基于北斗導(dǎo)航的農(nóng)機自動駕駛技術(shù)研究進展

趙霞 高菊玲 張志鵬

0 引言

農(nóng)業(yè)精準作業(yè)與信息化引領(lǐng)農(nóng)業(yè)機械化發(fā)展。中國自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用，將推進農(nóng)業(yè)高新技術(shù)的發(fā)展，降低農(nóng)機操作者的勞動強度，提高經(jīng)濟效益，促進現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展[1-2]。

1 北斗導(dǎo)航農(nóng)機自動駕駛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

北斗導(dǎo)航農(nóng)機自動駕駛系統(tǒng)主要由差分基準站和農(nóng)機自動駕駛儀組成。差分基準站通過電臺向外發(fā)射觀測信號，將農(nóng)田實際作業(yè)情況轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)信號；農(nóng)機自動駕駛儀將接收到的數(shù)據(jù)信號進行航向、位置、速度的精確解算，驅(qū)動農(nóng)機按照已設(shè)定好的行走路線行駛，達到高精度導(dǎo)航。

1.1 差分基準站

差分基準站由一臺高性能BDS 測量型接收機、發(fā)射電臺和天線組成，作用主要是發(fā)射與接收所觀測到的田間作業(yè)數(shù)據(jù)。基準站有固定式和便攜式之分。固定式基站電臺有效廣播半徑在30 km 左右，適合農(nóng)田集中區(qū)域，可多用戶共享，購置成本低。便攜式基站電臺有效廣播半徑在10 km 左右，適合車輛跨區(qū)作業(yè)?；鶞收臼褂脮r可采用蓄電池或者市電供電。

為滿足客戶需求，實現(xiàn)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的高精度定位，應(yīng)采用差分技術(shù)。近年來，一些學(xué)者針對北斗差分技術(shù)進行了研究。吳建華、黃林生等[3]提出了一種適合北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的差分技術(shù)；莊皓玥、原彬[4]等針對偽距差分和載波相位差分分別進行了建模，分析計算出不同模式下的定位精度；趙一蒙[5]利用MATLAB 對BDS 測量型接收機的定位解算算法進行了仿真，得出擴展卡爾曼濾波法的定位精度高。目前差分基準站的測量誤差可控制在10 mm 以內(nèi)，最優(yōu)測量誤差可控制在1 mm 以內(nèi)。

1.2 農(nóng)機自動駕駛儀

北斗農(nóng)機自動駕駛儀是集車載北斗衛(wèi)星接收、定位、控制于一體的綜合性系統(tǒng)。安裝在農(nóng)機上，主要由北斗高精度定位終端、角度傳感器、液壓閥、車載PC 機等組成。

北斗農(nóng)機自動駕駛儀接收差分基準站傳輸來的改正數(shù)據(jù)，經(jīng)過解算分析，獲取農(nóng)機當前的精確位置、方向、速度信息。利用傳感器感知農(nóng)機在行駛中的位姿，將數(shù)據(jù)信息反饋至PC 機中，經(jīng)過精確計算，規(guī)劃農(nóng)機行進路徑，將信息傳輸至北斗導(dǎo)航儀，實現(xiàn)農(nóng)機自動駕駛。

2 北斗導(dǎo)航農(nóng)機自動駕駛技術(shù)研究進展

2.1 精準農(nóng)業(yè)中的北斗導(dǎo)航定位技術(shù)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）具有定位準確、可靠性高、授時服務(wù)等特點，該技術(shù)在精準農(nóng)業(yè)中主要應(yīng)用在智能化農(nóng)機控制、精準灌溉及噴藥、農(nóng)田資源普查及規(guī)劃三個方面[6-8]。

2.1.1 智能化農(nóng)機控制

1）北斗導(dǎo)航拖拉機自動駕駛技術(shù)。2016 年4 月28 日，我國首款基于北斗導(dǎo)航的自動駕駛系統(tǒng)研發(fā)成功并通過鑒定[9]。該系統(tǒng)通過RTK 技術(shù)和自動駕駛技術(shù)，精確感知拖拉機的位姿，使拖拉機按照規(guī)劃路徑作業(yè)，廣泛應(yīng)用于播種、除草、耕地、鋪膜、植保等農(nóng)田重復(fù)性工作，可以全天不間斷精準作業(yè)，解放了農(nóng)機手，提高了作業(yè)精度和效率。

