自動導航拖拉機在精準農業(yè)上的應用

李軍輝 刁維芹

摘要：本文論述了精準農業(yè)生產的特點和對農業(yè)裝備的要求，自動導航拖拉機的關鍵技術衛(wèi)星定位系統(tǒng)、自動導航系統(tǒng)、轉向控制系統(tǒng)的結構及原理;分析了自動導航拖拉機的在精準農業(yè)的生產中的作業(yè)和應用中存在問題。

關鍵詞：精準農業(yè);自動導航;拖拉機

中圖分類號：S219文獻標識碼：ADOI：10.19754/j.nyyjs.20190615020

在農業(yè)4.0的時代下，精準農業(yè)利用現(xiàn)代技術根據農作物的生長狀況和環(huán)境，精準的控制作物養(yǎng)分供給量、是否需要打農藥，從而降低化肥、農藥的使用量，達到綠色和可持續(xù)農業(yè)生產的目的。自動導航拖拉機是大田精準農業(yè)生產作業(yè)的重要動力裝備，是精準農業(yè)生產中數字控制的基礎。

1農業(yè)4.0精準農業(yè)與自動導航拖拉機

1.1農業(yè)4.0的特點

2015年，農業(yè)生產進入了4.0時代，其主要特征是生態(tài)化、智能化，技術支撐是由物聯(lián)網技術、移動互聯(lián)網技術和云計算。 農業(yè)4.0時代的農業(yè)生產目標是在高品質、高效率和生態(tài)環(huán)?；A上的高產量。生態(tài)環(huán)保的實現(xiàn)依靠精準打藥降低農藥使用量、采用配方施肥技術降低肥料的施用量，從而減少 CO2排放，減少農業(yè)生產對環(huán)境的影響。具有代表性的關鍵技術有農機的自動駕駛技術、精準農業(yè)技術、無人機技術。

1.2精準農業(yè)的概念

精準農業(yè)（Precision Agriculture）起源于美國，是一種基于信息、知識管理和智能控制的定位、定時、定量的現(xiàn)代農業(yè)生產系統(tǒng)。它應用全球衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)（ GNSS）、地理信息系統(tǒng)（ GIS）、遙感技術（ RS）和計算機自動控制系統(tǒng)等技術， 對農業(yè)生產的耕作、播種、施肥、打藥、收獲等環(huán)節(jié)，進行精確的控制，實現(xiàn)提高農業(yè)生產效率和土地的利用效率。精準農業(yè)一般由以下系統(tǒng)組成，全球定位系統(tǒng)、農田信息采集系統(tǒng)、農田遙感監(jiān)測系統(tǒng)、農田地理信息系統(tǒng)、農業(yè)專家系統(tǒng)、智能化農機具系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、系統(tǒng)集成、網絡化管理系統(tǒng)和培訓系統(tǒng)[1]。

1.3自動導航拖拉機

自動導航拖拉機是精準農業(yè)生產作業(yè)的動力裝備，是精準農業(yè)生產的執(zhí)行者。農機的自動導航技術是精準農業(yè)生產技術指標要求下發(fā)展起來的。自動導航拖拉機自動導航由衛(wèi)星信號接收系統(tǒng)、行車電腦控制系統(tǒng)、前輪轉角傳感器、航向傳感器、自動轉向控制器等組成[2]。

2自動導航拖拉機的關鍵技術

自動導航拖拉機是農業(yè)機械化和自動化的關鍵裝備，自動導航拖拉機可以通過在普通拖拉機上加裝自動導航系統(tǒng)，可實現(xiàn)大面積耕地上的快速、高效、高精度、自動化作業(yè)。拖拉機自動導航系統(tǒng)包括以下技術：全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)定位系統(tǒng)（GNSS）、RTK定位技術、自動導航技術及農機的轉向機構。

