拖拉機自動導航技術的研究

成仲年

(會寧縣翟家所鎮人民政府，甘肅 會寧 730715)

0 引言

農業拖拉機是進行各項農事操作的重要農用機械，與各項農業機具配合使用完成作物播種、耕地及收獲，是農業生產中的重要動力機械。自動導航系統可以將駕駛者從枯燥重復的駕駛過程中解放出來，通過替代人力進入田間進行農業操作，改善了農業工作人員的工作環境，推進農業現代化進程[1]。國內外在20世紀80年代開始逐漸將拖拉機自動導航技術應用到農業生產中，目前，在德國、美國和日本都已經基本實現在田間的投放使用。田間試驗結果表明，使用拖拉機自動導航系統可以極大地降低勞動強度，提高農業生產效率，工作人員只需要在遠程對農業機械進行實時監控，當發生機械偏離規定路徑時及時進行遠程調整，因此，大力發展拖拉機自動導航技術是實現農業現代化進程的重要作業環節。

該研究基于自動導航系統的關鍵技術，對目前國內外拖拉機自動導航系統的發展現狀進行分析，指出目前拖拉機自動導航系統在田間運行過程中存在的瓶頸，提出未來發展農業拖拉機自動導航系統的重點與難點，研究結果對于完善我國農業拖拉機自動駕駛系統的發展提供參考，對推動我國農業生產向自動化、智能化及現代化發展具有重要意義。

1 拖拉機自動導航駕駛技術

目前，拖拉機自動導航系統主要分為液壓式和電控式。液壓式拖拉機自動導航系統主要包括ECU控制器、GPS定位系統、各類傳感器、液壓閥及車載計算機等。電控式拖拉機自動導航系統主要包括導航系統、GPS定位系統、電動轉向系統、各類傳感器及車載計算機系統等。與液壓控制相比，電控技術更加高效、經濟，田間行駛穩定性及可靠性較高[2]，可以根據傳感器信號自動控制車輛油門大小，從而自動控制駕駛速度，而且電控系統機械配合緊湊、輕便，可以適應各種田間地形環境，是目前在農用駕駛機械及車輛駕駛中應用最為廣泛的駕駛系統。

2 自動導航拖拉機中的關鍵技術

2.1 定位技術

定位技術是自動導航系統中的重要組成部分，定位精度是決定安全駕駛的重要前提，尤其是在交通行駛過程中，對車輛實現高精度定位可以在遇到路障、行人時駕駛車輛順利避讓，保證車輛安全駕駛。目前，最常用的定位技術主要包括導航定位技術(GPS)、慣性導航技術(Inertial Navigation Technology，INT)及地圖配合技術(Map Matching Technology，MMT)，其中，以GPS技術和INT技術應用最為廣泛[3]。GPS技術主要是依靠在車輛安裝定位系統，通過衛星定位為工作人員提供車輛行駛過程中高效實時的車輛移動位置，工作人員可以在遠程實時觀察拖拉機是否按照規劃路線行駛，如果出現位置偏移，及時對車輛進行調整，防止拖拉機在行駛過程中由于運行失誤而造成不必要的損失。雖然GPS技術在目前應用中最為便捷廣泛，但是GPS導航系統抗干擾性能差，在田間環境惡劣時會出現較大的導航誤差。

慣性導航技術(Inertial Navigation Technology，INT)是根據車輛運行過程中的運行速度及運行方向，根據智能反饋系統計算出車輛不同時刻所在的位置信息，由于主要是依靠車輛運行的速度與方向進行位置推算，因此不易受到外界環境的干擾。目前，將INT技術與GPS技術結合使用可以獲得更高的定位精度。

2.2 機器視覺系統

我國關于機器視覺技術開始于20世紀90年代，由于相關技術不夠成熟，所以在各個行業的實際應用中相對較為落后，仍處于試驗階段，目前主要集中在電子、半導體、汽車行業及交通中應用較為廣泛，在農業生產中應用屬于初級階段。

機器視覺技術是目前自動導航技術的核心，主要是通過圖像傳感器對周邊環境進行識別，并將圖像信號轉換為數字信號(圖1)，從而做出智能決策，屬于人工智能發展的一個重要節點，在農業生產中已經得到了廣泛應用。目前，農業生產中病蟲害識別、作物生長中的各種農藝性狀的自動判別，通過圖像采集后進行系統自動判別，根據圖像采集的顏色、亮度等轉化為數字信號，便于在不進行田間觀察時對田間作物進行及時判別，并快速做出干預。目前，在農業機械應用中，機器視覺在田間行駛時，通過對周邊環境，如作物生長、土壤性質及判別果實是否成熟，從而完成一系列農事操作，如田間除草、果實采摘及土壤翻耕等。機器視覺技術可以代替傳統數據采集信息技術，在較短時間內獲取大量數據并及時進行處理，反饋實時有效信息，從而可以完成對目標產量的遠程監控與實時監測，因此，大力發展和完善視覺技術是未來自動導航技術乃至整個農業機械的重點。

圖1 機器視覺技術工作原理

3 拖拉機自動導航技術的優勢

3.1 降低勞動強度

拖拉機自動導航技術替代農機駕駛員進行田間駕駛過程中枯燥、單一的工作，而且農業環境較差，該技術極大地緩解了農業操作人員的勞動強度，駕駛員不需要在駕駛室時刻關注田間工作環境，如行走軌跡及行走過程中周邊環境信息。利用自動導航技術，駕駛員只需要按照地塊合理規劃拖拉機行駛路徑，而不需要進入田間，在遠程進行操控即可，觀察拖拉機行駛過程中是否出現偏差，當出現路徑偏移時及時進行遠程操控即可。

