自動(dòng)導(dǎo)航駕駛系統(tǒng)在蔬菜機(jī)械化生產(chǎn)中的應(yīng)用試驗(yàn)

史志明 雷鳳蕓 駱永亮

1.成都市農(nóng)林科學(xué)院，四川成都

2.成都市郫都區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村和林業(yè)局，四川成都

1 自動(dòng)導(dǎo)航駕駛系統(tǒng)基本情況

農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航駕駛系統(tǒng)主要包括全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)、RTK定位技術(shù)、自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)及農(nóng)機(jī)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。RTK定位技術(shù)是一種基于載波相位觀測(cè)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)高精度定位技術(shù),可以實(shí)時(shí)了解移動(dòng)站在設(shè)定坐標(biāo)系中的三維定位信息，利用RTK基站接受衛(wèi)星信號(hào)，并實(shí)時(shí)輸出高精度差分信號(hào)，同時(shí)，利用電臺(tái)或者網(wǎng)絡(luò)模式將差分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸給拖拉機(jī)終端設(shè)備。農(nóng)機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)則通過(guò)GNSS、傳感器等感知系統(tǒng)獲得農(nóng)機(jī)的絕對(duì)位置信息和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并將信息與預(yù)設(shè)的路徑進(jìn)行比較，確定農(nóng)機(jī)與路徑之間的相對(duì)位置關(guān)系，通過(guò)控制系統(tǒng)按照一定算法計(jì)算、控制農(nóng)機(jī)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，使機(jī)器按照預(yù)定的路徑行駛，實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)的自動(dòng)導(dǎo)航。目前，農(nóng)機(jī)的轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)應(yīng)用效果較好的主要有液壓轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)和方向盤電機(jī)轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)。

2 自動(dòng)導(dǎo)航駕駛系統(tǒng)在生菜和胡蘿卜機(jī)械化生產(chǎn)中的應(yīng)用試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)條件

本試驗(yàn)分別在成都市郫都區(qū)永盛生菜機(jī)械化生產(chǎn)基地和簡(jiǎn)陽(yáng)市十里街道胡蘿卜機(jī)械化生產(chǎn)基地開(kāi)展，針對(duì)生菜機(jī)械化開(kāi)溝起壟環(huán)節(jié)和胡蘿卜起壟播種環(huán)節(jié)，使用自動(dòng)導(dǎo)航駕駛設(shè)備行走后進(jìn)行壟體直線度、相鄰壟距的測(cè)定。生菜試驗(yàn)地塊面積共3.33hm2，胡蘿卜試驗(yàn)地塊面積共6.67hm2。生菜開(kāi)溝起壟試驗(yàn)采用東方紅LX804拖拉機(jī)懸掛意大利Hortech精整地機(jī)，胡蘿卜起壟播種試驗(yàn)采用愛(ài)科1204型拖拉機(jī)懸掛德沃2BQS-8X氣力式播種機(jī)，機(jī)械均搭載基于北斗定位技術(shù)的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)作業(yè)。

2.2 試驗(yàn)方法

壟體直線度：借助RTK測(cè)量定位儀，對(duì)生菜開(kāi)溝起壟和胡蘿卜起壟播種作業(yè)的軌跡進(jìn)行作業(yè)直線度測(cè)定，地頭與地尾10m距離為非測(cè)量區(qū)，在1行作業(yè)長(zhǎng)度內(nèi)平均取點(diǎn)，計(jì)算點(diǎn)與點(diǎn)之間的離散度。

相鄰壟距：測(cè)量生菜開(kāi)溝起壟和胡蘿卜起壟播種作業(yè)后鄰接兩壟之間的距離，地頭與地尾10m距離為非測(cè)量區(qū)，在1個(gè)作業(yè)長(zhǎng)度內(nèi)平均取5個(gè)鄰接壟對(duì)稱點(diǎn)，對(duì)稱兩點(diǎn)應(yīng)保持在同一水平線上，測(cè)量每組對(duì)稱點(diǎn)之間的距離，從而計(jì)算相鄰壟距的最大值、最小值和平均值，各測(cè)20組數(shù)據(jù)。生菜開(kāi)溝起壟設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)壟距140cm，胡蘿卜播種設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)壟距為60cm。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 直線度

