拖拉機自動導(dǎo)航技術(shù)的研究

成仲年

(會寧縣翟家所鎮(zhèn)人民政府，甘肅 會寧 730715)

0 引言

農(nóng)業(yè)拖拉機是進(jìn)行各項農(nóng)事操作的重要農(nóng)用機械，與各項農(nóng)業(yè)機具配合使用完成作物播種、耕地及收獲，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要動力機械。自動導(dǎo)航系統(tǒng)可以將駕駛者從枯燥重復(fù)的駕駛過程中解放出來，通過替代人力進(jìn)入田間進(jìn)行農(nóng)業(yè)操作，改善了農(nóng)業(yè)工作人員的工作環(huán)境，推進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程[1]。國內(nèi)外在20世紀(jì)80年代開始逐漸將拖拉機自動導(dǎo)航技術(shù)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，目前，在德國、美國和日本都已經(jīng)基本實現(xiàn)在田間的投放使用。田間試驗結(jié)果表明，使用拖拉機自動導(dǎo)航系統(tǒng)可以極大地降低勞動強度，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，工作人員只需要在遠(yuǎn)程對農(nóng)業(yè)機械進(jìn)行實時監(jiān)控，當(dāng)發(fā)生機械偏離規(guī)定路徑時及時進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)整，因此，大力發(fā)展拖拉機自動導(dǎo)航技術(shù)是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程的重要作業(yè)環(huán)節(jié)。

該研究基于自動導(dǎo)航系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，對目前國內(nèi)外拖拉機自動導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行分析，指出目前拖拉機自動導(dǎo)航系統(tǒng)在田間運行過程中存在的瓶頸，提出未來發(fā)展農(nóng)業(yè)拖拉機自動導(dǎo)航系統(tǒng)的重點與難點，研究結(jié)果對于完善我國農(nóng)業(yè)拖拉機自動駕駛系統(tǒng)的發(fā)展提供參考，對推動我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)向自動化、智能化及現(xiàn)代化發(fā)展具有重要意義。

1 拖拉機自動導(dǎo)航駕駛技術(shù)

目前，拖拉機自動導(dǎo)航系統(tǒng)主要分為液壓式和電控式。液壓式拖拉機自動導(dǎo)航系統(tǒng)主要包括ECU控制器、GPS定位系統(tǒng)、各類傳感器、液壓閥及車載計算機等。電控式拖拉機自動導(dǎo)航系統(tǒng)主要包括導(dǎo)航系統(tǒng)、GPS定位系統(tǒng)、電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、各類傳感器及車載計算機系統(tǒng)等。與液壓控制相比，電控技術(shù)更加高效、經(jīng)濟(jì)，田間行駛穩(wěn)定性及可靠性較高[2]，可以根據(jù)傳感器信號自動控制車輛油門大小，從而自動控制駕駛速度，而且電控系統(tǒng)機械配合緊湊、輕便，可以適應(yīng)各種田間地形環(huán)境，是目前在農(nóng)用駕駛機械及車輛駕駛中應(yīng)用最為廣泛的駕駛系統(tǒng)。

2 自動導(dǎo)航拖拉機中的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 定位技術(shù)

定位技術(shù)是自動導(dǎo)航系統(tǒng)中的重要組成部分，定位精度是決定安全駕駛的重要前提，尤其是在交通行駛過程中，對車輛實現(xiàn)高精度定位可以在遇到路障、行人時駕駛車輛順利避讓，保證車輛安全駕駛。目前，最常用的定位技術(shù)主要包括導(dǎo)航定位技術(shù)(GPS)、慣性導(dǎo)航技術(shù)(Inertial Navigation Technology，INT)及地圖配合技術(shù)(Map Matching Technology，MMT)，其中，以GPS技術(shù)和INT技術(shù)應(yīng)用最為廣泛[3]。GPS技術(shù)主要是依靠在車輛安裝定位系統(tǒng)，通過衛(wèi)星定位為工作人員提供車輛行駛過程中高效實時的車輛移動位置，工作人員可以在遠(yuǎn)程實時觀察拖拉機是否按照規(guī)劃路線行駛，如果出現(xiàn)位置偏移，及時對車輛進(jìn)行調(diào)整，防止拖拉機在行駛過程中由于運行失誤而造成不必要的損失。雖然GPS技術(shù)在目前應(yīng)用中最為便捷廣泛，但是GPS導(dǎo)航系統(tǒng)抗干擾性能差，在田間環(huán)境惡劣時會出現(xiàn)較大的導(dǎo)航誤差。

