★设施园艺智能化装备的创新研发★
经过多年的快速发展，中国设施农业面积已占全球的80%左右，高效设施农业是中国当今及今后快速发展的重点领域。然而，中国目前设施农业仍以小规模和劳动密集性的生产为主，劳动力用量巨大、生产管理粗放，诸多环节的作业装备仍为空白，导致设施农业劳动生产率和单位面积产出水平和荷兰、日本、以色列等发达国家相比差距较大。农业劳动力急缺和成本的快速上升使设施生产的“机器换人”已迫在眉睫，同时高品质、高效益、低强度设施生产对精细化、智能化管理作业提出了客观要求。在兄弟科教、推广、生产单位的大力支持下，江苏大学设施农业装备研发团队围绕设施栽培的全程智能装备与技术开展了多年研发，并逐渐形成了种植、基质栽培、水肥管理、植保、运输、收获、作物生长信息监测等的系列智能化装备成果，部分已量产并投入生产应用。文章将对此予以介绍。
蔬菜苗全自动移栽机
育苗移栽是设施果蔬生产中的重要环节之一，也是占用劳动力最多的环节之一，工厂化穴盘育苗和机械化移栽已成为现代设施种植业的基本特征。采用成排取苗，实现低速高效取苗；采用机、电、液、气一体化，简化机构、传动；采用进盘定位、取苗位置、旋杯位置等传感器控制取苗机构、植苗机构、栽植器及穴盘输送机构的协调运动，实现取苗爪、秧箱和栽植器三者的精确定位和配合；基于地面仿形轮感应、高灵敏度弹簧反馈控制液压回路及平面连杆升降机构，创制了一种移栽机地面仿形系统。在此基础上，研制了自走式2行蔬菜穴盘苗全自动移栽机，整机结构紧凑，自动化程度高。取苗成功率大于92%。
高架草莓苗自主移栽机
草莓生产以设施冬季促成栽培为主，其育苗期达到50~70天，苗坨和植株尺寸大大超出常规蔬菜苗。同时，草莓苗移栽还必须满足弓背朝外的特殊要求，且面向高架移栽时狭窄的通道无法实现人工驾乘式移栽。针对长育苗期超大草莓苗、高架特殊栽培作业环境和弓背向外的特殊移栽要求，提出了完全不同于现有各类半自动、全自动移栽机的全新技术方案，提出光电开关阵列圆弧导航、同丝杠打孔让位、便捷一次插拔便捷换盘等新技术。通过与苏州联隆精密机械有限公司、江苏省农科院果树所等的技术合作，成功研发了草莓苗向高架的自主移栽机，实现人工极少便捷介入的全程自主打孔移栽作业。省级样机性能检测结果表明，其移栽的株距、行距、行直线度的变异系数分别为4.67%、6.55%、5.77%，达到了较高的精度，显著高于人工作业。其成功率和移栽效率分别达到了95.3%和1047.8株/h。
温室高架栽培基质智能管理装备
在高架无土栽培中，为避免连作障碍等问题而需要进行架上基质的定期更换和摊填，每667m2栽培高架的基质摊填量达10~12m3，架间搬运、抬升、倒料和摊平环节众多。针对现有高架栽培中的基质摊铺作业仅靠人工完成、劳动量极大等现状，设计了集基质运送、箱内出料、双侧分料落料和均匀摊填为一体的高架栽培配套基质自动移动摊铺机。通过箱内折弯出料、双侧落料与架上摊平的创新设计，解决了箱内基质向上均匀出料及出料-排料协调难题，并实现了对高架竖直方向较大尺寸误差的补偿。试验表明，该机可实现330m2/h的双侧4槽基质精量摊铺作业，能满足100mm高度误差的仿形作业，各槽内基质深度平均误差仅2.01mm，达到了较好的自动移动均匀摊铺效果。同时，开发了与自动移动摊铺机配套的基质自动挖料上料机，实现料堆的自动取料和上料一体作业，可实现超过5L/s的基质装箱效率。
设施园艺水肥智能管理装备
