農業機械自動導航技術的分析

張雁

【摘要】? ? 自動導航技術是農業機械自動化的關鍵技術，無法實現自動導航，農機自動化就難以達到較高水平。因此本文重點對農機自動導航技術進行了分析，對農機自動導航技術的關鍵核心技術進行了解析，僅供參考。

【關鍵詞】? ? 農業機械? ? 自動化? ? 自動導航

引言：

在發展現代農業過程中，我國的農機得到了長足進步，農機自動化、智能化水平不斷提升，自動化農機已經成為一些地區規?；r業生產，提升農業發展質量的重要手段。自動化農機需要精準高效的坐標定位，因此自動導航技術在農機上的應用非常值得探索

一、農機自動化

農機自動化以電氣控制為基礎，通過微電子技術來實現對農業機械的控制。通常而言，是利用傳感器等裝置來對農業進行實時的信息采集，并通過分析采集的信息來進行實時的控制。所以一般來講，農機自動化需要大量傳感器、坐標定位裝置等，還要配套自動控制系統，實現對農機運行的控制、故障監測、自動導航等。

提升生產工藝，自動化的生產設備是基礎，現代農業發展過程當中，對農業機械的需求越來越高，自動化農機進一步增強農業生產效率，提升農業生產質量，而要實現農機的自動化，首先就需要實現農機坐標定位，若不能完成農機定位，很難完全實現自動化，而農機定位必然需要自動導航技術的支持。

現階段農機自動化的核心關鍵點就是自動導航，如果無法通過自動導航來實現對農機的精準定位，雖然也可以對農機進行自動控制，但卻沒有章法。

基于自動導航技術的農機自動化能夠顯著提升農業生產作業效率。傳統的農業生產主要依靠人力，即便農業機械化，也需要人力來操控農業機械，導致的主要問題是農業生產無法形成規模，經濟效益不佳。而配備了自動導航的自動化農機，只需要很少的人力就能完成規?；霓r業生產，如北美一個大型農場只需要兩三個人就能實現運轉，包括播種、田間管理、收獲等等基本都采用自動化農機來完成。再比如德國某蘿卜種植農場，場地是大棚，整地、播種、澆水施肥等種植關鍵環節均采取自動化農機。

自動化農機降低工作強度，特別是全自動化農機，工作人員通過相關管理軟件遠程設置農機運行參數，不需要到田間即可通過農機自動化作業完成農業生產工作。傳統的農業機械化生產是達不到這一效果的，因為農機手必須要親自操作農機，且需要相當豐富的操作經驗才能保證農業生產效率和質量，全自動化農機則不需要。

二、農機自動導航技術

2.1典型農機自動導航

目前國內配置自動導航技術的農業機械，通常由固定參考站、車載系統兩個模塊來構成自動駕駛系統。其中固定參考站通常建立在田間合理位置，車載系統則是一套集成了衛星接收系統、定位系統、控制系統的綜合性自動駕駛系統，其硬件部分主要包括衛星接收天線、GPS或北斗（一般采用北斗）高精度定位終端、行車控制模塊（一般可由PLC作為中控，配套變頻器、驅動電機等來構建）、液壓閥、角度傳感器等。

對于這一典型農機自動導航系統來講，導航終端的各個硬件模塊準確安裝好后，先在控制器上設定好農機的行走路線，并設定好導航模式，一般有三種，即直線、曲線和環線。利用RTK基站發出的差分數據，實現高精度衛星定位，并由控制系統實時分析定位信息和角度傳感器采集的實時數據，控制器基于實時數據向液壓控制系統發送控制指令，自動調整液壓閥液壓油流量和方向，進而控制農機行進方向。

2.2農機自動導航技術解析

2.2.1 RTK

基于上述典型自動導航系統來講，其自動導航技術，核心技術要點在于RTK。RTK即載波相位差分技術，該技術通過對量測站的載波相位觀測值進行實時處理，即可實時提供厘米級精度坐標。該技術實際使用中需要兩臺衛星信號接收機，其中一臺接收機需要安裝在一個已知的坐標點上作為定位基準站，并且需要一定的數據，如基準站的坐標轉換參數、高程、坐標。另外一臺接收機則作為流動站，當然實際工作中流動站可能不止一臺。在RTK工作過程中接收機（基準站和流動站）需要實時跟蹤至少四顆衛星，并且同時接收衛星發送的信號。

基準站收到信號后會將信號轉發給流動站接收機，流動站接收機接收到的信號會同時與自身接收的衛星信號在同一控制手簿中進行差分處理，從而得到流動站的坐標點。為了支持RTK的精確測量定位，國內已經建設了較為完善的CORS系統，該系統是非常重要的空間數據基礎設施，可為各類用戶對精度定位、快速定位、實時定位、導航等需求提供服務。

目前農機自動導航系統常用的是一種差分GNSS接收機（Piksi模塊），這是一種低成本高精度單頻RTK接收機，在開闊環境下經過RTK Fixed得到的動態定位水平精度可以達到2cm，垂直精度4cm。

