智能農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用研究

0 引言

我國(guó)國(guó)土面積龐大，北方地區(qū)有大面積可以用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的土地，地勢(shì)平坦。同時(shí)，南部地區(qū)農(nóng)工模式和結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變導(dǎo)致了農(nóng)業(yè)集中的趨勢(shì)，大面積的農(nóng)業(yè)用地?cái)?shù)量增加。在這種情況下，仍然使用傳統(tǒng)的耕作方法，不僅效率低下，而且需要高額的生產(chǎn)投入，無法促進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化

。例如，作物需要在合適的時(shí)間播種，而人工播種的效率低，可能會(huì)錯(cuò)過最佳播種時(shí)間，這會(huì)影響作物生長(zhǎng)。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的一個(gè)重要因素，我國(guó)的農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平發(fā)展迅速，水稻、玉米和小麥三大主糧作物基本可以實(shí)現(xiàn)全程機(jī)械化，但由于一些地區(qū)自然條件，現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)機(jī)具難以進(jìn)行作業(yè)。因此，進(jìn)一步提高機(jī)器的適應(yīng)性和自動(dòng)化程度對(duì)實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要

。

從農(nóng)戶利益的角度出發(fā)，合作社一體化是最優(yōu)的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化模式。合作社能夠強(qiáng)有力地在統(tǒng)一時(shí)間聚集社員進(jìn)行新季度的工作安排，靈活又有效地保障農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，而有效的管理使資源得到合理利用。龍頭企業(yè)帶動(dòng)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)合作模式收納高質(zhì)量農(nóng)產(chǎn)品，使農(nóng)戶手里的農(nóng)產(chǎn)品發(fā)揮了最好的價(jià)值，避免了低質(zhì)量產(chǎn)品的農(nóng)戶產(chǎn)生“搭便車”行為，提高農(nóng)戶種植高質(zhì)量產(chǎn)物的積極性；在企業(yè)內(nèi)部采用區(qū)別定價(jià)法，增強(qiáng)了龍頭企業(yè)與合作社之間的競(jìng)爭(zhēng)，不僅能夠讓合作社產(chǎn)生更大的市場(chǎng)份額，還可以讓有組織的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)得到一步發(fā)展。

20世紀(jì)90年代末期，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的概念首次被提出，在全球范圍內(nèi)掀起了一陣新的浪潮，也是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然走向。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)對(duì)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)專業(yè)化水平的提高有顯著影響。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)要求生產(chǎn)過程應(yīng)該具備更高的農(nóng)業(yè)技術(shù)水平。農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)導(dǎo)航作為農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化及智能化能力的關(guān)鍵組成部分，對(duì)于有效降低勞動(dòng)成本，以及極大程度提高土地適用面積來說是極其重要的

。農(nóng)機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)的真正應(yīng)用價(jià)值應(yīng)體現(xiàn)在實(shí)時(shí)性、可靠性和準(zhǔn)確性三個(gè)方面的特點(diǎn)。

1 智能農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)

在常規(guī)農(nóng)業(yè)機(jī)械的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一個(gè)包括發(fā)動(dòng)機(jī)、液壓油箱、轉(zhuǎn)向液壓油缸、齒輪液壓油泵、安全閥、轉(zhuǎn)向控制器在內(nèi)的一整套液壓系統(tǒng)，與無線衛(wèi)星接收系統(tǒng)進(jìn)行配合使用；創(chuàng)建一個(gè)硬件仿真平臺(tái)；對(duì)拖拉機(jī)的運(yùn)行情況、導(dǎo)航算法是否精準(zhǔn)、編程能力如何等進(jìn)行研究，為進(jìn)一步發(fā)展應(yīng)用和改進(jìn)算法打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1.1 硬件系統(tǒng)

本研究主要通過拖拉機(jī)配備的硬件平臺(tái)，模擬大型拖拉機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，并結(jié)合軟件導(dǎo)航系統(tǒng)，開發(fā)農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)的硬件工具組合。該模型原理如圖1所示。

自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)通過GPS定位控制拖拉機(jī)的行駛方向和行駛路線，航向追蹤是指在拖拉機(jī)行駛方向已知的情況下通過控制技術(shù)使拖拉機(jī)按照目標(biāo)行駛方向行駛。主要包括以下兩方面：

農(nóng)業(yè)機(jī)械的液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是由夾持機(jī)構(gòu)、油缸、油泵、安全閥、單向閥、過濾器、轉(zhuǎn)向器和輔助部件組成。農(nóng)業(yè)機(jī)械的動(dòng)力要求和實(shí)際作用決定了液壓裝置和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)構(gòu)造，可按需選擇信號(hào)。如果功率大，采用開芯無反應(yīng)轉(zhuǎn)向，方向盤的位置取中，可有效實(shí)現(xiàn)獨(dú)立卸荷；若功率小，采用閉芯轉(zhuǎn)向，方向盤也在中間位置，在變量泵相互匹配后才可以完成卸荷?？删幊炭刂破鲃t是由編程來完成系統(tǒng)的控制。車載接收器接收無線衛(wèi)星信號(hào)后將其信號(hào)傳輸至車載計(jì)算機(jī)；自動(dòng)導(dǎo)航軟件系統(tǒng)將接收到的信號(hào)處理后，將其傳輸至可編程控制器，由控制器控制液壓系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)及轉(zhuǎn)向角度，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)操控。

