農(nóng)業(yè)機(jī)械導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展分析

羅為林

（衡南縣農(nóng)機(jī)化學(xué)校，湖南 衡南 430422）

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)智能化要求農(nóng)業(yè)機(jī)械要具有導(dǎo)航技術(shù)，并且將這種農(nóng)業(yè)機(jī)械導(dǎo)航技術(shù)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)作業(yè)中去。使農(nóng)業(yè)機(jī)械可以自動(dòng)完成耕種作業(yè)、自主除草、施肥以及收割作業(yè)。要完成這些農(nóng)業(yè)任務(wù)要求農(nóng)業(yè)機(jī)械必須具有自主導(dǎo)航功能，即要求農(nóng)業(yè)機(jī)械本身攜帶傳感器，利用傳感器感知周?chē)鳂I(yè)環(huán)境，并通過(guò)對(duì)感知的信息加以分析處理，得到機(jī)械所處位置信息，然后決定出行進(jìn)路徑實(shí)行導(dǎo)航控制，以此來(lái)完成農(nóng)業(yè)任務(wù)。在文章中，通過(guò)借鑒國(guó)內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)、分析文獻(xiàn)，綜合闡述了在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械導(dǎo)航技術(shù)應(yīng)用較多的GPS（衛(wèi)星）導(dǎo)航與視覺(jué)導(dǎo)航兩種方式。簡(jiǎn)單講述了環(huán)境感知技術(shù)、智能控制系統(tǒng)、地圖營(yíng)造等關(guān)鍵技術(shù)，最后對(duì)農(nóng)機(jī)技術(shù)發(fā)展作出展望。

1 農(nóng)業(yè)機(jī)械導(dǎo)航技術(shù)的分類(lèi)

（1）利用衛(wèi)星的導(dǎo)航技術(shù)。衛(wèi)星導(dǎo)航（Satellite navigation）是指采用導(dǎo)航衛(wèi)星對(duì)陸地、大海、天空和空間用戶進(jìn)行導(dǎo)航定位的手段。人們經(jīng)常使用的GPS導(dǎo)航，北斗星導(dǎo)航均為衛(wèi)星導(dǎo)航。GPS定位系統(tǒng)是最早的導(dǎo)航技術(shù)。在現(xiàn)在農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用：①運(yùn)用到農(nóng)機(jī)運(yùn)輸與農(nóng)機(jī)具中，可以降低費(fèi)用，提高作業(yè)效率；②在蟲(chóng)害雜草災(zāi)害中的應(yīng)用?？删_定位災(zāi)害地點(diǎn)，精確投藥，減少化學(xué)制劑的危害；③在無(wú)人拖拉機(jī)上的應(yīng)用。節(jié)省人力、物力，縮短作業(yè)時(shí)間。GPS導(dǎo)航技術(shù)誤差小，大約在3cm。隨著對(duì)地球衛(wèi)星裝備的有效探索和利用，GPS的精度與傳感速度等都得到了有效提升。人們利用GPS導(dǎo)航技術(shù)解決了插秧機(jī)、農(nóng)藥噴灑機(jī)、收割機(jī)等大型農(nóng)機(jī)的導(dǎo)航問(wèn)題。

（2）機(jī)械導(dǎo)航。在站立式的農(nóng)場(chǎng)和耕地中，還能運(yùn)用機(jī)械式導(dǎo)航方式對(duì)農(nóng)場(chǎng)的耕種機(jī)械進(jìn)行引導(dǎo)工作。對(duì)固定的引導(dǎo)目標(biāo)或者是耕種車(chē)輛及機(jī)械進(jìn)行控制操作時(shí)，發(fā)揮主要作用的就是機(jī)械導(dǎo)航里的傳感型接收器，而使用這種導(dǎo)航方式的農(nóng)場(chǎng)，主要是農(nóng)林、果樹(shù)或者葵花等高站立式農(nóng)作物。我國(guó)在這個(gè)項(xiàng)目上，有一定的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，并取得了非常矚目的成績(jī)和突破，通過(guò)為收割機(jī)安裝導(dǎo)航指引設(shè)備，對(duì)農(nóng)田、玉米等作業(yè)進(jìn)行指引收割，大大提高了引導(dǎo)的精確度和控制力。

