農(nóng)業(yè)機械自動導航技術(shù)的分析

張雁

【摘要】? ? 自動導航技術(shù)是農(nóng)業(yè)機械自動化的關(guān)鍵技術(shù)，無法實現(xiàn)自動導航，農(nóng)機自動化就難以達到較高水平。因此本文重點對農(nóng)機自動導航技術(shù)進行了分析，對農(nóng)機自動導航技術(shù)的關(guān)鍵核心技術(shù)進行了解析，僅供參考。

【關(guān)鍵詞】? ? 農(nóng)業(yè)機械? ? 自動化? ? 自動導航

引言：

在發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)過程中，我國的農(nóng)機得到了長足進步，農(nóng)機自動化、智能化水平不斷提升，自動化農(nóng)機已經(jīng)成為一些地區(qū)規(guī)模化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，提升農(nóng)業(yè)發(fā)展質(zhì)量的重要手段。自動化農(nóng)機需要精準高效的坐標定位，因此自動導航技術(shù)在農(nóng)機上的應(yīng)用非常值得探索

一、農(nóng)機自動化

農(nóng)機自動化以電氣控制為基礎(chǔ)，通過微電子技術(shù)來實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)機械的控制。通常而言，是利用傳感器等裝置來對農(nóng)業(yè)進行實時的信息采集，并通過分析采集的信息來進行實時的控制。所以一般來講，農(nóng)機自動化需要大量傳感器、坐標定位裝置等，還要配套自動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對農(nóng)機運行的控制、故障監(jiān)測、自動導航等。

提升生產(chǎn)工藝，自動化的生產(chǎn)設(shè)備是基礎(chǔ)，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展過程當中，對農(nóng)業(yè)機械的需求越來越高，自動化農(nóng)機進一步增強農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量，而要實現(xiàn)農(nóng)機的自動化，首先就需要實現(xiàn)農(nóng)機坐標定位，若不能完成農(nóng)機定位，很難完全實現(xiàn)自動化，而農(nóng)機定位必然需要自動導航技術(shù)的支持。

現(xiàn)階段農(nóng)機自動化的核心關(guān)鍵點就是自動導航，如果無法通過自動導航來實現(xiàn)對農(nóng)機的精準定位，雖然也可以對農(nóng)機進行自動控制，但卻沒有章法。

基于自動導航技術(shù)的農(nóng)機自動化能夠顯著提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作業(yè)效率。傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)主要依靠人力，即便農(nóng)業(yè)機械化，也需要人力來操控農(nóng)業(yè)機械，導致的主要問題是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)無法形成規(guī)模，經(jīng)濟效益不佳。而配備了自動導航的自動化農(nóng)機，只需要很少的人力就能完成規(guī)?；霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)，如北美一個大型農(nóng)場只需要兩三個人就能實現(xiàn)運轉(zhuǎn)，包括播種、田間管理、收獲等等基本都采用自動化農(nóng)機來完成。再比如德國某蘿卜種植農(nóng)場，場地是大棚，整地、播種、澆水施肥等種植關(guān)鍵環(huán)節(jié)均采取自動化農(nóng)機。

自動化農(nóng)機降低工作強度，特別是全自動化農(nóng)機，工作人員通過相關(guān)管理軟件遠程設(shè)置農(nóng)機運行參數(shù)，不需要到田間即可通過農(nóng)機自動化作業(yè)完成農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工作。傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)機械化生產(chǎn)是達不到這一效果的，因為農(nóng)機手必須要親自操作農(nóng)機，且需要相當豐富的操作經(jīng)驗才能保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和質(zhì)量，全自動化農(nóng)機則不需要。

二、農(nóng)機自動導航技術(shù)

2.1典型農(nóng)機自動導航

目前國內(nèi)配置自動導航技術(shù)的農(nóng)業(yè)機械，通常由固定參考站、車載系統(tǒng)兩個模塊來構(gòu)成自動駕駛系統(tǒng)。其中固定參考站通常建立在田間合理位置，車載系統(tǒng)則是一套集成了衛(wèi)星接收系統(tǒng)、定位系統(tǒng)、控制系統(tǒng)的綜合性自動駕駛系統(tǒng)，其硬件部分主要包括衛(wèi)星接收天線、GPS或北斗（一般采用北斗）高精度定位終端、行車控制模塊（一般可由PLC作為中控，配套變頻器、驅(qū)動電機等來構(gòu)建）、液壓閥、角度傳感器等。

