肖榮浩，馬 旭，李宏偉，曹秀龍，魏宇豪，王承恩，趙 旭

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院,廣東 廣州 510642)

農(nóng)業(yè)機(jī)械導(dǎo)航技術(shù)作為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)體系中的一項關(guān)鍵技術(shù)，能有效提高農(nóng)業(yè)機(jī)械田間作業(yè)效率和作業(yè)質(zhì)量，降低操作人員勞動強(qiáng)度[1-3]。在無導(dǎo)航設(shè)備的情況下，由于受農(nóng)機(jī)操作人員的工作經(jīng)驗和作業(yè)環(huán)境的影響，農(nóng)業(yè)機(jī)械田間作業(yè)易產(chǎn)生重疊和遺漏區(qū)域，導(dǎo)致作業(yè)成本高、作業(yè)效率低，甚至影響農(nóng)田環(huán)境安全[4-5]。因此，研制農(nóng)業(yè)機(jī)械導(dǎo)航系統(tǒng)對于提高農(nóng)機(jī)作業(yè)效率和質(zhì)量、促進(jìn)我國精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展具有重要經(jīng)濟(jì)價值和社會意義。

近年來，國內(nèi)外專家學(xué)者對農(nóng)業(yè)機(jī)械導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行了大量的研究和試驗。O′Connor等[6]、Baio等[7]、羅錫文等[8]和劉兆朋等[9]基于GNSS開發(fā)了農(nóng)業(yè)機(jī)械自動導(dǎo)航作業(yè)系統(tǒng)，并分別在拖拉機(jī)、甘蔗收獲機(jī)、插秧機(jī)和噴霧機(jī)上開展相應(yīng)田間試驗，系統(tǒng)直線路徑平均跟蹤偏差均小于3 cm。研究[10-12]等利用機(jī)器視覺識別作物行，提取導(dǎo)航基準(zhǔn)線，測量農(nóng)機(jī)與作物行的相對位置偏差，進(jìn)而控制農(nóng)機(jī)實(shí)現(xiàn)自動作業(yè)。自動導(dǎo)航系統(tǒng)定位精度高，能夠?qū)崿F(xiàn)自動作業(yè)，可有效降低農(nóng)機(jī)操作人員的勞動強(qiáng)度，提高作業(yè)精度和作業(yè)效率，已應(yīng)用于耕作、播種、噴藥、施肥和收獲等生產(chǎn)試驗過程[13]。但自動導(dǎo)航系統(tǒng)成本較高、回收周期長、對農(nóng)民經(jīng)營要求較高，并且國內(nèi)現(xiàn)有老舊農(nóng)機(jī)設(shè)備多數(shù)不易實(shí)現(xiàn)自動化改造。

我國南方地區(qū)大多農(nóng)戶經(jīng)營的田塊小且分散，農(nóng)業(yè)整體利潤水平低，加之種植規(guī)模小，難以接受價格昂貴的農(nóng)機(jī)設(shè)備[14]，我國南方地區(qū)多數(shù)農(nóng)戶仍較難接受農(nóng)機(jī)自動導(dǎo)航系統(tǒng)。作為一種成本低、易操作且通用性強(qiáng)的產(chǎn)品，輔助導(dǎo)航系統(tǒng)[15-16]是提高農(nóng)機(jī)作業(yè)效率、降低農(nóng)機(jī)操作人員勞動強(qiáng)度的有效方式。本文基于超寬帶 (Ultra wide band，UWB)技術(shù)設(shè)計一種低成本的農(nóng)業(yè)機(jī)械田間輔助導(dǎo)航系統(tǒng)，無需改裝機(jī)器，直接安裝在作業(yè)機(jī)械上工作，可實(shí)現(xiàn)田間環(huán)境中農(nóng)業(yè)機(jī)械的精確定位、作業(yè)路徑規(guī)劃和作業(yè)偏差計算，通過友好人機(jī)交互界面為駕駛員提供輔助導(dǎo)航作業(yè)信息。該系統(tǒng)適用于南方中小型田塊中各種農(nóng)業(yè)機(jī)械的田間輔助導(dǎo)航作業(yè)，可有效降低農(nóng)機(jī)操作人員的勞動強(qiáng)度，提高農(nóng)機(jī)作業(yè)效率。

