智能農機自動導航系統應用與技術分析

高志偉

長春市南關區幸福鄉綜合服務中心，吉林長春，130000

0 引言

隨著科學技術的不斷發展，農業機械化進程也在增快，為便于農機開展更加精準的作業，很多地區開始廣泛應用智能農機自動導航系統，建立組合定位、轉向等精細化應用控制，提高可操作性和農業生產效率。

1 智能農機自動導航系統整體設計

1.1 系統組成

智能農機自動導航系統之所以能完成相應作業，就是在農用機械上安裝、使用自動導航系統，配合相應的系統模塊，搭建完整的系統應用平臺，從而建立相匹配的功能單元，保證農機導航工作順利展開。目前，基于北方地區農業發展現狀，較為常見的應用設備包括GPS、北斗定位系統等衛星導航系統，能夠建立精準定位應用體系，準確定位農用機械的具體位置、方向和作業環境。

另外，在農機設備上安裝相應的傳感器，就能在農機運動過程中建立相應的運行軌跡分析模式，感知農機的運行狀態和角度，進一步實現精準、自動化、數字化的現代農業工作，從最大程度上減少農戶的勞動強度、提高工作效率和質量。

1.2 結構設計要點

對于基礎農機設計工作，完整的液壓系統是關鍵，包括電機設備、油箱、油缸以及油泵、轉向控制器、安全閥等，配合無線衛星接收系統，就能夠依據角度傳感器完成硬件模擬平臺的設計和處理。并且，在結構模式中還能完成導航算法精準性和編程可行性的控制。

1.2.1 模型車結構

智能農機應用控制系統中，自動導航能夠實現農業機械自動轉向，并且能夠優化轉向精準性。為了更好地提高系統的實用價值，本文對農機配備硬件平臺，將農機自動導航系統硬件設施安裝在設備上。

由圖1可知，模型車主要包括車體結構、電力驅動子系統、輔助控制子系統、主源子系統等，對應的結構具備相應的功能特性，以維持整體模型車體的應用功效。與此同時，多數農機采取液壓系統作為轉向動力，結合對應的模塊才能完成相應工作。最關鍵的是，在整個系統中要配置可編程控制器，能借助編程操作實時完成系統控制處理，依據安裝的接收機接收無線信號，能將信號直接傳輸到對應的車載終端，保證軟件在獲取接收數據后建立相匹配的行為處理方案，控制液壓系統、轉向機構以及轉向角度，從而完成農機自動導航管理。

圖1 模型車結構示意圖

除此之外，在設計過程中為了保證設計整體結構應用的規范性，要在模型車的位置上安裝小型液壓系統，配合導航算法設計相關程序，并利用可編程控制器自帶觸摸控制器完成編程和控制工作[1]。

1.2.2 軟件控制系統

在農機自動處理體系中，軟件設計能從最大程度上提高農機自動導航系統的控制效果，形成便捷化服務管理模式，并且借助軟件就能進行行為動作的調控，并提高算法的穩定性，為農機行走控制和農機作業控制提供保障。例如，自動駕駛模擬軟件要借助QT平臺完成開發處理，并且借助對話框設置過程就能對農機行走路徑和原始應用狀態予以對比分析，評估相應的結果數據。與此同時，配合定時器算法推算路徑內容，完成單位時間內相關信息數據的規劃處理。

1.3 應用范圍

作為智能自動導航系統，農機自動導航系統能適配市面上多數品牌的農機設備，比如，北方農業種植中較為常見的插秧機、拖拉機、植保機以及收割機等，貫穿整個現代農業生產，盡可能滿足數字化農業生產的需求。

2 導航定位角設計

2.1 原理

在智能農機應用過程中，衛星導航系統是維持農機導航效果的根本，若是進行定位處理，則會將地球作為參考系，形成地球坐標系，此時，設置直角坐標和大地坐標。

（1）直角坐標系，將地球質心作為原點，北極點和原點之間的連線為Z軸、0°經線和質心連線是X軸，垂直于X軸和Z軸且經過兩軸交點的直線為Y軸。

（2）大地坐標系，將地球橢球的中心和地球的球心重合，此時，地球橢球的短軸就會和自轉軸形成重合狀態，而重合點橢球法線和地球自身赤道結構之間會形成夾角，記為φ。重合點橢球子午線和格林威治大地子午線之間也會形成夾角，記為λ，對應地球橢球中心和地球球心重合并沿著法線直線到球面之間的高度記為h。

例如，若是有固定點Q，直角坐標系為（x，y，z），大地坐標為（φ，λ，h），兩者之間的轉換關系滿足以下關系，見表1。其中，n表示曲率半徑、e表示第一偏心率[2]。

表1 坐標系轉換

正是基于坐標系的轉換，能建立更加精準的定位處理，獲取地表坐標位置，就能為農機導航提供更加精準的指導[3]。

表3是我國部分開設體育旅游方向高校的專業人才培養主干課程，同樣顯示我國高校的體育旅游方向人才培養側重于理論教學，實踐教學課程占比較少。目前存在人才培養課程體系重理論、輕實踐的問題。

2.2 雙天線航線測量

為了進一步提升測試分析的精準性和可靠性，也要建立雙天線航向測量模式，在航向測量坐標系應用中，原點設置為GNSS天線列陣主天線相位中心，配合對應的坐標系處理方式，就能建立坐標系的轉換和控制。將接收天線直接安裝在自動導航農機結構上，就能配合雙天線測量農機姿態應用模式，獲取航向角以及仰俯角，維持精準測量分析的可控效果，并且能為農機導航提供更加精準的指導服務，減少應用偏差造成的影響，提高農機應用效率。

