自動導航插秧機作業性能試驗研究

趙祚喜， 靳俊棟， 可欣榮， 黎源鴻， 賴 琪， 楊貽勇

(華南農業大學南方農業機械與裝備關鍵技術教育部重點實驗室/華南農業大學工程學院，廣東廣州 510642)

農業機械自動導航即農業機械通過各項傳感器感知周圍環境獲得自身的位置信息以及姿態信息，然后根據用戶需要進行路徑規劃以及導航控制，自主完成各項作業任務。在精準農業技術的驅動下農業自動導航技術得到快速發展，并且廣泛應用于耕作、播種、施肥、噴藥、收獲等農業生產過程中。農業機械自動導航這一技術已經實現商品化，廣泛應用于世界各大農場[1-4]。

市面上的自動導航產品已廣泛應用于我國各大農場。黑龍江墾區為大力發展現代化農業，加快提升商品糧基地建設，從2002年開始，黑龍江農墾總局陸續從國外引進了美國約翰迪爾(John Deere)公司的AutoTrac自動導航系統、天寶(Trimble)導航公司的Autopilot自動導航系統以及加拿大Hemisphere公司的Outback S3自動導航系統[5]。這些導航產品不僅能優化機器效率、減輕操作員疲勞，而且大大延長了駕駛員的作業時間，提高了作業量，創造了更大的經濟效益。然而，這種導航產品只與旱地拖拉機配套使用，主要應用于起壟、播種等旱地作業，市場上沒有一套專門應用于水田輕型拖拉機的導航產品。

近幾年，國內學者也在插秧機上開發自動導航系統。張智剛等在SPU-68型插秧機上開發基于差分全球定位系統(differential global positioning system，簡稱DGPS)和電子羅盤的導航系統，該系統以速度為0.75 m/s進行直線路徑跟蹤時，平均誤差為4 cm，最大誤差為13 cm[6]；胡煉等為了提高插秧機自動導航系統的可靠性，設計了一種基于控制器局域網絡(controller area network，簡稱CAN)總線的分布式控制系統，田間試驗直線跟蹤誤差不大于0.2 m[7]；毛可駿等在插秧機上研究機器視覺導航，結果表明該方法具有一定的可行性[8]；偉利國等以XDNZ630型水稻插秧機為試驗平臺，采用RTKGPS技術和PID[比例(proportion)積分(integral)微分(derivative)]控制算法，實現了自動對行導航及地頭轉向控制，在車速不大于0.6 m/s時，對行跟蹤誤差小于10 cm，作業精度較低[9]；謝昌盛以ZG630A高速插秧機為研究平臺開發基于雙激光源定位的高速插秧機無人駕駛扣工資系統，結果表明，該系統的控制精度在5 cm以內[10]。

本研究基于一套旱地拖拉機導航系統提出一種改裝方法，將其安裝至水田拖拉機上進行試驗。分別在廣東省與黑龍江省的農場設計插秧機田間試驗，探究該導航系統在插秧機上的作業性能，驗證該改裝方法的可靠性，為后續水田拖拉機自動導航系統的開發與研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 自動導航系統在插秧機上的安裝