1.2 軟件控制系統(tǒng)

培養(yǎng)城市會(huì)展旅游品牌就是為城市制作一張拿得出手的會(huì)展旅游名片，有助于提升成都市在游客中的影響力。想要培養(yǎng)成都市的會(huì)展旅游品牌，首先要找出成都市的優(yōu)勢(shì)產(chǎn)品、優(yōu)勢(shì)行業(yè)和優(yōu)勢(shì)會(huì)展。提到成都，人們往往會(huì)首先想到國(guó)寶大熊貓或者火鍋、串串等具有地方特色的美食。成都市可以圍繞這些知名的產(chǎn)品打造具有特色的會(huì)展項(xiàng)目，會(huì)展要具有鮮明的主題特色，定期舉辦，提供專業(yè)的服務(wù)，集中資源對(duì)會(huì)展旅游品牌進(jìn)行大力營(yíng)銷推廣。培養(yǎng)城市會(huì)展旅游品牌不僅可以促進(jìn)成都市的整體會(huì)展旅游建設(shè)發(fā)展，還能提升游客的感知價(jià)值。

設(shè)計(jì)的過程中，以速度變化率為依據(jù)，進(jìn)行自適應(yīng)PID的設(shè)計(jì)，利用該控制器可實(shí)現(xiàn)航向追蹤控制。通過計(jì)算先得到拖拉機(jī)實(shí)際行駛方向與目標(biāo)行駛方向的偏差，其次將得到的數(shù)據(jù)輸入到控制器的系統(tǒng)，依據(jù)拖拉機(jī)的實(shí)際作業(yè)情況控制器可以生成實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)參數(shù)，并通過這些生成的控制參數(shù)控制轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。

1.3 航向追蹤

車模系統(tǒng)主要由車身結(jié)構(gòu)、電子控制器、電動(dòng)機(jī)、電源、充電器、轉(zhuǎn)換器等組成，配有一個(gè)可拆卸的液壓系統(tǒng)，便于進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)。其主要功能是：1)車身。由車架、車輪、方向盤、指示燈、座椅、喇叭、反光鏡等共同組成。2)電動(dòng)機(jī)。該電動(dòng)機(jī)是三相異步型，是該型號(hào)的供電單元。3)中央控制器。可以控制電機(jī)的啟動(dòng)與停止、轉(zhuǎn)動(dòng)速度和轉(zhuǎn)動(dòng)的方向。4)電池。該模型所需的電源和照明功率由電池提供。目前，拖拉機(jī)大多由液壓系統(tǒng)控制轉(zhuǎn)向。該模型液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

該軟件設(shè)計(jì)對(duì)于拖拉機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)操作的便利性有顯著的積極影響，而且能夠利用軟件調(diào)節(jié)校正，增強(qiáng)算法的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)拖拉機(jī)行走路徑控制和作業(yè)精度控制。軟件在進(jìn)行工作過程中，控制界面上可以動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)地顯示追蹤結(jié)果，可以在對(duì)話框隨時(shí)調(diào)整拖拉機(jī)的行駛路線；通過計(jì)時(shí)器結(jié)合算法可以推算拖拉機(jī)的行走路徑，在系統(tǒng)中自動(dòng)制定下一個(gè)時(shí)間單元的行駛路線和方向。

1.1 換元基礎(chǔ)上的數(shù)形結(jié)合法 換元思想是指通過變?cè)蚴奖硎?、代替或轉(zhuǎn)換為某些確定的數(shù)學(xué)對(duì)象，將數(shù)學(xué)問題化繁為簡(jiǎn)、化難為易，從而達(dá)到化未知到已知的終極目標(biāo)的一種思維傾向。換元思想的本質(zhì)是映射轉(zhuǎn)移，或者說就是引進(jìn)某種新的映射，對(duì)原給定的函數(shù)進(jìn)行分解或?qū)嵤?fù)合，它的理論依據(jù)是等量代換〔2〕。

2)通過PID實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)速度控制。拖拉機(jī)在實(shí)際行駛中可能會(huì)發(fā)生下面幾種情況:①勻速行駛；②進(jìn)行轉(zhuǎn)彎時(shí)，速度逐漸降低；③拖拉機(jī)在曲線行駛時(shí)，隨著曲率的變化速度也一直在改變;④行駛結(jié)束時(shí)，速度逐漸降低并平穩(wěn)停止。

