農(nóng)機(jī)衛(wèi)星導(dǎo)航自動駕駛技術(shù)在昌吉市的應(yīng)用

李　瑞，劉　棟，夏國輝（.昌吉市農(nóng)機(jī)技術(shù)推廣站，新疆昌吉　8300；.昌吉市農(nóng)機(jī)局）

農(nóng)機(jī)衛(wèi)星導(dǎo)航自動駕駛技術(shù)在昌吉市的應(yīng)用

李瑞1，劉棟1，夏國輝2
（1.昌吉市農(nóng)機(jī)技術(shù)推廣站，新疆昌吉831100；2.昌吉市農(nóng)機(jī)局）

摘要：文中介紹了農(nóng)機(jī)衛(wèi)星導(dǎo)航在昌吉市的使用情況，介紹了當(dāng)?shù)仄毡槭褂玫膬煞N類型導(dǎo)航的組成及優(yōu)缺點(diǎn)、使用注意事項(xiàng)、存在的問題及解決辦法等。

關(guān)鍵詞：農(nóng)機(jī)衛(wèi)星導(dǎo)航；自動駕駛

農(nóng)機(jī)衛(wèi)星導(dǎo)航是指在拖拉機(jī)上安裝導(dǎo)航自動駕駛系統(tǒng)，通過衛(wèi)星定位使拖拉機(jī)能在田間按照設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)行駛作業(yè)。從而使農(nóng)作物的種植布局規(guī)則整齊，提高種植質(zhì)量，解決人工操作過程中出現(xiàn)的交接行不一致，甚至重疊的現(xiàn)象。該項(xiàng)技術(shù)目前已經(jīng)在整地、起壟、播種、施肥、植保、收獲等許多農(nóng)機(jī)作業(yè)項(xiàng)目上發(fā)揮著重要的作用，有著廣闊的應(yīng)用前景。

1　引進(jìn)使用情況

自2013年該項(xiàng)技術(shù)引進(jìn)昌吉市以來，得到廣大農(nóng)民的高度認(rèn)可，三年來，市財(cái)政共計(jì)拿出620萬元資金用于該項(xiàng)技術(shù)的引進(jìn)推廣，截至目前全市共計(jì)推廣113臺，其中，以拓普康System150導(dǎo)航自動駕駛系統(tǒng)為主的方向盤式81套，以“壁虎”Hemisphere導(dǎo)航自動駕駛系統(tǒng)為主的液壓式32套。主要安裝在60～130 hp段各種品牌的拖拉機(jī)上，這些拖拉機(jī)在春播、田管等農(nóng)田作業(yè)中起到了主力軍的作用，特別是在機(jī)采甜菜、機(jī)采棉花、制種玉米等的播種、中耕和植保作業(yè)中尤為突出。昌吉市2013年安裝6臺拖拉機(jī)，完成作業(yè)面積1 600 hm2，2014年新裝73臺拖拉機(jī)，共計(jì)完成作業(yè)面積2萬hm2；2015年新裝34套，共計(jì)完成作業(yè)面積3萬hm2。

