我國農(nóng)田平地機研究進展及展望

段 鑫，段 佳，張 海

（1.酒泉市金塔縣聚贏農(nóng)機專業(yè)合作社，甘肅酒泉 735000；2.甘肅大禹節(jié)水工程設計有限責任公司，甘肅蘭州 730000；3.甘肅大禹節(jié)水集團水利水電工程有限責任公司，甘肅酒泉 735000）

高標準農(nóng)田建設在我國越來越受到重視，國務院辦公廳分別于2019年11月、2021年9月公布了關于我國高標準農(nóng)田建設的規(guī)劃性文件。文件指出，到2030年，我國要建成12 億畝高標準農(nóng)田[1]。土地平整、集中連片是高標準農(nóng)田建設的最基本要求，農(nóng)田平地機為促使農(nóng)田達到這一基本要求提供了有力保障。

1 農(nóng)田平地機簡介

平整土地是實現(xiàn)精細農(nóng)業(yè)的基礎。農(nóng)田平地機主要包括推土機、激光農(nóng)田平地機及基于GPS/GNSS 控制的農(nóng)田平地機。推土機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)田平地機主要由激光發(fā)射器、激光接收器、控制箱、液壓機構、刮土鏟等組成[2]。激光農(nóng)田平地機工作時，激光發(fā)射器發(fā)射出旋轉激光束，該旋轉激光束形成水平的激光平面，作為平地作業(yè)時的基準平面；激光接收器安裝在刮土鏟的伸縮桿上，當其檢測到激光信號后，將信號進行處理并發(fā)送到控制器；控制器接收到信號后，控制液壓機構，達到調整刮土鏟高度的目的，從而實現(xiàn)高精度平整土地?；贕PS/GNSS 控制的農(nóng)田平地機主要由GPS 或GNSS 接收器、計算機、控制系統(tǒng)和平地鏟組成。這類平地機工作時，通過GPS/GNSS 接收器獲得當前坐標信息和高程信息，根據(jù)高程的數(shù)據(jù)信息判斷地勢高低，進而控制平地鏟的升降進行平地作業(yè)[3]。

本文將重點圍繞激光農(nóng)田平地機和基于GPS/GNSS控制的農(nóng)田平地機來闡述農(nóng)田平地機研究進展。

2 農(nóng)田平地機研究現(xiàn)狀

2.1 激光農(nóng)田平地機

20世紀70年代，美國首先將激光技術應用于農(nóng)用平地機械，并取得了巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。目前，該技術在許多國家的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中已得到廣泛應用[4]。我國于20 世紀80 年代開始引進國外的激光平地技術后，致力于開發(fā)擁有自主知識產(chǎn)權的激光平地機，已取得了一系列研究進展。狄美良介紹了激光發(fā)射機、激光平地機、控制器的組成，詳細闡述了激光技術在農(nóng)田土地平整中的應用[5]?？搽s等介紹了激光平地機研究應用現(xiàn)狀，分析其在新疆的發(fā)展應用前景，總結了激光平地機在新疆推廣應用的優(yōu)勢[4]。王建民等介紹了激光平地系統(tǒng)的工作原理、結構組成、操作方法，并將激光平地機與普通平地機的作業(yè)情況進行了對比，結果表明，與普通平地機相比，激光平地機能夠節(jié)省用水、降低費用[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]。劉剛等開發(fā)了用于農(nóng)田平地的激光接收與控制裝置、液壓調節(jié)裝置、平地鏟等，通過田間試驗表明，所開發(fā)的系統(tǒng)工作性能良好[8]。張延林等分析了激光平地機在土地平整中的優(yōu)勢，對黃花農(nóng)場和花海農(nóng)場經(jīng)過激光平地儀平整后的平均節(jié)水率和節(jié)肥率進行比較，發(fā)現(xiàn)激光平地機對提高農(nóng)田灌溉水利用率、促進農(nóng)業(yè)節(jié)水可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義[9]。戴寧湘等針對激光發(fā)射平臺自動調平控制系統(tǒng)展開設計，使激光發(fā)射平臺能更精確地檢測數(shù)據(jù)，使農(nóng)田平地機作業(yè)更精確[10]。齊俊騰等設計了全電農(nóng)用激光平地機，經(jīng)田間試驗表明：與傳統(tǒng)機型相比，所設計的激光平地機對土地平整的平整精度有較大提高[11]。胡煉等設計了一種懸掛式多輪支撐旱地激光平地機，該機通過拖拉機三點懸掛機構浮動功能與多輪支撐相結合，實現(xiàn)激光控制平地作業(yè)[12]。近年來，我國學者研制了一批具有特定型號的激光農(nóng)田平地機。李騰等研制了12PJY-3A 型液控智能激光平地機，先通過仿真結果不斷修正虛擬樣機，再試制樣機。通過樣機的田間試驗，表明樣機的平整精度較高[13]。馮正睿介紹了12PQ-3.0型淺松式農(nóng)用激光平地機的設計研制過程，并闡述其基本機構、工作原理和試驗示范情況[14]。姚東偉等設計了具有農(nóng)田耕作標準化、精細化平整特點的JPD-360 型旱地激光平地機，解決了適應性差、作業(yè)抖動造成信號中斷失準等問題，具有較好的經(jīng)濟效益和推廣價值[15]。

