虫害预报，生成喷雾处方图，由智能无人施药装备进行施药

。

智慧果园的建设实现了生产管理的远程化、自动化，生产管理更加高效，提高了单位时间的生产效率。有效降低了人工成本和农资成本，实现经济效益提升32.5%。农业物联网装备体系的推广应用将有效解决现在智能农业系统设施的不足，另外，通过系统中的智能监控预警功能，能够及时有效的预防、治理相关农业灾害的发生，为农产品的丰收保驾护航。借助物联网、大数据和智慧农业技术应用，该项目的实施将大大提高农产品的生产技术水平，也大大改善了周围的生态环境，把精准扶贫、精准脱贫与保护生态紧密结合起来，对于建设美丽乡村、美丽中国有着重大的实际意义。

目前国内智慧果园建设增长迅速，但大部分智慧果园项目尚未包含完整的管理平台和作业机具。经济技术发展及当今生产中面临的劳动力短缺等问题都指出了智慧农业及无人农机装备是必然的发展方向，我们通过本文介绍我们基于对当前智慧果园的理解而建设的智慧果园整体架构和技术实现细节，为智慧果园的推广起到先行示范作用。

何雄奎，中国农业大学二级教授，博士生导师。现任中国农业大学农业无人机系统研究院院长、药械与施药技术研究中心主任、国际标准委员会植保机械与施药技术分委员会委员。负责项目中整体架构设计、空地协同作业系统开发、手眼采摘系统开发等工作。近5年主持多项国家自然科学基金项目和国家重点研发计划项目课题。排名第一获省部级科技奖励6项。获发明专利56项，主编专著15部，发表论文130余篇，制定国家、行业与地方标准13项。

刘亚佳，中国农业大学理学院副教授，博士生导师。参与项目中植保机械与施药技术研发，参与主持了国家自然科学基金项目、京津冀协同创新重大专项“高效节药植保装备研发与示范应用”、国家重点研发计划项目等项目。2016年至今国家梨产业体系机械化岗位团队成员。获专利11项，发表SCI/EI论文20余篇。获省部级科技奖励4项。

宋坚利，中国农业大学理学院副教授，博士生导师；现任中国农业大学农业无人机系统研究院副院长、中国植保学会植保机械与施药技术专业委员会秘书长、中国农药发展与应用协会植保机械与施药技术专业委员会秘书长、国家航空植保科技创新联盟副秘书长、国家农业自走式植保机械科技创新联盟副秘书长。主要从事项目中果园风送低量喷雾设备的研制，植保无人机喷雾系统开发、植保无人机作业性能测试与施药技术优化等工作。主持国家重点研发计划课题、国家自然科学基金、国家“863”项目课题等科研项目等11项，以第一作者或通讯作者发表SCI论文20余篇，获国家发明专利3项，获得省部级以上科研奖励2项。

王昌陵，中国农业大学理学院应用化学系讲师；中国农业大学农业无人机系统研究院办公室主任，兼任国际标准化组织植保机械与施药技术委员会植保无人飞机标准工作组、国际经济合作与发展组织植保无人飞机工作组、全国农机标委会植保无人飞机国际标准国内工作组成员。项目中负责高效精准植保机械与施药技术，长期从事农药喷施高效利用机制、智能施药系统、沉积飘移行为及测试方法研究。主持国家自然科学基金青年科学基金、中国博士后科学基金面上项目等项目5项，在国内外学术期刊公开发表论文25篇，授权专利2项、制定标准3项。

智慧果园的建设实现了生产管理的远程化、自动化、部分作业装备实现了智能化作业，生产管理更加高效，提高了单位时间的生产效率，有效降低了人工成本和农资成本，自动化的作业系统提升了作业质量，实现了经济效益提升。智慧果园自2020年运行以来，减少人力成本50%以上、农药用量减少30-40%、肥料用量减少了25-35%、灌溉用水量减少了60-70%、果品质量大大提高、综合经济效益提升32.5%。农业物联网装备体系的推广应用将有效解决现在智能农业系统设施的不足，智能化装备覆盖了生产过程中的信息获取、生产决策、田间管理和作业装备及采收后的储存运输过程。通过系统中的智能监控预警功能，能够及时有效的预防、治理相关农业灾害的发生，为农产品的丰收保驾护航。该项目借助物联网、大数据和智慧农业技术应用，将大大提高农产品的生产技术水平，一定程度上缓解了劳动力老龄化带来的短缺问题，也大大改善了周围的生态环境，把精准扶贫、精准脱贫与保护生态紧密结合起来，对于建设美丽乡村、美丽中国有着重大的实际意义。更高的农业机械化水平可以有效减少人力投入，降低生产成本。相比于传统的人力喷洒，一台空中施肥施药无人机在植保作业及施肥中可替代约十五个人力，一台地面智能喷雾机可替代约二十个人。省工省力的同时可减少约50%的农药及化肥投入，高效的施药技术增加了冠层中的沉积，减少了飘移污染。远程信息监控系统可获取水肥药及病虫害信息，同时实现了大部分生产环节的无人作业。目前的未来果园中使用了多种先进技术，投入较大，起到了很好的对未来机械化程度高的生产示范效应，整合多家高校企业的资源，形成了一个未来果园的模板，进一步完善并降低成本后可以很好的进行推广示范。

目前无人智慧果园关键装备技术研发与应用项目已投入超500万元，项目后续推广通过技术入股的方式进行，对传统果园的升级改造费用需进行现场调研并提供针对性的资金需求。后续推广过程中将针对柑橘、芒果等种植面积广、产值高的典型热带作物进行，通过对传统果园增设传感器，在现有农机具基础上开展智能化、无人化改装，来实现无人、高效的精准化生产。