該技術(shù)的使用，一是實(shí)現(xiàn)了拖拉機(jī)按照設(shè)定的路線自動行駛，保證直線行駛千米偏差在2 cm內(nèi)，交接行準(zhǔn)確率達(dá)到2.5 cm，徹底解決了播種作業(yè)中出現(xiàn)的“播不直、交接行不等”的老大難問題，大幅提高了農(nóng)機(jī)作業(yè)質(zhì)量；二是提高了土地利用率。從作業(yè)效果測定，由于播行整齊，農(nóng)戶的地塊里面播種行數(shù)都有增加，通過實(shí)地測定土地利用率平均提高4.7%；三是提高了機(jī)車作業(yè)效率。由于導(dǎo)航的使用拖拉機(jī)行走不再依靠機(jī)手，也不再受到光線的限制，延長了作業(yè)時間，據(jù)統(tǒng)計(jì)昌吉市安裝導(dǎo)航的拖拉機(jī)年作業(yè)面積較往年增加30%左右，機(jī)手的收入也明顯增加；四是減輕駕駛操作人員的勞動強(qiáng)度。駕駛員不需要時刻掌握方向盤盯著前進(jìn)路線，而是在完成地頭轉(zhuǎn)彎，拖拉機(jī)行駛正常后可以隨意下車活動，或者兼顧后方播種機(jī)作業(yè)情況；五是為田間后續(xù)作業(yè)儲存了數(shù)據(jù)信息。按照儲存的信息可以對行完成后續(xù)機(jī)械化中耕、植保、收獲等作業(yè)。播種、田管質(zhì)量提高了，后續(xù)的機(jī)采機(jī)收效率和質(zhì)量也將大大提高，無形中也提高了產(chǎn)量；六是對駕駛員技術(shù)要求低，新手也能駕駛自如。春播短短十幾天內(nèi)一個熟練操作手的工資一般為1萬多元，現(xiàn)在只需要雇傭一個有駕駛執(zhí)照的普通駕駛員，工資只需要3000元，這樣一個播種期就能節(jié)省7 000元，全年的田間管理和收獲工作中單單駕駛員費(fèi)用就能節(jié)省很大一筆開銷。

2　兩種類型導(dǎo)航的組成和優(yōu)缺點(diǎn)

2.1以拓普康衛(wèi)星定位為主的方向盤式自動駕駛系統(tǒng)

其主要組成部件有：方向盤（替換原車方向盤）、控制器（使用物理按鍵進(jìn)行操控，可以修改設(shè)置車輛信息，調(diào)試車輛）、衛(wèi)星接收機(jī)（安裝在拖拉機(jī)的車頂接收基站發(fā)來信號，并精確定位出車輛當(dāng)前位置）和角度傳感器（拉桿式方向傳感器在前驅(qū)上感應(yīng)前輪轉(zhuǎn)動角度信息，通過線纜向駕駛室的控制箱傳輸角度數(shù)據(jù)）。在具體工作時車頂?shù)男l(wèi)星接收機(jī)實(shí)時的接收基站信號并進(jìn)行差分，實(shí)時地測量拖拉機(jī)的具體位置信息并傳回到控制箱，控制箱將所測得的數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)線路進(jìn)行對比，根據(jù)偏差信息將調(diào)整指令傳給電動方向盤，使其實(shí)時調(diào)整，保證其按照設(shè)計(jì)路線前進(jìn)。

優(yōu)點(diǎn)：（1）適用于任何進(jìn)口、國產(chǎn)拖拉機(jī)。由于不用改動原來車輛的隱蔽器件和油路，只需更換電動方向盤。因此做好相應(yīng)品牌、車型的方向盤套筒就可安裝。不存在因車型不同而不匹配的問題；（2）一套設(shè)備可多輛車共用。家中如有多款拖拉機(jī)或需要更換新拖拉機(jī)，該設(shè)備也能方便快捷移裝到另一臺車上。只需一個相對應(yīng)車型的套筒，就能在1～2 h之間完成移裝工作，使用率高；（3）安裝、拆卸簡單方便，無需改裝車上原有的液壓系統(tǒng)。安裝和拆卸都不會對車輛有任何損壞，不需要改變車上原有的油路和電路，避免了因改裝后而出現(xiàn)的各種液壓故障以及保修問題。

缺點(diǎn)：選用固定式基站信號范圍有限，受到限制，不便跨區(qū)作業(yè)，選用移動式基站需要另付3萬元左右基站費(fèi)用，價(jià)格太貴。

2.2以“壁虎”Hemisphere為主的液壓式自動駕駛系統(tǒng)

