發(fā)揮智能農(nóng)機在無人農(nóng)場中的作用

趙龍中 胡旭紅 錢奕枝

1、桐城市農(nóng)機服務(wù)中心 2、桐城市呂亭鎮(zhèn)農(nóng)機站

隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、智能化的發(fā)展，工作適應(yīng)性好、操作靈活的無人機逐漸得到廣泛的應(yīng)用，成為農(nóng)業(yè)作業(yè)中的新型智能化設(shè)備，在無人農(nóng)場中體現(xiàn)出極其重要的作用。由于傳統(tǒng)人工農(nóng)業(yè)作業(yè)難度較大，加之機手操作不當(dāng)而無法依照預(yù)先規(guī)劃的路徑進行作業(yè)，經(jīng)常出現(xiàn)重復(fù)播種或漏播的現(xiàn)象。為此，本文重點探討智能農(nóng)機在無人農(nóng)場中的設(shè)計和應(yīng)用，結(jié)合安徽地區(qū)水稻播種的實際情況，將智能農(nóng)機應(yīng)用于農(nóng)田整平、無人駕駛、精準(zhǔn)播種、變量施放肥料、產(chǎn)量監(jiān)控等過程中，將農(nóng)民從復(fù)雜繁重的勞作中解脫出來，實現(xiàn)智能化、可視化、自動化、高精度的農(nóng)田作業(yè)，提高作物的性能和生產(chǎn)力。

1 智能農(nóng)機概述

智能農(nóng)機以現(xiàn)代信息技術(shù)為核心對傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)進行改造和優(yōu)化，較好地轉(zhuǎn)變農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)率，降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本。在智能農(nóng)機的應(yīng)用中，可以通過CAN總線進行農(nóng)機網(wǎng)絡(luò)各個節(jié)點的連接，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)作業(yè)數(shù)據(jù)的傳輸和通信，較好地適用于農(nóng)業(yè)導(dǎo)航、收割、精量播種等作業(yè)，極大地提高信息傳輸效率和系統(tǒng)響應(yīng)速度。同時，智能農(nóng)機還利用相關(guān)傳感器采集環(huán)境信息和車輛狀態(tài)，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)作業(yè)的自動導(dǎo)航和追蹤。主要包括基于航位推算的自動導(dǎo)航方法、基于圖像處理的自動導(dǎo)航方法、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法的自動導(dǎo)航方法和基于模糊邏輯的自動導(dǎo)航方法。在智能農(nóng)機大數(shù)據(jù)平臺的支持和依托下，智能農(nóng)機可以實時采集農(nóng)機的精準(zhǔn)定位、狀態(tài)跟蹤、作業(yè)環(huán)境感知、測畝計產(chǎn)等數(shù)據(jù)，實現(xiàn)各個數(shù)據(jù)的共建共享；并能夠運用大數(shù)據(jù)進行農(nóng)機作業(yè)分析，多角度、動態(tài)、可視化地分析智能農(nóng)機作業(yè)面積、作物種類、產(chǎn)量、變化趨勢、農(nóng)機補貼、監(jiān)管信息等，實現(xiàn)智能農(nóng)機大數(shù)據(jù)深度服務(wù)，包括最優(yōu)作業(yè)規(guī)劃、作業(yè)信息推送、供需信息查詢、服務(wù)信息查詢等。另外，智能農(nóng)機還可以實現(xiàn)對農(nóng)機相關(guān)從業(yè)人員的信息管理、安全遠程監(jiān)管、網(wǎng)上培訓(xùn)和考核等。

智能農(nóng)機在無人農(nóng)場的具體應(yīng)用主要包括有：（1）無人駕駛收割機與無人駕駛卸糧車聯(lián)合作業(yè)是一種智能化農(nóng)機作業(yè)方式。無人駕駛農(nóng)機體現(xiàn)出省時省力和精準(zhǔn)高效的優(yōu)點，操作者利用監(jiān)控平臺為農(nóng)機下發(fā)作業(yè)任務(wù)，農(nóng)機則會自動從車庫出來，并按照設(shè)定程序完成平臺預(yù)設(shè)的工作內(nèi)容，可完成自動作業(yè)、轉(zhuǎn)向、調(diào)頭等作業(yè)。在無人駕駛收割機與無人駕駛卸糧車的自動配合和協(xié)同下，自動實現(xiàn)糧食收割與運輸協(xié)同作業(yè)，實現(xiàn)無人化、智能化的農(nóng)機作業(yè)。基于北斗、5G的智能無人機，具有高效植保、噴施葉面肥、投施餌料、種子直播等功能農(nóng)業(yè)，具有自動規(guī)劃航線、自動避障、定點續(xù)航等功能。（3）無人駕駛拖拉機自主作業(yè)。無人駕駛拖拉機可以在無人操作的狀況下，由具有主從導(dǎo)航功能的無人駕駛拖拉機牽引不同功能的農(nóng)機具自動完成土地耕整、開溝、起壟、條播、側(cè)深施肥等作業(yè)。

