聯(lián)合收獲機的衛(wèi)星定位控制與遠程管理技術(shù)應(yīng)用

潘超然

(黑龍江省農(nóng)業(yè)機械工程科學(xué)研究院，哈爾濱 150081)

0 引言

近年來，我國的農(nóng)業(yè)機械化產(chǎn)業(yè)得到了快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的現(xiàn)代化農(nóng)機裝備顯著增多，農(nóng)業(yè)機械的作業(yè)效率、可靠性、操作駕駛體驗都得到明顯改善，農(nóng)業(yè)機械已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不可分割的重要勞動力。收獲機是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中用于農(nóng)產(chǎn)品收獲機械裝備的總稱，其技術(shù)先進性對于農(nóng)業(yè)實際產(chǎn)出和經(jīng)濟效益影響很大，隨著收獲機技術(shù)的升級，聯(lián)合收獲機逐漸成為收獲作業(yè)的主力，應(yīng)用量進一步增加。為進一步提高聯(lián)合收獲機的作業(yè)精確性和智能化程度，將衛(wèi)星定位技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)整合到聯(lián)合收獲機中，能夠有效提高機械化收獲質(zhì)量，降低人力勞動負擔，更好地保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的順利實施。

1 聯(lián)合收獲機作業(yè)特征

聯(lián)合收獲機是在傳統(tǒng)的單一功能收獲機產(chǎn)品基礎(chǔ)上發(fā)展而來的先進農(nóng)機產(chǎn)品，其保留了收獲的主要功能，并集成了作物割斷、疏松、剝皮、清選、分離、存儲等功能中的一種或幾種，實現(xiàn)了一次性作業(yè)完成傳統(tǒng)生產(chǎn)的多項作業(yè)任務(wù)，有效提高生產(chǎn)效率并減少農(nóng)機作業(yè)的次數(shù)。聯(lián)合收獲機根據(jù)收獲作物的不同可細分為多個種類，其中包括用于大田生產(chǎn)的谷物聯(lián)合收獲機、玉米聯(lián)合收獲機，還包括經(jīng)濟作物用的甜菜聯(lián)合收獲機、藜麥聯(lián)合收獲機、煙葉聯(lián)合收獲機等。隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面積的不斷擴大，聯(lián)合收獲機的機型也由傳統(tǒng)的小型小動力機械向大型大動力機械方向轉(zhuǎn)變，聯(lián)合收獲機產(chǎn)品還進一步與自動控制技術(shù)相結(jié)合，在設(shè)備的自動作業(yè)、調(diào)整、故障檢測等方面實現(xiàn)了升級，使聯(lián)合收獲機的操作性和駕駛便捷程度顯著提升?，F(xiàn)階段，大部分聯(lián)合收獲機能夠?qū)崿F(xiàn)一次作業(yè)完成收獲及收獲相關(guān)的全部工作任務(wù)，如糧食收獲、初步清選、收集、運輸、秸稈處理等，但在實際使用過程中仍存在關(guān)鍵技術(shù)落后、糧食損失率偏高、故障率偏高等問題，同時聯(lián)合收獲機與現(xiàn)代化的衛(wèi)星定位、大數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等結(jié)合不夠緊密，這也成為未來聯(lián)合收獲機發(fā)展的重要方向。

