聯合收獲機的衛星定位控制與遠程管理技術應用

潘超然

(黑龍江省農業機械工程科學研究院，哈爾濱 150081)

0 引言

近年來，我國的農業機械化產業得到了快速發展，農業生產中應用的現代化農機裝備顯著增多，農業機械的作業效率、可靠性、操作駕駛體驗都得到明顯改善，農業機械已經成為農業生產不可分割的重要勞動力。收獲機是農業生產中用于農產品收獲機械裝備的總稱，其技術先進性對于農業實際產出和經濟效益影響很大，隨著收獲機技術的升級，聯合收獲機逐漸成為收獲作業的主力，應用量進一步增加。為進一步提高聯合收獲機的作業精確性和智能化程度，將衛星定位技術和網絡管理技術整合到聯合收獲機中，能夠有效提高機械化收獲質量，降低人力勞動負擔，更好地保障農業生產的順利實施。

1 聯合收獲機作業特征

聯合收獲機是在傳統的單一功能收獲機產品基礎上發展而來的先進農機產品，其保留了收獲的主要功能，并集成了作物割斷、疏松、剝皮、清選、分離、存儲等功能中的一種或幾種，實現了一次性作業完成傳統生產的多項作業任務，有效提高生產效率并減少農機作業的次數。聯合收獲機根據收獲作物的不同可細分為多個種類，其中包括用于大田生產的谷物聯合收獲機、玉米聯合收獲機，還包括經濟作物用的甜菜聯合收獲機、藜麥聯合收獲機、煙葉聯合收獲機等。隨著農業生產面積的不斷擴大，聯合收獲機的機型也由傳統的小型小動力機械向大型大動力機械方向轉變，聯合收獲機產品還進一步與自動控制技術相結合，在設備的自動作業、調整、故障檢測等方面實現了升級，使聯合收獲機的操作性和駕駛便捷程度顯著提升。現階段，大部分聯合收獲機能夠實現一次作業完成收獲及收獲相關的全部工作任務，如糧食收獲、初步清選、收集、運輸、秸稈處理等，但在實際使用過程中仍存在關鍵技術落后、糧食損失率偏高、故障率偏高等問題，同時聯合收獲機與現代化的衛星定位、大數據、網絡技術等結合不夠緊密，這也成為未來聯合收獲機發展的重要方向。

2 聯合收獲機定位與聯網研究

隨著我國《農業機械化促進法》的實施，在很長時間激勵著農機科研工作的開展，聯合收獲機作為農業生產中的重要設備種類，對聯合收獲機與衛星定位及遠程管理開展了大量的工作。李偉[1]等通過在聯合收獲機上配備GPS模塊、3G無線數據傳輸模塊和CAN總線通訊模塊，研究了收獲過程的測產系統，完成了聯合收獲機產量分布信息獲取技術的軟硬件設計，試驗證實通過衛星定位和數據傳輸技術實現的測產，其室內測產相對誤差小于2%，田間測產相對誤差小于3%，精確度很高；寧小波[2]等對聯合收獲機進行了建模分析與參數關聯，明確了作業參數與喂入量、損失率之間的數據關系，建立了聯合收獲機脫粒系統動力學模型，并結合衛星定位技術實現了聯合收獲機全領域作業速度自適應控制，并能對聯合收獲機進行遠程管理與控制，有效提升了聯合收獲機的智能化程度；劉新怡[3]等基于北斗衛星定位系統功能對聯合收獲機作業路徑跟蹤與輔助導航展開研究，利用北斗定位模塊、傳感器技術、信息顯示、轉向控制、總線通訊等技術實現了定位與行駛檢測，并實現了通過控制系統實時糾正行駛偏差，有效提升了聯合收獲機輔助導航的精準性。丁幼春等[4]基于單神經元PID控制技術研究了一種用于聯合收獲機的導航控制器，并開展了常規PID控制和單神經元PID控制的仿真及現場試驗，證實了利用單神經元PID控制的聯合收獲機導航行駛偏差可達厘米級，完全能滿足農業生產需要，為聯合收獲機的自動化作業提供了技術支撐。

3 衛星定位控制的應用

3.1 應用優勢

3.1.1 輔助駕駛

現階段，應用于農業生產的衛星定位技術主要包括我國自主研發的北斗衛星定位系統和美國的GPS全球衛星定位系統。近年來，北斗衛星定位系統在我國農業生產中的應用量顯著增加，利用北斗衛星定位系統能夠實現厘米級的農業生產衛星定位，在駕駛員駕駛聯合收獲機作業過程中利用配套的衛星定位導航裝置能夠實現作業路徑的監管，駕駛員只需按照路徑駕駛即可完成生產任務。

3.1.2 作業監測

在對聯合收獲機作業的管理中，很多地區政府及農業主管部門需要對聯合收獲機的作業量進行監測，以便于作業補貼的發放及作業數據的統計。利用衛星定位技術能夠實時監測聯合收獲機的作業位置和作業狀態，若將衛星定位與數據傳輸技術相結合，還能夠將收獲機在某一時刻的作業位置及作業參數等信息傳輸到監管系統，以便于農業管理人員及生產經營者對其進行作業監測。

3.1.3 輔助測產

利用衛星定位技術與傳感器技術相結合，能夠實現在作業實施的過程中同時測量農作物產量，有利于對單位面積農田實現產出的精確統計，以便于提前組織糧食收購或農業經營者提前預判經濟收益。

