農(nóng)業(yè)機(jī)械導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

王洪兵

（江蘇省濱海現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園區(qū)管理委員會，江蘇 鹽城 224500）

近年來，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展對于先進(jìn)的農(nóng)業(yè)技術(shù)提出了更高的要求，基于大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)以及人工智能等的農(nóng)業(yè)機(jī)械導(dǎo)航技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，顛覆了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)經(jīng)營發(fā)展理念，使得農(nóng)業(yè)發(fā)展呈現(xiàn)出了許多新的特點(diǎn)。農(nóng)機(jī)性能的優(yōu)化，使得作業(yè)速度得到了提高，面臨著更加復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境和作業(yè)任務(wù)，傳統(tǒng)的自動導(dǎo)航技術(shù)逐漸遭遇了發(fā)展瓶頸，智能農(nóng)機(jī)導(dǎo)航技術(shù)開始受到越來越多的關(guān)注。智能農(nóng)業(yè)機(jī)械導(dǎo)航技術(shù)是以自動導(dǎo)航技術(shù)為框架，引入了云計算、物聯(lián)網(wǎng)以及深度學(xué)習(xí)等技術(shù)，能夠基于多機(jī)協(xié)同與自動避障，保障農(nóng)機(jī)作業(yè)安全。

1 農(nóng)業(yè)機(jī)械導(dǎo)航關(guān)鍵技術(shù)

1.1 自動導(dǎo)航

1.1.1 全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)包括GPS、俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)、中國的北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)等，其中，應(yīng)用最廣泛的是美國的GPS。想要實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)自動作業(yè)的精細(xì)化，要求定位數(shù)據(jù)能夠達(dá)到厘米級，因此一般都是采用差分CNSS技術(shù)，借助位置已知基站測量得到的相位信息，提高定位精度。例如，羅錫文等[1]借助自主差分的方式，在東方紅拖拉機(jī)上安裝了基于RTKDGPS的導(dǎo)航系統(tǒng)，配合相應(yīng)的導(dǎo)航及方向控制器，實(shí)現(xiàn)了自動導(dǎo)航和精準(zhǔn)定位功能。

1.1.2 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)不需要依靠外部信息的支持，而是能夠借助航跡實(shí)現(xiàn)對于農(nóng)機(jī)位置及姿態(tài)的準(zhǔn)確獲取。在慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中，最為關(guān)鍵的設(shè)備有三種：一是陀螺儀，分為機(jī)械陀螺儀（精度高、維護(hù)難度大、成本高）、光纖陀螺儀（精度高，靈敏度、可靠性好，成本高）以及微機(jī)電陀螺儀（體積小、能耗低、精度低）。考慮陀螺儀本身存在的漂移誤差以及容易受溫度變化影響的特點(diǎn)，需要做好變化的補(bǔ)償工作。二是加速度計。加速度計本身的偏差穩(wěn)定性優(yōu)秀，在遇到?jīng)_擊或者振動的情況下，依然可以保持較高的計算精度，因此在慣性測量系統(tǒng)中，有著非常廣泛的應(yīng)用。三是磁偏計。磁偏計在實(shí)際應(yīng)用中，會受到地磁場變化以及周邊環(huán)境中磁效應(yīng)的影響，需要做好相應(yīng)的磁場映射校準(zhǔn)工作，盡可能降低環(huán)境帶來的干擾[2]。

1.1.3 機(jī)器視覺導(dǎo)航系統(tǒng)

機(jī)器視覺導(dǎo)航能夠獲取各種各樣的數(shù)據(jù)信息，即便是在信號遮擋的環(huán)境中，又或者面對形態(tài)不規(guī)則的地塊，也能夠保證導(dǎo)航的效果。在使用時，一般會在農(nóng)機(jī)上安裝視覺傳感器，采集周邊環(huán)境信息，配合信息預(yù)處理和作物行檢測工作，規(guī)劃最佳的行進(jìn)路線。現(xiàn)階段，機(jī)器視覺導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)在很多農(nóng)業(yè)機(jī)械中得到了應(yīng)用，如農(nóng)藥噴施設(shè)備、自動除草設(shè)備、自動收割機(jī)等。不過結(jié)合實(shí)際應(yīng)用情況分析，受復(fù)雜農(nóng)田環(huán)境的影響，圖像采集欠缺穩(wěn)定性，容易出現(xiàn)信息缺失、成像模糊等問題，在后續(xù)發(fā)展中，需要繼續(xù)提升技術(shù)的魯棒性[3]。

