無人駕駛高速插秧機(jī)田間作業(yè)對比試驗(yàn)研究

張文斌，嚴(yán)宇，葉濤，胡軍

（215128 江蘇省 蘇州市 蘇州市農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)推廣站）

0 引言

農(nóng)業(yè)機(jī)械自動導(dǎo)航是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)體系中的一項(xiàng)核心關(guān)鍵技術(shù)[1]。隨著導(dǎo)航技術(shù)的快速發(fā)展，基于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的無人駕駛技術(shù)廣泛應(yīng)用于水稻機(jī)插秧種植環(huán)節(jié)[2-3]。張智剛[4]等在久保田SPU-68 型插秧機(jī)上開發(fā)了基于差分全球定位系統(tǒng)和電子羅盤的導(dǎo)航系統(tǒng)，提升了直線路徑跟蹤時(shí)的定位精度；偉利國[5]等在XDNZ630 型水稻插秧機(jī)上采用RTK GPS 技術(shù)和PID 微分控制算法，在進(jìn)一步提升直線行駛精度的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了調(diào)頭轉(zhuǎn)向的控制。何杰[6]等以井關(guān)PZ-60 型水稻插秧機(jī)為試驗(yàn)平臺，設(shè)計(jì)了一款聯(lián)合導(dǎo)航控制系統(tǒng)，試驗(yàn)結(jié)果表明該導(dǎo)航系統(tǒng)控制插秧機(jī)作業(yè)時(shí)具有良好的效果，滿足無人駕駛時(shí)自動作業(yè)的需求。近年來，農(nóng)芯科技、豐疆智能、上海聯(lián)適等導(dǎo)航公司在插秧機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)、自動導(dǎo)航和作業(yè)過程智能調(diào)控等領(lǐng)域進(jìn)行了深入研究[7]。

為探究無人駕駛高速插秧機(jī)的作業(yè)效果，本文以前裝豐疆FJ1001 型智能控制高速插秧機(jī)、后裝農(nóng)芯HS2000BD-2.5RD 型自動導(dǎo)航系統(tǒng)的高速插秧機(jī)和常規(guī)高速插秧機(jī)為試驗(yàn)對象，圍繞行駛性能、插秧作業(yè)效果和經(jīng)濟(jì)效益等方面開展田間作業(yè)對比試驗(yàn)研究，為智能農(nóng)機(jī)推廣應(yīng)用提供裝備與技術(shù)參考。

1 無人駕駛插秧機(jī)工作原理

導(dǎo)航定位、路徑規(guī)劃和路徑跟蹤是農(nóng)機(jī)無人駕駛系統(tǒng)的3 個(gè)關(guān)鍵技術(shù)[8-10]。通過對高速插秧機(jī)進(jìn)行智能化改裝，搭建智能駕駛控制系統(tǒng)的硬件平臺，包括信息獲取系統(tǒng)、決策控制系統(tǒng)、部件執(zhí)行系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對插秧機(jī)無人駕駛，如圖1 所示。無人駕駛插秧機(jī)由信息獲取系統(tǒng)對作業(yè)田塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，決策控制系統(tǒng)進(jìn)行路徑規(guī)劃，生產(chǎn)便于插秧機(jī)識別的控制信息，最后由部件執(zhí)行系統(tǒng)進(jìn)行行駛作業(yè)。插秧機(jī)作業(yè)環(huán)境較為惡劣，使得插秧機(jī)作業(yè)方向極易發(fā)生變化，作業(yè)過程中，通過信息獲取系統(tǒng)得到插秧機(jī)前輪轉(zhuǎn)角信息，再由決策控制系統(tǒng)對比預(yù)設(shè)作業(yè)路徑，實(shí)時(shí)調(diào)整前輪轉(zhuǎn)角，進(jìn)而保證插秧作業(yè)質(zhì)量。

圖1 智能駕駛控制系統(tǒng)硬件平臺Fig.1 Hardware platform of intelligent driving control system

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)機(jī)具

本文試驗(yàn)機(jī)具是前裝無人駕駛高速插秧機(jī)、后裝無人駕駛高速插秧機(jī)和常規(guī)高速插秧機(jī)3 款機(jī)具（下文3 款機(jī)具簡稱：豐疆前裝、農(nóng)芯后裝、常規(guī)機(jī)型），如表1 所示。

表1 試驗(yàn)機(jī)具基本情況表Tab.1 Basic information of test machines

2.2 試驗(yàn)前基本情況測定

本次試驗(yàn)時(shí)間2021 年6 月16～17 日，試驗(yàn)地點(diǎn)蘇州市吳中區(qū)臨湖鎮(zhèn)，3 款機(jī)具所對應(yīng)試驗(yàn)田塊的基本情況如表2 所示，試驗(yàn)所用秧苗的基本情況如表3 所示。

