自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)果園中的應(yīng)用及適用性分析

許冠杰

（青島工學(xué)院，山東 膠州266300）

1 引言

自動(dòng)導(dǎo)航作為農(nóng)業(yè)移動(dòng)機(jī)器人研究的一個(gè)重要組成部分，是集計(jì)算機(jī)、電子通信、自動(dòng)控制為一體的綜合性技術(shù)，主要內(nèi)容包括:機(jī)器人周圍環(huán)境的感知、導(dǎo)航路徑的規(guī)劃、機(jī)器人模型的建立及轉(zhuǎn)向控制。通過導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)周圍環(huán)境的感知，機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)精準(zhǔn)定位，完成多項(xiàng)農(nóng)業(yè)活動(dòng)。實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)車輛的自動(dòng)導(dǎo)航可使駕駛員從繁重的工作中解放出來，減少疲勞、提高生產(chǎn)效率、增加應(yīng)用精度和操縱安全性，還可減少重復(fù)作業(yè)，從而降低成本、提高農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量、避免某些作業(yè)給人身帶來的危害，對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)車輛的智能化、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)精細(xì)化有著重大的促進(jìn)作用。我國(guó)作為水果生產(chǎn)大國(guó)，果樹的種植、管理以及果實(shí)的采收等工序機(jī)械化程度低并且設(shè)備單一、勞動(dòng)強(qiáng)度大、成本高。針對(duì)這一現(xiàn)狀，研究符合我國(guó)國(guó)情的果園機(jī)械化相關(guān)理論、開發(fā)適合于果園作業(yè)的先進(jìn)裝備勢(shì)在必行。

2 研究概況

接觸式導(dǎo)航系統(tǒng)包括接觸式傳感器和導(dǎo)航控制兩部分。其具有機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低、易維護(hù)、可靠性高及在行間作業(yè)過程中具有實(shí)用性且易于推廣等優(yōu)點(diǎn)。這種導(dǎo)航方式能避免導(dǎo)航機(jī)構(gòu)碰撞農(nóng)作物；但用于壟間作業(yè)且轉(zhuǎn)向角度在梯度大于6%的傾斜地面上作業(yè)時(shí)，傳感器引起的偏差很難滿足精度要求。目前，我國(guó)在機(jī)械接觸式導(dǎo)航方面的研究比較少，何卿等設(shè)計(jì)了雙層接觸式導(dǎo)航控制系統(tǒng)，以觸桿轉(zhuǎn)角為輸入、前輪轉(zhuǎn)角為輸出設(shè)計(jì)了模糊控制器；并采用帶非線性補(bǔ)償?shù)腜ID控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)拖拉機(jī)前輪轉(zhuǎn)向角的控制。試驗(yàn)結(jié)果顯示，在速度小于1m/s時(shí)，該導(dǎo)航控制算法響應(yīng)快、穩(wěn)定性好，能滿足玉米秸稈行間作業(yè)要求；但是偏差隨拖拉機(jī)行駛速度增加而增大，限制了導(dǎo)航控制系統(tǒng)的效率。機(jī)械接觸式導(dǎo)航雖然有眾多優(yōu)點(diǎn)，但不能用于非接觸式環(huán)境，且傳感器容易受周圍介質(zhì)的影響，精確度不高。在果園特殊環(huán)境中，接觸式傳感器正好可以與果樹接觸受力實(shí)施導(dǎo)航；但是由于果樹行間距比較大，這就要求接觸式傳感器的觸角有足夠的長(zhǎng)度，這必將增加傳感器的導(dǎo)航誤差，也不能滿足果園狹小地頭空間環(huán)境下實(shí)施轉(zhuǎn)彎進(jìn)入下一行作業(yè)。同時(shí)，由于果園環(huán)境復(fù)雜，雜草較多、干擾較大，果樹的缺失也會(huì)嚴(yán)重影響導(dǎo)航的穩(wěn)定性，所以機(jī)械接觸式導(dǎo)航在果園中應(yīng)用的可能性不大。