生菜開(kāi)溝起壟和胡蘿卜起壟播種作業(yè)后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量和統(tǒng)計(jì)，計(jì)算分析列表如表1所示。

表1 生菜和胡蘿卜機(jī)械化作業(yè)直線度回歸統(tǒng)計(jì)結(jié)果

由直線度回歸統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知：生菜開(kāi)溝起壟作業(yè)中，自動(dòng)駕駛起壟作業(yè)調(diào)整后的擬合系數(shù)R2為0.999997174，人工駕駛作業(yè)調(diào)整后的擬合系數(shù)R2為0.999986795，自動(dòng)駕駛作業(yè)的擬合系數(shù)與人工駕駛相比更接近于1，說(shuō)明自動(dòng)駕駛作業(yè)回歸模型擬合效果更好，觀測(cè)點(diǎn)離散程度更小，更接近于一條直線。

胡蘿卜起壟播種作業(yè)中，自動(dòng)駕駛作業(yè)調(diào)整后的擬合系數(shù)R2為0.998903，人工駕駛作業(yè)調(diào)整后的擬合系數(shù)R2為0.998104，自動(dòng)駕駛作業(yè)調(diào)整后的擬合系數(shù)R2大于人工駕駛，說(shuō)明自動(dòng)駕駛作業(yè)與人工駕駛作業(yè)相比更接近于一條直線。由此可見(jiàn)，利用自動(dòng)導(dǎo)航駕駛系統(tǒng)輔助作業(yè)的直線度要優(yōu)于人工駕駛。

3.2 相鄰壟距

分別對(duì)人工駕駛和自動(dòng)導(dǎo)航輔助駕駛生菜開(kāi)溝起壟、胡蘿卜起壟播種機(jī)械化作業(yè)后相鄰壟距進(jìn)行測(cè)定，并分析求出最大值、最小值、平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)，具體數(shù)據(jù)列表如表2所示。

表2 人工駕駛和自動(dòng)駕駛作業(yè)相鄰壟距測(cè)量結(jié)果

由表可知，在測(cè)定的數(shù)據(jù)中，生菜開(kāi)溝起壟人工駕駛作業(yè)相鄰壟距最大值為168.00cm，最小值為147.00cm，平均值為156.60cm，變異系數(shù)為4.05%；自動(dòng)駕駛作業(yè)相鄰壟距最大值為140.00cm，最小值為138.00cm，平均值為139.15cm，變異系數(shù)為0.52%。胡蘿卜起壟播種人工駕駛作業(yè)相鄰壟距最大值為81.00cm，最小值為64.00cm，平均值為72.95cm，變異系數(shù)為7.63%；自動(dòng)駕駛作業(yè)相鄰壟距最大值為60.00cm，最小值為58.00cm，平均值為59.25cm，變異系數(shù)為1.29%。

自動(dòng)導(dǎo)航駕駛最大偏差均在2.00cm以內(nèi)，遠(yuǎn)小于人工駕駛，變異系數(shù)也遠(yuǎn)小于人工駕駛。因此，利用自動(dòng)導(dǎo)航駕駛系統(tǒng)輔助進(jìn)行機(jī)械化作業(yè)能夠減小相鄰壟之間的多余空白地帶，提高土地利用率。且自動(dòng)導(dǎo)航駕駛作業(yè)時(shí)，駕駛員只需了解機(jī)器運(yùn)行操作規(guī)程以及控制田頭轉(zhuǎn)彎即可，大大降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。