慣性導(dǎo)航技術(shù)(Inertial Navigation Technology，INT)是根據(jù)車輛運行過程中的運行速度及運行方向，根據(jù)智能反饋系統(tǒng)計算出車輛不同時刻所在的位置信息，由于主要是依靠車輛運行的速度與方向進(jìn)行位置推算，因此不易受到外界環(huán)境的干擾。目前，將INT技術(shù)與GPS技術(shù)結(jié)合使用可以獲得更高的定位精度。

2.2 機器視覺系統(tǒng)

我國關(guān)于機器視覺技術(shù)開始于20世紀(jì)90年代，由于相關(guān)技術(shù)不夠成熟，所以在各個行業(yè)的實際應(yīng)用中相對較為落后，仍處于試驗階段，目前主要集中在電子、半導(dǎo)體、汽車行業(yè)及交通中應(yīng)用較為廣泛，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用屬于初級階段。

機器視覺技術(shù)是目前自動導(dǎo)航技術(shù)的核心，主要是通過圖像傳感器對周邊環(huán)境進(jìn)行識別，并將圖像信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(圖1)，從而做出智能決策，屬于人工智能發(fā)展的一個重要節(jié)點，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。目前，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中病蟲害識別、作物生長中的各種農(nóng)藝性狀的自動判別，通過圖像采集后進(jìn)行系統(tǒng)自動判別，根據(jù)圖像采集的顏色、亮度等轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，便于在不進(jìn)行田間觀察時對田間作物進(jìn)行及時判別，并快速做出干預(yù)。目前，在農(nóng)業(yè)機械應(yīng)用中，機器視覺在田間行駛時，通過對周邊環(huán)境，如作物生長、土壤性質(zhì)及判別果實是否成熟，從而完成一系列農(nóng)事操作，如田間除草、果實采摘及土壤翻耕等。機器視覺技術(shù)可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)數(shù)據(jù)采集信息技術(shù)，在較短時間內(nèi)獲取大量數(shù)據(jù)并及時進(jìn)行處理，反饋實時有效信息，從而可以完成對目標(biāo)產(chǎn)量的遠(yuǎn)程監(jiān)控與實時監(jiān)測，因此，大力發(fā)展和完善視覺技術(shù)是未來自動導(dǎo)航技術(shù)乃至整個農(nóng)業(yè)機械的重點。

圖1 機器視覺技術(shù)工作原理

3 拖拉機自動導(dǎo)航技術(shù)的優(yōu)勢

3.1 降低勞動強度

拖拉機自動導(dǎo)航技術(shù)替代農(nóng)機駕駛員進(jìn)行田間駕駛過程中枯燥、單一的工作，而且農(nóng)業(yè)環(huán)境較差，該技術(shù)極大地緩解了農(nóng)業(yè)操作人員的勞動強度，駕駛員不需要在駕駛室時刻關(guān)注田間工作環(huán)境，如行走軌跡及行走過程中周邊環(huán)境信息。利用自動導(dǎo)航技術(shù)，駕駛員只需要按照地塊合理規(guī)劃拖拉機行駛路徑，而不需要進(jìn)入田間，在遠(yuǎn)程進(jìn)行操控即可，觀察拖拉機行駛過程中是否出現(xiàn)偏差，當(dāng)出現(xiàn)路徑偏移時及時進(jìn)行遠(yuǎn)程操控即可。

