農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)研究

王善飛

（阿爾山市農(nóng)牧技術(shù)推廣中心，內(nèi)蒙古 阿爾山 137800）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，我國農(nóng)業(yè)機(jī)械正朝著自動(dòng)化、數(shù)字化、智能化等方向發(fā)展，以最大限度地提高農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備作業(yè)質(zhì)量和生產(chǎn)效率，降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，為實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)興旺奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。在此背景下，越來越多的專家學(xué)者將農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)引入農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程，并憑借優(yōu)化作業(yè)方式、提升作業(yè)效率、降低農(nóng)民勞動(dòng)強(qiáng)度等諸多優(yōu)勢，使農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)向著更加智能化、精確化的方向發(fā)展，為人們的生產(chǎn)生活服務(wù)，從而促進(jìn)我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)飛速發(fā)展。在此背景下，對農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)的探討和研究具有重要的理論意義和現(xiàn)實(shí)價(jià)值。

1 自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)概述

自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)是由計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、電子信息與通信技術(shù)、控制技術(shù)等諸多學(xué)科系統(tǒng)集成的一項(xiàng)綜合技術(shù)類別，在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、工業(yè)中的應(yīng)用范圍越來越廣闊，已然成為當(dāng)代農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備智能化發(fā)展的重要技術(shù)支撐。目前，自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)在土地整理、農(nóng)業(yè)播種、農(nóng)業(yè)植物保護(hù)及農(nóng)產(chǎn)品采摘收割等方面應(yīng)用廣泛。

2 農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的自動(dòng)導(dǎo)航控制系統(tǒng)主要是利用農(nóng)業(yè)機(jī)械自身攜帶的傳感器感知周圍環(huán)境和車體的信息，通過對獲取信息處理并進(jìn)行導(dǎo)航?jīng)Q策和控制，從而完成相應(yīng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)任務(wù)。其中，農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)主要包括環(huán)境感知技術(shù)、導(dǎo)航控制技術(shù)和地圖構(gòu)建技術(shù)。現(xiàn)代農(nóng)業(yè)自動(dòng)導(dǎo)航控制系統(tǒng)主要包括檢測單元、控制單元、執(zhí)行單元和監(jiān)控單元4部分，其架構(gòu)如圖1所示。

圖1 農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)架構(gòu)

在農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用中，檢測單元主要負(fù)責(zé)檢查農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備當(dāng)前位置和預(yù)期設(shè)定的具體坐標(biāo)值之間的差異，由位姿傳感器、車輪轉(zhuǎn)角傳感器等傳感設(shè)備獲取相關(guān)速度信息和坐標(biāo)信息，用于測量當(dāng)前農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備的具體坐標(biāo)值、航角角度、俯仰值等參數(shù)信息，測量機(jī)械設(shè)備在作業(yè)過程中姿態(tài)角、速度等參數(shù)的變化，測量農(nóng)機(jī)設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)速度、運(yùn)轉(zhuǎn)角度和前進(jìn)方向。其中，車輪轉(zhuǎn)角傳感器主要是為了測量農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備在轉(zhuǎn)載位置調(diào)轉(zhuǎn)時(shí)的車輪轉(zhuǎn)向角度信息，用于控制車輪的回路反饋。

控制單元是農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)的核心部分，主要負(fù)責(zé)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備的種植路徑規(guī)劃及跟蹤控制。控制單元能通過位置參數(shù)提取和計(jì)算得到具體的轉(zhuǎn)向角、偏差值等參數(shù)，通過轉(zhuǎn)向角指令獲得相應(yīng)的前進(jìn)方向和參數(shù)設(shè)置。轉(zhuǎn)向控制器能按照轉(zhuǎn)向控制量中的頻率參數(shù)、電壓參數(shù)等實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)備的轉(zhuǎn)向，使農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備轉(zhuǎn)到與轉(zhuǎn)向角指令符合的角度與位置。

