農用機械無人駕駛導航技術現(xiàn)狀及發(fā)展探究

何 偉 張倫寧 宋連凱

1. 上海華測導航技術股份有限公司，上海 201702；2.復旦大學工程與應用技術學院，上海 200433；3. 新疆農業(yè)大學經濟管理學院，新疆 烏魯木齊 830052

現(xiàn)階段，中國農業(yè)生產正逐漸采用現(xiàn)代化生產模式，具體體現(xiàn)在以下幾個方面：信息化、機械化、自動化、規(guī)?；?。這在很大程度上使農業(yè)生產更加高效，簡化了農業(yè)生產中的各個環(huán)節(jié)作業(yè)，從而減少了生產者的工作負擔。開展農業(yè)機械化生產過程中，為了能夠合理設計機械線路，并對其展開精準控制，就需要在農業(yè)機械中應用導航技術，而這也是在農業(yè)機械化生產中引入導航技術的最主要原因。

1 農業(yè)機械中應用導航技術的價值體現(xiàn)

導航技術在農業(yè)生產過程中扮演著不可或缺的角色，一方面能夠提高農業(yè)生產的效率，另一方面也能夠指引未來農業(yè)生產的發(fā)展方向。除此之外，導航技術的應用也可以預防農業(yè)生產中相關問題的產生。在農業(yè)機械中應用導航技術，能夠提高獲取農業(yè)生產信息的準確率，同時精準地對農作物的產量進行預判。利用導航技術還能夠使得特定生產區(qū)間內的檢測工作更加規(guī)范，并且整合農業(yè)生產信息數(shù)據，從而為獲取準確的統(tǒng)計數(shù)據奠定基礎。

2 農業(yè)機械中自主型導航的關鍵技術

2.1 視覺導航技術

不同于GNSS導航技術，視覺導航所受到的干擾和限制比較小。通過利用視覺導航，農業(yè)生產者開展信息和數(shù)據采集工作時能夠對不同的圖像進行直觀地觀測。通過應用視覺導航技術，生產者能夠充分掌握農業(yè)生產資源情況，獲取更加全面的環(huán)境數(shù)據。通過不斷地探究，科研人員構建了用于研究視覺導航技術的實驗系統(tǒng)，憑借色彩空間對生產環(huán)境中的圖像進行處理，同時對在農業(yè)生產過程中應用該項技術展開了探索。其中比較重要的科研成果便是視覺傳感器[1]。通過安裝這種裝置，農業(yè)生產者可以有效采集農業(yè)生產的環(huán)境數(shù)據，對環(huán)境中的各個要素予以辨識，進而為農業(yè)機械提供導向。

2.2 衛(wèi)星導航技術

作為一種先進的導航技術，GNSS導航技術在最近幾年中的發(fā)展速度較快，被廣泛應用到了農業(yè)生產過程中。在農業(yè)機械應用了GNSS導航技術之后，農業(yè)生產的品質和效率得到很大提升。然而，由于這項技術會在一定程度上受到生產環(huán)境的干擾，因此在應用中存在一定的局限性。

2.3 其他類型的導航技術

無論是視覺導航、還是GNSS導航，如今都已經被普遍應用到了農業(yè)生產之中，不僅提高了農業(yè)生產的質量，同時也簡化了農業(yè)生產的流程。除了上述兩種導航技術之外，如今還有越來越多的新型技術在農業(yè)生產中得到了使用，例如地磁導航、激光導航。

3 導航技術在農業(yè)機械中的具體應用

3.1 視覺導航技術的具體應用

在農業(yè)生產中應用視覺導航技術，可以填補傳統(tǒng)衛(wèi)星導航的不足，擴展農業(yè)生產導航技術的使用領域，而且其靈活性也更強。特別是在現(xiàn)階段，中國農業(yè)生產高速發(fā)展，農業(yè)用地規(guī)模越來越大，通過視覺導航技術提供市場環(huán)境圖像，能夠對農業(yè)用地數(shù)據展開較為全面的辨識和分析，從而獲得更為完整和準確的生產環(huán)境數(shù)據。應用視覺導航技術的農業(yè)機械能夠對農業(yè)用地圖像展開自主跟蹤、辨識和偵測作業(yè)，同時也能夠排除農業(yè)用地間雜草對導航的影響[2]。

