王洪華（新疆沙灣縣農(nóng)業(yè)機械化技術(shù)學(xué)校，新疆 沙灣 832100）

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模快速增大，必須借助農(nóng)機設(shè)備才能保障生產(chǎn)質(zhì)量和效率。拖拉機作為最基本的農(nóng)機設(shè)備，其一直都在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有著廣泛應(yīng)用。不過傳統(tǒng)拖拉機受駕駛員素質(zhì)和狀態(tài)等因素限制，難以實現(xiàn)長期、高質(zhì)量、高效率作業(yè)，無法充分發(fā)揮拖拉機作用。對此，有必要研究拖拉機自動導(dǎo)航駕駛及導(dǎo)航技術(shù)。

1 拖拉機GPS自動導(dǎo)航無人駕駛系統(tǒng)

隨著農(nóng)業(yè)規(guī)模的不斷擴大和產(chǎn)業(yè)化程度的逐漸提升，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平逐漸提高，農(nóng)機設(shè)備的應(yīng)用范圍越來越廣泛，拖拉機更是必不可少的重要農(nóng)機設(shè)備。新疆沙灣縣作為優(yōu)質(zhì)商品棉生產(chǎn)基地，棉花種植面積達到了180萬畝，僅靠傳統(tǒng)的人工種植生產(chǎn)模式難以完成如此大規(guī)模的棉花種植生產(chǎn)活動，必須依賴機械設(shè)備完成包括機械整地、機械鋪膜播種、機械植保、機械中耕追肥、機械碎稈、棉籽機械脫絨等在內(nèi)的各種機械化作業(yè)。而在駕駛拖拉機方面，由于部分駕駛員駕駛技術(shù)以及敬業(yè)程度等的影響，再加上大規(guī)模生產(chǎn)帶來的巨大勞動強度，導(dǎo)致棉花種植生產(chǎn)的機械作業(yè)中往往存在交接行彎曲、播行不直、接茬不準、機采浪費大、白白浪費時間與精力等問題，難以達到現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的標準，不利于棉花種植生產(chǎn)水平的有效提升。

而拖拉機GPS自動導(dǎo)航無人駕駛系統(tǒng)則是在引入差分GPS的情況下，對拖拉機的三維空間位置信息進行準確定位和持續(xù)監(jiān)控，并在空間衛(wèi)星星座系統(tǒng)、地面監(jiān)控系統(tǒng)以及用戶直接應(yīng)用的GPS接收系統(tǒng)等，共同實現(xiàn)動態(tài)定位[1]。在動態(tài)定位基礎(chǔ)上，拖拉機自動導(dǎo)航無人駕駛系統(tǒng)能夠按照特定方式完成自動駕駛，主要有兩種自動導(dǎo)航無人駕駛形式。其一為在行走第一行后會產(chǎn)生導(dǎo)航直線，配套的軟件會根據(jù)提前設(shè)置好的幅寬自動生成對應(yīng)的導(dǎo)航直線并完成導(dǎo)航；其二為直接通過電子地圖標記的方式來設(shè)定導(dǎo)航直線，拖拉機會按照設(shè)定好的導(dǎo)航直線行走。在拖拉機自動導(dǎo)航駕駛的助力下，農(nóng)業(yè)機械化生產(chǎn)在很大程度上擺脫了對拖拉機駕駛員的依賴，不僅起到了省時省力的作用，更能有效避免因駕駛員自身駕駛技術(shù)、敬業(yè)程度、失誤等造成的作業(yè)時間短、銜接行距精度低、生產(chǎn)效率低、作業(yè)質(zhì)量低等問題。在棉花種植生產(chǎn)中，拖拉機自動導(dǎo)航駕駛多應(yīng)用于精量播種、機械采收等生產(chǎn)活動之中，能夠大量節(jié)約人工費，同時顯著提高生產(chǎn)質(zhì)量和效率，實現(xiàn)大規(guī)模種植生產(chǎn)，這也是新疆沙灣縣棉花種植規(guī)模能夠達到180萬畝的重要原因。在拖拉機自動導(dǎo)航駕駛配合精量播種技術(shù)的情況下，人工播種費、種子費、人工采摘費等都將得到有效節(jié)約，同時種植規(guī)模的擴大以及產(chǎn)量和質(zhì)量的同步提升，使得棉花種植生產(chǎn)經(jīng)濟效益大幅增加。

