我國(guó)農(nóng)田平地機(jī)研究進(jìn)展及展望

段鑫 段佳 張海

摘 要 我國(guó)高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)對(duì)土地的平整度提出了較高要求。對(duì)農(nóng)田土地進(jìn)行平整，有利于改善農(nóng)田表面狀況，提高灌溉水和化肥的利用率，進(jìn)而促進(jìn)農(nóng)作物產(chǎn)量提高。農(nóng)田平地機(jī)用于農(nóng)田平整作業(yè)，也可用于修筑梯田、平整道路和場(chǎng)地等作業(yè)。目前，自動(dòng)化程度較高的農(nóng)田平地機(jī)主要包括激光農(nóng)田平地機(jī)和基于GPS/GNSS控制的農(nóng)田平地機(jī)。對(duì)激光農(nóng)田平地機(jī)和基于GPS/GNSS控制的農(nóng)田平地機(jī)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，介紹兩類農(nóng)田平地機(jī)的主要結(jié)構(gòu)，比較分析各自的優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用效果，并展望農(nóng)田平地機(jī)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞 農(nóng)田平地機(jī);激光控制;GPS/GNSS控制;土地平整

中圖分類號(hào)：S233.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：C DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2022.15.056

高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)在我國(guó)越來(lái)越受到重視，國(guó)務(wù)院辦公廳分別于2019年11月、2021年9月公布了關(guān)于我國(guó)高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)的規(guī)劃性文件。文件指出，到2030年，我國(guó)要建成12億畝高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田[1]。土地平整、集中連片是高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)的最基本要求，農(nóng)田平地機(jī)為促使農(nóng)田達(dá)到這一基本要求提供了有力保障。

1 ?農(nóng)田平地機(jī)簡(jiǎn)介

平整土地是實(shí)現(xiàn)精細(xì)農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)。農(nóng)田平地機(jī)主要包括推土機(jī)、激光農(nóng)田平地機(jī)及基于GPS/GNSS控制的農(nóng)田平地機(jī)。推土機(jī)通常用于平整度較差的農(nóng)田粗平整，平整精度較差。激光農(nóng)田平地機(jī)主要由激光發(fā)射器、激光接收器、控制箱、液壓機(jī)構(gòu)、刮土鏟等組成[2]。激光農(nóng)田平地機(jī)工作時(shí)，激光發(fā)射器發(fā)射出旋轉(zhuǎn)激光束，該旋轉(zhuǎn)激光束形成水平的激光平面，作為平地作業(yè)時(shí)的基準(zhǔn)平面;激光接收器安裝在刮土鏟的伸縮桿上，當(dāng)其檢測(cè)到激光信號(hào)后，將信號(hào)進(jìn)行處理并發(fā)送到控制器;控制器接收到信號(hào)后，控制液壓機(jī)構(gòu)，達(dá)到調(diào)整刮土鏟高度的目的，從而實(shí)現(xiàn)高精度平整土地?；贕PS/GNSS控制的農(nóng)田平地機(jī)主要由GPS或GNSS接收器、計(jì)算機(jī)、控制系統(tǒng)和平地鏟組成。這類平地機(jī)工作時(shí)，通過(guò)GPS/GNSS接收器獲得當(dāng)前坐標(biāo)信息和高程信息，根據(jù)高程的數(shù)據(jù)信息判斷地勢(shì)高低，進(jìn)而控制平地鏟的升降進(jìn)行平地作業(yè)[3]。

本文將重點(diǎn)圍繞激光農(nóng)田平地機(jī)和基于GPS/GNSS控制的農(nóng)田平地機(jī)來(lái)闡述農(nóng)田平地機(jī)研究進(jìn)展。

2 ?農(nóng)田平地機(jī)研究現(xiàn)狀

2.1 ?激光農(nóng)田平地機(jī)

