農(nóng)業(yè)機(jī)械中導(dǎo)航技術(shù)的應(yīng)用探析

易勤慧

（湖北省建始縣高坪鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)機(jī)械服務(wù)中心，湖北 建始　445305）

農(nóng)業(yè)機(jī)械中導(dǎo)航技術(shù)的應(yīng)用探析

易勤慧

（湖北省建始縣高坪鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)機(jī)械服務(wù)中心，湖北 建始445305）

當(dāng)前經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與科技的結(jié)合日趨緊密，在農(nóng)業(yè)的發(fā)展中，大型農(nóng)用機(jī)械和高精度農(nóng)用科技的投入給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力提升帶來到了新的革命。文章以農(nóng)業(yè)機(jī)械中的導(dǎo)航技術(shù)應(yīng)用為切入點(diǎn)，通過分析導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展，導(dǎo)航技術(shù)的主要門類以及導(dǎo)航機(jī)械中的具體技術(shù)應(yīng)用方式，闡述了農(nóng)業(yè)機(jī)械中導(dǎo)航技術(shù)對(duì)農(nóng)業(yè)發(fā)展的巨大作用，希望能對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步科學(xué)化帶來新的啟示。

農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)；機(jī)械化；導(dǎo)航技術(shù)；應(yīng)用

1　農(nóng)業(yè)導(dǎo)航機(jī)械的發(fā)展

（1）衛(wèi)星導(dǎo)航。衛(wèi)星導(dǎo)航是導(dǎo)航技術(shù)的起源。隨著地理信息技術(shù)以及地球衛(wèi)星裝備的豐富和完善，衛(wèi)星導(dǎo)航的精度與傳感速度等性能也得到了不斷地提升。以目前應(yīng)用最廣的民用導(dǎo)航（GPS導(dǎo)航）為例，美國(guó)斯坦福大學(xué)農(nóng)業(yè)技術(shù)學(xué)院的農(nóng)業(yè)機(jī)械教師Michael O'Connor在20世紀(jì)60年代為約翰迪爾7800拖拉機(jī)設(shè)計(jì)了一套導(dǎo)航系統(tǒng)。在駕駛室內(nèi)安裝了四通道傳感器，航向響應(yīng)約為1°，直線跟蹤偏差小于2m。而且日本、加拿大、歐洲各國(guó)也紛紛對(duì)該項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行了研究。利用GPS技術(shù)解決了插秧機(jī)、農(nóng)業(yè)噴灑機(jī)、收割機(jī)等大型農(nóng)業(yè)機(jī)械的導(dǎo)航問題。

（2）機(jī)械導(dǎo)航。在立式園林和農(nóng)田中，除了GPS導(dǎo)航之外，還可以運(yùn)用機(jī)械導(dǎo)航對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械進(jìn)行指引。機(jī)械導(dǎo)航主要是利用導(dǎo)航儀里的傳感接收器，對(duì)車輛或者機(jī)械前進(jìn)進(jìn)行引導(dǎo)，對(duì)固體引導(dǎo)目標(biāo)進(jìn)行接觸式的導(dǎo)航。使用目標(biāo)大多為果園、樹林、玉米高粱等直立式固體農(nóng)作物。我國(guó)在該項(xiàng)技術(shù)上曾取得一定的突破，朱磊、何卿教授在拖拉機(jī)等設(shè)備上安裝接觸式機(jī)械導(dǎo)航，對(duì)玉米田間作業(yè)進(jìn)行導(dǎo)航，導(dǎo)航精度和控制力度大大提高。

（3）視覺導(dǎo)航技術(shù)。20世紀(jì)80年代，英國(guó)率先在農(nóng)業(yè)機(jī)械上研發(fā)視覺導(dǎo)航技術(shù)。相比于衛(wèi)星導(dǎo)航的高昂費(fèi)用，視覺導(dǎo)航在農(nóng)業(yè)中的使用前景更加廣闊。英國(guó)人Marchant將里程記錄儀和視覺傳感器安裝到農(nóng)業(yè)車輛中，通過卡爾曼濾波完成信息的輸送。經(jīng)過試驗(yàn)對(duì)照，在同面積的農(nóng)業(yè)作業(yè)中，視覺傳感器引導(dǎo)的視覺導(dǎo)航比衛(wèi)星導(dǎo)航在靈活性和精確度上都有著一定的優(yōu)勢(shì)。隨著現(xiàn)代視覺圖像收集與處理系統(tǒng)的不斷進(jìn)步，視覺導(dǎo)航也增加了圖像識(shí)別與分辨功能，比如瑞典Astrand的Hough變換技術(shù)可以除去雜草等植物的干擾，增加了農(nóng)機(jī)的使用效率等。