表2 試驗(yàn)田塊的基本情況表Tab.2 Basic information of test field

表3 試驗(yàn)秧苗的基本情況表Tab.3 Basic information of experimental seedlings

測量結(jié)果表明，試驗(yàn)田塊和水稻秧苗的基本情況完全符合本地的栽植農(nóng)藝要求。

2.3 對比試驗(yàn)

根據(jù)江蘇省DG32/Z 011-2020《智能控制半自動高速插秧機(jī)》[11]專項(xiàng)鑒定大綱和NY/T 3334-2018《農(nóng)業(yè)機(jī)械—自動導(dǎo)航輔助駕駛系統(tǒng)質(zhì)量評價(jià)技術(shù)規(guī)范》[12]的試驗(yàn)方法和檢測指標(biāo)，對3 款機(jī)具開展田間作業(yè)試驗(yàn)研究，圍繞行駛性能、插秧作業(yè)性能和作業(yè)效率3 項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行對比分析研究。3 款機(jī)具同時(shí)在試驗(yàn)地塊進(jìn)行插秧作業(yè)，豐疆前裝無人駕駛高速插秧機(jī)和農(nóng)芯后裝無人駕駛高速插秧機(jī)均采用一人擺秧、無人駕駛、自主規(guī)劃路徑作業(yè)方式，常規(guī)高速插秧機(jī)采用一人駕駛、一人擺秧常規(guī)作業(yè)方式。試驗(yàn)作業(yè)條件按照蘇州地區(qū)水稻栽種要求，株距選擇12 cm，栽植深度固定在最小值。3 款機(jī)具栽植效果如圖2 所示。

圖2 3 款試驗(yàn)機(jī)具的實(shí)際作業(yè)圖Fig.2 Actual operation diagram of three test machines

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 行駛性能分析

3 款試驗(yàn)機(jī)具在試驗(yàn)田塊中以相同的速度進(jìn)行往返作業(yè)3 次，將平行于插秧機(jī)預(yù)設(shè)作業(yè)軌跡的直線作為基準(zhǔn)線，在基準(zhǔn)線上以0.5 m 為等距離連續(xù)取50 個(gè)點(diǎn)作為軌跡記錄點(diǎn)，分別測量行程軌跡1 上Ai點(diǎn)至基準(zhǔn)線的距離xi，以及行程軌跡2 上Bi點(diǎn)至Ai點(diǎn)距離hi、行程軌跡3 上Ci點(diǎn)至Bi距離mi，如圖3 所示。

圖3 插秧機(jī)行駛軌跡示意圖Fig.3 Schematic diagram of driving track of transplanter

式（1）—式（3）為3 款機(jī)具直線精度、作業(yè)行間距偏差及合格率計(jì)算公式。結(jié)果如表4、圖4、圖5 所示。

表4 直線精度和作業(yè)行間距偏差表Tab.4 Data sheet of straight line accuracy and operation line accuracy

從表4、圖4 和圖5 可以看出，豐疆前裝、農(nóng)芯后裝無人駕駛高速插秧機(jī)的直線精度分別為2.95，2.83 cm，人工駕駛常規(guī)插秧機(jī)直線精度為8.50 cm；豐疆前裝、農(nóng)芯后裝無人駕駛高速插秧機(jī)第2 行行間距偏差分別為0.14～19.38 cm和0.27～20.63 cm，第3 行行間距偏差分別為0.05～12.37 cm 和0.13～10.46 cm，而人工駕駛常規(guī)插秧機(jī)第2 行、第3 行行間距偏差分別為8.28～33.24 cm 和1.36～20.24 cm。相較于與人工駕駛常規(guī)高速插秧機(jī)，無人駕駛高速插秧機(jī)具有更高的直線精度和更小的行距間平均偏差，且偏差變化幅度不大，行駛穩(wěn)定性較高。

圖4 3 款試驗(yàn)機(jī)具直線精度偏差圖Fig.4 Straight line accuracy deviation diagram of three test machines

圖5 3 款試驗(yàn)機(jī)具作業(yè)行間距偏差圖Fig.5 Deviation diagram of operation line accuracy of three test machines