對于這一典型農(nóng)機自動導航系統(tǒng)來講，導航終端的各個硬件模塊準確安裝好后，先在控制器上設(shè)定好農(nóng)機的行走路線，并設(shè)定好導航模式，一般有三種，即直線、曲線和環(huán)線。利用RTK基站發(fā)出的差分數(shù)據(jù)，實現(xiàn)高精度衛(wèi)星定位，并由控制系統(tǒng)實時分析定位信息和角度傳感器采集的實時數(shù)據(jù)，控制器基于實時數(shù)據(jù)向液壓控制系統(tǒng)發(fā)送控制指令，自動調(diào)整液壓閥液壓油流量和方向，進而控制農(nóng)機行進方向。

2.2農(nóng)機自動導航技術(shù)解析

2.2.1 RTK

基于上述典型自動導航系統(tǒng)來講，其自動導航技術(shù)，核心技術(shù)要點在于RTK。RTK即載波相位差分技術(shù)，該技術(shù)通過對量測站的載波相位觀測值進行實時處理，即可實時提供厘米級精度坐標。該技術(shù)實際使用中需要兩臺衛(wèi)星信號接收機，其中一臺接收機需要安裝在一個已知的坐標點上作為定位基準站，并且需要一定的數(shù)據(jù)，如基準站的坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)、高程、坐標。另外一臺接收機則作為流動站，當然實際工作中流動站可能不止一臺。在RTK工作過程中接收機（基準站和流動站）需要實時跟蹤至少四顆衛(wèi)星，并且同時接收衛(wèi)星發(fā)送的信號。

基準站收到信號后會將信號轉(zhuǎn)發(fā)給流動站接收機，流動站接收機接收到的信號會同時與自身接收的衛(wèi)星信號在同一控制手簿中進行差分處理，從而得到流動站的坐標點。為了支持RTK的精確測量定位，國內(nèi)已經(jīng)建設(shè)了較為完善的CORS系統(tǒng)，該系統(tǒng)是非常重要的空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施，可為各類用戶對精度定位、快速定位、實時定位、導航等需求提供服務(wù)。

目前農(nóng)機自動導航系統(tǒng)常用的是一種差分GNSS接收機（Piksi模塊），這是一種低成本高精度單頻RTK接收機，在開闊環(huán)境下經(jīng)過RTK Fixed得到的動態(tài)定位水平精度可以達到2cm，垂直精度4cm。

依照RTK工作原理，流動站和基準站之間的距離越遠，精度會下降，一般距離每增加1km，則水平精度和垂直精度分別下降1mm和3mm。該模塊擁有配套軟件，該軟件用戶界面開源，可由用戶進行二次開發(fā)，制作符合自身習慣的用戶界面。

基于Piksi模塊而言，其要實現(xiàn)厘米級的相對定位精度，以滿足農(nóng)機導航需求，在RTK系統(tǒng)中至少需要兩個模塊，即兩個GPS天線、2根USB線、兩根陶瓷天線，兩個數(shù)據(jù)傳輸電臺，四條備用串口線、兩根GPS外置高增益天線，兩個接收器，兩根電臺線，這些硬件都有成品，直接采購即可。搭配的Console軟件是一個GUI圖形可視化軟件，可在WIN平臺上運行，并且可對Piksi模塊進行硬件上的設(shè)置。硬件準備好，通過軟件上的操作，搭建RTK系統(tǒng)。

但注意由于Piksi模塊的天線需要跟蹤衛(wèi)星信號載波相位信息，所以對周邊環(huán)境敏感，即必須要具備更好的通視條件。

2.2.2模糊航向角決策算法

當然RTK系統(tǒng)作為自動導航的關(guān)鍵，主要是為控制系統(tǒng)提供實時的精確坐標定位數(shù)據(jù)，用以控制系統(tǒng)發(fā)送控制指令控制農(nóng)機行走狀況。搭配好相關(guān)硬件和配件框架基本上就完成了。但是要達到控制農(nóng)機自動跟隨導航信息進行行走的目標，還必須要賦予控制系統(tǒng)相關(guān)的算法，用以執(zhí)行自動駕駛控制。

