農(nóng)機(jī)自動(dòng)駕駛導(dǎo)航系統(tǒng)研究概況

吳小偉 史志中 王 工

1 農(nóng)機(jī)自動(dòng)駕駛導(dǎo)航系統(tǒng)研究概況

按照近代科學(xué)技術(shù)術(shù)語，導(dǎo)航定位系統(tǒng)的主要功能是定位、定向、測速和授時(shí)。由于能夠完成導(dǎo)航任務(wù)的技術(shù)方法很多，所以出現(xiàn)了各種類型的導(dǎo)航定位系統(tǒng)，主要有以下幾種：

（1）無線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用多普勒效應(yīng)測速，用雷達(dá)測距和測方位，用導(dǎo)航臺(tái)定位。

（2）慣性導(dǎo)航定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)是由加速計(jì)、陀螺與慣導(dǎo)平臺(tái)、導(dǎo)航計(jì)算機(jī)、導(dǎo)航算法、補(bǔ)償算法、控制顯示器和供電系統(tǒng)等組成，它的基本原理是根據(jù)牛頓提出的相對慣性空間的力學(xué)定律，利用陀螺、加速度計(jì)等慣性元件感受運(yùn)行體在運(yùn)動(dòng)過程中的加速度，然后通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行積分，從而得到運(yùn)動(dòng)體的位置、速度、方位等導(dǎo)航參數(shù)，是一種不依賴任何外部信息、設(shè)施或基準(zhǔn)，也不向外部輻射能量的自主式導(dǎo)航定位系統(tǒng)，可提供完備、連續(xù)及高數(shù)據(jù)更新率導(dǎo)航信息。導(dǎo)航系統(tǒng)通常使用傳感器探測車輛的方位角和姿態(tài)來提供輔助定位信息，這種信息包含三個(gè)參數(shù)：方位角（或稱橫擺角）、側(cè)傾角和俯仰角。慣性傳感器導(dǎo)航系統(tǒng)使用陀螺儀和加速度計(jì)測量車輛位置的相關(guān)信息，此類儀器設(shè)備多數(shù)含有三軸的側(cè)傾角、俯仰角、橫擺角陀螺儀和三軸的側(cè)傾角、俯仰角、橫擺角加速度計(jì)，用此方法可以得到車輛的位置和姿態(tài)信息。由于慣性導(dǎo)航系統(tǒng)存在內(nèi)在信號(hào)漂移現(xiàn)象，為使定位信息準(zhǔn)確，需要定位數(shù)據(jù)標(biāo)定，同時(shí)此系統(tǒng)可作為對其他定位傳感系統(tǒng)的補(bǔ)充。

（3）地形輔助導(dǎo)航定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用地形、地物和地貌特征進(jìn)行導(dǎo)航，是將地形圖數(shù)據(jù)庫、地形圖匹配技術(shù)和航位推算導(dǎo)航技術(shù)相結(jié)合的一種精確導(dǎo)航定位系統(tǒng)。

目前，我國農(nóng)機(jī)自動(dòng)駕駛導(dǎo)航系統(tǒng)的研究主要集中在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提供精確的定位信息用來實(shí)時(shí)確定農(nóng)機(jī)的位置數(shù)據(jù)，更新頻率能達(dá)到10 Hz，基本滿足農(nóng)機(jī)行走速度的要求。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)主要用來輔助確定農(nóng)機(jī)的行走方向，可在衛(wèi)星信號(hào)較差的情況下有一個(gè)緩沖的航向指引。華南農(nóng)大和黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)以及國家智能裝備中心在農(nóng)機(jī)導(dǎo)航方面都取得了一些研究成果。華南農(nóng)大研發(fā)出了定位精度在5～10 cm的導(dǎo)航系統(tǒng)，但是對于機(jī)型和作業(yè)條件有一定的要求，應(yīng)對高速度、高精度的農(nóng)田作業(yè)還有些欠缺；八一農(nóng)墾大學(xué)和國家智能裝備中心研發(fā)出的導(dǎo)航系統(tǒng)模擬機(jī)能模擬農(nóng)機(jī)導(dǎo)航，但是還沒有真正應(yīng)用到農(nóng)機(jī)作業(yè)中去。