3.2 提高工作效率

傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)往往需要大量人力、物力投入，也容易受到天氣影響，遇到陰天、降雨或者高溫天氣都無法進(jìn)行田間作業(yè)。將自動導(dǎo)航技術(shù)投入農(nóng)業(yè)拖拉機行駛過程中，可以在任何氣候環(huán)境下進(jìn)入田間工作，配合其他農(nóng)機具的使用，完成農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機械化及智能化進(jìn)程。在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，人力在田間工作時，無法對周邊環(huán)境及時獲取，容易造成工作失誤或者誤差，影響農(nóng)作物生長及后期產(chǎn)量。采用自動導(dǎo)航技術(shù)，可以適應(yīng)任何地理環(huán)境及復(fù)雜地形，自動感知周邊環(huán)境信息并及時做出決策，在減輕人力投入的同時提高工作效率。

3.3 精準(zhǔn)作業(yè)

自動導(dǎo)航技術(shù)可以在行駛過程中對周邊農(nóng)作物位置進(jìn)行精準(zhǔn)定位，配合農(nóng)業(yè)播種、噴藥、翻耕及收獲作業(yè)可以進(jìn)行精準(zhǔn)定位，田間信息還可以通過反饋系統(tǒng)及時傳送至遠(yuǎn)程屏幕，工作人員可以進(jìn)行精準(zhǔn)操作，如自動導(dǎo)航技術(shù)配合無人機技術(shù)，可以提高藥物噴灑的均勻度，有效消除病蟲害，較傳統(tǒng)人工噴灑藥物更加高效，利用機器噴灑藥物還可以減少農(nóng)藥對農(nóng)業(yè)操作人員健康造成的傷害。

4 自動導(dǎo)航拖拉機存在的問題及發(fā)展趨勢

目前，國內(nèi)外都開始對拖拉機自動導(dǎo)航技術(shù)進(jìn)行大量研究，并取得一定的研究成果，國外農(nóng)業(yè)發(fā)展較快的國家，如德國、美國及日本已經(jīng)將拖拉機自動導(dǎo)航技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，均帶來了一系列農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成效，可以代替農(nóng)業(yè)人員在惡劣的田間環(huán)境進(jìn)行農(nóng)業(yè)操作、減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的人力物力投入，降低勞動強度，極大地改善了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境與工作效率。但是目前自動導(dǎo)航技術(shù)在農(nóng)業(yè)機械應(yīng)用中主要受到電子技術(shù)、傳感器技術(shù)發(fā)展的限制，目前仍存在一些問題亟待解決。

4.1 存在的問題

4.1.1 導(dǎo)航精度差

由于目前自動導(dǎo)航技術(shù)中定位技術(shù)、傳感器技術(shù)、人工智能控制系統(tǒng)及機器視覺技術(shù)等還不成熟，我國各個地區(qū)地形差別較大，在不同地區(qū)進(jìn)行田間操作時，容易受到地形及田間環(huán)境的影響，尤其是在南方丘陵地區(qū)，地勢不平坦，田間環(huán)境較差，會造成拖拉機自動導(dǎo)航技術(shù)在工作時穩(wěn)定性差、定位精度不高等問題。因此，在提高導(dǎo)航精度的同時應(yīng)該加強農(nóng)業(yè)田間的標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)，為自動導(dǎo)航技術(shù)在田間應(yīng)用提供一個良好的環(huán)境條件。

4.1.2 農(nóng)業(yè)機械化及自動化水平低

我國是農(nóng)業(yè)大國，但不是農(nóng)業(yè)強國，正是由于我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機械化水平較低，自動化和規(guī)模化程度低，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中主要受到農(nóng)業(yè)機械的硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)的限制。由于我國耕地分布較為分散，農(nóng)業(yè)機械使用的推廣率較低，農(nóng)業(yè)機械不配套，機械老化程度嚴(yán)重都影響了農(nóng)業(yè)機械化、自動化程度的提高。

