基于導(dǎo)航平臺的無人農(nóng)場關(guān)鍵技術(shù)分析

張居正，王 意，謝東升，俞金金，韓連杰

（揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州225127）

0 引言

在農(nóng)業(yè)勞動力大量轉(zhuǎn)移的情況下,全國農(nóng)作物耕種收綜合機(jī)械化率由2003年的33.5%提高到2019年的70%，農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平達(dá)到了一定的高度，無人農(nóng)場應(yīng)運(yùn)而生。無人農(nóng)場是指勞動力不進(jìn)入現(xiàn)場的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件下，利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、機(jī)器人的人工智能、5G等新一代信息技術(shù)，通過對農(nóng)用設(shè)施、設(shè)備進(jìn)行改造，機(jī)械的遠(yuǎn)程控制或智能設(shè)備與機(jī)器人自主決策、自主操作，完成所有農(nóng)場生產(chǎn)經(jīng)營任務(wù)的一種無人全天候、全過程、全空間的生產(chǎn)作業(yè)模式[1]。伴隨著我國的科技發(fā)展，農(nóng)具的轉(zhuǎn)型升級成了必然趨勢。近年來，我國的農(nóng)場已使用了許多類型的農(nóng)業(yè)機(jī)械，例如，鏵式犁、旋耕機(jī)、圓盤耙、深耕機(jī)、播種機(jī)、聯(lián)合收割機(jī)、噴霧器以及秸稈破碎還田機(jī)等。這些農(nóng)機(jī)具功能單一，以稻麥耕播階段為例，一般要使用施肥旋耕機(jī)、鎮(zhèn)壓機(jī)、開溝機(jī)和噴桿噴藥機(jī)組合使用，拖拉機(jī)下地多次，大大影響了作業(yè)時長，不利于爭奪農(nóng)時，嚴(yán)重影響下茬作物的生長。導(dǎo)航無人駕駛技術(shù)作為無人農(nóng)場智能農(nóng)業(yè)裝備的核心技術(shù)，在我國農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用多傳感器組合定位技術(shù)的研究很少，但在工業(yè)、航空、智能交通等領(lǐng)域的相關(guān)研究已達(dá)到較高水平[2]。將智能化技術(shù)與現(xiàn)代農(nóng)機(jī)具相結(jié)合成為目前無人農(nóng)場發(fā)展的關(guān)鍵。本文主要介紹基于導(dǎo)航的無人駕駛技術(shù)、農(nóng)機(jī)具升降起停關(guān)鍵技術(shù)和復(fù)式作業(yè)技術(shù)。

1 基于導(dǎo)航的無人駕駛技術(shù)

目前，在除美國GPS、伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（EU）和俄羅斯全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System）以外的所有定位系統(tǒng)中，我國自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已成為世界主流定位系統(tǒng)之一，我國農(nóng)業(yè)中許多關(guān)鍵技術(shù)就由北斗和GPS提供技術(shù)支持。

1.1 單點(diǎn)定位

單點(diǎn)定位是根據(jù)接收機(jī)的觀測數(shù)據(jù)確定接收機(jī)位置的一種方法。它只能采用偽距觀測量，可用于一般的車輛和船舶導(dǎo)航定位，也稱為“絕對定位”。定位結(jié)果通過衛(wèi)星信號傳送給用戶，而用戶則需要利用手中的GNSS接收機(jī)接收并解算得到結(jié)果。定位誤差在10 m內(nèi)。在接收過程當(dāng)中，可能存在與傳播路徑、接收設(shè)備和衛(wèi)星有關(guān)的錯誤。利用差分技術(shù)，可以完全消除第一類誤差和第二類誤差[3]。

1.2 差分定位

利用差分原理（DGNSS），可在參考站上安裝GNSS接收器以進(jìn)行觀測。從基站到衛(wèi)星的距離校正可以從基站已知的精確坐標(biāo)計(jì)算出來，基站將實(shí)時傳輸這些數(shù)據(jù)。用戶接收機(jī)將同時進(jìn)行GNSS觀測并接收基站發(fā)送的校正數(shù)據(jù)，用于校正定位結(jié)果，從而進(jìn)一步提高定位精度。定位誤差在250 cm以內(nèi)。采用實(shí)時動態(tài)控制（RTK）技術(shù)，誤差可控制在10 mm以內(nèi)。

1.3 角度傳感器

農(nóng)業(yè)機(jī)械導(dǎo)航自動驅(qū)動系統(tǒng)需要了解轉(zhuǎn)角狀態(tài)。目前常用的角度傳感器有機(jī)械式和非接觸式兩種[4]。