從車輛自動控制的角度來講，人通過油門、剎車、變速箱、方向盤等來控制車輛前進后退、加速減速、轉(zhuǎn)向。自動駕駛就是要取消人的作用，由控制系統(tǒng)來控制這些部件，進而控制車輛的行進狀態(tài)。僅以轉(zhuǎn)向來論，人在駕駛車輛時，通過人眼觀察車輛是否偏離目標路徑，如果偏離就會轉(zhuǎn)動方向盤，使車輛始終保持在正確的路徑上，而轉(zhuǎn)動方向盤調(diào)整偏差的大小概念是模糊的，但深度分析可知，駕駛員在調(diào)整方向偏差時，主要注意的是橫向跟蹤偏差、方位偏差和誤差大小變化。因此為了使控制器能夠根據(jù)導航定位信息對車輛行進情況進行控制，需要賦予控制器模糊航向角決策算法。

在該算法當中將控制器輸入變量設(shè)置為方位偏差和橫向跟蹤偏差，輸出變量設(shè)置為轉(zhuǎn)向輪的期望偏角。由此分析車輛轉(zhuǎn)向輪在車輛實際行走過程當中的各個姿態(tài)信息變化規(guī)律，進而預(yù)測輸入量的變化范圍，并對輸入輸出變量的值進行預(yù)設(shè)。

配置模糊控制器，該控制器的目標是控制車輛沿著預(yù)設(shè)的路徑行走，這種控制器可以模擬駕駛員的思維，是適配模糊航向角決策算法的理想硬件?；贛atlab的模糊邏輯工具箱來設(shè)計模糊控制器輸入輸出變量隸屬函數(shù)使用高斯函數(shù)，使用面積中心法來實現(xiàn)去模糊化過程，啟動規(guī)則觀察器，輸入離散值，計算控制量（期望轉(zhuǎn)角），由此形成可查詢的輸出控制表。

2.3基于RTK系統(tǒng)的自動導航農(nóng)機使用注意事項

通過上述分析可知，由GPS-RTK系統(tǒng)支持的農(nóng)機自動導航系統(tǒng)在設(shè)計開發(fā)上相對比較麻煩，而且對于用戶而言，需要深度學習才能較好地掌握這種自動導航農(nóng)機的操作使用。

其一，必須要學會架設(shè)基準站，基準站位置必須要在空曠且無遮擋的位置，選位是最關(guān)鍵的一環(huán)，要通過學習技術(shù)手冊，操作說明書，科學選位，連接好線纜后，開啟基準站，必須注意觀察差分信號燈，綠色閃爍狀態(tài)表示運行正常?；鶞收镜奈恢门c作業(yè)地塊的距離不應(yīng)超過20km。

其二，基準站架設(shè)好，再開啟農(nóng)機自動導航系統(tǒng)電源開關(guān)，至少等到半分鐘，系統(tǒng)才能正常工作，也即在操作農(nóng)機自動導航系統(tǒng)時，不能著急，否則可能導致操作失敗。需要注意確定農(nóng)機是否為正牽引，若不是，應(yīng)當對農(nóng)機進行偏移設(shè)置。

其三，學會操作顯示器，在車載顯示器上會有信號強度指示、車速指示、作業(yè)面積設(shè)置、偏差值現(xiàn)實、作業(yè)行等指示信息。在操作上點擊任務(wù)按鈕進行作業(yè)任務(wù)設(shè)置。需要在停車狀態(tài)下設(shè)置一個A點，然后手動駕駛農(nóng)機行駛一段距離設(shè)置B點，A和B兩個點形成直線段（即設(shè)置導航為直線模式）。此時就可切換至自動駕駛模式，農(nóng)機自動沿直線段行走。但在轉(zhuǎn)彎點，卻需要切換到手動模式轉(zhuǎn)彎后再切換自動駕駛。若工作地塊存在林帶影響衛(wèi)星信號接收，可在設(shè)定好直線段后，從地塊中央開始向兩邊作業(yè)。

其四，若信號不佳，誤差較大，可在顯示屏上點按狀態(tài)鍵，查詢是否為衛(wèi)星信號不佳，或是RTK基站信號不佳。若衛(wèi)星信號不佳，則需要看天線是否被遮擋，附近是否存在高壓線等強磁場設(shè)施設(shè)備。若為RTK基準站信號不佳，一般會提示通信模塊登錄不正常，此時需要檢查RTK基準站，并且還要檢查通信模塊是否正常通信。

三、結(jié)束語

綜上所述，自動導航技術(shù)在農(nóng)業(yè)機械上的應(yīng)用是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)機械自動化的關(guān)鍵點。當前農(nóng)機自動導航技術(shù)的研究成果很多，實際應(yīng)用在農(nóng)機自動化上的自動導航技術(shù)，以RTK系統(tǒng)為典型，但該自動導航體系還存在一些問題，需要進一步研究，以增強性能和操作體驗。

參? 考? 文? 獻

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