基于北斗導(dǎo)航技術(shù)的農(nóng)機作業(yè)數(shù)據(jù)監(jiān)測終端產(chǎn)品應(yīng)用研究

白衛(wèi)衛(wèi)， 孫樂明， 王戰(zhàn)洪， 李廣興， 周鵬立， 徐 培

（1.河南省舞陽縣農(nóng)業(yè)機械技術(shù)中心，河南 漯河 462000； 2.漯河市農(nóng)業(yè)機械技術(shù)中心，河南 漯河 462000；3.國家農(nóng)機裝備創(chuàng)新中心，河南 洛陽 471000）

0 引言

在農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和農(nóng)機智慧化水平不斷提升的國家戰(zhàn)略背景下，隨著定位系統(tǒng)、數(shù)據(jù)感知、傳輸分析等物聯(lián)網(wǎng)信息科技的不斷進步，農(nóng)業(yè)機械智能化、智慧化已成為我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進程中的必然環(huán)節(jié)[1-2]。截至2021 年底，我國農(nóng)用拖拉機保有量2 173.06 萬臺、稻麥聯(lián)合收獲機162.72 萬臺、玉米聯(lián)合收獲機61.06 萬臺，其中以北斗和5G 等信息技術(shù)為支撐，加裝北斗衛(wèi)星導(dǎo)航的拖拉機、聯(lián)合收獲機超過60 萬臺，不足動力機具總保有量的40%[3-4]。然而受到我國地域間農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式差異及土地現(xiàn)狀影響，智慧農(nóng)業(yè)機具在大農(nóng)場及農(nóng)機合作組織較為集中[5]。傳統(tǒng)農(nóng)機具已無法滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要，“強化農(nóng)業(yè)科技和裝備支撐，建設(shè)智慧農(nóng)業(yè)”已列入“十四五”規(guī)劃和2035 年遠景目標，發(fā)展智能農(nóng)機是我國農(nóng)業(yè)持續(xù)高質(zhì)發(fā)展的重要手段，智能農(nóng)機監(jiān)測設(shè)備是農(nóng)業(yè)智能化重要的實現(xiàn)途徑[6-7]。

近年來，以北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為基礎(chǔ)，以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為載體的農(nóng)機作業(yè)監(jiān)測設(shè)備不斷發(fā)展，但市場終端產(chǎn)品五花八門，質(zhì)量參差不齊，嚴重影響農(nóng)業(yè)機械智能化的發(fā)展，隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進程不斷加快，結(jié)合我國農(nóng)機保有現(xiàn)狀，優(yōu)化農(nóng)機作業(yè)監(jiān)測產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，提高農(nóng)機作業(yè)監(jiān)測產(chǎn)品可靠性等刻不容緩[8-10]。為此，河南省漯河市農(nóng)業(yè)機械技術(shù)中心聯(lián)合國家農(nóng)機裝備創(chuàng)新中心等單位，在河南省農(nóng)業(yè)機械技術(shù)中心作業(yè)補貼項目支持下，開展基于北斗衛(wèi)星定位的農(nóng)機作業(yè)監(jiān)測終端面積誤差、靜態(tài)坐標點漂移、軌跡偏移等技術(shù)指標試驗，針對解決區(qū)域內(nèi)農(nóng)機作業(yè)監(jiān)測產(chǎn)品質(zhì)量差異化應(yīng)用需求，向使用后裝遠程運維終端的農(nóng)機部門、農(nóng)機合作社和農(nóng)機個體戶提供主流農(nóng)機作業(yè)監(jiān)測產(chǎn)品可信任的作業(yè)數(shù)據(jù)，為農(nóng)機管理部門、農(nóng)機制造企業(yè)及行業(yè)發(fā)展趨勢提供農(nóng)機智能化發(fā)展數(shù)據(jù)支持[11-13]。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗地塊

試驗地塊選自河南省舞陽縣北舞渡鎮(zhèn)農(nóng)機合作社試驗用地，經(jīng)度113.395 8°E、緯度33.378 0°N，選取其中約0.267 hm2空白地塊為本次試驗用地。

1.2 試驗項目

試驗項目及內(nèi)容如表1 所示。

表1 試驗項目及內(nèi)容Tab.1 Test items and contents

1.3 試驗設(shè)備

1.3.1 機器設(shè)備

以谷物聯(lián)合收獲機、拖拉機掛接旋耕機為研究對象，進行表1 中的試驗項目測定，設(shè)備信息如表2 所示。

表2 試驗用設(shè)備信息Tab.2 Test equipment information

1.3.2 遠程運維終端設(shè)備

選擇國內(nèi)市場來自于8 家農(nóng)機作業(yè)監(jiān)測設(shè)備企業(yè)的主流產(chǎn)品，設(shè)備樣機信息如表3 所示。

表3 農(nóng)業(yè)作業(yè)監(jiān)測設(shè)備樣機Tab.3 Prototype of testing equipment for agricultural operations

