农机自动导航系统在我国的发展与展望

○农业农村部农机鉴定总站 农业农村部农机推广总站 祁亚卓 侯方安

自动导航系统是农机智能化的关键性控制技术，也是智慧农业发展的基础。当前社会上开展的无人农机作业演示，基本上都是在自动导航系统上融合传感器、人工智能等技术加以改进实现的。根据不同的理论基础，农机自动导航系统有多种类型，如基于全球导航卫星系统（GNSS）的卫星定位导航系统，以及基于视觉、激光、电磁、机械、超声波、触觉等技术的多种导航系统。随着卫星系统在农业上的普及应用，基于GNSS的自动导航技术发展已经成熟，实际应用也最为广泛，是当前农机自动导航系统的代表性产品，其他类型的导航技术尚不成熟，市场上还没有满足农业生产实际需求的可靠产品。

通常所说的农机自动导航系统多是指基于GNSS的自动导航系统，这是集成高精度卫星定位、农机姿态检测、转向精准控制、障碍识别与自主避障、作业路径规划等技术于一体的综合系统，与现代农业技术相结合，对农业投入、农机作业实施精确定时、定位、定量控制，以实现农业高产、高效、高质的目标。这项技术通常被称为“无人驾驶”技术，安装自动导航系统的农机也被称为无人农机，如无人拖拉机、无人插秧机、无人联合收割机等。系统工作时，基于GNSS生成田块数字边界并进行路径规划，在田间作业过程中依靠卫星定位装置对农机进行实时位置和姿态信息采集，并通过液压阀或电机来控制转向装置，使农机自动按照设定路线行驶，其航向、位置偏差保持在一定的精度范围之内，从而减少作业行程间的重叠和遗漏，提高作业质量，也可以有效减轻驾驶人员的劳动强度。

一、外国研究起步早，普及范围广

国际上，农机自动导航系统的发展最早可以追溯到1924年美国发明的一项专利，即在拖拉机前轴安装一种机械装置实现拖拉机与犁沟的平行行走，至到20世纪80年代前，美国一直对农机自动导航技术进行研究，经过多年的发展，部分研究成果已经得到商业化应用。近年来，农机自动导航系统的快速发展则主要得益于20世纪90年代全球定位系统（GPS）的商业化应用。美国是最早将GPS应用于农机导航的国家。1996年斯坦福大学率先开发了一套安装在拖拉机上的GPS导航系统，并取得了较好的跟踪精度。此后，卡耐基梅隆大学、伊利诺斯大学通过将GPS与视觉传感器、光纤陀螺仪等相结合进行了组合导航系统的研究，推动了农机自动导航系统不断成熟。2016年美国推出了两种不同版本的无人驾驶拖拉机，即无驾驶室的和有驾驶室的拖拉机，配备了完整的感应和探测装置，能够侦测并避开障碍物，通过后台管理和调度在技术上可实现全程无人操作的农业作业，但是并没有商业化应用。目前，美国50%以上的农场将互联网与农田衔接，很多中等规模农场和几乎所有大型农场的农业机械都安装了GPS系统，通过自动导航实现联合收割机等农机的自动化作业。2019年自动导航系统在美国农机上的普及率已达到90.0%，已广泛应用在耕作、播种、施药、施肥、收获等精准农业作业中，还在引领技术创新方向。

除美国外，日本、加拿大、德国、荷兰等一些经济发达国家也都进行了基于GPS的农机导航技术研究。日本1997年就已经研发出无人驾驶拖拉机，没有方向盘，没有座位，无人操作插秧机也于2002年推向市场。2005年日本无人驾驶拖拉机已实现从机库到田间耕作地点的全过程无人操作。联合收割机群管理系统也已研发成功并投入市场，可1人可操作多台收割机，各自按确定的行走路线有序完成收割作业。这些所谓的无人农机正处于试验与探索阶段，还没有实现商业化。

二、国产化技术日趋成熟，应用规模快速扩大

我国农机自动导航系统的研究起步较晚。2001年，华南农业大学将GPS、计算机、传感器和数据通讯等技术集成，开发出无人驾驶插秧机。此后，在国家863计划、重点研发计划等项目的支持下，一些高校和科研机构开始了农机自动导航系统的研究，相继取得了一系列重大成果。但是，2010年以前，我国应用的农机自动导航系统主要以国外品牌为主，作为核心技术的GNSS主要采用美国的GPS，技术研发和商业推广的成本受限于美国，并对我国农业安全产生一定风险。2010年以后，随着北斗卫星系统的日趋完善，并开始提供区域服务，以此为契机，在引进、消化、吸收再创新的基础上，国内一些科研机构和生产企业纷纷推出具有自主知识产权的农机自动导航系统产品，打破了外国技术垄断，形成了跟跑世界先进水平的能力，使得农机自动导航系统产品价格一路下跌，从2010年一套15万元左右下降到2019年的4万元，降幅超过70%。国产农机自动导航系统的加快应用还来自于政策的支持。2013年国家农机购置补贴目录中增加了“精准农业设备”小类，对农用北斗终端进行财政补贴，2015年农用北斗终端开始在农机自动导航系统上推广应用，2016年部分省（区、市）将其纳入农机购置补贴范围，在区域性市场开始批量安装使用基于北斗终端的农机自动导航系统，2017年正式纳入全国农机购置补贴范围，农机自动导航系统的推广应用开始了爆发式增长，国产品牌市场占有率逐年提高，应用市场已经由原来的以黑龙江、新疆等大型农场为主逐渐辐射全国，并由在用农机上后加装向出厂标配发展。据统计，2010年国内只有4家企业向市场推广农机自动导航系统，当年推广数量200套，到2018年底，生产企业数量达到22家，装备总量达到近3万套。农机自动导航系统的推广应用，加快了我国现代农业发展步伐，推进了精准农业技术创新，提高了作业质量，尤其是在新疆棉花播种作业过程中，由于机采棉技术对播种直线度及行距有严格要求，农机自动导航系统的应用产生了重大社会经济效益，发挥了示范带动作用。