（3）視覺(jué)導(dǎo)航技術(shù)。在20世紀(jì)80年代初期，視覺(jué)導(dǎo)航指引技術(shù)在英國(guó)率先實(shí)驗(yàn)使用。視覺(jué)導(dǎo)航指引技術(shù)在農(nóng)作物耕種領(lǐng)域有著非常廣闊的使用前景，并且與衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相比，它的價(jià)格更低，性價(jià)比更高。經(jīng)過(guò)做對(duì)比試驗(yàn)，在相同的農(nóng)作物耕種面積中，由傳感器控制的視覺(jué)導(dǎo)航指引技術(shù)比衛(wèi)星控制的導(dǎo)航技術(shù)更靈活，精準(zhǔn)度和控制力也更勝一籌。

2 農(nóng)業(yè)機(jī)械導(dǎo)航需要具備的關(guān)鍵技術(shù)

（1）環(huán)境感知技術(shù)。農(nóng)機(jī)導(dǎo)航中使用的環(huán)境感知技術(shù)，主要指農(nóng)業(yè)機(jī)械使用自帶的傳感器對(duì)外界的各種信息進(jìn)行發(fā)現(xiàn)和捕捉，通過(guò)系統(tǒng)處理后得出有效運(yùn)用處理方式的技術(shù)，如圖1所示。環(huán)境感知技術(shù)的最終目的是計(jì)算機(jī)模擬出外界的環(huán)境，轉(zhuǎn)化成信息進(jìn)行處理的一種技術(shù)。通過(guò)該項(xiàng)技術(shù)，農(nóng)業(yè)機(jī)械或者機(jī)器人實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的路徑規(guī)劃和行為命令，因此感知精確度是機(jī)械操作精確度和自動(dòng)化智能化程度的重要技術(shù)指標(biāo)。近年來(lái)，電子信息工程在飛速發(fā)展，機(jī)器人對(duì)外界環(huán)境的分析已經(jīng)升級(jí)到納米級(jí)。因此相匹配的傳感器、接收器和處理器都進(jìn)入到相對(duì)穩(wěn)定的層面。

圖1 環(huán)境感知控制技術(shù)

（2）智能控制系統(tǒng)。根據(jù)導(dǎo)航機(jī)械的作業(yè)環(huán)境，控制系統(tǒng)對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)的要求更為嚴(yán)格。智能控制系統(tǒng)主要分為橫向和縱向控制兩種。橫向控制指的是對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械工作方式的控制，而很少使用導(dǎo)航技術(shù)。縱向控制是要借助導(dǎo)航技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械的路徑規(guī)劃、所在位置信息、工作范圍和作業(yè)量的統(tǒng)計(jì)。因此，導(dǎo)航儀研發(fā)技術(shù)的高低就決定了縱向控制技術(shù)的高低。目前的農(nóng)業(yè)機(jī)械在中國(guó)尤其是農(nóng)業(yè)機(jī)械的導(dǎo)航飛行主要是GPS、RS、GIS系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和模糊控制兩種方式，這兩種方式對(duì)線性驅(qū)動(dòng)偏差率得到了有效控制，也使農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)轉(zhuǎn)向功能得以實(shí)現(xiàn)。

（3）地圖構(gòu)建技術(shù)。地圖構(gòu)建技術(shù)是指農(nóng)業(yè)機(jī)械在捕捉到外界信息后，創(chuàng)造環(huán)境和模擬系統(tǒng)環(huán)境的技術(shù)能力。目前的農(nóng)業(yè)機(jī)械能幫助小型視覺(jué)傳感器、激光雷達(dá)、紅外線和信息系統(tǒng)對(duì)水陸空三棲環(huán)境實(shí)現(xiàn)24小時(shí)加載信息。利用預(yù)設(shè)的數(shù)學(xué)模型，模擬出外界環(huán)境來(lái)制作信息地圖，幫助農(nóng)業(yè)機(jī)械來(lái)選擇適和自己的導(dǎo)航模式。精確的仿真圖能實(shí)現(xiàn)路徑導(dǎo)航的自動(dòng)化，地圖建筑分為柵格地圖、拓?fù)鋱D和三維立體圖，如丹麥羅維拉MAS應(yīng)用三維地圖幫助農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)導(dǎo)航和避障前進(jìn)，他使用技術(shù)結(jié)合二維柵格地圖和GIS數(shù)據(jù)，檢測(cè)在前面的物體，并自動(dòng)判斷?？傊瑢?dǎo)航設(shè)備的地圖構(gòu)建力越強(qiáng)，農(nóng)業(yè)機(jī)械導(dǎo)航用途就越趨于精細(xì)化，行進(jìn)路徑就規(guī)劃得越好。

