農業機械導航技術的發展與應用

王洪兵

（江蘇省濱海現代農業產業園區管理委員會，江蘇 鹽城 224500）

近年來，現代農業的發展對于先進的農業技術提出了更高的要求，基于大數據、物聯網以及人工智能等的農業機械導航技術得到了廣泛應用，顛覆了傳統農業經營發展理念，使得農業發展呈現出了許多新的特點。農機性能的優化，使得作業速度得到了提高，面臨著更加復雜的作業環境和作業任務，傳統的自動導航技術逐漸遭遇了發展瓶頸，智能農機導航技術開始受到越來越多的關注。智能農業機械導航技術是以自動導航技術為框架，引入了云計算、物聯網以及深度學習等技術，能夠基于多機協同與自動避障，保障農機作業安全。

1 農業機械導航關鍵技術

1.1 自動導航

1.1.1 全球導航衛星系統

全球導航衛星系統包括GPS、俄羅斯的GLONASS系統、中國的北斗導航衛星系統等，其中，應用最廣泛的是美國的GPS。想要實現農機自動作業的精細化，要求定位數據能夠達到厘米級，因此一般都是采用差分CNSS技術，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，在東方紅拖拉機上安裝了基于RTKDGPS的導航系統，配合相應的導航及方向控制器，實現了自動導航和精準定位功能。

1.1.2 慣性導航系統

慣性導航系統不需要依靠外部信息的支持，而是能夠借助航跡實現對于農機位置及姿態的準確獲取。在慣性導航系統中，最為關鍵的設備有三種：一是陀螺儀，分為機械陀螺儀（精度高、維護難度大、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，需要做好變化的補償工作。二是加速度計。加速度計本身的偏差穩定性優秀，在遇到沖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中，有著非常廣泛的應用。三是磁偏計。磁偏計在實際應用中，會受到地磁場變化以及周邊環境中磁效應的影響，需要做好相應的磁場映射校準工作，盡可能降低環境帶來的干擾[2]。

1.1.3 機器視覺導航系統

機器視覺導航能夠獲取各種各樣的數據信息，即便是在信號遮擋的環境中，又或者面對形態不規則的地塊，也能夠保證導航的效果。在使用時，一般會在農機上安裝視覺傳感器，采集周邊環境信息，配合信息預處理和作物行檢測工作，規劃最佳的行進路線。現階段，機器視覺導航系統已經在很多農業機械中得到了應用，如農藥噴施設備、自動除草設備、自動收割機等。不過結合實際應用情況分析，受復雜農田環境的影響，圖像采集欠缺穩定性，容易出現信息缺失、成像模糊等問題，在后續發展中，需要繼續提升技術的魯棒性[3]。

1.2 智能導航

1.2.1 自主避障

自主避障技術屬于智能化導航技術，可以確保農機在復雜農田環境中，通過傳感器實現對于障礙物的檢測和識別，規劃合理的行走路線，實現對于障礙的精準規避。自動避障技術使用的傳感器類型有很多，如激光雷達、毫米波雷達、超聲波陣列等，它們有著各自的優點和不足，在實際應用中需要結合農田環境、作物類型和定位精度需求等進行選擇。

1.2.2 多機協同

多機協同導航系統包含了主機、從機和遠端服務器。主機可以對作業進行引導，從機能夠接收主機及遠端服務器傳輸的任務指令，配合主機完成導航工作[4]。

2 農業機械導航技術發展

2.1 定位技術引入

農業機械導航中，定位技術采用的主要是GPS技術和北斗技術，能夠在提升定位精度的同時，對作物生長條件進行分析，收集農田環境數據，在結合GIS技術的情況下，還可以就農田區域內土壤營養狀況進行分析，為作物品種的選擇提供參考依據。另外，配合相應的土壤肥力分析，可以為施肥和除草提供指導，依照不同地塊對于不同養分的需求，實現精準施肥，減少浪費現象。實際應用環節，一般會將天線設置在農業機械頂部，這樣電臺能夠對參考站發送的信號進行接收，實現RTK解析，獲取的定位信息則會被技術傳遞給電控單元。在合理應用定位技術的情況下，也能夠實現對農業機械的遠程操作和控制，進一步提升農業機械作業的機械化和智能化程度[5]。

2.2 傳感液壓技術

通過傳感技術和液壓技術的相互結合，能夠實現農業機械的智能化控制，也可以為自動化無人化運行提供技術支持，如自動化播種、自動化施肥、自動化噴藥等。農業現代化發展中，傳感技術的應用，可以幫助農業技術人員智能管理監測作物的生長情況，收集整理各種數據信息，打造出完善的數據庫，為后續的農業生產以及農業管理提供數據信息支持。例如，在對農業機械進行推廣時，可以在播種機、施肥機、收割機等設備上，安裝傳感器裝置，利用傳感器獲取溫度、水分等，提升農業生產的科學性。而在對機械液壓部分進行有效控制的情況下，合理運用導航技術，能夠為農機行進規劃出科學路線，實現農業生產的智能化。以拖拉機無人駕駛為例，在開展整地、播種等作業的過程中，能夠將定位精度控制在2 cm以內。

