農業機械自動導航技術研究進展

李榮萍

（山西師范大學現代文理學院，山西 臨汾 041000）

隨著社會經濟的快速發展，自動導航技術已在我國各個領域得到普遍應用，既提高了我國農業生產的效率，又提高了農產品的產量和質量，極大地助推了我國農業農村的現代化發展和農業機械的現代化。實踐證明，農業機械自動導航技術不僅改變了傳統耕作方式，也使信息技術在農業生產中得到很好的融入，降低了農民應用機械設備的難度系數。機械設備的自動導航技術經常被用于農業的實際生產中，它能幫助農民在工作過程中使復雜工作簡單化，所以工作人員在推廣農機自動導航技術的過程中，還應不斷進行研究和創新，使之能在農業工作中得到長期發展。

1 農業機械自動化導航技術概述

農業機械自動化導航技術大部分是利用地磁、無線電和激光等技術，通過接觸桿和引出線操作方法來實現導航具體目標，特別是在涉及農業機械行駛的區域埋設電纜或磁釘，以便為農業機械提供更好的導航信息[1]。這種自動化導航技術方法的優點是可以應用于任何路面，同時在道路環境標準薄弱的情況下，如雨、冰或大雪等天氣，也可以實現圍欄的良好導航，但要注意的是，在農業自動化技術實際使用的過程中，由于施工成本較高，后期的工作難度會逐漸上升，工作人員要對現代自動化導航技術作出進一步的升級和完善，才能讓導航技術實現農業利益的最大化。

2 農業機械中應用自動導航技術的意義

2.1 減輕農機操作人員的工作強度

工作人員將自動導航技術應用于農業生產當中，可以幫助操作人員不需要將時間和精力集中在農業機械的不同操作位置上，只需簡單操作即可完成工作調節。農業機械自動導航技術不僅降低了工作難度，對工作效果的定量分析也有很大幫助，可以替代傳統操作人員的重復計算，在最短的時間內得出科學數據，極大地降低了農業機械操作人員的工作強度和工作風險。

2.2 提高農業生產效率

傳統的農業活動通常需要大量的人力、物力和時間才能完成生產任務，農業生產的質量也會受到一些人為因素的影響，再加上傳統農業耕地比較分散，土地資源利用不集中，農業活動過程難以持續，導致了工作效率低。所以在農業機械中引入自動導航技術，實現了整體農業的大規模作業，從播種到收購過程中積極使用機械自動化技術，大大提高了農業耕種收效率。此外，在傳統的農業生產活動中，農業操作中的人為因素經常存在不合理性，精準度較低，一旦數據統計有誤，會直接影響工作人員的最終判斷。選用自動導航技術后，就可以準確地進行播種和農業收割數據統計，通過這種技術來處理許多細節問題，可以快速提高農作物收割的質量和效率。

3 農業機械自動導航技術的具體應用

3.1 GPS定位系統

GPS 作為常見的全球定位系統，它具有三維定位和精準導航的作用，同時也具備全天候、多方位、高精度的定位特點，被普遍用于陸地和航空等領域，對提高地球信息水平有重要貢獻。GPS 定位系統主要由三部分組成：空間系統、控制系統和設備信息。農業生產中的GPS 定位系統大部分是由衛星定義位置，在工作人員檢查土層厚度時，一般與GIS 系統結合使用，以方便記錄土層的相關情況，得出不同地區的土層質量，并利用土層質量分布圖，以自變量的方式及時進行有針對性的施肥[2]。目前，由于中國農村的耕作方式大多是集約化、規模化的，所以在大面積耕作的具體操作過程中，控制GPS 定位工作路線非常重要，使用GPS 系統可以提前規劃好耕作路線，從而可以為耕作創造最好的設計方法。

3.2 視覺導航

當配備了GPS 系統時，導航是可視化的，導航周圍的環境可以直接顯示在顯示屏上，大大提高了導航的準確性。現代視覺導航可以收集領域內部的每一欄信息，并給出該地區的準確信息。通過技術人員的不斷研究，這項技術已經實現了創新，可以對農業目標作物的實際部分進行長時間的精確定位，越來越多的農業工作人員也開始使用視覺導航進行數據測量。因此，需要及時對圖像采集和元素采集進行適當的研究和創新，不斷完善升級自動導航技術系統，才能正確地營銷和推廣視覺導航技術。在過去，許多從國外進口的視覺導航電感器與國內的生產設備不兼容[3]。然而，這個問題現在已經得到解決，越來越多的國外視覺導航設備也開始大面積應用于國內農業生產當中。