2 農(nóng)機(jī)自動(dòng)駕駛導(dǎo)航系統(tǒng)的技術(shù)支撐條件

目前，國內(nèi)農(nóng)業(yè)機(jī)械GPS導(dǎo)航自動(dòng)駕駛系統(tǒng)雖然正在應(yīng)用，但使用過程中也存在很多問題。GPS導(dǎo)航系統(tǒng)沒有實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，技術(shù)含量較高，設(shè)備安裝及使用費(fèi)用較高，影響了精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的機(jī)械化推進(jìn)進(jìn)程。GPS導(dǎo)航轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)通過衛(wèi)星定位，發(fā)出信號(hào)改變電磁閥油路的開關(guān)，使方向盤轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)，而車輛的轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)安裝繁瑣，一套系統(tǒng)在多臺(tái)機(jī)械上的更換使用不方便，售后成本顯著增加。目前，GPS導(dǎo)航市場還有待進(jìn)一步規(guī)范，不同品牌的GPS之間有各自的通訊協(xié)議，差分信號(hào)不能通用，造成重復(fù)投資，給用戶的使用帶來不便，造成資金浪費(fèi)。在區(qū)域條件比較復(fù)雜的地方，部分導(dǎo)航系統(tǒng)由于地理位置或遮擋物的原因，接受的衛(wèi)星信號(hào)不夠，導(dǎo)致自動(dòng)駕駛系統(tǒng)無法正常工作。

要實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)自動(dòng)駕駛導(dǎo)航，需要以下技術(shù)支撐：GPS定位系統(tǒng)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、角度傳感器感應(yīng)系統(tǒng)、農(nóng)機(jī)控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)。影響農(nóng)機(jī)自動(dòng)駕駛導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展的主要因素是控制系統(tǒng)算法模型的建立，這需要很多次不同地塊的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行建模分析。實(shí)現(xiàn)精確的拖拉機(jī)系統(tǒng)測向控制，需要車輛的測向速度和車輪側(cè)滑角數(shù)據(jù)，而這些數(shù)據(jù)很難通過直接測量獲得。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)要求實(shí)時(shí)獲取地塊中每個(gè)小區(qū)（每平方米到每百平方米）土壤與作物信息，診斷作物長勢和產(chǎn)量在空間上差異的原因，并按每個(gè)小區(qū)做出決策，準(zhǔn)確地在每個(gè)小區(qū)進(jìn)行灌溉、施肥、噴藥等作業(yè)，以求達(dá)到最大限度地提高水、肥、藥的利用效率。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)要求三個(gè)精準(zhǔn)：定時(shí)、定位、定量精準(zhǔn)。衛(wèi)星導(dǎo)航自動(dòng)駕駛技術(shù)的不斷完善和發(fā)展，為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)提供了必要的基礎(chǔ)條件。

實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)需要具備如下幾個(gè)技術(shù)條件：一是精確的數(shù)據(jù)信息，包括土地肥力、水分以及光照條件，還有農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對象的實(shí)時(shí)情況，比如生長階段、病蟲害等；二是對相關(guān)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)分析的能力，能夠得出正確的結(jié)論，并且能夠提供有效的解決方案或者獲得準(zhǔn)確的實(shí)際數(shù)據(jù)；三是對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對象實(shí)施精確作業(yè)的儀器及機(jī)械設(shè)備。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是信息和人工智能高新技術(shù)在大農(nóng)業(yè)中的微觀運(yùn)用。它的全部概念建立在空間差異和時(shí)間差異的數(shù)據(jù)采集和處理上，核心意圖是實(shí)時(shí)測知作物（畜禽）個(gè)體或小群體或小區(qū)地塊生長和防疫的實(shí)際需要，及時(shí)確定針對性投入（肥、水、藥飼料等）的量、質(zhì)和時(shí)機(jī)，一反傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大面積平均投入的作法，以獲得最佳效果和最低代價(jià)。農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航駕駛系統(tǒng)的大面積應(yīng)用將為精細(xì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的全面開展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3 農(nóng)機(jī)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)存在的技術(shù)問題

（1）衛(wèi)星定位系統(tǒng)。為了增強(qiáng)信號(hào)接受能力和強(qiáng)度，需要使用雙星的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，同時(shí)預(yù)留北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)。多個(gè)系統(tǒng)的衛(wèi)星定位系統(tǒng)集成在一套系統(tǒng)內(nèi)，能夠極大地提高定位精準(zhǔn)度。即使在地理?xiàng)l件復(fù)雜的情況下，依舊能獲得良好的定位精準(zhǔn)度，解決山區(qū)、樹林密集的農(nóng)業(yè)作業(yè)區(qū)域的定位精準(zhǔn)度差的問題；同時(shí)，能夠極大地節(jié)省整套系統(tǒng)的使用成本，讓進(jìn)口產(chǎn)品價(jià)格及安裝費(fèi)用較高的問題得到解決，使農(nóng)機(jī)自動(dòng)駕駛技術(shù)能夠得到大面積的推廣。

