農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)研究進(jìn)展

李榮萍

（山西師范大學(xué)現(xiàn)代文理學(xué)院，山西 臨汾 041000）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)已在我國(guó)各個(gè)領(lǐng)域得到普遍應(yīng)用，既提高了我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率，又提高了農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量，極大地助推了我國(guó)農(nóng)業(yè)農(nóng)村的現(xiàn)代化發(fā)展和農(nóng)業(yè)機(jī)械的現(xiàn)代化。實(shí)踐證明，農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)不僅改變了傳統(tǒng)耕作方式，也使信息技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到很好的融入，降低了農(nóng)民應(yīng)用機(jī)械設(shè)備的難度系數(shù)。機(jī)械設(shè)備的自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)經(jīng)常被用于農(nóng)業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)中，它能幫助農(nóng)民在工作過(guò)程中使復(fù)雜工作簡(jiǎn)單化，所以工作人員在推廣農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)的過(guò)程中，還應(yīng)不斷進(jìn)行研究和創(chuàng)新，使之能在農(nóng)業(yè)工作中得到長(zhǎng)期發(fā)展。

1 農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化導(dǎo)航技術(shù)概述

農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化導(dǎo)航技術(shù)大部分是利用地磁、無(wú)線電和激光等技術(shù)，通過(guò)接觸桿和引出線操作方法來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航具體目標(biāo)，特別是在涉及農(nóng)業(yè)機(jī)械行駛的區(qū)域埋設(shè)電纜或磁釘，以便為農(nóng)業(yè)機(jī)械提供更好的導(dǎo)航信息[1]。這種自動(dòng)化導(dǎo)航技術(shù)方法的優(yōu)點(diǎn)是可以應(yīng)用于任何路面，同時(shí)在道路環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)薄弱的情況下，如雨、冰或大雪等天氣，也可以實(shí)現(xiàn)圍欄的良好導(dǎo)航，但要注意的是，在農(nóng)業(yè)自動(dòng)化技術(shù)實(shí)際使用的過(guò)程中，由于施工成本較高，后期的工作難度會(huì)逐漸上升，工作人員要對(duì)現(xiàn)代自動(dòng)化導(dǎo)航技術(shù)作出進(jìn)一步的升級(jí)和完善，才能讓導(dǎo)航技術(shù)實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)利益的最大化。

2 農(nóng)業(yè)機(jī)械中應(yīng)用自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)的意義

2.1 減輕農(nóng)機(jī)操作人員的工作強(qiáng)度

工作人員將自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中，可以幫助操作人員不需要將時(shí)間和精力集中在農(nóng)業(yè)機(jī)械的不同操作位置上，只需簡(jiǎn)單操作即可完成工作調(diào)節(jié)。農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)不僅降低了工作難度，對(duì)工作效果的定量分析也有很大幫助，可以替代傳統(tǒng)操作人員的重復(fù)計(jì)算，在最短的時(shí)間內(nèi)得出科學(xué)數(shù)據(jù)，極大地降低了農(nóng)業(yè)機(jī)械操作人員的工作強(qiáng)度和工作風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率

傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)活動(dòng)通常需要大量的人力、物力和時(shí)間才能完成生產(chǎn)任務(wù)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的質(zhì)量也會(huì)受到一些人為因素的影響，再加上傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)耕地比較分散，土地資源利用不集中，農(nóng)業(yè)活動(dòng)過(guò)程難以持續(xù)，導(dǎo)致了工作效率低。所以在農(nóng)業(yè)機(jī)械中引入自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了整體農(nóng)業(yè)的大規(guī)模作業(yè)，從播種到收購(gòu)過(guò)程中積極使用機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)，大大提高了農(nóng)業(yè)耕種收效率。此外，在傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中，農(nóng)業(yè)操作中的人為因素經(jīng)常存在不合理性，精準(zhǔn)度較低，一旦數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)有誤，會(huì)直接影響工作人員的最終判斷。選用自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)后，就可以準(zhǔn)確地進(jìn)行播種和農(nóng)業(yè)收割數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，通過(guò)這種技術(shù)來(lái)處理許多細(xì)節(jié)問(wèn)題，可以快速提高農(nóng)作物收割的質(zhì)量和效率。

