自動導航拖拉機在精準農業上的應用

李軍輝 刁維芹

摘要：本文論述了精準農業生產的特點和對農業裝備的要求，自動導航拖拉機的關鍵技術衛星定位系統、自動導航系統、轉向控制系統的結構及原理;分析了自動導航拖拉機的在精準農業的生產中的作業和應用中存在問題。

關鍵詞：精準農業;自動導航;拖拉機

中圖分類號：S219文獻標識碼：ADOI：10.19754/j.nyyjs.20190615020

在農業4.0的時代下，精準農業利用現代技術根據農作物的生長狀況和環境，精準的控制作物養分供給量、是否需要打農藥，從而降低化肥、農藥的使用量，達到綠色和可持續農業生產的目的。自動導航拖拉機是大田精準農業生產作業的重要動力裝備，是精準農業生產中數字控制的基礎。

1農業4.0精準農業與自動導航拖拉機

1.1農業4.0的特點

2015年，農業生產進入了4.0時代，其主要特征是生態化、智能化，技術支撐是由物聯網技術、移動互聯網技術和云計算。 農業4.0時代的農業生產目標是在高品質、高效率和生態環?；A上的高產量。生態環保的實現依靠精準打藥降低農藥使用量、采用配方施肥技術降低肥料的施用量，從而減少 CO2排放，減少農業生產對環境的影響。具有代表性的關鍵技術有農機的自動駕駛技術、精準農業技術、無人機技術。

1.2精準農業的概念

精準農業（Precision Agriculture）起源于美國，是一種基于信息、知識管理和智能控制的定位、定時、定量的現代農業生產系統。它應用全球衛星導航定位系統（ GNSS）、地理信息系統（ GIS）、遙感技術（ RS）和計算機自動控制系統等技術， 對農業生產的耕作、播種、施肥、打藥、收獲等環節，進行精確的控制，實現提高農業生產效率和土地的利用效率。精準農業一般由以下系統組成，全球定位系統、農田信息采集系統、農田遙感監測系統、農田地理信息系統、農業專家系統、智能化農機具系統、環境監測系統、系統集成、網絡化管理系統和培訓系統[1]。

1.3自動導航拖拉機

自動導航拖拉機是精準農業生產作業的動力裝備，是精準農業生產的執行者。農機的自動導航技術是精準農業生產技術指標要求下發展起來的。自動導航拖拉機自動導航由衛星信號接收系統、行車電腦控制系統、前輪轉角傳感器、航向傳感器、自動轉向控制器等組成[2]。

2自動導航拖拉機的關鍵技術

自動導航拖拉機是農業機械化和自動化的關鍵裝備，自動導航拖拉機可以通過在普通拖拉機上加裝自動導航系統，可實現大面積耕地上的快速、高效、高精度、自動化作業。拖拉機自動導航系統包括以下技術：全球導航衛星系統定位系統（GNSS）、RTK定位技術、自動導航技術及農機的轉向機構。

2.1全球導航衛星系統定位系統（GNSS）

世界有4大衛星導航系統：美國的GPS系統、俄羅斯的GLONASS系統、中國的北斗（BDS）系統、歐洲伽利略Galileo系統[3]。美國的GPS 系統是全球用戶數量最多的衛星導航系統，中國的北斗導航系統目前已發展到36顆衛星覆蓋全球，定位精度和可靠性與GPS 系統相當。 拖拉機的自動導航系統一般都兼容多個導航系統，目前中國地區銷售的基本都兼容北斗系統，通過增加可見星的數量，提高衛星導航精度和系統的穩定性。

GNSS系統定位原理是通過導航衛星向地面發射衛星星歷信號，衛星地面控制中心通過接收各個衛星星歷信號，解決星歷信號以確定導航衛星的導航軌道。 用戶接收設備GNSS接收器接收并測量由可見衛星發送的無線信號，并獲取諸如導航衛星的導航軌道之類的信息，計算出用戶接收器的位置、方向、運動速度和時間信息。

2.2RTK定位技術

RTK定位技術是一種基于載波相位觀測的實時動態高精度定位技術，可以實時解決移動站在設定坐標系中的三維定位信息。觀測信息和設定坐標信息通過數據基準站傳輸到移動臺。 移動站將基準站的數據和本身采集到的GNSS觀測數據進行差分處理，定位精度可達到厘米級，是農機導航中普遍釆用的衛星定位技術。

2.3自動導航技術

在農機的自動導航技術中，農機位置的感知部分是關鍵 ，目前常用的有機器視覺導航、GPS導航、光靶導航以及多傳感器組合導航等多種形式。農機導航系統通過GNSS、傳感器等感知系統獲得農機的絕對位置信息和運動狀態，并將信息與預設的路徑進行比較，確定農機與路徑之間的相對位置關系，通過控制系統按照一定算法計算、控制農機的轉向系統，使機器按照預定的路徑行駛，實現農機的自動導航。

