从农业机械化到农业自动化与智能化
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精确农业的思想依据：农业生产条件的空间差异性 精确农业的作业方式:据作物个体或小群体的需要进
行作业
精确农业的技术支撑：现代电子技术、计算机技术 等高新技术,是信息技术和人工智能技术在大农业中 的宏观和微观应用
精细农业实践的 5 条规则 : 按正确的时间
以正确的数量
在正确的地点
农业智能化及农业机器人发展展望
虽然已有一些智能人技术和装备在农业 生产上得到了应用，但农业的智能化技术 和包括农业机器人在内的智能化系统和装 备大部分尚处于研究、试验阶段。
农业智能化和农业机器人的发展速度从技术方面来说 取决于下面问题的解决速度
作物生长环境的机器诊断和识别 作物生产状态的机器诊断和识别 作物生长要求的定量化研究和检测 机器运行的最优化条件及调控方法 农业移动机器人的导航技术 农业机器人作业对象的识别与定位 农业机器人终端执行机构 计算、通讯与控制技术
（1）导航信息获取 （2）工作目标信息获取 （3）工作状态信息获取
农业机器人的作业机构
根据农业机器人的作业机构与普通农业机械作 业机构的差异，可将农业机器人的作业机构分为两 类。 （1）常规作业机构 （2）机械手机构
意大利研制的用于温室工作的机械臂式机器人
拔苗器（机械手）
移栽装置
草莓收获机器人采摘机构（未端执行器）
能源消耗增加、物质（机器、化学品等）投入的边 际效益下降、环境受到影响
由于机械固有的局限性，作业的质量和范围受到限 制
农业机械化并未改变以经验为基础的传统农业管理 方式
农业发展的演变
原始农业
传统农业 现代农业
典型生产工具：计算机控制的信息 技术装备。 基本特征：农业基础设施装备的信 息化、农业技术操作的全面自动化 以及农业经营管理的网络化、 数字化和智能化。
电容式 电感式
谷物损失监测
冲击式
割幅监测
超声波式
变量作业机械
可变量技术(VRT, Variable Rate Technology)
根据要求在作业过程中自动调整作业量的技 术(机械)
基于地图的可变形量技术(map-based VRT)
基于实时传感器的可变量技术(senor-based VRT)
农业机器人大多属于第三代机器人
农业机器人的类型
按移动与否
机械手机器人 移动机器人
按功能
嫁接机器人 收获机器人 田管理（喷药、除草等）机器人 耕整地机器人 园艺机器人 搬运机器人 畜牧生产机器人 农畜产品处理机器人
农业机器人的基本结构
感官：功能为感觉认识；技术实现为内外传感器和导航传 感器
行驶速度监测
谷物流量监测 谷物湿度监测 谷物损失监测 割幅监测 田野之星 其它专用软件
谷物联合收获机实时测量传感系统
DGPS接收装置
谷物密度测量 体积流量测量
GPS接收装置
谷物湿度测量
割幅测量
距离速度测量
转向角度测量 损失测量
谷物联合收获机传感系统
谷物流量监测 谷物湿度监测
光电式—英国RDS 机械冲击式—纽荷兰TX—64 γ射线式—麦赛福格森公司
模型 库
方法 库
数据 库
知识 库
ICS—决策实施
ICS和前3S及后3S的关系
•前3S（信息3S）集成的作用是及时采集田间信息，经过信息 处理形成小区情况分布图，该图应能反映田间状态（肥、水、 病虫、产量）的斑块不均匀分布情况。
•后3S（智能3S）集成的作用是及时生成优化了的决策，它的 支撑技术包括专家系统（知识模型）、模拟系统（数学模型） 和决策支持系统（从多方案中优选或综合，得出决策）。决 策的表达形式可以是农田实时处理图或指令IC卡。
杂草驱动喷雾工作原理
基于实时传感器的可变量技术的优点
实施问及此事不必进行数据采集的分析 与样本采集相比，传感器可提供更高的数据
分辨率 不必GPS支持，避免了GPS误差 测量和方案实施之间没时间差
基于实时传感器的可变量技术的缺点
