我國農田平地機研究進展及展望

段 鑫，段 佳，張 海

（1.酒泉市金塔縣聚贏農機專業(yè)合作社，甘肅酒泉 735000；2.甘肅大禹節(jié)水工程設計有限責任公司，甘肅蘭州 730000；3.甘肅大禹節(jié)水集團水利水電工程有限責任公司，甘肅酒泉 735000）

高標準農田建設在我國越來越受到重視，國務院辦公廳分別于2019年11月、2021年9月公布了關于我國高標準農田建設的規(guī)劃性文件。文件指出，到2030年，我國要建成12 億畝高標準農田[1]。土地平整、集中連片是高標準農田建設的最基本要求，農田平地機為促使農田達到這一基本要求提供了有力保障。

1 農田平地機簡介

平整土地是實現精細農業(yè)的基礎。農田平地機主要包括推土機、激光農田平地機及基于GPS/GNSS 控制的農田平地機。推土機通常用于平整度較差的農田粗平整，平整精度較差。激光農田平地機主要由激光發(fā)射器、激光接收器、控制箱、液壓機構、刮土鏟等組成[2]。激光農田平地機工作時，激光發(fā)射器發(fā)射出旋轉激光束，該旋轉激光束形成水平的激光平面，作為平地作業(yè)時的基準平面；激光接收器安裝在刮土鏟的伸縮桿上，當其檢測到激光信號后，將信號進行處理并發(fā)送到控制器；控制器接收到信號后，控制液壓機構，達到調整刮土鏟高度的目的，從而實現高精度平整土地。基于GPS/GNSS 控制的農田平地機主要由GPS 或GNSS 接收器、計算機、控制系統(tǒng)和平地鏟組成。這類平地機工作時，通過GPS/GNSS 接收器獲得當前坐標信息和高程信息，根據高程的數據信息判斷地勢高低，進而控制平地鏟的升降進行平地作業(yè)[3]。

本文將重點圍繞激光農田平地機和基于GPS/GNSS控制的農田平地機來闡述農田平地機研究進展。

2 農田平地機研究現狀

2.1 激光農田平地機

20世紀70年代，美國首先將激光技術應用于農用平地機械，并取得了巨大的經濟效益和社會效益。目前，該技術在許多國家的農業(yè)生產中已得到廣泛應用[4]。我國于20 世紀80 年代開始引進國外的激光平地技術后，致力于開發(fā)擁有自主知識產權的激光平地機，已取得了一系列研究進展。狄美良介紹了激光發(fā)射機、激光平地機、控制器的組成，詳細闡述了激光技術在農田土地平整中的應用[5]。坎雜等介紹了激光平地機研究應用現狀，分析其在新疆的發(fā)展應用前景，總結了激光平地機在新疆推廣應用的優(yōu)勢[4]。王建民等介紹了激光平地系統(tǒng)的工作原理、結構組成、操作方法，并將激光平地機與普通平地機的作業(yè)情況進行了對比，結果表明，與普通平地機相比，激光平地機能夠節(jié)省用水、降低費用[6]。林建涵等研發(fā)了一套激光控制平地系統(tǒng)，明顯改善了農田表面的平整情況，能夠顯著節(jié)約成本[7]。劉剛等開發(fā)了用于農田平地的激光接收與控制裝置、液壓調節(jié)裝置、平地鏟等，通過田間試驗表明，所開發(fā)的系統(tǒng)工作性能良好[8]。張延林等分析了激光平地機在土地平整中的優(yōu)勢，對黃花農場和花海農場經過激光平地儀平整后的平均節(jié)水率和節(jié)肥率進行比較，發(fā)現激光平地機對提高農田灌溉水利用率、促進農業(yè)節(jié)水可持續(xù)發(fā)展具有重要的現實意義[9]。戴寧湘等針對激光發(fā)射平臺自動調平控制系統(tǒng)展開設計，使激光發(fā)射平臺能更精確地檢測數據，使農田平地機作業(yè)更精確[10]。齊俊騰等設計了全電農用激光平地機，經田間試驗表明：與傳統(tǒng)機型相比，所設計的激光平地機對土地平整的平整精度有較大提高[11]。胡煉等設計了一種懸掛式多輪支撐旱地激光平地機，該機通過拖拉機三點懸掛機構浮動功能與多輪支撐相結合，實現激光控制平地作業(yè)[12]。近年來，我國學者研制了一批具有特定型號的激光農田平地機。李騰等研制了12PJY-3A 型液控智能激光平地機，先通過仿真結果不斷修正虛擬樣機，再試制樣機。通過樣機的田間試驗，表明樣機的平整精度較高[13]。馮正睿介紹了12PQ-3.0型淺松式農用激光平地機的設計研制過程，并闡述其基本機構、工作原理和試驗示范情況[14]。姚東偉等設計了具有農田耕作標準化、精細化平整特點的JPD-360 型旱地激光平地機，解決了適應性差、作業(yè)抖動造成信號中斷失準等問題，具有較好的經濟效益和推廣價值[15]。

上述文獻的研究對象大都是針對旱地的激光平地機。研究發(fā)現，采用激光農田平地機對水田進行平整，同樣有利于農作物的生長，從而提高糧食產量[16]。針對水田激光平地機，陳嘉琪等設計了SD卡和Wi-Fi 模塊相結合的實時數據采集系統(tǒng)，使平地機在水田中的工作信息得以實時存儲和發(fā)送，方便調試人員分析平地機的實時工況[17]。涂海為提高平地機高速運轉時控制系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定性，建立了基于多體動力學知識的平地機模型，分析了影響平地鏟工作的主、次要因素，并對水田平地機進行了機械結構優(yōu)化設計[18]。周浩設計了激光控制水田精準平地打漿機及與之配套的高程調節(jié)機構、調平機構、平地機構、自動控制系統(tǒng)和液壓控制系統(tǒng)，可實現平地打漿機高程和調平的同步自動控制[19]。

