基于導航平臺的無人農場關鍵技術分析

張居正，王 意，謝東升，俞金金，韓連杰

（揚州大學機械工程學院，江蘇 揚州225127）

0 引言

在農業勞動力大量轉移的情況下,全國農作物耕種收綜合機械化率由2003年的33.5%提高到2019年的70%，農業機械化水平達到了一定的高度，無人農場應運而生。無人農場是指勞動力不進入現場的農業生產條件下，利用物聯網、大數據、機器人的人工智能、5G等新一代信息技術，通過對農用設施、設備進行改造，機械的遠程控制或智能設備與機器人自主決策、自主操作，完成所有農場生產經營任務的一種無人全天候、全過程、全空間的生產作業模式[1]。伴隨著我國的科技發展，農具的轉型升級成了必然趨勢。近年來，我國的農場已使用了許多類型的農業機械，例如，鏵式犁、旋耕機、圓盤耙、深耕機、播種機、聯合收割機、噴霧器以及秸稈破碎還田機等。這些農機具功能單一，以稻麥耕播階段為例，一般要使用施肥旋耕機、鎮壓機、開溝機和噴桿噴藥機組合使用，拖拉機下地多次，大大影響了作業時長，不利于爭奪農時，嚴重影響下茬作物的生長。導航無人駕駛技術作為無人農場智能農業裝備的核心技術，在我國農業領域應用多傳感器組合定位技術的研究很少，但在工業、航空、智能交通等領域的相關研究已達到較高水平[2]。將智能化技術與現代農機具相結合成為目前無人農場發展的關鍵。本文主要介紹基于導航的無人駕駛技術、農機具升降起停關鍵技術和復式作業技術。

1 基于導航的無人駕駛技術

目前，在除美國GPS、伽利略衛星導航系統（EU）和俄羅斯全球導航衛星系統（Global Navigation Satellite System）以外的所有定位系統中，我國自主研發的北斗衛星導航系統已成為世界主流定位系統之一，我國農業中許多關鍵技術就由北斗和GPS提供技術支持。

1.1 單點定位

單點定位是根據接收機的觀測數據確定接收機位置的一種方法。它只能采用偽距觀測量，可用于一般的車輛和船舶導航定位，也稱為“絕對定位”。定位結果通過衛星信號傳送給用戶，而用戶則需要利用手中的GNSS接收機接收并解算得到結果。定位誤差在10 m內。在接收過程當中，可能存在與傳播路徑、接收設備和衛星有關的錯誤。利用差分技術，可以完全消除第一類誤差和第二類誤差[3]。

1.2 差分定位

利用差分原理（DGNSS），可在參考站上安裝GNSS接收器以進行觀測。從基站到衛星的距離校正可以從基站已知的精確坐標計算出來，基站將實時傳輸這些數據。用戶接收機將同時進行GNSS觀測并接收基站發送的校正數據，用于校正定位結果，從而進一步提高定位精度。定位誤差在250 cm以內。采用實時動態控制（RTK）技術，誤差可控制在10 mm以內。

1.3 角度傳感器

農業機械導航自動驅動系統需要了解轉角狀態。目前常用的角度傳感器有機械式和非接觸式兩種[4]。

機械式角度傳感器目前應用較為廣泛，主要由霍爾傳感器及機械部件與數據接口組成，目前角度傳感器的安裝主要有平行四邊形與同軸式兩種，一般電機式的北斗導航農機自動駕駛儀主要安裝在自走式的農機上，為了增加農機的適應性，以平行四邊形的角度傳感器應用更為普遍，但這種傳感器對轉向系統的空間提出了一定的要求，主要是平行四邊形機構與車輪及轉向系統容易發生空間上的干涉，實際安裝時需要不斷調試。對中要求高、適應性差也是同軸式的傳感器仍然面臨的問題。由于機械式角度傳感器的信號來源均為與車輪轉軸的剛性連接，一旦發生磕碰或拆卸等狀況造成傳感器部件與初始標定狀態不一致，角度傳感器均需要進行重新校正和標定。機械式角度傳感器可以滿足自動駕駛系統對于車輪轉角的測量要求，但是存在穩定性差且易受外界干擾的問題。