（2）慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。需要集成慣性導(dǎo)航系統(tǒng)輔助衛(wèi)星定位系統(tǒng)的方向計(jì)算以及衛(wèi)星信號(hào)不穩(wěn)定情況下的緩沖技術(shù)。

（3）角度傳感器系統(tǒng)。需要感知農(nóng)機(jī)高速行駛下輪胎左右側(cè)轉(zhuǎn)的角度，并能及時(shí)反饋給控制系統(tǒng)做出方向調(diào)整反應(yīng)。我國自主研發(fā)的角度傳感器系統(tǒng)能夠適用于大部分國產(chǎn)拖拉機(jī)，有利于整套系統(tǒng)與國內(nèi)農(nóng)機(jī)的配套安裝，在農(nóng)機(jī)作業(yè)地理環(huán)境比較復(fù)雜的區(qū)域，保持高速、精準(zhǔn)的行進(jìn)路線，確保作業(yè)質(zhì)量和效率。同時(shí)，相關(guān)配件的自主加工也極大地降低了該套系統(tǒng)的使用成本，讓系統(tǒng)更加“平民化”，解決了很多國外進(jìn)口品牌傳感器與國內(nèi)拖拉機(jī)無法兼容的問題。機(jī)械傳遞的角度傳感器安裝便捷、更換簡單，是一套獨(dú)立于拖拉機(jī)液壓系統(tǒng)之外的控制系統(tǒng)，能夠減少多數(shù)進(jìn)口產(chǎn)品的安裝繁瑣問題。

（4）控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)算法模型的建立，需要根據(jù)很多次不同地塊的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行建模分析。根據(jù)車輛的測向速度和車輪側(cè)滑角數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)精確的拖拉機(jī)系統(tǒng)測向控制。

（5）通訊系統(tǒng)。需要解決大田作業(yè)距離遠(yuǎn)造成的數(shù)據(jù)傳輸問題。靈活的通訊模式包括可攜帶式通訊模式、在手機(jī)信號(hào)覆蓋的區(qū)域?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊模式，可更好地適應(yīng)農(nóng)業(yè)作業(yè)區(qū)域復(fù)雜的地理環(huán)境。同時(shí)，自主研發(fā)的通訊系統(tǒng)能夠擴(kuò)大GPS差分定位的距離，滿足特殊區(qū)域農(nóng)機(jī)作業(yè)路線長、區(qū)域廣的需要。自主研發(fā)的通訊系統(tǒng)可以根據(jù)具體的農(nóng)業(yè)作業(yè)區(qū)域的特點(diǎn)，合理選擇通訊方式，創(chuàng)建獨(dú)立自主的通訊差分模式，并能夠兼容絕大部分的主流GPS通訊傳輸協(xié)議，解決了用戶重復(fù)投資的問題。

4 結(jié)束語

全球衛(wèi)星定位導(dǎo)航自動(dòng)駕駛技術(shù)應(yīng)用在田間作業(yè)的農(nóng)業(yè)機(jī)械上，可以保證實(shí)施起壟、播種、噴藥、收獲等農(nóng)田作業(yè)時(shí)銜接行距的精度，減少農(nóng)作物生產(chǎn)投入成本，并使農(nóng)作物的種植農(nóng)藝特性優(yōu)化，提高農(nóng)機(jī)農(nóng)藝作業(yè)質(zhì)量，避免作業(yè)過程產(chǎn)生的銜接行的“重漏”，提高作業(yè)精度，降低生產(chǎn)成本，增加經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，應(yīng)用衛(wèi)星定位導(dǎo)航自動(dòng)駕駛技術(shù)可以提高農(nóng)機(jī)的操作性能，延長作業(yè)時(shí)間，并能實(shí)現(xiàn)夜間作業(yè)，大大提高機(jī)車的出勤率與時(shí)間利用率，減輕駕駛員的勞動(dòng)強(qiáng)度。在作業(yè)過程中，駕駛員可以用更多的時(shí)間注意觀察農(nóng)具的工作狀況，有利于提高田間作業(yè)質(zhì)量，為日后的田管和機(jī)械化采收奠定了基礎(chǔ)。