基于北斗導航技術的農(nóng)用車田間定位與作業(yè)路徑規(guī)劃

康萌　陳卓　康思遠

摘 要：衛(wèi)星導航技術是現(xiàn)代化移動裝備的必備技術，其在我國農(nóng)業(yè)機械上的應用尚處于起步階段。隨著我國北斗衛(wèi)星導航技術逐步成熟，基于北斗導航對農(nóng)業(yè)機械提供定位與作業(yè)模式規(guī)劃已十分普遍，通過介紹精確農(nóng)業(yè)的相關內(nèi)容，說明了北斗導航定位在農(nóng)用車應用的相關特點，總結(jié)了農(nóng)用車作業(yè)路徑的規(guī)劃方式。

關鍵詞：北斗導航;農(nóng)用車;定位;作業(yè)模式

中圖分類號：S220文獻標識碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2019.08.006

將導航技術、網(wǎng)絡技術、通信技術以及自動控制技術應用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，是精確農(nóng)業(yè)發(fā)展的必須條件。我國的農(nóng)業(yè)機械經(jīng)過多年的研究和發(fā)展，在機械結(jié)構(gòu)合理性方面取得了顯著進展，在故障率降低的同時工作效率也顯著提升，得到了農(nóng)民的廣泛認可。農(nóng)業(yè)機械要進一步發(fā)展，不僅要在機械結(jié)構(gòu)和功能上下功夫，更需要利用衛(wèi)星導航技術與信息系統(tǒng)相結(jié)合，實現(xiàn)精準的定位與科學的作業(yè)規(guī)劃。通過現(xiàn)代化的田間管理，有利于因地制宜的調(diào)整農(nóng)作物的生長狀態(tài)，保證播種、施肥、植保、收獲等機械作業(yè)的精確性，能夠有效提升農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)，并同時保護環(huán)境，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

1 精確農(nóng)業(yè)的組成及要求

精確農(nóng)業(yè)是促進農(nóng)業(yè)生產(chǎn)向合理化發(fā)展的有效手段，其關鍵技術包含了衛(wèi)星導航、自動化控制、地理信息、遙感技術、管理信息等很多方面（圖1），其中衛(wèi)星導航技術的應用主要在于定位和自動導航兩方面，定位功能主要用于土壤及作物監(jiān)測過程的準確位置提供。自動導航包括了自動駕駛技術和自動控制技術兩方面，有利于提高農(nóng)業(yè)機械的工作效率。現(xiàn)階段，通過北斗導航能夠為農(nóng)業(yè)機械提供穩(wěn)定可靠的定位及導航服務支持，且很多服務也轉(zhuǎn)換為全天候免費提供，顯著減低了農(nóng)機使用的費用。

北斗衛(wèi)星導航是我國自主研發(fā)的全球衛(wèi)星導航技術系統(tǒng)。該系統(tǒng)投入使用以來，已逐漸形成具有自主知識產(chǎn)權的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和服務體系。例如通過北斗導航技術建立的水文自動測報系統(tǒng)以及動植物生長環(huán)境的網(wǎng)絡監(jiān)測和控制功能等?，F(xiàn)階段北斗導航的應用還存在一定的局限性，對于草原、戈壁、沙漠等信號不良地區(qū)，應用還不普及。但是，北斗衛(wèi)星導航的技術也具備GPS系統(tǒng)所不具備的多種特色，其在民用及軍用領域應用有著相當大的潛力。

2 農(nóng)用車定位及導航技術

2.1 結(jié)構(gòu)與組成

定位是導航的基礎，農(nóng)用車所使用的北斗導航定位技術大體上包括了車載電腦、北斗導航終端、視覺導航設備等幾部分。車載電腦主要由嵌入式處理設備和系統(tǒng)、控制區(qū)和顯示設備等組成，能夠為衛(wèi)星定位及導航服務提供基礎的控制、信息傳遞以及信息顯示;北斗導航終端主要是由衛(wèi)星信號接收處理裝置和多種天線組成，是衛(wèi)星定位和信號接收的主要工具;視覺導航設備包含了攝像頭和圖像處理單元，主要用來實現(xiàn)對周邊環(huán)境的視覺感知與障礙物規(guī)避。

2.2 定位功能的實現(xiàn)

對于北斗導航定位技術，關鍵就是要完成對定位信號的接收和處理，信號接收主要通過BDS天線和接收機完成（圖2），信息處理主要由工控主板完成（圖3）。利用卡爾曼濾波算法完成對經(jīng)緯度信息的濾波處理，并結(jié)合視覺識別設備所獲得的數(shù)據(jù)以及其他輔助傳感器獲取的農(nóng)機姿態(tài)或位置信息，來指導農(nóng)機完成指定任務的行駛或操作。