3.2 激光導航的具體應用

如今，激光導航技術在農業(yè)生產中的應用范圍越來越廣。激光導航技術具有明顯的優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在以下4個方面：體積和質量小、測距準確性高、圖像分辨率高、較好的抗干擾性能。根據相關分析數(shù)據可知，利用激光導航技術能夠對作物的高度和占地面積展開準確測算，同時也能夠對農業(yè)機械的運行路線進行調控。應用激光導航技術之后，農業(yè)機械能夠對果樹進行激光掃描，以此獲取果樹的位置數(shù)據，從而為農業(yè)機械提供果園內不規(guī)則路線的導向服務。但是，這種導航技術的使用成本較高，同時也必須配置相關設備用于反射激光。

3.3 地磁導航的具體應用

地磁導航的使用成本相對較低，因此在最近幾年間被引入到了農業(yè)生產之中。在日本，科研人員將地磁圖像傳感器應用到了農業(yè)生產中，為農業(yè)機械的運行路線提供導向。通過傳感器的定位功能，農業(yè)機械能夠憑借地磁導向獲得方位角信息。不過，這種技術在一定程度上會由于機械設施的運行角度和環(huán)境磁場的影響而出現(xiàn)錯誤，因此必須進一步提升其傳感器的運行效率。目前，改良后的農業(yè)機械能夠實現(xiàn)偏差在0.4 m范圍內的物體辨識，從而確保農業(yè)機械運行路線的準確性。

4 我國農業(yè)導航技術未來的優(yōu)化發(fā)展方向

4.1 擴大導航環(huán)境基礎信息資源

中國地域廣闊，農業(yè)用地豐富，而生產環(huán)境差異較大。為了能夠應對不同的生產環(huán)境，就必須在農業(yè)機械中應用相應的導航技術。以山區(qū)農業(yè)用地為例，導航信息很可能會受到樹木的影響，因此在農業(yè)生產過程中就無法通過GPS提供導向，而應該通過獲取山區(qū)環(huán)境數(shù)據為農業(yè)生產提供導向。這就要求相關技術人員要進一步采集生產環(huán)境的基礎數(shù)據資源，以此實現(xiàn)對不同生產環(huán)境的導向作業(yè)，從而制定有針對性的導航策略。

4.2 完善導航技能，實現(xiàn)農業(yè)機械精細化

考慮到導航控制系統(tǒng)比較復雜，當生產環(huán)境不同時則應該結合不同的控制技術為農業(yè)生產提供導向?，F(xiàn)階段，中國在農業(yè)機械生產過程中應用導航技術的時間還比較短，同時也沒有性能完善的農業(yè)機械。例如，農業(yè)機械的故障率較大，同時噪音和污染較大。這些問題會在一定程度上干擾降低導航技術的導向效果。作為農業(yè)機械生產公司而言，則應該實現(xiàn)更加精確的工業(yè)生產，同時加大抗干擾設施的研發(fā)力度[3]。

衛(wèi)星導航技術應該被應用于農業(yè)的現(xiàn)代化生產過程中，以此確保農業(yè)生產中定位更加準確，同時使農業(yè)機械運行的準確性得到提升，從而達到農業(yè)生產精細化管治的目的。通過結合3種導航技術，農業(yè)機械在進行彎道運行時，可以確保路線偏差在2.5 cm范圍內。在為果園生產提供導向時，除了樹木會影響衛(wèi)星導航信號，雜草也會影響視覺導航信息。通過改善現(xiàn)有視覺導航技術，科研人員開發(fā)出了能夠獨立運行的視覺導航平臺，在最大程度上排除了雜草的影響，并且將誤差限制在了6 cm范圍內。通過對現(xiàn)有導航技術的不斷改進，能夠減少資源的利用，控制生產成本，使農業(yè)生產更加高效，最終實現(xiàn)增加農作物產量的目的。除此之外，在進行農業(yè)生產的前期，應該先對土壤的情況展開偵測，從而確定合適的作物和施肥方法，以此提高施肥工作的效率[4]。