可利用的信息和信息处理时间受到限制 系统响应误差影响实施精度 需要有效的传感器
15—文丘里管 16—鼓风机 17—空气多路歧管 18—杆管 19—喷嘴—反射器
基于地图的可变量技术的优点
技术相对成熟，在很多农业作业中已可 应用
在形成实施方案的过程中，有多种信息 资源可以利用
有足够的时间采集和分析样本数据，可 更精确的确定作物需求量
可以避免由于行驶速度的系统响应造成 的误差
机器视觉导航
机器视觉导航
农用移动机器人平台.wmv
速度为 0.5m/s 时的横向和航向偏差
速度为 1.5m/s 时的横向和航向偏差
GNSS导航 自动驾驶拖拉机
农业机器人的研究现状
农业机器人的基本概念
机器人—可编程的，能执行某些操作作业或移动动作的自动 控制机械 第一代机器人：据程序完成一些简单重复性的作业 第二代机器人：具有感知系统，可离线编程 第三代机器人：不仅具有感知功能，还具有规划和决策能力
用正确的方式
正确利用投入（营养、水、劳动、机器、
技术、成本等） 实施基于空间与时间差异 性的农业生产系统科学管理！
精确农业的基本思想
经济要求
法律要求
环境要求
车辆定位系统 地理信息系统
优化控制系统
农机控制与监视
减少投入
地理信息系统
精确农业系统 管理信息系统 决策支持系统
经营效率改善
作物栽培模型 田间历史数据
1 精确农业的基本思想与技术体系
基于信息和知识管理好复杂的农业系统；
由经验型、定性化为主的粗放型农业向知识型、精细化管理的现
代农业发展方式转变；
基于差异性信息实施精细农作管理。
什么是精确定农业？
精确农业不仅是一种技术体系，更重要的是，它本 身是一种农业的哲学理念和战略思想
精确农业的目标：最合理地利用农业生产资源和保 护生态环境
精确变量施肥机
精确变量施肥机
精确变量喷药机
解决的三大问题:
•喷雾流量的控制与雾滴大小 相互影响 •喷药量受行驶速度的影响 •小区药量及雾滴大小不能按 处方图要求定位调节
药剂注入式控制系统
2 农业自动化、智能化的研究现状
农业自动化、智能化的发展背景 农业自动化、智能化的概念 农业机械自动导航技术 农业机器人的研究现状
从农业机械化走向农业自动化和智能化
农业自动化和智能化的发展背景
电子技术、自动控制技术、计算机技术与通 讯技术等现代高新技术的发展为农业自动化和 智能化奠定了科学和技术基础
人们对农业生产提出了经济、环境、社会等方 面的新要求
A 生长条件最优化 B 提高作业质量，更能满足农艺的要求 C 扩大作业范围 D 降低成本 F 保护环境
GNSS—Global Navigation Satellite System（全球导航卫 星系统） RS（或RSS）—Remote Sensing System（遥感系统） SS—Simulation System（模拟系统） ES—Expert System（专家系统） DSS—Decision Support System（决策支持系统）
基于地图的可变量技术的缺点
需要事先采集分析数据 需要GPS系统的支持 GPS系统的误差影响工作精度 采集数据的方案实施之间的时间差也会造成
实施方案误差
（2）基于实时传感器的可变量技术
利用各种传感器实时测定相关参数，从而确 定相关作物需求
基于实时传感器的可变量技术系统的工作过程
(1)基于地图的可变形量技术
利用地图信息判定作物对农药、化肥等的需 求量
基于地图的可变量技术系统的执行过程
变量干粉混合施肥机原理
1—微处理器 2—田野地图 3—电液阀 4—商品肥料斗 5—计量轮 6—输送链 7—混全搅龙 8—注入泵 9—微肥斗 10—水平短搅龙 11—竖直搅龙 12—刮（桨）板 13—分配头 14—输送管
从农业机械化到农业自动化与智能化
南京农业大学工学院
精确农业的基本思想与技术体系 农业自动化、智能化的研究现状
农业机械化的成就
农业机械化是人类20世纪取得的最重要的工 程技术成就之一
农业机械化使农业用工减少、成本下降、效 率提高、抗灾能力增强，极大提高了农产品 的生产能力