1 輔助導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)

1.1 系統(tǒng)組成

農(nóng)業(yè)機(jī)械輔助導(dǎo)航系統(tǒng)由UWB定位系統(tǒng)和終端處理器2部分組成(圖1)。UWB定位系統(tǒng)包括1個UWB定位標(biāo)簽和4個UWB定位基站；其中，UWB定位基站固定于定位區(qū)域邊緣作為定位參考點(diǎn)，由UWB無線傳感器、移動電源和基站安裝支架組成；UWB定位標(biāo)簽為1個UWB無線傳感器，安裝于作業(yè)機(jī)械上并與終端處理器相連，通過與定位基站進(jìn)行無線通信，獲得與各定位基站間的距離；UWB無線傳感器內(nèi)置姿態(tài)傳感器，用于實(shí)時測量作業(yè)機(jī)械的姿態(tài)信息。終端處理器根據(jù)測量的距離信息和姿態(tài)信息解算出作業(yè)機(jī)械的準(zhǔn)確位置坐標(biāo)，實(shí)時規(guī)劃作業(yè)路徑，計算作業(yè)偏差，并通過可視化界面實(shí)時顯示。

圖1 輔助導(dǎo)航系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Structure diagram of auxiliary navigation system

整個系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)簡單，不需要對機(jī)器進(jìn)行任何改裝，可直接安裝于不同作業(yè)機(jī)械上工作，成本低(約0.4萬元)，且通用性強(qiáng)。

UWB無線傳感器選用Nooploop空循環(huán)公司的LinkTrack P定位模塊，模塊供電電壓5 V，最遠(yuǎn)通信距離為 600 m，數(shù)據(jù)更新頻率為 1～200 Hz，直線測距精度＜10 cm，可通過終端上位機(jī)設(shè)定工作類型(定位基站或定位標(biāo)簽)。UWB無線傳感器內(nèi)置InvenSense公司的姿態(tài)傳感器MPU6500，集成了加速度計、陀螺儀和數(shù)字運(yùn)動處理器DMP，三軸歐拉角(俯仰、橫滾和航向角)的靜態(tài)測量精度為0.1°，數(shù)據(jù)輸出頻率為1～200 Hz。終端處理器選用中柏科技有限公司的EZpad 7平板電腦，處理器為Intel Cherry Trail Z8350。

1.2 位置解算算法

三維空間中實(shí)現(xiàn)1個點(diǎn)的定位一般至少需要4個已知參考點(diǎn)，通過增加定位參考點(diǎn)的數(shù)量可以提高定位精度，但定位成本也隨之增加[17]?？紤]農(nóng)業(yè)裝備的經(jīng)濟(jì)和實(shí)用性，本系統(tǒng)選用4個UWB定位基站作為系統(tǒng)定位參考點(diǎn)。對于任意四邊形的定位區(qū)域，將4個UWB定位基站分別布置于定位區(qū)域的4個角落，各基站垂直地面安裝于相同高度的安裝支架上。如圖2所示，按作業(yè)過程中作業(yè)行遞增方向作為定位坐標(biāo)系X軸正方向的原則進(jìn)行基站布置，基站A0為定位坐標(biāo)系原點(diǎn)，基站A0和A3的連線為X軸，過原點(diǎn)垂直于水平面豎直向上為Z軸，根據(jù)右手定則過原點(diǎn)垂直于XOZ平面為Y軸建立空間直角坐標(biāo)系作為田塊定位坐標(biāo)系。

圖2 定位坐標(biāo)系示意圖Fig. 2 Schematic diagram of positioning coordinate system

各基站間通過無線通信互發(fā)數(shù)據(jù)包測量距離，通過上位機(jī)軟件進(jìn)行基站標(biāo)定，計算各基站的位置坐標(biāo)，計算公式如式(1)所示：