3 農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)的具體應(yīng)用

3.1 GPS定位系統(tǒng)

GPS 作為常見的全球定位系統(tǒng)，它具有三維定位和精準(zhǔn)導(dǎo)航的作用，同時(shí)也具備全天候、多方位、高精度的定位特點(diǎn)，被普遍用于陸地和航空等領(lǐng)域，對(duì)提高地球信息水平有重要貢獻(xiàn)。GPS 定位系統(tǒng)主要由三部分組成：空間系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和設(shè)備信息。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的GPS 定位系統(tǒng)大部分是由衛(wèi)星定義位置，在工作人員檢查土層厚度時(shí)，一般與GIS 系統(tǒng)結(jié)合使用，以方便記錄土層的相關(guān)情況，得出不同地區(qū)的土層質(zhì)量，并利用土層質(zhì)量分布圖，以自變量的方式及時(shí)進(jìn)行有針對(duì)性的施肥[2]。目前，由于中國(guó)農(nóng)村的耕作方式大多是集約化、規(guī)?；模栽诖竺娣e耕作的具體操作過(guò)程中，控制GPS 定位工作路線非常重要，使用GPS 系統(tǒng)可以提前規(guī)劃好耕作路線，從而可以為耕作創(chuàng)造最好的設(shè)計(jì)方法。

3.2 視覺導(dǎo)航

當(dāng)配備了GPS 系統(tǒng)時(shí)，導(dǎo)航是可視化的，導(dǎo)航周圍的環(huán)境可以直接顯示在顯示屏上，大大提高了導(dǎo)航的準(zhǔn)確性?，F(xiàn)代視覺導(dǎo)航可以收集領(lǐng)域內(nèi)部的每一欄信息，并給出該地區(qū)的準(zhǔn)確信息。通過(guò)技術(shù)人員的不斷研究，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)新，可以對(duì)農(nóng)業(yè)目標(biāo)作物的實(shí)際部分進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的精確定位，越來(lái)越多的農(nóng)業(yè)工作人員也開始使用視覺導(dǎo)航進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量。因此，需要及時(shí)對(duì)圖像采集和元素采集進(jìn)行適當(dāng)?shù)难芯亢蛣?chuàng)新，不斷完善升級(jí)自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)系統(tǒng)，才能正確地營(yíng)銷和推廣視覺導(dǎo)航技術(shù)。在過(guò)去，許多從國(guó)外進(jìn)口的視覺導(dǎo)航電感器與國(guó)內(nèi)的生產(chǎn)設(shè)備不兼容[3]。然而，這個(gè)問(wèn)題現(xiàn)在已經(jīng)得到解決，越來(lái)越多的國(guó)外視覺導(dǎo)航設(shè)備也開始大面積應(yīng)用于國(guó)內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中。

4 農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)導(dǎo)航關(guān)鍵技術(shù)

4.1 北斗技術(shù)