农业机械化的局限性
农业自动化和智能化的基本概念
• 农业自动化
在农业生产过程中机器按照人们事先的规定自 动完成作业
• 农业智能化 广泛采作智能化技术，农业生产中主要决策和作
业均由智能化系统和机器来完成
关键技术
传感器与信息采集与处理技术 土壤水份、肥力的快速测量 作物长势的监测 农业机械工作状态的监测与控制 计算机图象处理技术
•ICS是具体的实施者。
精确农业的农业机械体系
具有测产功能的谷物联合收获机
测产原理 传统测产 PA测产
单产=总产重量/地块亩数
单产=
谷物流量-水分含量+损失量 行驶速度*实际割幅
测产收获机系统组成
行驶监测系统 产量实时监测系统 机载计算机系统
实际位置和行驶轨迹监测
大西红柿收获机构
草莓西红柿收获机构
苹果采摘机器人.avi 柑橘收获机器人.wmv 蘑菇收获机器人.mov 葡萄收获机器人.mov 茄子收获机器人.mov 西红柿收获机器人.mov
草莓收获机器人.mp4
修剪机器人.f4v 移栽机器人.wmv
种菜机器人.flv 插秧机器人.mp4 未来的农业.mp4
信息农业
8
CPU
Single Wheel Hoe
自古以来人们孜孜以求的是： 基于信息和经验提炼知识，凭知识谋划决策
数据 信息 知识 智慧决策9 Data Information knowledge wisdom
精确农业的发展使农业从以建立在经验基 础上的粗放管理走向以现代科学技术为基础 的精确定量管理
模拟系统、专家系统、决策支持系统的研究 作物生长模拟系统 作物生长管理 农场管理
重点研究领域
传统机械无法完成的农业作业的机械化实现 部分果蔬收获 杂草的高效、低（或无）污染的清除
农业机械自动导航技术
农业机器人的导航方式有以下三种
信标导航 GPS导航 机器视觉导航
信标导航原理
较高利润 较少废弃物 较少环境投入
精确农业的核心技术
一个完整的精确农业体系应包括信息的 采集、信息的处理、决策的生成及决策的执 行等系统。其核心技术可概括为“7S” 。
“7S”-精确农业的核心技术
GIS—Geographical Information System(地理信息系统) GPS—Global Positioning System（全球定位系统）或
RSS: Remote Sensing System,遥感系统;
SS: Simulation System,模拟系统;
ES: Expert System,专家系统;
DSS: Decision Support System,决策支持系统;
ICS: Intelligence Control System,智能控制系统;
神经：功能为信息传递；技术实现为操作员、接口、连线 大脑：功能为记忆和判断；技术实现为电脑数据库和智能
控制器 心脏：功能为动力供给；技术实现为电源、空气压缩机、
内燃机及其传动系统等 肢体：行走和操作；技术实现为行走系统、作业部件或机
械手
农业机器人的感官系统 -农业机器人的信息获取与处理
ICS—Intelligence Control System（智能控制系统）
大田精确种植技术体系
自动信息采集
GPS
前
3
Байду номын сангаасGIS
S
集 成
RS
田间 状态图
传感技术 人工 采集
决策生成
后 ES 3 S SS 集 成 DSS
指令生成
农田对策 图作业 指令集
决策实施
ICS 农机
明白纸 常规农机
GIS: Geographical Information System,地理信息系统; GPS:Glodal Positioning System,全球定位系统;
GNSS—定位与导航
GIS—分析处理田间数据
RS—获取农业生产信息
ES—解决农业生产问题
SS—分析作物需求
光照
生理辐射
水分
土壤水分
储存物质
叶面积 结构物质 茎根
转化比例
存在水分胁迫作物模型
DSS—帮助人们进行农业生产决策