機(jī)械式角度傳感器目前應(yīng)用較為廣泛，主要由霍爾傳感器及機(jī)械部件與數(shù)據(jù)接口組成，目前角度傳感器的安裝主要有平行四邊形與同軸式兩種，一般電機(jī)式的北斗導(dǎo)航農(nóng)機(jī)自動駕駛儀主要安裝在自走式的農(nóng)機(jī)上，為了增加農(nóng)機(jī)的適應(yīng)性，以平行四邊形的角度傳感器應(yīng)用更為普遍，但這種傳感器對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的空間提出了一定的要求，主要是平行四邊形機(jī)構(gòu)與車輪及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)容易發(fā)生空間上的干涉，實(shí)際安裝時需要不斷調(diào)試。對中要求高、適應(yīng)性差也是同軸式的傳感器仍然面臨的問題。由于機(jī)械式角度傳感器的信號來源均為與車輪轉(zhuǎn)軸的剛性連接，一旦發(fā)生磕碰或拆卸等狀況造成傳感器部件與初始標(biāo)定狀態(tài)不一致，角度傳感器均需要進(jìn)行重新校正和標(biāo)定。機(jī)械式角度傳感器可以滿足自動駕駛系統(tǒng)對于車輪轉(zhuǎn)角的測量要求，但是存在穩(wěn)定性差且易受外界干擾的問題。

非接觸式角度傳感器由MEMS陀螺儀作為主要元件。陀螺儀作為一種對角速率敏感的慣性器件，具有穩(wěn)定性好、磁干擾小、靈敏度高等特點(diǎn)，在性能上呈現(xiàn)出多樣化和穩(wěn)步提高的趨勢。從而為解決傳統(tǒng)角度傳感器在角度測量中存在的缺陷開辟了一條有效、可靠的途徑[5]。在安裝方面，非接觸角傳感器沒有拉桿結(jié)構(gòu)，易于安裝。系統(tǒng)利用卡爾曼濾波器融合單軸陀螺測量的角速度數(shù)據(jù)和運(yùn)動學(xué)模型計(jì)算的角度數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)動角度和轉(zhuǎn)動角速度的跟蹤。由于傳感器與車輪轉(zhuǎn)角只有角速度跟蹤而無絕對的數(shù)值對應(yīng)關(guān)系，因此非接觸式角度傳感器一般安裝后無需調(diào)試校正。陀螺儀角度傳感器的運(yùn)用，極大的提高了車輛前輪轉(zhuǎn)角測量的精確性和穩(wěn)定性，有效地克服了使用傳統(tǒng)角度傳感器進(jìn)行轉(zhuǎn)角測量時的缺陷，為農(nóng)機(jī)自動駕駛系統(tǒng)在多種環(huán)境下的普及使用奠定了基礎(chǔ)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

2 農(nóng)機(jī)具升降起停關(guān)鍵技術(shù)

拖拉機(jī)是農(nóng)田作業(yè)單元的動力源，了解拖拉機(jī)各部件之間的聯(lián)動關(guān)系對正確支撐農(nóng)業(yè)機(jī)械、發(fā)揮單元潛力非常重要，與拖拉機(jī)性能有著直接的關(guān)系，液壓懸掛系統(tǒng)、液壓輸出系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)、機(jī)械連接件、動力輸出系統(tǒng)、配重系統(tǒng)等[6]。

2.1 液壓懸掛系統(tǒng)

懸掛機(jī)構(gòu)是連接拖拉機(jī)和農(nóng)具的連桿機(jī)構(gòu)，是用液壓動力來提升農(nóng)具，主要由拉桿、提升桿、拉桿和限位桿組成[7]。液壓懸掛系統(tǒng)在使用中需滿足一定的要求。在使用諸如犁和耙子之類的工具時，限位桿應(yīng)確保一定程度的運(yùn)動距離。限位桿的移動量必須根據(jù)農(nóng)具的作業(yè)形式進(jìn)行選擇，以確保拖拉機(jī)具有良好的機(jī)動性與可操作性；使用旋耕機(jī)和割草機(jī)時，限位桿應(yīng)保持固定。

2.2 液壓輸出系統(tǒng)

拖拉機(jī)液壓輸出系統(tǒng)是為支撐農(nóng)業(yè)機(jī)械的液壓缸和其他壓力源而設(shè)計(jì)的裝置，它把拖拉機(jī)液壓系統(tǒng)的壓力油轉(zhuǎn)移到農(nóng)業(yè)機(jī)械的液壓缸或液壓馬達(dá)上。是用以驅(qū)動農(nóng)機(jī)具作業(yè)的工作部件。根據(jù)作業(yè)的需要，有的拖拉機(jī)僅用1組液壓輸出裝置操縱農(nóng)具，有的拖拉機(jī)特別是大型拖拉機(jī)則設(shè)有2～3組液壓輸出裝置。液壓輸出裝置由液壓輸出閥和快換接頭兩部分組成。兩者可做成一體，也可分成獨(dú)立的兩部分，彼此用油管相連。