20世紀(jì)70年代，美國(guó)首先將激光技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)用平地機(jī)械，并取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。目前，該技術(shù)在許多國(guó)家的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中已得到廣泛應(yīng)用[4]。我國(guó)于20世紀(jì)80年代開(kāi)始引進(jìn)國(guó)外的激光平地技術(shù)后，致力于開(kāi)發(fā)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的激光平地機(jī)，已取得了一系列研究進(jìn)展。狄美良介紹了激光發(fā)射機(jī)、激光平地機(jī)、控制器的組成，詳細(xì)闡述了激光技術(shù)在農(nóng)田土地平整中的應(yīng)用[5]?？搽s等介紹了激光平地機(jī)研究應(yīng)用現(xiàn)狀，分析其在新疆的發(fā)展應(yīng)用前景，總結(jié)了激光平地機(jī)在新疆推廣應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)[4]。王建民等介紹了激光平地系統(tǒng)的工作原理、結(jié)構(gòu)組成、操作方法，并將激光平地機(jī)與普通平地機(jī)的作業(yè)情況進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明，與普通平地機(jī)相比，激光平地機(jī)能夠節(jié)省用水、降低費(fèi)用[6]。林建涵等研發(fā)了一套激光控制平地系統(tǒng)，明顯改善了農(nóng)田表面的平整情況，能夠顯著節(jié)約成本[7]。劉剛等開(kāi)發(fā)了用于農(nóng)田平地的激光接收與控制裝置、液壓調(diào)節(jié)裝置、平地鏟等，通過(guò)田間試驗(yàn)表明，所開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)工作性能良好[8]。張延林等分析了激光平地機(jī)在土地平整中的優(yōu)勢(shì)，對(duì)黃花農(nóng)場(chǎng)和花海農(nóng)場(chǎng)經(jīng)過(guò)激光平地儀平整后的平均節(jié)水率和節(jié)肥率進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)激光平地機(jī)對(duì)提高農(nóng)田灌溉水利用率、促進(jìn)農(nóng)業(yè)節(jié)水可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[9]。戴寧湘等針對(duì)激光發(fā)射平臺(tái)自動(dòng)調(diào)平控制系統(tǒng)展開(kāi)設(shè)計(jì)，使激光發(fā)射平臺(tái)能更精確地檢測(cè)數(shù)據(jù)，使農(nóng)田平地機(jī)作業(yè)更精確[10]。齊俊騰等設(shè)計(jì)了全電農(nóng)用激光平地機(jī)，經(jīng)田間試驗(yàn)表明：與傳統(tǒng)機(jī)型相比，所設(shè)計(jì)的激光平地機(jī)對(duì)土地平整的平整精度有較大提高[11]。胡煉等設(shè)計(jì)了一種懸掛式多輪支撐旱地激光平地機(jī)，該機(jī)通過(guò)拖拉機(jī)三點(diǎn)懸掛機(jī)構(gòu)浮動(dòng)功能與多輪支撐相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)激光控制平地作業(yè)[12]。近年來(lái)，我國(guó)學(xué)者研制了一批具有特定型號(hào)的激光農(nóng)田平地機(jī)。李騰等研制了12PJY-3A型液控智能激光平地機(jī)，先通過(guò)仿真結(jié)果不斷修正虛擬樣機(jī)，再試制樣機(jī)。通過(guò)樣機(jī)的田間試驗(yàn)，表明樣機(jī)的平整精度較高[13]。馮正睿介紹了12PQ-3.0型淺松式農(nóng)用激光平地機(jī)的設(shè)計(jì)研制過(guò)程，并闡述其基本機(jī)構(gòu)、工作原理和試驗(yàn)示范情況[14]。姚東偉等設(shè)計(jì)了具有農(nóng)田耕作標(biāo)準(zhǔn)化、精細(xì)化平整特點(diǎn)的JPD-360型旱地激光平地機(jī)，解決了適應(yīng)性差、作業(yè)抖動(dòng)造成信號(hào)中斷失準(zhǔn)等問(wèn)題，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和推廣價(jià)值[15]。

