白衛(wèi)衛(wèi)， 孫樂明， 王戰(zhàn)洪， 李廣興， 周鵬立， 徐 培

（1.河南省舞陽縣農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)中心，河南 漯河 462000； 2.漯河市農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)中心，河南 漯河 462000；3.國家農(nóng)機(jī)裝備創(chuàng)新中心，河南 洛陽 471000）

0 引言

在農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和農(nóng)機(jī)智慧化水平不斷提升的國家戰(zhàn)略背景下，隨著定位系統(tǒng)、數(shù)據(jù)感知、傳輸分析等物聯(lián)網(wǎng)信息科技的不斷進(jìn)步，農(nóng)業(yè)機(jī)械智能化、智慧化已成為我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程中的必然環(huán)節(jié)[1-2]。截至2021 年底，我國農(nóng)用拖拉機(jī)保有量2 173.06 萬臺、稻麥聯(lián)合收獲機(jī)162.72 萬臺、玉米聯(lián)合收獲機(jī)61.06 萬臺，其中以北斗和5G 等信息技術(shù)為支撐，加裝北斗衛(wèi)星導(dǎo)航的拖拉機(jī)、聯(lián)合收獲機(jī)超過60 萬臺，不足動力機(jī)具總保有量的40%[3-4]。然而受到我國地域間農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式差異及土地現(xiàn)狀影響，智慧農(nóng)業(yè)機(jī)具在大農(nóng)場及農(nóng)機(jī)合作組織較為集中[5]。傳統(tǒng)農(nóng)機(jī)具已無法滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要，“強(qiáng)化農(nóng)業(yè)科技和裝備支撐，建設(shè)智慧農(nóng)業(yè)”已列入“十四五”規(guī)劃和2035 年遠(yuǎn)景目標(biāo)，發(fā)展智能農(nóng)機(jī)是我國農(nóng)業(yè)持續(xù)高質(zhì)發(fā)展的重要手段，智能農(nóng)機(jī)監(jiān)測設(shè)備是農(nóng)業(yè)智能化重要的實(shí)現(xiàn)途徑[6-7]。

近年來，以北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為基礎(chǔ)，以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為載體的農(nóng)機(jī)作業(yè)監(jiān)測設(shè)備不斷發(fā)展，但市場終端產(chǎn)品五花八門，質(zhì)量參差不齊，嚴(yán)重影響農(nóng)業(yè)機(jī)械智能化的發(fā)展，隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程不斷加快，結(jié)合我國農(nóng)機(jī)保有現(xiàn)狀，優(yōu)化農(nóng)機(jī)作業(yè)監(jiān)測產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，提高農(nóng)機(jī)作業(yè)監(jiān)測產(chǎn)品可靠性等刻不容緩[8-10]。為此，河南省漯河市農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)中心聯(lián)合國家農(nóng)機(jī)裝備創(chuàng)新中心等單位，在河南省農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)中心作業(yè)補(bǔ)貼項(xiàng)目支持下，開展基于北斗衛(wèi)星定位的農(nóng)機(jī)作業(yè)監(jiān)測終端面積誤差、靜態(tài)坐標(biāo)點(diǎn)漂移、軌跡偏移等技術(shù)指標(biāo)試驗(yàn)，針對解決區(qū)域內(nèi)農(nóng)機(jī)作業(yè)監(jiān)測產(chǎn)品質(zhì)量差異化應(yīng)用需求，向使用后裝遠(yuǎn)程運(yùn)維終端的農(nóng)機(jī)部門、農(nóng)機(jī)合作社和農(nóng)機(jī)個(gè)體戶提供主流農(nóng)機(jī)作業(yè)監(jiān)測產(chǎn)品可信任的作業(yè)數(shù)據(jù)，為農(nóng)機(jī)管理部門、農(nóng)機(jī)制造企業(yè)及行業(yè)發(fā)展趨勢提供農(nóng)機(jī)智能化發(fā)展數(shù)據(jù)支持[11-13]。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)地塊