用户
人机接口
问题处理系统(PPS)
模型库 方法库 数据库 知识库 管理系统 管理系统 管理系统 管理系统
行作业
精确农业的技术支撑：现代电子技术、计算机技术 等高新技术,是信息技术和人工智能技术在大农业中 的宏观和微观应用
精细农业实践的 5 条规则 : 按正确的时间
以正确的数量
在正确的地点
农业智能化及农业机器人发展展望
虽然已有一些智能人技术和装备在农业 生产上得到了应用，但农业的智能化技术 和包括农业机器人在内的智能化系统和装 备大部分尚处于研究、试验阶段。
农业智能化和农业机器人的发展速度从技术方面来说 取决于下面问题的解决速度
作物生长环境的机器诊断和识别 作物生产状态的机器诊断和识别 作物生长要求的定量化研究和检测 机器运行的最优化条件及调控方法 农业移动机器人的导航技术 农业机器人作业对象的识别与定位 农业机器人终端执行机构 计算、通讯与控制技术
（1）导航信息获取 （2）工作目标信息获取 （3）工作状态信息获取
农业机器人的作业机构
根据农业机器人的作业机构与普通农业机械作 业机构的差异，可将农业机器人的作业机构分为两 类。 （1）常规作业机构 （2）机械手机构
意大利研制的用于温室工作的机械臂式机器人
拔苗器（机械手）
移栽装置
草莓收获机器人采摘机构（未端执行器）
能源消耗增加、物质（机器、化学品等）投入的边 际效益下降、环境受到影响
由于机械固有的局限性，作业的质量和范围受到限 制
农业机械化并未改变以经验为基础的传统农业管理 方式
农业发展的演变
原始农业
传统农业 现代农业
典型生产工具：计算机控制的信息 技术装备。 基本特征：农业基础设施装备的信 息化、农业技术操作的全面自动化 以及农业经营管理的网络化、 数字化和智能化。
电容式 电感式
谷物损失监测
冲击式
割幅监测
超声波式
变量作业机械
可变量技术(VRT, Variable Rate Technology)
根据要求在作业过程中自动调整作业量的技 术(机械)
基于地图的可变形量技术(map-based VRT)
基于实时传感器的可变量技术(senor-based VRT)
农业机器人大多属于第三代机器人
农业机器人的类型
按移动与否
机械手机器人 移动机器人
按功能
嫁接机器人 收获机器人 田管理（喷药、除草等）机器人 耕整地机器人 园艺机器人 搬运机器人 畜牧生产机器人 农畜产品处理机器人
农业机器人的基本结构
感官：功能为感觉认识；技术实现为内外传感器和导航传 感器
行驶速度监测
谷物流量监测 谷物湿度监测 谷物损失监测 割幅监测 田野之星 其它专用软件
谷物联合收获机实时测量传感系统
DGPS接收装置
谷物密度测量 体积流量测量
GPS接收装置
谷物湿度测量
割幅测量
距离速度测量
转向角度测量 损失测量
谷物联合收获机传感系统
谷物流量监测 谷物湿度监测
光电式—英国RDS 机械冲击式—纽荷兰TX—64 γ射线式—麦赛福格森公司
模型 库
方法 库
数据 库
知识 库
ICS—决策实施
ICS和前3S及后3S的关系
•前3S（信息3S）集成的作用是及时采集田间信息，经过信息 处理形成小区情况分布图，该图应能反映田间状态（肥、水、 病虫、产量）的斑块不均匀分布情况。
•后3S（智能3S）集成的作用是及时生成优化了的决策，它的 支撑技术包括专家系统（知识模型）、模拟系统（数学模型） 和决策支持系统（从多方案中优选或综合，得出决策）。决 策的表达形式可以是农田实时处理图或指令IC卡。
杂草驱动喷雾工作原理
基于实时传感器的可变量技术的优点
实施问及此事不必进行数据采集的分析 与样本采集相比，传感器可提供更高的数据
分辨率 不必GPS支持，避免了GPS误差 测量和方案实施之间没时间差
基于实时传感器的可变量技术的缺点
可利用的信息和信息处理时间受到限制 系统响应误差影响实施精度 需要有效的传感器
15—文丘里管 16—鼓风机 17—空气多路歧管 18—杆管 19—喷嘴—反射器
