基于北斗导航的农机自动驾驶技术研究进展

2020-12-15赵霞高菊玲张志鹏

江苏农机化 2020年6期

赵霞高菊玲张志鹏

0 引言

农业精准作业与信息化引领农业机械化发展。中国自主研发的北斗卫星导航系统（BDS）在农业生产上的应用，将推进农业高新技术的发展，降低农机操作者的劳动强度，提高经济效益，促进现代农业发展[1-2]。

1 北斗导航农机自动驾驶系统结构原理

北斗导航农机自动驾驶系统主要由差分基准站和农机自动驾驶仪组成。差分基准站通过电台向外发射观测信号，将农田实际作业情况转换成数据信号；农机自动驾驶仪将接收到的数据信号进行航向、位置、速度的精确解算，驱动农机按照已设定好的行走路线行驶，达到高精度导航。

1.1 差分基准站

差分基准站由一台高性能BDS 测量型接收机、发射电台和天线组成，作用主要是发射与接收所观测到的田间作业数据。基准站有固定式和便携式之分。固定式基站电台有效广播半径在30 km 左右，适合农田集中区域，可多用户共享，购置成本低。便携式基站电台有效广播半径在10 km 左右，适合车辆跨区作业。基准站使用时可采用蓄电池或者市电供电。

为满足客户需求，实现北斗卫星导航系统的高精度定位，应采用差分技术。近年来，一些学者针对北斗差分技术进行了研究。吴建华、黄林生等[3]提出了一种适合北斗卫星导航系统的差分技术；庄皓玥、原彬[4]等针对伪距差分和载波相位差分分别进行了建模，分析计算出不同模式下的定位精度；赵一蒙[5]利用MATLAB 对BDS 测量型接收机的定位解算算法进行了仿真，得出扩展卡尔曼滤波法的定位精度高。目前差分基准站的测量误差可控制在10 mm 以内，最优测量误差可控制在1 mm 以内。

1.2 农机自动驾驶仪

北斗农机自动驾驶仪是集车载北斗卫星接收、定位、控制于一体的综合性系统。安装在农机上，主要由北斗高精度定位终端、角度传感器、液压阀、车载PC 机等组成。

北斗农机自动驾驶仪接收差分基准站传输来的改正数据，经过解算分析，获取农机当前的精确位置、方向、速度信息。利用传感器感知农机在行驶中的位姿，将数据信息反馈至PC 机中，经过精确计算，规划农机行进路径，将信息传输至北斗导航仪，实现农机自动驾驶。

2 北斗导航农机自动驾驶技术研究进展

2.1 精准农业中的北斗导航定位技术

北斗卫星导航系统（BDS）具有定位准确、可靠性高、授时服务等特点，该技术在精准农业中主要应用在智能化农机控制、精准灌溉及喷药、农田资源普查及规划三个方面[6-8]。

2.1.1 智能化农机控制

1）北斗导航拖拉机自动驾驶技术。2016 年4 月28 日，我国首款基于北斗导航的自动驾驶系统研发成功并通过鉴定[9]。该系统通过RTK 技术和自动驾驶技术，精确感知拖拉机的位姿，使拖拉机按照规划路径作业，广泛应用于播种、除草、耕地、铺膜、植保等农田重复性工作，可以全天不间断精准作业，解放了农机手，提高了作业精度和效率。

2）变量控制。精准农业变量控制理念是将农田实行小田化管理，通过收集田间作物生长及营养成分等信息，制定出相应的田间播种或施肥变量作业处方[10-12]。

3）作业监控。在北斗导航联合收割机自动驾驶系统中，加装产量检测系统，实现田间作业监控。利用地理信息系统和定位系统提供的数据，绘制农产品产量分布图，根据预估产量控制联合收割机的割幅及运行速度，进而控制收割速度及脱粒喂入量，达到最优收割效果。针对具体田块可预估出总产量的增收或减产，来年重新制定最佳农艺决策[13-14]。在北斗导航植保机自动驾驶系统加装农作物含氮量检测模块，通过监控农作物的生长态势，自主确定施药量，实现精准喷药[15]。江苏北斗卫星应用产业研究院有限公司等单位研发了一套秸秆还田监控系统。黑龙江惠达科技发展有限公司等单位自主研发了一套农机深松作业监控系统[16]。

