智能駕駛技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械上的應(yīng)用與發(fā)展趨勢(shì)

畢亞娟

(青岡縣農(nóng)機(jī)綜合服務(wù)中心，黑龍江 青岡 151600)

0 引言

隨著我國農(nóng)業(yè)由傳統(tǒng)的粗放型生產(chǎn)向著精細(xì)化作業(yè)模式轉(zhuǎn)變，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中對(duì)農(nóng)機(jī)的自動(dòng)化和智能化提出了新的要求，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，農(nóng)業(yè)機(jī)械的精細(xì)化作業(yè)必須要以合理的行駛控制作為基礎(chǔ)。目前的農(nóng)機(jī)駕駛主要依靠駕駛員操作，駕駛員在駕駛農(nóng)機(jī)的過程中不僅要負(fù)責(zé)農(nóng)機(jī)行駛，同時(shí)還要兼顧地表狀態(tài)、農(nóng)作物生長情況、病蟲害情況等眾多信息，很難完全保證農(nóng)業(yè)機(jī)械按照最合理的方式行駛。人工駕駛農(nóng)機(jī)的行駛路線在直線性和位置偏差方面局不盡人意，在機(jī)械化耕作、播種、施肥、插秧等作業(yè)過程中很容易出現(xiàn)作業(yè)遺漏或重復(fù)作業(yè)等問題，導(dǎo)致生產(chǎn)質(zhì)量的下降。近年來，自動(dòng)駕駛技術(shù)在我國取得了快速的發(fā)展，部分技術(shù)已經(jīng)在汽車駕駛方面進(jìn)行了試驗(yàn)與應(yīng)用，而對(duì)于農(nóng)業(yè)機(jī)械而言，也應(yīng)積極結(jié)合現(xiàn)代化的駕駛技術(shù)對(duì)農(nóng)機(jī)駕駛系統(tǒng)進(jìn)行改造與升級(jí)，以此促進(jìn)農(nóng)機(jī)精細(xì)化作業(yè)程度的進(jìn)一步提升。

1 農(nóng)機(jī)智能駕駛的定義

智能駕駛是在人工智能技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行研究和發(fā)展的，其主要依靠自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、衛(wèi)星定位技術(shù)、通信技術(shù)等進(jìn)行實(shí)施。農(nóng)業(yè)機(jī)械智能駕駛技術(shù)是農(nóng)業(yè)機(jī)器人技術(shù)研究的一個(gè)分支，農(nóng)業(yè)機(jī)械在田間行駛過程中能夠以衛(wèi)星定位、視覺技術(shù)、傳感器技術(shù)等獲取生產(chǎn)環(huán)境的相關(guān)信息，并模擬成為類似于人類的感知系統(tǒng)，結(jié)合計(jì)算機(jī)人工智能技術(shù)對(duì)行駛方式進(jìn)行智能判斷，再利用自動(dòng)控制技術(shù)控制農(nóng)機(jī)的行駛速度和轉(zhuǎn)向、剎車等操作，從而有效替代人工駕駛，并使駕駛邏輯更為科學(xué)。智能駕駛技術(shù)的實(shí)施，主要依靠農(nóng)機(jī)行駛主體、視覺識(shí)別系統(tǒng)、GPS系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)、邏輯計(jì)算系統(tǒng)等幾大部分來配合實(shí)現(xiàn)，如圖1所示。

