主粮生产作业全过程无人化解决方案——“中国智能制造科技进展”案例展示

进入21世纪，智能制造作为新一代信息技术与先进制造技术深度融合的新型生产方式，已然成为新一轮工业革命的核心驱动力。从自动化生产线到智能机器人，从大数据分析到物联网技术，从机器学习到人工智能的运用，智能制造正在不断推进传统制造业进入一个更加智能、高效、可持续的制造新时代。

2017-2024年，中国科协智能制造学会联合体（IMAC）连续开展“中国智能制造科技进展案例研究”，共遴选出70项“中国智能制造科技进展”案例。成果领域涵盖高档数控机床与基础制造装备、工业机器人、汽车、航空航天、新一代信息技术、纺织、轨道交通、船舶及海工装备、能源装备、工程机械、农业机械、纺织、建筑焊接等制造业重点领域；技术领域涉及工业物联网平台、大数据管理系统、人工智能技术在工厂应用、智能制造设备、柔性智能制造产线、云制造系统、智能工厂、大规模定制平台等。

我们将展示智能制造的科技成果和创新应用，感受智能制造带给制造业的变革与创新。

主粮生产作业全过程无人化解决方案

目前，中国传统主粮农业的生产和组织的方式已经到了变革的拐点，生产中的耕、种、管、收四大关键环节亟需用更集约、更高效的方式进行转型，主粮生产作业全程无人化问题需要破解。目前，智能化、无人化主粮生产相关技术应用是解决主粮农业生产过程中的很多现实问题的关键。

近年来，数字化、自动化、智能化技术在主粮生产领域应用步伐加快，机械化生产与信息化技术深度融合，初步形成了无人化农业概念，引发社会广泛关注。无人化农业系统包括生产信息采集设施、生产作业装备和生产管理平台等三大组成部分，以全过程智能化管控、精准化作业实施为核心，通过数据孪生，指导和驱动主粮农业生产运行，以实现主粮农业生产的降本、高效、精准、绿色。

主粮生产作业全程无人化解决方案，充分利用大数据技术、物联网技术、人工智能技术和智能装备技术等，打通了数据与农机、农业的关联，突破了智能拖拉机自动驾驶、任意曲线行驶控制、协同作业和农具智能控制等关键技术，创制了智能拖拉机、智能收获机、多功能智能辣椒直播机、远程数据采集终端等系列产品，构建了基于大数据的全程无人化作业云服务平台，并在国内率先实现了业务化运行。主要技术创新如下：

1）提出作业任务、环境、资源等多元数据融合方法，实现数据时空匹配；基于动力学原理建立拖拉机和机具田间作业运动模型，实现挡位自动控制、车速自动控制、发动机自动控制、后动输出自动控制、提升系统自动控制、液压输出自动控制、四驱和差速锁自动控制、刹车自动控制、方向自动控制，直线作业精度≤2.5cm。

2）为提高农机自动驾驶覆盖面，研发了不同农艺和不同农田的作业路径规划技术。作业区路径规划，主要面向农田作业区，解决了对角线、之字形、回字形等复杂作业模式的自动驾驶难题；调度区域路径规划，主要面向非农田作业区，解决了农机自动出库，农田道路自动行驶，自动继续作业，自动入库等场景，误差≤20cm。

3）智能拖拉机多机协同技术，在多机协同作业中心完成多机协同的全局协同规划，在终端进行动态局部协同的实时调整并基于多传感器环境感知/安全策略，实现动态避障和无人驾驶多机协同、单机无人自主驾驶及有人、无人驾驶协同。

4）智能拖拉机农具控制技术，通过现代控制理论与神经网络、模糊控制方法，实现发动机、传动系以及农具负载的优化集成控制，以达到作业负荷的合理匹配，提高经济性和动力性；通过构建基于北斗GNSS高精度定位、定向和MEMS数据的航向、位置实时偏差的加权融合算法，保证作业过程中持续、稳定的高精度农机位置、航向，实现了农具的高精度轨迹控制。

5）收获机无人驾驶技术，一是采用多参数融合的作业智能决策与控制方法，以及时滞和多扰动下调控参数的权重优化分配方法，实现收获机工作装置的自动化及智能化控制；二是建立参数自适应优化的收获机器人转向控制模块，实现收获机机器人全程无人化作业，导航作业精度达到±2.5cm。

6）无人驾驶拖拉机与无人驾驶收获机协同作业技术，通过研究运粮车箱边界识别方法、基于车体尺寸以及协同安全距离控制方法，研究领航-跟随主从作业控制模式下卸粮位置控制策略，开发控制系统，实现收获场景无人驾驶收获机与运粮车协同作业控制。

7)应用无人机遥感技术快速准确地获取需要测量的农业生产数据信息，打通数据信息与农机、装备的联系，为农机装备作业提供数据支撑。

8)主粮生产作业全程无人化监控平台，围绕无人驾驶拖拉机、无人驾驶收获机建立监测模型，实时监测无人驾驶装备作业状态，动态研判无人驾驶装备作业性能,动态规划无人驾驶装备行驶路径和操作参数；针对多种无人驾驶装备协同作业的复杂场景，设计多机协同全局路径规划算法和多机协同作业安全算法，确保多机协同作业系统在实际作业环境中工作稳定可靠。

主粮生产作业全程无人化解决方案中的相关技术产品在大田作物自动耕整地、自动起垄、自动小麦、玉米播种、协同收获等多个环节开展了示范应用；在水田作物自动耕整地、自动起垄、自动水稻直播等多个环节开展了示范应用；在经济作物辣椒/小麦套种田块进行自动小麦播种，小麦行间辣椒自动施肥旋耕和自动直播的规模应用。

我国是个农业大国，国家高度重视农业的基础地位及其发展。“农业、农村、农民”的“三农”问题是党和国家最关注的问题，其中农业问题，是关系国家“饭碗”的核心问题，特别是主粮的生产，在面对土地无人耕的窘境下，农机在智能、控制等技术的加持下，可能是有效解决主粮农业生产作业少人化或无人化的唯一有效选项。

装备向自动化、智能化的发展是不可逆的，另外，智能农机是农业场景里的装备，有其特殊性，不同的智能化水平可以解决不同的问题，有较高辅助农业生产实用性。面对技术应用与发展，我国农业装备产业发展面临拓展领域、增加品种、完善功能、提升水平的多重挑战，农业智能装备技术需求将越来越大。本项目可在大面积作业的场景下得到很好的推广应用，实现高效的农机作业，符合我国目前农业全程机械化、智能化的要求，有提供解决国家粮食安全有效方案的社会价值意义，应用前景广大。

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原标题：《主粮生产作业全过程无人化解决方案——“中国智能制造科技进展”案例展示》

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