2　農(nóng)業(yè)機(jī)械導(dǎo)航需要具備的關(guān)鍵技術(shù)

（1）環(huán)境感知技術(shù)。農(nóng)機(jī)導(dǎo)航中使用的環(huán)境感知技術(shù)，主要指農(nóng)業(yè)機(jī)械使用自帶的傳感器對(duì)外界的各種信息進(jìn)行發(fā)現(xiàn)和捕捉，通過系統(tǒng)處理后得出有效運(yùn)用處理方式的技術(shù)。環(huán)境感知技術(shù)的最終目的是計(jì)算機(jī)模擬出外界的環(huán)境，轉(zhuǎn)化成信息進(jìn)行處理的一種技術(shù)。通過該項(xiàng)技術(shù)，農(nóng)業(yè)機(jī)械或者機(jī)器人實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的路徑規(guī)劃和行為命令，因此感知精確度是機(jī)械操作精確度和自動(dòng)化智能化程度的重要技術(shù)指標(biāo)。近年來，電子信息工程在飛速發(fā)展，機(jī)器人對(duì)外界環(huán)境的分析已經(jīng)升級(jí)到納米級(jí)。因此相匹配的傳感器、接收器和處理器都進(jìn)入到相對(duì)穩(wěn)定的層面。比如我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械中就已經(jīng)成功試驗(yàn)了顏色直方圖識(shí)別技術(shù)，通過紅外感知編碼顏色直方圖，編程技術(shù)借助SIFT技術(shù)進(jìn)行編寫。讓農(nóng)用機(jī)械可以進(jìn)行大面積的環(huán)境感知。而且在細(xì)小的田園作業(yè)中，農(nóng)用機(jī)械也實(shí)現(xiàn)了灰色視覺系統(tǒng)與彩色視覺系統(tǒng)的交互，或是利用激光導(dǎo)向和水平識(shí)別判斷障礙物，讓農(nóng)用機(jī)械實(shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境下的自動(dòng)規(guī)劃路徑導(dǎo)航。

（2）智能控制系統(tǒng)。根據(jù)需要導(dǎo)航機(jī)械的工作環(huán)境，農(nóng)用機(jī)械對(duì)控制系統(tǒng)的技術(shù)更為看重。智能控制系統(tǒng)主要分為橫向控制和縱向控制。橫向控制主要指對(duì)機(jī)械工作方式的控制，對(duì)導(dǎo)航技術(shù)的使用較少。縱向控制需要借助導(dǎo)航技術(shù)實(shí)現(xiàn)農(nóng)用機(jī)械的路徑規(guī)劃、機(jī)械位置信息、工作范圍統(tǒng)計(jì)和日工作量測(cè)算等。因此，縱向控制技術(shù)的高低取決于導(dǎo)航器設(shè)計(jì)技術(shù)的高低。當(dāng)前我國(guó)農(nóng)用機(jī)械尤其是飛行農(nóng)用機(jī)械借助的導(dǎo)航器主要是GPS、GIS以及RS系統(tǒng)，具體控制方式有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和模糊控制等，前者實(shí)現(xiàn)了農(nóng)用機(jī)械直線行駛的偏差率控制，后者實(shí)現(xiàn)了農(nóng)用機(jī)械的自動(dòng)轉(zhuǎn)向等功能。

（3）地圖營(yíng)造技術(shù)。地圖營(yíng)造技術(shù)主要指農(nóng)用機(jī)械在獲取外界信息后，在系統(tǒng)中營(yíng)造環(huán)境、模擬環(huán)境的技術(shù)能力。當(dāng)前農(nóng)用機(jī)械可以借助小型的視覺傳感器、激光雷達(dá)、紅外線、聲吶系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全天候水陸空三犧環(huán)境的信息加載。借助預(yù)設(shè)的數(shù)學(xué)模型直接模擬外界環(huán)境，構(gòu)建信息地圖，從而幫助農(nóng)用機(jī)械選擇適當(dāng)?shù)膶?dǎo)航方式。精確地模擬地圖設(shè)置實(shí)現(xiàn)了路徑導(dǎo)航的自動(dòng)化功能，地圖構(gòu)建分為柵格地圖、拓?fù)涞貓D和三維地圖等，比如丹麥的Rovira-Mas就曾經(jīng)利用三維地圖幫助農(nóng)用機(jī)械自動(dòng)導(dǎo)航規(guī)避障礙物行進(jìn)，他使用的技術(shù)是二維柵格地圖與GIS數(shù)據(jù)相結(jié)合，探測(cè)出前方物體，并進(jìn)行自動(dòng)化地判斷?？傊?，導(dǎo)航設(shè)備的地圖營(yíng)造能力越強(qiáng)，農(nóng)用機(jī)械導(dǎo)航效果就越精細(xì)，線路規(guī)劃也就越完善。

