水稻聯(lián)合收獲機(jī)輔助導(dǎo)航系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)探討

莫德寬

(來賓市興賓區(qū)鳳凰鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村綜合服務(wù)中心，廣西 來賓 546102)

0 引言

水稻是我國重要的糧食作物之一，在我國常年種植面積超過3 000萬hm2[1-2]，因此，水稻收獲是水稻生產(chǎn)的重要作業(yè)環(huán)節(jié)之一，同時也是水稻生產(chǎn)中勞動強(qiáng)度最大的作業(yè)環(huán)節(jié)。由于水稻收獲時期水稻基本生長參數(shù)和土壤環(huán)境不同[3-5]，駕駛員需要根據(jù)不同收獲環(huán)境實(shí)時調(diào)節(jié)水稻聯(lián)合收獲機(jī)田間行進(jìn)速度、作業(yè)速度、割臺高度等參數(shù)[6]，對駕駛技術(shù)要求較高，同時也帶來了較大的勞動強(qiáng)度和工作負(fù)擔(dān)。

導(dǎo)航定位技術(shù)可實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃與路徑自主跟蹤，能顯著提高農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)效率，降低駕駛員的工作強(qiáng)度，但是由于技術(shù)尚未成熟，在農(nóng)機(jī)裝備中導(dǎo)航和定位誤差較大，對水稻聯(lián)合收獲機(jī)轉(zhuǎn)向偏角等關(guān)鍵參數(shù)無法直接測量，導(dǎo)致田間作業(yè)誤差較大[7-8]。

以水稻聯(lián)合收獲機(jī)為研究目標(biāo)，設(shè)計一種水稻聯(lián)合收獲機(jī)輔助導(dǎo)航系統(tǒng)，并對其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，如導(dǎo)航技術(shù)、信息采集技術(shù)與控制技術(shù)等，并進(jìn)行田間驗(yàn)證。研究結(jié)果對于提高作物收獲效率，降低駕駛員勞動強(qiáng)度提供技術(shù)參考，對于實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)裝備自主導(dǎo)航和路徑優(yōu)化具有重要意義。

1 農(nóng)業(yè)裝備導(dǎo)航技術(shù)研究進(jìn)展

實(shí)現(xiàn)對農(nóng)機(jī)裝備的精準(zhǔn)定位是進(jìn)行自動駕駛的必要條件和技術(shù)基礎(chǔ)，可采用不同導(dǎo)航定位技術(shù)，目前農(nóng)機(jī)裝備導(dǎo)航定位技術(shù)主要包括激光導(dǎo)航、機(jī)器視覺識別技術(shù)、慣性導(dǎo)航等，也可通過多種導(dǎo)航技術(shù)組合使用。

激光導(dǎo)航系統(tǒng)是伴隨激光技術(shù)不斷成熟而發(fā)展起來的一種新興導(dǎo)航應(yīng)用技術(shù)，主要是機(jī)器通過測量激光從發(fā)出到接收的時間計算出自身距離前方障礙物的距離。只不過激光測距測量1次即可，而激光導(dǎo)航則是需要進(jìn)行更多點(diǎn)位的測距，以此標(biāo)定機(jī)器自身位置。適用于視線不良情況下的運(yùn)行導(dǎo)航、野外勘測定向等工作，將其作為民用或軍用導(dǎo)航手段是十分可行的。

視覺導(dǎo)航定位系統(tǒng)是借助攝像機(jī)/CCD圖像傳感器或者其他快速信號處理器，對目標(biāo)對象周圍的環(huán)境進(jìn)行光學(xué)處理，借助這些外部圖像處理器進(jìn)行圖像信息采集，將采集到的信息進(jìn)行壓縮，然后再反饋到一個提前搭建好的子系統(tǒng)(一般由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和統(tǒng)計學(xué)構(gòu)成)，再通過該子系統(tǒng)將采集到的圖像信息和目標(biāo)對象的實(shí)際位置聯(lián)系起來，完成目標(biāo)對象的自主導(dǎo)航定位功能。