2.3 機(jī)械連接件

連接拖拉機(jī)與農(nóng)具的主要部件由機(jī)械連接件構(gòu)成，其中包含拖掛裝置和牽引裝置，二者之間主要不同點(diǎn)在于，牽引裝置只能承受來自水平方向的載荷，而拖掛裝置則可同時承受來自水平方向載荷以及垂直方向的載荷。

2.4 動力輸出系統(tǒng)

一些農(nóng)具需要拖拉機(jī)動力才能通過輸出設(shè)備提供專用電源，該輸出設(shè)備可以配備獨(dú)立的同步雙速或單速功率輸出。一個獨(dú)立的動力輸出系統(tǒng)不需要改變變速箱的速度。同步功率輸出系統(tǒng)與變速箱的速度成比例。專用手柄可以切換兩種形式。根據(jù)不同的用戶需求，動力輸出速度可以分為540、720、800、1 000 r/min，其中一種或兩種組合，使用特殊的專用手柄或更換軸頭可以實(shí)現(xiàn)速度切換，說明書中提供了特定方法以供參考。根據(jù)國標(biāo)，當(dāng)動力輸出軸轉(zhuǎn)速為540 r/min時，機(jī)器動力輸出軸的功率高于最大傳動功率，因此軸傳遞的功率不是發(fā)動機(jī)的全功率。因此，使用時必須減小發(fā)動機(jī)油門[8]。

2.5 配重系統(tǒng)

拖拉機(jī)在正常使用過程中不需要進(jìn)行負(fù)載平衡即可工作分配，對一些負(fù)載較大的拖拉機(jī)進(jìn)行牽引或運(yùn)輸工作時，拖拉機(jī)通常會出現(xiàn)前輕后重的不穩(wěn)定狀態(tài)，此時往往需要安裝在拖拉機(jī)上才能實(shí)現(xiàn)整體平衡，而這種情況在拖拉機(jī)上很常見拖拉機(jī)工作時，需要在車架重量上安裝配重等工作條件。配重系統(tǒng)能更好地發(fā)揮拖拉機(jī)和農(nóng)具的驅(qū)動力，并能根據(jù)不同的農(nóng)具和工況增減零件。配重不當(dāng)會對拖拉機(jī)產(chǎn)生負(fù)面影響，如配重過少會導(dǎo)致輪胎打滑、動力損失、輪胎磨損、油耗增加、生產(chǎn)率降低；超載運(yùn)行、傳動系壽命縮短、動力損失、輪胎加速磨損、土壤壓實(shí)等，燃油消耗增加和生產(chǎn)率降低是配重過大的主要原因。

3 復(fù)式作業(yè)技術(shù)

如今，我國農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，農(nóng)業(yè)機(jī)械化也進(jìn)一步普及，但稻米，小麥，玉米等農(nóng)作物秸稈的有效利用率卻急劇下降。有無數(shù)被廢棄或焚燒的廢棄秸稈,污染了環(huán)境，造成資源浪費(fèi),對人們的生活和交通安全都造成了負(fù)面影響,而尋找農(nóng)作物秸稈的出路成為了當(dāng)下急需解決的問題之一。目前，我國使用的整地機(jī)械為單驅(qū)動圓盤犁、鏵犁和旋耕機(jī)，作業(yè)程序單一，無秸稈掩埋功能，作業(yè)效率低，作業(yè)成本高，田間拖拉機(jī)多，易使土壤硬化，從而直接影響農(nóng)民的耕作效益[9]。同時，播速播深播量調(diào)節(jié)、復(fù)式作業(yè)等一系列技術(shù)措施，高質(zhì)量施行于各個播種環(huán)節(jié)，才能實(shí)現(xiàn)耕播環(huán)節(jié)的精準(zhǔn)、高效。

3.1 秸稈深埋技術(shù)