2.1.2 精准灌溉及喷药

1）精准灌溉。采用智能化灌溉技术，可根据农作物生长需要自动进行水肥管理。通过精确控制灌溉时间、位置、水量以及成分，可以精准调整田间单元的农用水管理模式，有助于提高水资源的利用率[17]。

2）精准喷药。基于GNSS 的精准喷药技术，可利用高清摄像系统拍摄图像，得出田间虫害分布的大小、位置，指引喷药机按照设定好的高度和路线喷洒药物。若中途加药，喷药机可准确返回至上次喷药停止点，避免出现重喷和漏喷区域[18]。

2.1.3 农田资源的普查及规划

在精准农业生产中，整合使用卫星导航技术、GIS 和遥感技术，可实现田间管理的数字化、信息化。技术员利用GNSS 手持仪可采集到农田地理信息，基于卫星定位技术，能快速准确地算出工作区域面积等参数，再将这些参数反馈至导航接收机，结合田间的各种信息，生成出反映肥力、病虫害等信息的专题图和处方图[19-20]。增加了卫星导航定位模块的土壤水分温度检测仪，不仅可以检测出土壤的含水率，还可以采集到监测点的位置信息，并将水分、位置等信息存储或导出，以做进一步研究[21]。

2.2 农机自动驾驶技术

农业机械作业环境恶劣，很容易发生侧翻、打滑等现象。我国作物田块面积较小、不连贯，田埂高低不平，作业空间小，这些因素增加了农业机械的行驶难度。因此，与汽车相比，农业机械对自动驾驶技术要求更高。

早在20 世纪70 年代，国外很多专家开始研究农机自动驾驶技术。卫星导航定位技术和传感器技术是农机自动驾驶的核心技术。美国、日本等发达国家已经成功研制出农机自动驾驶产品，投入到现代农业生产中。如美国天宝（Trimble）公司的Autopilot 自动驾驶产品，目前GPS 接收机有一体机、分体机和掌上RTK,主要型号分为R3、R4、R5、R6、R7、R8，操作简单灵活，精度高。美国的O’Connor[22]等将RTK-GPS 技术运用到拖拉机上，研制出一套自动驾驶系统并进行田间试验。日本北海道大学科研人员基于机器视觉技术对装有图像传感器和图形计算设备的拖拉机进行无人驾驶试验。试验结果显示，若以0.26 m/s 速度前进，横向偏差为4 cm。日本农业研究中心的科研人员将陀螺仪、GPS 以及传感器融合在一起，基于卡尔曼滤波算法，设计出一套自动驾驶系统[23]，试验结果显示能按照设定轨迹完成自动驾驶。

我国自动驾驶技术研究起步较晚，与发达国家相比有很大差距。近年来，很多高校及研究院开展了有关农机自动驾驶技术的研究。罗锡文[24]等人研发了一套东方红X-804 拖拉机自动驾驶系统，融合RTK-DGPS 技术及PID 控制器来进行定位，并设计出一种有效的转向控制算法。当拖拉机以0.8 m/s 的速度行进时，跟踪最大横向误差不超过0.15 m，平均误差不超过0.03 m，试验证明，该系统满足实际需求。伟利国[25]等人研发了一台基于RTK-GPS 技术的XDNZ630 型插秧机自动驾驶系统，结合PID 控制法设计了一种插秧机自动对行转向控制算法。当车辆速度不超过0.6 m/s行驶时，对行偏差小于10 cm。范晓冬[26]等人研发了一套基于CAN 总线通讯的底盘自动驾驶系统，设计了一种导航控制算法，采用该算法试验，当农机以2 m/s 的速度沿半径为25 m 的圆弧行驶时，跟踪最大横向误差不超过0.36 m，平均误差不超过0.17 m。

我国在农机自动驾驶技术的研究方面取得了一定的成绩，但在自动驾驶作业精度评估指标和方法上的研究较少。