2 聯(lián)合收獲機定位與聯(lián)網(wǎng)研究

隨著我國《農(nóng)業(yè)機械化促進法》的實施，在很長時間激勵著農(nóng)機科研工作的開展，聯(lián)合收獲機作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要設(shè)備種類，對聯(lián)合收獲機與衛(wèi)星定位及遠程管理開展了大量的工作。李偉[1]等通過在聯(lián)合收獲機上配備GPS模塊、3G無線數(shù)據(jù)傳輸模塊和CAN總線通訊模塊，研究了收獲過程的測產(chǎn)系統(tǒng)，完成了聯(lián)合收獲機產(chǎn)量分布信息獲取技術(shù)的軟硬件設(shè)計，試驗證實通過衛(wèi)星定位和數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)實現(xiàn)的測產(chǎn)，其室內(nèi)測產(chǎn)相對誤差小于2%，田間測產(chǎn)相對誤差小于3%，精確度很高；寧小波[2]等對聯(lián)合收獲機進行了建模分析與參數(shù)關(guān)聯(lián)，明確了作業(yè)參數(shù)與喂入量、損失率之間的數(shù)據(jù)關(guān)系，建立了聯(lián)合收獲機脫粒系統(tǒng)動力學(xué)模型，并結(jié)合衛(wèi)星定位技術(shù)實現(xiàn)了聯(lián)合收獲機全領(lǐng)域作業(yè)速度自適應(yīng)控制，并能對聯(lián)合收獲機進行遠程管理與控制，有效提升了聯(lián)合收獲機的智能化程度；劉新怡[3]等基于北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)功能對聯(lián)合收獲機作業(yè)路徑跟蹤與輔助導(dǎo)航展開研究，利用北斗定位模塊、傳感器技術(shù)、信息顯示、轉(zhuǎn)向控制、總線通訊等技術(shù)實現(xiàn)了定位與行駛檢測，并實現(xiàn)了通過控制系統(tǒng)實時糾正行駛偏差，有效提升了聯(lián)合收獲機輔助導(dǎo)航的精準性。丁幼春等[4]基于單神經(jīng)元PID控制技術(shù)研究了一種用于聯(lián)合收獲機的導(dǎo)航控制器，并開展了常規(guī)PID控制和單神經(jīng)元PID控制的仿真及現(xiàn)場試驗，證實了利用單神經(jīng)元PID控制的聯(lián)合收獲機導(dǎo)航行駛偏差可達厘米級，完全能滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要，為聯(lián)合收獲機的自動化作業(yè)提供了技術(shù)支撐。

3 衛(wèi)星定位控制的應(yīng)用

3.1 應(yīng)用優(yōu)勢

3.1.1 輔助駕駛

現(xiàn)階段，應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的衛(wèi)星定位技術(shù)主要包括我國自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)和美國的GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)。近年來，北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)在我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用量顯著增加，利用北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)厘米級的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)衛(wèi)星定位，在駕駛員駕駛聯(lián)合收獲機作業(yè)過程中利用配套的衛(wèi)星定位導(dǎo)航裝置能夠?qū)崿F(xiàn)作業(yè)路徑的監(jiān)管，駕駛員只需按照路徑駕駛即可完成生產(chǎn)任務(wù)。

3.1.2 作業(yè)監(jiān)測

在對聯(lián)合收獲機作業(yè)的管理中，很多地區(qū)政府及農(nóng)業(yè)主管部門需要對聯(lián)合收獲機的作業(yè)量進行監(jiān)測，以便于作業(yè)補貼的發(fā)放及作業(yè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計。利用衛(wèi)星定位技術(shù)能夠?qū)崟r監(jiān)測聯(lián)合收獲機的作業(yè)位置和作業(yè)狀態(tài)，若將衛(wèi)星定位與數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)相結(jié)合，還能夠?qū)⑹斋@機在某一時刻的作業(yè)位置及作業(yè)參數(shù)等信息傳輸?shù)奖O(jiān)管系統(tǒng)，以便于農(nóng)業(yè)管理人員及生產(chǎn)經(jīng)營者對其進行作業(yè)監(jiān)測。

3.1.3 輔助測產(chǎn)

利用衛(wèi)星定位技術(shù)與傳感器技術(shù)相結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)在作業(yè)實施的過程中同時測量農(nóng)作物產(chǎn)量，有利于對單位面積農(nóng)田實現(xiàn)產(chǎn)出的精確統(tǒng)計，以便于提前組織糧食收購或農(nóng)業(yè)經(jīng)營者提前預(yù)判經(jīng)濟收益。

3.1.4 便于管理

現(xiàn)階段，我國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中先進聯(lián)合收獲機設(shè)備仍相對缺乏，利用衛(wèi)星定位技術(shù)，農(nóng)業(yè)管理部門能夠通過智慧農(nóng)機管理平臺實時獲取聯(lián)合收獲機的作業(yè)信息，并掌握聯(lián)合收獲機所在區(qū)域。通過與本地未收獲農(nóng)田的數(shù)據(jù)及周邊未收獲農(nóng)田數(shù)據(jù)進行分析，能有效實現(xiàn)聯(lián)合收獲機的資源調(diào)配，有利于生產(chǎn)的順利實施并提高聯(lián)合收獲機的作業(yè)收益。