3　導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用中的優(yōu)化措施

（1）豐富農(nóng)業(yè)環(huán)境的基礎(chǔ)信息庫。我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展環(huán)境惡劣，耕地面積不足。因此發(fā)展山區(qū)農(nóng)業(yè)將成為我國(guó)糧食戰(zhàn)略的有力補(bǔ)充。但是我國(guó)山區(qū)環(huán)境地形復(fù)雜，信號(hào)覆蓋率較弱，受干擾的機(jī)率較高，對(duì)導(dǎo)航作業(yè)的開展相對(duì)不利。因此我國(guó)地理信息技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)增加地理信息環(huán)境庫的信息補(bǔ)充，讓農(nóng)用機(jī)械在地形復(fù)雜的地區(qū)可以不借助衛(wèi)星導(dǎo)航，直接使用數(shù)據(jù)庫信息輔助導(dǎo)航。實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航技術(shù)與自主運(yùn)行相結(jié)合，同時(shí)也為視覺導(dǎo)航和機(jī)械導(dǎo)航的進(jìn)一步發(fā)展提供信息技術(shù)支持。

（2）加強(qiáng)傳感器技術(shù)的性能提升。當(dāng)前我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械自身的性能還存在較大的問題。比如農(nóng)用機(jī)械故障率較高、自身噪音較大、中高頻輻射影響較強(qiáng)等。這些問題都對(duì)導(dǎo)航器的工作帶來了較大的困擾。比如，視覺導(dǎo)航中視覺捕捉系統(tǒng)通過紅外感知或者光線感知收集外界信息，但是由于農(nóng)用機(jī)械散熱性能較差，影響了紅外功能，或者由于自身輻射影響了導(dǎo)航信號(hào)的接收等。這都對(duì)農(nóng)用機(jī)械中的導(dǎo)航技術(shù)造成誤差影響。因此這需要我國(guó)農(nóng)機(jī)企業(yè)不斷提高機(jī)械制造精度，提升農(nóng)機(jī)精細(xì)化制作，減少各種功能故障。還可以開發(fā)農(nóng)用機(jī)械的配套抗干擾設(shè)備，改善導(dǎo)航設(shè)備的工作環(huán)境。

（3）提升獨(dú)立裝備和協(xié)同裝備的配合能力。當(dāng)前我國(guó)的農(nóng)業(yè)機(jī)械的導(dǎo)航技術(shù)，對(duì)于農(nóng)用機(jī)械獨(dú)立裝備的導(dǎo)航，對(duì)于大型農(nóng)機(jī)械的協(xié)同配合還缺少實(shí)踐與探索。因此，應(yīng)在未來的時(shí)間里，應(yīng)加大研究和開發(fā)多裝備協(xié)同作業(yè)的導(dǎo)航技術(shù)，爭(zhēng)取實(shí)現(xiàn)一次作業(yè)解決多種問題的效果。

4　結(jié)語

總而言之，導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展與農(nóng)業(yè)的規(guī)?；P(guān)系緊密。因此我國(guó)農(nóng)業(yè)科技人員應(yīng)結(jié)合我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略要求，不斷學(xué)習(xí)國(guó)內(nèi)外農(nóng)用機(jī)械導(dǎo)航發(fā)展的前沿技術(shù)，提高我國(guó)導(dǎo)航技術(shù)在農(nóng)用機(jī)械中的應(yīng)用比例，促進(jìn)我國(guó)農(nóng)機(jī)自動(dòng)化的技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)藏糧于地，藏糧于技的宏偉目標(biāo)。

Exploration on Application of Navigation Technology in Agricultural Machinery

YI Qin-hui
（Jianshi County GaoPing Town Agricultural Machinery Service Center，Jianshi，Hubei 445305，China）

The current economic development and the combination of science and technology are becoming more and more close，and in the development of agriculture，large agricultural machinery and high precision of agricultural science and technology input has brought new revolution of agricultural productivity.This paper begins with the application of navigation technology in agricultural machinery and expounds the role of navigation machinery in agricultural machinery by analyzing the development of navigation technology，main categories of the technology of navigation and the specific application of the navigation machinery，hoping to bring new enlightenment to our country agricultural economy further scientific.

agricultural economy；mechanization；navigation technology；application

S232.3

A

2095-980X（2016）07-0008-01

2016-06-21

易勤慧（1972-），女，湖北建始人，助理工程師，主要研究方向：農(nóng)業(yè)機(jī)械。