北斗農(nóng)業(yè)自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)主要由車載電子計(jì)算機(jī)、衛(wèi)星接收器、控制系統(tǒng)軟件和基站等部分組成。通過(guò)在農(nóng)業(yè)機(jī)械上安裝北斗衛(wèi)星，將北斗衛(wèi)星的精確位置數(shù)據(jù)信號(hào)集成到相位上，設(shè)計(jì)出機(jī)械設(shè)備驅(qū)動(dòng)線的方案，隨后綜合該部分機(jī)械或設(shè)備的信息、狀態(tài)信息、航向角信息、傳感器信息、電動(dòng)方向盤或液壓信息，通過(guò)對(duì)以上信息系統(tǒng)的控制，以實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)備的輪換，最后按照整體規(guī)劃的路徑行駛，達(dá)到完成犁地、耕地、種植和田間管理等各種工作的目的，幫助農(nóng)業(yè)工作人員做好播種、種植、田間管理等工作?，F(xiàn)如今，將農(nóng)業(yè)機(jī)械與北斗農(nóng)業(yè)自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)相融合，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守，替代某些人工操作，極大地降低了人工工作強(qiáng)度，節(jié)約了勞動(dòng)成本。尤其是隨著中國(guó)城市化進(jìn)程的加快，大量農(nóng)業(yè)人員離開農(nóng)村進(jìn)入城市，直接導(dǎo)致農(nóng)村的年輕勞動(dòng)力明顯不足，所以在新時(shí)期使用無(wú)人農(nóng)業(yè)機(jī)械可以有效解決農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力短缺的困難[4]。裝備北斗自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)的農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備可以不受時(shí)間因素的影響，能一天24 h 工作，隨時(shí)隨地進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)量，不會(huì)錯(cuò)過(guò)任何農(nóng)時(shí)。它的出現(xiàn)可以取代部分手工作業(yè)，減輕特定工人的工作強(qiáng)度，可提高50%以上的工作效率。北斗導(dǎo)航自動(dòng)操作系統(tǒng)也可以對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械進(jìn)行適度調(diào)整和精確定位，以確保工作質(zhì)量和工作精度[5]。經(jīng)過(guò)對(duì)大部分自動(dòng)化標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的檢驗(yàn)，在200 m 的測(cè)量范圍內(nèi)，通過(guò)自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)計(jì)算的直線度精度和對(duì)接線精度差距控制在2.5 cm；在800 m 的測(cè)量范圍內(nèi)，北斗導(dǎo)航桿自動(dòng)作業(yè)插秧機(jī)，直線度精度和對(duì)接線精度差距控制在5.0 cm。所以采用北斗導(dǎo)航自動(dòng)操作系統(tǒng)的農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備，可以保證現(xiàn)代農(nóng)業(yè)作業(yè)精度，準(zhǔn)確利用土地總面積，減少藥品、化肥和水資源的消耗，提高作物生長(zhǎng)發(fā)育質(zhì)量，從而提高產(chǎn)量。同時(shí)，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航無(wú)人機(jī)可以進(jìn)行農(nóng)業(yè)植保工作、農(nóng)業(yè)檢測(cè)和數(shù)據(jù)采集，具有準(zhǔn)確、高效、環(huán)保、智能等特點(diǎn)。此外，在自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)中使用的無(wú)人機(jī)體積小，重量輕，便于攜帶，方便使用，因此可以成功地融入不同的地塊和不同的作物中[6]。利用北斗無(wú)人機(jī)，對(duì)處于過(guò)渡花期的果樹進(jìn)行二次授粉，適當(dāng)提高結(jié)實(shí)率。對(duì)于農(nóng)時(shí)處理人工授粉遇到樹齡稍高，樹頂無(wú)法授粉，影響結(jié)實(shí)率的問(wèn)題，通過(guò)投入無(wú)人機(jī)進(jìn)行作業(yè)，最終效果可高達(dá)10 倍人工授粉的效率，并且沒有化學(xué)污染問(wèn)題。

4.2 車輛控制決策系統(tǒng)

車輛導(dǎo)航控制決策系統(tǒng)主要是通過(guò)科學(xué)的控制算法對(duì)車輛的機(jī)械設(shè)備進(jìn)行控制，根據(jù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工作的具體需要，自動(dòng)調(diào)整車輪方位，使農(nóng)業(yè)車輛少走彎路，按線路要求進(jìn)一步做好農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工作，提高農(nóng)業(yè)效率[7-8]。常見的車輛控制技術(shù)包括PID 控制技術(shù)，因?yàn)閲?guó)內(nèi)PID 控制技術(shù)發(fā)展較早，在農(nóng)業(yè)和工業(yè)生產(chǎn)中普遍使用，與其他控制技術(shù)相比，其發(fā)展相對(duì)完善，具有方便快捷的特點(diǎn)。如果農(nóng)業(yè)工作量發(fā)生變化，可以調(diào)整PID 的主要參數(shù)，達(dá)到滿意的控制效果?，F(xiàn)代車輛控制技術(shù)大部分被用來(lái)控制導(dǎo)航控制系統(tǒng)軟件的行為，主要是通過(guò)用數(shù)學(xué)語(yǔ)言編寫的控制標(biāo)準(zhǔn)作為導(dǎo)航控制系統(tǒng)軟件運(yùn)行的重要基礎(chǔ)。PID控制技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用前景，具有穩(wěn)健性特點(diǎn)，如果農(nóng)業(yè)車輛設(shè)備在導(dǎo)航行駛過(guò)程中的行駛路徑和原始路徑預(yù)留存在一定的誤差，這些誤差數(shù)據(jù)信號(hào)，直接通過(guò)PID 控制技術(shù)來(lái)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)導(dǎo)航，控制模塊則對(duì)誤差數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行分辨，并按標(biāo)準(zhǔn)輸出適當(dāng)?shù)穆窂綌?shù)據(jù)信號(hào)，導(dǎo)航汽車將被引導(dǎo)正確路徑行駛。利用車輛控制系統(tǒng)及時(shí)對(duì)該車進(jìn)行適度調(diào)整，以滿足農(nóng)業(yè)的需求，借助于電機(jī)推送控制模塊、液壓控制閥組系統(tǒng)控制模塊等，可以適當(dāng)將電機(jī)推進(jìn)控制系統(tǒng)軟件安裝在導(dǎo)航的方向盤上，然后使用電子計(jì)算器、電機(jī)控制器和方向轉(zhuǎn)換器來(lái)調(diào)整農(nóng)業(yè)車輛的方向?？刂茮Q策系統(tǒng)直接通過(guò)電子計(jì)算器向電機(jī)控制器發(fā)出控制指令，然后電機(jī)控制器與直流電機(jī)一起工作，根據(jù)這些指令調(diào)整車輛的速度和方向，使導(dǎo)航車輛能夠按照預(yù)先確定的路線順利行駛。

