科创中国

行业领域

农、林、牧、渔业

需求背景

我国茶园机械化装备技术研发起步较晚，且大多处于丘陵山区等复杂地貌，现有机具作业功能单一、成本高，主要生产劳动力年龄偏大，缺乏从耕、种、管、收全过程和系统性研究，能最终形成产业化的成型设备少，综合机械化水平不足20%，人工成本占总生产成本80%，并难以满足现代农业发展需要，这些问题严重限制了茶生产全程机械化的发展，制约了茶种植规模化、产业化的发展。开展以农机与农艺融合为主线，对茶园生产作业中关键作业环节技术装备进行机械化、智能化改进，重点突破茶园农机无人化改造核心关键技术，突破北斗导航无人驾驶技术、远距离控制技术、无线图视传输技术、高效静液压机械无极变速传动技术及多传感器信息融合技术，突破茶园自适应施肥自主作业、茶树智能识别、自主喷药、智能采摘等关键技术，研制智能作业装备，进行全程智能化、少人化生产技术装备的集成创新，实现茶园关键环节“无人化作业”，减少人力投入，提高生产效率，实现节本增效。

问题背景：全球农业生产均存在农业从业人员持续减少、人工成本高、传统机械作业质量差等问题，未来谁来种田、怎样种田甚至无人种田问题凸显。现有茶园从事劳动者年龄普遍过大，且无新生青年劳动力加入农事生产中，导致现有茶园“无人可用”的问题急剧增加。而我国约60%以上的茶园分布在丘陵山区的缓坡地带，由于丘陵山区土壤条件、交通状况相对复杂，非标准化的老旧茶园占比较高，并不适合大型拖拉机及机具作业，目前茶叶生产机械化水平总体小于20%。受到复杂地理条件的限制，茶园机械化作业难度大，人工操作机具风险高，所以茶园作业机具大多选用相对小型的传统履带式拖拉机；并且现有基于北斗导航的无人驾驶拖拉机或作业装备，一般都只适用于土地平坦且作业面积广阔无遮挡的平原地区，对于以丘陵山区为主的农作物，因地势复杂、公网信号差、干扰强，无法实现无人驾驶监控作业。由于茶园生产作业功能多样，不但需要地面土壤耕作，还要求地面除草、施肥、喷药、修剪和收获等多环节作业，有时还要求几种作业同时进行，并且需要在此基础上集成无人驾驶功能，但作业环境的复杂性等问题无疑增加了相关装备技术的研发难度。

基于此，传统拖拉机及动力平台在整机布置、动力无级变速传动、无人驾驶控制系统等方面已经不能适应现代茶园生产与管理的需要，亟待通过新技术的集成创新，研制出适合复杂地形作业装备及无人驾驶辅助监控设备，从而实现茶园全过程无人作业，减轻劳动强度、提高生产效率，从根本上打破现代茶园“无机可用，无人可用”的窘迫局面。

需解决的主要技术难题

国外在欧美等发达国家，GPS应用于拖拉机、联合播种机和收割机等已有数年，构建起了十分成熟、完善的作业模式。其中，Thomas Bell等以GPS在农业车辆中的应用为研究方向，在农机上安装了GPS接收机，实现了对农机的自动控制，并得到了良好的控制精度。美国Trimble公司研究了农机在不同坡度区域的自动导航控制，可以自动调节农机姿态角度，能够适应不同的作业环境，实现全天候作业。美国JohnDeere公司在智能化农机领域进行了大量研究，推出了一系列自动导航控制产品，实现了平面区域内农机的直线导航和紧急避障功能。