3.2 提高工作效率

傳統農業生產往往需要大量人力、物力投入，也容易受到天氣影響，遇到陰天、降雨或者高溫天氣都無法進行田間作業。將自動導航技術投入農業拖拉機行駛過程中，可以在任何氣候環境下進入田間工作，配合其他農機具的使用，完成農業生產機械化及智能化進程。在傳統農業生產中，人力在田間工作時，無法對周邊環境及時獲取，容易造成工作失誤或者誤差，影響農作物生長及后期產量。采用自動導航技術，可以適應任何地理環境及復雜地形，自動感知周邊環境信息并及時做出決策，在減輕人力投入的同時提高工作效率。

3.3 精準作業

自動導航技術可以在行駛過程中對周邊農作物位置進行精準定位，配合農業播種、噴藥、翻耕及收獲作業可以進行精準定位，田間信息還可以通過反饋系統及時傳送至遠程屏幕，工作人員可以進行精準操作，如自動導航技術配合無人機技術，可以提高藥物噴灑的均勻度，有效消除病蟲害，較傳統人工噴灑藥物更加高效，利用機器噴灑藥物還可以減少農藥對農業操作人員健康造成的傷害。

4 自動導航拖拉機存在的問題及發展趨勢

目前，國內外都開始對拖拉機自動導航技術進行大量研究，并取得一定的研究成果，國外農業發展較快的國家，如德國、美國及日本已經將拖拉機自動導航技術應用于農業生產中，均帶來了一系列農業生產成效，可以代替農業人員在惡劣的田間環境進行農業操作、減少農業生產中的人力物力投入，降低勞動強度，極大地改善了農業生產環境與工作效率。但是目前自動導航技術在農業機械應用中主要受到電子技術、傳感器技術發展的限制，目前仍存在一些問題亟待解決。

4.1 存在的問題

4.1.1 導航精度差

由于目前自動導航技術中定位技術、傳感器技術、人工智能控制系統及機器視覺技術等還不成熟，我國各個地區地形差別較大，在不同地區進行田間操作時，容易受到地形及田間環境的影響，尤其是在南方丘陵地區，地勢不平坦，田間環境較差，會造成拖拉機自動導航技術在工作時穩定性差、定位精度不高等問題。因此，在提高導航精度的同時應該加強農業田間的標準化建設，為自動導航技術在田間應用提供一個良好的環境條件。

4.1.2 農業機械化及自動化水平低

我國是農業大國，但不是農業強國，正是由于我國農業生產機械化水平較低，自動化和規模化程度低，在農業生產中主要受到農業機械的硬件系統、軟件系統的限制。由于我國耕地分布較為分散，農業機械使用的推廣率較低，農業機械不配套，機械老化程度嚴重都影響了農業機械化、自動化程度的提高。

4.1.3 農業生產智能化程度低

我國目前已經基本實現將農民從繁重的農業操作中解放出來，但是智能農業裝備仍處于中級階段。與國外農業發達國家相比，在農業機械研發水平、農業生產效率、農業機械創新性及智能農機裝備均較為落后[4]。農業裝備智能化程度高低會影響人工智能技術在農業生產中的應用，提高農業裝備的智能化程度可以更好地與人工智能技術互相融合，在農業生產中發揮“1+1>2”的功能，更好地進入數字農業生產階段。

4.2 發展趨勢

4.2.1 發展配套設備，建立配套支撐體系

農業拖拉機自動導航技術是多種技術的交互融入及各個學科的深度融合，主要是傳感器技術、農機制造技術、人工智能技術3大部分。傳感器技術是拖拉機自動導航技術的核心技術，是連接農業機械與人工智能技術的“橋梁”，只有提高傳感器的精度，才可以更好地將采集的信息及時高效地反饋給信息處理系統；農業制造技術是決定農業機械完成農事操作好壞的評判指標；人工智能技術是及時作出信息判定及決策的中心[5]。目前，我國主要是引進國外相對較為成熟的各類傳感器，缺乏自主研發能力，但國外與國內的核心技術差別較大，配合使用效果較差。因此，應該逐步建立拖拉機自動導航系統的配套使用體系，積極探索較為成熟的配套使用系統，探索適應于不同地區、拖拉機型號的生產模式，為農業拖拉機自動導航系統的發展提供一個健全的技術體系。

4.2.2 多種農業機械協同導航技術

農用拖拉機進行農業操作時主要與播種機、翻耕機械及聯合收獲機械配套使用，因此，在對拖拉機系統實現自動導航的同時，應該加大對各項配套農機具自動導航技術的應用。當拖拉機與播種機配套使用時，拖拉機按照運行軌跡進行運動，播種機同時配合自動導航系統，可以提高播種精度，田間播種更加規范，減少重播漏播現象的發生，可以提高“苗齊、苗壯”；拖拉機與翻耕機配合使用時，拖拉機按照預設路徑進行田間行駛，同時實現土壤翻耕機按照不同的土壤環境進行翻耕，對于土塊較大、雜草、根茬及秸稈較多的地塊加大翻耕力度和強度，提高土壤翻耕工作效率；當拖拉機與聯合收獲機配合使用時，收獲機割臺操作實現自動控制與農作物信息識別技術，對作物成熟度進行自動判別，對果實位置進行精準定位，提高果實收獲的工作效率。

5 結語

本研究對拖拉機自動導航系統中的關鍵技術進行分析，并以此為基礎分析目前國內外拖拉機自動導航系統發展歷程及在實際應用過程中存在的問題，提出我國未來發展拖拉機自動導航系統工作效率的主要研究方向與研究重點，本文對于提高拖拉機自動導航系統的工作效率提供技術參考與理論基礎。

(05)