自動導航系統包括1個衛星信號接收器、顯示器以及電控轉向盤(圖1)[11]。

自動導航系統無法直接在水田插秧機上安裝使用，須經過改裝之后才能裝載至水田插秧機上。在此之前，已經成功地將自動導航系統安裝在經過改裝的全地形車上，該導航系統在全地形車上的工作性能穩定，在路況條件不錯的情況下其跟蹤導航的橫向偏差接近2 cm，導航精度高[12-13]。根據插秧機的實際情況，將自動導航系統在全地形車上的安裝方案加以修改，按照修改后的方案將自動導航系統裝載至插秧機上，這種改裝方法在不破壞水田插秧機原有結構的基礎上進行導航系統的安裝，安裝方法簡單而且可靠性高，其安裝方案如圖2所示。拆下插秧機原有的方向盤后，露出插秧機轉向軸和轉向柱。根據轉向柱上轉向軸的花鍵尺寸選擇與之相匹配的花鍵套，將花鍵套加工成與自動導航轉向盤相匹配的轉向襯套，如圖2中標號4所示，轉向襯套是自動方向盤與轉向軸之間的傳動件，三者之間相互嵌套，方向盤轉動時帶動這一轉向襯套從而轉動插秧機轉向軸實現轉向。方向盤固定板按圖2安裝方式與方向盤相固定，2個“V”形摩擦塊之間采用螺栓連接，擰緊螺栓使得摩擦塊夾緊轉向柱，之后再用螺栓使方向盤固定板與2塊“V”形摩擦塊相互固定。根據自動導航系統在插秧機上實際安裝情況如圖3所示。整套系統在插秧機上的安裝情況如圖4所示，GPS接收機固定在插秧機前端的橫梁上。

1.2 人工駕駛與自動導航作業效果對比的試驗方法

在廣東省臺山市與黑龍江省友誼縣2種不同的土地環境下進行自動導航與人工駕駛插秧的對比試驗，記錄分析作業時的數據，探究自動導航系統在插秧機上的作業性能。

自動導航插秧機在工作之前，須要根據田塊實際情況先設定1條基準線以及行距，在田梗的一邊確定A點，到另一邊確定B點，確定這2點之后系統便生成1條AB基準線，系統根據行距大小將AB基準線平移生成數條基準線，導航系統控制插秧機沿著這些基準線進行插秧作業。為了能夠分析自動導航插秧機作業時的作業情況，利用數據記錄儀采集自動導航作業時的作業軌跡以及A點和B點的坐標信息。計算自動導航作業軌跡相對于AB基準線的平均絕對橫向偏差以及其標準差，用于評價導航系統的作業效果。

將GPS傳感器安裝在插秧機上記錄人工駕駛作業時的軌跡。由于人工駕駛時沒有自動導航系統設置AB基準線的步驟，無法計算人工駕駛作業軌跡相對于基準線的橫向偏差。因此，處理人工駕駛的數據時，將其每一條直線軌跡采用線性擬合的方法擬合出一條直線，計算該作業軌跡相對于擬合線的平均絕對偏差及其標準差。將自動導航與人工駕駛的數據結果對比分析，從而對自動導航的作業效果做出客觀評價。

1.3 數據處理

采集插秧機行走軌跡的經緯度數據，將經緯度坐標轉換成基于大地坐標系(e系)下的坐標點，該坐標系是以地心作為原點的坐標系，xe軸沿格林尼治子午面和地球赤道平面的交線，ze軸沿地球極軸方向(圖5)[14]。

經緯度坐標轉換成大地坐標系下坐標點的轉換公式如下：

x1=[RN(φ)+h]cos(φ)cos(λ)；
y1=[RN(φ)+h]cos(φ)sin(λ)；
z1=[RN(φ)(1-e2)+h]sin(φ)。

(1)

式中：φ表示轉換成弧度制后的經度坐標；λ表示轉換成弧度制后的緯度坐標；h表示海拔高度；RN(φ)表示WGS-84模型下地球的橫向曲率半徑。RN(φ)的計算公式如下：

(2)

式中：a表示WGS-84模型中地球的長半徑，取值為 6 378 137.0 m；e表示WGS-84模型中地球的橢圓偏心率，取值為0.081 819 190 842 6。

通過以上公式完成經緯度坐標到大地坐標系的轉換，再將大地坐標系下的坐標點轉換成導航坐標系下的坐標點。導航坐標系是一種當地地理坐標系，如圖5所示，原點位于導航坐標系統所處的位置P點，坐標軸指向北、東和當地垂線方向(向下)。其轉換公式為：

(3)

(4)

