農(nóng)業(yè)機(jī)械導(dǎo)航關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用分析

吳洪玉

摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，智慧農(nóng)業(yè)已經(jīng)成為了農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展的主要方向之一，農(nóng)機(jī)技術(shù)的提升使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)變得更為科學(xué)和簡單。導(dǎo)航技術(shù)作為農(nóng)業(yè)機(jī)械向智能化發(fā)展的必備技術(shù)，近年來受到了相關(guān)研究人員和農(nóng)機(jī)產(chǎn)品開發(fā)部門的足夠重視，通過介紹現(xiàn)階段農(nóng)機(jī)導(dǎo)航的常用技術(shù)，說明了導(dǎo)航技術(shù)在農(nóng)機(jī)應(yīng)用的主要形式。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)機(jī)械;導(dǎo)航;技術(shù);應(yīng)用

中圖分類號(hào)：S220文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2019.08.040

隨著機(jī)械技術(shù)和信息技術(shù)的不斷發(fā)展，農(nóng)業(yè)機(jī)械也將二者進(jìn)行了有機(jī)的結(jié)合，促進(jìn)了農(nóng)業(yè)機(jī)械向精準(zhǔn)化方向轉(zhuǎn)變。如今，導(dǎo)航技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到我們生活的方方面面，其在農(nóng)業(yè)機(jī)械上的應(yīng)用也成為了機(jī)械化發(fā)展的必然趨勢。自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)可有效提升耕整地、植保、播種、收獲等田間作業(yè)的效率，通過利用GPS或北斗的定位技術(shù)結(jié)合PID模糊控制等先進(jìn)算法，能夠有效提升農(nóng)業(yè)機(jī)械的運(yùn)行精度。且農(nóng)業(yè)機(jī)械未來的發(fā)展也要求其必須具備自主導(dǎo)航的基礎(chǔ)功能，從而實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械對(duì)外部環(huán)境的準(zhǔn)確感知，并通過實(shí)時(shí)的信息獲取與處理，判斷自身位置與周圍環(huán)境的關(guān)系，并對(duì)工作路徑進(jìn)行規(guī)劃和導(dǎo)航控制，以保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)任務(wù)的順利完成。

1 農(nóng)機(jī)導(dǎo)航技術(shù)

現(xiàn)階段應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械的導(dǎo)航技術(shù)以視覺導(dǎo)航和衛(wèi)星導(dǎo)航為主，其適應(yīng)的場合和優(yōu)勢各異，但多應(yīng)用于先進(jìn)機(jī)型，且在我國的應(yīng)用范圍較小。

1.1 視覺識(shí)別導(dǎo)航

視覺識(shí)別導(dǎo)航主要是通過先進(jìn)的攝像頭和計(jì)算機(jī)算法相結(jié)合，用以模擬人眼功能進(jìn)行的導(dǎo)航技術(shù)。應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械的視覺導(dǎo)航技術(shù)主要是為農(nóng)機(jī)提供路線識(shí)別、機(jī)械位置測量、航向規(guī)劃以及躲避障礙物等功能。通過視覺識(shí)別能夠?qū)崿F(xiàn)較大范圍的環(huán)境監(jiān)測，從而收集足量信息，保證機(jī)械的正常行駛。由于現(xiàn)階段我國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模化不強(qiáng)，農(nóng)田環(huán)境較為復(fù)雜，導(dǎo)致了視覺導(dǎo)航使用過程精確度的下降，且視覺導(dǎo)航需要在獲取信息后通過換算指導(dǎo)農(nóng)機(jī)前進(jìn)，因此行駛速度較慢，作業(yè)效率低下。

1.2 衛(wèi)星導(dǎo)航

衛(wèi)星導(dǎo)航主要是通過圍繞地球軌道運(yùn)轉(zhuǎn)的多顆衛(wèi)星構(gòu)成的精確定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)提供農(nóng)業(yè)機(jī)械在空間位置上的信息。農(nóng)機(jī)衛(wèi)星導(dǎo)航功能的實(shí)現(xiàn)主要依靠地面基站和移動(dòng)站兩套設(shè)備，以地面基站作為地面坐標(biāo)的基準(zhǔn)，當(dāng)農(nóng)業(yè)機(jī)械攜帶移動(dòng)站進(jìn)行作業(yè)時(shí)，其衛(wèi)星定位的坐標(biāo)經(jīng)過地面基站進(jìn)行距離修正，使農(nóng)業(yè)機(jī)械的作業(yè)精度再度提升。目前的農(nóng)業(yè)機(jī)械導(dǎo)航為保證精度更多地采用了RTK差分技術(shù)，通過附加的差分修正信號(hào)改善衛(wèi)星定位的精度，從而完成更為精細(xì)的導(dǎo)航作業(yè)任務(wù)。