1.4 試驗方法

1.4.1 靜態(tài)CEP50/95

各終端設(shè)備調(diào)度測試完成后，將設(shè)備定位天線放置于指定位置上（該位置由RTK 提前打點測量），開機后靜態(tài)放置1 min 后開始試驗，計時5 min 后結(jié)束試驗。

1.4.2 斷點續(xù)傳

由國家農(nóng)機裝備創(chuàng)新中心IOT 平臺接收試驗設(shè)備數(shù)據(jù)，正常數(shù)據(jù)傳輸中，中斷供電，10 min 后恢復(fù)供電試驗結(jié)束[14-16]。

1.4.3 靜態(tài)作業(yè)深度/狀態(tài)

將各企業(yè)智能終端設(shè)備安裝到試驗作業(yè)農(nóng)機，然后進行非作業(yè)姿態(tài)標定、作業(yè)姿態(tài)標定、計算絕對差值。

1.4.4 動態(tài)作業(yè)狀態(tài)

由測試人員手持RTK 沿將試驗田一周測算試驗田面積，對各關(guān)鍵點進行定位取點，在試驗田中間留白部分測算空白面積；將各企業(yè)測試智能終端設(shè)備安裝到試驗作業(yè)農(nóng)機上，最后調(diào)試設(shè)備，測試人員以RTK為定準，各企業(yè)統(tǒng)一標準標定幅寬、作業(yè)深度等關(guān)鍵數(shù)據(jù)后進行試驗作業(yè)。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 靜態(tài)CEP50/95

試驗時間及RTK 標定如表4 所示。表4 中試驗場地坐標經(jīng)緯度為RTK 8 個基準點，定位后將測試產(chǎn)品分別放置基準點進行試驗，結(jié)束后對比產(chǎn)品定位與RTK 定位精度，確保試驗可靠性，HD 由于早期設(shè)備未完成，則此項試驗在下午進行。

表4 各終端設(shè)備靜態(tài)CEP 試驗情況Tab.4 Static CEP test of each terminal device

由表5 和圖1 可知，BD 定位整體向北偏移，中心點距離原始坐標點大概偏移0.85 m，偏移點位較為規(guī)則，整體精度較低；XX 點位整體向西北方向偏移，中心點距離原始坐標點大概偏移0.205 m，偏移點位較為集中，終端對該場景做過相應(yīng)的處理；整體精度比較高，漂移程度較低；ZN 點位整體向北偏移，中心點距離原始坐標點大概偏移1.367 m，偏移點位較為分散；FJ 點位整體向東偏移，中心點距離原始坐標點大概偏移0.474 m，偏移點位較為分散，定位精度較高且漂移程度中等；YB 點位整體向西北偏移，中心點距離原始坐標點大概偏移0.1 m，偏移點位較為集中且點位較少，終端對該場景做過相應(yīng)處理；定位精度較高且漂移程度較低；NL 點位整體向東偏移，中心點距離原始坐標點大概偏移1.342 m，偏移點位較為集中且點位較少，終端對該場景做過相應(yīng)處理；定位精度較低且漂移程度較高；LM 點位整體向東南方向偏移，中心點距離原始坐標點大概偏移0.772 m，偏移點位較為分散；整體精度比較低；HD 點位整體向西南偏移，中心點距離原始坐標點大概偏移0.783 m，偏移點位較為集中；定位精度中等且漂移程度較高。

圖1 靜態(tài)測試平臺結(jié)果Fig.1 Static testbed data

表5 靜態(tài)CEP 試驗結(jié)果Tab.5 Static CEP test results

2.2 斷點續(xù)傳試驗

斷點續(xù)傳功能確保了設(shè)備在復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境中能夠完成作業(yè)數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)，結(jié)果如表6 所示。

表6 斷點續(xù)傳試驗結(jié)果Tab.6 Experimental results of breakpoint continuation

由于產(chǎn)品應(yīng)用推廣的使用對象及應(yīng)用場景不同，斷電續(xù)傳功能的完善顯得由為重要，避免設(shè)備在使用過程中由于農(nóng)業(yè)環(huán)境等引起的數(shù)據(jù)異常，由表6 可知，除LM 外未能識別外均能在斷電、恢復(fù)后繼續(xù)上傳數(shù)據(jù)，LM 分析設(shè)備調(diào)試或數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議發(fā)生錯誤，LM無法屏蔽信號可能由于測試終端定位功能故障。

2.3 旋耕機作業(yè)試驗

2.3.1 靜態(tài)深度試驗

試驗農(nóng)機初始RTK 標定數(shù)值如表7 所示。

表7 拖拉機掛接旋耕機RTK 初始標定Tab.7 Initial calibration of RTK of tractor mounted rototiller

由表8 和圖2 可知，NL 和ZN 作業(yè)變化量相對準確；BD 圖中曲線表現(xiàn)為抗抖動性較差，作業(yè)變化量相對準確；XX 與YB 終端監(jiān)測的變化量與實際變化量差距過大；FJ 零點標識錯誤，姿態(tài)變化趨勢和實際姿態(tài)變化趨勢相反；HD 與LM 未能有效監(jiān)測到機具姿態(tài)的變化。