慣性導(dǎo)航(Inertial Navigation)是一種利用安裝在運(yùn)載體上的陀螺儀和加速度計來測定運(yùn)載體位置的系統(tǒng)。通過陀螺儀和加速度計的測量數(shù)據(jù)，確定運(yùn)載體在慣性參考坐標(biāo)系中的運(yùn)動，同時計算出運(yùn)載體在慣性參考坐標(biāo)系中的位置，通過測量飛行器的加速度，并自動進(jìn)行積分運(yùn)算，獲得飛行器瞬時速度和瞬時位置數(shù)據(jù)的技術(shù)。組成慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)備都安裝在運(yùn)載體內(nèi)，工作時不依賴外界信息，也不向外界輻射能量，不易受到干擾，是一種自主式導(dǎo)航系統(tǒng)。

2 水稻聯(lián)合收獲機(jī)輔助導(dǎo)航系統(tǒng)總體設(shè)計與工作原理

通過對國內(nèi)外農(nóng)機(jī)裝備導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行分析后可知，導(dǎo)航技術(shù)目前主要包括農(nóng)機(jī)位姿信息獲取、路徑規(guī)劃、路徑修正和執(zhí)行裝置4個關(guān)鍵組成部分。通過分析水稻聯(lián)合收獲機(jī)田間行駛特征與影響要素進(jìn)行研究，并通過探究輔助導(dǎo)航裝置控制方法搭建水稻聯(lián)合收獲機(jī)輔助導(dǎo)航系統(tǒng)試驗(yàn)平臺。

2.1 輔助導(dǎo)航系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

水稻聯(lián)合收獲機(jī)田間理想工作狀態(tài)是保證“滿幅收獲”，但是在實(shí)際收獲過程中，由于作物種植之間存在間隙，難以實(shí)現(xiàn)“滿幅收獲”。為了提高水稻收獲效率，本研究通過設(shè)計一種水稻聯(lián)合收獲機(jī)輔助導(dǎo)航系統(tǒng)，可準(zhǔn)確識別水稻待收獲區(qū)域，并通過便捷提取的方法為水稻聯(lián)合收獲機(jī)規(guī)劃路徑，并對當(dāng)前行駛路徑與目標(biāo)路徑之間存在的偏差進(jìn)行修正，進(jìn)而保證水稻聯(lián)合收獲機(jī)按照目標(biāo)路徑完成水稻收獲作業(yè)，其核心技術(shù)主要為導(dǎo)航定位技術(shù)、水稻收獲區(qū)域識別技術(shù)和作業(yè)路徑優(yōu)化技術(shù)等，整體工作原理如圖1所示。

圖1 水稻聯(lián)合收獲機(jī)輔助導(dǎo)航系統(tǒng)工作原理圖

2.2 工作原理

水稻聯(lián)合收獲機(jī)上位機(jī)采用組態(tài)系統(tǒng)提供人機(jī)操作界面，實(shí)時呈現(xiàn)機(jī)器田間工作參數(shù)與實(shí)時運(yùn)行狀態(tài)，將田間工作信息反饋給控制系統(tǒng)，采用視覺識別系統(tǒng)進(jìn)行田間圖像采集與識別，完成圖像處理并進(jìn)行路徑規(guī)劃，進(jìn)而控制執(zhí)行裝置完成相關(guān)動作。信息處理系統(tǒng)與通訊原理圖如圖2所示。

圖2 水稻聯(lián)合收獲機(jī)輔助導(dǎo)航系統(tǒng)信號處理原理圖

2.3 路徑優(yōu)化與控制技術(shù)