4.1.3 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)智能化程度低

我國目前已經(jīng)基本實現(xiàn)將農(nóng)民從繁重的農(nóng)業(yè)操作中解放出來，但是智能農(nóng)業(yè)裝備仍處于中級階段。與國外農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)國家相比，在農(nóng)業(yè)機械研發(fā)水平、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率、農(nóng)業(yè)機械創(chuàng)新性及智能農(nóng)機裝備均較為落后[4]。農(nóng)業(yè)裝備智能化程度高低會影響人工智能技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用，提高農(nóng)業(yè)裝備的智能化程度可以更好地與人工智能技術(shù)互相融合，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮“1+1>2”的功能，更好地進(jìn)入數(shù)字農(nóng)業(yè)生產(chǎn)階段。

4.2 發(fā)展趨勢

4.2.1 發(fā)展配套設(shè)備，建立配套支撐體系

農(nóng)業(yè)拖拉機自動導(dǎo)航技術(shù)是多種技術(shù)的交互融入及各個學(xué)科的深度融合，主要是傳感器技術(shù)、農(nóng)機制造技術(shù)、人工智能技術(shù)3大部分。傳感器技術(shù)是拖拉機自動導(dǎo)航技術(shù)的核心技術(shù)，是連接農(nóng)業(yè)機械與人工智能技術(shù)的“橋梁”，只有提高傳感器的精度，才可以更好地將采集的信息及時高效地反饋給信息處理系統(tǒng)；農(nóng)業(yè)制造技術(shù)是決定農(nóng)業(yè)機械完成農(nóng)事操作好壞的評判指標(biāo)；人工智能技術(shù)是及時作出信息判定及決策的中心[5]。目前，我國主要是引進(jìn)國外相對較為成熟的各類傳感器，缺乏自主研發(fā)能力，但國外與國內(nèi)的核心技術(shù)差別較大，配合使用效果較差。因此，應(yīng)該逐步建立拖拉機自動導(dǎo)航系統(tǒng)的配套使用體系，積極探索較為成熟的配套使用系統(tǒng)，探索適應(yīng)于不同地區(qū)、拖拉機型號的生產(chǎn)模式，為農(nóng)業(yè)拖拉機自動導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展提供一個健全的技術(shù)體系。

4.2.2 多種農(nóng)業(yè)機械協(xié)同導(dǎo)航技術(shù)

農(nóng)用拖拉機進(jìn)行農(nóng)業(yè)操作時主要與播種機、翻耕機械及聯(lián)合收獲機械配套使用，因此，在對拖拉機系統(tǒng)實現(xiàn)自動導(dǎo)航的同時，應(yīng)該加大對各項配套農(nóng)機具自動導(dǎo)航技術(shù)的應(yīng)用。當(dāng)拖拉機與播種機配套使用時，拖拉機按照運行軌跡進(jìn)行運動，播種機同時配合自動導(dǎo)航系統(tǒng)，可以提高播種精度，田間播種更加規(guī)范，減少重播漏播現(xiàn)象的發(fā)生，可以提高“苗齊、苗壯”；拖拉機與翻耕機配合使用時，拖拉機按照預(yù)設(shè)路徑進(jìn)行田間行駛，同時實現(xiàn)土壤翻耕機按照不同的土壤環(huán)境進(jìn)行翻耕，對于土塊較大、雜草、根茬及秸稈較多的地塊加大翻耕力度和強度，提高土壤翻耕工作效率；當(dāng)拖拉機與聯(lián)合收獲機配合使用時，收獲機割臺操作實現(xiàn)自動控制與農(nóng)作物信息識別技術(shù)，對作物成熟度進(jìn)行自動判別，對果實位置進(jìn)行精準(zhǔn)定位，提高果實收獲的工作效率。

5 結(jié)語

本研究對拖拉機自動導(dǎo)航系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，并以此為基礎(chǔ)分析目前國內(nèi)外拖拉機自動導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展歷程及在實際應(yīng)用過程中存在的問題，提出我國未來發(fā)展拖拉機自動導(dǎo)航系統(tǒng)工作效率的主要研究方向與研究重點，本文對于提高拖拉機自動導(dǎo)航系統(tǒng)的工作效率提供技術(shù)參考與理論基礎(chǔ)。

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