衛星定位導航與拖拉機自動駕駛系統在昌吉市的實踐應用

新疆昌吉市濱湖鎮農機管理站 范治璇

新疆昌吉市位于天山北坡經濟帶的核心位置，地處準葛爾盆地南緣，地勢平坦開闊，土地肥沃，適于種植甜菜、小麥、棉花、玉米、番茄等大田作物。近年來，昌吉市土地整合連片經營種植已頗具規模，大型農機裝備已可以無障礙運行，這也為衛星定位導航和拖拉機自動駕駛系統的推廣應用創造了有利條件。2013年以來，昌吉州、市兩級政府投入巨額財政資金引進該項技術設備投入使用，效果明顯，獲得專家、農民群眾的一致認可。衛星定位導航和拖拉機自動駕駛系統已成為昌吉市發展現代化大農業的一個重要組成部分。

1 系統介紹

1.1 衛星定位導航系統

采用國產北斗衛星導航系統（BDS）和美國全球定位系統（GPS）兩種衛星接收系統，互為備份作為驗證比較使用。兩種系統都包括地面差分基站、接收機、引導光靶和控制器等設備。

1.2 拖拉機自動駕駛系統

主要有電動控制、直接界面控制和液壓控制三種形式。電動駕駛控制由高扭矩的直驅電機驅動精確駕駛方向盤完成方向操作，方向盤內置方向傳感器,能實現高精度自動駕駛。直接的界面駕駛控制是根據拖拉機的系統狀況提供標準的總線接口界面自動調節拖拉機液壓閥，達到控制目的。液壓駕駛控制則要在拖拉機液壓轉向系統中嵌入安裝液壓控制閥和車輪角度傳感器，才能實現拖拉機自動駕駛。

2 應用情況

2013年昌吉市引進6套衛星導航自動駕駛設備（美國拓普康和天寶品牌）并在濱湖鎮、榆樹溝鎮、大西渠鎮等3個鄉鎮推廣使用，分別安裝在東方紅、約翰·迪爾等大型拖拉機上，主要應用于機采棉、機收甜菜、制種玉米等機械化示范基地的鋪膜播種、噴藥作業環節，作業總面積達到900km2。

2.1 系統方案

昌吉市選用的拖拉機自動駕駛系統采用電動控制（5臺拖拉機采用）和液壓控制（1臺拖拉機采用）兩種方案。其中電動駕駛控制系統升級使用RTK（實時動態定位）系統，精度達到2cm以內。衛星導航系統（包括BDS和GPS）的差分改正信號由地面電臺式基站發送，為使信號更穩定，在實踐應用中設定半徑為5km（有效半徑≤15km）。

圖1 放置于昌吉市濱湖鎮農機示范基地的北斗導航差分基站

2.2 使用情況比較

兩種自動駕駛方案在實際應用中相比較，電動駕駛控制系統適用性更好，優點更突出，主要表現在：電動方向盤通用性、互換性好，可在任何輪式拖拉機上拆裝調換，不改變液壓油路；駕駛反饋性好；設置簡單，可逆向操作；地形適應性好，配置靈活，地形惡劣時可自主選用車輪轉角傳感器實現更加穩定的自動駕駛。液壓駕駛控制系統則需改變原車液壓系統，安裝較為困難，技術維護難度大。

北斗衛星導航系統與全球定位系統相比，導航效果相當，但設備成熟度相對較低，基站設備體積稍大，配套欠缺，有待進步。

2.3 系統的優勢

這項新技術在昌吉市各示范基地的應用實踐證明，自動駕駛系統相較于傳統作業方式，能做到播行筆直，達到1km僅有2cm直線誤差，人工無法做到這樣精準的操作；鋪膜播種行距一致性好，無壓膜等行間干擾現象，便于后續中耕或打藥環節的作業；導航系統的控制器可識別地塊邊界和U形轉彎，而且容易鎖定下一條行駛路線，不遺失或重復工作區域。

3 效果分析

從各種作物的播種、噴藥作業實踐來看，采用衛星定位導航和拖拉機自動駕駛系統可產生良好的經濟效益和社會效益。

3.1 土地利用率提高

精確的交接使土地利用率提高15%，避免了土地浪費，增產效果顯著，經濟效益好。

3.2 人機功效突出

自動駕駛系統減輕了駕駛人員的勞動強度，機械操作疲勞度明顯降低，播種、噴藥等作業行走過程不需人工干預，作業不受光線限制，作業時間延長，機械利用率提高。

3.3 作業質量大幅提升

農機作業真正做到了播行整齊、行距一致、不重播、不漏播的農田作業標準。

3.4 系統適應性好

圖2 安裝自動駕駛系統的拖拉機正在種作業

衛星定位系統可靈活架設基站，在信號覆蓋范圍內開展導航作業，機械作業過

圖3 安裝衛星導航自動駕駛系統的拖拉機在噴藥

4 系統推廣的不利因素和對策

4.1 設備費用高

衛星定位導航自動駕駛終端設備多為進口，其單套價格達8~12萬元，雖然政府投入了巨額補貼，但昂貴的價格仍然限制了它的大范圍推廣。這是該項技術推廣的不利因素之一。由于單機價格很高，成本控制、分攤就要重點考慮。因此自動駕駛系統推薦安裝在大型拖拉機上并開展大面積作業，有利于降低單位成本。

4.2 農民不易掌握技術

改裝拆換技術難度高，設備保養維護困難，調試安裝需要專業人員操作，農民不易掌握，這對企業售后服務提出更高要求。農機部門要把好關，選擇有實力、信譽好的企業來做產品銷售和服務。

4.3 信號覆蓋有限

電臺式基站信號覆蓋有限，影響跨區域作業。可以考慮增GSM信號源，采用網絡通訊模式的參考站接收設備及軟件，使基站覆蓋范圍達到70km，解決跨區問題。

5 應用前景

通過在播種、噴藥過程中的實際應用效果表明,衛星定位導航自動駕駛系統優勢明顯,其運行特點適合在播種、起壟、開溝、施肥、噴藥、收獲等各作業環節使用，有著廣闊的發展前景。