圖1 農(nóng)機(jī)自動(dòng)駕駛技術(shù)的組成

2 農(nóng)機(jī)智能駕駛技術(shù)研究情況

我國對(duì)于農(nóng)業(yè)機(jī)械的自動(dòng)導(dǎo)航駕駛技術(shù)的研究起步于20世紀(jì)90年代，主要的研究是借鑒美國和日本等發(fā)達(dá)國家的相關(guān)機(jī)械技術(shù)，其主體自動(dòng)駕駛技術(shù)的思路是以農(nóng)機(jī)導(dǎo)航技術(shù)控制農(nóng)業(yè)機(jī)械的自動(dòng)行駛，但農(nóng)機(jī)駕駛技術(shù)的快速發(fā)展主要集中于2009年以后，隨著我國的農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)得到快速發(fā)展，很多先進(jìn)的其他學(xué)科紛紛加入到農(nóng)業(yè)機(jī)械的功能研究之中，使農(nóng)業(yè)機(jī)械在自動(dòng)化程度上得到了顯著提升，在自動(dòng)駕駛方面，國內(nèi)學(xué)者以農(nóng)機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行了大量的研究和產(chǎn)品開發(fā)工作。張智剛等[1]開發(fā)了基于 DGPS 和電子羅盤的導(dǎo)航控制系統(tǒng)使農(nóng)機(jī)行駛的控制誤差得到明顯優(yōu)化；羅錫文等[2]設(shè)計(jì)的 DGPS 自動(dòng)導(dǎo)航控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了拖拉機(jī)直線行駛作業(yè)最大誤差小于 0.15 m；偉利國等[3]將RTK-GPS應(yīng)用到水稻自動(dòng)化插秧設(shè)備的研究中，使水稻插秧機(jī)對(duì)行行駛效果顯著提升；劉卉等[4]設(shè)計(jì)了基于GPS的農(nóng)機(jī)作業(yè)重漏程度評(píng)估方法，并在小麥?zhǔn)斋@、施肥等作業(yè)中進(jìn)行試驗(yàn)，有效提高了農(nóng)機(jī)作業(yè)評(píng)估質(zhì)量。

3 智能駕駛技術(shù)在農(nóng)機(jī)中的應(yīng)用

3.1 線路規(guī)劃與行駛路線檢測(cè)

隨著GPS定位技術(shù)在先進(jìn)的農(nóng)業(yè)機(jī)械中進(jìn)行應(yīng)用，以大馬力拖拉機(jī)、聯(lián)合收獲機(jī)等為代表的先進(jìn)農(nóng)機(jī)產(chǎn)品都配備了衛(wèi)星定位終端(圖2)，先進(jìn)定位技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械上的配套使現(xiàn)階段的農(nóng)機(jī)駕駛和管理工作得到了顯著提升。一方面，盡管現(xiàn)階段很多農(nóng)業(yè)機(jī)械還不能實(shí)現(xiàn)徹底的自動(dòng)化駕駛要求，但是在智能軟件的配套下，農(nóng)機(jī)駕駛員可以根據(jù)衛(wèi)星定位的功能利用軟件生成最合理的行駛路線，并在農(nóng)機(jī)行駛過程中利用定位和導(dǎo)航技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控，及時(shí)提醒和糾正行駛偏差問題，保證農(nóng)機(jī)作業(yè)的合理性；另一方面農(nóng)機(jī)管理部門對(duì)于農(nóng)機(jī)深松、免耕播種等作業(yè)能夠利用農(nóng)機(jī)的定位和信息技術(shù)等功能實(shí)現(xiàn)作業(yè)面積自動(dòng)評(píng)估，有利于補(bǔ)貼資金的合理化發(fā)放。

圖2 北斗衛(wèi)星定位終端

3.2 農(nóng)機(jī)的自動(dòng)行駛和自動(dòng)作業(yè)

近年來，農(nóng)業(yè)機(jī)械的自動(dòng)駕駛和智能作業(yè)技術(shù)發(fā)展較快，以中國科學(xué)院、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院為代表的科研團(tuán)隊(duì)在我國很多地區(qū)建立了無人智能農(nóng)場示范點(diǎn)，以農(nóng)機(jī)智能駕駛技術(shù)為基礎(chǔ)，基本上能實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)各個(gè)過程的全自動(dòng)化作業(yè)。農(nóng)業(yè)機(jī)械通過先進(jìn)的定位、視覺、傳感器等技術(shù)實(shí)現(xiàn)環(huán)境感知、路徑規(guī)劃，并按照設(shè)計(jì)好的程序執(zhí)行相應(yīng)的農(nóng)機(jī)作業(yè)任務(wù)。現(xiàn)階段的智能駕駛技術(shù)在農(nóng)機(jī)自動(dòng)化作業(yè)上的應(yīng)用功能包括：農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化耕整地、農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化播種、農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)植保、農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)收割等。只是這些先進(jìn)的智能駕駛和作業(yè)技術(shù)在我國還沒有達(dá)到普及和應(yīng)用的能力，而在美國、日本等發(fā)達(dá)國家已經(jīng)逐步實(shí)現(xiàn)了農(nóng)場智能化作業(yè)。