4.3 環(huán)境感知技術(shù)

環(huán)境感知技術(shù)主要使用傳感器收集周圍環(huán)境的信息，以適當(dāng)?shù)奶卣鳛榛A(chǔ)分析和處理信息，并構(gòu)建環(huán)境實(shí)體模型。在互聯(lián)網(wǎng)信息時(shí)代，傳感器類型的數(shù)量不斷增加，質(zhì)量也越來(lái)越高，同時(shí)也產(chǎn)生了許多環(huán)境傳感器信息處理的優(yōu)越方法，這對(duì)優(yōu)化識(shí)別農(nóng)業(yè)環(huán)境有很大的正面影響，越來(lái)越多的科研人員正在研究這種環(huán)境感知技術(shù)，以提升農(nóng)業(yè)機(jī)械的導(dǎo)航質(zhì)量[9]。例如，一些業(yè)界人士設(shè)計(jì)了雜草控制智能機(jī)器人，環(huán)境感知技術(shù)中的認(rèn)知系統(tǒng)就可以直接識(shí)別田間的雜草，并將其評(píng)論反饋給上級(jí)系統(tǒng)，工作人員通過(guò)技術(shù)傳遞的數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行分析、處理和清除雜草。環(huán)境感知技術(shù)在新時(shí)期還提出了一種全視覺的障礙物檢測(cè)方法，在測(cè)量技能、障礙物檢測(cè)等方面功能強(qiáng)大，能更好地幫助工作人員在短時(shí)間內(nèi)了解不同區(qū)域的土地環(huán)境。

4.4 地圖構(gòu)建技術(shù)

地圖構(gòu)建技術(shù)一般需要傳感器來(lái)收集和處理必要的信息，以構(gòu)建環(huán)境地形圖。地形圖有多種表現(xiàn)方式，包括幾何地形圖、環(huán)境信息地形圖和三維坐標(biāo)地形圖。地圖構(gòu)建技術(shù)是自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)的關(guān)鍵部分，只有通過(guò)地圖構(gòu)建進(jìn)行廣泛測(cè)量，才能精確定位土地層面問(wèn)題[10]。我國(guó)人口眾多，但人均土地極少，因此提高糧食生產(chǎn)的數(shù)量和質(zhì)量十分重要。盡管機(jī)械已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，效率明顯提高，但仍有新的技術(shù)挑戰(zhàn)，需要依靠地圖構(gòu)建技術(shù)，不斷對(duì)我國(guó)各方位的土地進(jìn)行全方位測(cè)量監(jiān)控，才能找到更多適合種植的土地，避免盲目種地問(wèn)題發(fā)生[11]。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，農(nóng)業(yè)機(jī)械與自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)不僅要進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，而且在農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展的進(jìn)程中，應(yīng)充分利用最新的農(nóng)業(yè)自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)，提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)量，增加農(nóng)民收入，助推鄉(xiāng)村振興。