2.3 智能信息技術

智能信息技術能夠推動生態化管理的順利實現，有研究指出，在開展農業生產的過程中，想要合理運用農業機械導航技術，將技術的作用充分發揮出來，需要改革現有的農業生產方式，實現農業生產的規范化。在傳統農業生產中，引入智能信息技術手段，以更好地迎合信息化時代農業發展的現實需求，提高農業機械的運行效率，降低生產成本[6]。農業機械本身的作業效率會受到與定位技術結合程度的影響，在合理運用GPS技術或者北斗技術的情況下，可以分析農業機械在實際運行環節的性能發揮情況，尤其是在面對大規模農場化經營的情況下，農業機械導航技術的重要性將會更加凸顯。就目前而言，農業發展的主流趨勢是現代化農業和智慧農業，針對傳統農業發展中技術陳舊引發的生產效率低下的問題，可以運用智能信息技術，加速信息的共享和使用。智能信息技術實現了對水、肥料和藥物用量的精準控制，避免浪費的同時，也很好地保護了農業生態環境，促進了農業生態化水平的提高。可持續發展理念不斷深化背景下，在未來相當長的一段時間內，農業發展的重心都需要關注生態問題，農業機械的應用同樣必須強調生態化管理，在合理利用智能信息技術的情況下，一方面能夠實現農業生態環境保護的相關目標，另一方面也可以為農業生態化管理提供良好保障[7]。

3 農業機械導航技術應用

農業現代化發展中，農業機械導航技術得到了較為廣泛的應用，主要體現在以下幾個方面。

3.1 土壤環境監測

從發展智慧農業的角度，作物的種植必須做到適應氣候、適應區域、適應地塊，為了能夠提高作物的品質和產量，在選種和播種前，必須做好農田區域環境的全面分析和監測工作，明確土壤的肥力、含水量、土質等，結合科學的技術參數，選擇農作物的品種以及種植方式。傳統農業生產中，雖然也會勘察分析土壤環境，但是人工勘察的方式存在著數據信息不完善、勘察結果不準確的情況。以農業機械導航技術為支撐，可以獲取準確全面的土壤信息以及采樣位置信息，并且將兩者結合起來，形成農田區域內土壤肥力的分布圖，為翻耕、施肥提供指導，更能夠收集整理土壤水分和化學結構信息，保障作物的種植能夠真正做到“因地制宜”。例如，在施肥前，可以借助農業機械導航技術，從采樣點采集土壤樣本，對樣本進行編號并檢驗，將檢驗結果與采樣點位置信息逐一對應，確定哪些區域相對貧瘠，哪些區域存在土壤板結現象，保障整體和施肥工作實施的有效性[8]。

3.2 作業質量控制

傳統農業生產中，存在著農機作業監管不到位的問題，現代化技術手段沒有能夠被有效應用到實踐中，農業機械化發展的水平受到了很大限制，在欠缺集約化監管的情況下，很容易出現農業機械作業質量不佳的情況，影響農業生產的效果。農業機械導航技術的應用，可以在很大程度上提高對農機作業的監控能力，其所具備的感知單元如傳感器、攝像頭等，能夠對農機在完成農業生產任務過程中的作業質量進行監督管理，搭配科學的后臺算法，也可以完成對作業區域面積的實時統計，為農業管理提供可供參考的依據。

3.3 肥料用量控制

在合理利用農業機械導航技術的情況下，能夠明確地塊土壤養分狀況，配合GPS定位以及計算機控制來實現科學施肥，依照地塊的養分分布以及種植作物的類型，選擇不同的施肥量。對比傳統的人工施肥方式，基于導航技術和定位技術的施肥技術不僅效率更高，而且可以減少肥料浪費的情況出現[9]。

3.4 作物生長控制

在農業生產過程中，作物的生長周期通常都比較長，而且在整個生長周期內，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，想要保障作物的產量和質量，就必須監管生長過程。但是在傳統的農業生產模式下，很多時候都只能采用人工監管的方式，工作效率低，容易出現監管不全面等問題。農業機械導航技術的應用，可以通過GPS或者北斗定位技術，確認目標區域內的作物，配合傳感器設備，準確監測作物的生長情況以及病蟲害發生情況，為農業生產管理工作提供良好的技術支持。

以某地區智慧農業的發展為例，可以通過遠程管理系統，完成對農業生產中各種農機設備作業任務的合理規劃，也可以確定好機械的行進路徑，由農機設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。試驗階段，采用了無人機來監測作物的生長情況，配備了智能導航系統的農機設備能夠完成土壤采樣、藥物噴灑等的自動化操作，聯合收割機也可以在自動導航系統的指引下，實現對作物的收獲，整個過程參與者都可以在操作間內完成。對照人工密集型種植的方式，試驗地塊的產量略低，但是因為布局合理，產品的質量更高。另外，在一些糧食種植大省，農機自動導航設備已經得到了較為廣泛的應用，并且取得了十分理想的應用效果[10]。

4 結語

綜上所述，在農業現代化發展中，農業機械導航技術呈現出了快速發展的趨勢，并且得到了較為廣泛的推廣應用，加速了農業的現代化和智能化發展，提高農業生產效率及農機作業質量，降低農業生產成本，在保護農業生態環境等方面，發揮出了十分積極的作用。新常態下，伴隨著農業機械導航技術的推廣，智能化的農機設備以及導航技術逐漸成為智慧農業發展的主流趨勢，自主避障技術的應用，最大限度地保障了人機聯合作業時的安全性，而多機協同作業模式則可以將機群作業的優勢充分發揮出來。北斗導航衛星系統的建設和應用，帶動了智慧農業的進一步發展，為保障我國的糧食安全、維持社會穩定奠定了堅實基礎。