1)利用PID技術(shù)規(guī)范行駛路線。PID控制是線性控制技術(shù)，算法極其繁瑣，但是控制質(zhì)量精準(zhǔn)。根據(jù)校正的方式將其分為三個(gè)部分，分別為比例校正、微分校正和積分校正。比例校正是指通過比例對(duì)系統(tǒng)的誤差做出反應(yīng)，并及時(shí)規(guī)范控制器正確工作，以減小系統(tǒng)誤差；調(diào)節(jié)速度與比例系數(shù)之間呈正比;最后通過積分校正部分對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部穩(wěn)態(tài)誤差實(shí)現(xiàn)徹底清除。清除質(zhì)量與積分常數(shù)呈現(xiàn)正比關(guān)系，清除過程中容易發(fā)生穩(wěn)定性變差和振蕩等問題。因此，在微分校正部分需要依據(jù)誤差信號(hào)進(jìn)行應(yīng)對(duì)，在誤差信號(hào)變大前需要輸入早期矯正信號(hào)，這樣可以減少調(diào)節(jié)時(shí)間，系統(tǒng)響應(yīng)速度也會(huì)有一個(gè)大的提升。

取2016年3月—2018年6月我院收治的CT增強(qiáng)掃描患者106例，研究組（53）：男33例，女20例，年齡9～84歲，平均年齡為（68.83±11.25）歲；對(duì)照組（53）：男32例，女21例，年齡10～86歲，平均年齡（68.92±11.34）歲。各資料無差異（P＞0.05），可比。

1.4 路徑追蹤

路徑跟蹤分為三個(gè)步驟：第一，得到拖拉機(jī)和預(yù)定目標(biāo)之間相關(guān)聯(lián)的動(dòng)態(tài)參數(shù)；第二，確定機(jī)動(dòng)控制的范圍；第三，對(duì)其做出精確的控制操作。在實(shí)際作業(yè)過程中，通過位置信息接收器接收到與預(yù)定目標(biāo)之間相關(guān)聯(lián)的動(dòng)態(tài)參數(shù)，并以這些參數(shù)作為基本信息進(jìn)行研究分析；設(shè)置一個(gè)預(yù)覽點(diǎn)，得到兩個(gè)參數(shù)：橫向跟蹤的誤差和路線的縱向偏差，通過方案算法得出最合適的控制動(dòng)作，并在指定時(shí)間執(zhí)行該控制動(dòng)作；機(jī)器的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參數(shù)在運(yùn)行中是連續(xù)循環(huán)傳輸給系統(tǒng)控制的動(dòng)態(tài)過程。

2 田間試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)的精度和可靠性，在田間分別進(jìn)行了播種和覆膜作業(yè)試驗(yàn)。試驗(yàn)將手動(dòng)駕駛和自動(dòng)駕駛兩種駕駛模式進(jìn)行對(duì)比，五種速度設(shè)定為8 m·s

、9 m·s

、10 m·s

、11 m·s

和12 m·s

。每個(gè)速度下，在設(shè)定的路線上行走200 m，然后在路線上隨機(jī)選擇30個(gè)點(diǎn)。播種時(shí)人工測(cè)量播種誤差，相鄰行寬(標(biāo)準(zhǔn)60 cm)在覆土?xí)r測(cè)量。坐標(biāo)誤差是指實(shí)際坐標(biāo)與理論坐標(biāo)之間的偏差，可以反映出導(dǎo)航的作業(yè)精度。行寬是指相鄰兩條壟行之間的距離，可以反映出土地利用率指標(biāo)。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖3所示。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

田間試驗(yàn)的結(jié)果如表1所示。隨著拖拉機(jī)運(yùn)行速度的提高，人工駕駛播種的精度也在下降，最終坐標(biāo)誤差達(dá)到0.56 m。自動(dòng)導(dǎo)航的準(zhǔn)確性有所下降，但最大的坐標(biāo)誤差只有0.23 m，這在可接受的范圍內(nèi)。在覆膜作業(yè)時(shí)，隨著拖拉機(jī)速度的增加，手動(dòng)駕駛模式下相鄰行的寬度也在增加，與標(biāo)準(zhǔn)行寬度的差異也在增加，最終誤差達(dá)到20 cm。在不同速度的自動(dòng)導(dǎo)航中，相鄰行的寬度幾乎不偏離設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)，最大為6 cm，相鄰行很少被遺漏，說明土地利用率高。

3 結(jié)論

設(shè)計(jì)了包括發(fā)動(dòng)機(jī)、液壓油箱、轉(zhuǎn)向液壓油缸、齒輪液壓油泵、安全閥、轉(zhuǎn)向控制器等配件在內(nèi)的一整套液壓系統(tǒng)，其需與無線衛(wèi)星接收系統(tǒng)組合使用；依據(jù)角度傳感器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)了一個(gè)硬件模擬平臺(tái)，以便模擬拖拉機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和情況。該系統(tǒng)被安裝在拖拉機(jī)上，以驗(yàn)證其在田間播種和覆土試驗(yàn)中的實(shí)時(shí)和精確導(dǎo)航。結(jié)果顯示，在不同的速度下，該系統(tǒng)提供了比人工駕駛更好的導(dǎo)航精度和土地利用，并能在技術(shù)上支持農(nóng)業(yè)機(jī)械的智能化和自動(dòng)化改造，開辟了廣泛的應(yīng)用。

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