自動導航系統在農業果園中的應用及適用性分析

許冠杰

（青島工學院，山東 膠州266300）

1 引言

自動導航作為農業移動機器人研究的一個重要組成部分，是集計算機、電子通信、自動控制為一體的綜合性技術，主要內容包括:機器人周圍環境的感知、導航路徑的規劃、機器人模型的建立及轉向控制。通過導航系統對周圍環境的感知，機器人能夠實現實時精準定位，完成多項農業活動。實現農業車輛的自動導航可使駕駛員從繁重的工作中解放出來，減少疲勞、提高生產效率、增加應用精度和操縱安全性，還可減少重復作業，從而降低成本、提高農產品質量、避免某些作業給人身帶來的危害，對我國農業車輛的智能化、農業生產精細化有著重大的促進作用。我國作為水果生產大國，果樹的種植、管理以及果實的采收等工序機械化程度低并且設備單一、勞動強度大、成本高。針對這一現狀，研究符合我國國情的果園機械化相關理論、開發適合于果園作業的先進裝備勢在必行。

2 研究概況

接觸式導航系統包括接觸式傳感器和導航控制兩部分。其具有機構簡單、成本較低、易維護、可靠性高及在行間作業過程中具有實用性且易于推廣等優點。這種導航方式能避免導航機構碰撞農作物；但用于壟間作業且轉向角度在梯度大于6%的傾斜地面上作業時，傳感器引起的偏差很難滿足精度要求。目前，我國在機械接觸式導航方面的研究比較少，何卿等設計了雙層接觸式導航控制系統，以觸桿轉角為輸入、前輪轉角為輸出設計了模糊控制器；并采用帶非線性補償的PID控制器實現對拖拉機前輪轉向角的控制。試驗結果顯示，在速度小于1m/s時，該導航控制算法響應快、穩定性好，能滿足玉米秸稈行間作業要求；但是偏差隨拖拉機行駛速度增加而增大，限制了導航控制系統的效率。機械接觸式導航雖然有眾多優點，但不能用于非接觸式環境，且傳感器容易受周圍介質的影響，精確度不高。在果園特殊環境中，接觸式傳感器正好可以與果樹接觸受力實施導航；但是由于果樹行間距比較大，這就要求接觸式傳感器的觸角有足夠的長度，這必將增加傳感器的導航誤差，也不能滿足果園狹小地頭空間環境下實施轉彎進入下一行作業。同時，由于果園環境復雜，雜草較多、干擾較大，果樹的缺失也會嚴重影響導航的穩定性，所以機械接觸式導航在果園中應用的可能性不大。

機械導航是基于物理軌道的移動機器人導航系統，具有機構簡單、穩定性高、維護方便等優點。GabrielyY等開發了一款適用于山地果園的多用途單軌車，該車輛通過連接車廂、施肥機、除草機等設備能夠在超過30°的坡道實施各種果園作業，有效降低了勞動力；但是軌車輛的操作依舊需要人工進行，沒有實現勞動力的完全解放。日本生研中心開發出了基于管道導航的植保機器人，在果園鋪設聚乙烯管道，輔助誘導輪沿管道前進實現無人駕駛作業。該機器人在日本已投入使用，但只能適用于轉彎半徑1m以上、坡度小于6°的果園。坡度較大的果園，孫同彪等介紹了一種山地果園單軌運輸車，在坡地上鋪設固定支架，通過牽引車上的驅動齒輪與軌道的齒條嚙合，實施60°以下坡道的運輸作業。該車輛可實現無人操作，在坡度較大的軌道上運行也比較安全；但該車輛的最小轉彎半徑需要4.5m，對需要較小轉彎半徑的果園有很大的局限性。針對行距為4m的蘋果園，機械導航需在田間鋪設運行軌道，導航機械運行速度較低，導致作業效率不高。機械導航在果園環境中相對研究的比較早，眾多學者研究了能夠實現自動噴藥和搬運的果園植保機器人；但局限于在果園鋪設導航軌道成本較高，最小轉彎半徑也有一定的限制。

超聲波導航具有結構簡單、安裝使用方便、成本低、抗電磁干擾能力強、不受光線煙霧影響，以及時間信息直觀等特點。該定位系統具有成本低、易于安裝、體積小、抗干擾能力強等優點；但是當溫度變化較大時，需要設置溫度補償裝置，增加了硬件系統的復雜性。超聲波傳感器易受溫度的影響，如果測距精度要求很高，則需要通過溫度補償加以校正。同時，超聲波傳感器捕獲的信息量相對較少、感知信息存在較大的不確定性等缺點，其在果園導航機械上的應用也有一定的局限性。