上述文獻(xiàn)的研究對(duì)象大都是針對(duì)旱地的激光平地機(jī)。研究發(fā)現(xiàn)，采用激光農(nóng)田平地機(jī)對(duì)水田進(jìn)行平整，同樣有利于農(nóng)作物的生長(zhǎng)，從而提高糧食產(chǎn)量[16]。針對(duì)水田激光平地機(jī)，陳嘉琪等設(shè)計(jì)了SD卡和Wi-Fi模塊相結(jié)合的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，使平地機(jī)在水田中的工作信息得以實(shí)時(shí)存儲(chǔ)和發(fā)送，方便調(diào)試人員分析平地機(jī)的實(shí)時(shí)工況[17]。涂海為提高平地機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)控制系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定性，建立了基于多體動(dòng)力學(xué)知識(shí)的平地機(jī)模型，分析了影響平地鏟工作的主、次要因素，并對(duì)水田平地機(jī)進(jìn)行了機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[18]。周浩設(shè)計(jì)了激光控制水田精準(zhǔn)平地打漿機(jī)及與之配套的高程調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、調(diào)平機(jī)構(gòu)、平地機(jī)構(gòu)、自動(dòng)控制系統(tǒng)和液壓控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)平地打漿機(jī)高程和調(diào)平的同步自動(dòng)控制[19]。

綜上所述，激光農(nóng)田平地機(jī)能夠同時(shí)適用于旱地和水田的土地平整，在高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)中具有顯著優(yōu)勢(shì)，已得到廣泛應(yīng)用。雖然激光農(nóng)田平地機(jī)具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但其在特殊天氣條件下（如大風(fēng)、強(qiáng)光等），激光發(fā)射器的工作性能會(huì)受到影響。此外，由于激光接收器接收信號(hào)時(shí)垂直范圍的測(cè)量有限，因此工作半徑適合面積較小、地勢(shì)起伏不大的農(nóng)田區(qū)域[3]。

2.2 ?基于GPS/GNSS控制的農(nóng)田平地機(jī)

與激光農(nóng)田平地機(jī)相比，基于GPS（Global Positioning System，全球定位系統(tǒng)）或GNSS（Global Navigation Satellite System，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)）控制的平地機(jī)受天氣等外界因素的影響較小，能實(shí)現(xiàn)全天候作業(yè)，適合大面積農(nóng)田的土地平整作業(yè)。

針對(duì)基于GPS控制的平地機(jī)，李赫獲取了農(nóng)田區(qū)域的GPS三維數(shù)據(jù)信息，對(duì)獲取的GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和誤差校正，對(duì)基于GPS平地的作業(yè)路徑進(jìn)行了規(guī)劃，并驗(yàn)證了路徑規(guī)劃方法的可行性[3]。劉寅等研發(fā)了GPS控制平地系統(tǒng)，采用高精度GPS接收機(jī)獲取農(nóng)田三維地形位置數(shù)據(jù)，并提出了高程測(cè)量數(shù)據(jù)誤差修正算法[20]。王新忠等對(duì)RTK差分GPS平地機(jī)作業(yè)質(zhì)量效果進(jìn)行了評(píng)估，結(jié)果表明，使用RTK差分GPS平地機(jī)進(jìn)行農(nóng)田平地作業(yè)，能夠滿足農(nóng)田平整精度要求[21]。隨后，王新忠等又針對(duì)GPS農(nóng)田平地機(jī)土方量及設(shè)計(jì)高程的計(jì)算，開(kāi)發(fā)了基于VB 6.0編程軟件的計(jì)算軟件，提高了平地作業(yè)效率[22]。

