農(nóng)田“外掛”，湖北造！

編者按

智能農(nóng)機(jī)裝備是發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的新質(zhì)生產(chǎn)力。

春耕時(shí)節(jié)，一批湖北造農(nóng)業(yè)機(jī)器人走出實(shí)驗(yàn)室，解鎖農(nóng)業(yè)生產(chǎn)新場(chǎng)景，耕耘希望的田野。

01

激光一掃 瞬間除草

華工科技研發(fā)團(tuán)隊(duì)在云南測(cè)試第二期智能激光除草機(jī)器人。 （華工科技供圖）

湖北日?qǐng)?bào)全媒記者 魏萌葉 通訊員 游茁瑞

“苗間除草是國(guó)產(chǎn)智能農(nóng)機(jī)亟待突破的關(guān)鍵技術(shù)?！?月16日，華工科技市場(chǎng)部負(fù)責(zé)人朱偉道破研發(fā)“全天候智能激光除草機(jī)器人”的重要意義。

除草，是農(nóng)業(yè)種植中的關(guān)鍵一環(huán)。農(nóng)藥除草隱患多，人工除草又成本高，激光除草應(yīng)運(yùn)而生。激光除草的原理是在雜草幼苗期，通過(guò)激光照射葉片分瓣處，使草葉表面水分迅速蒸發(fā)并瞬間氣化，從而破壞雜草內(nèi)部葉綠素，抑制雜草生長(zhǎng)。這種除草方式不耗費(fèi)人力，幾乎零污染，顛覆了傳統(tǒng)除草作業(yè)方式。

早在2018年，華工科技總經(jīng)理董義一行在美國(guó)參加行業(yè)交流大會(huì)，發(fā)現(xiàn)美國(guó)一家農(nóng)業(yè)科技公司正在著手研發(fā)激光智能除草機(jī)器人。

3年后，這家美國(guó)公司正式推出了一款自動(dòng)激光除草器，準(zhǔn)確率達(dá)亞毫米級(jí)別。

“我們不能再等了?！倍x告訴湖北日?qǐng)?bào)全媒記者，2022年他們找到哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，開始合作研發(fā)國(guó)產(chǎn)激光除草機(jī)器人。

為了加快進(jìn)度，該項(xiàng)目采取“雙軌”模式，即哈工大和華工科技各自成立研發(fā)團(tuán)隊(duì)，采用不同的算法路徑開展研發(fā)，并在實(shí)驗(yàn)進(jìn)展中交流互鑒，以節(jié)約時(shí)間成本。

2024年6月，我國(guó)第一臺(tái)國(guó)產(chǎn)激光除草機(jī)器人落地黑河市愛輝區(qū)。該激光除草機(jī)器人搭載的探照燈亮度，是地表太陽(yáng)光的強(qiáng)度的三倍，工作時(shí)能夠確保影像的清晰度，可實(shí)現(xiàn)24小時(shí)全天候作業(yè)。

第二期智能激光除草機(jī)器人。 （華工科技供圖）

如何讓機(jī)器人在大田中，看得清雜草、打得準(zhǔn)幼芽且行走得穩(wěn)當(dāng)，才是應(yīng)用中的難點(diǎn)。董義解釋，激光除草主要在雜草幼苗期進(jìn)行。許多植物在幼苗期形態(tài)十分相似，加上天氣、光線、田塊高低情況不同，“很可能機(jī)器人碾到一個(gè)石塊，搭載的激光設(shè)備一抖就會(huì)導(dǎo)致打偏?！?/p>

董義說(shuō)，此前國(guó)內(nèi)無(wú)人踏足過(guò)這片領(lǐng)域，手中掌握的田間雜草影像數(shù)據(jù)極少。經(jīng)過(guò)第一期在黑河的實(shí)驗(yàn)反饋，調(diào)試后第二期機(jī)器人已經(jīng)在云南下地。

“從云南煙葉地的實(shí)驗(yàn)來(lái)看，一次除草率已經(jīng)達(dá)到90%?！比A工科技副總工王亮剛從云南試驗(yàn)田返回武漢，他表示，目前他們研發(fā)的第二期激光除草智能機(jī)器人體積比第一期更小，準(zhǔn)確率也比第一期更高。

王亮告訴記者，目前華工科技的技術(shù)水平已經(jīng)達(dá)到了有效激光除草，現(xiàn)在他們的研發(fā)重點(diǎn)是如何將一次除草率提升至95%。預(yù)計(jì)在2026年，華工科技和哈工大合作研發(fā)的國(guó)產(chǎn)“全天候智能激光除草機(jī)器人”可以實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