式中，(xi，yi)為基站Ai的二維位置坐標(biāo)，dij為基站Ai和基站Aj間的直線距離，i，j=0，1，2，3。

將UWB定位基站安裝在同一高度，安裝高度大于定位標(biāo)簽在田間作業(yè)過程中的最大高度，定位基站所在平面為Z軸的零平面。利用基于時間到達(dá)差的TWR雙向雙邊測距法測量UWB定位標(biāo)簽與UWB定位基站間的距離，根據(jù)定位標(biāo)簽與各基站的距離以及各基站的位置坐標(biāo)，得到空間4點(diǎn)的定位方程組，如式(2)所示：

式中，(x，y，z)為定位標(biāo)簽的三維坐標(biāo)，(xi，yi，zi)為定位基站Ai的三維坐標(biāo)，di為定位標(biāo)簽到基站Ai的直線距離，i=0，1，2，3。

通過加減消元法，消去z坐標(biāo)得到矩陣方程，如式(3)所示：

矩陣方程(3)為超定方程，利用最小二乘法解得定位標(biāo)簽的二維坐標(biāo)，計算公式如式(4)所示：

式中，A為矩陣方程(3)的系數(shù)矩陣，β為矩陣方程(3)的常數(shù)項列矩陣。

將解得的二維坐標(biāo)代入原方程組(2)中，默認(rèn)z坐標(biāo)為負(fù)，解得各方程z坐標(biāo)并取均值，得到UWB定位標(biāo)簽的三維位置坐標(biāo)。

1.3 位置校正算法

超寬帶脈沖信號傳播過程中，非視距現(xiàn)象是影響定位精度下降的主要原因之一[18-19]。為了避免非視距現(xiàn)象對定位精度的影響，將UWB定位標(biāo)簽安裝在作業(yè)機(jī)械頂部，以保證UWB定位標(biāo)簽與定位基站間通信良好。UWB定位標(biāo)簽安裝位置高，作業(yè)機(jī)械在作業(yè)過程中車身傾斜時，導(dǎo)致測量的UWB定位標(biāo)簽位置中心投影與車身真實(shí)位置中心投影不重合，所測量的坐標(biāo)和真實(shí)位置存在誤差，因此必須對車身傾斜引起的位置誤差進(jìn)行校正[20-21]。大多數(shù)作物行都是平行直線，農(nóng)業(yè)機(jī)械的作業(yè)路徑也是平行直線，作業(yè)質(zhì)量僅要求平面內(nèi)作業(yè)行的直線度。因此，本文僅對作業(yè)機(jī)械車身定位的橫向和縱向誤差進(jìn)行分析，對垂直地面的Z軸誤差不予分析。

單純的車身橫滾導(dǎo)致車身出現(xiàn)橫向位置偏差，單純的車身俯仰會導(dǎo)致縱向位置偏差，單純的航向偏差不會對定位產(chǎn)生太大影響[22]。如圖3a所示，傳統(tǒng)的校正方法是假設(shè)車身繞重心旋轉(zhuǎn)，利用歐拉角和傳感器安裝位置來估計位置誤差，但由于拖拉機(jī)的重心難以估計，且拖拉機(jī)在田間作業(yè)時的姿態(tài)變化并不是單純圍繞車身重心旋轉(zhuǎn)[23]。實(shí)際上，拖拉機(jī)在田間環(huán)境中的車身傾斜是由于輪胎的下陷和滑移導(dǎo)致的，因此車身的傾斜可以看作是以地面與輪胎接觸點(diǎn)為軸心旋轉(zhuǎn)引起的，如圖3b所示。

