農業機械導航技術發展分析

羅為林

（衡南縣農機化學校，湖南 衡南 430422）

現代農業智能化要求農業機械要具有導航技術，并且將這種農業機械導航技術應用到農業作業中去。使農業機械可以自動完成耕種作業、自主除草、施肥以及收割作業。要完成這些農業任務要求農業機械必須具有自主導航功能，即要求農業機械本身攜帶傳感器，利用傳感器感知周圍作業環境，并通過對感知的信息加以分析處理，得到機械所處位置信息，然后決定出行進路徑實行導航控制，以此來完成農業任務。在文章中，通過借鑒國內外經驗、分析文獻，綜合闡述了在現代農業機械導航技術應用較多的GPS（衛星）導航與視覺導航兩種方式。簡單講述了環境感知技術、智能控制系統、地圖營造等關鍵技術，最后對農機技術發展作出展望。

1 農業機械導航技術的分類

（1）利用衛星的導航技術。衛星導航（Satellite navigation）是指采用導航衛星對陸地、大海、天空和空間用戶進行導航定位的手段。人們經常使用的GPS導航，北斗星導航均為衛星導航。GPS定位系統是最早的導航技術。在現在農業機械作業中得到了廣泛的應用：①運用到農機運輸與農機具中，可以降低費用，提高作業效率；②在蟲害雜草災害中的應用。可精確定位災害地點，精確投藥，減少化學制劑的危害；③在無人拖拉機上的應用。節省人力、物力，縮短作業時間。GPS導航技術誤差小，大約在3cm。隨著對地球衛星裝備的有效探索和利用，GPS的精度與傳感速度等都得到了有效提升。人們利用GPS導航技術解決了插秧機、農藥噴灑機、收割機等大型農機的導航問題。

（2）機械導航。在站立式的農場和耕地中，還能運用機械式導航方式對農場的耕種機械進行引導工作。對固定的引導目標或者是耕種車輛及機械進行控制操作時，發揮主要作用的就是機械導航里的傳感型接收器，而使用這種導航方式的農場，主要是農林、果樹或者葵花等高站立式農作物。我國在這個項目上，有一定的技術優勢，并取得了非常矚目的成績和突破，通過為收割機安裝導航指引設備，對農田、玉米等作業進行指引收割，大大提高了引導的精確度和控制力。

（3）視覺導航技術。在20世紀80年代初期，視覺導航指引技術在英國率先實驗使用。視覺導航指引技術在農作物耕種領域有著非常廣闊的使用前景，并且與衛星導航系統相比，它的價格更低，性價比更高。經過做對比試驗，在相同的農作物耕種面積中，由傳感器控制的視覺導航指引技術比衛星控制的導航技術更靈活，精準度和控制力也更勝一籌。

2 農業機械導航需要具備的關鍵技術

（1）環境感知技術。農機導航中使用的環境感知技術，主要指農業機械使用自帶的傳感器對外界的各種信息進行發現和捕捉，通過系統處理后得出有效運用處理方式的技術，如圖1所示。環境感知技術的最終目的是計算機模擬出外界的環境，轉化成信息進行處理的一種技術。通過該項技術，農業機械或者機器人實現進一步的路徑規劃和行為命令，因此感知精確度是機械操作精確度和自動化智能化程度的重要技術指標。近年來，電子信息工程在飛速發展，機器人對外界環境的分析已經升級到納米級。因此相匹配的傳感器、接收器和處理器都進入到相對穩定的層面。

圖1 環境感知控制技術

（2）智能控制系統。根據導航機械的作業環境，控制系統對農業機械技術的要求更為嚴格。智能控制系統主要分為橫向和縱向控制兩種。橫向控制指的是對農業機械工作方式的控制，而很少使用導航技術。縱向控制是要借助導航技術來實現農業機械的路徑規劃、所在位置信息、工作范圍和作業量的統計。因此，導航儀研發技術的高低就決定了縱向控制技術的高低。目前的農業機械在中國尤其是農業機械的導航飛行主要是GPS、RS、GIS系統、神經網絡控制和模糊控制兩種方式，這兩種方式對線性驅動偏差率得到了有效控制，也使農業機械自動轉向功能得以實現。

