水稻插秧机智能化发展研究_王亚飞.pdf

引用本文格式王亚飞，武萌，任宁，等水稻插秧机智能化发展研究J农业工程，2022，12（10）：5-8 DOI：10.19998/ki.2095-1795.2022.10.001WANG Yafei，WU Meng，REN Ning，et alIntelligent development of rice transplanterJAgricultural Engineering，2022，12（10）：5-8水稻插秧机智能化发展研究王亚飞1，武萌2，任宁2，靳晨3，吕树盛3（1.浙江省农业机械工业行业协会，浙江 杭州 310021；2.浙江省农业科学院农业装备研究所，浙江 杭州 310022；3.中国农业机械化科学研究院集团有限公司，北京 100083）摘要：我国是水稻种植大国，插秧机在水稻种植中发挥重要的作用。我国对水稻插秧机的研究开始较早，从人力插秧机到智能化插秧机经历了 4 个阶段。为更清楚了解水稻插秧机的智能化发展历程，分析了水稻插秧机的分类、插秧机发展过程、智能化发展进展等方面，并总结了发展趋势。关键词：水稻插秧机；智能化；无人驾驶中图分类号：S223文献标识码：A文章编号：2095-1795（2022）10-0005-04DOI：10.19998/ki.2095-1795.2022.10.001Intelligent Development of Rice TransplanterWANG Yafei1，WU Meng2，REN Ning2，JIN Chen3，LV Shusheng3（1 Zhejiang Agricultural Machinery Industry Association，Hangzhou Zhejiang 310021，China；2 Institute of Agricultural Equipment，Zhejiang Academy of Agricultural Sciences，Hangzhou Zhejiang 310022，China；3 Chinese Academy of Agricultural Mechanization Sciences Group Co.，Ltd.，Beijing 100083，China）Abstract：China is a large country of rice planting Rice transplanters play an important role in rice planting The study on ricetransplanter in China began earlier，and it has probably gone through four stages from manual to intelligent transplanter In order tobetter understand intelligent development，classification，development process and intelligent development progress of rice transplanterwere analyzed At last，future development trend was summarizedKeywords：rice transplanter，intelligence，unmanned driving 0引言我国是水稻种植大国，总产量位居世界第 1 位，种植面积居于世界第 2 位。2019 年播种面积为 2 969.4 万 hm2，产量 20 961.4 万 t；2020 年播种面积为 3 007.6 万 hm2，产量 21 186.0 万 t1。插秧是水稻种植的关键环节，其质量好坏决定着水稻产量，而水稻产量对我国粮食安全具有重要意义。传统插秧主要依靠人工完成，费时、费力，并且无法保证插秧质量。