智能农机自动导航系统应用研究

孙　琦

(廊坊市广播电视大学,河北 廊坊　065000)

0　引言

我国幅员辽阔，北方地区的地势平坦，有大面积的连片农田。同时，农业产业模式和结构的转型使得南方地区的农田出现集中经营的趋势，大面积的农田数量日益增多。在这样形势下，依然采用传统的农田作业方式不仅效率低，且生产成本较高，无法推动农业现代化的发展。例如，作物的播种必须要在适宜的时期内完成，人工播种会因效率太低而错过最佳播种时机，影响作物后续的生长。农业生产的机械化是农业现代化的重要内容，且大面积成片农田的增加也为大型农业机械的应用提供了有利条件和广阔空间。我国农业生产机械化的发展较快，水稻、玉米和小麦这三大主要粮食作物的生产可以实现全程的机械化；但是，受局部自然条件和机械性能的影响，机械化的普及率还不高。因此，进一步提升机械的适应性和自动化水平对农业的可持续发展具有重要的意义。

精准农业的概念在1997年提出，代表了当今世界现代农业发展的新潮流。精准农业推动农业生产向规模化、专业化和科学化转变，也对农业机械的技术水平提出了更高的要求[1]。农业机械的自动导航是其自动化和智能化水平的重要内容，也是降低人力成本、提高土地利用率的有效手段[2-3]。农机的导航研究开始于20世纪80年代，最初的目标是实现农机的无人驾驶；后来依赖于计算机视觉和卫星导航技术的进步，导航的精度逐步提高，应用范围也日益扩大[4-5]。随着我国社会的发展和农业现代化的进步，各种大型机械也开始使用卫星和计算机视觉实现导航，提高了播种、施肥、喷药、整地和起垄等作业的效率和土地利用率[6-7]。

卫星导航利用电子地图和卫星信号接收机进行的实时定位和导航，目前比较成熟的卫星定位导航系统包括美国的GPS、俄罗斯的GLONASS和中国的北斗[8]。我国最早使用的是GPS为民用级，精度仅有10m，定位误差太大，不能满足农机自动导航的要求[9]。GLONASS的误差太大，且实现难度和使用成本较高，不适用于我国的农机自动导航。GPS和GLONASS系统都由国外开发，核心技术由国外掌握，因而容易形成垄断格局，对其严重依赖还会引起信息领域的安全问题。计算机视觉概念是在20世纪80年代提出来的，最初被用来引导机器人采摘水果，后来发展出多种用途，包括农业机械的自动导航。计算机视觉的信息处理程序依次为图像获取、目标与背景分割、目标特征提取和信息分析决策，在自动导航中的功能是识别机械的行走路径和检测障碍物[10]。计算机视觉用于农机自动导航面临两个问题：一是田间光照变化较快，对图像采集质量和目标特征的提取分析造成很大的干扰，在夜晚光线不足的情况下完全无法发挥作用；二是图像的信息量很大，处理过程消耗较长的时间，引起信息决策的滞后问题。以上因素影响了计算机视觉在农机自动导航中应用的范围。

北斗卫星系统由我国自行研制的全球第3个成熟的卫星导航系统，拥有核心技术和自主产权，结束了我国的定位和导航服务完全依赖国外GPS系统的时代。北斗卫星建立后经过不断的升级，定位精度由之前的10m大幅增加至1m，导航的精度也相应地增加。目前，北斗系统已经在我国广袤的土地上用于农业机械的自动导航，体现出巨大的经济和社会价值。杨方等人调查发现，1台安装该自动导航系统的拖拉机每年可以节本增效16万元左右[11]。

吴延霞等人提出，一个真正具有应用价值的农机导航系统应该同时具备实时性、鲁棒性和精确性这三大特点，即系统的数据处理速度与农机的行驶速度一致，对复杂的自然环境具有良好的适应性和达到一定的导航精度要求[12]。因此，以上述三大特点为目标，建立基于北斗卫星的农机自动导航系统，对我国精准农业的发展具有重要的意义。

本文基于北斗卫星，开发了一种带有便携式基站的智能农机自动导航系统。该系统通过基站的差分数据实现定位，实时向方向盘控制器发出指令，控制机械按照设定的路线行进。同时，将该系统安装在拖拉机上，在田间铺膜和播种试验中验证其导航的实时性和精确性，以期为升级农业机械的智能化和自动化提供技术支撑。

1　系统的总体设计及组成部分

1.1总体设计

自动导航系统包括装载在农业机械上的卫星天线、导航终端、行车控制器、方向控制器和角度传感器，以及安装在地面的便携式基站。系统的工作过程：首先在导航终端上设定导航模式和行驶路线，卫星天线经过便携式基站接收北斗卫星的差分，发送给导航终端实现农机定位；然后，由行车控制器根据角度传感器提供的农机运行方向，向方向控制器发出指令，控制机械沿设定的路线自动行驶。自动导航系统的工作流程如图1所示。