水稻聯(lián)合收獲機(jī)路徑規(guī)劃與控制技術(shù)是輔助導(dǎo)航系統(tǒng)的核心技術(shù)，主要是通過導(dǎo)航定位技術(shù)、視覺識別技術(shù)等計算水稻聯(lián)合收獲機(jī)田間運(yùn)行路徑與路徑偏差，控制算法精度是提高水稻聯(lián)合收獲機(jī)輔助導(dǎo)航系統(tǒng)田間作業(yè)精度的關(guān)鍵。本研究提出的水稻聯(lián)合收獲機(jī)輔助導(dǎo)航系統(tǒng)主要是根據(jù)視覺識別技術(shù)提取田間水稻收獲便捷信息，通過相關(guān)控制算法計算水稻聯(lián)合收獲機(jī)路徑偏差，并根據(jù)路徑計算出控制參數(shù)，通過液壓系統(tǒng)完成路徑優(yōu)化，其工作原理如圖3所示。

圖3 輔助導(dǎo)航系統(tǒng)路徑控制原理圖

3 田間試驗(yàn)與分析

通過田間收獲試驗(yàn)驗(yàn)證水稻聯(lián)合收獲機(jī)輔助導(dǎo)航系統(tǒng)的合理性與有效性，重點(diǎn)分析了水稻聯(lián)合收獲機(jī)輔助導(dǎo)航系統(tǒng)的田間適應(yīng)性與作業(yè)效果，研究結(jié)果以期為水稻聯(lián)合收獲機(jī)智能化水平的提升提供技術(shù)參考與理論依據(jù)。

3.1 試驗(yàn)條件

在進(jìn)行田間試驗(yàn)前采用五點(diǎn)法對水稻生長基本參數(shù)和稻田土壤環(huán)境進(jìn)行測定，測定結(jié)果如表1和表2所示。

表1 水稻生長基本參數(shù)

表2 稻田土壤環(huán)境基本參數(shù)

3.2 測定指標(biāo)與方法

試驗(yàn)開始前，在水稻收獲區(qū)域邊界每隔3 m進(jìn)行標(biāo)記，收獲區(qū)域距離標(biāo)記距離設(shè)置為dgi，共設(shè)定N個點(diǎn)，在水稻收獲完成后再次測量dgi，根據(jù)式(1)和式(2)測定測定點(diǎn)割幅Zgi與理想割幅△Zgi之間的偏差。

(1)

△Zgi=Zgi-Zm

(2)

(3)

△Zgmax=max(△Zgi)

(4)

(5)

3.3 結(jié)果與分析

試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，研究結(jié)果表明，水稻聯(lián)合收獲機(jī)輔助導(dǎo)航系統(tǒng)能有效識別水稻待收獲區(qū)域邊界，并且實(shí)現(xiàn)不漏割，可滿足水稻收獲農(nóng)藝要求。

表3 水稻聯(lián)合收獲機(jī)輔助導(dǎo)航系統(tǒng)評價指標(biāo)

4 結(jié)論與展望

農(nóng)業(yè)裝備自動導(dǎo)航系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)智能化生產(chǎn)和精細(xì)農(nóng)業(yè)的核心技術(shù)之一，是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)智能化、信息化和高效化發(fā)展的重要途徑。在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)機(jī)械中安裝導(dǎo)航系統(tǒng)，可輔助駕駛員高效完成田間作業(yè)，降低駕駛員勞動強(qiáng)度和工作負(fù)擔(dān)。本研究提出一種水稻聯(lián)合收獲機(jī)輔助導(dǎo)航技術(shù)，結(jié)合視覺識別技術(shù)和路徑優(yōu)化方法實(shí)現(xiàn)水稻高效收獲，并通過田間試驗(yàn)進(jìn)行系統(tǒng)驗(yàn)證，研究結(jié)果表明，輔助導(dǎo)航系統(tǒng)可以精確識別水稻收獲邊界區(qū)域，提高水稻收獲效率，根據(jù)水稻收獲邊界自主調(diào)節(jié)作業(yè)路徑，提高水稻收獲率，對于提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平具有重要發(fā)展意義。