2）變量控制。精準農(nóng)業(yè)變量控制理念是將農(nóng)田實行小田化管理，通過收集田間作物生長及營養(yǎng)成分等信息，制定出相應(yīng)的田間播種或施肥變量作業(yè)處方[10-12]。

3）作業(yè)監(jiān)控。在北斗導(dǎo)航聯(lián)合收割機自動駕駛系統(tǒng)中，加裝產(chǎn)量檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)田間作業(yè)監(jiān)控。利用地理信息系統(tǒng)和定位系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)，繪制農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量分布圖，根據(jù)預(yù)估產(chǎn)量控制聯(lián)合收割機的割幅及運行速度，進而控制收割速度及脫粒喂入量，達到最優(yōu)收割效果。針對具體田塊可預(yù)估出總產(chǎn)量的增收或減產(chǎn)，來年重新制定最佳農(nóng)藝決策[13-14]。在北斗導(dǎo)航植保機自動駕駛系統(tǒng)加裝農(nóng)作物含氮量檢測模塊，通過監(jiān)控農(nóng)作物的生長態(tài)勢，自主確定施藥量，實現(xiàn)精準噴藥[15]。江蘇北斗衛(wèi)星應(yīng)用產(chǎn)業(yè)研究院有限公司等單位研發(fā)了一套秸稈還田監(jiān)控系統(tǒng)。黑龍江惠達科技發(fā)展有限公司等單位自主研發(fā)了一套農(nóng)機深松作業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)[16]。

2.1.2 精準灌溉及噴藥

1）精準灌溉。采用智能化灌溉技術(shù)，可根據(jù)農(nóng)作物生長需要自動進行水肥管理。通過精確控制灌溉時間、位置、水量以及成分，可以精準調(diào)整田間單元的農(nóng)用水管理模式，有助于提高水資源的利用率[17]。

2）精準噴藥?；贕NSS 的精準噴藥技術(shù)，可利用高清攝像系統(tǒng)拍攝圖像，得出田間蟲害分布的大小、位置，指引噴藥機按照設(shè)定好的高度和路線噴灑藥物。若中途加藥，噴藥機可準確返回至上次噴藥停止點，避免出現(xiàn)重噴和漏噴區(qū)域[18]。

2.1.3 農(nóng)田資源的普查及規(guī)劃

在精準農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，整合使用衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)、GIS 和遙感技術(shù)，可實現(xiàn)田間管理的數(shù)字化、信息化。技術(shù)員利用GNSS 手持儀可采集到農(nóng)田地理信息，基于衛(wèi)星定位技術(shù)，能快速準確地算出工作區(qū)域面積等參數(shù)，再將這些參數(shù)反饋至導(dǎo)航接收機，結(jié)合田間的各種信息，生成出反映肥力、病蟲害等信息的專題圖和處方圖[19-20]。增加了衛(wèi)星導(dǎo)航定位模塊的土壤水分溫度檢測儀，不僅可以檢測出土壤的含水率，還可以采集到監(jiān)測點的位置信息，并將水分、位置等信息存儲或?qū)С?，以做進一步研究[21]。

2.2 農(nóng)機自動駕駛技術(shù)

農(nóng)業(yè)機械作業(yè)環(huán)境惡劣，很容易發(fā)生側(cè)翻、打滑等現(xiàn)象。我國作物田塊面積較小、不連貫，田埂高低不平，作業(yè)空間小，這些因素增加了農(nóng)業(yè)機械的行駛難度。因此，與汽車相比，農(nóng)業(yè)機械對自動駕駛技術(shù)要求更高。