3 航向追蹤設計

在航向追蹤過程中，要結合追蹤要求和設計標準，確保相應的設計內容都能落實到位，也能最大程度上提高智能農機自動導航系統的應用水平，為農戶農機使用提供更大的便利。

3.1 航向追蹤

建立自動專項系統是為了更好地滿足農機精準導航的應用要求，配合相應的分析機制和控制模塊，就能有效實現農機航向和路徑的控制處理，并依據路徑追蹤和導航控制等工序，維持整體應用效果[4]。

一方面，航向追蹤控制要建立PID校正分析，常規化的PID控制是線性控制，盡管效果較好但是算法復雜。依據校正方式的需求會利用比例算法、微分算法和積分算法：①比例算法能及時進行系統誤差的響應，提升控制系統誤差的水平。②積分算法則是有效消除系統的穩態誤差，避免振蕩對整個計算分析產生的影響。③微分算法主要是借助誤差信號應對處理環節，盡量減少調控時間，為系統響應速度的優化予以支持。另一方面，結合自適應PID控制模式，在正常作業、轉彎作業以及曲線行駛等按照對應的速度要求落實具體的操作，確保設計效果和應用水平最優化。

3.2 路徑追蹤

（1）獲取應用農機基于預期目標的動態參數[5]。

（2）對操作過程中的控制量進行統計，并將其作為后續決策的基本依據。

（3）建立精準控制模式。

在實際應用環節中，要結合位置信息的接收設備，建立相應的參數分析模式，并集中落實路徑的評估工作，建立較為可靠的控制方案。也就是說，在設定農機導航基本路線后，就要結合程序算法完成最佳控制動作的設定和分析，并依據結果保證執行動作的及時性和合理性。

綜上所述，在自動導航系統設計的過程中，要基于農業機械的實際應用環境和要求，保證相關設計環節最優化，配合導航終端就能落實具體操作方案，在維持應用效能的基礎上，保證農機控制效果[6]。

4 智能農機自動導航系統應用

正是基于智能化發展要求，智能農機自動導航系統被廣泛應用在農業活動中，在提升農業效率的同時，滿足經濟效益和安全效益協同發展的需求，從而降低工作難度和強度，進一步提高數字化農業發展水平。

4.1 精細化農業作業

在農業機械設備使用過程中，要積極整合具體的技術要點，配合智能農機自動導航系統開展相應的控制工作，完成自動導航分析和管理，提升機械化農業控制的精細化水平。北方地區結合種植特點和種植環境具體情況，在使用農機自動駕駛系統時，對其精細化程度提出了更高的要求，其中，某些畜牧業機械化與自動化產品的先鋒已經將自動駕駛作業精度控制在厘米級，配合傳感器和優化算法，就能將精確度控制在2.5cm，整體速度也升高到每小時18km，能在大幅度提升土地利用率的基礎上保證質量和產量[7]。

4.2 實時動態監測

農機導航在實時性應用控制過程中，配合可視化模式和實時性監控模式，就能完成實時速度參數、計畝顯示、偏移顯示、農田以及速度預警管理等內容，這些創新化的管理模式和應用過程能大大減少農民的工作強度。

一方面，實時性動態監測過程能有效減少農業作業的難度系數，并且大幅度降低操作過程中的風險性，保證作業安全和穩定，配合實時性監測工作，就能夯實控制基礎，減少資源損耗造成的影響，為工作效率的優化提供保障（圖2）[8]。另一方面，實時性動態監測體系的建立和應用也在最大程度上順應了農業經營發展的趨勢，并且提升農業自動化管控效能，配合“智能化系統”發展實現作業的優化。

圖2 自動監測界面

4.3 多種工作場景

農機自動導航系統的應用能在最大程度上提高農業生產效率，并且其優勢在于能應用在不同農業工作環境中，滿足對應的農業作業需求。只有建立多種場景應用模式，才能提高控制效率。比如，斯農農機自動駕駛系統，能實現AB直線、曲線、對角、坡道、超高速、超低速等多樣工作場景和路線的處理，這就大大提升了農機應用效率，自動駕駛處理還能有效減少駕駛者的工作難度[9]。

4.4 輕量化農機駕駛

隨著自動駕駛系統的全面發展和進步，農機結構類型也更加多樣，并且，向著輕型化、簡單化的方向轉型，大大提升了系統應用水平。輕型農機導航系統規避了傳統農業系統附件較多以及安裝復雜等問題，在基礎套件中包括電動方向盤、顯控終端、RTK一體機等，尤其是RTK一體機結構中，將北斗三號高精度模塊、網絡RTK模塊以及雙IMU姿態傳感器、外置電臺等都融合在一起，形成較為科學合理的控制平臺。值得一提的是，系統能有效減少農戶安裝難度，據相關統計可知，輕型化結構系統的安裝時間可控制在30min以內。另外，盡管農機自動駕駛系統是智能化技術體系的產物，但是其無論是操作還是應用管理都較為簡單，這給農戶提供了較大的便利，只需要參與簡單的培訓，掌握相應按鍵的功能就能完成初步作業[10]。

5 結語

總而言之，在農業機械化不斷發展的時代背景下，智能化系統和數字化技術設備的快速發展也為農業提供了更多的可能，結合技術要求就能完成相應的設計方案，為農機導航技術設備支持的農機自動駕駛系統提供了充分的可能性，在解放勞動力的同時，也能一定程度上提升工作效率和質量，為農業可持續健康發展奠定堅實基礎。