3 農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展的展望

（1）GNSS導(dǎo)航技術(shù)。全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)主要是通過(guò)與微型飛行器的實(shí)際位置的距離計(jì)算，并且距離通常是由無(wú)限電信號(hào)傳輸?shù)臅r(shí)間來(lái)測(cè)量的。如圖2所示，這對(duì)天線的位置也是接收天線的絕對(duì)地標(biāo)，并通過(guò)接收機(jī)獲得相關(guān)數(shù)據(jù)，相對(duì)位置是從同一組衛(wèi)星觀測(cè)得到的接收天線的位置使用2個(gè)以上或多個(gè)接收器。GNSS測(cè)量的誤差主要是傳播路徑、衛(wèi)星和接收機(jī)之間的誤差，GNSS還可以實(shí)時(shí)定位農(nóng)業(yè)機(jī)械的位置，提高原有的精度和速度。基于在農(nóng)業(yè)機(jī)械上使用的GNSS數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)對(duì)中央控制器的處理，可以得到農(nóng)業(yè)機(jī)械相應(yīng)的準(zhǔn)確度和方位。

圖2 農(nóng)機(jī)GNSS技術(shù)結(jié)構(gòu)圖

（2）障礙物探測(cè)及主動(dòng)避障技術(shù)。耕地大多是空地，在經(jīng)營(yíng)范圍內(nèi)幾乎沒(méi)有障礙。因此，現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)不考慮障礙物檢測(cè)和避障。司機(jī)應(yīng)對(duì)緊急情況是必要的。農(nóng)田可能出現(xiàn)的障礙主要是電桿（塔）、大樹(shù)、人和其他農(nóng)業(yè)機(jī)械。在規(guī)劃時(shí)可以避免諸如桿、塔類(lèi)和大樹(shù)等靜態(tài)障礙物，但考慮這些因素就增加了路徑規(guī)劃的難度。而人、其他農(nóng)業(yè)機(jī)械等動(dòng)態(tài)出現(xiàn)在農(nóng)田中，只有在農(nóng)業(yè)機(jī)械工作過(guò)程中實(shí)時(shí)檢測(cè)，并采取必要措施避免障礙物。障礙物檢測(cè)和主動(dòng)避障是農(nóng)業(yè)機(jī)械導(dǎo)航系統(tǒng)亟待解決的重要問(wèn)題。

（3）農(nóng)機(jī)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)（IOT）是基于電子標(biāo)簽和電子編碼并基于互聯(lián)網(wǎng)而建立的實(shí)物互聯(lián)網(wǎng)?，F(xiàn)如今，隨著農(nóng)業(yè)智能化、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，在農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)，室內(nèi)溫度控制、氣象監(jiān)測(cè)、產(chǎn)品的安全性和可追溯性、設(shè)備管理、智能診斷等諸多方面取得了良好的應(yīng)用。在農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)導(dǎo)航、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用方面應(yīng)該解決三個(gè)問(wèn)題：一是獨(dú)立的自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)功能組件之間的車(chē)輛物聯(lián)；二是多個(gè)農(nóng)用機(jī)械之間的機(jī)器物聯(lián)；三是農(nóng)用機(jī)械與農(nóng)業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的連接。目前通用的車(chē)載物聯(lián)主要采用基于ISO 11783協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的農(nóng)業(yè)機(jī)械總線通信技術(shù)，并且農(nóng)機(jī)群和遠(yuǎn)程材料結(jié)合無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，如圖3所示。

圖3 多機(jī)互聯(lián)控制系統(tǒng)

4 結(jié)語(yǔ)

隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的不斷發(fā)展，農(nóng)業(yè)機(jī)械智能化程度和自動(dòng)化程度將會(huì)越來(lái)越高?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械導(dǎo)航系統(tǒng)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展正在慢慢地走向成熟，也在實(shí)踐中取得了許多可喜成果。但是，隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步，人們對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化和精細(xì)化的要求也越來(lái)越高。我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)還存在各種各樣的問(wèn)題，需要進(jìn)一步探索、研究并加以改進(jìn)。在對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械導(dǎo)航技術(shù)進(jìn)行分析研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)各種不同的實(shí)際情況，選擇與當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)條件相適應(yīng)的農(nóng)業(yè)機(jī)械，并利用農(nóng)業(yè)機(jī)械的現(xiàn)代技術(shù)來(lái)完成各種農(nóng)業(yè)任務(wù)。因地制宜，因時(shí)制宜，如此將會(huì)促進(jìn)我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)向著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、自動(dòng)化邁進(jìn)堅(jiān)實(shí)的一步。

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