随着农机技术的发展，水稻插秧机逐渐成为水稻种植的主要工具，机械插秧在保证效率的同时，提高了插秧质量。水稻作为我国 4 大主粮之一，耕种收机械化率一直居于小麦和玉米之后，其主要原因为插秧机一直是水稻生产机械化的短板。我国插秧技术虽然发展较快，但与国外发达国家相比，仍有一定差距。近年来，随着国家的关注、技术的发展，插秧机领域出现多重利好，实现了快速发展，但目前水稻种植机械化率一直不高。“十四五”全国农业机械化发展规划提出，到 2025 年水稻种植机械化率达到 65%，插秧机的快速发展是水稻耕种收全面实现机械化的重要前提。目前水稻机械化种植主要分为两大体系：一是直播机械化栽培体系；二是水稻插秧机械化栽培体系2。水稻直播是将种子直接撒到田地的一种种植方式，主要分为水直播及旱直播。直播的优点非常突出，如省地、省水，与机插相比对农艺要求不高；其缺点也非常明显，如作业效率低、人工成本投入较大，以种子的方式播入田地会对出苗率产生影响，种子扎根浅，易出现倒伏现象3。机插秧栽培是将育秧苗和毯状秧苗利用机械插手将其栽插到田地的种植方式。机插秧的工作效率很高，收稿日期：2022-07-15修回日期：2022-09-06作者简介：王亚飞，学士，工程师，主要从事行业技术管理及标准化工作E-mail：第 12 卷 第 10 期农业工程Vol.12No.102022 年 10 月AGRICULTURAL ENGINEERINGOct.2022节水、节肥，秧苗更加整齐，均匀的株间距更利于通风，可以提高或稳定作物产量，但是对农艺技术要求较高。随着技术的发展，插秧机的使用越来越广泛。1分类水稻插秧机通常按照操作方式和插秧速度进行分类。按操作方式一般分为步行式插秧机和乘坐式插秧机，按插秧速度可分为普通插秧机和高速插秧机。步行式插秧机通常为普通插秧机，乘坐式插秧机则既有普通插秧机也有高速插秧机。步行式插秧机一般采用双轮驱动和分体浮板组合方式，采用分置式曲柄连杆机构进行插秧。乘坐式高速插秧机一般采用四轮行走方式，后轮一般为粗轮毂橡胶轮胎，采用旋转式强制插秧机构进行插秧，插秧频率比较快，作业效率比较高。简易乘坐式插秧机一般采用单轮驱动和整体浮板组合方式，采用分置式曲柄连杆机构进行插秧。2发展过程 2.1国外发展过程水稻插秧机在国外的发展与我国相比虽起步较晚，但发展较快，技术相对成熟，应用也较为广泛，如日韩、欧美等国家和地区。日本对水稻插秧机的研究一直走在世界前列，其插秧机的发展大概经历了 3 个阶段，分别为实用插秧机出现前的开发阶段、实用插秧机普及期、乘坐式插秧机到高速插秧机的普及期。日本水稻插秧机的发展，充分体现出农机与农艺的有效结合、实用高效和重视技术创新4-6。韩国的水稻插秧机起步较晚，但是发展较快，技术也较为先进，他们是在引进日本技术的基础上研制自己的品牌，并进行发展。欧洲、美国、澳大利亚等国家和地区主要采用机械直播的方式，省去了育秧和移栽环节，相对比较经济高效。2.2国内发展过程我国对水稻插秧机的研究始于 20 世纪 50 年代，从人力水稻插秧机到智能化插秧机经历了 4 个阶段7-11。2.2.1人力水稻插秧机我国从 20 世纪 50 年代开始研究水稻插秧机，从“清水秧”插秧机到纵分直插分秧原理的探索成功，证明了机械插秧的可能性。随着广西 65 型人力夹式插秧机和东风 2S 型梳式机动插秧机先后投入使用，中国的插秧机在世界上产生了深远的影响。2.2.2机动水稻插秧机20 世纪 80 年代我国开始引进国外先进技术开展试验和研究，与日本和韩国合作，引进其插秧机技术，并与日本和韩国的企业成立合资公司。进入 21 世纪后，我国政府加大了对水稻种植机企业的投入和扶持，并出台了一系列推动措施，实现了我国插秧机从步行式向高速乘坐式的发展。步行式和乘坐式是我国目前主要的两种机型，其中步行式由于作业较为灵活，适用于小田块作业。乘坐式插秧机主要分为独轮水稻插秧机和四轮水稻插秧机，独轮水稻插秧机操作相对简单，在我国的应用较为广泛。