国内科研院所、高校和企业密切跟踪国外智能农机装备的发展趋势，面向茶园，在农机无人驾驶与自主作业技术方面，对智能农业动力机械、智能装备控制与导航技术、农机装备智能化设计与验证关键技术、农机智能作业管理关键技术等环节进行了专门的研究工作，通过关键技术的集成和示范应用取得了一定的成效。部分技术迭代成熟实现应用，投入农业生产，提高了机械化作业质量和工作效率。目前，国内的农用拖拉机等农机装备多以后装导航定位系统为主，而我国东北地区GPS自动导航定位及驾驶系统等多为进口产品，价格不菲，因此独立研发高精度驾驶系统及导航定位系统产品迫在眉睫。罗锡文等采用GPS和数字罗盘的组合定位方式，开发了插秧机的无人驾驶导航控制系统，试验结果表明横向跟踪误差没有达到理想结果。刘进一采用航位推算原理和惯性测量元件的组合导航方式，并利用PID控制方式设计了农机自动导航控制系统，但是跟踪误差还是很难满足实际需要。四川农业大学吴腾飞等将小型履带式拖拉机的操纵系统改制为遥控系统。湖南农业大学阳帅等人研究设计以可视遥控驾驶系统为主的履带式拖拉机。

茶园种植作物大多为多年生植物，现有茶树已形成固定生长模式，很难按照“无人农场”模式重新栽培种植，即利用现有GPS、BDS（北斗导航系统）标定技术定点种植；同时，现有茶园多以丘陵山区种植为主，周边环境复杂，地块分散且杂乱，作业机具通道经过旋耕、施肥后起伏较大，行进路况复杂多变，且周边信号差、干扰多，现有GPS、BDS导航系统很难实现精准导航控制。茶园作业需求多样，作业对象复杂，目前现有作业机具在不能实现无人驾驶功能的前提下去实现自主作业变为空谈。所以上述研究成果只适用于作业面积大、土地平坦的大规模种植田地，并不适用于以丘陵山区为主的复杂地形地貌，另大部分成果仍处于研究试验阶段，并未有实际推广作业的产品。

期望实现的主要技术目标

习近平：“在新形势下，要着力解决农业发展中存在的深层次矛盾和问题，重点从农产品结构、抗风险能力、农业现代化水平上发力。”

十八大以来，随着一系列富农政策的实施，我国农业发展形势良好，农民收入逐年提高，主要农产品供给充足，即使这次新冠肺炎疫情如此严重，我国社会仍始终保持稳定，粮食和重要农副产品稳定供给功不可没，在看到成绩的同时，也要认识到待解决的矛盾和问题，包括农产品结构需调整；农业产业低于自然风险和经济风险的能力比较弱；与发达国家比，我国农业现代化水平还有存在一定差距；从事农村生产主要劳动力年龄过大、结构简单，无新生青年劳动力输入，从事农业科研人员也面临紧缺，只有通过技术的改革创新才能从根本上解决上述问题，深化农业供给侧结构性改革，补齐农业机械化、智能化的短板，加快新型农业社会化服务体系建设，紧盯问题，持续加力，抓好农业稳产保供和农民增收，推近农业高质量发展，保持农村社会和谐稳定，才能提升农民群众获得感、幸福感、安全感。

我国茶园无人驾驶与自主作业技术研发起步较晚，至今仍没有相关无人驾驶与自主作业装备投放市场使用。茶园生产成本年均涨幅超过10％以上，尤其是人工成本涨幅更为明显，并且随着社会化进程的不断发展进步，茶园种植面积逐年增加，农村劳动力的减少与茶园劳动力需求日益增长的矛盾凸显，从事茶生产的从业者年龄普遍过大，目前只有极少部分中青年劳动力愿意从事茶生产劳动，极大低限制了产业的发展，急需加快推进茶园的无人化发展进程。通过研发智能化茶园作业装备，茶园的部分生产环节实现无人化作业，可以效地减少人工作业成本、解放农村劳动力，促进农村多余劳动力合理有效分配，增加农民收入；同时还可有效地增加抵御自然灾害的能力，提高生产作业能力。茶产业由传统化生产向标准化、规模化、智能化发展，从而达到提高茶产业或从业者经济效益、优化生产成本构成，进一步推进茶产业结构调整。

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