定位功能還能幫助拖拉機或收割機等農(nóng)機具進行合理的路徑規(guī)劃作業(yè)，同時生成農(nóng)田的信息輪廓圖并根據(jù)路徑規(guī)劃算法完成路徑規(guī)劃。在作業(yè)過程中，利用北斗定位技術結(jié)合傳感器動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)來顯示農(nóng)機完整的作業(yè)狀況，利用精準定位完成農(nóng)機的多功能導航要求。

2.3 農(nóng)機導航的功能要求

（1）農(nóng)機北斗導航作業(yè)需要能夠適應大面積的耕地環(huán)境，為方便農(nóng)機技術推廣，北斗導航的設備和使用成本不能過高，且因我國農(nóng)田工作環(huán)境復雜，農(nóng)用車在作業(yè)的同時還要利用北斗定位技術完成對農(nóng)田地塊的信息采集與測量等工作，因此要求系統(tǒng)必須有足夠的穩(wěn)定性和可靠性，同時盡可能高的提升定位精度。

（2）由于導航過程需要處理的信息量很大，因此，北斗導航必須具備GIS軟件的相關功能，并能利用GIS軟件進行高效快捷的信息和邏輯運算。農(nóng)用車的車載電腦應當配備嵌入式 GIS 軟件，以保證路徑規(guī)劃圖功能的實現(xiàn)，嵌入式 GIS 軟件能夠接收設備提供的耕地位置的定位信息，并結(jié)合農(nóng)用車速度信息，對農(nóng)業(yè)機械進行自動導航。

（3）因北斗系統(tǒng)應用于現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)機械必須與接收設備、數(shù)據(jù)傳導設備、視覺識別設備、顯示屏、控制裝置等相配合，因此要求北斗導航具有豐富的外圍接口，方便與多種設備進行連接。

3 作業(yè)路徑規(guī)劃

得益于北斗衛(wèi)星導航的定位技術，使農(nóng)用車的作業(yè)路徑規(guī)劃變得更加便捷，通過在農(nóng)用車作業(yè)前和工作中進行預先或者實時的作業(yè)路徑規(guī)劃，有利于提高農(nóng)用車作業(yè)過程的適應能力和科學性。與公路行駛汽車所使用的行駛線路徑不同，農(nóng)田作業(yè)更多考慮的是以面積為單位的農(nóng)田區(qū)域覆蓋，路徑的分布與農(nóng)用車的行駛方式常常根據(jù)農(nóng)田邊界的形狀、農(nóng)機裝備的行駛特點以及相關農(nóng)藝要求來決定，同時還要考慮在作業(yè)過程中的相關操作的實現(xiàn)能力，避免農(nóng)機空行駛導致作業(yè)困難和資源浪費問題的出現(xiàn)，這也在很大程度上依賴于北斗衛(wèi)星定位技術的精確度。

作業(yè)路徑規(guī)劃也就是對農(nóng)用車的行駛軌跡的設計與方案提供，所規(guī)劃的路徑必須覆蓋農(nóng)田全范圍，并且以直線行駛為主。路徑設計過程需要考慮直線路徑、轉(zhuǎn)彎路徑、行駛方向等眾多問題（具體見圖4），然后利用全排列算法確定直線路徑的最優(yōu)遍歷順序，最后再進行路徑的合理性檢驗和算法驗證，這些過程都可以通過成熟的軟件和系統(tǒng)快速完成，而使用者只需要提供農(nóng)田形狀資料并輔助進行路徑設計。

直線路徑的設計內(nèi)容主要包括：（1）確定直線路徑在耕地中的相對方向;（2）明確端點的位置;（3）根據(jù)農(nóng)用車沿直線路徑作業(yè)時的轉(zhuǎn)彎次數(shù)最少的基本要求設計直線行駛的方向;（4）直線路徑的兩個端點應位于農(nóng)田直線作業(yè)區(qū)域和地頭轉(zhuǎn)彎區(qū)域的分界線上，且應根據(jù)地頭轉(zhuǎn)彎區(qū)域的寬度來確定。

轉(zhuǎn)彎路徑的設計內(nèi)容主要包括：（1）考慮轉(zhuǎn)彎路徑的最小寬度;（2）分析轉(zhuǎn)彎的先后順序?qū)ψ鳂I(yè)時間的影響;（3）分析直線路徑的先后遍歷順序?qū)D(zhuǎn)彎時間的影響，進而得到作業(yè)的最優(yōu)方案。

4 結(jié)束語

隨著技術研究的不斷進步，我國自主研制的北斗導航技術所能夠提供的服務會越來越豐富，其與農(nóng)業(yè)機械的結(jié)合不僅提高了農(nóng)業(yè)機械的作業(yè)效率和作業(yè)質(zhì)量，也方便了農(nóng)業(yè)機械的管理與資源調(diào)配。相關工作人員應重視對北斗導航技術在農(nóng)業(yè)機械上的應用和推廣，北斗導航設備的生產(chǎn)廠家也應注意相關設備的銷售價格，保證北斗導航技術的快速普及與推廣。

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