中國主流農機自動導航產品有Trimble的 AutoPilot系列農業自動駕駛系統， John Deere公司的Auto Trac農機自動導航系統、司南與美國 Auto Farm公司合作的 Auto Farm農機自動導航系統，合眾思壯公司的壁虎和慧農2大系列農業自動導航系統，北京農業智能裝備技術研究中心自主研發的 Auto Guide農業自動導航系統等。

2.4農機的轉向機構

農機的轉向機構控制車輛行駛路徑。常見的農機轉向控制系統由有液壓轉向控制系統與方向盤電機轉向控制系統，方向盤電機控制系統由計算機、伺服電機、電機驅動器等裝置組成，直接安裝在拖拉機的方向盤上，通過私服電機控制車輛轉向[5]。工作過程是車載電腦根據衛星導航系統的信號、農機的規劃軌跡進行計算，將控制令發給電機驅動器，電機驅動器驅動直流伺服電機帶動方向盤轉動。液壓控制系統是將電磁液壓閥組加裝到農機的液壓轉向系統上，電腦決策指令控制電磁液壓閥組，控制農機的轉向。

3自動導航拖拉機在精準農業上的應用

在農業生產的耕、種、播、收、打藥、施肥工作中，自動導航農機可以提供準確的定時、定位。為施肥、打藥、收獲的自動化和數字化提供保障。

3.1應用自動導航拖拉機可提高土地的利用效率和生產效率當農業機械的行駛速度高且工作范圍寬時，難以實現人工精確操作，并且經常發生遺漏，重復等現象。 應用自動導航拖拉機，可以降低能源消耗，降低勞動強度，提高土地的利用效率和生產效率。國家精準農業示范基地進行試驗和研究表明采用自動導航拖拉機進行收獲、施肥作業，可以降低作業遺漏率和重疊率[6]。

3.2自動導航拖拉機應用效果

自動導航拖拉機在起壟、播種、耙地、收割、噴藥、鋪膜、犁地和中耕等作業中，可以準確實時的采集作業數據，監控生產作業的情況，為精準農業生產提供數據支持。

3.2.1在精密播種作業中

條田作業1000m 播行垂直誤差小于2cm，因為播行直， 行間距、株距精確可控，避免了重播和漏播，為后期變量施肥、精準打藥作業奠定物質基礎，提高機械收獲作業的采凈率，降低成本，提高經濟效益。

3.2.2自動導航拖拉機在耕地作業中

接茬精度可控制在1～2cm，農藝作業質量高，土地利用率高，大大減少農作物生產成本投入增加了經濟效益。

3.2.3自動駕駛技術可以提高農業機械的可操作性能

延長生產作業時間。自動導航拖拉機夜間也可以作業，能實現全天24h不間斷工作，提高了農業機械的利用效率和經濟效益。

3.2.4自動駕駛技術可減輕駕駛員的勞動強度

駕駛員不必操作方向盤，降低農業生產作業的技術復雜度， 農機駕駛員作業培養的難度降低，同時在農業生產中農機駕駛員可集中精力進行農機作業機械的操作，作業質量高。

3.3自動導航拖拉機在應用中的局限性

自動導航拖拉機在精準農業生產中應用優勢明顯，但在北方地區應用中也存在一些問題。

目前自動導航拖拉機通過在普通拖拉機上加裝自動導航系統來實現，自動導航系統售價較高，一套在10萬元左右，前期投入較大，大田農業生產經濟效益較低，經濟成本較高。

自動導航拖拉機作業操作性降低了，但是拖拉機駕駛員文化水平較低，缺乏自動控制和計算機的知識，對于繁瑣、復雜度安裝調試，對于自動導航系統的使用、維護，拖機機駕駛員掌握起來存在一定困難。

自動導航拖拉機目前還缺乏完善的鑒定體系，售后服務和培訓還有待提高。

參考文獻

[1] 張純潔.基于GIS的精準農業發展模式——以江漢平原為例[D]. 華中師范大學，2008.

[2] 唐勇偉.基于ARM-Linux的農機自動駕駛控制系統設計與研究[D] .青島理工大學，2016.

[3] 吳少凱.基于北斗的嵌入式導航系統設計與研究[D]. 天津理工大學，2014.

[4] 黃宇琦.GPS技術在測量工程中的應用[J]. 數字化用戶，2014（12）：253.

[5] 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（8）：86-88.

[6] 劉卉， 孟志軍， 付衛強.基于 GPS 軌跡的農機壟間作業重疊與遺漏評價[J].農業工程學報，2012（18）：149-154.

作者簡介：李軍輝（1972），講師，碩士，研究方向：農業機械工程;刁維芹（1969），山東，副教授，研究方向：農業機械工程。