1.2 智能導(dǎo)航

1.2.1 自主避障

自主避障技術(shù)屬于智能化導(dǎo)航技術(shù)，可以確保農(nóng)機(jī)在復(fù)雜農(nóng)田環(huán)境中，通過傳感器實(shí)現(xiàn)對于障礙物的檢測和識別，規(guī)劃合理的行走路線，實(shí)現(xiàn)對于障礙的精準(zhǔn)規(guī)避。自動避障技術(shù)使用的傳感器類型有很多，如激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、超聲波陣列等，它們有著各自的優(yōu)點(diǎn)和不足，在實(shí)際應(yīng)用中需要結(jié)合農(nóng)田環(huán)境、作物類型和定位精度需求等進(jìn)行選擇。

1.2.2 多機(jī)協(xié)同

多機(jī)協(xié)同導(dǎo)航系統(tǒng)包含了主機(jī)、從機(jī)和遠(yuǎn)端服務(wù)器。主機(jī)可以對作業(yè)進(jìn)行引導(dǎo)，從機(jī)能夠接收主機(jī)及遠(yuǎn)端服務(wù)器傳輸?shù)娜蝿?wù)指令，配合主機(jī)完成導(dǎo)航工作[4]。

2 農(nóng)業(yè)機(jī)械導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展

2.1 定位技術(shù)引入

農(nóng)業(yè)機(jī)械導(dǎo)航中，定位技術(shù)采用的主要是GPS技術(shù)和北斗技術(shù)，能夠在提升定位精度的同時，對作物生長條件進(jìn)行分析，收集農(nóng)田環(huán)境數(shù)據(jù)，在結(jié)合GIS技術(shù)的情況下，還可以就農(nóng)田區(qū)域內(nèi)土壤營養(yǎng)狀況進(jìn)行分析，為作物品種的選擇提供參考依據(jù)。另外，配合相應(yīng)的土壤肥力分析，可以為施肥和除草提供指導(dǎo)，依照不同地塊對于不同養(yǎng)分的需求，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)施肥，減少浪費(fèi)現(xiàn)象。實(shí)際應(yīng)用環(huán)節(jié)，一般會將天線設(shè)置在農(nóng)業(yè)機(jī)械頂部，這樣電臺能夠?qū)⒖颊景l(fā)送的信號進(jìn)行接收，實(shí)現(xiàn)RTK解析，獲取的定位信息則會被技術(shù)傳遞給電控單元。在合理應(yīng)用定位技術(shù)的情況下，也能夠?qū)崿F(xiàn)對農(nóng)業(yè)機(jī)械的遠(yuǎn)程操作和控制，進(jìn)一步提升農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)的機(jī)械化和智能化程度[5]。

2.2 傳感液壓技術(shù)

通過傳感技術(shù)和液壓技術(shù)的相互結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械的智能化控制，也可以為自動化無人化運(yùn)行提供技術(shù)支持，如自動化播種、自動化施肥、自動化噴藥等。農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展中，傳感技術(shù)的應(yīng)用，可以幫助農(nóng)業(yè)技術(shù)人員智能管理監(jiān)測作物的生長情況，收集整理各種數(shù)據(jù)信息，打造出完善的數(shù)據(jù)庫，為后續(xù)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及農(nóng)業(yè)管理提供數(shù)據(jù)信息支持。例如，在對農(nóng)業(yè)機(jī)械進(jìn)行推廣時，可以在播種機(jī)、施肥機(jī)、收割機(jī)等設(shè)備上，安裝傳感器裝置，利用傳感器獲取溫度、水分等，提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的科學(xué)性。而在對機(jī)械液壓部分進(jìn)行有效控制的情況下，合理運(yùn)用導(dǎo)航技術(shù)，能夠?yàn)檗r(nóng)機(jī)行進(jìn)規(guī)劃出科學(xué)路線，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的智能化。以拖拉機(jī)無人駕駛為例，在開展整地、播種等作業(yè)的過程中，能夠?qū)⒍ㄎ痪瓤刂圃? cm以內(nèi)。

2.3 智能信息技術(shù)