3.1.4 便于管理

現階段，我國的農業生產中先進聯合收獲機設備仍相對缺乏，利用衛星定位技術，農業管理部門能夠通過智慧農機管理平臺實時獲取聯合收獲機的作業信息，并掌握聯合收獲機所在區域。通過與本地未收獲農田的數據及周邊未收獲農田數據進行分析，能有效實現聯合收獲機的資源調配，有利于生產的順利實施并提高聯合收獲機的作業收益。

3.2 應用軟硬件條件

衛星定位控制主要包括兩方面的技術，一是衛星定位；二是自動化控制。將二者相結合才能有效提升聯合收獲機的自動化與智能化程度，而要實現聯合收獲機的衛星定位控制，需要在軟硬件兩方面進行升級和優化。

3.2.1 硬件條件

要實現衛星定位控制技術，所需的主要技術如圖1所示。聯合收獲機所需的硬件升級主要包括以下幾個方面：一是改變傳統的操控機械結構，利用自動換擋、電機轉向、自動制動等技術替代傳統的人工駕駛室結構，并對上述功能進行電控元件的相應配置，實現通過電控開關控制機械結構完成轉向、換擋、制動等功能；二是在重要的控制結構處合理增設傳感器等監測元件，如應用轉向傳感器監測前輪轉角，或依靠速度傳感器監測行駛速度等；三是在聯合收獲機內部增設衛星定位天線及相關硬件，以便于精準定位的實施；四是增設必須的環境感知硬件，例如毫米波雷達、視覺攝像頭等設備，實現衛星定位控制聯合收獲機的過程中對周邊環境的實時感知，避免聯合收獲機在衛星定位控制行駛的過程中出現與障礙物的碰撞，造成機械損傷、人員傷亡、財產損失等問題[5]。

圖1 衛星定位控制的應用硬件條件

3.2.2 軟件條件

軟件方面需要滿足以下條件，首先需要設計并建設衛星定位控制主系統，該系統需結合聯合收獲機的作業特點和作業需求，充分考慮自動控制過程關于作業模式、作業方案、人機交互、遠程控制等方面的技術問題。其次，在主系統下設計相關的分系統，主要包括：1)衛星定位系統，是控制功能實現的基礎，是保證聯合收獲機準確獲取自身位置信息的關鍵，有利于提高作業的準確性，衛星定位系統需明確可作業條件下的最少衛星數量，并設計作業過程中當衛星信號較弱時的處置方案，充分考慮衛星定位系統引進和使用的成本，利用國產系統降低對進口系統的依賴；2)邏輯控制系統，主要用于根據不同的農田條件選擇適應的作業方案，例如通過農田的邊界定位信息，結合農田種植壟向等數據，自主規劃作業路徑，并結合農作物種植密度等數據優化行駛速度；3)人工管理系統，主要用于聯合收獲機的遠程管理，或對于自動控制系統出現故障或作業方案選擇不當時進行人工干預；4)數據記錄與傳輸系統，主要用于聯合收獲機作業過程的數據記錄和傳輸，并對重要的數據進行自動存儲與分類。除上述系統外，還需要在軟件建設的過程中重視系統功能的可拓展性，使其能夠便捷地與視覺識別系統、雷達測距系統等相配合，實現后續功能的增加與升級。

4 遠程管理技術應用

對于聯合收獲機的遠程管理主要通過農機管理平臺實現，而在實際應用過程中，可針對聯合收獲機的作業特點有針對性地開設專門的管理流程和項目內容，針對聯合收獲機可參考圖2實施。遠程管理技術的應用主要針對人工駕駛的聯合收獲機和自動作業的聯合收獲機兩方面開展。對于人工駕駛的聯合收獲機，遠程管理用于監管農機手的駕駛方式、作業參數、收獲效率等，并通過遠程管理系統實現與農機手的交流互通，將管理意見傳輸到駕駛室的屏幕上，提醒駕駛員及時調整作業方案。對于自動作業的聯合收獲機，遠程管理主要是對其作業方案進行決策，調整不合理的作業參數和作業路徑，并實時監管聯合收獲機的作業情況，查看聯合收獲機是否存在故障或收獲質量不佳等問題，遠程掌握收獲效率和實際產出等數據，方便對大面積農田進行規劃，并預判局部農田的工作任務完成時間，進而合理規劃和調配聯合收獲機的后續作業任務[6]。

圖2 聯合收獲機遠程管理流程

遠程管理技術現階段的應用主要包括兩方面：一是管理者通過專用的電腦實現對聯合收獲機作業狀態的詳細監管，該系統功能更為豐富，但管理過程缺乏便捷性；二是管理者通過手機移動終端實現對聯合收獲機工作狀態的監管，APP端的管理功能相對簡單，但管理實時性相對更好，當聯合收獲機出現作業異常或故障問題時能夠在第一時間發出警示，有利于降低作業過程中的損失。總體上講，隨著近年來各地農機智慧管理平臺的建設與功能豐富，對于現代化聯合收獲機的監管也更加便捷，農業機械的管理人員和農業經營者利用智能終端進行聯合收獲機遠程管理的比例得到快速增加。

5 結語

在智慧農業理念的引導下，聯合收獲機作為農業生產中結構復雜、技術先進的典型設備，其智能化程度正持續提高。衛星定位和遠程數據管理等技術已在新型聯合收獲機產品上得到大量應用，隨著電氣控制自動化技術在收獲機領域進一步應用，該類農機的智能化程度也將顯著提升，為我國農業生產效率與質量升級創造更有利條件。