機(jī)械導(dǎo)航是基于物理軌道的移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)，具有機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性高、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。GabrielyY等開發(fā)了一款適用于山地果園的多用途單軌車，該車輛通過連接車廂、施肥機(jī)、除草機(jī)等設(shè)備能夠在超過30°的坡道實(shí)施各種果園作業(yè)，有效降低了勞動(dòng)力；但是軌車輛的操作依舊需要人工進(jìn)行，沒有實(shí)現(xiàn)勞動(dòng)力的完全解放。日本生研中心開發(fā)出了基于管道導(dǎo)航的植保機(jī)器人，在果園鋪設(shè)聚乙烯管道，輔助誘導(dǎo)輪沿管道前進(jìn)實(shí)現(xiàn)無人駕駛作業(yè)。該機(jī)器人在日本已投入使用，但只能適用于轉(zhuǎn)彎半徑1m以上、坡度小于6°的果園。坡度較大的果園，孫同彪等介紹了一種山地果園單軌運(yùn)輸車，在坡地上鋪設(shè)固定支架，通過牽引車上的驅(qū)動(dòng)齒輪與軌道的齒條嚙合，實(shí)施60°以下坡道的運(yùn)輸作業(yè)。該車輛可實(shí)現(xiàn)無人操作，在坡度較大的軌道上運(yùn)行也比較安全；但該車輛的最小轉(zhuǎn)彎半徑需要4.5m，對(duì)需要較小轉(zhuǎn)彎半徑的果園有很大的局限性。針對(duì)行距為4m的蘋果園，機(jī)械導(dǎo)航需在田間鋪設(shè)運(yùn)行軌道，導(dǎo)航機(jī)械運(yùn)行速度較低，導(dǎo)致作業(yè)效率不高。機(jī)械導(dǎo)航在果園環(huán)境中相對(duì)研究的比較早，眾多學(xué)者研究了能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)噴藥和搬運(yùn)的果園植保機(jī)器人；但局限于在果園鋪設(shè)導(dǎo)航軌道成本較高，最小轉(zhuǎn)彎半徑也有一定的限制。

超聲波導(dǎo)航具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝使用方便、成本低、抗電磁干擾能力強(qiáng)、不受光線煙霧影響，以及時(shí)間信息直觀等特點(diǎn)。該定位系統(tǒng)具有成本低、易于安裝、體積小、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)；但是當(dāng)溫度變化較大時(shí)，需要設(shè)置溫度補(bǔ)償裝置，增加了硬件系統(tǒng)的復(fù)雜性。超聲波傳感器易受溫度的影響，如果測(cè)距精度要求很高，則需要通過溫度補(bǔ)償加以校正。同時(shí)，超聲波傳感器捕獲的信息量相對(duì)較少、感知信息存在較大的不確定性等缺點(diǎn)，其在果園導(dǎo)航機(jī)械上的應(yīng)用也有一定的局限性。

GPS具有全球、全天候工作，定位精度高，操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。隨著精度的不斷提高以及應(yīng)用成本的下降，GPS技術(shù)在農(nóng)業(yè)智能機(jī)器人和農(nóng)用車輛的自動(dòng)導(dǎo)航定位等方面得到了廣泛的應(yīng)用。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)于GPS導(dǎo)航的研究多集中于南方水稻種植機(jī)械的研發(fā)。郭娜等設(shè)計(jì)了與GPS導(dǎo)航相配合的插秧機(jī)作業(yè)控制系統(tǒng)，根據(jù)處方圖的要求實(shí)現(xiàn)栽插作業(yè)和行駛速度的自動(dòng)控制。該系統(tǒng)能夠正確執(zhí)行既定的插秧任務(wù)；但是插秧機(jī)速度控制的調(diào)整時(shí)間隨著設(shè)定值的加大而增加，限制了其實(shí)際工作效率。偉利國(guó)等以XDNZ630型水稻插秧機(jī)為試驗(yàn)平臺(tái)，通過GPS接收機(jī)與車載傳感器獲取車輛姿態(tài)信息，采用PID控制方法，構(gòu)建轉(zhuǎn)向閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)插秧機(jī)行間自動(dòng)導(dǎo)航及地頭轉(zhuǎn)向。該導(dǎo)航系統(tǒng)在低速行駛時(shí)，完全可以滿足插秧作業(yè)精度要求；但是在地頭轉(zhuǎn)向和直線的銜接處出現(xiàn)較大的跟蹤誤差。GPS導(dǎo)航雖然優(yōu)點(diǎn)較多，國(guó)外研究成果較為成熟，但是容易受到環(huán)境因素的影響，使得精度和可靠性降低，同時(shí)由于GPS應(yīng)用的費(fèi)用較高，在我國(guó)一家一戶小地塊的土地背景下限制了其在農(nóng)業(yè)工程中的使用。在果園特殊環(huán)境中，GPS需要接收衛(wèi)星信息，由于樹冠密集，信號(hào)很容易被遮擋造成丟失，無法完成果園機(jī)械的自動(dòng)導(dǎo)航，目前單一的利用GPS實(shí)施果園機(jī)械的導(dǎo)航存在很大的局限性，但是在田間地頭轉(zhuǎn)彎時(shí)可以利用GPS接收信息，實(shí)施精確轉(zhuǎn)彎，從而利用多傳感器融合實(shí)現(xiàn)果園環(huán)境下的自動(dòng)導(dǎo)航。