4.3 實現(xiàn)農業(yè)機械智能化、生態(tài)化管理

當農業(yè)機械的自動化水平提升時，農業(yè)生產的效率也會提升，能夠在減輕農業(yè)生產者勞動負擔的同時，促使其獲得更大的經濟利益。如果在農業(yè)機械生產過程中運用導航技術，一方面能夠對農業(yè)生產產量展開監(jiān)視和管控，另一方面也能夠憑借信息化手段對農作物的品質展開偵測，從而形成直觀的圖表。

4.4 引入傳感、液壓技術，實現(xiàn)對農業(yè)生產的實時監(jiān)控

在農業(yè)機械設施中應用液壓技術后，能夠控制和調節(jié)相關設施，從而對農業(yè)機械的全程運行展開監(jiān)視和控制。在農業(yè)機械中融合傳感技術和液壓技術之后，能夠使農業(yè)機械運行的效率得到提高，從而到達農業(yè)生產自動化管治的目的。農業(yè)機械生產的自動化管治和監(jiān)視還能夠有效采集設施運行信息并予以反饋。而在收割機上裝配傳感器，就可以收集農業(yè)生產過程中的相關要素信息，并在此基礎上有效監(jiān)視和控制農業(yè)生產的全部流程[5]。

4.5 引入網絡信息技術，實現(xiàn)生態(tài)化管理

只有不斷創(chuàng)新和改良現(xiàn)有的農業(yè)機械，才能確保開展農業(yè)生產時在最大程度上利用農業(yè)機械導航技術。應該對現(xiàn)有的農業(yè)機械運行模式進行改革，將信息化技術應用在農業(yè)機械生產中，以此達到農業(yè)自動化生產的目的。在現(xiàn)階段的農業(yè)生產過程中，已經有很多機械導航技術得到了使用，并且對傳統(tǒng)機械生產方式進行了完善，使得農業(yè)機械生產的效率得到了提高，生產的資金投入得到了控制。將信息技術引入到農業(yè)生產之中，還能夠對生產資源進行科學的保護，實現(xiàn)土地資源的合理配置，提高使用效率，從而為中國農業(yè)生態(tài)化發(fā)展提供有力的保障。

5 在農業(yè)機械中應用導航技術的未來發(fā)展建議

在開展農業(yè)生產時，需要面對相對復雜的生產環(huán)境，運用單一的導航技術還不足以實現(xiàn)農業(yè)生產的需要。針對農業(yè)用地較為平坦的導航作業(yè)時，衛(wèi)星導航技術能夠有效實現(xiàn)預期目標。但是對于山地環(huán)境的農業(yè)生產來說，衛(wèi)星導航的效果并不理想，無法偵測復雜的農業(yè)生產環(huán)境。因此，在開展山區(qū)農業(yè)生產過程中，為了能夠實現(xiàn)有效的導航工作，還應該將激光導航技術和衛(wèi)星導航技術結合，從而彌補衛(wèi)星導航技術的缺陷。綜上所述，應該綜合利用多種機械導航技術，從而為現(xiàn)代化農業(yè)生產提供有效保障。

6 結 語

經過以上分析表明，把農業(yè)機械導航技術運用于農業(yè)生產中，可以大大提高農業(yè)生產的質量與效益。目前的機械導航技術在通過了進一步改進試驗以后，已在實際農業(yè)生產領域中得到了相當普遍的應用，并且取得了預想中的效果。但是，考慮到實際農業(yè)生產環(huán)境相當復雜多變，因此也需要融合各種機械導航技術，并選擇更適合于當?shù)剞r業(yè)生產環(huán)境的機械導航方式，以便使機械導航技術能夠更加符合農業(yè)生產的需求。