圖3 車身傾斜校正方法Fig. 3 Machinery inclination correction methods

如圖4所示，作業(yè)機(jī)械在田間環(huán)境中車輪不同程度的下陷和滑移，導(dǎo)致車身產(chǎn)生橫滾角 θr(圖4a)和俯仰角 θp(圖4b)，測量的車身位置坐標(biāo)分別存在橫向定位誤差 Δx和縱向定位誤差 Δy，近似將 Δx和Δy直線所在平面看作地平面，分別對測量的位置坐標(biāo)進(jìn)行校正，校正公式如式(5)所示：

圖4 車身傾斜校正Fig. 4 Machinery inclination correction

式中，xr為校正后作業(yè)機(jī)械的橫坐標(biāo)，x′為校正前UWB定位標(biāo)簽測量的橫坐標(biāo)，yr為校正后作業(yè)機(jī)械的縱坐標(biāo)，y′為校正前UWB定位標(biāo)簽測量的縱坐標(biāo)，h為UWB定位標(biāo)簽距離地面的安裝高度。

利用姿態(tài)傳感器MPU6500測量車身姿態(tài)，通過預(yù)試驗測試得姿態(tài)傳感器的三軸歐拉角靜態(tài)測量最大誤差小于0.5°，當(dāng)傳感器安裝高度為3 m時，傳感器測量誤差引入的最大定位誤差為2.62 cm，相對于系統(tǒng)定位誤差此誤差較小，在可接受范圍內(nèi)。

1.4 路徑規(guī)劃算法

根據(jù)農(nóng)業(yè)機(jī)械田間往返式直線作業(yè)特點(diǎn)，設(shè)計一種基于AB線的路徑規(guī)劃算法，實(shí)現(xiàn)田間作業(yè)的實(shí)時路徑規(guī)劃，減少農(nóng)機(jī)作業(yè)過程中的重復(fù)作業(yè)和遺漏作業(yè)區(qū)域，提高農(nóng)機(jī)作業(yè)效率和作業(yè)質(zhì)量。首行作業(yè)時，農(nóng)業(yè)操作人員沿作業(yè)區(qū)域邊緣自主完成首行作業(yè)。作業(yè)過程中，系統(tǒng)從該行作業(yè)起始A點(diǎn)開始采集作業(yè)軌跡，到該行結(jié)束B點(diǎn)停止采集。

由于受到外部環(huán)境、傳感器內(nèi)部構(gòu)造和隨機(jī)誤差等多種因素的影響，傳感器測得的數(shù)據(jù)往往具有一定的不確定性，而系統(tǒng)采集的異常數(shù)據(jù)將直接影響試驗結(jié)果。常見的檢測異常值方法包括3σ原則、狄克遜準(zhǔn)則等，這些方法都是假定測量數(shù)據(jù)呈正態(tài)分布的，而實(shí)際傳感器采集的數(shù)據(jù)分布往往是復(fù)雜而未知的。這些方法判斷異常值的標(biāo)準(zhǔn)都是通過計算采集數(shù)據(jù)的均值和標(biāo)準(zhǔn)差來實(shí)現(xiàn)的，均值和標(biāo)準(zhǔn)差均受數(shù)據(jù)中異常值的影響，而異常值難以準(zhǔn)確判斷。本文采用分位數(shù)法判斷采集數(shù)據(jù)中的異常值。將采集的數(shù)據(jù)按從小到大排列成數(shù)組X：[x1，x2，…，xn]，分別找出下四分位數(shù)Q1，中位數(shù)Q2和上四分位數(shù)Q3，各數(shù)值分布如圖5所示。中位數(shù)Q2為數(shù)組X的中位數(shù)，下四分位數(shù)Q1為數(shù)組X中[x1，Q2]的中位數(shù)，Q3為數(shù)組X中 [Q2，xn]的中位數(shù)，異常值上下邊界點(diǎn)的計算如式(6)所示：

