摘要：智慧农业是现代农业的高级形式，无人农场是实现智慧农业的重要途径，智能农机是无人农场的物质支撑。本文以植物生产为例，介绍了智能农机的智能感知、自动导航、精准作业和智慧管理4项功能在智慧农业中的地位和关键技术的研究进展；介绍了华南农业大学集成相关智能农机创建水稻无人农场的实践和无人农场的5个特点，包括耕种管收生产环节全覆盖、机库田间转移作业全自动、自动避障异况停车保安全、作物生产过程实时全监控和智能决策精准作业全无人。在2020年的中稻和2021年的早稻生产中，水稻无人农场的稻谷产量均高于当地的平均产量，表明了其巨大的发展潜力。无人农场的建设为解决“谁来种田”和“如何种田”的问题提供了重要途径。
2012年中央一号文提出，要突出农业科技创新重点，在精准农业技术等方面取得重大突破[1]。2017年中央一号文提出，要实施智慧农业工程[2]。智慧农业是未来农业的发展方向，是现代农业的高级形式[3]。智慧农业是以数据、知识和智能装备为核心要素，通过将现代科学技术与农业深度融合，实现农业生产全过程的数字化感知、智能化决策、精准化作业和智慧化管理的全新农业生产方式[4]。当前，新一轮科技革命和产业变革正在兴起，信息技术、生物技术、新材料技术和新能源技术广泛渗透到农业领域，催生了一大批战略性新兴产业，农机装备先进制造、农业物联网、农业大数据和农业机器人等高新技术逐步应用到农业生产各个领域，智慧农业呈现出强劲的发展势头。无人农场是实现智慧农业的重要途径。无人农场以生物技术、智能农机和信息技术为支撑。生物技术为无人农场提供适应机械化作业的品种和栽培模式，智能农机为无人农场自动化作业提供装备支撑，信息技术为农机作业的精准定位、数据传输和无人农场的智慧管理提供支撑。无人农场采用4G/5G、物联网、大数据和人工智能等新一代信息技术远程控制各种智能农机，使之自主决策和自主作业，实现各个生产环节的智能化[5]。智能农机具有智能感知、自动导航、精准作业和智慧管理4个功能，是无人农场的物质支撑，是农业机械的转型升级[6]。毛泽东同志在1959年就提出农业的根本出路在于机械化。改革开放以来，经过40多年的发展，我国的农业机械化取得了举世瞩目的成就，为提高我国农业生产率作出了巨大贡献。目前，我国用不到世界10%的耕地生产了世界25%的粮食、养活了世界20%的人口[7]。今天，随着我国农业农村现代化加快推进，对农业机械提出了更高的要求，提高农业机械的智能化水平成为必然选择，也是农业现代化的重要建设内容。国内外实践表明，提高农业机械化和智能化可以大幅度提高劳动生产率、资源利用率和土地产出率。只有在智能农机的支持下，无人农场才能成为现实。
1 智能农机研究
1.1智能感知
农作物生长环境、作物长势和作物病虫草害信息是智能农机进行精准作业的依据[8]。“星−机−地”是获取这些信息的主要技术，“星”指根据卫星影像分析获取所需要的各种农情信息，“机”指根据飞机或无人机获取所需要的各种农情信息，“地”指在地面用仪器直接获取所需要的各种农情信息。
1.1.1作物生长环境信息
农作物生长环境信息的快速感知是实施精准农业中最为基本和关键的问题[9]，农作物生长环境信息包括土壤阻力、田面平整情况、土壤水分和土壤养分等信息[10]。农田土壤中不同位置和不同深度的耕作阻力(土壤坚实度)差异较大，准确获取土壤的耕作阻力信息是进行精准耕整的重要依据。张利民等[11]成功研制出带全球导航卫星系统(Global navigationsatellite system, GNSS)的车载式土壤耕作阻力测定仪，采用GNSS定位信息，通过液压系统将圆锥仪(国际上通用的土壤坚实度测定仪)压入土壤，获取不同地块和同一地块不同位置、不同深度(精度可以达到0.5 cm)的耕作阻力。曾庆猛等[12]研制出车载式可连续测定土壤耕作状况和含水量的测定仪。
田面平整情况是进行农田平整的重要依据[13]。周浩[14]和胡炼等[ 15]采用水准仪、全站仪、地面激光扫描仪和无人机载激光扫描仪快速采集农田平整度信息，研制出基于GNSS的农田三维地形实时采集系统，可在平整作业过程中快速精准获取田面的平整度信息。
土壤水分是影响作物生长的重要参数，Xiao等[16]研制出既可在水田田面有水时测定水层深度又可以在水田田面无水时测定土壤水分的无线测量系统，并可以根据田面/土壤中的水层/水分情况远程控制自动灌水和排水。
“庄稼一枝花，全靠肥当家”，土壤中氮、磷、钾的实时在线快速测定是世界难题，至今尚未取得实质性的突破，大都只能进行间接测量。孙建英等[17]采用光谱测量技术，分析了东北黑土地和华北潮土的土壤参数和光谱特性，采用GNSS定位信息标志土壤的位置，通过实验室分析可准确给出pH以及氮、磷、钾和有机质含量的分布图，为精准施肥提供依据。Dong等[18]尝试采用激光诱导技术测定土壤中的氮素。
1.1.2作物长势信息