該系統(tǒng)組成主要有：顯示控制器（用于設(shè)置車輛作業(yè)參數(shù)，顯示車輛作業(yè)狀態(tài)，保存作業(yè)記錄，統(tǒng)計(jì)并輸出顯示作業(yè)數(shù)據(jù)）、ECU控制器（感知車身姿態(tài)，自動控制車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，使車輛始終準(zhǔn)確地保持沿預(yù)定航線行駛）、液壓閥（根據(jù)ECU控制器發(fā)出的命令，通過發(fā)出的指令，對方向機(jī)液壓調(diào)節(jié)，使農(nóng)機(jī)按規(guī)定路線工作）和基準(zhǔn)站（為車輛上安裝的北斗GNSS接收機(jī)提供RTK差分信號，提供車輛定位導(dǎo)航精度，使得車輛行駛路線與預(yù)設(shè)航線保持一致）。具體工作時系統(tǒng)通過接收基準(zhǔn)站差分?jǐn)?shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)厘米級的衛(wèi)星定位，實(shí)時向控制器發(fā)送精準(zhǔn)的定位信息。方向傳感器實(shí)時的向控制器發(fā)送車輪的運(yùn)動方向信息。導(dǎo)航控制器根據(jù)衛(wèi)星定位的坐標(biāo)及車輪的轉(zhuǎn)動情況，實(shí)時向液壓控制閥發(fā)送指令，通過控制轉(zhuǎn)向液壓油的流向和流量，控制車輛的行駛，確保車輛按照導(dǎo)航設(shè)定的線路行駛。

優(yōu)點(diǎn)：（1）顯示屏為抗反射高亮全彩色屏幕，方便用戶在各種光線條件下查看和使用，屏幕顯示為中文提示，便于農(nóng)戶識別，支持UBS接口，方便作業(yè)記錄的拷貝和系統(tǒng)軟件的升級；（2）實(shí)時液壓傳感器監(jiān)控，緊急情況下自動退出自動駕駛模式；（3）配置便攜式流動基站，便于車輛跨區(qū)作業(yè)。

缺點(diǎn)：（1）便攜式基站可以隨時按工作區(qū)域而調(diào)動，信號質(zhì)量很好，但是搬運(yùn)很麻煩而且需要為其供電。如果基站移動則需重定AB線；（2）安裝麻煩，需要改變方向機(jī)液壓油路；（3）需保持車內(nèi)液壓油的純凈，因此要經(jīng)常更換液壓油；（4）更換不同類型車需要重新定制油路管，成本較高。

3　衛(wèi)星導(dǎo)航在使用過程中需要注意的問題

（1）基站發(fā)射天線要求架設(shè)高度不得少于12 m，以保障基站覆蓋范圍內(nèi)信號的強(qiáng)度，天線15°的高度截止角范圍內(nèi)無連續(xù)成片的遮擋物，周圍200 m范圍內(nèi)無較大的無線電發(fā)射裝置，高壓輸電設(shè)備等。

（2）當(dāng)拖拉機(jī)經(jīng)過高壓電線下時信號會受到干擾，從而影響拖拉機(jī)行駛的精度。

（3）播種時如果農(nóng)具本身有安裝誤差，制造誤差或者懸掛不當(dāng)（太松或者太緊），土地不平整都會影響播種的精度（直線度或交接行）。在用導(dǎo)航自動駕駛播種時種床要平整上虛下實(shí)，拖拉機(jī)行走的時候左右不搖擺就達(dá)到預(yù)期的行駛精度≥2.5 cm。

（4）拖拉機(jī)液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的間隙要小，在間隙較大的拖拉機(jī)上使用導(dǎo)航系統(tǒng)時，由于電動方向盤的轉(zhuǎn)向打得很大，就會影響車輛行駛的穩(wěn)定性。

（5）即使不用導(dǎo)航作業(yè)時也要注意保養(yǎng)，注意保持導(dǎo)航控制器散熱良好。液壓式自動駕駛系統(tǒng)的油管線纜要注意防止磨損。轉(zhuǎn)向液壓油應(yīng)保證一年一換。方向傳感器在不用期間可拆下，防止磕碰。作業(yè)期來臨前提前校車。每年要對導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行一次升級，確保更新為最新數(shù)據(jù)。提前試作業(yè)，確保作業(yè)期間不誤事。

（6）固定基站要有斷電保護(hù)裝置，以便發(fā)生停電時自動轉(zhuǎn)換，為蓄電池供電繼續(xù)工作，確保信號連續(xù)，避免因停電造成信號中斷，失去導(dǎo)航作用。