圖5 分位數(shù)分布圖Fig. 5 Quantile distribution

式中，F(xiàn)U上邊緣異常值分界點(diǎn)，F(xiàn)L為下邊緣異常值分界點(diǎn)，γ為判斷系數(shù)。

經(jīng)驗表明，當(dāng)r=3時，批量處理數(shù)據(jù)時具有較高的魯棒性[24]，因此本文確定異常值上下邊界時r取值為3。

利用分位數(shù)法剔除采集數(shù)據(jù)中的異常數(shù)據(jù)，通過最小二乘法擬合出該作業(yè)行的直線作業(yè)軌跡l1，如式(7)所示，將擬合作業(yè)軌跡沿作業(yè)行遞增方向平移1個作業(yè)幅寬d，得到下一作業(yè)行的規(guī)劃作業(yè)路徑l2。作業(yè)過程中，根據(jù)規(guī)劃的作業(yè)路徑和當(dāng)前的位置坐標(biāo)，實(shí)時計算出當(dāng)前作業(yè)偏差。

1.5 輔助導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計

輔助導(dǎo)航系統(tǒng)在 Visual Studio 2012 開發(fā)環(huán)境下，利用C#面向?qū)ο缶幊陶Z言進(jìn)行軟件開發(fā)，實(shí)現(xiàn)串口通信、位置與姿態(tài)數(shù)據(jù)的采集與處理，作業(yè)路徑規(guī)劃，實(shí)時位置偏差計算和數(shù)據(jù)儲存等功能，系統(tǒng)操作界面如圖6所示。

圖6 輔助導(dǎo)航系統(tǒng)操作界面Fig. 6 Operation interface of auxiliary navigation system

輔助導(dǎo)航系統(tǒng)工作時，首先與UWB定位系統(tǒng)和姿態(tài)傳感器建立串口通信，根據(jù)接收的距離信息和姿態(tài)信息實(shí)時解算出作業(yè)機(jī)械的準(zhǔn)確位置；然后系統(tǒng)根據(jù)作業(yè)軌跡實(shí)時規(guī)劃作業(yè)路徑、計算作業(yè)偏差，并通過可視化界面顯示；最后系統(tǒng)對作業(yè)的軌跡進(jìn)行實(shí)時記錄，并實(shí)現(xiàn)作業(yè)數(shù)據(jù)的儲存，系統(tǒng)工作流程如圖7所示。

圖7 輔助導(dǎo)航系統(tǒng)流程圖Fig. 7 Flow chart of auxiliary navigation system

2 田間試驗與結(jié)果

為驗證本文算法的有效性，分別開展系統(tǒng)田間定位精度測試試驗和輔助導(dǎo)航系統(tǒng)作業(yè)性能測試試驗。

2.1 系統(tǒng)田間定位精度測試試驗

為驗證位置解算算法和位置校正算法的有效性，進(jìn)行田間環(huán)境的定位測試試驗。試驗在廣東省肇慶市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所沙浦農(nóng)場進(jìn)行，定位區(qū)域為長約93.6 m、寬約94.4 m的四邊形水田，試驗條件為微風(fēng)，室外溫度約30 ℃。首先，將UWB定位基站等高度固定安裝于定位區(qū)域的4個角落，基站安裝高度為3.6 m，建立定位坐標(biāo)系，各基站坐標(biāo)分別為A0(0，0)、A1(1.408，95.58)、A2(95.25，94.97)、A3(93.39，0)，單位為m。輔助導(dǎo)航系統(tǒng)搭載于井關(guān)PZ60插秧機(jī)上，UWB定位標(biāo)簽安裝于插秧機(jī)頂部對稱軸線上，安裝高度為2.5 m，如圖8所示。

圖8 插秧機(jī)搭載輔助導(dǎo)航系統(tǒng)Fig. 8 Transplanter equipped with auxiliary navigation system

在定位水田區(qū)域內(nèi)布置3條直線，插秧機(jī)分別以 0.5、1.0 和 1.5 m/s 沿著規(guī)劃直線行駛，記錄實(shí)際跟蹤軌跡，并將采集的實(shí)際跟蹤軌跡和規(guī)劃直線進(jìn)行比較，剔除采集數(shù)據(jù)中的異常值，計算橫向偏差。校正前、后實(shí)際跟蹤軌跡離散點(diǎn)和規(guī)劃路徑如圖9所示。