1.2组成部分

系统装载在东方红LX900型拖拉机上，该机型额定功率66kW，轮距1.4～2.1m，最大速度31km/h，经过加装后可以适用于各种农田作业。机械的顶端安装七频卫星天线用于接收卫星信号。天线结构稳固，抗震性好，在剧烈摇晃的情况下依然能稳定地接受北斗、GPS或GLONASS卫星系统的信号。

导航终端用于分析整合卫星数据，设定系统的运行参数、导航模式和行驶路线，并显示机械的运行状态。本系统所用的为国内中海达公司的品牌产品，具有安装Android操作系统的8英寸触摸屏，采用CAN接口，输入电压16V，导航精度达到2.5cm。

行车控制器用于接收导航终端和方向传感器的数据，计算机械的位置、行驶速度和行驶方向；然后根据设定的线路向方向控制器发出指令，确保机械沿设定的路线自动。控制器已预先载入了国内的各种农业机械的数据，适用于多种拖拉机的型号。

方向控制器接收行车控制器的指令，通过相应的调整控制机械的行驶方向。方向控制器主要有液压阀和方向盘控制器两种形式，本系统根据机械的特点选择的是方向盘控制器。液压阀以液压油为介质传递能量，从而实现对继续前进方向的控制。液压阀对方向的控制作用稳定，使用寿命长，与方向盘控制器相比还有精度高和反应快的优势。方向盘控制器直接与机械的方向盘连接，通过马达驱动方向盘实现自动控制。与液压阀相比，方向盘控制器安装方便，对机械的适应性也更好。角度传感器用于测定机械前轮转动的角度，然后发送给行车控制器，以作为计算下一步方向控制量的依据。

导航基站用于接收卫星的数据，并发送给机载的卫星天线。基站有固定式和便携式两种，适用于不同的自然环境，可同时服务覆盖范围内的多台机械，为导航终端提供的差分信号精度达到2cm。固定式基站大多设置在农机推广站或农场中心区域，位置不会轻易改变。其网络或电台提供的差分信号有效距离可以达到50km，适合集中连片的许多机械同时作业。便携式基站一般安装在田边，作业完成后可以拆卸转移至下一个工作点，适合野外和流动作业。这种基站的信号有效距离最远可达15km，与固定式基站有较大差距；但操作简单，使用地点更为灵活。本系统须在多个不同的农场进行试验，因此使用便携式基站。

图1　自动导航系统的工作流程

2　试验结果与分析

2.1试验设计

为了验证自动导航系统的导航精确度和适用性，在位于河北省的农场内分别进行了夏玉米的播种和铺膜试验。试验采用人工驾驶和自动导航两种方式，设定0.7、0.8、0.9、1.0、1.1m/s共5个速度。在每种速度下沿设定的线路行驶100m，然后在线路上随机取20个点。对于播种作业测量坐标误差，铺膜作业测量邻接行宽(标准60cm)。坐标误差为测量坐标与理论坐标之间的距离，用于反映导航的精确度。铺膜邻接行宽为相邻两行之间的宽度，是反映土地利用率的指标。在河北省的农场内分别进行了夏玉米的播种和铺膜试验，如图2所示。

图2　自动导航系统的田间试验

2.2试验结果和分析

田间试验的结果如表1所示。由表1可以看出：随着机械行驶速度的增加，人工驾驶播种作业的精确度降低，坐标误差最后达到0.51m。自动导航作业的精确度虽然降低，但是最大坐标误差仅为0.21m，在可以接受的范围内。在铺膜作业中，随着机械行驶速度增加，人工驾驶作业的邻接行宽也随之增加，与标准行宽的差距也越来越大，最后的误差达到20cm。不同速度下自动导航的邻接行宽与设定的标准都差异不大，最多的仅为6cm，邻接行遗漏很少，表现出较高的土地利用率。

表1　田间试验结果

3　结论

本文基于北斗卫星，开发了一种由卫星天线、导航终端、行车控制器、方向控制器、角度传感器和便携式基站组成的智能农机自动导航系统。系统通过基站的差分数据实现定位，实时向方向盘控制器发出指令，控制机械按照设定的路线行驶。将该系统安装在拖拉机上，在田间播种和铺膜试验中验证其导航的实时性和精确性。结果表明：系统在不同速度下都表现出比人工驾驶更好的导航准确性和土地利用率，可以为农业机械的智能化和自动化升级提供技术支撑，具有广阔的应用前景。

参考文献：

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