2 智能農(nóng)機在無人農(nóng)場的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 智能環(huán)境感知技術(shù)

智能農(nóng)機在無人農(nóng)場的應(yīng)用離不開衛(wèi)星定位技術(shù)、雷達技術(shù)和視覺識別技術(shù)，考慮到農(nóng)田作業(yè)相對復(fù)雜，存在各種不確定性因素，極易導(dǎo)致農(nóng)田作業(yè)的偏差，無法滿足農(nóng)機作業(yè)的實際需求。為此，可以采用衛(wèi)星定位技術(shù)進行精準(zhǔn)定位，利用智能農(nóng)機的相關(guān)裝置和設(shè)施進行農(nóng)田作業(yè)的實時感知和定位，實現(xiàn)智能農(nóng)機的智能導(dǎo)航和定位，確保農(nóng)田作業(yè)的精準(zhǔn)性。同時，還可以利用激光雷達、視覺識別等技術(shù)和手段，對農(nóng)田作業(yè)過程進行精準(zhǔn)識別，及時準(zhǔn)確地獲悉農(nóng)田作業(yè)相關(guān)信息，躲避農(nóng)田作業(yè)過程的障礙物，保持適宜的距離、行駛方向和行駛速度，確保農(nóng)機作業(yè)的智能化和精準(zhǔn)性。

2.2 工作狀態(tài)檢測技術(shù)

智能農(nóng)機能夠利用光線傳感器、壓力傳感器和溫度傳感器及時采集農(nóng)機設(shè)備關(guān)鍵部件的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，包括溫度、壓力、振動、噪音、轉(zhuǎn)速等，再根據(jù)采集的信息進行智能農(nóng)機的路徑規(guī)劃，通過智能農(nóng)機的執(zhí)行系統(tǒng)實施橫向控制。

2.3 智能農(nóng)機控制技術(shù)

智能農(nóng)機在無人農(nóng)場的應(yīng)用主要通過中央控制器實施控制，體現(xiàn)出良好的可靠性、擴展性和兼容性，快速分析和處理環(huán)境感知數(shù)據(jù)和故障檢測數(shù)據(jù)，較好地提高智能農(nóng)機在無人農(nóng)場的應(yīng)用效率。同時，智能農(nóng)機輔助控制器也是不可或缺的重要部分，主要完成數(shù)據(jù)接收、程序調(diào)試和功能擴展等功能。

2.4 農(nóng)機功能實施技術(shù)

智能農(nóng)機主要通過控制電機實現(xiàn)對農(nóng)機的行駛狀態(tài)的控制，在機電一體化技術(shù)和智能控制技術(shù)的依托下，充分發(fā)揮智能農(nóng)機在無人農(nóng)場的耕地、播種、植保、收獲等作業(yè)，并進行農(nóng)機作業(yè)的質(zhì)量監(jiān)測和機具狀態(tài)監(jiān)測，有效保障智能農(nóng)機在無人農(nóng)場的作業(yè)。

3 智能農(nóng)機系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計

智能農(nóng)機系統(tǒng)硬件拓撲結(jié)構(gòu)是一種基于控制器的分布式拓撲結(jié)構(gòu)，由上下層模塊構(gòu)成，能夠進行環(huán)境信息采集、躲避路障、路徑規(guī)劃及決策、車身控制、緊急情況預(yù)警等。