智能信息技術(shù)能夠推動生態(tài)化管理的順利實(shí)現(xiàn)，有研究指出，在開展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的過程中，想要合理運(yùn)用農(nóng)業(yè)機(jī)械導(dǎo)航技術(shù)，將技術(shù)的作用充分發(fā)揮出來，需要改革現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的規(guī)范化。在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，引入智能信息技術(shù)手段，以更好地迎合信息化時代農(nóng)業(yè)發(fā)展的現(xiàn)實(shí)需求，提高農(nóng)業(yè)機(jī)械的運(yùn)行效率，降低生產(chǎn)成本[6]。農(nóng)業(yè)機(jī)械本身的作業(yè)效率會受到與定位技術(shù)結(jié)合程度的影響，在合理運(yùn)用GPS技術(shù)或者北斗技術(shù)的情況下，可以分析農(nóng)業(yè)機(jī)械在實(shí)際運(yùn)行環(huán)節(jié)的性能發(fā)揮情況，尤其是在面對大規(guī)模農(nóng)場化經(jīng)營的情況下，農(nóng)業(yè)機(jī)械導(dǎo)航技術(shù)的重要性將會更加凸顯。就目前而言，農(nóng)業(yè)發(fā)展的主流趨勢是現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)和智慧農(nóng)業(yè)，針對傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)發(fā)展中技術(shù)陳舊引發(fā)的生產(chǎn)效率低下的問題，可以運(yùn)用智能信息技術(shù)，加速信息的共享和使用。智能信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對水、肥料和藥物用量的精準(zhǔn)控制，避免浪費(fèi)的同時，也很好地保護(hù)了農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)了農(nóng)業(yè)生態(tài)化水平的提高。可持續(xù)發(fā)展理念不斷深化背景下，在未來相當(dāng)長的一段時間內(nèi)，農(nóng)業(yè)發(fā)展的重心都需要關(guān)注生態(tài)問題，農(nóng)業(yè)機(jī)械的應(yīng)用同樣必須強(qiáng)調(diào)生態(tài)化管理，在合理利用智能信息技術(shù)的情況下，一方面能夠?qū)崿F(xiàn)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境保護(hù)的相關(guān)目標(biāo)，另一方面也可以為農(nóng)業(yè)生態(tài)化管理提供良好保障[7]。

3 農(nóng)業(yè)機(jī)械導(dǎo)航技術(shù)應(yīng)用

農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展中，農(nóng)業(yè)機(jī)械導(dǎo)航技術(shù)得到了較為廣泛的應(yīng)用，主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

3.1 土壤環(huán)境監(jiān)測

從發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)的角度，作物的種植必須做到適應(yīng)氣候、適應(yīng)區(qū)域、適應(yīng)地塊，為了能夠提高作物的品質(zhì)和產(chǎn)量，在選種和播種前，必須做好農(nóng)田區(qū)域環(huán)境的全面分析和監(jiān)測工作，明確土壤的肥力、含水量、土質(zhì)等，結(jié)合科學(xué)的技術(shù)參數(shù)，選擇農(nóng)作物的品種以及種植方式。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，雖然也會勘察分析土壤環(huán)境，但是人工勘察的方式存在著數(shù)據(jù)信息不完善、勘察結(jié)果不準(zhǔn)確的情況。以農(nóng)業(yè)機(jī)械導(dǎo)航技術(shù)為支撐，可以獲取準(zhǔn)確全面的土壤信息以及采樣位置信息，并且將兩者結(jié)合起來，形成農(nóng)田區(qū)域內(nèi)土壤肥力的分布圖，為翻耕、施肥提供指導(dǎo)，更能夠收集整理土壤水分和化學(xué)結(jié)構(gòu)信息，保障作物的種植能夠真正做到“因地制宜”。例如，在施肥前，可以借助農(nóng)業(yè)機(jī)械導(dǎo)航技術(shù)，從采樣點(diǎn)采集土壤樣本，對樣本進(jìn)行編號并檢驗(yàn)，將檢驗(yàn)結(jié)果與采樣點(diǎn)位置信息逐一對應(yīng)，確定哪些區(qū)域相對貧瘠，哪些區(qū)域存在土壤板結(jié)現(xiàn)象，保障整體和施肥工作實(shí)施的有效性[8]。