3.2 應(yīng)用軟硬件條件

衛(wèi)星定位控制主要包括兩方面的技術(shù)，一是衛(wèi)星定位；二是自動化控制。將二者相結(jié)合才能有效提升聯(lián)合收獲機的自動化與智能化程度，而要實現(xiàn)聯(lián)合收獲機的衛(wèi)星定位控制，需要在軟硬件兩方面進行升級和優(yōu)化。

3.2.1 硬件條件

要實現(xiàn)衛(wèi)星定位控制技術(shù)，所需的主要技術(shù)如圖1所示。聯(lián)合收獲機所需的硬件升級主要包括以下幾個方面：一是改變傳統(tǒng)的操控機械結(jié)構(gòu)，利用自動換擋、電機轉(zhuǎn)向、自動制動等技術(shù)替代傳統(tǒng)的人工駕駛室結(jié)構(gòu)，并對上述功能進行電控元件的相應(yīng)配置，實現(xiàn)通過電控開關(guān)控制機械結(jié)構(gòu)完成轉(zhuǎn)向、換擋、制動等功能；二是在重要的控制結(jié)構(gòu)處合理增設(shè)傳感器等監(jiān)測元件，如應(yīng)用轉(zhuǎn)向傳感器監(jiān)測前輪轉(zhuǎn)角，或依靠速度傳感器監(jiān)測行駛速度等；三是在聯(lián)合收獲機內(nèi)部增設(shè)衛(wèi)星定位天線及相關(guān)硬件，以便于精準定位的實施；四是增設(shè)必須的環(huán)境感知硬件，例如毫米波雷達、視覺攝像頭等設(shè)備，實現(xiàn)衛(wèi)星定位控制聯(lián)合收獲機的過程中對周邊環(huán)境的實時感知，避免聯(lián)合收獲機在衛(wèi)星定位控制行駛的過程中出現(xiàn)與障礙物的碰撞，造成機械損傷、人員傷亡、財產(chǎn)損失等問題[5]。

圖1 衛(wèi)星定位控制的應(yīng)用硬件條件

3.2.2 軟件條件

軟件方面需要滿足以下條件，首先需要設(shè)計并建設(shè)衛(wèi)星定位控制主系統(tǒng)，該系統(tǒng)需結(jié)合聯(lián)合收獲機的作業(yè)特點和作業(yè)需求，充分考慮自動控制過程關(guān)于作業(yè)模式、作業(yè)方案、人機交互、遠程控制等方面的技術(shù)問題。其次，在主系統(tǒng)下設(shè)計相關(guān)的分系統(tǒng)，主要包括：1)衛(wèi)星定位系統(tǒng)，是控制功能實現(xiàn)的基礎(chǔ)，是保證聯(lián)合收獲機準確獲取自身位置信息的關(guān)鍵，有利于提高作業(yè)的準確性，衛(wèi)星定位系統(tǒng)需明確可作業(yè)條件下的最少衛(wèi)星數(shù)量，并設(shè)計作業(yè)過程中當衛(wèi)星信號較弱時的處置方案，充分考慮衛(wèi)星定位系統(tǒng)引進和使用的成本，利用國產(chǎn)系統(tǒng)降低對進口系統(tǒng)的依賴；2)邏輯控制系統(tǒng)，主要用于根據(jù)不同的農(nóng)田條件選擇適應(yīng)的作業(yè)方案，例如通過農(nóng)田的邊界定位信息，結(jié)合農(nóng)田種植壟向等數(shù)據(jù)，自主規(guī)劃作業(yè)路徑，并結(jié)合農(nóng)作物種植密度等數(shù)據(jù)優(yōu)化行駛速度；3)人工管理系統(tǒng)，主要用于聯(lián)合收獲機的遠程管理，或?qū)τ谧詣涌刂葡到y(tǒng)出現(xiàn)故障或作業(yè)方案選擇不當時進行人工干預(yù)；4)數(shù)據(jù)記錄與傳輸系統(tǒng)，主要用于聯(lián)合收獲機作業(yè)過程的數(shù)據(jù)記錄和傳輸，并對重要的數(shù)據(jù)進行自動存儲與分類。除上述系統(tǒng)外，還需要在軟件建設(shè)的過程中重視系統(tǒng)功能的可拓展性，使其能夠便捷地與視覺識別系統(tǒng)、雷達測距系統(tǒng)等相配合，實現(xiàn)后續(xù)功能的增加與升級。

