智能駕駛技術在農業(yè)機械上的應用與發(fā)展趨勢

畢亞娟

(青岡縣農機綜合服務中心，黑龍江 青岡 151600)

0 引言

隨著我國農業(yè)由傳統(tǒng)的粗放型生產向著精細化作業(yè)模式轉變，農業(yè)生產中對農機的自動化和智能化提出了新的要求，在農業(yè)生產過程中，農業(yè)機械的精細化作業(yè)必須要以合理的行駛控制作為基礎。目前的農機駕駛主要依靠駕駛員操作，駕駛員在駕駛農機的過程中不僅要負責農機行駛，同時還要兼顧地表狀態(tài)、農作物生長情況、病蟲害情況等眾多信息，很難完全保證農業(yè)機械按照最合理的方式行駛。人工駕駛農機的行駛路線在直線性和位置偏差方面局不盡人意，在機械化耕作、播種、施肥、插秧等作業(yè)過程中很容易出現(xiàn)作業(yè)遺漏或重復作業(yè)等問題，導致生產質量的下降。近年來，自動駕駛技術在我國取得了快速的發(fā)展，部分技術已經在汽車駕駛方面進行了試驗與應用，而對于農業(yè)機械而言，也應積極結合現(xiàn)代化的駕駛技術對農機駕駛系統(tǒng)進行改造與升級，以此促進農機精細化作業(yè)程度的進一步提升。

1 農機智能駕駛的定義

智能駕駛是在人工智能技術的基礎上進行研究和發(fā)展的，其主要依靠自動控制技術、計算機技術、衛(wèi)星定位技術、通信技術等進行實施。農業(yè)機械智能駕駛技術是農業(yè)機器人技術研究的一個分支，農業(yè)機械在田間行駛過程中能夠以衛(wèi)星定位、視覺技術、傳感器技術等獲取生產環(huán)境的相關信息，并模擬成為類似于人類的感知系統(tǒng)，結合計算機人工智能技術對行駛方式進行智能判斷，再利用自動控制技術控制農機的行駛速度和轉向、剎車等操作，從而有效替代人工駕駛，并使駕駛邏輯更為科學。智能駕駛技術的實施，主要依靠農機行駛主體、視覺識別系統(tǒng)、GPS系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)、邏輯計算系統(tǒng)等幾大部分來配合實現(xiàn)，如圖1所示。

圖1 農機自動駕駛技術的組成

2 農機智能駕駛技術研究情況

我國對于農業(yè)機械的自動導航駕駛技術的研究起步于20世紀90年代，主要的研究是借鑒美國和日本等發(fā)達國家的相關機械技術，其主體自動駕駛技術的思路是以農機導航技術控制農業(yè)機械的自動行駛，但農機駕駛技術的快速發(fā)展主要集中于2009年以后，隨著我國的農業(yè)機械技術得到快速發(fā)展，很多先進的其他學科紛紛加入到農業(yè)機械的功能研究之中，使農業(yè)機械在自動化程度上得到了顯著提升，在自動駕駛方面，國內學者以農機技術為基礎進行了大量的研究和產品開發(fā)工作。張智剛等[1]開發(fā)了基于 DGPS 和電子羅盤的導航控制系統(tǒng)使農機行駛的控制誤差得到明顯優(yōu)化；羅錫文等[2]設計的 DGPS 自動導航控制系統(tǒng)實現(xiàn)了拖拉機直線行駛作業(yè)最大誤差小于 0.15 m；偉利國等[3]將RTK-GPS應用到水稻自動化插秧設備的研究中，使水稻插秧機對行行駛效果顯著提升；劉卉等[4]設計了基于GPS的農機作業(yè)重漏程度評估方法，并在小麥收獲、施肥等作業(yè)中進行試驗，有效提高了農機作業(yè)評估質量。

3 智能駕駛技術在農機中的應用

3.1 線路規(guī)劃與行駛路線檢測

隨著GPS定位技術在先進的農業(yè)機械中進行應用，以大馬力拖拉機、聯(lián)合收獲機等為代表的先進農機產品都配備了衛(wèi)星定位終端(圖2)，先進定位技術在農業(yè)機械上的配套使現(xiàn)階段的農機駕駛和管理工作得到了顯著提升。一方面，盡管現(xiàn)階段很多農業(yè)機械還不能實現(xiàn)徹底的自動化駕駛要求，但是在智能軟件的配套下，農機駕駛員可以根據(jù)衛(wèi)星定位的功能利用軟件生成最合理的行駛路線，并在農機行駛過程中利用定位和導航技術實時監(jiān)控，及時提醒和糾正行駛偏差問題，保證農機作業(yè)的合理性；另一方面農機管理部門對于農機深松、免耕播種等作業(yè)能夠利用農機的定位和信息技術等功能實現(xiàn)作業(yè)面積自動評估，有利于補貼資金的合理化發(fā)放。

圖2 北斗衛(wèi)星定位終端

3.2 農機的自動行駛和自動作業(yè)

近年來，農業(yè)機械的自動駕駛和智能作業(yè)技術發(fā)展較快，以中國科學院、中國農業(yè)科學院為代表的科研團隊在我國很多地區(qū)建立了無人智能農場示范點，以農機智能駕駛技術為基礎，基本上能實現(xiàn)農業(yè)生產各個過程的全自動化作業(yè)。農業(yè)機械通過先進的定位、視覺、傳感器等技術實現(xiàn)環(huán)境感知、路徑規(guī)劃，并按照設計好的程序執(zhí)行相應的農機作業(yè)任務。現(xiàn)階段的智能駕駛技術在農機自動化作業(yè)上的應用功能包括：農業(yè)機械自動化耕整地、農業(yè)機械自動化播種、農業(yè)機械自動植保、農業(yè)機械自動收割等。只是這些先進的智能駕駛和作業(yè)技術在我國還沒有達到普及和應用的能力，而在美國、日本等發(fā)達國家已經逐步實現(xiàn)了農場智能化作業(yè)。

