孫　琦

(廊坊市廣播電視大學,河北 廊坊　065000)

0　引言

我國幅員遼闊，北方地區(qū)的地勢平坦，有大面積的連片農(nóng)田。同時，農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)模式和結構的轉(zhuǎn)型使得南方地區(qū)的農(nóng)田出現(xiàn)集中經(jīng)營的趨勢，大面積的農(nóng)田數(shù)量日益增多。在這樣形勢下，依然采用傳統(tǒng)的農(nóng)田作業(yè)方式不僅效率低，且生產(chǎn)成本較高，無法推動農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展。例如，作物的播種必須要在適宜的時期內(nèi)完成，人工播種會因效率太低而錯過最佳播種時機，影響作物后續(xù)的生長。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的機械化是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要內(nèi)容，且大面積成片農(nóng)田的增加也為大型農(nóng)業(yè)機械的應用提供了有利條件和廣闊空間。我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機械化的發(fā)展較快，水稻、玉米和小麥這三大主要糧食作物的生產(chǎn)可以實現(xiàn)全程的機械化；但是，受局部自然條件和機械性能的影響，機械化的普及率還不高。因此，進一步提升機械的適應性和自動化水平對農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。

精準農(nóng)業(yè)的概念在1997年提出，代表了當今世界現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的新潮流。精準農(nóng)業(yè)推動農(nóng)業(yè)生產(chǎn)向規(guī)?；I(yè)化和科學化轉(zhuǎn)變，也對農(nóng)業(yè)機械的技術水平提出了更高的要求[1]。農(nóng)業(yè)機械的自動導航是其自動化和智能化水平的重要內(nèi)容，也是降低人力成本、提高土地利用率的有效手段[2-3]。農(nóng)機的導航研究開始于20世紀80年代，最初的目標是實現(xiàn)農(nóng)機的無人駕駛；后來依賴于計算機視覺和衛(wèi)星導航技術的進步，導航的精度逐步提高，應用范圍也日益擴大[4-5]。隨著我國社會的發(fā)展和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的進步，各種大型機械也開始使用衛(wèi)星和計算機視覺實現(xiàn)導航，提高了播種、施肥、噴藥、整地和起壟等作業(yè)的效率和土地利用率[6-7]。

衛(wèi)星導航利用電子地圖和衛(wèi)星信號接收機進行的實時定位和導航，目前比較成熟的衛(wèi)星定位導航系統(tǒng)包括美國的GPS、俄羅斯的GLONASS和中國的北斗[8]。我國最早使用的是GPS為民用級，精度僅有10m，定位誤差太大，不能滿足農(nóng)機自動導航的要求[9]。GLONASS的誤差太大，且實現(xiàn)難度和使用成本較高，不適用于我國的農(nóng)機自動導航。GPS和GLONASS系統(tǒng)都由國外開發(fā)，核心技術由國外掌握，因而容易形成壟斷格局，對其嚴重依賴還會引起信息領域的安全問題。計算機視覺概念是在20世紀80年代提出來的，最初被用來引導機器人采摘水果，后來發(fā)展出多種用途，包括農(nóng)業(yè)機械的自動導航。計算機視覺的信息處理程序依次為圖像獲取、目標與背景分割、目標特征提取和信息分析決策，在自動導航中的功能是識別機械的行走路徑和檢測障礙物[10]。計算機視覺用于農(nóng)機自動導航面臨兩個問題：一是田間光照變化較快，對圖像采集質(zhì)量和目標特征的提取分析造成很大的干擾，在夜晚光線不足的情況下完全無法發(fā)揮作用；二是圖像的信息量很大，處理過程消耗較長的時間，引起信息決策的滯后問題。以上因素影響了計算機視覺在農(nóng)機自動導航中應用的范圍。