根據(jù)《智能控制半自動高速插秧機(jī)》專項(xiàng)鑒定大綱，要求直線精度和作業(yè)行間距平均偏差在±5 cm 以內(nèi)，作業(yè)行間距偏差合格率≥90%以上為合格。豐疆前裝和農(nóng)芯后裝無人駕駛高速插秧機(jī)的直線精度，第2 行、第3 行作業(yè)行間距平均偏差均小于5 cm，符合大綱要求，但作業(yè)行間距偏差合格率＜90%，不符合大綱要求，說明水田的實(shí)際作業(yè)環(huán)境對加裝自動駕駛系統(tǒng)的插秧機(jī)行駛穩(wěn)定性有著一定的影響，但相較于人工駕駛插秧機(jī)，自動駕駛系統(tǒng)在直線精度和行駛穩(wěn)定性方面具有明顯的優(yōu)勢。

3.2 插秧作業(yè)性能分析

在每個(gè)田塊交叉選取3 個(gè)測區(qū)，每個(gè)測區(qū)取50 穴（共150 穴），分別測定每穴的插值株數(shù)、傷秧株數(shù)、漂秧株數(shù)、漏插株數(shù)；在3 個(gè)測區(qū)附近各連續(xù)選擇10 穴秧苗，測定插秧深度，并計(jì)算出相應(yīng)的相對均勻度合格率、傷秧率、漂秧率、漏插率和栽植深度合格率5 項(xiàng)指標(biāo)，如表5 所示。

表5 3 款試驗(yàn)機(jī)具插秧作業(yè)情況數(shù)據(jù)表Tab.5 Data sheet of transplanting operation of three test machines

對照《智能控制半自動高速插秧機(jī)》專項(xiàng)鑒定大綱要求：相對均勻度合格率≥85%，傷秧率≤4%，漂秧率≤3%，漏插率≤5%，栽植深度合格率≥90%。從表5 可見，3 款試驗(yàn)機(jī)具都符合插秧作業(yè)的栽植要求，且差距不大，前裝或后裝自動駕駛系統(tǒng)并不會影響插秧機(jī)原有的栽植性能。

3.3 經(jīng)濟(jì)效益分析

本文記錄了3 款試驗(yàn)機(jī)具在大田實(shí)際插秧作業(yè)的時(shí)間，計(jì)算出相應(yīng)的作業(yè)效率。同時(shí)，假設(shè)插秧機(jī)一天作業(yè)8 h，駕駛員和擺秧人員每天勞務(wù)費(fèi)均為400 元，計(jì)算出3 款試驗(yàn)機(jī)具每公頃作業(yè)人工成本，如表6 所示。

表6 3 款機(jī)具作業(yè)效率、作業(yè)成本情況表Tab.6 Operating efficiency and operating cost of three machines

表6 可以看出，常規(guī)高速插秧機(jī)每小時(shí)作業(yè)0.41 hm2，每公頃作業(yè)人工成本241.36 元，而農(nóng)芯后裝、豐疆前裝無人駕駛高速插秧機(jī)每小時(shí)作業(yè)分別為0.36，0.37 hm2，每公頃作業(yè)人工成本分別為139.89 元和134.24 元。從數(shù)據(jù)上看，無人駕駛高速插秧機(jī)的作業(yè)效率雖然低于人工駕駛常規(guī)高速插秧機(jī)，但無人駕駛可省下插秧機(jī)駕駛員的人工成本，使每公頃作業(yè)人工成本遠(yuǎn)低于常規(guī)高速插秧機(jī)，具有較好經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)論

（1）高速插秧機(jī)在加裝導(dǎo)航駕駛系統(tǒng)之后，并不會影響原有的插秧功能，相反大幅提高插秧直線精度、作業(yè)行間距平均偏差，改善水稻透光性、通風(fēng)性，同時(shí)便于后續(xù)開展機(jī)械化水稻田間管理作業(yè)。

（2）加裝導(dǎo)航駕駛系統(tǒng)的插秧機(jī)作業(yè)速度雖然相較人工駕駛偏慢，但可以省去駕駛員的人工作業(yè)成本，降低單位面積作業(yè)人工成本，具有很好經(jīng)濟(jì)效益。

（3）加裝導(dǎo)航駕駛系統(tǒng)的插秧機(jī)在使用前需要根據(jù)插秧機(jī)自身的尺寸來調(diào)節(jié)參數(shù)設(shè)置，對機(jī)手素質(zhì)提出了更高的要求。另外，在試驗(yàn)過程中，無人駕駛高速插秧機(jī)偶爾會出現(xiàn)信號干擾、規(guī)劃路徑失敗等問題，需要進(jìn)一步提高導(dǎo)航駕駛系統(tǒng)的可靠性，加強(qiáng)對從業(yè)人員專業(yè)化培訓(xùn)。