4 土地利用率

在生菜機(jī)械化作業(yè)中，人工駕駛和自動(dòng)駕駛分別作業(yè)1.67hm2左右，試驗(yàn)地塊均由11個(gè)面積為0.13hm2和1個(gè)面積為0.20hm2、長(zhǎng)30m的小地塊組成，對(duì)于面積為0.13hm2的地塊來(lái)說(shuō)，其地塊寬為44.4700m，人工駕駛1個(gè)作業(yè)寬度為1.5660m，自動(dòng)導(dǎo)航駕駛1個(gè)作業(yè)寬度為1.3920m。因此，人工駕駛作業(yè)次數(shù)為28.40次，自動(dòng)導(dǎo)航駕駛作業(yè)次數(shù)為31.95次，自動(dòng)導(dǎo)航駕駛作業(yè)比人工駕駛作業(yè)多接近3個(gè)作業(yè)寬度。對(duì)于面積為0.20hm2的地塊，其地塊寬為66.7000m，人工駕駛作業(yè)次數(shù)為42.59次，自動(dòng)導(dǎo)航駕駛作業(yè)次數(shù)為47.92次，自動(dòng)導(dǎo)航駕駛作業(yè)比人工駕駛作業(yè)多接近5個(gè)作業(yè)寬度。因此，生菜起壟自動(dòng)導(dǎo)航駕駛作業(yè)與人工駕駛作業(yè)相比土地利用率提高了9.52%。

在胡蘿卜機(jī)械化作業(yè)中，人工駕駛和自動(dòng)駕駛分別作業(yè)3.33hm2，均由10個(gè)面積為0.33hm2、長(zhǎng)60m的小地塊組成，則地塊寬為55.5800m，人工駕駛1個(gè)作業(yè)寬度為2.6095m，自動(dòng)導(dǎo)航駕駛1個(gè)作業(yè)寬度為2.3925m。因此，人工駕駛作業(yè)次數(shù)為21.30次，自動(dòng)導(dǎo)航駕駛作業(yè)次數(shù)為23.23次，自動(dòng)導(dǎo)航駕駛作業(yè)比人工駕駛作業(yè)多2個(gè)作業(yè)寬度，胡蘿卜播種自動(dòng)導(dǎo)航駕駛作業(yè)與人工駕駛作業(yè)相比土地利用率提高了8.61%。

5 自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)在農(nóng)機(jī)作業(yè)的應(yīng)用建議

自動(dòng)導(dǎo)航駕駛的作業(yè)質(zhì)量與前期土地耕整質(zhì)量密切相關(guān)，建議在利用自動(dòng)導(dǎo)航駕駛系統(tǒng)進(jìn)行起壟、播種作業(yè)前，應(yīng)盡可能提高土地耕整質(zhì)量，并與衛(wèi)星平地技術(shù)等各項(xiàng)精細(xì)農(nóng)業(yè)技術(shù)結(jié)合使用。

農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航駕駛系統(tǒng)使用時(shí)受環(huán)境影響比較大，接收機(jī)在極端環(huán)境中無(wú)法使用。同時(shí)，受地勢(shì)遮擋或離基站遠(yuǎn)等原因影響，信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)弱不同，會(huì)出現(xiàn)信號(hào)接收不穩(wěn)定的情況，建議多建固定基站，擴(kuò)大基站覆蓋面積，提高系統(tǒng)使用的便攜性及穩(wěn)定性。同時(shí)，加強(qiáng)對(duì)拖拉機(jī)的優(yōu)化，使其能夠適應(yīng)地勢(shì)不平坦區(qū)域的作業(yè)，提高農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航的應(yīng)用范圍。

前大部分拖拉機(jī)駕駛員文化水平較低，缺乏自動(dòng)控制和計(jì)算機(jī)的知識(shí)，煩瑣的安裝和調(diào)試工作會(huì)增加其使用難度，建議在系統(tǒng)和技術(shù)研發(fā)時(shí)提高設(shè)備使用的便捷性，同時(shí)，加強(qiáng)對(duì)使用者的系統(tǒng)化技術(shù)培訓(xùn)和指導(dǎo)。