4 遠程管理技術(shù)應(yīng)用

對于聯(lián)合收獲機的遠程管理主要通過農(nóng)機管理平臺實現(xiàn)，而在實際應(yīng)用過程中，可針對聯(lián)合收獲機的作業(yè)特點有針對性地開設(shè)專門的管理流程和項目內(nèi)容，針對聯(lián)合收獲機可參考圖2實施。遠程管理技術(shù)的應(yīng)用主要針對人工駕駛的聯(lián)合收獲機和自動作業(yè)的聯(lián)合收獲機兩方面開展。對于人工駕駛的聯(lián)合收獲機，遠程管理用于監(jiān)管農(nóng)機手的駕駛方式、作業(yè)參數(shù)、收獲效率等，并通過遠程管理系統(tǒng)實現(xiàn)與農(nóng)機手的交流互通，將管理意見傳輸?shù)今{駛室的屏幕上，提醒駕駛員及時調(diào)整作業(yè)方案。對于自動作業(yè)的聯(lián)合收獲機，遠程管理主要是對其作業(yè)方案進行決策，調(diào)整不合理的作業(yè)參數(shù)和作業(yè)路徑，并實時監(jiān)管聯(lián)合收獲機的作業(yè)情況，查看聯(lián)合收獲機是否存在故障或收獲質(zhì)量不佳等問題，遠程掌握收獲效率和實際產(chǎn)出等數(shù)據(jù)，方便對大面積農(nóng)田進行規(guī)劃，并預(yù)判局部農(nóng)田的工作任務(wù)完成時間，進而合理規(guī)劃和調(diào)配聯(lián)合收獲機的后續(xù)作業(yè)任務(wù)[6]。

圖2 聯(lián)合收獲機遠程管理流程

遠程管理技術(shù)現(xiàn)階段的應(yīng)用主要包括兩方面：一是管理者通過專用的電腦實現(xiàn)對聯(lián)合收獲機作業(yè)狀態(tài)的詳細監(jiān)管，該系統(tǒng)功能更為豐富，但管理過程缺乏便捷性；二是管理者通過手機移動終端實現(xiàn)對聯(lián)合收獲機工作狀態(tài)的監(jiān)管，APP端的管理功能相對簡單，但管理實時性相對更好，當聯(lián)合收獲機出現(xiàn)作業(yè)異?；蚬收蠁栴}時能夠在第一時間發(fā)出警示，有利于降低作業(yè)過程中的損失。總體上講，隨著近年來各地農(nóng)機智慧管理平臺的建設(shè)與功能豐富，對于現(xiàn)代化聯(lián)合收獲機的監(jiān)管也更加便捷，農(nóng)業(yè)機械的管理人員和農(nóng)業(yè)經(jīng)營者利用智能終端進行聯(lián)合收獲機遠程管理的比例得到快速增加。

5 結(jié)語

在智慧農(nóng)業(yè)理念的引導(dǎo)下，聯(lián)合收獲機作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中結(jié)構(gòu)復(fù)雜、技術(shù)先進的典型設(shè)備，其智能化程度正持續(xù)提高。衛(wèi)星定位和遠程數(shù)據(jù)管理等技術(shù)已在新型聯(lián)合收獲機產(chǎn)品上得到大量應(yīng)用，隨著電氣控制自動化技術(shù)在收獲機領(lǐng)域進一步應(yīng)用，該類農(nóng)機的智能化程度也將顯著提升，為我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率與質(zhì)量升級創(chuàng)造更有利條件。