羅為林

（衡南縣農(nóng)機化學校，湖南 衡南 430422）

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)智能化要求農(nóng)業(yè)機械要具有導航技術(shù)，并且將這種農(nóng)業(yè)機械導航技術(shù)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)作業(yè)中去。使農(nóng)業(yè)機械可以自動完成耕種作業(yè)、自主除草、施肥以及收割作業(yè)。要完成這些農(nóng)業(yè)任務(wù)要求農(nóng)業(yè)機械必須具有自主導航功能，即要求農(nóng)業(yè)機械本身攜帶傳感器，利用傳感器感知周圍作業(yè)環(huán)境，并通過對感知的信息加以分析處理，得到機械所處位置信息，然后決定出行進路徑實行導航控制，以此來完成農(nóng)業(yè)任務(wù)。在文章中，通過借鑒國內(nèi)外經(jīng)驗、分析文獻，綜合闡述了在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機械導航技術(shù)應(yīng)用較多的GPS（衛(wèi)星）導航與視覺導航兩種方式。簡單講述了環(huán)境感知技術(shù)、智能控制系統(tǒng)、地圖營造等關(guān)鍵技術(shù)，最后對農(nóng)機技術(shù)發(fā)展作出展望。

1 農(nóng)業(yè)機械導航技術(shù)的分類

（1）利用衛(wèi)星的導航技術(shù)。衛(wèi)星導航（Satellite navigation）是指采用導航衛(wèi)星對陸地、大海、天空和空間用戶進行導航定位的手段。人們經(jīng)常使用的GPS導航，北斗星導航均為衛(wèi)星導航。GPS定位系統(tǒng)是最早的導航技術(shù)。在現(xiàn)在農(nóng)業(yè)機械作業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用：①運用到農(nóng)機運輸與農(nóng)機具中，可以降低費用，提高作業(yè)效率；②在蟲害雜草災害中的應(yīng)用。可精確定位災害地點，精確投藥，減少化學制劑的危害；③在無人拖拉機上的應(yīng)用。節(jié)省人力、物力，縮短作業(yè)時間。GPS導航技術(shù)誤差小，大約在3cm。隨著對地球衛(wèi)星裝備的有效探索和利用，GPS的精度與傳感速度等都得到了有效提升。人們利用GPS導航技術(shù)解決了插秧機、農(nóng)藥噴灑機、收割機等大型農(nóng)機的導航問題。

（2）機械導航。在站立式的農(nóng)場和耕地中，還能運用機械式導航方式對農(nóng)場的耕種機械進行引導工作。對固定的引導目標或者是耕種車輛及機械進行控制操作時，發(fā)揮主要作用的就是機械導航里的傳感型接收器，而使用這種導航方式的農(nóng)場，主要是農(nóng)林、果樹或者葵花等高站立式農(nóng)作物。我國在這個項目上，有一定的技術(shù)優(yōu)勢，并取得了非常矚目的成績和突破，通過為收割機安裝導航指引設(shè)備，對農(nóng)田、玉米等作業(yè)進行指引收割，大大提高了引導的精確度和控制力。

（3）視覺導航技術(shù)。在20世紀80年代初期，視覺導航指引技術(shù)在英國率先實驗使用。視覺導航指引技術(shù)在農(nóng)作物耕種領(lǐng)域有著非常廣闊的使用前景，并且與衛(wèi)星導航系統(tǒng)相比，它的價格更低，性價比更高。經(jīng)過做對比試驗，在相同的農(nóng)作物耕種面積中，由傳感器控制的視覺導航指引技術(shù)比衛(wèi)星控制的導航技術(shù)更靈活，精準度和控制力也更勝一籌。

2 農(nóng)業(yè)機械導航需要具備的關(guān)鍵技術(shù)

（1）環(huán)境感知技術(shù)。農(nóng)機導航中使用的環(huán)境感知技術(shù)，主要指農(nóng)業(yè)機械使用自帶的傳感器對外界的各種信息進行發(fā)現(xiàn)和捕捉，通過系統(tǒng)處理后得出有效運用處理方式的技術(shù)，如圖1所示。環(huán)境感知技術(shù)的最終目的是計算機模擬出外界的環(huán)境，轉(zhuǎn)化成信息進行處理的一種技術(shù)。通過該項技術(shù)，農(nóng)業(yè)機械或者機器人實現(xiàn)進一步的路徑規(guī)劃和行為命令，因此感知精確度是機械操作精確度和自動化智能化程度的重要技術(shù)指標。近年來，電子信息工程在飛速發(fā)展，機器人對外界環(huán)境的分析已經(jīng)升級到納米級。因此相匹配的傳感器、接收器和處理器都進入到相對穩(wěn)定的層面。

圖1 環(huán)境感知控制技術(shù)

（2）智能控制系統(tǒng)。根據(jù)導航機械的作業(yè)環(huán)境，控制系統(tǒng)對農(nóng)業(yè)機械技術(shù)的要求更為嚴格。智能控制系統(tǒng)主要分為橫向和縱向控制兩種。橫向控制指的是對農(nóng)業(yè)機械工作方式的控制，而很少使用導航技術(shù)?？v向控制是要借助導航技術(shù)來實現(xiàn)農(nóng)業(yè)機械的路徑規(guī)劃、所在位置信息、工作范圍和作業(yè)量的統(tǒng)計。因此，導航儀研發(fā)技術(shù)的高低就決定了縱向控制技術(shù)的高低。目前的農(nóng)業(yè)機械在中國尤其是農(nóng)業(yè)機械的導航飛行主要是GPS、RS、GIS系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和模糊控制兩種方式，這兩種方式對線性驅(qū)動偏差率得到了有效控制，也使農(nóng)業(yè)機械自動轉(zhuǎn)向功能得以實現(xiàn)。

