基于北斗導航技術的農機作業數據監測終端產品應用研究

白衛衛， 孫樂明， 王戰洪， 李廣興， 周鵬立， 徐 培

（1.河南省舞陽縣農業機械技術中心，河南 漯河 462000； 2.漯河市農業機械技術中心，河南 漯河 462000；3.國家農機裝備創新中心，河南 洛陽 471000）

0 引言

在農業現代化和農機智慧化水平不斷提升的國家戰略背景下，隨著定位系統、數據感知、傳輸分析等物聯網信息科技的不斷進步，農業機械智能化、智慧化已成為我國農業現代化進程中的必然環節[1-2]。截至2021 年底，我國農用拖拉機保有量2 173.06 萬臺、稻麥聯合收獲機162.72 萬臺、玉米聯合收獲機61.06 萬臺，其中以北斗和5G 等信息技術為支撐，加裝北斗衛星導航的拖拉機、聯合收獲機超過60 萬臺，不足動力機具總保有量的40%[3-4]。然而受到我國地域間農業生產方式差異及土地現狀影響，智慧農業機具在大農場及農機合作組織較為集中[5]。傳統農機具已無法滿足農業生產需要，“強化農業科技和裝備支撐，建設智慧農業”已列入“十四五”規劃和2035 年遠景目標，發展智能農機是我國農業持續高質發展的重要手段，智能農機監測設備是農業智能化重要的實現途徑[6-7]。

近年來，以北斗衛星導航系統為基礎，以物聯網技術為載體的農機作業監測設備不斷發展，但市場終端產品五花八門，質量參差不齊，嚴重影響農業機械智能化的發展，隨著農業現代化進程不斷加快，結合我國農機保有現狀，優化農機作業監測產品結構，提高農機作業監測產品可靠性等刻不容緩[8-10]。為此，河南省漯河市農業機械技術中心聯合國家農機裝備創新中心等單位，在河南省農業機械技術中心作業補貼項目支持下，開展基于北斗衛星定位的農機作業監測終端面積誤差、靜態坐標點漂移、軌跡偏移等技術指標試驗，針對解決區域內農機作業監測產品質量差異化應用需求，向使用后裝遠程運維終端的農機部門、農機合作社和農機個體戶提供主流農機作業監測產品可信任的作業數據，為農機管理部門、農機制造企業及行業發展趨勢提供農機智能化發展數據支持[11-13]。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗地塊

試驗地塊選自河南省舞陽縣北舞渡鎮農機合作社試驗用地，經度113.395 8°E、緯度33.378 0°N，選取其中約0.267 hm2空白地塊為本次試驗用地。

1.2 試驗項目

試驗項目及內容如表1 所示。

表1 試驗項目及內容Tab.1 Test items and contents

1.3 試驗設備

1.3.1 機器設備

以谷物聯合收獲機、拖拉機掛接旋耕機為研究對象，進行表1 中的試驗項目測定，設備信息如表2 所示。

表2 試驗用設備信息Tab.2 Test equipment information

1.3.2 遠程運維終端設備

選擇國內市場來自于8 家農機作業監測設備企業的主流產品，設備樣機信息如表3 所示。

表3 農業作業監測設備樣機Tab.3 Prototype of testing equipment for agricultural operations

1.4 試驗方法

1.4.1 靜態CEP50/95

各終端設備調度測試完成后，將設備定位天線放置于指定位置上（該位置由RTK 提前打點測量），開機后靜態放置1 min 后開始試驗，計時5 min 后結束試驗。

1.4.2 斷點續傳

由國家農機裝備創新中心IOT 平臺接收試驗設備數據，正常數據傳輸中，中斷供電，10 min 后恢復供電試驗結束[14-16]。

1.4.3 靜態作業深度/狀態

將各企業智能終端設備安裝到試驗作業農機，然后進行非作業姿態標定、作業姿態標定、計算絕對差值。

1.4.4 動態作業狀態

由測試人員手持RTK 沿將試驗田一周測算試驗田面積，對各關鍵點進行定位取點，在試驗田中間留白部分測算空白面積；將各企業測試智能終端設備安裝到試驗作業農機上，最后調試設備，測試人員以RTK為定準，各企業統一標準標定幅寬、作業深度等關鍵數據后進行試驗作業。

2 試驗結果與分析

2.1 靜態CEP50/95

試驗時間及RTK 標定如表4 所示。表4 中試驗場地坐標經緯度為RTK 8 個基準點，定位后將測試產品分別放置基準點進行試驗，結束后對比產品定位與RTK 定位精度，確保試驗可靠性，HD 由于早期設備未完成，則此項試驗在下午進行。

表4 各終端設備靜態CEP 試驗情況Tab.4 Static CEP test of each terminal device

由表5 和圖1 可知，BD 定位整體向北偏移，中心點距離原始坐標點大概偏移0.85 m，偏移點位較為規則，整體精度較低；XX 點位整體向西北方向偏移，中心點距離原始坐標點大概偏移0.205 m，偏移點位較為集中，終端對該場景做過相應的處理；整體精度比較高，漂移程度較低；ZN 點位整體向北偏移，中心點距離原始坐標點大概偏移1.367 m，偏移點位較為分散；FJ 點位整體向東偏移，中心點距離原始坐標點大概偏移0.474 m，偏移點位較為分散，定位精度較高且漂移程度中等；YB 點位整體向西北偏移，中心點距離原始坐標點大概偏移0.1 m，偏移點位較為集中且點位較少，終端對該場景做過相應處理；定位精度較高且漂移程度較低；NL 點位整體向東偏移，中心點距離原始坐標點大概偏移1.342 m，偏移點位較為集中且點位較少，終端對該場景做過相應處理；定位精度較低且漂移程度較高；LM 點位整體向東南方向偏移，中心點距離原始坐標點大概偏移0.772 m，偏移點位較為分散；整體精度比較低；HD 點位整體向西南偏移，中心點距離原始坐標點大概偏移0.783 m，偏移點位較為集中；定位精度中等且漂移程度較高。

