智能農機自動導航系統應用研究

孫　琦

(廊坊市廣播電視大學,河北 廊坊　065000)

0　引言

我國幅員遼闊，北方地區的地勢平坦，有大面積的連片農田。同時，農業產業模式和結構的轉型使得南方地區的農田出現集中經營的趨勢，大面積的農田數量日益增多。在這樣形勢下，依然采用傳統的農田作業方式不僅效率低，且生產成本較高，無法推動農業現代化的發展。例如，作物的播種必須要在適宜的時期內完成，人工播種會因效率太低而錯過最佳播種時機，影響作物后續的生長。農業生產的機械化是農業現代化的重要內容，且大面積成片農田的增加也為大型農業機械的應用提供了有利條件和廣闊空間。我國農業生產機械化的發展較快，水稻、玉米和小麥這三大主要糧食作物的生產可以實現全程的機械化；但是，受局部自然條件和機械性能的影響，機械化的普及率還不高。因此，進一步提升機械的適應性和自動化水平對農業的可持續發展具有重要的意義。

精準農業的概念在1997年提出，代表了當今世界現代農業發展的新潮流。精準農業推動農業生產向規模化、專業化和科學化轉變，也對農業機械的技術水平提出了更高的要求[1]。農業機械的自動導航是其自動化和智能化水平的重要內容，也是降低人力成本、提高土地利用率的有效手段[2-3]。農機的導航研究開始于20世紀80年代，最初的目標是實現農機的無人駕駛；后來依賴于計算機視覺和衛星導航技術的進步，導航的精度逐步提高，應用范圍也日益擴大[4-5]。隨著我國社會的發展和農業現代化的進步，各種大型機械也開始使用衛星和計算機視覺實現導航，提高了播種、施肥、噴藥、整地和起壟等作業的效率和土地利用率[6-7]。

衛星導航利用電子地圖和衛星信號接收機進行的實時定位和導航，目前比較成熟的衛星定位導航系統包括美國的GPS、俄羅斯的GLONASS和中國的北斗[8]。我國最早使用的是GPS為民用級，精度僅有10m，定位誤差太大，不能滿足農機自動導航的要求[9]。GLONASS的誤差太大，且實現難度和使用成本較高，不適用于我國的農機自動導航。GPS和GLONASS系統都由國外開發，核心技術由國外掌握，因而容易形成壟斷格局，對其嚴重依賴還會引起信息領域的安全問題。計算機視覺概念是在20世紀80年代提出來的，最初被用來引導機器人采摘水果，后來發展出多種用途，包括農業機械的自動導航。計算機視覺的信息處理程序依次為圖像獲取、目標與背景分割、目標特征提取和信息分析決策，在自動導航中的功能是識別機械的行走路徑和檢測障礙物[10]。計算機視覺用于農機自動導航面臨兩個問題：一是田間光照變化較快，對圖像采集質量和目標特征的提取分析造成很大的干擾，在夜晚光線不足的情況下完全無法發揮作用；二是圖像的信息量很大，處理過程消耗較長的時間，引起信息決策的滯后問題。以上因素影響了計算機視覺在農機自動導航中應用的范圍。

北斗衛星系統由我國自行研制的全球第3個成熟的衛星導航系統，擁有核心技術和自主產權，結束了我國的定位和導航服務完全依賴國外GPS系統的時代。北斗衛星建立后經過不斷的升級，定位精度由之前的10m大幅增加至1m，導航的精度也相應地增加。目前，北斗系統已經在我國廣袤的土地上用于農業機械的自動導航，體現出巨大的經濟和社會價值。楊方等人調查發現，1臺安裝該自動導航系統的拖拉機每年可以節本增效16萬元左右[11]。

吳延霞等人提出，一個真正具有應用價值的農機導航系統應該同時具備實時性、魯棒性和精確性這三大特點，即系統的數據處理速度與農機的行駛速度一致，對復雜的自然環境具有良好的適應性和達到一定的導航精度要求[12]。因此，以上述三大特點為目標，建立基于北斗衛星的農機自動導航系統，對我國精準農業的發展具有重要的意義。

本文基于北斗衛星，開發了一種帶有便攜式基站的智能農機自動導航系統。該系統通過基站的差分數據實現定位，實時向方向盤控制器發出指令，控制機械按照設定的路線行進。同時，將該系統安裝在拖拉機上，在田間鋪膜和播種試驗中驗證其導航的實時性和精確性，以期為升級農業機械的智能化和自動化提供技術支撐。

1　系統的總體設計及組成部分

1.1總體設計

自動導航系統包括裝載在農業機械上的衛星天線、導航終端、行車控制器、方向控制器和角度傳感器，以及安裝在地面的便攜式基站。系統的工作過程：首先在導航終端上設定導航模式和行駛路線，衛星天線經過便攜式基站接收北斗衛星的差分，發送給導航終端實現農機定位；然后，由行車控制器根據角度傳感器提供的農機運行方向，向方向控制器發出指令，控制機械沿設定的路線自動行駛。自動導航系統的工作流程如圖1所示。