3.2 作業(yè)質(zhì)量控制

傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，存在著農(nóng)機(jī)作業(yè)監(jiān)管不到位的問題，現(xiàn)代化技術(shù)手段沒有能夠被有效應(yīng)用到實(shí)踐中，農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展的水平受到了很大限制，在欠缺集約化監(jiān)管的情況下，很容易出現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)質(zhì)量不佳的情況，影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效果。農(nóng)業(yè)機(jī)械導(dǎo)航技術(shù)的應(yīng)用，可以在很大程度上提高對農(nóng)機(jī)作業(yè)的監(jiān)控能力，其所具備的感知單元如傳感器、攝像頭等，能夠?qū)r(nóng)機(jī)在完成農(nóng)業(yè)生產(chǎn)任務(wù)過程中的作業(yè)質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)督管理，搭配科學(xué)的后臺算法，也可以完成對作業(yè)區(qū)域面積的實(shí)時統(tǒng)計，為農(nóng)業(yè)管理提供可供參考的依據(jù)。

3.3 肥料用量控制

在合理利用農(nóng)業(yè)機(jī)械導(dǎo)航技術(shù)的情況下，能夠明確地塊土壤養(yǎng)分狀況，配合GPS定位以及計算機(jī)控制來實(shí)現(xiàn)科學(xué)施肥，依照地塊的養(yǎng)分分布以及種植作物的類型，選擇不同的施肥量。對比傳統(tǒng)的人工施肥方式，基于導(dǎo)航技術(shù)和定位技術(shù)的施肥技術(shù)不僅效率更高，而且可以減少肥料浪費(fèi)的情況出現(xiàn)[9]。

3.4 作物生長控制

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，作物的生長周期通常都比較長，而且在整個生長周期內(nèi)，會受到土壤條件、天氣狀況、灌溉、施肥等多種因素的影響，甚至還可能遭遇病蟲害，想要保障作物的產(chǎn)量和質(zhì)量，就必須監(jiān)管生長過程。但是在傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式下，很多時候都只能采用人工監(jiān)管的方式，工作效率低，容易出現(xiàn)監(jiān)管不全面等問題。農(nóng)業(yè)機(jī)械導(dǎo)航技術(shù)的應(yīng)用，可以通過GPS或者北斗定位技術(shù)，確認(rèn)目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的作物，配合傳感器設(shè)備，準(zhǔn)確監(jiān)測作物的生長情況以及病蟲害發(fā)生情況，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理工作提供良好的技術(shù)支持。

以某地區(qū)智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展為例，可以通過遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)，完成對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中各種農(nóng)機(jī)設(shè)備作業(yè)任務(wù)的合理規(guī)劃，也可以確定好機(jī)械的行進(jìn)路徑，由農(nóng)機(jī)設(shè)備自動完成土地翻耕、施肥、播種、藥物噴施以及收獲工作，全程都不需要人工干預(yù)。試驗(yàn)階段，采用了無人機(jī)來監(jiān)測作物的生長情況，配備了智能導(dǎo)航系統(tǒng)的農(nóng)機(jī)設(shè)備能夠完成土壤采樣、藥物噴灑等的自動化操作，聯(lián)合收割機(jī)也可以在自動導(dǎo)航系統(tǒng)的指引下，實(shí)現(xiàn)對作物的收獲，整個過程參與者都可以在操作間內(nèi)完成。對照人工密集型種植的方式，試驗(yàn)地塊的產(chǎn)量略低，但是因?yàn)椴季趾侠恚a(chǎn)品的質(zhì)量更高。另外，在一些糧食種植大省，農(nóng)機(jī)自動導(dǎo)航設(shè)備已經(jīng)得到了較為廣泛的應(yīng)用，并且取得了十分理想的應(yīng)用效果[10]。

4 結(jié)語

綜上所述，在農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展中，農(nóng)業(yè)機(jī)械導(dǎo)航技術(shù)呈現(xiàn)出了快速發(fā)展的趨勢，并且得到了較為廣泛的推廣應(yīng)用，加速了農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化和智能化發(fā)展，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率及農(nóng)機(jī)作業(yè)質(zhì)量，降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，在保護(hù)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境等方面，發(fā)揮出了十分積極的作用。新常態(tài)下，伴隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械導(dǎo)航技術(shù)的推廣，智能化的農(nóng)機(jī)設(shè)備以及導(dǎo)航技術(shù)逐漸成為智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展的主流趨勢，自主避障技術(shù)的應(yīng)用，最大限度地保障了人機(jī)聯(lián)合作業(yè)時的安全性，而多機(jī)協(xié)同作業(yè)模式則可以將機(jī)群作業(yè)的優(yōu)勢充分發(fā)揮出來。北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)的建設(shè)和應(yīng)用，帶動了智慧農(nóng)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，為保障我國的糧食安全、維持社會穩(wěn)定奠定了堅實(shí)基礎(chǔ)。