农机自动驾驶导航系统研究概况

吴小伟 史志中 王 工

1 农机自动驾驶导航系统研究概况

按照近代科学技术术语，导航定位系统的主要功能是定位、定向、测速和授时。由于能够完成导航任务的技术方法很多，所以出现了各种类型的导航定位系统，主要有以下几种：

（1）无线电导航定位系统。该系统利用多普勒效应测速，用雷达测距和测方位，用导航台定位。

（2）惯性导航定位系统。该系统是由加速计、陀螺与惯导平台、导航计算机、导航算法、补偿算法、控制显示器和供电系统等组成，它的基本原理是根据牛顿提出的相对惯性空间的力学定律，利用陀螺、加速度计等惯性元件感受运行体在运动过程中的加速度，然后通过计算机进行积分，从而得到运动体的位置、速度、方位等导航参数，是一种不依赖任何外部信息、设施或基准，也不向外部辐射能量的自主式导航定位系统，可提供完备、连续及高数据更新率导航信息。导航系统通常使用传感器探测车辆的方位角和姿态来提供辅助定位信息，这种信息包含三个参数：方位角（或称横摆角）、侧倾角和俯仰角。惯性传感器导航系统使用陀螺仪和加速度计测量车辆位置的相关信息，此类仪器设备多数含有三轴的侧倾角、俯仰角、横摆角陀螺仪和三轴的侧倾角、俯仰角、横摆角加速度计，用此方法可以得到车辆的位置和姿态信息。由于惯性导航系统存在内在信号漂移现象，为使定位信息准确，需要定位数据标定，同时此系统可作为对其他定位传感系统的补充。

（3）地形辅助导航定位系统。该系统利用地形、地物和地貌特征进行导航，是将地形图数据库、地形图匹配技术和航位推算导航技术相结合的一种精确导航定位系统。

目前，我国农机自动驾驶导航系统的研究主要集中在卫星导航系统和惯性导航系统。卫星导航系统提供精确的定位信息用来实时确定农机的位置数据，更新频率能达到10 Hz，基本满足农机行走速度的要求。惯性导航系统主要用来辅助确定农机的行走方向，可在卫星信号较差的情况下有一个缓冲的航向指引。华南农大和黑龙江八一农垦大学以及国家智能装备中心在农机导航方面都取得了一些研究成果。华南农大研发出了定位精度在5～10 cm的导航系统，但是对于机型和作业条件有一定的要求，应对高速度、高精度的农田作业还有些欠缺；八一农垦大学和国家智能装备中心研发出的导航系统模拟机能模拟农机导航，但是还没有真正应用到农机作业中去。

2 农机自动驾驶导航系统的技术支撑条件

目前，国内农业机械GPS导航自动驾驶系统虽然正在应用，但使用过程中也存在很多问题。GPS导航系统没有实现国产化，技术含量较高，设备安装及使用费用较高，影响了精准农业的机械化推进进程。GPS导航转向液压系统通过卫星定位，发出信号改变电磁阀油路的开关，使方向盘转向系统进行转向调节，而车辆的转向液压系统安装繁琐，一套系统在多台机械上的更换使用不方便，售后成本显著增加。目前，GPS导航市场还有待进一步规范，不同品牌的GPS之间有各自的通讯协议，差分信号不能通用，造成重复投资，给用户的使用带来不便，造成资金浪费。在区域条件比较复杂的地方，部分导航系统由于地理位置或遮挡物的原因，接受的卫星信号不够，导致自动驾驶系统无法正常工作。

要实现农机自动驾驶导航，需要以下技术支撑：GPS定位系统、惯性导航系统、角度传感器感应系统、农机控制系统、数据通讯系统。影响农机自动驾驶导航系统发展的主要因素是控制系统算法模型的建立，这需要很多次不同地块的试验数据进行建模分析。实现精确的拖拉机系统测向控制，需要车辆的测向速度和车轮侧滑角数据，而这些数据很难通过直接测量获得。精准农业要求实时获取地块中每个小区（每平方米到每百平方米）土壤与作物信息，诊断作物长势和产量在空间上差异的原因，并按每个小区做出决策，准确地在每个小区进行灌溉、施肥、喷药等作业，以求达到最大限度地提高水、肥、药的利用效率。精准农业要求三个精准：定时、定位、定量精准。卫星导航自动驾驶技术的不断完善和发展，为精准农业提供了必要的基础条件。