執(zhí)行單元是農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)方向轉(zhuǎn)變和速度調(diào)節(jié)的重要執(zhí)行機(jī)構(gòu)，主要是通過控制器的控制信號(hào)，使農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備里的轉(zhuǎn)向輪以一定大小的轉(zhuǎn)向力矩發(fā)生轉(zhuǎn)變。轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要包括機(jī)械式轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和液壓式轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)2種。通常，機(jī)械式轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)主要通過控制農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備的電機(jī)運(yùn)行而驅(qū)動(dòng)整個(gè)機(jī)械設(shè)備轉(zhuǎn)向，快捷簡單，安裝方便，實(shí)際應(yīng)用范圍較廣；液壓式轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)則是利用自動(dòng)轉(zhuǎn)向液壓回路實(shí)現(xiàn)對農(nóng)業(yè)機(jī)械的轉(zhuǎn)向操作。液壓式轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)較機(jī)械式轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)精確度更高，且整個(gè)轉(zhuǎn)向過程執(zhí)行速度更快、操作更加便捷、可靠性更加優(yōu)良。

監(jiān)控單元是農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航控制系統(tǒng)的人機(jī)交互界面，主要由田間計(jì)算機(jī)承擔(dān)，可對農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化設(shè)置、優(yōu)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的任務(wù)以及對整個(gè)農(nóng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和導(dǎo)航狀態(tài)等進(jìn)行 監(jiān)管。

3 農(nóng)機(jī)位置測量方法

3.1 基于機(jī)器視覺的位置測量方法

機(jī)器視覺主要是指借助計(jì)算機(jī)模擬人體視物功能，從外在世界客觀存在的事物圖像中提取參數(shù)數(shù)據(jù)，處理后獲得深度信息并加以理解，并將該信息用于后續(xù)對同類客觀事物的檢測和控制。由于該技術(shù)參數(shù)信息提取速度快、信息量提取容量大且兼容性功能多，故能借助該參數(shù)優(yōu)化位置測量技術(shù)，進(jìn)而為農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航奠定堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。在此過程中，以攝像機(jī)為位置測量的前端數(shù)據(jù)接收傳感器，識(shí)別并抓取具體農(nóng)作物的參數(shù)信息后，確定農(nóng)機(jī)設(shè)備在農(nóng)田任意范圍的位置信息，確定導(dǎo)航基準(zhǔn)線，能夠通過農(nóng)作物識(shí)別、導(dǎo)航基準(zhǔn)線確定及參數(shù)界定等諸多方式，利用垂直投影法、最小二乘法等實(shí)現(xiàn)定 位功能。

3.2 基于全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的位置測量方法

基于全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）的位置測量方法是對基于全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）的位置測量方法的優(yōu)化。現(xiàn)階段應(yīng)用時(shí)間跨度最長、應(yīng)用范圍最寬泛的是美國的GPS系統(tǒng)，但該系統(tǒng)所使用的普通GPS設(shè)備的參數(shù)精度在10 m左右，難以滿足現(xiàn)代農(nóng)機(jī)化發(fā)展背景下田間種植業(yè)的導(dǎo)航控制需要。而動(dòng)態(tài)后處理技術(shù)采用更高級(jí)的設(shè)備，有助于提升導(dǎo)航精度。應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備導(dǎo)航系統(tǒng)中的主要是四天線的GPS-RTK系統(tǒng)。該系統(tǒng)能為拖拉機(jī)、收割機(jī)等提供位置信息，使農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備在農(nóng)作物田間行駛速度為3.2 km/h的前提下橫向誤差不大于0.1°，使其直線運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)與周邊作物標(biāo)準(zhǔn)之間的差距小于2.5 cm。此外，GPS-RTK技術(shù)能進(jìn)一步通過基站應(yīng)用及虛擬基站建設(shè)等多種差分修正措施，進(jìn)一步增強(qiáng)對衛(wèi)星定位系統(tǒng)參數(shù)誤差的修正能力，從而在某一具體試驗(yàn)區(qū)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對不同農(nóng)作物的作業(yè)需求給出相應(yīng)的GPS衛(wèi)星定位修正信號(hào)，進(jìn)一步縮小其與農(nóng)作物之間的位置誤差。

