農(nóng)業(yè)機械自動導航技術研究

王善飛

（阿爾山市農(nóng)牧技術推廣中心，內蒙古 阿爾山 137800）

0 引言

隨著科學技術的不斷發(fā)展，我國農(nóng)業(yè)機械正朝著自動化、數(shù)字化、智能化等方向發(fā)展，以最大限度地提高農(nóng)業(yè)機械設備作業(yè)質量和生產(chǎn)效率，降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，為實現(xiàn)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)興旺奠定堅實基礎。在此背景下，越來越多的專家學者將農(nóng)業(yè)機械自動導航技術引入農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程，并憑借優(yōu)化作業(yè)方式、提升作業(yè)效率、降低農(nóng)民勞動強度等諸多優(yōu)勢，使農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)向著更加智能化、精確化的方向發(fā)展，為人們的生產(chǎn)生活服務，從而促進我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)飛速發(fā)展。在此背景下，對農(nóng)業(yè)機械自動導航技術的探討和研究具有重要的理論意義和現(xiàn)實價值。

1 自動導航技術概述

自動導航技術是由計算機網(wǎng)絡技術、電子信息與通信技術、控制技術等諸多學科系統(tǒng)集成的一項綜合技術類別，在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、工業(yè)中的應用范圍越來越廣闊，已然成為當代農(nóng)業(yè)機械設備智能化發(fā)展的重要技術支撐。目前，自動導航技術在土地整理、農(nóng)業(yè)播種、農(nóng)業(yè)植物保護及農(nóng)產(chǎn)品采摘收割等方面應用廣泛。

2 農(nóng)機自動導航系統(tǒng)的典型結構

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的自動導航控制系統(tǒng)主要是利用農(nóng)業(yè)機械自身攜帶的傳感器感知周圍環(huán)境和車體的信息，通過對獲取信息處理并進行導航?jīng)Q策和控制，從而完成相應的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)任務。其中，農(nóng)機自動導航技術主要包括環(huán)境感知技術、導航控制技術和地圖構建技術?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)自動導航控制系統(tǒng)主要包括檢測單元、控制單元、執(zhí)行單元和監(jiān)控單元4部分，其架構如圖1所示。

圖1 農(nóng)機自動導航系統(tǒng)架構

在農(nóng)機自動導航系統(tǒng)的應用中，檢測單元主要負責檢查農(nóng)業(yè)機械設備當前位置和預期設定的具體坐標值之間的差異，由位姿傳感器、車輪轉角傳感器等傳感設備獲取相關速度信息和坐標信息，用于測量當前農(nóng)業(yè)機械設備的具體坐標值、航角角度、俯仰值等參數(shù)信息，測量機械設備在作業(yè)過程中姿態(tài)角、速度等參數(shù)的變化，測量農(nóng)機設備的運轉速度、運轉角度和前進方向。其中，車輪轉角傳感器主要是為了測量農(nóng)業(yè)機械設備在轉載位置調轉時的車輪轉向角度信息，用于控制車輪的回路反饋。

控制單元是農(nóng)機自動導航系統(tǒng)的核心部分，主要負責農(nóng)業(yè)機械設備的種植路徑規(guī)劃及跟蹤控制。控制單元能通過位置參數(shù)提取和計算得到具體的轉向角、偏差值等參數(shù)，通過轉向角指令獲得相應的前進方向和參數(shù)設置。轉向控制器能按照轉向控制量中的頻率參數(shù)、電壓參數(shù)等實現(xiàn)機械設備的轉向，使農(nóng)業(yè)機械設備轉到與轉向角指令符合的角度與位置。

執(zhí)行單元是農(nóng)機自動導航系統(tǒng)方向轉變和速度調節(jié)的重要執(zhí)行機構，主要是通過控制器的控制信號，使農(nóng)業(yè)機械設備里的轉向輪以一定大小的轉向力矩發(fā)生轉變。轉向執(zhí)行機構主要包括機械式轉向機構和液壓式轉向機構2種。通常，機械式轉向機構主要通過控制農(nóng)業(yè)機械設備的電機運行而驅動整個機械設備轉向，快捷簡單，安裝方便，實際應用范圍較廣；液壓式轉向機構則是利用自動轉向液壓回路實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)機械的轉向操作。液壓式轉向機構較機械式轉向機構精確度更高，且整個轉向過程執(zhí)行速度更快、操作更加便捷、可靠性更加優(yōu)良。

監(jiān)控單元是農(nóng)機自動導航控制系統(tǒng)的人機交互界面，主要由田間計算機承擔，可對農(nóng)機自動導航系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化設置、優(yōu)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的任務以及對整個農(nóng)機運行狀態(tài)和導航狀態(tài)等進行 監(jiān)管。

3 農(nóng)機位置測量方法

3.1 基于機器視覺的位置測量方法

機器視覺主要是指借助計算機模擬人體視物功能，從外在世界客觀存在的事物圖像中提取參數(shù)數(shù)據(jù)，處理后獲得深度信息并加以理解，并將該信息用于后續(xù)對同類客觀事物的檢測和控制。由于該技術參數(shù)信息提取速度快、信息量提取容量大且兼容性功能多，故能借助該參數(shù)優(yōu)化位置測量技術，進而為農(nóng)機自動導航奠定堅實的技術基礎。在此過程中，以攝像機為位置測量的前端數(shù)據(jù)接收傳感器，識別并抓取具體農(nóng)作物的參數(shù)信息后，確定農(nóng)機設備在農(nóng)田任意范圍的位置信息，確定導航基準線，能夠通過農(nóng)作物識別、導航基準線確定及參數(shù)界定等諸多方式，利用垂直投影法、最小二乘法等實現(xiàn)定 位功能。