（3）地圖構建技術。地圖構建技術是指農業機械在捕捉到外界信息后，創造環境和模擬系統環境的技術能力。目前的農業機械能幫助小型視覺傳感器、激光雷達、紅外線和信息系統對水陸空三棲環境實現24小時加載信息。利用預設的數學模型，模擬出外界環境來制作信息地圖，幫助農業機械來選擇適和自己的導航模式。精確的仿真圖能實現路徑導航的自動化，地圖建筑分為柵格地圖、拓撲圖和三維立體圖，如丹麥羅維拉MAS應用三維地圖幫助農業機械自動導航和避障前進，他使用技術結合二維柵格地圖和GIS數據，檢測在前面的物體，并自動判斷。總之，導航設備的地圖構建力越強，農業機械導航用途就越趨于精細化，行進路徑就規劃得越好。

3 農機自動導航技術發展的展望

（1）GNSS導航技術。全球導航衛星系統主要是通過與微型飛行器的實際位置的距離計算，并且距離通常是由無限電信號傳輸的時間來測量的。如圖2所示，這對天線的位置也是接收天線的絕對地標，并通過接收機獲得相關數據，相對位置是從同一組衛星觀測得到的接收天線的位置使用2個以上或多個接收器。GNSS測量的誤差主要是傳播路徑、衛星和接收機之間的誤差，GNSS還可以實時定位農業機械的位置，提高原有的精度和速度。基于在農業機械上使用的GNSS數據，經過對中央控制器的處理，可以得到農業機械相應的準確度和方位。

圖2 農機GNSS技術結構圖

（2）障礙物探測及主動避障技術。耕地大多是空地，在經營范圍內幾乎沒有障礙。因此，現有的農業機械自動導航系統不考慮障礙物檢測和避障。司機應對緊急情況是必要的。農田可能出現的障礙主要是電桿（塔）、大樹、人和其他農業機械。在規劃時可以避免諸如桿、塔類和大樹等靜態障礙物，但考慮這些因素就增加了路徑規劃的難度。而人、其他農業機械等動態出現在農田中，只有在農業機械工作過程中實時檢測，并采取必要措施避免障礙物。障礙物檢測和主動避障是農業機械導航系統亟待解決的重要問題。

（3）農機物聯網技術。物聯網（IOT）是基于電子標簽和電子編碼并基于互聯網而建立的實物互聯網。現如今，隨著農業智能化、精準農業的發展，物聯網技術在現代農業中的應用越來越廣泛，在農業環境監測，室內溫度控制、氣象監測、產品的安全性和可追溯性、設備管理、智能診斷等諸多方面取得了良好的應用。在農業機械自動導航、網絡技術應用方面應該解決三個問題：一是獨立的自動導航系統功能組件之間的車輛物聯；二是多個農用機械之間的機器物聯；三是農用機械與農業遠程監控中心的連接。目前通用的車載物聯主要采用基于ISO 11783協議標準的農業機械總線通信技術，并且農機群和遠程材料結合無統一標準，如圖3所示。

圖3 多機互聯控制系統

4 結語

隨著農業現代化的不斷發展，農業機械智能化程度和自動化程度將會越來越高。現代農業機械導航系統經過多年的發展正在慢慢地走向成熟，也在實踐中取得了許多可喜成果。但是，隨著社會的不斷進步，人們對農業機械自動化和精細化的要求也越來越高。我國農業機械自動導航技術還存在各種各樣的問題，需要進一步探索、研究并加以改進。在對農業機械導航技術進行分析研究的基礎上，根據各種不同的實際情況，選擇與當地農業條件相適應的農業機械，并利用農業機械的現代技術來完成各種農業任務。因地制宜，因時制宜，如此將會促進我國農業生產向著農業現代化、自動化邁進堅實的一步。

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［3］呂文剛，王耀申，丁保江.農業機械導航關鍵技術概述［J］.農業裝備與車輛工程，2016，54（8）：86-88.