發揮智能農機在無人農場中的作用

趙龍中 胡旭紅 錢奕枝

1、桐城市農機服務中心 2、桐城市呂亭鎮農機站

隨著農業現代化、智能化的發展，工作適應性好、操作靈活的無人機逐漸得到廣泛的應用，成為農業作業中的新型智能化設備，在無人農場中體現出極其重要的作用。由于傳統人工農業作業難度較大，加之機手操作不當而無法依照預先規劃的路徑進行作業，經常出現重復播種或漏播的現象。為此，本文重點探討智能農機在無人農場中的設計和應用，結合安徽地區水稻播種的實際情況，將智能農機應用于農田整平、無人駕駛、精準播種、變量施放肥料、產量監控等過程中，將農民從復雜繁重的勞作中解脫出來，實現智能化、可視化、自動化、高精度的農田作業，提高作物的性能和生產力。

1 智能農機概述

智能農機以現代信息技術為核心對傳統農業進行改造和優化，較好地轉變農業生產的基礎，提高農業生產率，降低農業生產成本。在智能農機的應用中，可以通過CAN總線進行農機網絡各個節點的連接，實現農業作業數據的傳輸和通信，較好地適用于農業導航、收割、精量播種等作業，極大地提高信息傳輸效率和系統響應速度。同時，智能農機還利用相關傳感器采集環境信息和車輛狀態，實現農業作業的自動導航和追蹤。主要包括基于航位推算的自動導航方法、基于圖像處理的自動導航方法、基于神經網絡和遺傳算法的自動導航方法和基于模糊邏輯的自動導航方法。在智能農機大數據平臺的支持和依托下，智能農機可以實時采集農機的精準定位、狀態跟蹤、作業環境感知、測畝計產等數據，實現各個數據的共建共享；并能夠運用大數據進行農機作業分析，多角度、動態、可視化地分析智能農機作業面積、作物種類、產量、變化趨勢、農機補貼、監管信息等，實現智能農機大數據深度服務，包括最優作業規劃、作業信息推送、供需信息查詢、服務信息查詢等。另外，智能農機還可以實現對農機相關從業人員的信息管理、安全遠程監管、網上培訓和考核等。

智能農機在無人農場的具體應用主要包括有：（1）無人駕駛收割機與無人駕駛卸糧車聯合作業是一種智能化農機作業方式。無人駕駛農機體現出省時省力和精準高效的優點，操作者利用監控平臺為農機下發作業任務，農機則會自動從車庫出來，并按照設定程序完成平臺預設的工作內容，可完成自動作業、轉向、調頭等作業。在無人駕駛收割機與無人駕駛卸糧車的自動配合和協同下，自動實現糧食收割與運輸協同作業，實現無人化、智能化的農機作業。基于北斗、5G的智能無人機，具有高效植保、噴施葉面肥、投施餌料、種子直播等功能農業，具有自動規劃航線、自動避障、定點續航等功能。（3）無人駕駛拖拉機自主作業。無人駕駛拖拉機可以在無人操作的狀況下，由具有主從導航功能的無人駕駛拖拉機牽引不同功能的農機具自動完成土地耕整、開溝、起壟、條播、側深施肥等作業。

2 智能農機在無人農場的關鍵技術

2.1 智能環境感知技術

智能農機在無人農場的應用離不開衛星定位技術、雷達技術和視覺識別技術，考慮到農田作業相對復雜，存在各種不確定性因素，極易導致農田作業的偏差，無法滿足農機作業的實際需求。為此，可以采用衛星定位技術進行精準定位，利用智能農機的相關裝置和設施進行農田作業的實時感知和定位，實現智能農機的智能導航和定位，確保農田作業的精準性。同時，還可以利用激光雷達、視覺識別等技術和手段，對農田作業過程進行精準識別，及時準確地獲悉農田作業相關信息，躲避農田作業過程的障礙物，保持適宜的距離、行駛方向和行駛速度，確保農機作業的智能化和精準性。

2.2 工作狀態檢測技術

智能農機能夠利用光線傳感器、壓力傳感器和溫度傳感器及時采集農機設備關鍵部件的運行狀態數據，包括溫度、壓力、振動、噪音、轉速等，再根據采集的信息進行智能農機的路徑規劃，通過智能農機的執行系統實施橫向控制。

2.3 智能農機控制技術

智能農機在無人農場的應用主要通過中央控制器實施控制，體現出良好的可靠性、擴展性和兼容性，快速分析和處理環境感知數據和故障檢測數據，較好地提高智能農機在無人農場的應用效率。同時，智能農機輔助控制器也是不可或缺的重要部分，主要完成數據接收、程序調試和功能擴展等功能。