北斗衛(wèi)星系統(tǒng)由我國自行研制的全球第3個成熟的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，擁有核心技術和自主產(chǎn)權，結束了我國的定位和導航服務完全依賴國外GPS系統(tǒng)的時代。北斗衛(wèi)星建立后經(jīng)過不斷的升級，定位精度由之前的10m大幅增加至1m，導航的精度也相應地增加。目前，北斗系統(tǒng)已經(jīng)在我國廣袤的土地上用于農(nóng)業(yè)機械的自動導航，體現(xiàn)出巨大的經(jīng)濟和社會價值。楊方等人調(diào)查發(fā)現(xiàn)，1臺安裝該自動導航系統(tǒng)的拖拉機每年可以節(jié)本增效16萬元左右[11]。

吳延霞等人提出，一個真正具有應用價值的農(nóng)機導航系統(tǒng)應該同時具備實時性、魯棒性和精確性這三大特點，即系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理速度與農(nóng)機的行駛速度一致，對復雜的自然環(huán)境具有良好的適應性和達到一定的導航精度要求[12]。因此，以上述三大特點為目標，建立基于北斗衛(wèi)星的農(nóng)機自動導航系統(tǒng)，對我國精準農(nóng)業(yè)的發(fā)展具有重要的意義。

本文基于北斗衛(wèi)星，開發(fā)了一種帶有便攜式基站的智能農(nóng)機自動導航系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過基站的差分數(shù)據(jù)實現(xiàn)定位，實時向方向盤控制器發(fā)出指令，控制機械按照設定的路線行進。同時，將該系統(tǒng)安裝在拖拉機上，在田間鋪膜和播種試驗中驗證其導航的實時性和精確性，以期為升級農(nóng)業(yè)機械的智能化和自動化提供技術支撐。

1　系統(tǒng)的總體設計及組成部分

1.1總體設計

自動導航系統(tǒng)包括裝載在農(nóng)業(yè)機械上的衛(wèi)星天線、導航終端、行車控制器、方向控制器和角度傳感器，以及安裝在地面的便攜式基站。系統(tǒng)的工作過程：首先在導航終端上設定導航模式和行駛路線，衛(wèi)星天線經(jīng)過便攜式基站接收北斗衛(wèi)星的差分，發(fā)送給導航終端實現(xiàn)農(nóng)機定位；然后，由行車控制器根據(jù)角度傳感器提供的農(nóng)機運行方向，向方向控制器發(fā)出指令，控制機械沿設定的路線自動行駛。自動導航系統(tǒng)的工作流程如圖1所示。

1.2組成部分

系統(tǒng)裝載在東方紅LX900型拖拉機上，該機型額定功率66kW，輪距1.4～2.1m，最大速度31km/h，經(jīng)過加裝后可以適用于各種農(nóng)田作業(yè)。機械的頂端安裝七頻衛(wèi)星天線用于接收衛(wèi)星信號。天線結構穩(wěn)固，抗震性好，在劇烈搖晃的情況下依然能穩(wěn)定地接受北斗、GPS或GLONASS衛(wèi)星系統(tǒng)的信號。

導航終端用于分析整合衛(wèi)星數(shù)據(jù)，設定系統(tǒng)的運行參數(shù)、導航模式和行駛路線，并顯示機械的運行狀態(tài)。本系統(tǒng)所用的為國內(nèi)中海達公司的品牌產(chǎn)品，具有安裝Android操作系統(tǒng)的8英寸觸摸屏，采用CAN接口，輸入電壓16V，導航精度達到2.5cm。

行車控制器用于接收導航終端和方向傳感器的數(shù)據(jù)，計算機械的位置、行駛速度和行駛方向；然后根據(jù)設定的線路向方向控制器發(fā)出指令，確保機械沿設定的路線自動?？刂破饕杨A先載入了國內(nèi)的各種農(nóng)業(yè)機械的數(shù)據(jù)，適用于多種拖拉機的型號。