3.3 農業(yè)機器人技術的應用

現(xiàn)階段我國對農業(yè)機器人技術已經進行了大量的研究，而農業(yè)機器人的應用卻主要集中于歐美、日本等發(fā)達國家，例如美國農機企業(yè)已經有相關的機器人產品在市場銷售和應用，Aboundant Robotics是一款蘋果采摘機器人(圖3)，能夠實現(xiàn)在不破壞蘋果樹和蘋果的前提下達到平均每秒采摘一個蘋果的工作效率。

圖3 Aboundant Robotics水果采摘機器人

4 智能駕駛技術的應用難點

4.1 智能駕駛的環(huán)境條件不具備

我國的農業(yè)生產基礎設施建設相對不足，對于智能駕駛的農業(yè)機械，作業(yè)質量與農田環(huán)境關系很大，一方面，我國農田環(huán)境復雜，耕地存在地形不規(guī)整、地勢不平、田間障礙物多等很多不利因素；另一方面智能駕駛的農機作業(yè)需要依靠網絡、衛(wèi)星定位等多重技術，而農田作業(yè)常存在網絡信號不良或無信號、衛(wèi)星定位精度不高等問題。以上兩方面原因造成了農機自動駕駛應用中行駛路線不準確，需頻繁避障，不良路況農機易損壞等問題。

4.2 對智能農機的管理能力不足

盡管智能農機實現(xiàn)了無人化作業(yè)，但智能農機的日常使用對于保養(yǎng)維護的要求更高。而對于我國農民而言，對于智能農機的管理能力明顯不足，表現(xiàn)在以下幾方面，一是對智能農機的日常調校能力不足，智能農機不僅需要機械部件的維護調整，還需要對作業(yè)方案與控制系統(tǒng)進行維護調整，我國農民在此方面的能力嚴重缺失，單純依靠售后服務技術維修不利于實現(xiàn)農機的長久高效使用；另一方面，智能農機結構與技術更為復雜，農民的維護保養(yǎng)能力不足，定期保養(yǎng)意識欠缺，都不利于智能農機技術的應用。

4.3 對智能農機購買能力不足

盡管近年來我國農民的經濟能力明顯提升，但是對于先進農機的購置能力仍然明顯不足，而對于智能農機而言，其生產成本進一步提高，導致其銷售價格也大幅增長，單就自能駕駛農機而言，由于具備了自動駕駛技術，大量先進電控元件的應用不僅提高了其售價，也導致其在日常使用過程的成本上升。一方面，為更好的保護智能農機，農民需要為其提供合適的庫棚存放，并為其智能行駛作業(yè)提供更高的維護費用；另一方面，自動駕駛農機的定期保養(yǎng)主要依靠上門服務，導致服務收費相應增加?？傮w而言，智能農機的推廣需要我國農民具備更強的經濟實力。

5 我國農機智能駕駛技術發(fā)展趨勢

5.1 在逐步應用的過程中實現(xiàn)發(fā)展

一方面我國很多先進的智能駕駛技術和相關輔助的學科技術已經具備了相應的智能農機開發(fā)能力，另一方面國內農村地區(qū)的農業(yè)機械購置、應用條件和農機市場還不能完全滿足具有智能駕駛技術農機產品的大規(guī)模應用，因此農業(yè)機械的智能駕駛技術應在技術研究過程中逐步進行應用推廣，例如將智能輔助駕駛技術、自動作業(yè)技術與人工駕駛形式相配合進行推廣，一方面提高農業(yè)機械現(xiàn)階段的作業(yè)合理性，另一方面使農機的智能駕駛技術逐漸被農民所接受，有利于全智能化駕駛的農機產品在未來的順利推廣。

5.2 在條件適宜地區(qū)加強智能駕駛技術的應用

實際上，國內很多關于智能駕駛技術的研究已經基本上達到了應用的條件，因此在地理條件良好、配套設施齊備的農場和現(xiàn)代化大棚等農業(yè)生產環(huán)境，可逐步推廣具有智能駕駛技術的農機產品，只有將智能駕駛技術逐步推入市場，才能在農業(yè)生產實踐中實現(xiàn)該技術的優(yōu)化和提升，也更有利于智能駕駛技術與我國農業(yè)生產實際相結合，幫助其實現(xiàn)更合理的發(fā)展與快速應用。

5.3 功能研究與基礎設施建設同步發(fā)展

智能駕駛農機應用的一個先決條件就是農村地區(qū)的基礎設施建設要能滿足智能農機作業(yè)的需求，這就要求農業(yè)生產條件逐漸向有利于智能農機應用的方向轉變，例如為智能駕駛農機建設田間道路、GPS基站、通訊設施等，以便于在農機智能駕駛技術產品逐漸成熟的同時，農村的生產條件也能很好的對新農機產品的應用提供平臺，確保先進農機真正得到快速應用。

6 結語

隨著我國科學技術的快速發(fā)展，自動駕駛技術也將很快在農業(yè)機械上得到應用，而人工智能與自動駕駛技術的深度融合將進一步提高農業(yè)機械作業(yè)的科學性和便捷性，也將是農機產品技術升級的主要方向之一，智能駕駛技術的應用需要在科技、農村管理、農田建設、農民認識等很多方面進行努力和提升，以此確保農業(yè)機械技術得到快速科學的應用和發(fā)展。

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