綜上所述，激光農田平地機能夠同時適用于旱地和水田的土地平整，在高標準農田建設中具有顯著優(yōu)勢，已得到廣泛應用。雖然激光農田平地機具有諸多優(yōu)點，但其在特殊天氣條件下（如大風、強光等），激光發(fā)射器的工作性能會受到影響。此外，由于激光接收器接收信號時垂直范圍的測量有限，因此工作半徑適合面積較小、地勢起伏不大的農田區(qū)域[3]。

2.2 基于GPS/GNSS控制的農田平地機

與激光農田平地機相比，基于GPS（Global Positioning System，全球定位系統(tǒng)）或GNSS（Global Navigation Satellite System，全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)）控制的平地機受天氣等外界因素的影響較小，能實現全天候作業(yè)，適合大面積農田的土地平整作業(yè)。

針對基于GPS 控制的平地機，李赫獲取了農田區(qū)域的GPS 三維數據信息，對獲取的GPS 數據進行坐標轉換和誤差校正，對基于GPS 平地的作業(yè)路徑進行了規(guī)劃，并驗證了路徑規(guī)劃方法的可行性[3]。劉寅等研發(fā)了GPS 控制平地系統(tǒng)，采用高精度GPS 接收機獲取農田三維地形位置數據，并提出了高程測量數據誤差修正算法[20]。王新忠等對RTK 差分GPS 平地機作業(yè)質量效果進行了評估，結果表明，使用RTK 差分GPS 平地機進行農田平地作業(yè)，能夠滿足農田平整精度要求[21]。隨后，王新忠等又針對GPS 農田平地機土方量及設計高程的計算，開發(fā)了基于VB 6.0 編程軟件的計算軟件，提高了平地作業(yè)效率[22]。

針對基于GNSS 控制的平地機，王巖等提出了基于導航技術的GNSS 平地作業(yè)路徑實時規(guī)劃與輔助決策方法，能夠較好地規(guī)劃實時路徑并提供導航方向，引導拖拉機進行高效平地作業(yè)[23]。巫章鵬提出了一種新的平地鏟姿態(tài)調整方法，該方法可用于土地平整作業(yè)中實時調整GNSS 精平機平地鏟姿態(tài)[24]。王少農等研發(fā)了新型GNSS 平地系統(tǒng)，進行了平地作業(yè)試驗研究，為基于GNSS 的農田平地系統(tǒng)的研發(fā)提供經驗與數據[25]。劉剛等結合農田平整實際要求及作業(yè)經驗，在改進系統(tǒng)硬件的基礎上，提出了一種基于GNSS 農田平整全局路徑規(guī)劃方法[26]。景云鵬等建立了牽引式農田平地機的運動學模型，提出了一種基于牽引式農田平地機的導航側滑估計與自適應控制方法，采用GNSS 雙天線導航定位系統(tǒng)測量農田平地機的運動狀態(tài)[27]。梁冉冉等研發(fā)了一套基于雙天線GNSS 的精準平地系統(tǒng)，能夠完成精準平地軟件的調試和平地機精準作業(yè)的監(jiān)測工作[28]。王婷婷等對GNSS 精準平地機的應用現狀進行了分析，介紹了GNSS 精準平地機的組成，并指出以后該類平地機將使用多傳感器融合技術，提高系統(tǒng)的感知力，并朝著智能化方向發(fā)展[29]。

總之，基于GPS/GNSS 控制的農田平地機不受氣候條件限制，土地平整精度高，在未來具有巨大的應用潛力。此外，隨著我國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的不斷完善，為推進基于GPS/GNSS 控制的農田平地機的應用提供了重要保障。目前，基于GPS/GNSS 控制的農田平地機還處于不斷探索階段，后期仍需要繼續(xù)投入人力、物力、財力到該類平地機的研究中，以期獲得精確、高效的產品。

3 農田平地機發(fā)展趨勢

通過綜述我國農田平地機研究現狀，比較分析現有農田平地機的優(yōu)缺點，展望農田平地機未來發(fā)展趨勢，應具有智能化、集成化、多樣化等特點。

1）智能化。根據目前農機行業(yè)的發(fā)展趨勢可知，農田平地機也同樣朝著智能化方向發(fā)展。未來若將先進的人工智能技術和優(yōu)化算法應用于農田平地機，將進一步提高農田土地的平整精度，從而促進農作物產量提升。而且隨著人工智能技術的進一步發(fā)展，農田平地機將逐步實現無人化作業(yè)，可以減少人類的勞動強度，節(jié)約人工成本。

2）集成化。隨著科技的不斷進步，“一機多用”正在成為可能，并得到快速推廣。未來農田平地機在發(fā)揮土地平整作用的同時，可以集成松土、土壤壓實、噴灌等功能，從而節(jié)約時間成本和人工成本。

3）多樣化。我國地形多樣，要推動精細化農業(yè)在我國不同地區(qū)的發(fā)展，應結合不同地區(qū)的地形結構和土地平整要求，開發(fā)相應的多樣化農田平地機產品。