基于地图的可变量技术的优点
技术相对成熟，在很多农业作业中已可 应用
在形成实施方案的过程中，有多种信息 资源可以利用
有足够的时间采集和分析样本数据，可 更精确的确定作物需求量
可以避免由于行驶速度的系统响应造成 的误差
机器视觉导航
机器视觉导航
农用移动机器人平台.wmv
速度为 0.5m/s 时的横向和航向偏差
速度为 1.5m/s 时的横向和航向偏差
GNSS导航 自动驾驶拖拉机
农业机器人的研究现状
农业机器人的基本概念
机器人—可编程的，能执行某些操作作业或移动动作的自动 控制机械 第一代机器人：据程序完成一些简单重复性的作业 第二代机器人：具有感知系统，可离线编程 第三代机器人：不仅具有感知功能，还具有规划和决策能力
用正确的方式
正确利用投入（营养、水、劳动、机器、
技术、成本等） 实施基于空间与时间差异 性的农业生产系统科学管理！
精确农业的基本思想
经济要求
法律要求
环境要求
车辆定位系统 地理信息系统
优化控制系统
农机控制与监视
减少投入
地理信息系统
精确农业系统 管理信息系统 决策支持系统
经营效率改善
作物栽培模型 田间历史数据
1 精确农业的基本思想与技术体系
基于信息和知识管理好复杂的农业系统；
由经验型、定性化为主的粗放型农业向知识型、精细化管理的现
代农业发展方式转变；
基于差异性信息实施精细农作管理。
什么是精确定农业？
精确农业不仅是一种技术体系，更重要的是，它本 身是一种农业的哲学理念和战略思想
精确农业的目标：最合理地利用农业生产资源和保 护生态环境
精确变量施肥机
精确变量施肥机
精确变量喷药机
解决的三大问题:
•喷雾流量的控制与雾滴大小 相互影响 •喷药量受行驶速度的影响 •小区药量及雾滴大小不能按 处方图要求定位调节
药剂注入式控制系统
2 农业自动化、智能化的研究现状
农业自动化、智能化的发展背景 农业自动化、智能化的概念 农业机械自动导航技术 农业机器人的研究现状
从农业机械化走向农业自动化和智能化
农业自动化和智能化的发展背景
电子技术、自动控制技术、计算机技术与通 讯技术等现代高新技术的发展为农业自动化和 智能化奠定了科学和技术基础
人们对农业生产提出了经济、环境、社会等方 面的新要求
A 生长条件最优化 B 提高作业质量，更能满足农艺的要求 C 扩大作业范围 D 降低成本 F 保护环境
GNSS—Global Navigation Satellite System（全球导航卫 星系统） RS（或RSS）—Remote Sensing System（遥感系统） SS—Simulation System（模拟系统） ES—Expert System（专家系统） DSS—Decision Support System（决策支持系统）
基于地图的可变量技术的缺点
需要事先采集分析数据 需要GPS系统的支持 GPS系统的误差影响工作精度 采集数据的方案实施之间的时间差也会造成
实施方案误差
（2）基于实时传感器的可变量技术
利用各种传感器实时测定相关参数，从而确 定相关作物需求
基于实时传感器的可变量技术系统的工作过程
(1)基于地图的可变形量技术
利用地图信息判定作物对农药、化肥等的需 求量
基于地图的可变量技术系统的执行过程
变量干粉混合施肥机原理
1—微处理器 2—田野地图 3—电液阀 4—商品肥料斗 5—计量轮 6—输送链 7—混全搅龙 8—注入泵 9—微肥斗 10—水平短搅龙 11—竖直搅龙 12—刮（桨）板 13—分配头 14—输送管
从农业机械化到农业自动化与智能化
南京农业大学工学院
精确农业的基本思想与技术体系 农业自动化、智能化的研究现状
农业机械化的成就
农业机械化是人类20世纪取得的最重要的工 程技术成就之一
农业机械化使农业用工减少、成本下降、效 率提高、抗灾能力增强，极大提高了农产品 的生产能力
农业机械化的局限性
农业自动化和智能化的基本概念
• 农业自动化