1.3 組合導(dǎo)航

由于農(nóng)業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的不斷發(fā)展，先進(jìn)農(nóng)機(jī)所能完成的工作也越來越精細(xì)，傳統(tǒng)的導(dǎo)航方式很難完全滿足農(nóng)業(yè)機(jī)械未來發(fā)展的趨勢。因此，通過多種導(dǎo)航方式的優(yōu)勢互補(bǔ)能夠有效提高定位系統(tǒng)的精確度，通過算法之間的優(yōu)勢互補(bǔ)，能夠保證自動(dòng)導(dǎo)航功能的可靠性。例如在絕大部分場合，衛(wèi)星導(dǎo)航能夠提供精確的定位服務(wù)，但也不可避免的存在信號(hào)不良區(qū)域，這時(shí)利用視覺導(dǎo)航進(jìn)行修正就能夠保證導(dǎo)航過程的連續(xù)性和穩(wěn)定性，避免機(jī)械作業(yè)失誤的出現(xiàn)。

2 導(dǎo)航技術(shù)的應(yīng)用情況

2.1 農(nóng)作物產(chǎn)量監(jiān)測

由于導(dǎo)航技術(shù)精準(zhǔn)定位的特點(diǎn)，能夠結(jié)合傳感器技術(shù)對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)量的相關(guān)信息進(jìn)行監(jiān)測和收集。在實(shí)際的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，通過在收獲機(jī)械上安裝衛(wèi)星定位系統(tǒng)，就能夠通過相關(guān)的傳感器和視覺機(jī)構(gòu)獲得收獲過程的實(shí)時(shí)信息，其中衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)主要應(yīng)用于定位，同時(shí)幫助收獲機(jī)械實(shí)現(xiàn)自主作業(yè)，通過傳感器測量農(nóng)作物的產(chǎn)量信息，并將結(jié)果與位置信息相結(jié)合反饋給計(jì)算機(jī)端。農(nóng)作物產(chǎn)量檢測常用到的傳感器包括壓力傳感器和濕度傳感器，分別用于收集農(nóng)作物的重量和含水率，以提供農(nóng)作物生長情況的第一手資料。

2.2 無人機(jī)植保作業(yè)

使用多旋翼無人機(jī)進(jìn)行植保作業(yè)是近年來興起的新的植保方式，也是農(nóng)業(yè)自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)的良好應(yīng)用方向，由于無人機(jī)植保去除了很多地面作業(yè)的影響因素，因此更適于導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)揮。通過RTK差分技術(shù)實(shí)現(xiàn)高精度的農(nóng)作物養(yǎng)護(hù)作業(yè)，需要保證衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)具備以下功能：一是無人機(jī)的控制端能夠依靠無線網(wǎng)絡(luò)向特定的無人機(jī)發(fā)射植保作業(yè)信號(hào)，信號(hào)內(nèi)包含預(yù)先設(shè)定的作業(yè)方案和行駛軌跡;二是無人機(jī)在接收到控制端信號(hào)后，能夠按照預(yù)先設(shè)定好的方案和軌跡實(shí)施作業(yè);三是無人機(jī)在飛行過程中能夠?qū)崟r(shí)檢測自身狀態(tài)，并將相關(guān)信息反饋給控制端，例如農(nóng)藥含量、電池電量等; 四是無人機(jī)對(duì)導(dǎo)航偏差能實(shí)現(xiàn)自行修正，能夠?qū)崿F(xiàn)作業(yè)完成或電量不足、農(nóng)藥不足情況下的自動(dòng)返航。

2.3 耕地土壤信息監(jiān)測

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的耕地土壤質(zhì)量是影響農(nóng)作物產(chǎn)量的重要因素，土壤成分及質(zhì)量是影響農(nóng)作物種植的關(guān)鍵因素，傳統(tǒng)模式下通常采用大規(guī)模的土壤采樣方法收集區(qū)域內(nèi)農(nóng)業(yè)土壤信息，該種方法耗時(shí)耗力且容易出現(xiàn)誤差，存在精準(zhǔn)度不足的缺陷。 基于農(nóng)業(yè)機(jī)械導(dǎo)航技術(shù)設(shè)計(jì)的農(nóng)作物土壤信息監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)種植區(qū)域內(nèi)土壤成分及質(zhì)量信息的快速收集監(jiān)測，具體的技術(shù)原理為：將 GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)和 GIS 地理信息系統(tǒng)安裝在土壤信息監(jiān)測設(shè)備上，GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)用來確保設(shè)備監(jiān)測工作的地理位置獲取，制定最優(yōu)行進(jìn)路線，實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域內(nèi)土壤信息的快速采集和監(jiān)測，而 GIS 系統(tǒng)則負(fù)責(zé)接收土壤監(jiān)測的數(shù)據(jù)結(jié)果， 存儲(chǔ)并上傳到主機(jī)端。