針對(duì)基于GNSS控制的平地機(jī)，王巖等提出了基于導(dǎo)航技術(shù)的GNSS平地作業(yè)路徑實(shí)時(shí)規(guī)劃與輔助決策方法，能夠較好地規(guī)劃實(shí)時(shí)路徑并提供導(dǎo)航方向，引導(dǎo)拖拉機(jī)進(jìn)行高效平地作業(yè)[23]。巫章鵬提出了一種新的平地鏟姿態(tài)調(diào)整方法，該方法可用于土地平整作業(yè)中實(shí)時(shí)調(diào)整GNSS精平機(jī)平地鏟姿態(tài)[24]。王少農(nóng)等研發(fā)了新型GNSS平地系統(tǒng)，進(jìn)行了平地作業(yè)試驗(yàn)研究，為基于GNSS的農(nóng)田平地系統(tǒng)的研發(fā)提供經(jīng)驗(yàn)與數(shù)據(jù)[25]。劉剛等結(jié)合農(nóng)田平整實(shí)際要求及作業(yè)經(jīng)驗(yàn)，在改進(jìn)系統(tǒng)硬件的基礎(chǔ)上，提出了一種基于GNSS農(nóng)田平整全局路徑規(guī)劃方法[26]。景云鵬等建立了牽引式農(nóng)田平地機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，提出了一種基于牽引式農(nóng)田平地機(jī)的導(dǎo)航側(cè)滑估計(jì)與自適應(yīng)控制方法，采用GNSS雙天線導(dǎo)航定位系統(tǒng)測(cè)量農(nóng)田平地機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)[27]。梁冉冉等研發(fā)了一套基于雙天線GNSS的精準(zhǔn)平地系統(tǒng)，能夠完成精準(zhǔn)平地軟件的調(diào)試和平地機(jī)精準(zhǔn)作業(yè)的監(jiān)測(cè)工作[28]。王婷婷等對(duì)GNSS精準(zhǔn)平地機(jī)的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，介紹了GNSS精準(zhǔn)平地機(jī)的組成，并指出以后該類平地機(jī)將使用多傳感器融合技術(shù)，提高系統(tǒng)的感知力，并朝著智能化方向發(fā)展[29]。

總之，基于GPS/GNSS控制的農(nóng)田平地機(jī)不受氣候條件限制，土地平整精度高，在未來(lái)具有巨大的應(yīng)用潛力。此外，隨著我國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的不斷完善，為推進(jìn)基于GPS/GNSS控制的農(nóng)田平地機(jī)的應(yīng)用提供了重要保障。目前，基于GPS/GNSS控制的農(nóng)田平地機(jī)還處于不斷探索階段，后期仍需要繼續(xù)投入人力、物力、財(cái)力到該類平地機(jī)的研究中，以期獲得精確、高效的產(chǎn)品。

3 ?農(nóng)田平地機(jī)發(fā)展趨勢(shì)

通過(guò)綜述我國(guó)農(nóng)田平地機(jī)研究現(xiàn)狀，比較分析現(xiàn)有農(nóng)田平地機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)，展望農(nóng)田平地機(jī)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，應(yīng)具有智能化、集成化、多樣化等特點(diǎn)。

1）智能化。根據(jù)目前農(nóng)機(jī)行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)可知，農(nóng)田平地機(jī)也同樣朝著智能化方向發(fā)展。未來(lái)若將先進(jìn)的人工智能技術(shù)和優(yōu)化算法應(yīng)用于農(nóng)田平地機(jī)，將進(jìn)一步提高農(nóng)田土地的平整精度，從而促進(jìn)農(nóng)作物產(chǎn)量提升。而且隨著人工智能技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，農(nóng)田平地機(jī)將逐步實(shí)現(xiàn)無(wú)人化作業(yè)，可以減少人類的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約人工成本。

2）集成化。隨著科技的不斷進(jìn)步，“一機(jī)多用”正在成為可能，并得到快速推廣。未來(lái)農(nóng)田平地機(jī)在發(fā)揮土地平整作用的同時(shí)，可以集成松土、土壤壓實(shí)、噴灌等功能，從而節(jié)約時(shí)間成本和人工成本。

3）多樣化。我國(guó)地形多樣，要推動(dòng)精細(xì)化農(nóng)業(yè)在我國(guó)不同地區(qū)的發(fā)展，應(yīng)結(jié)合不同地區(qū)的地形結(jié)構(gòu)和土地平整要求，開(kāi)發(fā)相應(yīng)的多樣化農(nóng)田平地機(jī)產(chǎn)品。

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（責(zé)任編輯：易 ?婧）