上述文獻的研究對象大都是針對旱地的激光平地機。研究發(fā)現(xiàn)，采用激光農(nóng)田平地機對水田進行平整，同樣有利于農(nóng)作物的生長，從而提高糧食產(chǎn)量[16]。針對水田激光平地機，陳嘉琪等設計了SD卡和Wi-Fi 模塊相結合的實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，使平地機在水田中的工作信息得以實時存儲和發(fā)送，方便調試人員分析平地機的實時工況[17]。涂海為提高平地機高速運轉時控制系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定性，建立了基于多體動力學知識的平地機模型，分析了影響平地鏟工作的主、次要因素，并對水田平地機進行了機械結構優(yōu)化設計[18]。周浩設計了激光控制水田精準平地打漿機及與之配套的高程調節(jié)機構、調平機構、平地機構、自動控制系統(tǒng)和液壓控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)平地打漿機高程和調平的同步自動控制[19]。

綜上所述，激光農(nóng)田平地機能夠同時適用于旱地和水田的土地平整，在高標準農(nóng)田建設中具有顯著優(yōu)勢，已得到廣泛應用。雖然激光農(nóng)田平地機具有諸多優(yōu)點，但其在特殊天氣條件下（如大風、強光等），激光發(fā)射器的工作性能會受到影響。此外，由于激光接收器接收信號時垂直范圍的測量有限，因此工作半徑適合面積較小、地勢起伏不大的農(nóng)田區(qū)域[3]。

2.2 基于GPS/GNSS控制的農(nóng)田平地機

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

針對基于GPS 控制的平地機，李赫獲取了農(nóng)田區(qū)域的GPS 三維數(shù)據(jù)信息，對獲取的GPS 數(shù)據(jù)進行坐標轉換和誤差校正，對基于GPS 平地的作業(yè)路徑進行了規(guī)劃，并驗證了路徑規(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 接收機獲取農(nóng)田三維地形位置數(shù)據(jù)，并提出了高程測量數(shù)據(jù)誤差修正算法[20]。王新忠等對RTK 差分GPS 平地機作業(yè)質量效果進行了評估，結果表明，使用RTK 差分GPS 平地機進行農(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GPS 農(nóng)田平地機土方量及設計高程的計算，開發(fā)了基于VB 6.0 編程軟件的計算軟件，提高了平地作業(yè)效率[22]。

針對基于GNSS 控制的平地機，王巖等提出了基于導航技術的GNSS 平地作業(yè)路徑實時規(guī)劃與輔助決策方法，能夠較好地規(guī)劃實時路徑并提供導航方向，引導拖拉機進行高效平地作業(yè)[23]。巫章鵬提出了一種新的平地鏟姿態(tài)調整方法，該方法可用于土地平整作業(yè)中實時調整GNSS 精平機平地鏟姿態(tài)[24]。王少農(nóng)等研發(fā)了新型GNSS 平地系統(tǒng)，進行了平地作業(yè)試驗研究，為基于GNSS 的農(nóng)田平地系統(tǒng)的研發(fā)提供經(jīng)驗與數(shù)據(jù)[25]。劉剛等結合農(nóng)田平整實際要求及作業(yè)經(jīng)驗，在改進系統(tǒng)硬件的基礎上，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)田平地機的運動學模型，提出了一種基于牽引式農(nóng)田平地機的導航側滑估計與自適應控制方法，采用GNSS 雙天線導航定位系統(tǒng)測量農(nóng)田平地機的運動狀態(tài)[27]。梁冉冉等研發(fā)了一套基于雙天線GNSS 的精準平地系統(tǒng)，能夠完成精準平地軟件的調試和平地機精準作業(yè)的監(jiān)測工作[28]。王婷婷等對GNSS 精準平地機的應用現(xiàn)狀進行了分析，介紹了GNSS 精準平地機的組成，并指出以后該類平地機將使用多傳感器融合技術，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)田平地機不受氣候條件限制，土地平整精度高，在未來具有巨大的應用潛力。此外，隨著我國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的不斷完善，為推進基于GPS/GNSS 控制的農(nóng)田平地機的應用提供了重要保障。目前，基于GPS/GNSS 控制的農(nóng)田平地機還處于不斷探索階段，后期仍需要繼續(xù)投入人力、物力、財力到該類平地機的研究中，以期獲得精確、高效的產(chǎn)品。

3 農(nóng)田平地機發(fā)展趨勢

通過綜述我國農(nóng)田平地機研究現(xiàn)狀，比較分析現(xiàn)有農(nóng)田平地機的優(yōu)缺點，展望農(nóng)田平地機未來發(fā)展趨勢，應具有智能化、集成化、多樣化等特點。

1）智能化。根據(jù)目前農(nóng)機行業(yè)的發(fā)展趨勢可知，農(nóng)田平地機也同樣朝著智能化方向發(fā)展。未來若將先進的人工智能技術和優(yōu)化算法應用于農(nóng)田平地機，將進一步提高農(nóng)田土地的平整精度，從而促進農(nóng)作物產(chǎn)量提升。而且隨著人工智能技術的進一步發(fā)展，農(nóng)田平地機將逐步實現(xiàn)無人化作業(yè)，可以減少人類的勞動強度，節(jié)約人工成本。

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

3）多樣化。我國地形多樣，要推動精細化農(nóng)業(yè)在我國不同地區(qū)的發(fā)展，應結合不同地區(qū)的地形結構和土地平整要求，開發(fā)相應的多樣化農(nóng)田平地機產(chǎn)品。