4 農業機械自動導航關鍵技術

4.1 北斗技術

北斗農業自動導航系統主要由車載電子計算機、衛星接收器、控制系統軟件和基站等部分組成。通過在農業機械上安裝北斗衛星，將北斗衛星的精確位置數據信號集成到相位上，設計出機械設備驅動線的方案，隨后綜合該部分機械或設備的信息、狀態信息、航向角信息、傳感器信息、電動方向盤或液壓信息，通過對以上信息系統的控制，以實現機械設備的輪換，最后按照整體規劃的路徑行駛，達到完成犁地、耕地、種植和田間管理等各種工作的目的，幫助農業工作人員做好播種、種植、田間管理等工作。現如今，將農業機械與北斗農業自動導航系統相融合，可以實現無人值守，替代某些人工操作，極大地降低了人工工作強度，節約了勞動成本。尤其是隨著中國城市化進程的加快，大量農業人員離開農村進入城市，直接導致農村的年輕勞動力明顯不足，所以在新時期使用無人農業機械可以有效解決農業勞動力短缺的困難[4]。裝備北斗自動導航系統的農業機械設備可以不受時間因素的影響，能一天24 h 工作，隨時隨地進行精準測量，不會錯過任何農時。它的出現可以取代部分手工作業，減輕特定工人的工作強度，可提高50%以上的工作效率。北斗導航自動操作系統也可以對農業機械進行適度調整和精確定位，以確保工作質量和工作精度[5]。經過對大部分自動化標準產品的檢驗，在200 m 的測量范圍內，通過自動導航技術計算的直線度精度和對接線精度差距控制在2.5 cm；在800 m 的測量范圍內，北斗導航桿自動作業插秧機，直線度精度和對接線精度差距控制在5.0 cm。所以采用北斗導航自動操作系統的農業機械設備，可以保證現代農業作業精度，準確利用土地總面積，減少藥品、化肥和水資源的消耗，提高作物生長發育質量，從而提高產量。同時，北斗衛星導航無人機可以進行農業植保工作、農業檢測和數據采集，具有準確、高效、環保、智能等特點。此外，在自動導航技術中使用的無人機體積小，重量輕，便于攜帶，方便使用，因此可以成功地融入不同的地塊和不同的作物中[6]。利用北斗無人機，對處于過渡花期的果樹進行二次授粉，適當提高結實率。對于農時處理人工授粉遇到樹齡稍高，樹頂無法授粉，影響結實率的問題，通過投入無人機進行作業，最終效果可高達10 倍人工授粉的效率，并且沒有化學污染問題。

4.2 車輛控制決策系統

車輛導航控制決策系統主要是通過科學的控制算法對車輛的機械設備進行控制，根據農業生產工作的具體需要，自動調整車輪方位，使農業車輛少走彎路，按線路要求進一步做好農業生產工作，提高農業效率[7-8]。常見的車輛控制技術包括PID 控制技術，因為國內PID 控制技術發展較早，在農業和工業生產中普遍使用，與其他控制技術相比，其發展相對完善，具有方便快捷的特點。如果農業工作量發生變化，可以調整PID 的主要參數，達到滿意的控制效果。現代車輛控制技術大部分被用來控制導航控制系統軟件的行為，主要是通過用數學語言編寫的控制標準作為導航控制系統軟件運行的重要基礎。PID控制技術具有廣泛的應用前景，具有穩健性特點，如果農業車輛設備在導航行駛過程中的行駛路徑和原始路徑預留存在一定的誤差，這些誤差數據信號，直接通過PID 控制技術來進行現場導航，控制模塊則對誤差數據信號進行分辨，并按標準輸出適當的路徑數據信號，導航汽車將被引導正確路徑行駛。利用車輛控制系統及時對該車進行適度調整，以滿足農業的需求，借助于電機推送控制模塊、液壓控制閥組系統控制模塊等，可以適當將電機推進控制系統軟件安裝在導航的方向盤上，然后使用電子計算器、電機控制器和方向轉換器來調整農業車輛的方向。控制決策系統直接通過電子計算器向電機控制器發出控制指令，然后電機控制器與直流電機一起工作，根據這些指令調整車輛的速度和方向，使導航車輛能夠按照預先確定的路線順利行駛。

4.3 環境感知技術

環境感知技術主要使用傳感器收集周圍環境的信息，以適當的特征為基礎分析和處理信息，并構建環境實體模型。在互聯網信息時代，傳感器類型的數量不斷增加，質量也越來越高，同時也產生了許多環境傳感器信息處理的優越方法，這對優化識別農業環境有很大的正面影響，越來越多的科研人員正在研究這種環境感知技術，以提升農業機械的導航質量[9]。例如，一些業界人士設計了雜草控制智能機器人，環境感知技術中的認知系統就可以直接識別田間的雜草，并將其評論反饋給上級系統，工作人員通過技術傳遞的數據來進行分析、處理和清除雜草。環境感知技術在新時期還提出了一種全視覺的障礙物檢測方法，在測量技能、障礙物檢測等方面功能強大，能更好地幫助工作人員在短時間內了解不同區域的土地環境。

4.4 地圖構建技術

地圖構建技術一般需要傳感器來收集和處理必要的信息，以構建環境地形圖。地形圖有多種表現方式，包括幾何地形圖、環境信息地形圖和三維坐標地形圖。地圖構建技術是自動導航技術的關鍵部分，只有通過地圖構建進行廣泛測量，才能精確定位土地層面問題[10]。我國人口眾多，但人均土地極少，因此提高糧食生產的數量和質量十分重要。盡管機械已經實現了自動化，效率明顯提高，但仍有新的技術挑戰，需要依靠地圖構建技術，不斷對我國各方位的土地進行全方位測量監控，才能找到更多適合種植的土地，避免盲目種地問題發生[11]。

5 結語

綜上所述，農業機械與自動導航技術不僅要進行有機結合，而且在農業機械化發展的進程中，應充分利用最新的農業自動導航技術，提高農業產量，增加農民收入，助推鄉村振興。