我國對旋耕滅茬機(jī)的研究起步較晚。目前，我國經(jīng)過半個多世紀(jì)的研發(fā)、生產(chǎn)、制造，形成了集研發(fā)、設(shè)計(jì)、制造、促銷、售后服務(wù)為一體的成熟產(chǎn)業(yè)鏈。中國有100多家旋耕機(jī)生產(chǎn)企業(yè)，年產(chǎn)量超過50萬臺[10]。目前，國內(nèi)的旋耕機(jī)大多采用單軸旋耕技術(shù)。由于單軸旋耕機(jī)轉(zhuǎn)速低、旋耕深度小，受旋耕機(jī)回轉(zhuǎn)半徑和功率消耗的限制，秸稈不能被粉碎和深埋。耕作深度不能將大量前茬秸稈掩埋在土壤中，導(dǎo)致耕作層中秸稈與土壤的比例高，表層土壤與草類的比例失調(diào)，懸空土壤，影響種子發(fā)芽和生長，從而導(dǎo)致產(chǎn)量下降和其他問題，這對于后續(xù)種植增加了極大的困難。旋耕機(jī)械以寬幅、高效、深松、水氣一體化、機(jī)械電子化、自動化、可持續(xù)發(fā)展為方向是適應(yīng)旋耕地的需求。當(dāng)前，隨著中國水稻種植面積的增加和集約化大規(guī)模生產(chǎn)的發(fā)展，有必要研究更廣泛的旋耕機(jī)械。同時，為了加厚土壤成熟熱層，提高土壤透氣性，增加持水能力，滿足馬鈴薯和根莖類作物深耕的要求，還必須加快發(fā)展深耕旋耕機(jī)[11]。如今溫室大棚技術(shù)已經(jīng)成熟并被普遍投入使用,室內(nèi)作業(yè)微型高效旋耕機(jī)的研發(fā)成為了一大研究熱點(diǎn)。此外，旋耕機(jī)應(yīng)該結(jié)合新技術(shù)，向智能化定位控制作業(yè)邁進(jìn)。

3.2 種子定位控深勻播技術(shù)

隨著國外中耕作物精量播種的普及，其排種器產(chǎn)生了機(jī)械式與氣力式兩個分類。由于機(jī)械式對種子的形狀和大小有著嚴(yán)格的要求，逐漸被氣動式所取代[12]。螺旋槽輪式播種的應(yīng)用可提高播種均勻性。同時，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展，使智能化農(nóng)機(jī)裝備研制速度加快，在播種機(jī)上安裝變量施肥播種設(shè)備，有效提高產(chǎn)量，并且減少化肥用量。傳統(tǒng)的播種機(jī)排種器以排種管為導(dǎo)向，在排種過程中碰撞種子落到地面和排種管，并對其軌跡進(jìn)行控制，產(chǎn)生種子質(zhì)量差、種子分布不均、破損、出苗等問題，將這種傳統(tǒng)播種方式轉(zhuǎn)變?yōu)楦叨瓤烧{(diào)的智能播種方式已逐漸成為研究方向[13]。在拖拉機(jī)運(yùn)行時，可以根據(jù)行進(jìn)速度調(diào)節(jié)播種速度，并將播種記錄傳輸?shù)娇刂贫?，記錄播種信息，生成播量速度曲線，為后續(xù)田間大數(shù)據(jù)管理提供決策信息。

3.3 模塊化的高度復(fù)式作業(yè)技術(shù)

我國人均耕地?cái)?shù)量少，主要以提高單位面積生產(chǎn)能力來保障糧食供給，近年來，隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，拖拉機(jī)單機(jī)動力級別正在快速提高，各農(nóng)機(jī)合作社都在發(fā)展高效、聯(lián)合作業(yè)技術(shù)。市場要求農(nóng)業(yè)機(jī)械大型化、多功能化，作業(yè)速度提高，輔助工作時間減少，機(jī)具的操作和調(diào)控實(shí)現(xiàn)智能化和自動化，從而提高機(jī)組的作業(yè)效率，這正是農(nóng)業(yè)機(jī)械今后的發(fā)展趨勢。農(nóng)業(yè)機(jī)械化新技術(shù)、新設(shè)備的推廣應(yīng)用，可以促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率的有效提高。依據(jù)農(nóng)作物的秸稈還田與耕整地技術(shù)的特點(diǎn)進(jìn)行分析,復(fù)式作業(yè)機(jī)技術(shù)的模塊化技術(shù)是將上述裝置通過模塊化組裝在一起,從而達(dá)到對結(jié)構(gòu)與性能的優(yōu)化,提高性能,一次完成多道工序作業(yè),提高了整機(jī)的有效技術(shù)含量[14]。

4 結(jié)語

現(xiàn)如今，科技迅猛發(fā)展，智能化農(nóng)機(jī)也進(jìn)入大眾關(guān)注的視線中。我國對智能農(nóng)業(yè)機(jī)械的研究還處在起步階段，與發(fā)達(dá)國家相比仍有不小的差距。然而近幾年，在北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的加持下，在國家政策的鼓勵下，越來越多的人投身現(xiàn)代農(nóng)機(jī)具的研發(fā)工作中。向全國推廣智能農(nóng)業(yè)機(jī)械將彌補(bǔ)1.78億的農(nóng)業(yè)勞動缺口，同時釋放大量的農(nóng)村勞動力，催生出新的產(chǎn)業(yè)用工結(jié)構(gòu)優(yōu)化。