基于北斗導航技術的農用車田間定位與作業路徑規劃

康萌　陳卓　康思遠

摘 要：衛星導航技術是現代化移動裝備的必備技術，其在我國農業機械上的應用尚處于起步階段。隨著我國北斗衛星導航技術逐步成熟，基于北斗導航對農業機械提供定位與作業模式規劃已十分普遍，通過介紹精確農業的相關內容，說明了北斗導航定位在農用車應用的相關特點，總結了農用車作業路徑的規劃方式。

關鍵詞：北斗導航;農用車;定位;作業模式

中圖分類號：S220文獻標識碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2019.08.006

將導航技術、網絡技術、通信技術以及自動控制技術應用于農業生產，是精確農業發展的必須條件。我國的農業機械經過多年的研究和發展，在機械結構合理性方面取得了顯著進展，在故障率降低的同時工作效率也顯著提升，得到了農民的廣泛認可。農業機械要進一步發展，不僅要在機械結構和功能上下功夫，更需要利用衛星導航技術與信息系統相結合，實現精準的定位與科學的作業規劃。通過現代化的田間管理，有利于因地制宜的調整農作物的生長狀態，保證播種、施肥、植保、收獲等機械作業的精確性，能夠有效提升農作物產量和品質，并同時保護環境，實現農業的可持續發展。

1 精確農業的組成及要求

精確農業是促進農業生產向合理化發展的有效手段，其關鍵技術包含了衛星導航、自動化控制、地理信息、遙感技術、管理信息等很多方面（圖1），其中衛星導航技術的應用主要在于定位和自動導航兩方面，定位功能主要用于土壤及作物監測過程的準確位置提供。自動導航包括了自動駕駛技術和自動控制技術兩方面，有利于提高農業機械的工作效率。現階段，通過北斗導航能夠為農業機械提供穩定可靠的定位及導航服務支持，且很多服務也轉換為全天候免費提供，顯著減低了農機使用的費用。

北斗衛星導航是我國自主研發的全球衛星導航技術系統。該系統投入使用以來，已逐漸形成具有自主知識產權的產品結構和服務體系。例如通過北斗導航技術建立的水文自動測報系統以及動植物生長環境的網絡監測和控制功能等。現階段北斗導航的應用還存在一定的局限性，對于草原、戈壁、沙漠等信號不良地區，應用還不普及。但是，北斗衛星導航的技術也具備GPS系統所不具備的多種特色，其在民用及軍用領域應用有著相當大的潛力。

2 農用車定位及導航技術

2.1 結構與組成

定位是導航的基礎，農用車所使用的北斗導航定位技術大體上包括了車載電腦、北斗導航終端、視覺導航設備等幾部分。車載電腦主要由嵌入式處理設備和系統、控制區和顯示設備等組成，能夠為衛星定位及導航服務提供基礎的控制、信息傳遞以及信息顯示;北斗導航終端主要是由衛星信號接收處理裝置和多種天線組成，是衛星定位和信號接收的主要工具;視覺導航設備包含了攝像頭和圖像處理單元，主要用來實現對周邊環境的視覺感知與障礙物規避。

2.2 定位功能的實現

對于北斗導航定位技術，關鍵就是要完成對定位信號的接收和處理，信號接收主要通過BDS天線和接收機完成（圖2），信息處理主要由工控主板完成（圖3）。利用卡爾曼濾波算法完成對經緯度信息的濾波處理，并結合視覺識別設備所獲得的數據以及其他輔助傳感器獲取的農機姿態或位置信息，來指導農機完成指定任務的行駛或操作。

定位功能還能幫助拖拉機或收割機等農機具進行合理的路徑規劃作業，同時生成農田的信息輪廓圖并根據路徑規劃算法完成路徑規劃。在作業過程中，利用北斗定位技術結合傳感器動態監測數據來顯示農機完整的作業狀況，利用精準定位完成農機的多功能導航要求。

2.3 農機導航的功能要求

（1）農機北斗導航作業需要能夠適應大面積的耕地環境，為方便農機技術推廣，北斗導航的設備和使用成本不能過高，且因我國農田工作環境復雜，農用車在作業的同時還要利用北斗定位技術完成對農田地塊的信息采集與測量等工作，因此要求系統必須有足夠的穩定性和可靠性，同時盡可能高的提升定位精度。

（2）由于導航過程需要處理的信息量很大，因此，北斗導航必須具備GIS軟件的相關功能，并能利用GIS軟件進行高效快捷的信息和邏輯運算。農用車的車載電腦應當配備嵌入式 GIS 軟件，以保證路徑規劃圖功能的實現，嵌入式 GIS 軟件能夠接收設備提供的耕地位置的定位信息，并結合農用車速度信息，對農業機械進行自動導航。

（3）因北斗系統應用于現代化農業機械必須與接收設備、數據傳導設備、視覺識別設備、顯示屏、控制裝置等相配合，因此要求北斗導航具有豐富的外圍接口，方便與多種設備進行連接。

3 作業路徑規劃

得益于北斗衛星導航的定位技術，使農用車的作業路徑規劃變得更加便捷，通過在農用車作業前和工作中進行預先或者實時的作業路徑規劃，有利于提高農用車作業過程的適應能力和科學性。與公路行駛汽車所使用的行駛線路徑不同，農田作業更多考慮的是以面積為單位的農田區域覆蓋，路徑的分布與農用車的行駛方式常常根據農田邊界的形狀、農機裝備的行駛特點以及相關農藝要求來決定，同時還要考慮在作業過程中的相關操作的實現能力，避免農機空行駛導致作業困難和資源浪費問題的出現，這也在很大程度上依賴于北斗衛星定位技術的精確度。

作業路徑規劃也就是對農用車的行駛軌跡的設計與方案提供，所規劃的路徑必須覆蓋農田全范圍，并且以直線行駛為主。路徑設計過程需要考慮直線路徑、轉彎路徑、行駛方向等眾多問題（具體見圖4），然后利用全排列算法確定直線路徑的最優遍歷順序，最后再進行路徑的合理性檢驗和算法驗證，這些過程都可以通過成熟的軟件和系統快速完成，而使用者只需要提供農田形狀資料并輔助進行路徑設計。

直線路徑的設計內容主要包括：（1）確定直線路徑在耕地中的相對方向;（2）明確端點的位置;（3）根據農用車沿直線路徑作業時的轉彎次數最少的基本要求設計直線行駛的方向;（4）直線路徑的兩個端點應位于農田直線作業區域和地頭轉彎區域的分界線上，且應根據地頭轉彎區域的寬度來確定。

轉彎路徑的設計內容主要包括：（1）考慮轉彎路徑的最小寬度;（2）分析轉彎的先后順序對作業時間的影響;（3）分析直線路徑的先后遍歷順序對轉彎時間的影響，進而得到作業的最優方案。

4 結束語

隨著技術研究的不斷進步，我國自主研制的北斗導航技術所能夠提供的服務會越來越豐富，其與農業機械的結合不僅提高了農業機械的作業效率和作業質量，也方便了農業機械的管理與資源調配。相關工作人員應重視對北斗導航技術在農業機械上的應用和推廣，北斗導航設備的生產廠家也應注意相關設備的銷售價格，保證北斗導航技術的快速普及與推廣。

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