早在20 世紀70 年代，國外很多專家開始研究農(nóng)機自動駕駛技術(shù)。衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)和傳感器技術(shù)是農(nóng)機自動駕駛的核心技術(shù)。美國、日本等發(fā)達國家已經(jīng)成功研制出農(nóng)機自動駕駛產(chǎn)品，投入到現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。如美國天寶（Trimble）公司的Autopilot 自動駕駛產(chǎn)品，目前GPS 接收機有一體機、分體機和掌上RTK,主要型號分為R3、R4、R5、R6、R7、R8，操作簡單靈活，精度高。美國的O’Connor[22]等將RTK-GPS 技術(shù)運用到拖拉機上，研制出一套自動駕駛系統(tǒng)并進行田間試驗。日本北海道大學(xué)科研人員基于機器視覺技術(shù)對裝有圖像傳感器和圖形計算設(shè)備的拖拉機進行無人駕駛試驗。試驗結(jié)果顯示，若以0.26 m/s 速度前進，橫向偏差為4 cm。日本農(nóng)業(yè)研究中心的科研人員將陀螺儀、GPS 以及傳感器融合在一起，基于卡爾曼濾波算法，設(shè)計出一套自動駕駛系統(tǒng)[23]，試驗結(jié)果顯示能按照設(shè)定軌跡完成自動駕駛。

我國自動駕駛技術(shù)研究起步較晚，與發(fā)達國家相比有很大差距。近年來，很多高校及研究院開展了有關(guān)農(nóng)機自動駕駛技術(shù)的研究。羅錫文[24]等人研發(fā)了一套東方紅X-804 拖拉機自動駕駛系統(tǒng)，融合RTK-DGPS 技術(shù)及PID 控制器來進行定位，并設(shè)計出一種有效的轉(zhuǎn)向控制算法。當拖拉機以0.8 m/s 的速度行進時，跟蹤最大橫向誤差不超過0.15 m，平均誤差不超過0.03 m，試驗證明，該系統(tǒng)滿足實際需求。偉利國[25]等人研發(fā)了一臺基于RTK-GPS 技術(shù)的XDNZ630 型插秧機自動駕駛系統(tǒng)，結(jié)合PID 控制法設(shè)計了一種插秧機自動對行轉(zhuǎn)向控制算法。當車輛速度不超過0.6 m/s行駛時，對行偏差小于10 cm。范曉冬[26]等人研發(fā)了一套基于CAN 總線通訊的底盤自動駕駛系統(tǒng)，設(shè)計了一種導(dǎo)航控制算法，采用該算法試驗，當農(nóng)機以2 m/s 的速度沿半徑為25 m 的圓弧行駛時，跟蹤最大橫向誤差不超過0.36 m，平均誤差不超過0.17 m。

我國在農(nóng)機自動駕駛技術(shù)的研究方面取得了一定的成績，但在自動駕駛作業(yè)精度評估指標和方法上的研究較少。

3 技術(shù)推廣建議

北斗導(dǎo)航農(nóng)機自動駕駛系統(tǒng)符合我國精準農(nóng)業(yè)的需求，但在示范推廣及應(yīng)用上還需要做大量的工作。

3.1 加強政策引導(dǎo)

國家已出臺政策，對“農(nóng)用北斗終端”進行財政補貼。建議各地對基于北斗導(dǎo)航的農(nóng)機自動駕駛技術(shù)的試驗示范、推廣應(yīng)用給予政策傾斜，對相關(guān)農(nóng)機管理人員和技術(shù)人員分別組織理論與實踐培訓(xùn)，提升其職業(yè)能力。

3.2 加大研發(fā)力度

國內(nèi)農(nóng)機企業(yè)生產(chǎn)出的衛(wèi)星導(dǎo)航自動駕駛產(chǎn)品的核心技術(shù)及主要部件還需依靠進口，價格偏高。應(yīng)加大核心技術(shù)及主要部件的研發(fā)力度，提高國產(chǎn)農(nóng)業(yè)裝備的可靠性，拓寬衛(wèi)星導(dǎo)航自動駕駛系統(tǒng)的使用范圍，逐步在自走式小型機械上推廣使用。

3.3 建立用戶服務(wù)系統(tǒng)

應(yīng)充分發(fā)揮農(nóng)業(yè)裝備公司及經(jīng)銷商的作用，建立完善的用戶服務(wù)系統(tǒng)。當設(shè)備出現(xiàn)故障，依靠該系統(tǒng)可及時進行維護，盡快恢復(fù)正常作業(yè)。特別注意兩個問題：一是同一區(qū)域內(nèi)，機型和生產(chǎn)企業(yè)要相對單一，以保證服務(wù)質(zhì)量；二是基站要統(tǒng)一建立，以保證不同生產(chǎn)企業(yè)不同機型的產(chǎn)品適應(yīng)統(tǒng)一信號源。