1.2組成部分

系統裝載在東方紅LX900型拖拉機上，該機型額定功率66kW，輪距1.4～2.1m，最大速度31km/h，經過加裝后可以適用于各種農田作業。機械的頂端安裝七頻衛星天線用于接收衛星信號。天線結構穩固，抗震性好，在劇烈搖晃的情況下依然能穩定地接受北斗、GPS或GLONASS衛星系統的信號。

導航終端用于分析整合衛星數據，設定系統的運行參數、導航模式和行駛路線，并顯示機械的運行狀態。本系統所用的為國內中海達公司的品牌產品，具有安裝Android操作系統的8英寸觸摸屏，采用CAN接口，輸入電壓16V，導航精度達到2.5cm。

行車控制器用于接收導航終端和方向傳感器的數據，計算機械的位置、行駛速度和行駛方向；然后根據設定的線路向方向控制器發出指令，確保機械沿設定的路線自動。控制器已預先載入了國內的各種農業機械的數據，適用于多種拖拉機的型號。

方向控制器接收行車控制器的指令，通過相應的調整控制機械的行駛方向。方向控制器主要有液壓閥和方向盤控制器兩種形式，本系統根據機械的特點選擇的是方向盤控制器。液壓閥以液壓油為介質傳遞能量，從而實現對繼續前進方向的控制。液壓閥對方向的控制作用穩定，使用壽命長，與方向盤控制器相比還有精度高和反應快的優勢。方向盤控制器直接與機械的方向盤連接，通過馬達驅動方向盤實現自動控制。與液壓閥相比，方向盤控制器安裝方便，對機械的適應性也更好。角度傳感器用于測定機械前輪轉動的角度，然后發送給行車控制器，以作為計算下一步方向控制量的依據。

導航基站用于接收衛星的數據，并發送給機載的衛星天線。基站有固定式和便攜式兩種，適用于不同的自然環境，可同時服務覆蓋范圍內的多臺機械，為導航終端提供的差分信號精度達到2cm。固定式基站大多設置在農機推廣站或農場中心區域，位置不會輕易改變。其網絡或電臺提供的差分信號有效距離可以達到50km，適合集中連片的許多機械同時作業。便攜式基站一般安裝在田邊，作業完成后可以拆卸轉移至下一個工作點，適合野外和流動作業。這種基站的信號有效距離最遠可達15km，與固定式基站有較大差距；但操作簡單，使用地點更為靈活。本系統須在多個不同的農場進行試驗，因此使用便攜式基站。

圖1　自動導航系統的工作流程

2　試驗結果與分析

2.1試驗設計

為了驗證自動導航系統的導航精確度和適用性，在位于河北省的農場內分別進行了夏玉米的播種和鋪膜試驗。試驗采用人工駕駛和自動導航兩種方式，設定0.7、0.8、0.9、1.0、1.1m/s共5個速度。在每種速度下沿設定的線路行駛100m，然后在線路上隨機取20個點。對于播種作業測量坐標誤差，鋪膜作業測量鄰接行寬(標準60cm)。坐標誤差為測量坐標與理論坐標之間的距離，用于反映導航的精確度。鋪膜鄰接行寬為相鄰兩行之間的寬度，是反映土地利用率的指標。在河北省的農場內分別進行了夏玉米的播種和鋪膜試驗，如圖2所示。

圖2　自動導航系統的田間試驗

2.2試驗結果和分析

田間試驗的結果如表1所示。由表1可以看出：隨著機械行駛速度的增加，人工駕駛播種作業的精確度降低，坐標誤差最后達到0.51m。自動導航作業的精確度雖然降低，但是最大坐標誤差僅為0.21m，在可以接受的范圍內。在鋪膜作業中，隨著機械行駛速度增加，人工駕駛作業的鄰接行寬也隨之增加，與標準行寬的差距也越來越大，最后的誤差達到20cm。不同速度下自動導航的鄰接行寬與設定的標準都差異不大，最多的僅為6cm，鄰接行遺漏很少，表現出較高的土地利用率。

表1　田間試驗結果

3　結論

本文基于北斗衛星，開發了一種由衛星天線、導航終端、行車控制器、方向控制器、角度傳感器和便攜式基站組成的智能農機自動導航系統。系統通過基站的差分數據實現定位，實時向方向盤控制器發出指令，控制機械按照設定的路線行駛。將該系統安裝在拖拉機上，在田間播種和鋪膜試驗中驗證其導航的實時性和精確性。結果表明：系統在不同速度下都表現出比人工駕駛更好的導航準確性和土地利用率，可以為農業機械的智能化和自動化升級提供技術支撐，具有廣闊的應用前景。

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