在农业生产过程中机器按照人们事先的规定自 动完成作业
• 农业智能化 广泛采作智能化技术，农业生产中主要决策和作
业均由智能化系统和机器来完成
关键技术
传感器与信息采集与处理技术 土壤水份、肥力的快速测量 作物长势的监测 农业机械工作状态的监测与控制 计算机图象处理技术
•ICS是具体的实施者。
精确农业的农业机械体系
具有测产功能的谷物联合收获机
测产原理 传统测产 PA测产
单产=总产重量/地块亩数
单产=
谷物流量-水分含量+损失量 行驶速度*实际割幅
测产收获机系统组成
行驶监测系统 产量实时监测系统 机载计算机系统
实际位置和行驶轨迹监测
大西红柿收获机构
草莓西红柿收获机构
苹果采摘机器人.avi 柑橘收获机器人.wmv 蘑菇收获机器人.mov 葡萄收获机器人.mov 茄子收获机器人.mov 西红柿收获机器人.mov
草莓收获机器人.mp4
修剪机器人.f4v 移栽机器人.wmv
种菜机器人.flv 插秧机器人.mp4 未来的农业.mp4
信息农业
8
CPU
Single Wheel Hoe
自古以来人们孜孜以求的是： 基于信息和经验提炼知识，凭知识谋划决策
数据 信息 知识 智慧决策9 Data Information knowledge wisdom
精确农业的发展使农业从以建立在经验基 础上的粗放管理走向以现代科学技术为基础 的精确定量管理
模拟系统、专家系统、决策支持系统的研究 作物生长模拟系统 作物生长管理 农场管理
重点研究领域
传统机械无法完成的农业作业的机械化实现 部分果蔬收获 杂草的高效、低（或无）污染的清除
农业机械自动导航技术
农业机器人的导航方式有以下三种
信标导航 GPS导航 机器视觉导航
信标导航原理
较高利润 较少废弃物 较少环境投入
精确农业的核心技术
一个完整的精确农业体系应包括信息的 采集、信息的处理、决策的生成及决策的执 行等系统。其核心技术可概括为“7S” 。
“7S”-精确农业的核心技术
GIS—Geographical Information System(地理信息系统) GPS—Global Positioning System（全球定位系统）或
RSS: Remote Sensing System,遥感系统;
SS: Simulation System,模拟系统;
ES: Expert System,专家系统;
DSS: Decision Support System,决策支持系统;
ICS: Intelligence Control System,智能控制系统;
神经：功能为信息传递；技术实现为操作员、接口、连线 大脑：功能为记忆和判断；技术实现为电脑数据库和智能
控制器 心脏：功能为动力供给；技术实现为电源、空气压缩机、
内燃机及其传动系统等 肢体：行走和操作；技术实现为行走系统、作业部件或机
械手
农业机器人的感官系统 -农业机器人的信息获取与处理
ICS—Intelligence Control System（智能控制系统）
大田精确种植技术体系
自动信息采集
GPS
前
3
Байду номын сангаасGIS
S
集 成
RS
田间 状态图
传感技术 人工 采集
决策生成
后 ES 3 S SS 集 成 DSS
指令生成
农田对策 图作业 指令集
决策实施
ICS 农机
明白纸 常规农机
GIS: Geographical Information System,地理信息系统; GPS:Glodal Positioning System,全球定位系统;
GNSS—定位与导航
GIS—分析处理田间数据
RS—获取农业生产信息
ES—解决农业生产问题
SS—分析作物需求
光照
生理辐射
水分
土壤水分
储存物质
叶面积 结构物质 茎根
转化比例
存在水分胁迫作物模型
DSS—帮助人们进行农业生产决策
用户
人机接口
问题处理系统(PPS)
模型库 方法库 数据库 知识库 管理系统 管理系统 管理系统 管理系统