2 拖拉機自動導(dǎo)航關(guān)鍵技術(shù)

2.1 動態(tài)定位技術(shù)

GPS動態(tài)定位方式有單點動態(tài)定位法以及實時差分動態(tài)定位法兩種，前者是由安裝在拖拉機上的GPS信號接收機對拖拉機運動軌跡進行描繪，其在豎直以及水平方向的定位精度一般在22 m與13 m左右，并不能滿足拖拉機自動導(dǎo)航駕駛的精度要求，故而該方法在拖拉機GPS自動導(dǎo)航無人駕駛系統(tǒng)中的應(yīng)用較少；而實時差分動態(tài)定位系統(tǒng)的運行則通常是由基站的GPS接收機以及移動站的接收機共同完成，二者在動態(tài)載波相位差分（RTK）技術(shù)的支持下，能夠?qū)崟r處理GPS觀測數(shù)據(jù)以及基站數(shù)據(jù)，進而實現(xiàn)準確定位。實時差分動態(tài)定位能夠?qū)崿F(xiàn)cm級別的精準定位，而且不存在明顯的延時，是在拖拉機自動導(dǎo)航中應(yīng)用極為廣泛的關(guān)鍵技術(shù)[2]。在實時差分動態(tài)定位技術(shù)中，GPS數(shù)據(jù)的收發(fā)至關(guān)重要，直接影響到定位精度，其收發(fā)情況如圖1所示。

2.2 NMEA通訊協(xié)議

NEMA通訊協(xié)議是當(dāng)前應(yīng)用極為廣泛的GPS通訊協(xié)議，其對GPS數(shù)據(jù)的傳輸格式與方式進行了統(tǒng)一規(guī)范，從而確保不同品牌以及型號的GPS接收機能夠相互聯(lián)通。在該通訊協(xié)議下，各種數(shù)據(jù)格式都得到了統(tǒng)一規(guī)范，如UTC時間、維度、維度半球、經(jīng)度、經(jīng)度半球、GPS狀態(tài)、正在使用解算位置的衛(wèi)星數(shù)量、HDOP水平精度因子、海拔高度、差分時間等，為拖拉機自動導(dǎo)航的實現(xiàn)提供了基礎(chǔ)技術(shù)支持。

2.3 大地坐標系

GPS定位數(shù)據(jù)是通過WGS-84標準世界坐標系得到的，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)信息的有效轉(zhuǎn)換，即將得到的地球上任一目標的絕對位置信息轉(zhuǎn)換為目標地所在的用戶坐標。目前中國地圖主要是采用高斯-克呂格平面直角坐標，能過實現(xiàn)經(jīng)緯度坐標與高斯-克呂格平面坐標的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)導(dǎo)航定位。在進行高斯-克呂格平面直角坐標轉(zhuǎn)換時，通常需要對投影方式、中央經(jīng)線、水平偏移量、地理坐標系、大地參考系、參考橢球體、橢球長軸、橢球扁率等參數(shù)進行處理[3]。

2.4 傳感器融合導(dǎo)航

不可否認，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)具有導(dǎo)航信息連續(xù)信號、導(dǎo)航精度高等優(yōu)勢，但是實際導(dǎo)航精度受外界環(huán)境影響極大，如果衛(wèi)星信號較差的話將會嚴重影響定位精準性，甚至可能出現(xiàn)無法定位的情況。故而在現(xiàn)代拖拉機自動導(dǎo)航駕駛中，通常是將GPS與機器視覺、慣性導(dǎo)航等其他導(dǎo)航方式相結(jié)合，構(gòu)建更加可靠的多傳感器融合導(dǎo)航方式。在該導(dǎo)航方式下，能夠獲取更加精準的實時定位信息，進而對拖拉機轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角加以控制，采取運動學(xué)模型控制、動力學(xué)模型控制、PID控制、智能控制等較為合適的控制方法，保障導(dǎo)航精準性與有效性。