如圖6所示，這是經過上述一系列轉換后的自動導航插秧樣機的作業軌跡散點圖以及其導航的基準線。散點表示插秧機行駛過的位置，散點的坐標為(x2,y2)，導航基準線為Ax+By+C=0，因此插秧機作業時與基準線的橫向偏差為：

(5)

2 田間試驗與數據處理

我國水田類型主要以廣東省與黑龍江省為主，它們耕作環境存在差異，廣東多為丘陵地貌，每一塊水田面積小，而黑龍江地勢平坦，每一塊水田面積大，因此兩地插秧機駕駛員的操作水平以及操作方式等均有所差異，只將自動導航與一個地區駕駛員的作業效果作比較并不能完全說明自動駕駛與人工駕駛之間的差異，為此須要在不同耕作環境下駕駛員的作業效果作比較。因此，在廣東以及黑龍江兩地的農場設計田間試驗比較插秧機在人工駕駛條件下與自動駕駛條件下的作業效果。

如圖7所示，廣東省駕駛員駕駛插秧機插秧時的場景，試驗地點為廣東省臺山市都斛鎮，試驗時間為2016年3月。圖8為人工駕駛作業時GPS采集的作業軌跡經緯度坐標。

只保留人工駕駛插秧機作業行走軌跡中的直線軌跡部分，去掉其他無關軌跡，得到的每一行線段表示人工駕駛作業時直線行走的軌跡并按照上述數據處理方法進行處理，得到導航坐標系下人工駕駛作業時直線行走軌跡的散點圖(圖9)。在導航坐標系下計算每一條直線軌跡的橫向偏差，用于分析人工駕駛的效果。由于沒有1條基準線用于計算人工插秧時每一條作業軌跡的橫向偏差，因此對其每一條直線軌跡進行線性擬合獲得擬合直線，以該直線為基準計算該直線行軌跡的橫向偏差。由于這次廣東人工駕駛試驗進行至最后3行直線軌跡時，須要對該地塊進行補秧，試驗中后3行軌跡沒有按照直線插秧作業的要求進行，因此只分析前面8行直線軌跡的作業情況。對每一行直線軌跡的橫向偏差進行統計分析，結果如表1所示。

表1 廣東省人工駕駛試驗作業軌跡橫向偏差統計分析

由表1可知，人工駕駛作業時，其作業軌跡總的平均絕對值偏差為4.46 cm，平均標準差為2.69 cm。其中，第1行作業軌跡的橫向偏差各項指標均為最小，其平均絕對值偏差為 2.37 cm，標準差為1.31 cm。在這次試驗中，第1行直線軌跡的作業效果最好，之后每一行的作業效果均比第1行軌跡差，其他行的作業效果隨著行數的增加整體呈下降趨勢。

廣東省人工駕駛試驗完成之后，在人工駕駛試驗時所使用的插秧機上裝載自動導航系統，使用這臺裝有自動導航系統的插秧機進行插秧試驗，統計每一行的橫向偏差數據(表2)。在自動導航作業過程中，總的平均絕對橫向偏差為 2.29 cm，標準差為1.63 cm。其中，最小平均絕對橫向偏差為 1.09 cm，最大平均絕對橫向偏差為3.26 cm。

表2 廣東省自動導航試驗作業軌跡橫向偏差統計分析

在黑龍江省按照廣東省田間試驗的方法進行試驗。圖10為黑龍江駕駛員駕駛插秧機作業時的場景，試驗地點為黑龍江省友誼縣友誼農場，時間為2016年5月。黑龍江人工駕駛試驗中每一行作業軌跡的橫向偏差統計結果如表3所示。由表3可知，人工駕駛作業過程中總的平均絕對橫向偏差為 4.50 cm，平均標準差為3.36 cm。其中，最小平均絕對橫向偏差為2.17 cm，最大平均絕對橫向偏差為7.08 cm。

