水稻聯(lián)合收獲機輔助導航系統(tǒng)關鍵技術探討

莫德寬

(來賓市興賓區(qū)鳳凰鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村綜合服務中心，廣西 來賓 546102)

0 引言

水稻是我國重要的糧食作物之一，在我國常年種植面積超過3 000萬hm2[1-2]，因此，水稻收獲是水稻生產(chǎn)的重要作業(yè)環(huán)節(jié)之一，同時也是水稻生產(chǎn)中勞動強度最大的作業(yè)環(huán)節(jié)。由于水稻收獲時期水稻基本生長參數(shù)和土壤環(huán)境不同[3-5]，駕駛員需要根據(jù)不同收獲環(huán)境實時調(diào)節(jié)水稻聯(lián)合收獲機田間行進速度、作業(yè)速度、割臺高度等參數(shù)[6]，對駕駛技術要求較高，同時也帶來了較大的勞動強度和工作負擔。

導航定位技術可實現(xiàn)路徑規(guī)劃與路徑自主跟蹤，能顯著提高農(nóng)業(yè)機械作業(yè)效率，降低駕駛員的工作強度，但是由于技術尚未成熟，在農(nóng)機裝備中導航和定位誤差較大，對水稻聯(lián)合收獲機轉(zhuǎn)向偏角等關鍵參數(shù)無法直接測量，導致田間作業(yè)誤差較大[7-8]。

以水稻聯(lián)合收獲機為研究目標，設計一種水稻聯(lián)合收獲機輔助導航系統(tǒng)，并對其關鍵技術進行研究，如導航技術、信息采集技術與控制技術等，并進行田間驗證。研究結(jié)果對于提高作物收獲效率，降低駕駛員勞動強度提供技術參考，對于實現(xiàn)農(nóng)機裝備自主導航和路徑優(yōu)化具有重要意義。

1 農(nóng)業(yè)裝備導航技術研究進展

實現(xiàn)對農(nóng)機裝備的精準定位是進行自動駕駛的必要條件和技術基礎，可采用不同導航定位技術，目前農(nóng)機裝備導航定位技術主要包括激光導航、機器視覺識別技術、慣性導航等，也可通過多種導航技術組合使用。

激光導航系統(tǒng)是伴隨激光技術不斷成熟而發(fā)展起來的一種新興導航應用技術，主要是機器通過測量激光從發(fā)出到接收的時間計算出自身距離前方障礙物的距離。只不過激光測距測量1次即可，而激光導航則是需要進行更多點位的測距，以此標定機器自身位置。適用于視線不良情況下的運行導航、野外勘測定向等工作，將其作為民用或軍用導航手段是十分可行的。

視覺導航定位系統(tǒng)是借助攝像機/CCD圖像傳感器或者其他快速信號處理器，對目標對象周圍的環(huán)境進行光學處理，借助這些外部圖像處理器進行圖像信息采集，將采集到的信息進行壓縮，然后再反饋到一個提前搭建好的子系統(tǒng)(一般由神經(jīng)網(wǎng)絡和統(tǒng)計學構成)，再通過該子系統(tǒng)將采集到的圖像信息和目標對象的實際位置聯(lián)系起來，完成目標對象的自主導航定位功能。

慣性導航(Inertial Navigation)是一種利用安裝在運載體上的陀螺儀和加速度計來測定運載體位置的系統(tǒng)。通過陀螺儀和加速度計的測量數(shù)據(jù)，確定運載體在慣性參考坐標系中的運動，同時計算出運載體在慣性參考坐標系中的位置，通過測量飛行器的加速度，并自動進行積分運算，獲得飛行器瞬時速度和瞬時位置數(shù)據(jù)的技術。組成慣性導航系統(tǒng)的設備都安裝在運載體內(nèi)，工作時不依賴外界信息，也不向外界輻射能量，不易受到干擾，是一種自主式導航系統(tǒng)。

2 水稻聯(lián)合收獲機輔助導航系統(tǒng)總體設計與工作原理

通過對國內(nèi)外農(nóng)機裝備導航系統(tǒng)進行分析后可知，導航技術目前主要包括農(nóng)機位姿信息獲取、路徑規(guī)劃、路徑修正和執(zhí)行裝置4個關鍵組成部分。通過分析水稻聯(lián)合收獲機田間行駛特征與影響要素進行研究，并通過探究輔助導航裝置控制方法搭建水稻聯(lián)合收獲機輔助導航系統(tǒng)試驗平臺。