GPS具有全球、全天候工作，定位精度高，操作簡便等優點。隨著精度的不斷提高以及應用成本的下降，GPS技術在農業智能機器人和農用車輛的自動導航定位等方面得到了廣泛的應用。國內學者對于GPS導航的研究多集中于南方水稻種植機械的研發。郭娜等設計了與GPS導航相配合的插秧機作業控制系統，根據處方圖的要求實現栽插作業和行駛速度的自動控制。該系統能夠正確執行既定的插秧任務；但是插秧機速度控制的調整時間隨著設定值的加大而增加，限制了其實際工作效率。偉利國等以XDNZ630型水稻插秧機為試驗平臺，通過GPS接收機與車載傳感器獲取車輛姿態信息，采用PID控制方法，構建轉向閉環控制系統，實現插秧機行間自動導航及地頭轉向。該導航系統在低速行駛時，完全可以滿足插秧作業精度要求；但是在地頭轉向和直線的銜接處出現較大的跟蹤誤差。GPS導航雖然優點較多，國外研究成果較為成熟，但是容易受到環境因素的影響，使得精度和可靠性降低，同時由于GPS應用的費用較高，在我國一家一戶小地塊的土地背景下限制了其在農業工程中的使用。在果園特殊環境中，GPS需要接收衛星信息，由于樹冠密集，信號很容易被遮擋造成丟失，無法完成果園機械的自動導航，目前單一的利用GPS實施果園機械的導航存在很大的局限性，但是在田間地頭轉彎時可以利用GPS接收信息，實施精確轉彎，從而利用多傳感器融合實現果園環境下的自動導航。

3 果園機械導航發展趨勢及問題分析

果園機械導航發展趨勢隨著國際精細農業的發展，對農業機械的自動化、智能化程度要求越來越高。果園機械的自動導航作為智能化農業裝備的一部分，受到越來越多的學者關注，近年呈現快速發展的趨勢。通過以上分析，適用于農業機械的眾多導航方式中，由于果園復雜環境的限制，其應用具有一定的局限性。機械接觸式導航由于干擾較大，不適用于果園導航；電磁導航由于電纜鋪設和維護比較困難，在果園機械導航中的應用也有很大的局限性；機械導航鋪設軌道成本較高，限制了其在果園導航中的使用；超聲波導航檢測信息誤差較大，不適用于結構復雜的果園環境；激光掃描儀在果園機械的自動導航中，可以獲取果園的位置信息，但是也存在獲取障礙物特征信息不完整的缺陷。GPS作為一種成熟的導航方式，已在大田中得到廣泛的應用，在果園環境中，樹冠密集，阻隔了GPS信號的傳輸，無法獨立的完成自動導航；但可以為地頭轉彎提供準確的數據點信息，生成轉彎路徑。機器視覺導航技術已較為成熟，但是由于果園的非結構化環境以及果樹缺失，都將影響視覺導航的穩定性和導航精度。由于機器視覺圖像收集信息量豐富，在果樹行間導航時，機器視覺可探測樹冠信息，輔助激光掃描儀，實現果樹行間比較完善的信息采集，實施果園環境下的精確導航。多傳感器融合技術作為一種新興的導航技術發展迅速，通過多傳感器融合避免了單一傳感器產生的導航信息不完整以及導航精度不高等缺陷。在果園復雜環境中，通過選用合適的傳感器進行信息融合，能夠在低成本的前提下，實現果園機械的精確導航，是今后果園機械智能化發展的主要導航方式。

4 結論

隨著自動導航技術在果園中應用的不斷發展和完善，基于信息采集比較完善的多傳感器融合技術的優越性逐漸凸顯，將會成為今后果園機械優先選擇的導航方式。通過對以上各導航式的分析，激光導航能夠很好地獲取果樹位置信息，生成基本的導航路徑。機器視覺能夠進行行間信息的采集，完善激光掃描獲取障礙物特征信息不完整、障礙物缺失情況下無法獲取導航信息的缺點，修正導航路徑。果園地頭基于無樹冠影響，GPS能夠準確地獲取數據點信息，生成精確的轉彎路徑，實施地頭轉彎。因此，通過激光掃描儀、機器視覺和GPS進行多傳感器融合實現果園機械的自動導航，將會進一步提高導航精度，降低系統設計成本。