非接觸式角度傳感器由MEMS陀螺儀作為主要元件。陀螺儀作為一種對角速率敏感的慣性器件，具有穩定性好、磁干擾小、靈敏度高等特點，在性能上呈現出多樣化和穩步提高的趨勢。從而為解決傳統角度傳感器在角度測量中存在的缺陷開辟了一條有效、可靠的途徑[5]。在安裝方面，非接觸角傳感器沒有拉桿結構，易于安裝。系統利用卡爾曼濾波器融合單軸陀螺測量的角速度數據和運動學模型計算的角度數據，實現對轉動角度和轉動角速度的跟蹤。由于傳感器與車輪轉角只有角速度跟蹤而無絕對的數值對應關系，因此非接觸式角度傳感器一般安裝后無需調試校正。陀螺儀角度傳感器的運用，極大的提高了車輛前輪轉角測量的精確性和穩定性，有效地克服了使用傳統角度傳感器進行轉角測量時的缺陷，為農機自動駕駛系統在多種環境下的普及使用奠定了基礎，具有廣闊的應用前景。

2 農機具升降起停關鍵技術

拖拉機是農田作業單元的動力源，了解拖拉機各部件之間的聯動關系對正確支撐農業機械、發揮單元潛力非常重要，與拖拉機性能有著直接的關系，液壓懸掛系統、液壓輸出系統、液壓控制系統、機械連接件、動力輸出系統、配重系統等[6]。

2.1 液壓懸掛系統

懸掛機構是連接拖拉機和農具的連桿機構，是用液壓動力來提升農具，主要由拉桿、提升桿、拉桿和限位桿組成[7]。液壓懸掛系統在使用中需滿足一定的要求。在使用諸如犁和耙子之類的工具時，限位桿應確保一定程度的運動距離。限位桿的移動量必須根據農具的作業形式進行選擇，以確保拖拉機具有良好的機動性與可操作性；使用旋耕機和割草機時，限位桿應保持固定。

2.2 液壓輸出系統

拖拉機液壓輸出系統是為支撐農業機械的液壓缸和其他壓力源而設計的裝置，它把拖拉機液壓系統的壓力油轉移到農業機械的液壓缸或液壓馬達上。是用以驅動農機具作業的工作部件。根據作業的需要，有的拖拉機僅用1組液壓輸出裝置操縱農具，有的拖拉機特別是大型拖拉機則設有2～3組液壓輸出裝置。液壓輸出裝置由液壓輸出閥和快換接頭兩部分組成。兩者可做成一體，也可分成獨立的兩部分，彼此用油管相連。

2.3 機械連接件

連接拖拉機與農具的主要部件由機械連接件構成，其中包含拖掛裝置和牽引裝置，二者之間主要不同點在于，牽引裝置只能承受來自水平方向的載荷，而拖掛裝置則可同時承受來自水平方向載荷以及垂直方向的載荷。

2.4 動力輸出系統

一些農具需要拖拉機動力才能通過輸出設備提供專用電源，該輸出設備可以配備獨立的同步雙速或單速功率輸出。一個獨立的動力輸出系統不需要改變變速箱的速度。同步功率輸出系統與變速箱的速度成比例。專用手柄可以切換兩種形式。根據不同的用戶需求，動力輸出速度可以分為540、720、800、1 000 r/min，其中一種或兩種組合，使用特殊的專用手柄或更換軸頭可以實現速度切換，說明書中提供了特定方法以供參考。根據國標，當動力輸出軸轉速為540 r/min時，機器動力輸出軸的功率高于最大傳動功率，因此軸傳遞的功率不是發動機的全功率。因此，使用時必須減小發動機油門[8]。

2.5 配重系統

拖拉機在正常使用過程中不需要進行負載平衡即可工作分配，對一些負載較大的拖拉機進行牽引或運輸工作時，拖拉機通常會出現前輕后重的不穩定狀態，此時往往需要安裝在拖拉機上才能實現整體平衡，而這種情況在拖拉機上很常見拖拉機工作時，需要在車架重量上安裝配重等工作條件。配重系統能更好地發揮拖拉機和農具的驅動力，并能根據不同的農具和工況增減零件。配重不當會對拖拉機產生負面影響，如配重過少會導致輪胎打滑、動力損失、輪胎磨損、油耗增加、生產率降低；超載運行、傳動系壽命縮短、動力損失、輪胎加速磨損、土壤壓實等，燃油消耗增加和生產率降低是配重過大的主要原因。