試驗(yàn)地塊選自河南省舞陽縣北舞渡鎮(zhèn)農(nóng)機(jī)合作社試驗(yàn)用地，經(jīng)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(yàn)用地。

1.2 試驗(yàn)項(xiàng)目

試驗(yàn)項(xiàng)目及內(nèi)容如表1 所示。

表1 試驗(yàn)項(xiàng)目及內(nèi)容Tab.1 Test items and contents

1.3 試驗(yàn)設(shè)備

1.3.1 機(jī)器設(shè)備

以谷物聯(lián)合收獲機(jī)、拖拉機(jī)掛接旋耕機(jī)為研究對象，進(jìn)行表1 中的試驗(yàn)項(xiàng)目測定，設(shè)備信息如表2 所示。

表2 試驗(yàn)用設(shè)備信息Tab.2 Test equipment information

1.3.2 遠(yuǎn)程運(yùn)維終端設(shè)備

選擇國內(nèi)市場來自于8 家農(nóng)機(jī)作業(yè)監(jiān)測設(shè)備企業(yè)的主流產(chǎn)品，設(shè)備樣機(jī)信息如表3 所示。

表3 農(nóng)業(yè)作業(yè)監(jiān)測設(shè)備樣機(jī)Tab.3 Prototype of testing equipment for agricultural operations

1.4 試驗(yàn)方法

1.4.1 靜態(tài)CEP50/95

各終端設(shè)備調(diào)度測試完成后，將設(shè)備定位天線放置于指定位置上（該位置由RTK 提前打點(diǎn)測量），開機(jī)后靜態(tài)放置1 min 后開始試驗(yàn)，計(jì)時(shí)5 min 后結(jié)束試驗(yàn)。

1.4.2 斷點(diǎn)續(xù)傳

由國家農(nóng)機(jī)裝備創(chuàng)新中心IOT 平臺接收試驗(yàn)設(shè)備數(shù)據(jù)，正常數(shù)據(jù)傳輸中，中斷供電，10 min 后恢復(fù)供電試驗(yàn)結(jié)束[14-16]。

1.4.3 靜態(tài)作業(yè)深度/狀態(tài)

將各企業(yè)智能終端設(shè)備安裝到試驗(yàn)作業(yè)農(nóng)機(jī)，然后進(jìn)行非作業(yè)姿態(tài)標(biāo)定、作業(yè)姿態(tài)標(biāo)定、計(jì)算絕對差值。

1.4.4 動態(tài)作業(yè)狀態(tài)

由測試人員手持RTK 沿將試驗(yàn)田一周測算試驗(yàn)田面積，對各關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行定位取點(diǎn)，在試驗(yàn)田中間留白部分測算空白面積；將各企業(yè)測試智能終端設(shè)備安裝到試驗(yàn)作業(yè)農(nóng)機(jī)上，最后調(diào)試設(shè)備，測試人員以RTK為定準(zhǔn)，各企業(yè)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)定幅寬、作業(yè)深度等關(guān)鍵數(shù)據(jù)后進(jìn)行試驗(yàn)作業(yè)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 靜態(tài)CEP50/95

試驗(yàn)時(shí)間及RTK 標(biāo)定如表4 所示。表4 中試驗(yàn)場地坐標(biāo)經(jīng)緯度為RTK 8 個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，定位后將測試產(chǎn)品分別放置基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)束后對比產(chǎn)品定位與RTK 定位精度，確保試驗(yàn)可靠性，HD 由于早期設(shè)備未完成，則此項(xiàng)試驗(yàn)在下午進(jìn)行。