3.1 系統(tǒng)硬件

從智能農(nóng)機系統(tǒng)的基礎(chǔ)硬件來看。主要包括以下幾個部分：（1）智能農(nóng)機感知系統(tǒng)。在智能農(nóng)機中設(shè)置有環(huán)境感知系統(tǒng)，能夠完整清晰地呈現(xiàn)農(nóng)機前方環(huán)境信息及各類障礙物體，標(biāo)記智能農(nóng)機的運動狀態(tài)信息，實現(xiàn)對智能農(nóng)機植株檢測及植株相對位置的檢測。并在組合導(dǎo)航系統(tǒng)之中，可以利用多源異構(gòu)信息提供高精度導(dǎo)航，獲悉智能農(nóng)機的全姿態(tài)信息參數(shù)。（2）智能農(nóng)機控制系統(tǒng)。在智能農(nóng)機控制系統(tǒng)中，上層控制器體現(xiàn)出良好的可靠性、實時性、擴充性和兼容性，支持多種編程語言和多進程任務(wù)，能夠?qū)崟r在線檢測和控制智能農(nóng)機在無人農(nóng)場的工作狀態(tài)，對工作環(huán)境變化進行快速響應(yīng)。下層控制器則能夠快速實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、實物控制和程序調(diào)試。（3）智能農(nóng)機執(zhí)行系統(tǒng)。智能農(nóng)機執(zhí)行系統(tǒng)包括控制電機、齒輪、卡盤等，主要實現(xiàn)智能農(nóng)機在無人農(nóng)場的轉(zhuǎn)向控制。

3.2 系統(tǒng)軟件

從智能農(nóng)機的軟件系統(tǒng)來看，利用分布式計算的設(shè)計理念進行智能農(nóng)機軟件系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計，使每個傳感器能夠獨立處理工作相關(guān)數(shù)據(jù)，減少各個傳感器之間的耦合，提高數(shù)據(jù)處理效率。

在基于ROS的軟件系統(tǒng)架構(gòu)的上位機部分，主要由感知硬件設(shè)備驅(qū)動節(jié)點、融合節(jié)點和控制決策節(jié)點進行智能農(nóng)機工作控制。其中，感知硬件設(shè)備驅(qū)動節(jié)點主要對智能農(nóng)機外部環(huán)境感知進行感知、解析和數(shù)據(jù)處理；數(shù)據(jù)融合節(jié)點主要對感知硬件設(shè)備驅(qū)動節(jié)點的數(shù)據(jù)進行融合；控制決策節(jié)點則是對融合后的數(shù)據(jù)進行合理規(guī)劃、優(yōu)化控制?；赗OS的軟件系統(tǒng)架構(gòu)的下位機部分則主要包括有傳感器設(shè)備驅(qū)動層和控制層，其中，傳感器設(shè)備驅(qū)動層主要對外部感知設(shè)備的數(shù)據(jù)進行解析和處理；控制層則主要接收上位機的指令并控制執(zhí)行器執(zhí)行。

4 智能農(nóng)機在無人農(nóng)場中的應(yīng)用

4.1 智能農(nóng)機在無人農(nóng)場中的作業(yè)路徑規(guī)劃

在傳統(tǒng)的單機作業(yè)過程中，農(nóng)機每次到地頭要采用“Ω”型轉(zhuǎn)彎的方式，增加了農(nóng)機轉(zhuǎn)彎時間，如果缺乏對作業(yè)路徑的合理規(guī)劃，則會導(dǎo)致農(nóng)機在地頭轉(zhuǎn)彎過大或過小，增加農(nóng)機在地頭作業(yè)的難度，使農(nóng)機作業(yè)行駛距離增長，提高農(nóng)機的作業(yè)成本。為此，可以引入智能農(nóng)機進行協(xié)同作業(yè)路徑的優(yōu)化，利用GPS/北斗導(dǎo)航系統(tǒng)獲悉農(nóng)機裝置在農(nóng)田的作業(yè)位置，實時采集農(nóng)機作業(yè)參數(shù)、農(nóng)田參數(shù)和環(huán)境參數(shù)，精準(zhǔn)獲悉農(nóng)機、農(nóng)田作業(yè)狀態(tài)。

同時，多機群協(xié)同作業(yè)路徑規(guī)劃體現(xiàn)出自身的特性，如動態(tài)性、多出發(fā)點、靈活性和精準(zhǔn)性，確保農(nóng)機以最優(yōu)作業(yè)路徑進行作業(yè)，并能夠根據(jù)當(dāng)前每臺農(nóng)機的作業(yè)位置，為每臺農(nóng)機重新分配和規(guī)劃作業(yè)路徑，較好地適應(yīng)不同農(nóng)機作業(yè)狀態(tài)的改變，并精準(zhǔn)采集每臺農(nóng)機的各種作業(yè)參數(shù)，包括農(nóng)機作業(yè)速度、當(dāng)前作業(yè)位置、作業(yè)進度、作業(yè)狀態(tài)、作業(yè)環(huán)境等，實現(xiàn)每臺農(nóng)機的精準(zhǔn)作業(yè)。由此可見，在多機群協(xié)同作業(yè)路徑規(guī)劃之中，主要運用相關(guān)算法為單機作業(yè)或機群協(xié)同作業(yè)提供數(shù)據(jù)支持，為單機作業(yè)或機群協(xié)同作業(yè)進行路徑優(yōu)化和合理規(guī)劃，較好地解決了農(nóng)機作業(yè)沖突的問題。與單機作業(yè)不同的是，機群協(xié)同作業(yè)要根據(jù)當(dāng)前每臺農(nóng)機的作業(yè)位置，為每臺農(nóng)機重新分配作業(yè)路徑，保證監(jiān)控終端與農(nóng)機車載傳感器實時交互，快速精準(zhǔn)地進行作業(yè)調(diào)整，確保農(nóng)機在任何作業(yè)狀態(tài)下不會出現(xiàn)沖突，農(nóng)機作業(yè)時長和總作業(yè)時間最短，較好地提高農(nóng)機作業(yè)效率。