针对温室水肥精确灌施需要，开发了多灌区自动灌溉施肥机。本研究采用脉冲宽度调制技术控制吸肥器，通过调整PWM的占空比、频率等参数，控制母液、酸液/碱液单位时间内的流入量，实现营养液浓度的精确调配；通过营养液余液回收管道，对余液进行回收，采用紫外线和臭氧对余液进行灭菌消毒，按比例添加入新配营养液，提出了基于作物生长信息的营养液管理策略。根据作物株高、茎粗和果实生长速率等生长信息来调整灌溉量和营养液浓度的水肥供应方法，实现依据作物需求进行精确灌溉和施肥。在此基础上，研发了如图4所示的6、4、3通道三类多通道多灌区自动灌溉施肥机。该设备能够实现8个灌溉区的灌溉作业，EC控制误差为0.05mS/cm，pH控制误差为0.01，灌溉量控制误差为0.9%，营养元素配比误差为3.4%。已在江苏省农科院温室基地、江苏农科=院六合基地、广州绿康生产基地等进行了应用示范。
目前国产小型施肥系统，水肥管理粗放，不能达到节水节肥的目的。现有装置大多没有混肥搅拌和沉积排出装置，易发生沉积和堵塞，造成故障率高。针对日光温室、钢架大棚的水肥一体化系统的现状结合种植农艺要求，以轻简化、低成本的、易操控为目标，开发了轻简式水肥一体化装备，如图5所示。
基于远端压力反馈的变频恒压技术实现水肥的精确配比和远端管路的恒压灌溉，解决了中小农户灌溉系统普遍存在的灌溉压力波动较大的问题。通过加装基于EC反馈的自启动母液混肥搅拌和管路定时冲洗等配套装置，降低固体颗粒的沉积，提高营养液的利用效率，减少管道堵塞。在不同钢架大棚与日光温室内的试验表明，该水肥一体化系统能够实现8个灌区作业，水肥调控误差小于5%。能够较好的满足中小农户日光温室的生产需求。在江苏淮安农业科技园区试验示范。
设施园艺智能施药装备
设施栽培环境相对封闭、施药频次大，而中国设施结构不一、栽培品种与规格多样、轮作换茬频繁，客观上要求移动施药装备能够人机分离、小型灵活、通用性强、低量化并灵活适应叶菜、果菜和地面、高架、吊蔓等各类栽培模式。同时，现有施药装备面临作物下层和叶片背面无法得到均匀喷施的问题。为此，开发了遥控式喷筒微风送式小型施药机（图6），车身宽度小于600mm，整机空载重量小于70kg，药液耗量1.5~5L/min，风筒高度、倾角、风速、雾量可调，可灵活适用于各类设施作物和栽培模式。实现全程遥控作业及原地转向，并由侧倾微风扰动实现作物冠层和叶片正背面的均匀喷施。试验表明，其药液沉积密度和均匀性均显著优于现有植保装备，可有效满足我国各类温室、塑料大棚的植保作业需要。该机先后在江苏农科院和苏州、扬州等地进行作业示范和推广，并分别在湖南双峰湘源金穗收割机制造有限公司和镇江胜得机械制造有限公司转化生产。
温室智能化现场运输装备
设施生产的管理环节众多，存在着大量的生产资料和农产品现场转运，特别是果菜收获后的转运往往成为耗费劳动力和影响生产效率的主要问题。现有设施内果菜收获后以轨道式或电动果箱搬运车辆为主，需铺设轨道或人工操纵，且果箱的装卸、果品分选、包装工作量繁重而无法有机配套。团队开发了温室自动分类转运-卸果机器人（图7），宽度小于600mm，在行间遥控和导航行走，利用四分格进行果品的分类转运，单次运输量达80kg，并通过四分格的水平回转与底板-箱门自动响应实现分类的卸果。该自动分类转运-卸果机器人可以和采摘机器人构成主-从协同作业系统，大大提高果菜收获作业效率。
温室智能收获装备
与发达国家加工型果、菜超过70%相比，中国95%的果、菜直接进入市场用于鲜食，设施鲜食性果菜的收获占全部人工的40%左右，成为设施现代化生产的瓶颈。团队开发了基于双目视觉、配置激光切割式末端执行器的自动采摘系统和含全新双伸缩四回转机械臂的采摘机器人（图8），并在快速无损采摘、手眼协调控制、串果减振防脱等研究上形成了鲜明特色。针对双目视觉易受自然环境影响、识别定位算法复杂和机器人作业效率过低的问题，进一步开发了基于腕部消费级RGB-D传感器的小型升降和就近放果型采摘机器人，底盘宽度仅550mm，整机重量低于70kg，并在基于深度信息的快速识别定位和手眼伺服、远近景组合快速采摘等方面实现了重要进展，有望为快速推进采摘机器人技术的实用化打开突破口。