表4 各終端設(shè)備靜態(tài)CEP 試驗(yàn)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(diǎn)距離原始坐標(biāo)點(diǎn)大概偏移0.85 m，偏移點(diǎn)位較為規(guī)則，整體精度較低；XX 點(diǎn)位整體向西北方向偏移，中心點(diǎn)距離原始坐標(biāo)點(diǎn)大概偏移0.205 m，偏移點(diǎn)位較為集中，終端對該場景做過相應(yīng)的處理；整體精度比較高，漂移程度較低；ZN 點(diǎn)位整體向北偏移，中心點(diǎn)距離原始坐標(biāo)點(diǎn)大概偏移1.367 m，偏移點(diǎn)位較為分散；FJ 點(diǎn)位整體向東偏移，中心點(diǎn)距離原始坐標(biāo)點(diǎn)大概偏移0.474 m，偏移點(diǎn)位較為分散，定位精度較高且漂移程度中等；YB 點(diǎn)位整體向西北偏移，中心點(diǎn)距離原始坐標(biāo)點(diǎn)大概偏移0.1 m，偏移點(diǎn)位較為集中且點(diǎn)位較少，終端對該場景做過相應(yīng)處理；定位精度較高且漂移程度較低；NL 點(diǎn)位整體向東偏移，中心點(diǎn)距離原始坐標(biāo)點(diǎn)大概偏移1.342 m，偏移點(diǎn)位較為集中且點(diǎn)位較少，終端對該場景做過相應(yīng)處理；定位精度較低且漂移程度較高；LM 點(diǎn)位整體向東南方向偏移，中心點(diǎn)距離原始坐標(biāo)點(diǎn)大概偏移0.772 m，偏移點(diǎn)位較為分散；整體精度比較低；HD 點(diǎn)位整體向西南偏移，中心點(diǎn)距離原始坐標(biāo)點(diǎn)大概偏移0.783 m，偏移點(diǎn)位較為集中；定位精度中等且漂移程度較高。

圖1 靜態(tài)測試平臺結(jié)果Fig.1 Static testbed data

表5 靜態(tài)CEP 試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Static CEP test results

2.2 斷點(diǎn)續(xù)傳試驗(yàn)

斷點(diǎn)續(xù)傳功能確保了設(shè)備在復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境中能夠完成作業(yè)數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)，結(jié)果如表6 所示。

表6 斷點(diǎn)續(xù)傳試驗(yàn)結(jié)果Tab.6 Experimental results of breakpoint continuation

由于產(chǎn)品應(yīng)用推廣的使用對象及應(yīng)用場景不同，斷電續(xù)傳功能的完善顯得由為重要，避免設(shè)備在使用過程中由于農(nóng)業(yè)環(huán)境等引起的數(shù)據(jù)異常，由表6 可知，除LM 外未能識別外均能在斷電、恢復(fù)后繼續(xù)上傳數(shù)據(jù)，LM 分析設(shè)備調(diào)試或數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議發(fā)生錯(cuò)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(jī)作業(yè)試驗(yàn)

2.3.1 靜態(tài)深度試驗(yàn)

試驗(yàn)農(nóng)機(jī)初始RTK 標(biāo)定數(shù)值如表7 所示。

表7 拖拉機(jī)掛接旋耕機(jī)RTK 初始標(biāo)定Tab.7 Initial calibration of RTK of tractor mounted rototiller

由表8 和圖2 可知，NL 和ZN 作業(yè)變化量相對準(zhǔn)確；BD 圖中曲線表現(xiàn)為抗抖動性較差，作業(yè)變化量相對準(zhǔn)確；XX 與YB 終端監(jiān)測的變化量與實(shí)際變化量差距過大；FJ 零點(diǎn)標(biāo)識錯(cuò)誤，姿態(tài)變化趨勢和實(shí)際姿態(tài)變化趨勢相反；HD 與LM 未能有效監(jiān)測到機(jī)具姿態(tài)的變化。

圖2 旋耕機(jī)智能終端靜態(tài)深度測試Fig.2 Static depth test chart of intelligent terminal of rotary tiller

表8 靜態(tài)深度試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.8 Static depth test data

2.3.2 動態(tài)作業(yè)試驗(yàn)