另外，考慮到農(nóng)田作業(yè)環(huán)境相對復(fù)雜，農(nóng)田中有電線桿、土堆、不規(guī)則區(qū)域、非凸區(qū)域等，無法使農(nóng)機一次性完成整個農(nóng)田區(qū)域的全覆蓋。為此，可以采用區(qū)域劃分算法進行智能農(nóng)機的全覆蓋路徑規(guī)劃，通過面向智能農(nóng)機作業(yè)的環(huán)境建模和區(qū)域劃分方法，對農(nóng)田作業(yè)環(huán)境進行建模，實現(xiàn)對農(nóng)田邊界和障礙物的膨脹處理，使智能農(nóng)機能夠覆蓋整個可抵達的工作區(qū)域，避開農(nóng)田中的所有障礙物，并不得橫穿已遍歷的區(qū)域，保證最低的重復(fù)率，最大程度降低農(nóng)機作業(yè)規(guī)劃的搜索時間和作業(yè)損耗。還可以利用改進的回溯法保證智能農(nóng)機農(nóng)田作業(yè)的區(qū)域銜接，在基于貪心算法和曼哈頓距離公式的回溯機制下，能夠?qū)^(qū)域銜接路徑進行重新規(guī)劃，針對含有障礙物的農(nóng)田作業(yè)環(huán)境提出中間區(qū)域優(yōu)先行走策略，記錄區(qū)域銜接中尚未覆蓋的子區(qū)域的頂點信息，篩選出最佳回溯點，從而較好地減少重復(fù)覆蓋率，提高智能農(nóng)機當(dāng)前全覆蓋路徑規(guī)劃性能。

4.2 智能農(nóng)機在無人農(nóng)場的自動導(dǎo)航應(yīng)用

智能農(nóng)機導(dǎo)航控制系統(tǒng)是極其重要的部件，能夠精準(zhǔn)判斷農(nóng)機當(dāng)前的位置，獲悉智能農(nóng)機距離預(yù)設(shè)參考點的坐標(biāo)及運動位置，可以采用優(yōu)化的控制算法如最佳控制模型、線性模型控制、模糊控制模型等，不斷糾正智能農(nóng)機的行駛速度、轉(zhuǎn)向角度等控制量，計算智能農(nóng)機當(dāng)前位置及預(yù)設(shè)路徑的位置偏差，加上農(nóng)機的速度、航向角和橫滾角，計算智能農(nóng)機下一步前輪轉(zhuǎn)向期望角，持續(xù)糾正路線追蹤偏差,使之沿著預(yù)設(shè)路徑行駛。具體來說，智能農(nóng)機導(dǎo)航控制系統(tǒng)主要完成以下作業(yè)。

4.2.1 航向追蹤

智能農(nóng)機在無人農(nóng)場的工作過程中難免要在高低起伏的旱地上進行行駛，因而對智能農(nóng)機的轉(zhuǎn)向平穩(wěn)性有較高的要求，如果農(nóng)機轉(zhuǎn)向控制超調(diào)量大，則要花費較多的時間進行航向偏差和位置偏差的糾正，從而降低智能農(nóng)機的路徑追蹤精度。為了保證智能農(nóng)機在無人農(nóng)場的航向,可以采用航向追蹤控制的PID校正方法，按比例對系統(tǒng)的誤差信號做出響應(yīng)，通過積分環(huán)節(jié)消減系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，通過微分環(huán)節(jié)對誤差信號的改變趨勢做出響應(yīng)，并帶入有效的早期矯正信號提高系統(tǒng)響應(yīng)速度。由此可見，智能農(nóng)機能夠?qū)崿F(xiàn)基于速度的自適應(yīng)PID控制,利用自適應(yīng)PID控制器實現(xiàn)航向追蹤控制，提高控制系統(tǒng)的魯棒性，完成智能農(nóng)機在無人農(nóng)場的正常作業(yè)、田頭轉(zhuǎn)彎、曲線行駛等操作。