3 復式作業技術

如今，我國農村經濟發展迅速，農業機械化也進一步普及，但稻米，小麥，玉米等農作物秸稈的有效利用率卻急劇下降。有無數被廢棄或焚燒的廢棄秸稈,污染了環境，造成資源浪費,對人們的生活和交通安全都造成了負面影響,而尋找農作物秸稈的出路成為了當下急需解決的問題之一。目前，我國使用的整地機械為單驅動圓盤犁、鏵犁和旋耕機，作業程序單一，無秸稈掩埋功能，作業效率低，作業成本高，田間拖拉機多，易使土壤硬化，從而直接影響農民的耕作效益[9]。同時，播速播深播量調節、復式作業等一系列技術措施，高質量施行于各個播種環節，才能實現耕播環節的精準、高效。

3.1 秸稈深埋技術

我國對旋耕滅茬機的研究起步較晚。目前，我國經過半個多世紀的研發、生產、制造，形成了集研發、設計、制造、促銷、售后服務為一體的成熟產業鏈。中國有100多家旋耕機生產企業，年產量超過50萬臺[10]。目前，國內的旋耕機大多采用單軸旋耕技術。由于單軸旋耕機轉速低、旋耕深度小，受旋耕機回轉半徑和功率消耗的限制，秸稈不能被粉碎和深埋。耕作深度不能將大量前茬秸稈掩埋在土壤中，導致耕作層中秸稈與土壤的比例高，表層土壤與草類的比例失調，懸空土壤，影響種子發芽和生長，從而導致產量下降和其他問題，這對于后續種植增加了極大的困難。旋耕機械以寬幅、高效、深松、水氣一體化、機械電子化、自動化、可持續發展為方向是適應旋耕地的需求。當前，隨著中國水稻種植面積的增加和集約化大規模生產的發展，有必要研究更廣泛的旋耕機械。同時，為了加厚土壤成熟熱層，提高土壤透氣性，增加持水能力，滿足馬鈴薯和根莖類作物深耕的要求，還必須加快發展深耕旋耕機[11]。如今溫室大棚技術已經成熟并被普遍投入使用,室內作業微型高效旋耕機的研發成為了一大研究熱點。此外，旋耕機應該結合新技術，向智能化定位控制作業邁進。

3.2 種子定位控深勻播技術

隨著國外中耕作物精量播種的普及，其排種器產生了機械式與氣力式兩個分類。由于機械式對種子的形狀和大小有著嚴格的要求，逐漸被氣動式所取代[12]。螺旋槽輪式播種的應用可提高播種均勻性。同時，精準農業的發展，使智能化農機裝備研制速度加快，在播種機上安裝變量施肥播種設備，有效提高產量，并且減少化肥用量。傳統的播種機排種器以排種管為導向，在排種過程中碰撞種子落到地面和排種管，并對其軌跡進行控制，產生種子質量差、種子分布不均、破損、出苗等問題，將這種傳統播種方式轉變為高度可調的智能播種方式已逐漸成為研究方向[13]。在拖拉機運行時，可以根據行進速度調節播種速度，并將播種記錄傳輸到控制端，記錄播種信息，生成播量速度曲線，為后續田間大數據管理提供決策信息。

3.3 模塊化的高度復式作業技術

我國人均耕地數量少，主要以提高單位面積生產能力來保障糧食供給，近年來，隨著農業生產規模的不斷擴大，拖拉機單機動力級別正在快速提高，各農機合作社都在發展高效、聯合作業技術。市場要求農業機械大型化、多功能化，作業速度提高，輔助工作時間減少，機具的操作和調控實現智能化和自動化，從而提高機組的作業效率，這正是農業機械今后的發展趨勢。農業機械化新技術、新設備的推廣應用，可以促進農業生產效率的有效提高。依據農作物的秸稈還田與耕整地技術的特點進行分析,復式作業機技術的模塊化技術是將上述裝置通過模塊化組裝在一起,從而達到對結構與性能的優化,提高性能,一次完成多道工序作業,提高了整機的有效技術含量[14]。

4 結語

現如今，科技迅猛發展，智能化農機也進入大眾關注的視線中。我國對智能農業機械的研究還處在起步階段，與發達國家相比仍有不小的差距。然而近幾年，在北斗導航系統的加持下，在國家政策的鼓勵下，越來越多的人投身現代農機具的研發工作中。向全國推廣智能農業機械將彌補1.78億的農業勞動缺口，同時釋放大量的農村勞動力，催生出新的產業用工結構優化。