3 拖拉機自動導(dǎo)航技術(shù)推廣策略

隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的不斷發(fā)展，拖拉機自動導(dǎo)航技術(shù)需要變得更加智能化，否則難以滿足實際需求。因而在推廣拖拉機自動導(dǎo)航技術(shù)的過程中，有必要凸顯其智能性、智慧性，助力現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式逐步實現(xiàn)自動化向智能化的過渡。

3.1 智慧農(nóng)業(yè)建設(shè)

積極推進“互聯(lián)網(wǎng)+現(xiàn)代農(nóng)業(yè)”行動，通過衛(wèi)星導(dǎo)航、無線網(wǎng)絡(luò)終端系統(tǒng)，發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)。沙灣縣政府積極引入社會資本，與金融機構(gòu)、互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)協(xié)作，先后投資3000萬元建成鄉(xiāng)村振興大數(shù)據(jù)中心，成立專業(yè)大數(shù)據(jù)公司，已將農(nóng)口23個數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)嵌入大數(shù)據(jù)平臺，全縣農(nóng)業(yè)初步實現(xiàn)土壤墑情智能監(jiān)測、智能自動化水肥滴灌、病蟲害自動化監(jiān)測、遠程作業(yè)機械實時定位、實時監(jiān)測、實時管理、大數(shù)據(jù)提取、信息交流等資源共享和互通。

3.2 推動農(nóng)業(yè)機械化轉(zhuǎn)型升級

在農(nóng)機購置補貼拉動下，實現(xiàn)機械化與信息化融合，新增采棉機54臺、大中型拖拉機148臺、精量播種機540臺、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)150套、殘膜回收機具385臺。截至目前，沙灣縣全縣農(nóng)機固定資產(chǎn)總值17.2億元，農(nóng)機總動力70.21萬千瓦，拖拉機保有量19826臺，各類農(nóng)機具65000臺/架，衛(wèi)星導(dǎo)航無人駕駛系統(tǒng)700多套，無人飛防機120架，采棉機214臺（其中打包機32臺），預(yù)計大宗農(nóng)作物機械化水平達到97.7%以上，縣域農(nóng)機裝備水平、作業(yè)水平和信息化水平穩(wěn)步提升，為鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略實施提供強有力的支撐。

3.3 全面推進涉農(nóng)項目

以國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范區(qū)、國家科技園區(qū)、國家農(nóng)村一二三產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展先導(dǎo)區(qū)等建設(shè)為平臺，積極推進國家農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園創(chuàng)建、農(nóng)村產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展示范園創(chuàng)建、國家第二批區(qū)域性良種繁育基地建設(shè)項目申報；繼續(xù)推進棉花綠色高質(zhì)高效創(chuàng)建項目，總投資200萬元，1000畝智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用示范基地已建成，棉花節(jié)本提質(zhì)增效邁向新水平；已全面完成沙灣縣國家145萬畝棉花生產(chǎn)保護區(qū)和50萬畝糧食生產(chǎn)功能區(qū)的劃定上圖入庫工作；全縣6.5萬畝高標準農(nóng)田建設(shè)項目實施完成。

4 結(jié)語

綜上可知，拖拉機在接入GPS自動導(dǎo)航系統(tǒng)后能夠?qū)崿F(xiàn)自動導(dǎo)航無人駕駛，進而實現(xiàn)長時間乃至夜間自動駕駛、作業(yè)質(zhì)量和效率大幅提升，能夠更進一步地發(fā)揮拖拉機在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的優(yōu)勢和作用。加大拖拉機自動導(dǎo)航駕駛技術(shù)的推廣力度，進一步推動農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機械化、自動化、智能化發(fā)展，將是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要趨勢。