02

橘園采摘 手到果落

機(jī)器人輕松采摘柑橘。（湖北日?qǐng)?bào)全媒記者 汪彤 攝）

湖北日?qǐng)?bào)全媒記者 汪彤

4月16日，武漢氣溫直逼30℃。走進(jìn)華中農(nóng)業(yè)大學(xué)數(shù)字化果園試驗(yàn)基地，正是晚熟柑橘成熟季，該校工學(xué)院副教授鮑秀蘭和學(xué)生們把一筐剛采收的新鮮柑橘運(yùn)出基地?！敖裉煺涕儆悬c(diǎn)熱，還好我們有幫手。”鮑秀蘭笑著說(shuō)。

在她的指引下，湖北日?qǐng)?bào)全媒記者進(jìn)入果園深處，只見一人多高的機(jī)械臂正勻速揮向掛滿柑橘的枝頭，用最前端的“爪子”抓住果實(shí)，緊接著咔嚓一聲，果實(shí)就從枝頭剪下，放入果筐內(nèi)。

鮑秀蘭介紹，這是團(tuán)隊(duì)正在研發(fā)的第二代柑橘采摘機(jī)器人樣機(jī)，目前進(jìn)入定型試驗(yàn)階段，平均7.2秒摘一顆果，成功識(shí)別率超96%，有望解決果園采摘工難請(qǐng)問(wèn)題。

采摘是果園最繁瑣的生產(chǎn)環(huán)節(jié)之一。近些年，蘋果采摘機(jī)器人、獼猴桃采摘機(jī)器人相繼問(wèn)世，柑橘采摘機(jī)器人研發(fā)仍是業(yè)界難點(diǎn)。鮑秀蘭解釋，相比其他果樹，柑橘采摘環(huán)境更為復(fù)雜，果實(shí)容易被枝葉覆蓋，機(jī)器人如何快速識(shí)別與定位是研發(fā)難點(diǎn)。

記者看到，機(jī)器人身體中間有個(gè)黑色的激光雷達(dá)，“爪子”上方有個(gè)黑色的深度相機(jī)。它們相當(dāng)于機(jī)器人的“眼睛”和“大腦”，不僅能通過(guò)顏色和點(diǎn)位，迅速獲取柑橘位置信息，而且能對(duì)果樹進(jìn)行數(shù)字化建模，通過(guò)三維避障算法，自主規(guī)劃采摘路徑。

機(jī)器人輕松采摘柑橘。（湖北日?qǐng)?bào)全媒記者 汪彤 攝）

機(jī)器人的“爪子”采取的是剪切夾持一體化裝置，先抓后剪，分兩步完成采摘過(guò)程?？蒲腥藛T通過(guò)反復(fù)力學(xué)試驗(yàn)，找到最佳握力值，讓機(jī)器人的采摘力度剛剛好，不傷果。它的動(dòng)力裝置用的是新能源電池，充一次電能夠工作6小時(shí)。

機(jī)器人采得快不快、準(zhǔn)不準(zhǔn)，關(guān)鍵就在于算法控制。2022年，第一代采摘機(jī)器人樣機(jī)試驗(yàn)時(shí)，它只能識(shí)別單個(gè)柑橘，面對(duì)一簇柑橘時(shí)，便無(wú)從下手。自主規(guī)劃路徑時(shí)，它也總是簡(jiǎn)單粗暴地選擇直線距離最短的路，經(jīng)常與樹枝發(fā)生碰撞，導(dǎo)致果實(shí)受損。

科研人員便守在柑橘產(chǎn)區(qū)，讓有經(jīng)驗(yàn)的果農(nóng)帶上可記錄手勢(shì)動(dòng)作的傳感器，采集不同采摘環(huán)境下人體運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。利用數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)機(jī)器深度學(xué)習(xí)，不斷生成、改進(jìn)，逐漸形成一套動(dòng)作捕捉系統(tǒng)，機(jī)器人變得“聰明”起來(lái)，采摘時(shí)間從最初的幾十秒縮短至10秒內(nèi)，采摘軌跡也越來(lái)越平滑。