2.4 農機功能實施技術

智能農機主要通過控制電機實現對農機的行駛狀態的控制，在機電一體化技術和智能控制技術的依托下，充分發揮智能農機在無人農場的耕地、播種、植保、收獲等作業，并進行農機作業的質量監測和機具狀態監測，有效保障智能農機在無人農場的作業。

3 智能農機系統的優化設計

智能農機系統硬件拓撲結構是一種基于控制器的分布式拓撲結構，由上下層模塊構成，能夠進行環境信息采集、躲避路障、路徑規劃及決策、車身控制、緊急情況預警等。

3.1 系統硬件

從智能農機系統的基礎硬件來看。主要包括以下幾個部分：（1）智能農機感知系統。在智能農機中設置有環境感知系統，能夠完整清晰地呈現農機前方環境信息及各類障礙物體，標記智能農機的運動狀態信息，實現對智能農機植株檢測及植株相對位置的檢測。并在組合導航系統之中，可以利用多源異構信息提供高精度導航，獲悉智能農機的全姿態信息參數。（2）智能農機控制系統。在智能農機控制系統中，上層控制器體現出良好的可靠性、實時性、擴充性和兼容性，支持多種編程語言和多進程任務，能夠實時在線檢測和控制智能農機在無人農場的工作狀態，對工作環境變化進行快速響應。下層控制器則能夠快速實現數據采集、實物控制和程序調試。（3）智能農機執行系統。智能農機執行系統包括控制電機、齒輪、卡盤等，主要實現智能農機在無人農場的轉向控制。

3.2 系統軟件

從智能農機的軟件系統來看，利用分布式計算的設計理念進行智能農機軟件系統的架構設計，使每個傳感器能夠獨立處理工作相關數據，減少各個傳感器之間的耦合，提高數據處理效率。

在基于ROS的軟件系統架構的上位機部分，主要由感知硬件設備驅動節點、融合節點和控制決策節點進行智能農機工作控制。其中，感知硬件設備驅動節點主要對智能農機外部環境感知進行感知、解析和數據處理；數據融合節點主要對感知硬件設備驅動節點的數據進行融合；控制決策節點則是對融合后的數據進行合理規劃、優化控制。基于ROS的軟件系統架構的下位機部分則主要包括有傳感器設備驅動層和控制層，其中，傳感器設備驅動層主要對外部感知設備的數據進行解析和處理；控制層則主要接收上位機的指令并控制執行器執行。

4 智能農機在無人農場中的應用

4.1 智能農機在無人農場中的作業路徑規劃

在傳統的單機作業過程中，農機每次到地頭要采用“Ω”型轉彎的方式，增加了農機轉彎時間，如果缺乏對作業路徑的合理規劃，則會導致農機在地頭轉彎過大或過小，增加農機在地頭作業的難度，使農機作業行駛距離增長，提高農機的作業成本。為此，可以引入智能農機進行協同作業路徑的優化，利用GPS/北斗導航系統獲悉農機裝置在農田的作業位置，實時采集農機作業參數、農田參數和環境參數，精準獲悉農機、農田作業狀態。

同時，多機群協同作業路徑規劃體現出自身的特性，如動態性、多出發點、靈活性和精準性，確保農機以最優作業路徑進行作業，并能夠根據當前每臺農機的作業位置，為每臺農機重新分配和規劃作業路徑，較好地適應不同農機作業狀態的改變，并精準采集每臺農機的各種作業參數，包括農機作業速度、當前作業位置、作業進度、作業狀態、作業環境等，實現每臺農機的精準作業。由此可見，在多機群協同作業路徑規劃之中，主要運用相關算法為單機作業或機群協同作業提供數據支持，為單機作業或機群協同作業進行路徑優化和合理規劃，較好地解決了農機作業沖突的問題。與單機作業不同的是，機群協同作業要根據當前每臺農機的作業位置，為每臺農機重新分配作業路徑，保證監控終端與農機車載傳感器實時交互，快速精準地進行作業調整，確保農機在任何作業狀態下不會出現沖突，農機作業時長和總作業時間最短，較好地提高農機作業效率。

另外，考慮到農田作業環境相對復雜，農田中有電線桿、土堆、不規則區域、非凸區域等，無法使農機一次性完成整個農田區域的全覆蓋。為此，可以采用區域劃分算法進行智能農機的全覆蓋路徑規劃，通過面向智能農機作業的環境建模和區域劃分方法，對農田作業環境進行建模，實現對農田邊界和障礙物的膨脹處理，使智能農機能夠覆蓋整個可抵達的工作區域，避開農田中的所有障礙物，并不得橫穿已遍歷的區域，保證最低的重復率，最大程度降低農機作業規劃的搜索時間和作業損耗。還可以利用改進的回溯法保證智能農機農田作業的區域銜接，在基于貪心算法和曼哈頓距離公式的回溯機制下，能夠對區域銜接路徑進行重新規劃，針對含有障礙物的農田作業環境提出中間區域優先行走策略，記錄區域銜接中尚未覆蓋的子區域的頂點信息，篩選出最佳回溯點，從而較好地減少重復覆蓋率，提高智能農機當前全覆蓋路徑規劃性能。