四轮水稻插秧机对技术水平和田间环境要求相对较高，作业效率高，但灵活性差，适用于大面积作业。随着科技进步，一些先进技术逐渐应用到乘坐式插秧机中，如秧箱采用组合折叠式并搭载无级变速行走装置及电子平衡装置，可使用户高效完成高标准的插秧作业；液压控制技术很大程度减轻了用户的劳动强度。虽然近年我国在该方面技术取得大幅提升，但机器稳定性还有待提高。2.2.3复合式水稻插秧机随着先进技术的发展，复合式水稻插秧机逐渐成为插秧机行业的主流产品，其中同步侧深施肥插秧机是重点发展领域，是全程机械化生产的重要环节，也是“中国制造 2025”中主要产品专项的重点技术内容，对促进水稻生产全程机械化节本增效起到积极的促进作用。水稻侧深施肥插秧机是在水稻机械插秧的同时，按照农艺要求一次性将肥料按量施在稻苗根侧下方泥土中，为水稻的高产、稳产创造了条件，并可降低肥料对周边水系的污染；肥料施入土壤后，挥发和随水流失极少，能充分发挥肥效，一般肥料利用率可提高20%30%，氮肥利用率可提高 35%。另一方面，施肥量准确，并可根据地力情况基于测土配方结果调整氮、磷、钾比例，起到增产效果。2.2.4无人驾驶水稻插秧机随着乘坐式插秧机的发展，水稻种植率得到大大提升。但乘坐式插秧机需要机手和上秧手，对插秧机的动力有一定要求，同时随着农业人口的减少，对无人机的需要越来越迫切。我国对无人驾驶插秧机的研究起步相对较晚，但北斗导航系统的快速发展，推动了无人驾驶插秧机的进步。通过卫星导航，可进行定位和参数设置，系统可自行规划最优路线。插秧机通过规划可实现自动播种秧苗、智能避障、掉头转弯等无人作业。无人驾驶插秧机由于不受驾驶员体力限制，机器稳定性较高的情况下可大幅提高工作时间，进而提高插秧机自动化水平和作业效率。3智能化发展 3.1国外进展水稻插秧机经过几十年的发展，逐渐从人力阶段进入到智能化阶段，其中日本、韩国始终走在技术前列，6 农业工程装备与机械化 从 20 世纪 60 年代开始，高校、企业、科研单位对插秧机进行研究，并于 90 年代研发出一套基于导航技术的无人驾驶水稻智能插秧机12。其导航系统包括 GPS-RTK 装置、姿态传感器、视觉传感器和中央处理器。通过接收卫星信号，动态补正传感器提高中心位置测定精度，精准控制作业速度、排间秧苗行距误差、直线行驶准确度标准偏差等13。美国插秧机智能化发展也较快，约翰迪尔公司将其研发的自动导航系统用于插秧机无人驾驶系统中，可通过卫星信号对移动站设备进行精准定位，实现插秧机自动对行，并可实现不同机器间的联网14。3.2国内智能化发展 3.2.1研究现状与国外相比，我国在插秧机智能化方面起步较晚，但随着计算机与网络技术的发展，农业技术与先进的电子信息技术的结合加快了插秧机智能化发展步伐。通过计算机网络技术，完成插秧机终端与后台服务器、操作端之间的数据传输，实现对插秧机工作的远程控制和运行参数监控，进而可实现对插秧全过程的监控。通过数据传送实现操作的智能化，改善了作业人员工作环境，提高了插秧质量和效率。近 10 年来随着北斗导航技术的发展，智能插秧机取得了较大的突破，大多数插秧机品牌已接入基于北斗终端应用技术的自动导航及辅助驾驶系统，以实现插秧的智能化操作，同时一些高速插秧机中也有一部分搭载了自动导航和辅助驾驶系统15。如江苏沃得农业机械股份有限公司开发的 2ZGF-6 型乘坐式高速插秧机搭载卫星定位导航自动驾驶系统，利用工况检测系统，提高了插秧过程中的可视化标准，保障了作业的安全性。插秧机无人驾驶系统作为农业机械自动化发展的一个重要分支，能够使插秧机自动按要求完成生产任务，通过路径规划及无人驾驶控制系统实现插秧机的智能化工作目的，进而将驾驶员从原有的高强度工作中解放出来，从操作者变为管理者。随着高速插秧机的快速发展及北斗导航系统的完善，无人驾驶插秧机成为未来主要的发展趋势。如丰疆智能高速插秧机采用先进的网络通信技术及尖端的智能算法，集成多种精密传感器，结合传统的机械自动化，实现各种田况下的自动导航无人驾