2.1全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)定位系統(tǒng)（GNSS）

世界有4大衛(wèi)星導航系統(tǒng)：美國的GPS系統(tǒng)、俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)、中國的北斗（BDS）系統(tǒng)、歐洲伽利略Galileo系統(tǒng)[3]。美國的GPS 系統(tǒng)是全球用戶數量最多的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，中國的北斗導航系統(tǒng)目前已發(fā)展到36顆衛(wèi)星覆蓋全球，定位精度和可靠性與GPS 系統(tǒng)相當。 拖拉機的自動導航系統(tǒng)一般都兼容多個導航系統(tǒng)，目前中國地區(qū)銷售的基本都兼容北斗系統(tǒng)，通過增加可見星的數量，提高衛(wèi)星導航精度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

GNSS系統(tǒng)定位原理是通過導航衛(wèi)星向地面發(fā)射衛(wèi)星星歷信號，衛(wèi)星地面控制中心通過接收各個衛(wèi)星星歷信號，解決星歷信號以確定導航衛(wèi)星的導航軌道。 用戶接收設備GNSS接收器接收并測量由可見衛(wèi)星發(fā)送的無線信號，并獲取諸如導航衛(wèi)星的導航軌道之類的信息，計算出用戶接收器的位置、方向、運動速度和時間信息。

2.2RTK定位技術

RTK定位技術是一種基于載波相位觀測的實時動態(tài)高精度定位技術，可以實時解決移動站在設定坐標系中的三維定位信息。觀測信息和設定坐標信息通過數據基準站傳輸到移動臺。 移動站將基準站的數據和本身采集到的GNSS觀測數據進行差分處理，定位精度可達到厘米級，是農機導航中普遍釆用的衛(wèi)星定位技術。

2.3自動導航技術

在農機的自動導航技術中，農機位置的感知部分是關鍵 ，目前常用的有機器視覺導航、GPS導航、光靶導航以及多傳感器組合導航等多種形式。農機導航系統(tǒng)通過GNSS、傳感器等感知系統(tǒng)獲得農機的絕對位置信息和運動狀態(tài)，并將信息與預設的路徑進行比較，確定農機與路徑之間的相對位置關系，通過控制系統(tǒng)按照一定算法計算、控制農機的轉向系統(tǒng)，使機器按照預定的路徑行駛，實現(xiàn)農機的自動導航。

中國主流農機自動導航產品有Trimble的 AutoPilot系列農業(yè)自動駕駛系統(tǒng)， John Deere公司的Auto Trac農機自動導航系統(tǒng)、司南與美國 Auto Farm公司合作的 Auto Farm農機自動導航系統(tǒng)，合眾思壯公司的壁虎和慧農2大系列農業(yè)自動導航系統(tǒng)，北京農業(yè)智能裝備技術研究中心自主研發(fā)的 Auto Guide農業(yè)自動導航系統(tǒng)等。

2.4農機的轉向機構

農機的轉向機構控制車輛行駛路徑。常見的農機轉向控制系統(tǒng)由有液壓轉向控制系統(tǒng)與方向盤電機轉向控制系統(tǒng)，方向盤電機控制系統(tǒng)由計算機、伺服電機、電機驅動器等裝置組成，直接安裝在拖拉機的方向盤上，通過私服電機控制車輛轉向[5]。工作過程是車載電腦根據衛(wèi)星導航系統(tǒng)的信號、農機的規(guī)劃軌跡進行計算，將控制令發(fā)給電機驅動器，電機驅動器驅動直流伺服電機帶動方向盤轉動。液壓控制系統(tǒng)是將電磁液壓閥組加裝到農機的液壓轉向系統(tǒng)上，電腦決策指令控制電磁液壓閥組，控制農機的轉向。