4.2 智能農機在無人農場的自動導航應用

智能農機導航控制系統是極其重要的部件，能夠精準判斷農機當前的位置，獲悉智能農機距離預設參考點的坐標及運動位置，可以采用優化的控制算法如最佳控制模型、線性模型控制、模糊控制模型等，不斷糾正智能農機的行駛速度、轉向角度等控制量，計算智能農機當前位置及預設路徑的位置偏差，加上農機的速度、航向角和橫滾角，計算智能農機下一步前輪轉向期望角，持續糾正路線追蹤偏差,使之沿著預設路徑行駛。具體來說，智能農機導航控制系統主要完成以下作業。

4.2.1 航向追蹤

智能農機在無人農場的工作過程中難免要在高低起伏的旱地上進行行駛，因而對智能農機的轉向平穩性有較高的要求，如果農機轉向控制超調量大，則要花費較多的時間進行航向偏差和位置偏差的糾正，從而降低智能農機的路徑追蹤精度。為了保證智能農機在無人農場的航向,可以采用航向追蹤控制的PID校正方法，按比例對系統的誤差信號做出響應，通過積分環節消減系統穩態誤差，通過微分環節對誤差信號的改變趨勢做出響應，并帶入有效的早期矯正信號提高系統響應速度。由此可見，智能農機能夠實現基于速度的自適應PID控制,利用自適應PID控制器實現航向追蹤控制，提高控制系統的魯棒性，完成智能農機在無人農場的正常作業、田頭轉彎、曲線行駛等操作。

4.2.2 路徑追蹤

智能農機主要通過轉向控制系統的硬件實現路徑追蹤，在智能農機的路徑追蹤過程中，智能農機可以自動獲取預設路線的位姿及運動狀態，精準執行操縱控制量。并基于預錨點的前提，確定智能農機橫向追蹤誤差及縱向橫向偏差，通過相應的控制算法得出前輪轉向偏角的操縱控制量，精準執行智能農機在無人農場的各種動作，并將運動狀態及位姿進行數據反饋，實現全程閉環式的工作循環。

4.2.3 容錯控制

智能農機能夠基于容錯機制進行路徑追蹤控制，也即系統出現故障后應用系統的冗余能力，具體來說可以采用主動容錯控制和被動容錯控制的方法，在主動容錯控制方法中，采用控制律重新調度、控制律重構設計和模型跟隨重組控制的方式實現控制，對控制器結構或參數進行調整，保證智能農機系統的工作穩定性。在被動容錯控制方法之中，主要采用魯棒控制系統進行控制，使故障對智能農機的影響降至最低。

4.3 智能農機在無人農場的故障診斷

智能農機在無人農場中的應用狀況極其復雜，難免出現系統故障，對于不可恢復的故障系統無法進行自動容錯。對此，主要通過系統傳感器進行智能農機故障狀態檢測診斷，獲悉故障類型、故障部位、故障原因，針對性地提出智能農機故障解決方案，進行故障報警或故障恢復。在智能農機的工作過程中，出現故障的設備主要有GPS、慣性單元、激光雷達等，其故障類型包括：定位異常、差分/定位信號丟失、航向角異常、其他故障等，在系統故障恢復后，可以通過組合導航、雷達導航和信息融合導航進行路徑重新規劃，并實現基于PID的轉向自動控制。

4.4 實現基于Android手機的智能農機管理

為了更好地實現對智能農機在無人農場的作業管理，可以引入智能先進的農機App手機客戶端，實時采集智能農機的工作狀態和工作參數，各個農機操作者能夠通過Android系統進行登錄查詢，實時獲悉智能農機在無人農場的作業信息，包括智能農機作業定位、作業面積、作業安全性等，并通過系統實現農機使用者、管理機構、生產企業、售后維修服務等相鏈接和聯動，實現智能農機的數據流檢測、配件供應、售后維修等管理，確保智能農機在無人農場的高效、優質、低耗、安全使用。例如，利用系統后臺程序進行智能農機作業的持續性自動檢測，及時獲悉智能農機在無人農場的作業狀態，及時發現作業異常并進行自動提示和分析，針對性地制定最優的解決方案。

5 結語

總之，智能農機在無人農場的應用日益廣泛，要充分運用智能農機關鍵技術，實現智能農機在無人農場的路徑自動規劃、導航控制和故障診斷，利用智能農機控制系統實現智能化、自動化作業。