3.3 基于多傳感器信息融合的位置測量方法

基于多傳感器信息融合的位置測量方法，主要是為了應(yīng)對復(fù)雜多變的農(nóng)田環(huán)境等而研發(fā)的。由于田間環(huán)境復(fù)雜多變且呈現(xiàn)出不可控制性，因此，機(jī)器視覺位置測量法很可能受到田間農(nóng)作物的實(shí)際生長狀態(tài)及當(dāng)前農(nóng)機(jī)使用時(shí)的天氣條件變化影響，GNSS測量方法則易因周邊環(huán)境的電磁干擾而使定位精確度大打折扣。也就是說，在農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用單獨(dú)的位置傳感器不能滿足不同農(nóng)田環(huán)境條件下的測量精度要求，也就不能滿足不同應(yīng)用條件的農(nóng)機(jī)導(dǎo)航需要。因此，基于多傳感器的信息融合的位置測量方法受到了相關(guān)學(xué)者的關(guān)注和重視。多傳感器能通過獲取數(shù)據(jù)相互融合，減小傳感器接收的相關(guān)數(shù)據(jù)信號(hào)的誤差，也能在某一傳感器參數(shù)接收失效時(shí)將其自動(dòng)轉(zhuǎn)化為另一種可用的傳感器測量方式，使農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)能在多種傳感器數(shù)據(jù)的相互融合和相互驗(yàn)證中得到更好的測試結(jié)果。表1為3種不同農(nóng)機(jī)位置測量方法的優(yōu)劣對比。

表1 3種不同農(nóng)機(jī)位置測量方法的優(yōu)劣對比

4 導(dǎo)航控制策略

4.1 PID控制

PID控制策略主要是通過比例變換、積分變換及微分技術(shù)等控制農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)，主要適用于線性變化且動(dòng)態(tài)特性不隨時(shí)間變化的系統(tǒng)。典型的PID控制系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖2所示。該系統(tǒng)能降低對數(shù)學(xué)模型的依賴性，使得系統(tǒng)參數(shù)位置提取時(shí)的魯棒性較強(qiáng)、穩(wěn)態(tài)誤差更小，使其在農(nóng)業(yè)機(jī)械導(dǎo)航控制方面有著廣泛應(yīng)用。

圖2 典型的PID控制系統(tǒng)架構(gòu)

4.2 模糊控制

模糊控制策略主要是以模糊集合理論、語言變量和邏輯推理等為基礎(chǔ)，采取理論支撐的特殊控制方式。該方式并不需要建立農(nóng)田間農(nóng)作物和機(jī)械設(shè)備之間的數(shù)學(xué)模型，因而能廣泛適用于非線性變化的隨時(shí)間變化的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)。典型的模糊控制結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 典型的模糊控制架構(gòu)

4.3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制策略主要是指在農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航控制系統(tǒng)中利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)體系對非線性對象進(jìn)行建模，從而克服農(nóng)田間機(jī)械設(shè)備運(yùn)行不確定、可實(shí)時(shí)變化、動(dòng)態(tài)影響較大等問題，實(shí)現(xiàn)對田間設(shè)備的精確控制，能通過對人工特征的提取控制田間機(jī)械設(shè)備的導(dǎo)航系統(tǒng)，從而在比較向量機(jī)和人機(jī)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上找到更加適合農(nóng)田機(jī)械設(shè)備運(yùn)行的路線，使向量機(jī)和人工網(wǎng)絡(luò)模型的準(zhǔn)確率大幅度提高。

4.4 基于模型的控制

基于模型的農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航控制系統(tǒng)主要是指通過農(nóng)機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)對農(nóng)田間農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備路徑的模擬和跟蹤。例如，某拖拉機(jī)拖車導(dǎo)航控制系統(tǒng)，能通過非線性模型模擬田間控制拖車的實(shí)際運(yùn)行路徑，全過程跟蹤該路徑，并借由模型控制其運(yùn)轉(zhuǎn)速度、運(yùn)轉(zhuǎn)方向等。

5 結(jié)語

農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)作為我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展中的重要成果，能切實(shí)保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量，也能降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中工人的工作強(qiáng)度，促進(jìn)我國農(nóng)業(yè)集成化發(fā)展，提高農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)效率等。基于機(jī)器視覺、GNSS的位置測量和多傳感器信息融合等位置測量方法，能使農(nóng)機(jī)位置得到更精確的修正，從而使農(nóng)業(yè)機(jī)械在PID控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等諸多導(dǎo)航控制策略的引導(dǎo)下，實(shí)現(xiàn)作業(yè)質(zhì)量和作業(yè)效率的快速提升，為我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)和智能農(nóng)業(yè)發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。