鮑秀蘭介紹，目前他們還在研發(fā)一種更接近人手的關(guān)節(jié)式末端執(zhí)行器，進(jìn)一步提高采摘效率。針對(duì)不同果園作業(yè)需求，在機(jī)器人的底座開展單臂和多臂裝置試驗(yàn)。同時(shí)，與柑橘種植專家合作，通過(guò)農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝結(jié)合，加強(qiáng)果樹的修剪管理，減少果樹樹枝數(shù)量，使得果樹只有少量主要枝干，果實(shí)主要分布在果樹外圍表面，減少過(guò)密成簇的果實(shí)出現(xiàn)，進(jìn)一步提高柑橘采摘機(jī)器人的采摘準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

“雖然它目前的工作效率還比不過(guò)一個(gè)熟練的采摘工，但是通過(guò)持續(xù)數(shù)據(jù)采集、提高算力，超越指日可待?！滨U秀蘭很有信心。

03

豬舍遛彎 可測(cè)體溫

專家在實(shí)驗(yàn)室開展巡檢機(jī)器人作業(yè)試驗(yàn)。 （湖北日?qǐng)?bào)全媒記者 汪彤 攝）

湖北日?qǐng)?bào)全媒記者 汪彤

在武漢市江夏區(qū)紅之星農(nóng)牧機(jī)械有限公司養(yǎng)殖基地，有一棟特殊的豬舍——天花板上鋪滿軌道，養(yǎng)殖人員一般不進(jìn)去，想知道豬的數(shù)量、體溫，通過(guò)電腦遙控一只藍(lán)色的方匣子沿著軌道走一圈即可。

這只神奇的方匣子是該公司與湖北工業(yè)大學(xué)聯(lián)合研發(fā)的豬舍巡檢機(jī)器人樣機(jī)，通過(guò)軌道自動(dòng)巡查，可實(shí)現(xiàn)生豬盤點(diǎn)、生豬測(cè)溫等功能，為規(guī)模化養(yǎng)殖場(chǎng)精細(xì)養(yǎng)殖提供技術(shù)支持。

4月24日上午，湖北日?qǐng)?bào)全媒記者在湖北工業(yè)大學(xué)工程機(jī)械實(shí)驗(yàn)室，近距離觀察豬舍巡檢機(jī)器人工作場(chǎng)景。

在生豬養(yǎng)殖過(guò)程中，豬群健康狀況管控、養(yǎng)殖管理狀況監(jiān)管，每天需要飼養(yǎng)員、養(yǎng)殖技術(shù)人員現(xiàn)場(chǎng)巡查欄舍發(fā)現(xiàn)并及時(shí)地治理。但依靠人工現(xiàn)場(chǎng)巡查，防疫風(fēng)險(xiǎn)高、工作效率低、存在監(jiān)管漏洞。2023年，我省啟動(dòng)農(nóng)機(jī)裝備補(bǔ)短板核心技術(shù)研發(fā)項(xiàng)目，將智能化生豬養(yǎng)殖關(guān)鍵技術(shù)與裝備研發(fā)及推廣應(yīng)用納入其中，豬舍巡檢機(jī)器人等新裝備研發(fā)正式啟動(dòng)。

巡檢機(jī)器人360度全景監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)。（湖北日?qǐng)?bào)全媒記者 汪彤 攝）

“養(yǎng)殖人員坐在電腦前，通過(guò)智慧養(yǎng)殖機(jī)器人管理系統(tǒng)，就能操控機(jī)器工作?！焙惫I(yè)大學(xué)副教授劉明勇介紹，巡檢機(jī)器人身上配備了可見光攝像頭，能實(shí)時(shí)將周邊360度全景畫面?zhèn)鬏斨林腔酃芾硐到y(tǒng)，盤點(diǎn)豬群。

原來(lái)，科研人員通過(guò)向智能管理系統(tǒng)輸入幾千張形態(tài)各異的生豬照片，廣泛采集生豬形態(tài)信息，讓機(jī)器深度學(xué)習(xí)，形成數(shù)據(jù)模型，讓它不但能識(shí)別出生豬，還能數(shù)得清生豬數(shù)量。未來(lái)，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)一步豐富，還可實(shí)現(xiàn)生豬估重功能。

巡檢機(jī)器人身上另一“神器”是紅外測(cè)溫儀。劉明勇說(shuō)，它可提供體溫監(jiān)測(cè)功能，早期發(fā)現(xiàn)豬的潛在健康問(wèn)題。

機(jī)器人不但能及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，還能自動(dòng)生成“值班總結(jié)”。記者看到，打開智能管理系統(tǒng)，盤點(diǎn)監(jiān)控、溫度監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析等模塊內(nèi)容一應(yīng)俱全，為養(yǎng)殖人員提供決策參考。