圖9 田間動態(tài)定位測試軌跡Fig. 9 Tracking of field dynamic positioning test

不同速度下校正前、后實(shí)際跟蹤軌跡與規(guī)劃路徑的橫向偏差統(tǒng)計結(jié)果如表1所示，插秧機(jī)分別以0.5、1.0和1.5 m/s的速度沿規(guī)劃直線行駛，校正前最大橫向偏差分別為21.10、33.83和45.10 cm，平均橫向偏差分別為8.01、13.81和17.30 cm，標(biāo)準(zhǔn)差分別為4.94、8.57和12.14 cm；校正后最大橫向偏差分別為15.93、16.90和17.97 cm，平均橫向偏差分別為6.15、6.52和6.61 cm，標(biāo)準(zhǔn)差分別為4.06、4.30和4.66 cm。試驗結(jié)果表明，當(dāng)插秧機(jī)行駛速度大于1.0 m/s時，校正后平均橫向偏差降低了52.79%，最大橫向偏差降低了50.04%，平均標(biāo)準(zhǔn)差降低了49.82%，位置校正算法顯著提升了系統(tǒng)田間動態(tài)定位精度。

表1 田間定位橫向偏差Table 1 Lateral deviation of field positioning cm

另外，隨著插秧機(jī)行駛速度加快，系統(tǒng)定位精度略微下降，其原因是行駛速度提高加劇了插秧機(jī)的震動，增大了姿態(tài)角測量誤差，車身姿態(tài)變得更加復(fù)雜以致解算出的位置精度下降。田間動態(tài)定位試驗結(jié)果表明，在復(fù)雜的田間環(huán)境中，本研究提出的位置校正算法能有效提高定位精度，提高系統(tǒng)定位穩(wěn)定性，能夠較好地滿足農(nóng)業(yè)機(jī)械田間實(shí)時定位和位置監(jiān)測的需求。

2.2 輔助導(dǎo)航系統(tǒng)作業(yè)性能測試試驗

2021年3月30日，在廣東省肇慶市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所沙浦農(nóng)場進(jìn)行插秧輔助導(dǎo)航試驗。插秧試驗田為長約50 m、寬約45 m的不規(guī)則四邊形田塊，試驗條件為微風(fēng)，田間溫度約為33 ℃，濕度為56%。將UWB定位基站等高度固定安裝于試驗田塊的4個角落，基站安裝高度為3.6 m，建立定位坐標(biāo)系，各基站坐標(biāo)分別為A0(0,0)、A1(-4.404，45.158)、A2(36.218，50.511)、A3(43.201，0)，單位為 m。如圖8所示，在井關(guān)PZ60插秧機(jī)上搭載輔助導(dǎo)航系統(tǒng)，插秧機(jī)作業(yè)幅寬為1.8 m，UWB定位標(biāo)簽安裝高度為2.5 m。插秧過程中，插秧機(jī)行進(jìn)速度為1.0 m/s，不打開插秧劃線桿，駕駛員不參考已作業(yè)完苗帶和側(cè)標(biāo)桿，僅根據(jù)輔助導(dǎo)航系統(tǒng)提示實(shí)時調(diào)整作業(yè)方向進(jìn)行作業(yè)，作業(yè)跟蹤軌跡如圖10所示。

圖10 輔助導(dǎo)航插秧試驗作業(yè)軌跡Fig. 10 Tracking of rice seedling transplanting test with auxiliary navigation system