针对目前温室环境没有按照植物生长状况和植物生长的实际需要进行精准控制，造成作物产量不高，运行能耗偏大等问题，提出了利用双位多光谱视觉、特征光谱、红外温度探测等多源信息融合技术进行设施蔬菜的氮、磷、钾营养水平的快速监测技术，以及利用双目视觉图像、激光测距和位移传感器进行植株冠幅、茎粗、株高，以及植株和果实生长速率等长势信息的在线检测技术，实现了温室作物信息的精确获取，开发了移动式和悬轨式检测装备。
自走式作物信息检测装备
针对不同温室作业路况和环境，开发了轮式和履带式检测平台，并开发了二节和三节机械臂系统以适应不同株型和生长期作物的检测需求。
轮式移动检测平台如图9所示，主要由移动平台、机械臂和信息采集传感器组成，通过电磁导航的方式控制移动平台的自主巡航，实现对作物生长和环境的连续采集，三节机械臂的不同展开高度，可以适应不同棵型、生长期的不同高度的作物信息采集需求，结合通过安装在机械臂末端和侧位的多光谱多传感信息采集装置，能实现对作物的长势和营养综合信息的获取。
研发了两节机械臂的履带式移动检测平台，如图10所示。该系统相较于轮式系统车身的稳定好，能够适应不同的温室路面；同时针对生菜等小株型作物，以及苗期作物信息的采集需要，设计了两节机械臂，不仅能够减低平台重心，提高稳定性，同时由于结构相对简单，也提高了平台的作业效率。
基于移动平台的设施多传感监测系统由PLC作为主控单元，其巡航运动控制部分是通过电磁导航传感器、地标传感器、超声避障传感器作为PLC输入，PLC通过导航传感器检测移动平台的行走轨迹是否偏离，结合地标传感器确定是否到达检测位，实现小车巡航的自动轨迹控制。通过预先设定检测路径，规划巡航路线，在满足续航能力的前提下，能够实现多温室和温室集群的定时巡航探测，具有较高的灵活性，能够有效克服分布式系统定点探测的不足。
悬轨式作物信息检测装备
开发了悬轨式作物信息探测系统（图11），将检测系统的悬挂轨道挂载在温室主梁的桁架上，检测装置沿固定在桁架上的滑轨移动实现对作物信息的巡航探测，实现了高大植株探测。基于悬挂式的滑移轨道移动检测平台，通过将多传感器系统安装在悬挂的滑动平台上，结合升降机构和电控旋转云台，不仅能实现沿检测行进方向的精准定位和驻点探测，也能够实现不同探测距离、不同俯视视场和不同探测角的多传感信息巡航探测。既能够对番茄、黄瓜等大棵型植株进行探测，也能够满足对辣椒等小株型植株的探测需求。
作物信息多传感检测技术
作物信息多传感系统包括可见光-近红外双目多光谱相机、红外探测传感器、激光测距传感器以及环境温湿度和光照传感器。采用双目视觉多功能相机结合激光测距传感器，获取植株长势信息；营养特征利用基于前置滤光片组的可见光多光谱成像装置获取；水分探测则采用基于前置滤光片组的近红外光谱，结合冠层红外温度和环境温湿度探测所获取的植株水分胁迫的冠-气温差特征，通过二者的融合校正，可实现对在温室植株水分胁迫状态的精准识别和探测。作物生长信息检测系统经法定机构检测，作物营养信息测量误差≤5%、冠幅检测误差≤1.31%。茎粗检测误差≤6.55、株高检测误差≤2.88%、果实直径检测误差≤4.32%。作物生长和环境信息监测装备与技术已经在江苏、广东、安徽等地试验示范。
江苏大学设施农业装备研发团队围绕设施栽培的全程智能装备与技术开展了多年研发，开发了设施园艺智能种植装备、水肥药智能管理装备、智能化收获与运输装备、作物生长和环境信息监测装备，性能优越，智能化及集成度高，实用性强，所有成果都在示范基地试验示范或推广应用，成果部分已量产并投入生产应用。
9月13日上午，毛罕平老师将在2018设施农业产业大会“设施农业智能装备论坛”做题为《设施园艺智能化装备的创新研发》的报告，敬请大家关注！
作者：毛罕平，刘继展，张晓东，左志宇，韩绿化
( 江苏大学现代农业装备与技术教育部重点实验室）
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