劉明勇介紹，目前巡檢機(jī)器人的試驗(yàn)軌道距離15米、作業(yè)范圍約50平方米，即7個(gè)欄位、30頭豬。他們將持續(xù)跟蹤試驗(yàn)結(jié)果，根據(jù)企業(yè)反饋，不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)，擴(kuò)大試驗(yàn)規(guī)模，盡快在規(guī)模豬場(chǎng)開展試驗(yàn)。

04

“坦克”噴藥 靈活自如

噴藥機(jī)器人在大棚內(nèi)高效率地噴藥。 （湖北日?qǐng)?bào)全媒記者 汪彤 攝）

湖北日?qǐng)?bào)全媒記者 汪彤

“滴滴滴……”4月20日下午2點(diǎn)半，南漳縣田家營(yíng)鎮(zhèn)，金美科林農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司大棚內(nèi)，一輛白色的微型“坦克”行駛田間，到處彌漫著水霧。

“厲害吧！這是自動(dòng)噴藥機(jī)器人，一小時(shí)能噴20畝地，效率是人工的20倍?！辈倏貦C(jī)器的基地負(fù)責(zé)人敖濤說(shuō)。

金美科林是一家設(shè)施農(nóng)業(yè)企業(yè)。過(guò)去，打藥是最令敖濤頭疼的事?！按笈锢锉葢敉鉄?，工人背著四五十斤重的藥桶，在里面不停走?！彼f(shuō)，基地請(qǐng)人打藥，得120元一天。人工打藥效果也打折扣，稍一疏忽，有的地方打多了，有的地方打漏了。

“金美科林的苦惱也是當(dāng)前我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的痛點(diǎn)之一。”湖北文理學(xué)院創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育學(xué)院副院長(zhǎng)秦濤介紹，隨著植保無(wú)人機(jī)推廣使用，大田作物植保機(jī)械化率逐步提升，可設(shè)施農(nóng)業(yè)受大棚空間限制，依然依靠人工施藥作業(yè)。

兩年前，校企雙方一拍即合，決定聯(lián)合開發(fā)自動(dòng)噴藥機(jī)器人。“原理并不難，關(guān)鍵要能適應(yīng)大棚作業(yè)條件?！鼻貪龍F(tuán)隊(duì)一頭扎進(jìn)大棚，開展機(jī)具設(shè)計(jì)。

大棚內(nèi)空間狹窄。他們將機(jī)器設(shè)計(jì)為履帶式，機(jī)身大小剛好通過(guò)棚內(nèi)通道，方便行進(jìn)。作物種植模式各異，有的生長(zhǎng)在地上，有的懸掛在空中。起初，機(jī)器僅左右兩側(cè)設(shè)置八個(gè)噴頭，后來(lái)頂部又安裝了一根最高至3米、最長(zhǎng)至1.3米的可調(diào)節(jié)伸縮臂，用來(lái)連接噴藥桿，擴(kuò)大噴灑范圍。

噴藥機(jī)器人在農(nóng)田高效率地噴藥。 （湖北日?qǐng)?bào)全媒記者 汪彤 攝）

秦濤團(tuán)隊(duì)還在機(jī)器身上搭載了傳感器、北斗導(dǎo)航系統(tǒng)和高清攝像頭，通過(guò)遙控器控制，使機(jī)器人一開機(jī)就能按照預(yù)設(shè)路線均勻噴灑，并適時(shí)避障。

去年9月，自動(dòng)噴藥機(jī)器人在基地大棚正式上崗。敖濤算了一筆賬，相比傳統(tǒng)噴霧器打藥方式，機(jī)器人每畝可節(jié)省農(nóng)藥、人工1100余元，一年下來(lái)可降本6萬(wàn)元左右。

當(dāng)前，秦濤團(tuán)隊(duì)正在為機(jī)器人設(shè)計(jì)配套智能控制軟件，收集當(dāng)?shù)乩苯?、西紅柿常見害蟲種類圖像數(shù)據(jù)。未來(lái)，機(jī)器人在行進(jìn)過(guò)程中，可實(shí)時(shí)采集農(nóng)作物蟲害照片傳入軟件，通過(guò)圖像識(shí)別技術(shù)，幫助種植戶不下田也能準(zhǔn)確判斷蟲害種類，實(shí)現(xiàn)對(duì)癥下藥、精準(zhǔn)施藥。

詳見4月25日湖北日?qǐng)?bào)八版>>