圖1 靜態測試平臺結果Fig.1 Static testbed data

表5 靜態CEP 試驗結果Tab.5 Static CEP test results

2.2 斷點續傳試驗

斷點續傳功能確保了設備在復雜的作業環境中能夠完成作業數據傳輸任務，結果如表6 所示。

表6 斷點續傳試驗結果Tab.6 Experimental results of breakpoint continuation

由于產品應用推廣的使用對象及應用場景不同，斷電續傳功能的完善顯得由為重要，避免設備在使用過程中由于農業環境等引起的數據異常，由表6 可知，除LM 外未能識別外均能在斷電、恢復后繼續上傳數據，LM 分析設備調試或數據傳輸協議發生錯誤，LM無法屏蔽信號可能由于測試終端定位功能故障。

2.3 旋耕機作業試驗

2.3.1 靜態深度試驗

試驗農機初始RTK 標定數值如表7 所示。

表7 拖拉機掛接旋耕機RTK 初始標定Tab.7 Initial calibration of RTK of tractor mounted rototiller

由表8 和圖2 可知，NL 和ZN 作業變化量相對準確；BD 圖中曲線表現為抗抖動性較差，作業變化量相對準確；XX 與YB 終端監測的變化量與實際變化量差距過大；FJ 零點標識錯誤，姿態變化趨勢和實際姿態變化趨勢相反；HD 與LM 未能有效監測到機具姿態的變化。

圖2 旋耕機智能終端靜態深度測試Fig.2 Static depth test chart of intelligent terminal of rotary tiller

表8 靜態深度試驗數據Tab.8 Static depth test data

2.3.2 動態作業試驗

由表9 和圖3 可知，NL 和XX 作業狀態識別準確，試驗地塊地頭部分進行了區分，其余識別不準確但其中YB 試驗地頭進行了區分；作業軌跡平均偏移來看多數為0.8～1.5 m，HD 和YB 分別為1.794 和3.156 m，偏移較高；從面積差方面看半數面積誤差集中在±3%以內，ZN、HD、YB 和LM 面積誤差分別為4.06%、13.42%、35.6%和-47.76%；作業點上頻率除HD 為5s/次外，均為2s/次。

圖3 作業監測終端動態試驗情況Fig.3 Dynamic test of operation monitoring terminal

表9 作業監測終端動態試驗數據Tab.9 Dynamic test data of operation monitoring terminal

2.4 聯合收割機作業試驗

2.4.1 靜態深度試驗

試驗農機初始RTK 標定數值如表10 所示。

表10 收割機RTK 初始標定Tab.10 Initial calibration of harvester RTK

由表11 和圖4 可知，NY、HD 標零點數據回傳不準確或未標零，與實際高度有一定差距；BD 作業變化量相對準確；XX、YB 作業高度變化監測準確；ZN、FJ 與實際變化量差距過大；LM 終端未能有效監測到機具姿態的變化。

圖4 聯合收割機智能終端靜態深度測試Fig.4 Static depth test of combine intelligent terminal

表11 靜態深度試驗數據Tab.11 Static depth test data單位：cm

2.4.2 動態作業試驗

由表12 和圖5 可知， NL、LM 和YB 作業狀態識別準確，試驗地塊地頭部分進行了區分，其余識別不準確，并且試驗地頭進行了區分；作業軌跡平均偏移半數為0.5～1.3 m，LM、HD、ZN 和FJ 軌跡平均偏移量分別為2.927、3.017、3.655 和17.681 m；半數面積誤差集中在±3%以內，LM、HD、ZN 和FJ 面積誤差分別為-11.43%、-16.77%、-23.57%和-24.54%；作業點上頻率除HD 為5s/次外，均為2s/次。

圖5 作業監測終端動態試驗情況Fig.5 Dynamic test of operation monitoring terminal

表12 作業監測終端動態試驗數據Tab.12 Dynamic test data of operation monitoring terminal

3 結束語

靜態CEP 試驗，YB、XX 終端CEP50 和CEP95 最低，CEO50 為0.111、0.209，CEP95 為0.130、0.215；其余企業皆超過0.5。旋耕機靜態深度試驗，ZN、XX終端與實際差距最低，都為0.3 cm；其次為NL、BD終端，都為0.7 cm。收割機靜態試驗，XX、YB 終端與實際差距最低，都為0.1 cm，其次為NL、BD 終端，都為1.1 cm。旋耕機動態試驗，軌跡偏移量由低到高前3 分別為LM、ZN 和XX 終端，為0.803、0.829 和0.842 m。收割機作業試驗，軌跡偏移量由低到高前3分 別為YB、 XX 和NL 終 端， 為0.566、 0.906 和1.167 m。旋耕機作業面積差距前3 分別為FJ、BD 和XX 終端，為1.5%、2.07%和2.25%。收割機作業面積差距前3 分別為YB、BD 和XX 終端，為1.05%、2.07%和2.79%。

上述數據結論表明，相同大田試驗環境中不同終端對于不同試驗項目有不同的數據表現，實際應用中應根據使用需要，選擇優勢數據表現產品作為作業監測設備使用。由于參試終端樣本局限性及科技水平不斷發展造成研究有更深一步的可能性，從應用推廣層面討論，如何在復雜的農業環境中確保終端產品定位精準度、作業面積誤差及數據傳輸的可靠性等是進一步重點研究方向。