依照RTK工作原理，流動站和基準站之間的距離越遠，精度會下降，一般距離每增加1km，則水平精度和垂直精度分別下降1mm和3mm。該模塊擁有配套軟件，該軟件用戶界面開源，可由用戶進行二次開發，制作符合自身習慣的用戶界面。

基于Piksi模塊而言，其要實現厘米級的相對定位精度，以滿足農機導航需求，在RTK系統中至少需要兩個模塊，即兩個GPS天線、2根USB線、兩根陶瓷天線，兩個數據傳輸電臺，四條備用串口線、兩根GPS外置高增益天線，兩個接收器，兩根電臺線，這些硬件都有成品，直接采購即可。搭配的Console軟件是一個GUI圖形可視化軟件，可在WIN平臺上運行，并且可對Piksi模塊進行硬件上的設置。硬件準備好，通過軟件上的操作，搭建RTK系統。

但注意由于Piksi模塊的天線需要跟蹤衛星信號載波相位信息，所以對周邊環境敏感，即必須要具備更好的通視條件。

2.2.2模糊航向角決策算法

當然RTK系統作為自動導航的關鍵，主要是為控制系統提供實時的精確坐標定位數據，用以控制系統發送控制指令控制農機行走狀況。搭配好相關硬件和配件框架基本上就完成了。但是要達到控制農機自動跟隨導航信息進行行走的目標，還必須要賦予控制系統相關的算法，用以執行自動駕駛控制。

從車輛自動控制的角度來講，人通過油門、剎車、變速箱、方向盤等來控制車輛前進后退、加速減速、轉向。自動駕駛就是要取消人的作用，由控制系統來控制這些部件，進而控制車輛的行進狀態。僅以轉向來論，人在駕駛車輛時，通過人眼觀察車輛是否偏離目標路徑，如果偏離就會轉動方向盤，使車輛始終保持在正確的路徑上，而轉動方向盤調整偏差的大小概念是模糊的，但深度分析可知，駕駛員在調整方向偏差時，主要注意的是橫向跟蹤偏差、方位偏差和誤差大小變化。因此為了使控制器能夠根據導航定位信息對車輛行進情況進行控制，需要賦予控制器模糊航向角決策算法。

在該算法當中將控制器輸入變量設置為方位偏差和橫向跟蹤偏差，輸出變量設置為轉向輪的期望偏角。由此分析車輛轉向輪在車輛實際行走過程當中的各個姿態信息變化規律，進而預測輸入量的變化范圍，并對輸入輸出變量的值進行預設。

配置模糊控制器，該控制器的目標是控制車輛沿著預設的路徑行走，這種控制器可以模擬駕駛員的思維，是適配模糊航向角決策算法的理想硬件?；贛atlab的模糊邏輯工具箱來設計模糊控制器輸入輸出變量隸屬函數使用高斯函數，使用面積中心法來實現去模糊化過程，啟動規則觀察器，輸入離散值，計算控制量（期望轉角），由此形成可查詢的輸出控制表。

2.3基于RTK系統的自動導航農機使用注意事項

通過上述分析可知，由GPS-RTK系統支持的農機自動導航系統在設計開發上相對比較麻煩，而且對于用戶而言，需要深度學習才能較好地掌握這種自動導航農機的操作使用。

其一，必須要學會架設基準站，基準站位置必須要在空曠且無遮擋的位置，選位是最關鍵的一環，要通過學習技術手冊，操作說明書，科學選位，連接好線纜后，開啟基準站，必須注意觀察差分信號燈，綠色閃爍狀態表示運行正常?；鶞收镜奈恢门c作業地塊的距離不應超過20km。

其二，基準站架設好，再開啟農機自動導航系統電源開關，至少等到半分鐘，系統才能正常工作，也即在操作農機自動導航系統時，不能著急，否則可能導致操作失敗。需要注意確定農機是否為正牽引，若不是，應當對農機進行偏移設置。

其三，學會操作顯示器，在車載顯示器上會有信號強度指示、車速指示、作業面積設置、偏差值現實、作業行等指示信息。在操作上點擊任務按鈕進行作業任務設置。需要在停車狀態下設置一個A點，然后手動駕駛農機行駛一段距離設置B點，A和B兩個點形成直線段（即設置導航為直線模式）。此時就可切換至自動駕駛模式，農機自動沿直線段行走。但在轉彎點，卻需要切換到手動模式轉彎后再切換自動駕駛。若工作地塊存在林帶影響衛星信號接收，可在設定好直線段后，從地塊中央開始向兩邊作業。

其四，若信號不佳，誤差較大，可在顯示屏上點按狀態鍵，查詢是否為衛星信號不佳，或是RTK基站信號不佳。若衛星信號不佳，則需要看天線是否被遮擋，附近是否存在高壓線等強磁場設施設備。若為RTK基準站信號不佳，一般會提示通信模塊登錄不正常，此時需要檢查RTK基準站，并且還要檢查通信模塊是否正常通信。

三、結束語

綜上所述，自動導航技術在農業機械上的應用是實現農業機械自動化的關鍵點。當前農機自動導航技術的研究成果很多，實際應用在農機自動化上的自動導航技術，以RTK系統為典型，但該自動導航體系還存在一些問題，需要進一步研究，以增強性能和操作體驗。

參? 考? 文? 獻

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