2.1 輔助導航系統(tǒng)整體結(jié)構

水稻聯(lián)合收獲機田間理想工作狀態(tài)是保證“滿幅收獲”，但是在實際收獲過程中，由于作物種植之間存在間隙，難以實現(xiàn)“滿幅收獲”。為了提高水稻收獲效率，本研究通過設計一種水稻聯(lián)合收獲機輔助導航系統(tǒng)，可準確識別水稻待收獲區(qū)域，并通過便捷提取的方法為水稻聯(lián)合收獲機規(guī)劃路徑，并對當前行駛路徑與目標路徑之間存在的偏差進行修正，進而保證水稻聯(lián)合收獲機按照目標路徑完成水稻收獲作業(yè)，其核心技術主要為導航定位技術、水稻收獲區(qū)域識別技術和作業(yè)路徑優(yōu)化技術等，整體工作原理如圖1所示。

圖1 水稻聯(lián)合收獲機輔助導航系統(tǒng)工作原理圖

2.2 工作原理

水稻聯(lián)合收獲機上位機采用組態(tài)系統(tǒng)提供人機操作界面，實時呈現(xiàn)機器田間工作參數(shù)與實時運行狀態(tài)，將田間工作信息反饋給控制系統(tǒng)，采用視覺識別系統(tǒng)進行田間圖像采集與識別，完成圖像處理并進行路徑規(guī)劃，進而控制執(zhí)行裝置完成相關動作。信息處理系統(tǒng)與通訊原理圖如圖2所示。

圖2 水稻聯(lián)合收獲機輔助導航系統(tǒng)信號處理原理圖

2.3 路徑優(yōu)化與控制技術

水稻聯(lián)合收獲機路徑規(guī)劃與控制技術是輔助導航系統(tǒng)的核心技術，主要是通過導航定位技術、視覺識別技術等計算水稻聯(lián)合收獲機田間運行路徑與路徑偏差，控制算法精度是提高水稻聯(lián)合收獲機輔助導航系統(tǒng)田間作業(yè)精度的關鍵。本研究提出的水稻聯(lián)合收獲機輔助導航系統(tǒng)主要是根據(jù)視覺識別技術提取田間水稻收獲便捷信息，通過相關控制算法計算水稻聯(lián)合收獲機路徑偏差，并根據(jù)路徑計算出控制參數(shù)，通過液壓系統(tǒng)完成路徑優(yōu)化，其工作原理如圖3所示。

圖3 輔助導航系統(tǒng)路徑控制原理圖

3 田間試驗與分析

通過田間收獲試驗驗證水稻聯(lián)合收獲機輔助導航系統(tǒng)的合理性與有效性，重點分析了水稻聯(lián)合收獲機輔助導航系統(tǒng)的田間適應性與作業(yè)效果，研究結(jié)果以期為水稻聯(lián)合收獲機智能化水平的提升提供技術參考與理論依據(jù)。

3.1 試驗條件

在進行田間試驗前采用五點法對水稻生長基本參數(shù)和稻田土壤環(huán)境進行測定，測定結(jié)果如表1和表2所示。

表1 水稻生長基本參數(shù)

表2 稻田土壤環(huán)境基本參數(shù)

3.2 測定指標與方法

試驗開始前，在水稻收獲區(qū)域邊界每隔3 m進行標記，收獲區(qū)域距離標記距離設置為dgi，共設定N個點，在水稻收獲完成后再次測量dgi，根據(jù)式(1)和式(2)測定測定點割幅Zgi與理想割幅△Zgi之間的偏差。

(1)

△Zgi=Zgi-Zm

(2)

(3)

△Zgmax=max(△Zgi)

(4)

(5)

3.3 結(jié)果與分析

試驗結(jié)果如表3所示，研究結(jié)果表明，水稻聯(lián)合收獲機輔助導航系統(tǒng)能有效識別水稻待收獲區(qū)域邊界，并且實現(xiàn)不漏割，可滿足水稻收獲農(nóng)藝要求。

表3 水稻聯(lián)合收獲機輔助導航系統(tǒng)評價指標

4 結(jié)論與展望

農(nóng)業(yè)裝備自動導航系統(tǒng)是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)智能化生產(chǎn)和精細農(nóng)業(yè)的核心技術之一，是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)智能化、信息化和高效化發(fā)展的重要途徑。在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)機械中安裝導航系統(tǒng)，可輔助駕駛員高效完成田間作業(yè)，降低駕駛員勞動強度和工作負擔。本研究提出一種水稻聯(lián)合收獲機輔助導航技術，結(jié)合視覺識別技術和路徑優(yōu)化方法實現(xiàn)水稻高效收獲，并通過田間試驗進行系統(tǒng)驗證，研究結(jié)果表明，輔助導航系統(tǒng)可以精確識別水稻收獲邊界區(qū)域，提高水稻收獲效率，根據(jù)水稻收獲邊界自主調(diào)節(jié)作業(yè)路徑，提高水稻收獲率，對于提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平具有重要發(fā)展意義。