4.2.2 路徑追蹤

智能農(nóng)機主要通過轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)路徑追蹤，在智能農(nóng)機的路徑追蹤過程中，智能農(nóng)機可以自動獲取預(yù)設(shè)路線的位姿及運動狀態(tài)，精準(zhǔn)執(zhí)行操縱控制量。并基于預(yù)錨點的前提，確定智能農(nóng)機橫向追蹤誤差及縱向橫向偏差，通過相應(yīng)的控制算法得出前輪轉(zhuǎn)向偏角的操縱控制量，精準(zhǔn)執(zhí)行智能農(nóng)機在無人農(nóng)場的各種動作，并將運動狀態(tài)及位姿進行數(shù)據(jù)反饋，實現(xiàn)全程閉環(huán)式的工作循環(huán)。

4.2.3 容錯控制

智能農(nóng)機能夠基于容錯機制進行路徑追蹤控制，也即系統(tǒng)出現(xiàn)故障后應(yīng)用系統(tǒng)的冗余能力，具體來說可以采用主動容錯控制和被動容錯控制的方法，在主動容錯控制方法中，采用控制律重新調(diào)度、控制律重構(gòu)設(shè)計和模型跟隨重組控制的方式實現(xiàn)控制，對控制器結(jié)構(gòu)或參數(shù)進行調(diào)整，保證智能農(nóng)機系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性。在被動容錯控制方法之中，主要采用魯棒控制系統(tǒng)進行控制，使故障對智能農(nóng)機的影響降至最低。

4.3 智能農(nóng)機在無人農(nóng)場的故障診斷

智能農(nóng)機在無人農(nóng)場中的應(yīng)用狀況極其復(fù)雜，難免出現(xiàn)系統(tǒng)故障，對于不可恢復(fù)的故障系統(tǒng)無法進行自動容錯。對此，主要通過系統(tǒng)傳感器進行智能農(nóng)機故障狀態(tài)檢測診斷，獲悉故障類型、故障部位、故障原因，針對性地提出智能農(nóng)機故障解決方案，進行故障報警或故障恢復(fù)。在智能農(nóng)機的工作過程中，出現(xiàn)故障的設(shè)備主要有GPS、慣性單元、激光雷達等，其故障類型包括：定位異常、差分/定位信號丟失、航向角異常、其他故障等，在系統(tǒng)故障恢復(fù)后，可以通過組合導(dǎo)航、雷達導(dǎo)航和信息融合導(dǎo)航進行路徑重新規(guī)劃，并實現(xiàn)基于PID的轉(zhuǎn)向自動控制。

4.4 實現(xiàn)基于Android手機的智能農(nóng)機管理

為了更好地實現(xiàn)對智能農(nóng)機在無人農(nóng)場的作業(yè)管理，可以引入智能先進的農(nóng)機App手機客戶端，實時采集智能農(nóng)機的工作狀態(tài)和工作參數(shù)，各個農(nóng)機操作者能夠通過Android系統(tǒng)進行登錄查詢，實時獲悉智能農(nóng)機在無人農(nóng)場的作業(yè)信息，包括智能農(nóng)機作業(yè)定位、作業(yè)面積、作業(yè)安全性等，并通過系統(tǒng)實現(xiàn)農(nóng)機使用者、管理機構(gòu)、生產(chǎn)企業(yè)、售后維修服務(wù)等相鏈接和聯(lián)動，實現(xiàn)智能農(nóng)機的數(shù)據(jù)流檢測、配件供應(yīng)、售后維修等管理，確保智能農(nóng)機在無人農(nóng)場的高效、優(yōu)質(zhì)、低耗、安全使用。例如，利用系統(tǒng)后臺程序進行智能農(nóng)機作業(yè)的持續(xù)性自動檢測，及時獲悉智能農(nóng)機在無人農(nóng)場的作業(yè)狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)作業(yè)異常并進行自動提示和分析，針對性地制定最優(yōu)的解決方案。

5 結(jié)語

總之，智能農(nóng)機在無人農(nóng)場的應(yīng)用日益廣泛，要充分運用智能農(nóng)機關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)智能農(nóng)機在無人農(nóng)場的路徑自動規(guī)劃、導(dǎo)航控制和故障診斷，利用智能農(nóng)機控制系統(tǒng)實現(xiàn)智能化、自動化作業(yè)。