3.3 農(nóng)業(yè)機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用

現(xiàn)階段我國對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究，而農(nóng)業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用卻主要集中于歐美、日本等發(fā)達(dá)國家，例如美國農(nóng)機(jī)企業(yè)已經(jīng)有相關(guān)的機(jī)器人產(chǎn)品在市場銷售和應(yīng)用，Aboundant Robotics是一款蘋果采摘機(jī)器人(圖3)，能夠?qū)崿F(xiàn)在不破壞蘋果樹和蘋果的前提下達(dá)到平均每秒采摘一個(gè)蘋果的工作效率。

圖3 Aboundant Robotics水果采摘機(jī)器人

4 智能駕駛技術(shù)的應(yīng)用難點(diǎn)

4.1 智能駕駛的環(huán)境條件不具備

我國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)相對(duì)不足，對(duì)于智能駕駛的農(nóng)業(yè)機(jī)械，作業(yè)質(zhì)量與農(nóng)田環(huán)境關(guān)系很大，一方面，我國農(nóng)田環(huán)境復(fù)雜，耕地存在地形不規(guī)整、地勢(shì)不平、田間障礙物多等很多不利因素；另一方面智能駕駛的農(nóng)機(jī)作業(yè)需要依靠網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星定位等多重技術(shù)，而農(nóng)田作業(yè)常存在網(wǎng)絡(luò)信號(hào)不良或無信號(hào)、衛(wèi)星定位精度不高等問題。以上兩方面原因造成了農(nóng)機(jī)自動(dòng)駕駛應(yīng)用中行駛路線不準(zhǔn)確，需頻繁避障，不良路況農(nóng)機(jī)易損壞等問題。

4.2 對(duì)智能農(nóng)機(jī)的管理能力不足

盡管智能農(nóng)機(jī)實(shí)現(xiàn)了無人化作業(yè)，但智能農(nóng)機(jī)的日常使用對(duì)于保養(yǎng)維護(hù)的要求更高。而對(duì)于我國農(nóng)民而言，對(duì)于智能農(nóng)機(jī)的管理能力明顯不足，表現(xiàn)在以下幾方面，一是對(duì)智能農(nóng)機(jī)的日常調(diào)校能力不足，智能農(nóng)機(jī)不僅需要機(jī)械部件的維護(hù)調(diào)整，還需要對(duì)作業(yè)方案與控制系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)調(diào)整，我國農(nóng)民在此方面的能力嚴(yán)重缺失，單純依靠售后服務(wù)技術(shù)維修不利于實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)的長久高效使用；另一方面，智能農(nóng)機(jī)結(jié)構(gòu)與技術(shù)更為復(fù)雜，農(nóng)民的維護(hù)保養(yǎng)能力不足，定期保養(yǎng)意識(shí)欠缺，都不利于智能農(nóng)機(jī)技術(shù)的應(yīng)用。

4.3 對(duì)智能農(nóng)機(jī)購買能力不足

盡管近年來我國農(nóng)民的經(jīng)濟(jì)能力明顯提升，但是對(duì)于先進(jìn)農(nóng)機(jī)的購置能力仍然明顯不足，而對(duì)于智能農(nóng)機(jī)而言，其生產(chǎn)成本進(jìn)一步提高，導(dǎo)致其銷售價(jià)格也大幅增長，單就自能駕駛農(nóng)機(jī)而言，由于具備了自動(dòng)駕駛技術(shù)，大量先進(jìn)電控元件的應(yīng)用不僅提高了其售價(jià)，也導(dǎo)致其在日常使用過程的成本上升。一方面，為更好的保護(hù)智能農(nóng)機(jī)，農(nóng)民需要為其提供合適的庫棚存放，并為其智能行駛作業(yè)提供更高的維護(hù)費(fèi)用；另一方面，自動(dòng)駕駛農(nóng)機(jī)的定期保養(yǎng)主要依靠上門服務(wù)，導(dǎo)致服務(wù)收費(fèi)相應(yīng)增加?？傮w而言，智能農(nóng)機(jī)的推廣需要我國農(nóng)民具備更強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)實(shí)力。