3自動導航拖拉機在精準農業(yè)上的應用

在農業(yè)生產的耕、種、播、收、打藥、施肥工作中，自動導航農機可以提供準確的定時、定位。為施肥、打藥、收獲的自動化和數字化提供保障。

3.1應用自動導航拖拉機可提高土地的利用效率和生產效率當農業(yè)機械的行駛速度高且工作范圍寬時，難以實現(xiàn)人工精確操作，并且經常發(fā)生遺漏，重復等現(xiàn)象。 應用自動導航拖拉機，可以降低能源消耗，降低勞動強度，提高土地的利用效率和生產效率。國家精準農業(yè)示范基地進行試驗和研究表明采用自動導航拖拉機進行收獲、施肥作業(yè)，可以降低作業(yè)遺漏率和重疊率[6]。

3.2自動導航拖拉機應用效果

自動導航拖拉機在起壟、播種、耙地、收割、噴藥、鋪膜、犁地和中耕等作業(yè)中，可以準確實時的采集作業(yè)數據，監(jiān)控生產作業(yè)的情況，為精準農業(yè)生產提供數據支持。

3.2.1在精密播種作業(yè)中

條田作業(yè)1000m 播行垂直誤差小于2cm，因為播行直， 行間距、株距精確可控，避免了重播和漏播，為后期變量施肥、精準打藥作業(yè)奠定物質基礎，提高機械收獲作業(yè)的采凈率，降低成本，提高經濟效益。

3.2.2自動導航拖拉機在耕地作業(yè)中

接茬精度可控制在1～2cm，農藝作業(yè)質量高，土地利用率高，大大減少農作物生產成本投入增加了經濟效益。

3.2.3自動駕駛技術可以提高農業(yè)機械的可操作性能

延長生產作業(yè)時間。自動導航拖拉機夜間也可以作業(yè)，能實現(xiàn)全天24h不間斷工作，提高了農業(yè)機械的利用效率和經濟效益。

3.2.4自動駕駛技術可減輕駕駛員的勞動強度

駕駛員不必操作方向盤，降低農業(yè)生產作業(yè)的技術復雜度， 農機駕駛員作業(yè)培養(yǎng)的難度降低，同時在農業(yè)生產中農機駕駛員可集中精力進行農機作業(yè)機械的操作，作業(yè)質量高。

3.3自動導航拖拉機在應用中的局限性

自動導航拖拉機在精準農業(yè)生產中應用優(yōu)勢明顯，但在北方地區(qū)應用中也存在一些問題。

目前自動導航拖拉機通過在普通拖拉機上加裝自動導航系統(tǒng)來實現(xiàn)，自動導航系統(tǒng)售價較高，一套在10萬元左右，前期投入較大，大田農業(yè)生產經濟效益較低，經濟成本較高。

自動導航拖拉機作業(yè)操作性降低了，但是拖拉機駕駛員文化水平較低，缺乏自動控制和計算機的知識，對于繁瑣、復雜度安裝調試，對于自動導航系統(tǒng)的使用、維護，拖機機駕駛員掌握起來存在一定困難。

自動導航拖拉機目前還缺乏完善的鑒定體系，售后服務和培訓還有待提高。

參考文獻

[1] 張純潔.基于GIS的精準農業(yè)發(fā)展模式——以江漢平原為例[D]. 華中師范大學，2008.

[2] 唐勇偉.基于ARM-Linux的農機自動駕駛控制系統(tǒng)設計與研究[D] .青島理工大學，2016.

[3] 吳少凱.基于北斗的嵌入式導航系統(tǒng)設計與研究[D]. 天津理工大學，2014.

[4] 黃宇琦.GPS技術在測量工程中的應用[J]. 數字化用戶，2014（12）：253.

[5] 呂文剛， 王耀申， 丁保江.農業(yè)機械導航關鍵技術概述[J].農業(yè)裝備與車輛工程，2016（8）：86-88.

[6] 劉卉， 孟志軍， 付衛(wèi)強.基于 GPS 軌跡的農機壟間作業(yè)重疊與遺漏評價[J].農業(yè)工程學報，2012（18）：149-154.

作者簡介：李軍輝（1972），講師，碩士，研究方向：農業(yè)機械工程;刁維芹（1969），山東，副教授，研究方向：農業(yè)機械工程。