（3）地圖構(gòu)建技術(shù)。地圖構(gòu)建技術(shù)是指農(nóng)業(yè)機械在捕捉到外界信息后，創(chuàng)造環(huán)境和模擬系統(tǒng)環(huán)境的技術(shù)能力。目前的農(nóng)業(yè)機械能幫助小型視覺傳感器、激光雷達、紅外線和信息系統(tǒng)對水陸空三棲環(huán)境實現(xiàn)24小時加載信息。利用預設(shè)的數(shù)學模型，模擬出外界環(huán)境來制作信息地圖，幫助農(nóng)業(yè)機械來選擇適和自己的導航模式。精確的仿真圖能實現(xiàn)路徑導航的自動化，地圖建筑分為柵格地圖、拓撲圖和三維立體圖，如丹麥羅維拉MAS應(yīng)用三維地圖幫助農(nóng)業(yè)機械自動導航和避障前進，他使用技術(shù)結(jié)合二維柵格地圖和GIS數(shù)據(jù)，檢測在前面的物體，并自動判斷?？傊?，導航設(shè)備的地圖構(gòu)建力越強，農(nóng)業(yè)機械導航用途就越趨于精細化，行進路徑就規(guī)劃得越好。

3 農(nóng)機自動導航技術(shù)發(fā)展的展望

（1）GNSS導航技術(shù)。全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)主要是通過與微型飛行器的實際位置的距離計算，并且距離通常是由無限電信號傳輸?shù)臅r間來測量的。如圖2所示，這對天線的位置也是接收天線的絕對地標，并通過接收機獲得相關(guān)數(shù)據(jù)，相對位置是從同一組衛(wèi)星觀測得到的接收天線的位置使用2個以上或多個接收器。GNSS測量的誤差主要是傳播路徑、衛(wèi)星和接收機之間的誤差，GNSS還可以實時定位農(nóng)業(yè)機械的位置，提高原有的精度和速度?；谠谵r(nóng)業(yè)機械上使用的GNSS數(shù)據(jù)，經(jīng)過對中央控制器的處理，可以得到農(nóng)業(yè)機械相應(yīng)的準確度和方位。

圖2 農(nóng)機GNSS技術(shù)結(jié)構(gòu)圖

（2）障礙物探測及主動避障技術(shù)。耕地大多是空地，在經(jīng)營范圍內(nèi)幾乎沒有障礙。因此，現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)機械自動導航系統(tǒng)不考慮障礙物檢測和避障。司機應(yīng)對緊急情況是必要的。農(nóng)田可能出現(xiàn)的障礙主要是電桿（塔）、大樹、人和其他農(nóng)業(yè)機械。在規(guī)劃時可以避免諸如桿、塔類和大樹等靜態(tài)障礙物，但考慮這些因素就增加了路徑規(guī)劃的難度。而人、其他農(nóng)業(yè)機械等動態(tài)出現(xiàn)在農(nóng)田中，只有在農(nóng)業(yè)機械工作過程中實時檢測，并采取必要措施避免障礙物。障礙物檢測和主動避障是農(nóng)業(yè)機械導航系統(tǒng)亟待解決的重要問題。

（3）農(nóng)機物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)（IOT）是基于電子標簽和電子編碼并基于互聯(lián)網(wǎng)而建立的實物互聯(lián)網(wǎng)?，F(xiàn)如今，隨著農(nóng)業(yè)智能化、精準農(nóng)業(yè)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛，在農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測，室內(nèi)溫度控制、氣象監(jiān)測、產(chǎn)品的安全性和可追溯性、設(shè)備管理、智能診斷等諸多方面取得了良好的應(yīng)用。在農(nóng)業(yè)機械自動導航、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用方面應(yīng)該解決三個問題：一是獨立的自動導航系統(tǒng)功能組件之間的車輛物聯(lián)；二是多個農(nóng)用機械之間的機器物聯(lián)；三是農(nóng)用機械與農(nóng)業(yè)遠程監(jiān)控中心的連接。目前通用的車載物聯(lián)主要采用基于ISO 11783協(xié)議標準的農(nóng)業(yè)機械總線通信技術(shù)，并且農(nóng)機群和遠程材料結(jié)合無統(tǒng)一標準，如圖3所示。

圖3 多機互聯(lián)控制系統(tǒng)

4 結(jié)語

隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的不斷發(fā)展，農(nóng)業(yè)機械智能化程度和自動化程度將會越來越高?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)機械導航系統(tǒng)經(jīng)過多年的發(fā)展正在慢慢地走向成熟，也在實踐中取得了許多可喜成果。但是，隨著社會的不斷進步，人們對農(nóng)業(yè)機械自動化和精細化的要求也越來越高。我國農(nóng)業(yè)機械自動導航技術(shù)還存在各種各樣的問題，需要進一步探索、研究并加以改進。在對農(nóng)業(yè)機械導航技術(shù)進行分析研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)各種不同的實際情況，選擇與當?shù)剞r(nóng)業(yè)條件相適應(yīng)的農(nóng)業(yè)機械，并利用農(nóng)業(yè)機械的現(xiàn)代技術(shù)來完成各種農(nóng)業(yè)任務(wù)。因地制宜，因時制宜，如此將會促進我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)向著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、自動化邁進堅實的一步。

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