5 我國農(nóng)機(jī)智能駕駛技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

5.1 在逐步應(yīng)用的過程中實(shí)現(xiàn)發(fā)展

一方面我國很多先進(jìn)的智能駕駛技術(shù)和相關(guān)輔助的學(xué)科技術(shù)已經(jīng)具備了相應(yīng)的智能農(nóng)機(jī)開發(fā)能力，另一方面國內(nèi)農(nóng)村地區(qū)的農(nóng)業(yè)機(jī)械購置、應(yīng)用條件和農(nóng)機(jī)市場還不能完全滿足具有智能駕駛技術(shù)農(nóng)機(jī)產(chǎn)品的大規(guī)模應(yīng)用，因此農(nóng)業(yè)機(jī)械的智能駕駛技術(shù)應(yīng)在技術(shù)研究過程中逐步進(jìn)行應(yīng)用推廣，例如將智能輔助駕駛技術(shù)、自動(dòng)作業(yè)技術(shù)與人工駕駛形式相配合進(jìn)行推廣，一方面提高農(nóng)業(yè)機(jī)械現(xiàn)階段的作業(yè)合理性，另一方面使農(nóng)機(jī)的智能駕駛技術(shù)逐漸被農(nóng)民所接受，有利于全智能化駕駛的農(nóng)機(jī)產(chǎn)品在未來的順利推廣。

5.2 在條件適宜地區(qū)加強(qiáng)智能駕駛技術(shù)的應(yīng)用

實(shí)際上，國內(nèi)很多關(guān)于智能駕駛技術(shù)的研究已經(jīng)基本上達(dá)到了應(yīng)用的條件，因此在地理?xiàng)l件良好、配套設(shè)施齊備的農(nóng)場和現(xiàn)代化大棚等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境，可逐步推廣具有智能駕駛技術(shù)的農(nóng)機(jī)產(chǎn)品，只有將智能駕駛技術(shù)逐步推入市場，才能在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的優(yōu)化和提升，也更有利于智能駕駛技術(shù)與我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)際相結(jié)合，幫助其實(shí)現(xiàn)更合理的發(fā)展與快速應(yīng)用。

5.3 功能研究與基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)同步發(fā)展

智能駕駛農(nóng)機(jī)應(yīng)用的一個(gè)先決條件就是農(nóng)村地區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)要能滿足智能農(nóng)機(jī)作業(yè)的需求，這就要求農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件逐漸向有利于智能農(nóng)機(jī)應(yīng)用的方向轉(zhuǎn)變，例如為智能駕駛農(nóng)機(jī)建設(shè)田間道路、GPS基站、通訊設(shè)施等，以便于在農(nóng)機(jī)智能駕駛技術(shù)產(chǎn)品逐漸成熟的同時(shí)，農(nóng)村的生產(chǎn)條件也能很好的對(duì)新農(nóng)機(jī)產(chǎn)品的應(yīng)用提供平臺(tái)，確保先進(jìn)農(nóng)機(jī)真正得到快速應(yīng)用。

6 結(jié)語

隨著我國科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，自動(dòng)駕駛技術(shù)也將很快在農(nóng)業(yè)機(jī)械上得到應(yīng)用，而人工智能與自動(dòng)駕駛技術(shù)的深度融合將進(jìn)一步提高農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)的科學(xué)性和便捷性，也將是農(nóng)機(jī)產(chǎn)品技術(shù)升級(jí)的主要方向之一，智能駕駛技術(shù)的應(yīng)用需要在科技、農(nóng)村管理、農(nóng)田建設(shè)、農(nóng)民認(rèn)識(shí)等很多方面進(jìn)行努力和提升，以此確保農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)得到快速科學(xué)的應(yīng)用和發(fā)展。

(05)