圖2 旋耕機智能終端靜態(tài)深度測試Fig.2 Static depth test chart of intelligent terminal of rotary tiller

表8 靜態(tài)深度試驗數(shù)據(jù)Tab.8 Static depth test data

2.3.2 動態(tài)作業(yè)試驗

由表9 和圖3 可知，NL 和XX 作業(yè)狀態(tài)識別準確，試驗地塊地頭部分進行了區(qū)分，其余識別不準確但其中YB 試驗地頭進行了區(qū)分；作業(yè)軌跡平均偏移來看多數(shù)為0.8～1.5 m，HD 和YB 分別為1.794 和3.156 m，偏移較高；從面積差方面看半數(shù)面積誤差集中在±3%以內(nèi)，ZN、HD、YB 和LM 面積誤差分別為4.06%、13.42%、35.6%和-47.76%；作業(yè)點上頻率除HD 為5s/次外，均為2s/次。

圖3 作業(yè)監(jiān)測終端動態(tài)試驗情況Fig.3 Dynamic test of operation monitoring terminal

表9 作業(yè)監(jiān)測終端動態(tài)試驗數(shù)據(jù)Tab.9 Dynamic test data of operation monitoring terminal

2.4 聯(lián)合收割機作業(yè)試驗

2.4.1 靜態(tài)深度試驗

試驗農(nóng)機初始RTK 標定數(shù)值如表10 所示。

表10 收割機RTK 初始標定Tab.10 Initial calibration of harvester RTK

由表11 和圖4 可知，NY、HD 標零點數(shù)據(jù)回傳不準確或未標零，與實際高度有一定差距；BD 作業(yè)變化量相對準確；XX、YB 作業(yè)高度變化監(jiān)測準確；ZN、FJ 與實際變化量差距過大；LM 終端未能有效監(jiān)測到機具姿態(tài)的變化。

圖4 聯(lián)合收割機智能終端靜態(tài)深度測試Fig.4 Static depth test of combine intelligent terminal

表11 靜態(tài)深度試驗數(shù)據(jù)Tab.11 Static depth test data單位：cm

2.4.2 動態(tài)作業(yè)試驗

由表12 和圖5 可知， NL、LM 和YB 作業(yè)狀態(tài)識別準確，試驗地塊地頭部分進行了區(qū)分，其余識別不準確，并且試驗地頭進行了區(qū)分；作業(yè)軌跡平均偏移半數(shù)為0.5～1.3 m，LM、HD、ZN 和FJ 軌跡平均偏移量分別為2.927、3.017、3.655 和17.681 m；半數(shù)面積誤差集中在±3%以內(nèi)，LM、HD、ZN 和FJ 面積誤差分別為-11.43%、-16.77%、-23.57%和-24.54%；作業(yè)點上頻率除HD 為5s/次外，均為2s/次。

圖5 作業(yè)監(jiān)測終端動態(tài)試驗情況Fig.5 Dynamic test of operation monitoring terminal

表12 作業(yè)監(jiān)測終端動態(tài)試驗數(shù)據(jù)Tab.12 Dynamic test data of operation monitoring terminal

3 結(jié)束語

靜態(tài)CEP 試驗，YB、XX 終端CEP50 和CEP95 最低，CEO50 為0.111、0.209，CEP95 為0.130、0.215；其余企業(yè)皆超過0.5。旋耕機靜態(tài)深度試驗，ZN、XX終端與實際差距最低，都為0.3 cm；其次為NL、BD終端，都為0.7 cm。收割機靜態(tài)試驗，XX、YB 終端與實際差距最低，都為0.1 cm，其次為NL、BD 終端，都為1.1 cm。旋耕機動態(tài)試驗，軌跡偏移量由低到高前3 分別為LM、ZN 和XX 終端，為0.803、0.829 和0.842 m。收割機作業(yè)試驗，軌跡偏移量由低到高前3分 別為YB、 XX 和NL 終 端， 為0.566、 0.906 和1.167 m。旋耕機作業(yè)面積差距前3 分別為FJ、BD 和XX 終端，為1.5%、2.07%和2.25%。收割機作業(yè)面積差距前3 分別為YB、BD 和XX 終端，為1.05%、2.07%和2.79%。

上述數(shù)據(jù)結(jié)論表明，相同大田試驗環(huán)境中不同終端對于不同試驗項目有不同的數(shù)據(jù)表現(xiàn)，實際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)使用需要，選擇優(yōu)勢數(shù)據(jù)表現(xiàn)產(chǎn)品作為作業(yè)監(jiān)測設(shè)備使用。由于參試終端樣本局限性及科技水平不斷發(fā)展造成研究有更深一步的可能性，從應(yīng)用推廣層面討論，如何在復(fù)雜的農(nóng)業(yè)環(huán)境中確保終端產(chǎn)品定位精準度、作業(yè)面積誤差及數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃缘仁沁M一步重點研究方向。