3 果園機(jī)械導(dǎo)航發(fā)展趨勢(shì)及問題分析

果園機(jī)械導(dǎo)航發(fā)展趨勢(shì)隨著國(guó)際精細(xì)農(nóng)業(yè)的發(fā)展，對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械的自動(dòng)化、智能化程度要求越來越高。果園機(jī)械的自動(dòng)導(dǎo)航作為智能化農(nóng)業(yè)裝備的一部分，受到越來越多的學(xué)者關(guān)注，近年呈現(xiàn)快速發(fā)展的趨勢(shì)。通過以上分析，適用于農(nóng)業(yè)機(jī)械的眾多導(dǎo)航方式中，由于果園復(fù)雜環(huán)境的限制，其應(yīng)用具有一定的局限性。機(jī)械接觸式導(dǎo)航由于干擾較大，不適用于果園導(dǎo)航；電磁導(dǎo)航由于電纜鋪設(shè)和維護(hù)比較困難，在果園機(jī)械導(dǎo)航中的應(yīng)用也有很大的局限性；機(jī)械導(dǎo)航鋪設(shè)軌道成本較高，限制了其在果園導(dǎo)航中的使用；超聲波導(dǎo)航檢測(cè)信息誤差較大，不適用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的果園環(huán)境；激光掃描儀在果園機(jī)械的自動(dòng)導(dǎo)航中，可以獲取果園的位置信息，但是也存在獲取障礙物特征信息不完整的缺陷。GPS作為一種成熟的導(dǎo)航方式，已在大田中得到廣泛的應(yīng)用，在果園環(huán)境中，樹冠密集，阻隔了GPS信號(hào)的傳輸，無法獨(dú)立的完成自動(dòng)導(dǎo)航；但可以為地頭轉(zhuǎn)彎提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)點(diǎn)信息，生成轉(zhuǎn)彎路徑。機(jī)器視覺導(dǎo)航技術(shù)已較為成熟，但是由于果園的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境以及果樹缺失，都將影響視覺導(dǎo)航的穩(wěn)定性和導(dǎo)航精度。由于機(jī)器視覺圖像收集信息量豐富，在果樹行間導(dǎo)航時(shí)，機(jī)器視覺可探測(cè)樹冠信息，輔助激光掃描儀，實(shí)現(xiàn)果樹行間比較完善的信息采集，實(shí)施果園環(huán)境下的精確導(dǎo)航。多傳感器融合技術(shù)作為一種新興的導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展迅速，通過多傳感器融合避免了單一傳感器產(chǎn)生的導(dǎo)航信息不完整以及導(dǎo)航精度不高等缺陷。在果園復(fù)雜環(huán)境中，通過選用合適的傳感器進(jìn)行信息融合，能夠在低成本的前提下，實(shí)現(xiàn)果園機(jī)械的精確導(dǎo)航，是今后果園機(jī)械智能化發(fā)展的主要導(dǎo)航方式。

4 結(jié)論

隨著自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)在果園中應(yīng)用的不斷發(fā)展和完善，基于信息采集比較完善的多傳感器融合技術(shù)的優(yōu)越性逐漸凸顯，將會(huì)成為今后果園機(jī)械優(yōu)先選擇的導(dǎo)航方式。通過對(duì)以上各導(dǎo)航式的分析，激光導(dǎo)航能夠很好地獲取果樹位置信息，生成基本的導(dǎo)航路徑。機(jī)器視覺能夠進(jìn)行行間信息的采集，完善激光掃描獲取障礙物特征信息不完整、障礙物缺失情況下無法獲取導(dǎo)航信息的缺點(diǎn)，修正導(dǎo)航路徑。果園地頭基于無樹冠影響，GPS能夠準(zhǔn)確地獲取數(shù)據(jù)點(diǎn)信息，生成精確的轉(zhuǎn)彎路徑，實(shí)施地頭轉(zhuǎn)彎。因此，通過激光掃描儀、機(jī)器視覺和GPS進(jìn)行多傳感器融合實(shí)現(xiàn)果園機(jī)械的自動(dòng)導(dǎo)航，將會(huì)進(jìn)一步提高導(dǎo)航精度，降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本。