实现精准农业需要具备如下几个技术条件：一是精确的数据信息，包括土地肥力、水分以及光照条件，还有农业生产对象的实时情况，比如生长阶段、病虫害等；二是对相关信息数据进行科学分析的能力，能够得出正确的结论，并且能够提供有效的解决方案或者获得准确的实际数据；三是对农业生产对象实施精确作业的仪器及机械设备。精准农业是信息和人工智能高新技术在大农业中的微观运用。它的全部概念建立在空间差异和时间差异的数据采集和处理上，核心意图是实时测知作物（畜禽）个体或小群体或小区地块生长和防疫的实际需要，及时确定针对性投入（肥、水、药饲料等）的量、质和时机，一反传统农业大面积平均投入的作法，以获得最佳效果和最低代价。农机自动导航驾驶系统的大面积应用将为精细农业生产的全面开展奠定坚实的基础。

3 农机自动驾驶系统存在的技术问题

（1）卫星定位系统。为了增强信号接受能力和强度，需要使用双星的卫星定位系统，同时预留北斗卫星定位系统。多个系统的卫星定位系统集成在一套系统内，能够极大地提高定位精准度。即使在地理条件复杂的情况下，依旧能获得良好的定位精准度，解决山区、树林密集的农业作业区域的定位精准度差的问题；同时，能够极大地节省整套系统的使用成本，让进口产品价格及安装费用较高的问题得到解决，使农机自动驾驶技术能够得到大面积的推广。

（2）惯性导航系统。需要集成惯性导航系统辅助卫星定位系统的方向计算以及卫星信号不稳定情况下的缓冲技术。

（3）角度传感器系统。需要感知农机高速行驶下轮胎左右侧转的角度，并能及时反馈给控制系统做出方向调整反应。我国自主研发的角度传感器系统能够适用于大部分国产拖拉机，有利于整套系统与国内农机的配套安装，在农机作业地理环境比较复杂的区域，保持高速、精准的行进路线，确保作业质量和效率。同时，相关配件的自主加工也极大地降低了该套系统的使用成本，让系统更加“平民化”，解决了很多国外进口品牌传感器与国内拖拉机无法兼容的问题。机械传递的角度传感器安装便捷、更换简单，是一套独立于拖拉机液压系统之外的控制系统，能够减少多数进口产品的安装繁琐问题。

（4）控制系统。控制系统算法模型的建立，需要根据很多次不同地块的试验数据进行建模分析。根据车辆的测向速度和车轮侧滑角数据，实现精确的拖拉机系统测向控制。

（5）通讯系统。需要解决大田作业距离远造成的数据传输问题。灵活的通讯模式包括可携带式通讯模式、在手机信号覆盖的区域实现网络通讯模式，可更好地适应农业作业区域复杂的地理环境。同时，自主研发的通讯系统能够扩大GPS差分定位的距离，满足特殊区域农机作业路线长、区域广的需要。自主研发的通讯系统可以根据具体的农业作业区域的特点，合理选择通讯方式，创建独立自主的通讯差分模式，并能够兼容绝大部分的主流GPS通讯传输协议，解决了用户重复投资的问题。

4 结束语

全球卫星定位导航自动驾驶技术应用在田间作业的农业机械上，可以保证实施起垄、播种、喷药、收获等农田作业时衔接行距的精度，减少农作物生产投入成本，并使农作物的种植农艺特性优化，提高农机农艺作业质量，避免作业过程产生的衔接行的“重漏”，提高作业精度，降低生产成本，增加经济效益。同时，应用卫星定位导航自动驾驶技术可以提高农机的操作性能，延长作业时间，并能实现夜间作业，大大提高机车的出勤率与时间利用率，减轻驾驶员的劳动强度。在作业过程中，驾驶员可以用更多的时间注意观察农具的工作状况，有利于提高田间作业质量，为日后的田管和机械化采收奠定了基础。