（7）在創(chuàng)建新的田塊時，一定要將田塊名稱記住，以備下一個作業(yè)環(huán)節(jié)使用。

（8）在使用導(dǎo)航自動駕駛作業(yè)前，一定要先檢查線纜是否規(guī)整，方向傳感器是否有磕碰，控制器固定是否穩(wěn)定，各類插頭是否松動。

4　存在的問題和解決辦法

（1）導(dǎo)航設(shè)備價(jià)格昂貴，農(nóng)民全價(jià)購置有顧慮。近3年來昌吉市所裝的幾個品牌導(dǎo)航價(jià)格均在10～12萬元之間，目前國家購置補(bǔ)貼2～3萬元，農(nóng)戶仍需要支付7～9萬元設(shè)備費(fèi)用，一般收入的農(nóng)機(jī)戶很難接受。解決辦法：一是生產(chǎn)企業(yè)盡快將該項(xiàng)技術(shù)國產(chǎn)化，降低成本；二是爭取地方財(cái)政給予一定的累加補(bǔ)貼。

（2）導(dǎo)航信號不穩(wěn)定。拖拉機(jī)自動導(dǎo)航駕駛系統(tǒng)在昌吉市使用幾年來，各種品牌的產(chǎn)品都存在信號不穩(wěn)定的問題，特別是沙塵和陰天基站信號明顯變差，接收機(jī)接收不到信號，往往是農(nóng)戶在播種過程中信號突然中斷，農(nóng)機(jī)自動駕駛失去作用，播行發(fā)生彎曲。解決辦法：一是將基站發(fā)射器盡量架設(shè)在高樓空曠、周邊無干擾處；二是農(nóng)戶在播種過程中，將農(nóng)機(jī)上的換行器放下，待系統(tǒng)不工作時換成手動操作；三是建議導(dǎo)航信號和手機(jī)信號并網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)信號，降低總體成本的目的（省去基站費(fèi)用）。

（3）AB線設(shè)定麻煩。拖拉機(jī)必須完成一個空的來回行程才能夠完成AB線的確定，明顯增加了耗油成本，降低了作業(yè)效率。該現(xiàn)象在連片統(tǒng)一種植的大塊田作業(yè)時不明顯，在目前還是一家一戶種植的農(nóng)戶地里面作業(yè)時特別明顯，會出現(xiàn)每戶都要確定AB線，最嚴(yán)重的時候播種3～4個來回就要重新設(shè)定，成本明顯增加，作業(yè)效率也明顯降低。建議生產(chǎn)企業(yè)開辟新的確定路線方式，實(shí)現(xiàn)拖拉機(jī)不用走完全程就能夠完成AB線的確定。

（4）地頭直線度不高。拖拉機(jī)剛開始行駛時起始路線經(jīng)常出現(xiàn)繞小彎后才直線行駛。農(nóng)機(jī)導(dǎo)航自動駕駛系統(tǒng)轉(zhuǎn)向控制是通過GPS確定實(shí)時位置，然后通過安裝在前輪軸輪上的角度傳感器發(fā)送轉(zhuǎn)向偏移值至控制器上，再將改正值通過電子信號控制電磁方向盤轉(zhuǎn)向或電磁閥控制油路，從而保證前行的直線度。解決辦法：農(nóng)機(jī)入線時可先往前行駛一段路程，待車往前走直后再倒車回起點(diǎn)，即擺正車身，導(dǎo)航入線。

（5）交接行不一致。交接行指播種時相鄰來回播種行之間的距離。以2膜12行機(jī)采棉模式為例，交接行要求為66 cm。解決辦法：調(diào)整農(nóng)具至懸掛正中，如因客觀因素導(dǎo)致農(nóng)具無法懸掛至正中或調(diào)節(jié)后仍存在交接行偏差，可通過調(diào)節(jié)GPS偏移量來解決?；蛘卟捎门R時辦法，將車開直至劃行器畫好的直線上，點(diǎn)擊菜單—衛(wèi)星—其他設(shè)置—?dú)w零，暫時將該路線交接行調(diào)好。

收稿日期：2015-07-12

文章編號：1007-7782（2015）04-0016-03

中圖分類號:S233.2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi:10.13620/j.cnki.issn1007-7782.2015.04.006