方向控制器接收行車控制器的指令，通過相應的調(diào)整控制機械的行駛方向。方向控制器主要有液壓閥和方向盤控制器兩種形式，本系統(tǒng)根據(jù)機械的特點選擇的是方向盤控制器。液壓閥以液壓油為介質(zhì)傳遞能量，從而實現(xiàn)對繼續(xù)前進方向的控制。液壓閥對方向的控制作用穩(wěn)定，使用壽命長，與方向盤控制器相比還有精度高和反應快的優(yōu)勢。方向盤控制器直接與機械的方向盤連接，通過馬達驅(qū)動方向盤實現(xiàn)自動控制。與液壓閥相比，方向盤控制器安裝方便，對機械的適應性也更好。角度傳感器用于測定機械前輪轉(zhuǎn)動的角度，然后發(fā)送給行車控制器，以作為計算下一步方向控制量的依據(jù)。

導航基站用于接收衛(wèi)星的數(shù)據(jù)，并發(fā)送給機載的衛(wèi)星天線?；居泄潭ㄊ胶捅銛y式兩種，適用于不同的自然環(huán)境，可同時服務覆蓋范圍內(nèi)的多臺機械，為導航終端提供的差分信號精度達到2cm。固定式基站大多設置在農(nóng)機推廣站或農(nóng)場中心區(qū)域，位置不會輕易改變。其網(wǎng)絡或電臺提供的差分信號有效距離可以達到50km，適合集中連片的許多機械同時作業(yè)。便攜式基站一般安裝在田邊，作業(yè)完成后可以拆卸轉(zhuǎn)移至下一個工作點，適合野外和流動作業(yè)。這種基站的信號有效距離最遠可達15km，與固定式基站有較大差距；但操作簡單，使用地點更為靈活。本系統(tǒng)須在多個不同的農(nóng)場進行試驗，因此使用便攜式基站。

圖1　自動導航系統(tǒng)的工作流程

2　試驗結果與分析

2.1試驗設計

為了驗證自動導航系統(tǒng)的導航精確度和適用性，在位于河北省的農(nóng)場內(nèi)分別進行了夏玉米的播種和鋪膜試驗。試驗采用人工駕駛和自動導航兩種方式，設定0.7、0.8、0.9、1.0、1.1m/s共5個速度。在每種速度下沿設定的線路行駛100m，然后在線路上隨機取20個點。對于播種作業(yè)測量坐標誤差，鋪膜作業(yè)測量鄰接行寬(標準60cm)。坐標誤差為測量坐標與理論坐標之間的距離，用于反映導航的精確度。鋪膜鄰接行寬為相鄰兩行之間的寬度，是反映土地利用率的指標。在河北省的農(nóng)場內(nèi)分別進行了夏玉米的播種和鋪膜試驗，如圖2所示。

圖2　自動導航系統(tǒng)的田間試驗

2.2試驗結果和分析

田間試驗的結果如表1所示。由表1可以看出：隨著機械行駛速度的增加，人工駕駛播種作業(yè)的精確度降低，坐標誤差最后達到0.51m。自動導航作業(yè)的精確度雖然降低，但是最大坐標誤差僅為0.21m，在可以接受的范圍內(nèi)。在鋪膜作業(yè)中，隨著機械行駛速度增加，人工駕駛作業(yè)的鄰接行寬也隨之增加，與標準行寬的差距也越來越大，最后的誤差達到20cm。不同速度下自動導航的鄰接行寬與設定的標準都差異不大，最多的僅為6cm，鄰接行遺漏很少，表現(xiàn)出較高的土地利用率。

表1　田間試驗結果

3　結論

本文基于北斗衛(wèi)星，開發(fā)了一種由衛(wèi)星天線、導航終端、行車控制器、方向控制器、角度傳感器和便攜式基站組成的智能農(nóng)機自動導航系統(tǒng)。系統(tǒng)通過基站的差分數(shù)據(jù)實現(xiàn)定位，實時向方向盤控制器發(fā)出指令，控制機械按照設定的路線行駛。將該系統(tǒng)安裝在拖拉機上，在田間播種和鋪膜試驗中驗證其導航的實時性和精確性。結果表明：系統(tǒng)在不同速度下都表現(xiàn)出比人工駕駛更好的導航準確性和土地利用率，可以為農(nóng)業(yè)機械的智能化和自動化升級提供技術支撐，具有廣闊的應用前景。

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