由表9 和圖3 可知，NL 和XX 作業(yè)狀態(tài)識別準(zhǔn)確，試驗(yàn)地塊地頭部分進(jìn)行了區(qū)分，其余識別不準(zhǔn)確但其中YB 試驗(yàn)地頭進(jìn)行了區(qū)分；作業(yè)軌跡平均偏移來看多數(shù)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(shù)面積誤差集中在±3%以內(nèi)，ZN、HD、YB 和LM 面積誤差分別為4.06%、13.42%、35.6%和-47.76%；作業(yè)點(diǎn)上頻率除HD 為5s/次外，均為2s/次。

圖3 作業(yè)監(jiān)測終端動態(tài)試驗(yàn)情況Fig.3 Dynamic test of operation monitoring terminal

表9 作業(yè)監(jiān)測終端動態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.9 Dynamic test data of operation monitoring terminal

2.4 聯(lián)合收割機(jī)作業(yè)試驗(yàn)

2.4.1 靜態(tài)深度試驗(yàn)

試驗(yàn)農(nóng)機(jī)初始RTK 標(biāo)定數(shù)值如表10 所示。

表10 收割機(jī)RTK 初始標(biāo)定Tab.10 Initial calibration of harvester RTK

由表11 和圖4 可知，NY、HD 標(biāo)零點(diǎn)數(shù)據(jù)回傳不準(zhǔn)確或未標(biāo)零，與實(shí)際高度有一定差距；BD 作業(yè)變化量相對準(zhǔn)確；XX、YB 作業(yè)高度變化監(jiān)測準(zhǔn)確；ZN、FJ 與實(shí)際變化量差距過大；LM 終端未能有效監(jiān)測到機(jī)具姿態(tài)的變化。

圖4 聯(lián)合收割機(jī)智能終端靜態(tài)深度測試Fig.4 Static depth test of combine intelligent terminal

表11 靜態(tài)深度試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.11 Static depth test data單位：cm

2.4.2 動態(tài)作業(yè)試驗(yàn)

由表12 和圖5 可知， NL、LM 和YB 作業(yè)狀態(tài)識別準(zhǔn)確，試驗(yàn)地塊地頭部分進(jìn)行了區(qū)分，其余識別不準(zhǔn)確，并且試驗(yàn)地頭進(jìn)行了區(qū)分；作業(yè)軌跡平均偏移半數(shù)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(shù)面積誤差集中在±3%以內(nèi)，LM、HD、ZN 和FJ 面積誤差分別為-11.43%、-16.77%、-23.57%和-24.54%；作業(yè)點(diǎn)上頻率除HD 為5s/次外，均為2s/次。

圖5 作業(yè)監(jiān)測終端動態(tài)試驗(yàn)情況Fig.5 Dynamic test of operation monitoring terminal

表12 作業(yè)監(jiān)測終端動態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.12 Dynamic test data of operation monitoring terminal

3 結(jié)束語

靜態(tài)CEP 試驗(yàn)，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(yè)皆超過0.5。旋耕機(jī)靜態(tài)深度試驗(yàn)，ZN、XX終端與實(shí)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(jī)靜態(tài)試驗(yàn)，XX、YB 終端與實(shí)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(jī)動態(tài)試驗(yàn)，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(jī)作業(yè)試驗(yàn)，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(jī)作業(yè)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(jī)作業(yè)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(shù)據(jù)結(jié)論表明，相同大田試驗(yàn)環(huán)境中不同終端對于不同試驗(yàn)項(xiàng)目有不同的數(shù)據(jù)表現(xiàn)，實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)使用需要，選擇優(yōu)勢數(shù)據(jù)表現(xiàn)產(chǎn)品作為作業(yè)監(jiān)測設(shè)備使用。由于參試終端樣本局限性及科技水平不斷發(fā)展造成研究有更深一步的可能性，從應(yīng)用推廣層面討論，如何在復(fù)雜的農(nóng)業(yè)環(huán)境中確保終端產(chǎn)品定位精準(zhǔn)度、作業(yè)面積誤差及數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃缘仁沁M(jìn)一步重點(diǎn)研究方向。