黑龍江省人工駕駛試驗完成之后，將自動導航系統裝載至人工駕駛試驗時所使用的插秧機上進行自動導航插秧試驗。由表4可知，黑龍江省自動導航試驗的作業過程中，總的平均絕對橫向偏差為2.70 cm，平均標準差為1.90 cm。其中，最小平均絕對橫向偏差為2.05 cm，最大平均絕對橫向偏差為 3.52 cm。自動導航作業效果如圖11所示。

3 數據對比與分析

將廣東自動導航與人工駕駛作業試驗的結果相比，其中自動導航控制下的插秧機的作業軌跡的平均絕對橫向偏差為2.29 cm，而人工駕駛的作業軌跡的平均絕對橫向偏差為4.46 cm，這說明自動導航的作業效果比人工駕駛好，插秧機在自動導航系統控制下能夠更好地跟蹤預定軌跡。人工駕駛作業時橫向偏差的標準差為2.69 cm，而自動導航作業時橫向偏差的標準差為1.63 cm，這說明自動導航比人工駕駛的作業效果穩定。其中，駕駛員在工作過程中，隨著作業行數的遞增，各項指標整體增大，作業效果隨之變差，而自動導航作業時各項指標隨著作業行數的增加相差不大。在黑龍江田間試驗中，自動導航作業軌跡的平均絕對橫向偏差為2.70 cm，平均標準差為1.90 cm，而人工駕駛的作業軌跡的平均絕對橫向偏差為 4.50 cm，平均標準差為3.36 cm，自動導航作業時的各項指標均比人工駕駛作業時要低，自動導航系統的控制效果比人工駕駛好。同樣地，在黑龍江省人工駕駛作業過程中，隨著行數的遞增，其各項指標整體增大，自動導航作業時的各項指標隨著行數的增加依然相差不大。

表3 黑龍江省人工駕駛試驗作業軌跡橫向偏差統計分析

表4 黑龍江省自動導航試驗作業軌跡橫向偏差統計分析

綜合兩地的試驗結果，自動導航插秧機直線作業時的作業效果及穩定性優于人工駕駛，且不會因作業場地的改變而改變。2位駕駛員駕駛插秧機的作業精度相近，作業軌跡的平均絕對橫向偏差均在4.40 cm左右，但是兩者的標準差相差比較大，廣東省駕駛員的數據標準差較小，這是因為廣東省駕駛員作業的地塊比黑龍江省小，廣東省駕駛員把控作業軌跡的直線度比較容易。雖然自動導航系統在拖拉機直線行走作業時能夠減輕駕駛員的工作壓力，但是每次換行作業時仍須駕駛員手動轉彎換行，而且拖拉機的車速仍須駕駛員控制。因此，自動導航系統仍須要在原來的基礎上增加地頭轉向的功能以及車速控制裝置。

4 結論與展望

本研究提出一種改裝方法將一套旱地拖拉機導航系統安裝至水田拖拉機上進行試驗。采用GPS記錄駕駛員駕駛水田插秧機作業過程，在廣東省以及黑龍江省對直線插秧作業進行試驗研究，將其與自動導航的作業效果進行比較，分析作業軌跡與預定軌跡之間的平均絕對橫向偏差和標準差，比較人工駕駛與自動導航的插秧效果。探究該導航系統在插秧機上的作業性能，驗證該改裝方法的可靠性。結果表明，本研究提出的這種改裝方法簡單而且可靠性高，該自動導航系統通過這一方法安裝至水田拖拉機上不僅能夠正常工作，而且不影響其導航性能。

在廣東省以及黑龍江省的田間試驗中，該自動導航系統能夠有效地控制插秧機進行作業，其作業效果及穩定性優于人工駕駛，該導航系統控制下的插秧機的直線導航的平均絕對橫向偏差為2.29～2.70 cm，橫向偏差的標準差為 1.63～1.90 cm。

雖然裝有自動導航系統的插秧機作業效果比人工駕駛好，但現有的農機導航產品只有直線導航功能，還須增加地頭自動轉向控制功能以及油門自控系統，這對減少人力成本以及實現農業精準化作業具有重要意義。