3.2 基于全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)的位置測量方法

基于全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）的位置測量方法是對基于全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）的位置測量方法的優(yōu)化?，F(xiàn)階段應用時間跨度最長、應用范圍最寬泛的是美國的GPS系統(tǒng)，但該系統(tǒng)所使用的普通GPS設備的參數(shù)精度在10 m左右，難以滿足現(xiàn)代農(nóng)機化發(fā)展背景下田間種植業(yè)的導航控制需要。而動態(tài)后處理技術采用更高級的設備，有助于提升導航精度。應用于農(nóng)業(yè)機械設備導航系統(tǒng)中的主要是四天線的GPS-RTK系統(tǒng)。該系統(tǒng)能為拖拉機、收割機等提供位置信息，使農(nóng)業(yè)機械設備在農(nóng)作物田間行駛速度為3.2 km/h的前提下橫向誤差不大于0.1°，使其直線運行標準與周邊作物標準之間的差距小于2.5 cm。此外，GPS-RTK技術能進一步通過基站應用及虛擬基站建設等多種差分修正措施，進一步增強對衛(wèi)星定位系統(tǒng)參數(shù)誤差的修正能力，從而在某一具體試驗區(qū)根據(jù)試驗結果對不同農(nóng)作物的作業(yè)需求給出相應的GPS衛(wèi)星定位修正信號，進一步縮小其與農(nóng)作物之間的位置誤差。

3.3 基于多傳感器信息融合的位置測量方法

基于多傳感器信息融合的位置測量方法，主要是為了應對復雜多變的農(nóng)田環(huán)境等而研發(fā)的。由于田間環(huán)境復雜多變且呈現(xiàn)出不可控制性，因此，機器視覺位置測量法很可能受到田間農(nóng)作物的實際生長狀態(tài)及當前農(nóng)機使用時的天氣條件變化影響，GNSS測量方法則易因周邊環(huán)境的電磁干擾而使定位精確度大打折扣。也就是說，在農(nóng)機自動導航系統(tǒng)應用單獨的位置傳感器不能滿足不同農(nóng)田環(huán)境條件下的測量精度要求，也就不能滿足不同應用條件的農(nóng)機導航需要。因此，基于多傳感器的信息融合的位置測量方法受到了相關學者的關注和重視。多傳感器能通過獲取數(shù)據(jù)相互融合，減小傳感器接收的相關數(shù)據(jù)信號的誤差，也能在某一傳感器參數(shù)接收失效時將其自動轉化為另一種可用的傳感器測量方式，使農(nóng)機自動導航系統(tǒng)能在多種傳感器數(shù)據(jù)的相互融合和相互驗證中得到更好的測試結果。表1為3種不同農(nóng)機位置測量方法的優(yōu)劣對比。

表1 3種不同農(nóng)機位置測量方法的優(yōu)劣對比

4 導航控制策略

4.1 PID控制

PID控制策略主要是通過比例變換、積分變換及微分技術等控制農(nóng)機自動導航系統(tǒng)，主要適用于線性變化且動態(tài)特性不隨時間變化的系統(tǒng)。典型的PID控制系統(tǒng)架構圖如圖2所示。該系統(tǒng)能降低對數(shù)學模型的依賴性，使得系統(tǒng)參數(shù)位置提取時的魯棒性較強、穩(wěn)態(tài)誤差更小，使其在農(nóng)業(yè)機械導航控制方面有著廣泛應用。

圖2 典型的PID控制系統(tǒng)架構

4.2 模糊控制

模糊控制策略主要是以模糊集合理論、語言變量和邏輯推理等為基礎，采取理論支撐的特殊控制方式。該方式并不需要建立農(nóng)田間農(nóng)作物和機械設備之間的數(shù)學模型，因而能廣泛適用于非線性變化的隨時間變化的數(shù)學結構。典型的模糊控制結構如圖3所示。

圖3 典型的模糊控制架構

4.3 神經(jīng)網(wǎng)絡控制

神經(jīng)網(wǎng)絡控制策略主要是指在農(nóng)機自動導航控制系統(tǒng)中利用神經(jīng)網(wǎng)絡體系對非線性對象進行建模，從而克服農(nóng)田間機械設備運行不確定、可實時變化、動態(tài)影響較大等問題，實現(xiàn)對田間設備的精確控制，能通過對人工特征的提取控制田間機械設備的導航系統(tǒng)，從而在比較向量機和人機網(wǎng)絡結構的基礎上找到更加適合農(nóng)田機械設備運行的路線，使向量機和人工網(wǎng)絡模型的準確率大幅度提高。

4.4 基于模型的控制

基于模型的農(nóng)機自動導航控制系統(tǒng)主要是指通過農(nóng)機運動學和動力學模型，實現(xiàn)對農(nóng)田間農(nóng)業(yè)機械設備路徑的模擬和跟蹤。例如，某拖拉機拖車導航控制系統(tǒng)，能通過非線性模型模擬田間控制拖車的實際運行路徑，全過程跟蹤該路徑，并借由模型控制其運轉速度、運轉方向等。

5 結語

農(nóng)業(yè)機械自動導航技術作為我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展中的重要成果，能切實保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)質量，也能降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中工人的工作強度，促進我國農(nóng)業(yè)集成化發(fā)展，提高農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)效率等。基于機器視覺、GNSS的位置測量和多傳感器信息融合等位置測量方法，能使農(nóng)機位置得到更精確的修正，從而使農(nóng)業(yè)機械在PID控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制等諸多導航控制策略的引導下，實現(xiàn)作業(yè)質量和作業(yè)效率的快速提升，為我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)和智能農(nóng)業(yè)發(fā)展奠定堅實的基礎。