各行作業(yè)軌跡分別與自身擬合直線和規(guī)劃路徑的橫向偏差計算結(jié)果如表2所示，利用輔助導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行插秧作業(yè)，各行作業(yè)軌跡與自身擬合直線的平均橫向偏差為5.90 cm，最大橫向偏差為19.27 cm，標(biāo)準(zhǔn)差為3.64 cm；作業(yè)行與規(guī)劃直線路徑的平均橫向偏差為6.98 cm，最大橫向偏差為31.50 cm，標(biāo)準(zhǔn)差為4.95 cm。第一行作業(yè)軌跡與自身擬合直線平均偏差較大是因為第一行是由駕駛員按照插秧區(qū)域邊界和自身駕駛經(jīng)驗完成作業(yè)，導(dǎo)致第1行作業(yè)軌跡直線度較差。由于作業(yè)田塊中存在泥腳較深區(qū)域，插秧機(jī)在此區(qū)域作業(yè)時車身滑移和傾斜較嚴(yán)重，導(dǎo)致第6行作業(yè)軌跡與規(guī)劃路徑的橫向偏差較大。

表2 各行作業(yè)軌跡與自身擬合直線、規(guī)劃路徑的橫向偏差Table 2 The lateral deviation of each operation track from self-fitting line and the planned path cm

試驗結(jié)果表明，利用輔助導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行輔助作業(yè)，各行作業(yè)軌跡與自身擬合直線橫向偏差較小，作業(yè)行直線度較好；各行作業(yè)軌跡與規(guī)劃直線路徑存在一定的行距偏差。利用輔助導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行作業(yè)總體效果較好，基本滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求，在一定程度上降低了操作人員的勞動強(qiáng)度、提高了勞動生產(chǎn)率、降低了農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)效果對操作人員熟練度的依賴。

3 結(jié)論

基于超寬帶(UWB)技術(shù)設(shè)計的農(nóng)業(yè)機(jī)械輔助導(dǎo)航系統(tǒng)，適用于南方中小型田塊中各種農(nóng)業(yè)機(jī)械的田間輔助導(dǎo)航作業(yè)，可在一定程度上降低農(nóng)機(jī)操作人員的勞動強(qiáng)度、提高作業(yè)效率、降低農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)效果對操作人員熟練度的依賴。該系統(tǒng)不需要改裝機(jī)器，可直接安裝于不同農(nóng)業(yè)機(jī)械，低成本實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械田間輔助導(dǎo)航作業(yè)。

開展田間環(huán)境中系統(tǒng)定位試驗，低成本實(shí)現(xiàn)田間環(huán)境中農(nóng)業(yè)機(jī)械的精確定位。水田環(huán)境中，插秧機(jī)分別以0.5、1.0和1.5 m/s的速度沿著規(guī)劃路徑行駛，系統(tǒng)平均橫向定位偏差分別為6.15、6.52和6.61 cm，標(biāo)準(zhǔn)差分別為 4.06、4.30 和 4.66 cm。當(dāng)插秧機(jī)速度大于1.0 m/s時，通過位置校正算法，校正后平均橫向定位偏差降低了52.79%，最大橫向定位偏差降低了50.04%，平均標(biāo)準(zhǔn)差降低了49.82%，有效提高了系統(tǒng)田間定位精度和穩(wěn)定性，可實(shí)現(xiàn)田間環(huán)境下農(nóng)業(yè)機(jī)械的精確定位。

進(jìn)行了搭載輔助導(dǎo)航系統(tǒng)田間機(jī)插秧試驗，實(shí)現(xiàn)插秧機(jī)田間輔助導(dǎo)航對行作業(yè)。搭載輔助導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行田間插秧試驗，試驗結(jié)果表明，各行作業(yè)軌跡與自身擬合直線平均橫向偏差為5.90 cm，標(biāo)準(zhǔn)差為3.64 cm；各行作業(yè)軌跡與規(guī)劃直線路徑的平均橫向偏差為6.98 cm，標(biāo)準(zhǔn)差為4.95 cm；搭載輔助導(dǎo)航系統(tǒng)作業(yè)，各行作業(yè)軌跡直線度較好，與規(guī)劃路徑的橫向偏差較小，基本滿足南方中小型田塊中農(nóng)業(yè)機(jī)械田間作業(yè)要求，有效地降低了操作人員的勞動強(qiáng)度、提高了工作效率。