目前，农机自动导航系统主要安装在拖拉机上，应用于耕整地、播种、施肥、施药、收获等生产环节。作业过程中，通过对农机在田间作业过程中的高精度地理位置控制，使其按照优化路径自动行走，相对传统的人工驾驶作业方式，可减少重复和遗漏作业区的面积，能增加有效耕地面积5%以上。起垄或播种时，可以使农作物的行距、株距保持均匀，有利于农作物增产，且驾驶员无需长时间集中注意力和手动控制方向，有效降低劳动强度，并可实现昼夜作业，提高农机利用率，缓解农忙时节劳动力紧张状况。自动导航系统在插秧机、联合收割机等自走式农业机械上的应用技术也趋于熟化，已实现180°转弯调头并自动拼接行、收集视频监控和远程紧急停车等功能，开始小范围示范推广。总体上，我国农机自动导航技术不断突破，产品型谱不断扩大，已实现从旱地作业到水田作业、大规模作业到小地块作业、耕整地环节到播种、施肥、施药、收获等多个环节的发展，功能上从简单的沿直线自动行走升级到按规划路径自动行走。

在生产实践中，在标准田块低速作业情况下，自动导航系统从技术上解决了农机在田间“走得直”的问题，缓解了对机手操控技术要求高的依赖，提高了农业作业的标准化程度，已经为规模较大的农业生产经营主体所接受。但是，在我国广泛应用的农机自动导航系统仍然处于辅助人工导航阶段，实际生产中还需要有人参与，作业机具的调节与控制也要人来完成。随着农机自动导航技术创新步伐不断加快，操控自动化程度不断提高，我国完全自主行驶的无人农机创新产品相继推出，2016年“东方红”无人驾驶拖拉机研发成功，“阿波斯”无人驾驶拖拉机已在棉花春耕、春播中开展试验，“谷神”无人驾驶联合收割机在2018年“三夏”麦收中进行了作业示范，“丰疆”无人驾驶高速插秧机实现了原地掉头对行、秧盘自动提升等功能，无驾驶室的电动无人拖拉机“超级拖拉机I号”也在同年研发成功。总体上看，我国农机自动导航系统产品丰富程度、机具适用性、技术先进性等方面，基本上已与发达国家并跑。但从作业精准度、环境适应性与产业化程度上看，国内外这些称之为无人农机的产品多处于研发、试验和演示阶段，还属于概念性产品，距离大规模应用还有很长的路要走。

三、我国农机自动导航系统发展趋势

农机自动导航系统的普及应用开启了农机智能化发展的技术路径，已成为农机装备技术发展最快、应用最广、潜力最大的领域之一，正在重构传统的农机作业模式。

1.应用规模持续扩大，覆盖场景将更加丰富我国丰富的农业场景和巨大的市场空间为农机自动导航系统发展提供了有利条件。2019年我国大中型拖拉机保有量为443.9万台，按10%的普及率估计，需要自动导航系统44.4万台，产值可达310.7亿元。由市场形成的内生动力推动下，农机自动导航系统将在技术上不断突破，功能挖掘进一步深化，应用面积持续增加，应用场景不断丰富，与物联网联合构建的一体化网络导航体系，将成为农机自动导航系统发展的新领域。

2.农机操控的自动化、智能化程度将加快提升目前，农机自动导航系统的应用以AB线导航为主，随着技术上的熟化，稳定可靠的转弯及曲线控制技术将不断完善并在生产中应用，在功能上升级到按规划路径自动行走。随着5G、人工智能和云计算技术的发展，视觉识别、激光测距等多信息融合的探测障碍与主动避障技术将成为农机自动导航技术发展趋势，在智能交通、机器人领域也有诸多研究成果可以借鉴，这会使农机操控向自动化与智能化的方向不断迈进，在功能上升级到按规划路径自动行走。

3.机群编组的体系化、协同化技术将趋于成熟以卫星导航技术为核心，通过对农机总线的构建和通信，农机导航系统技术将实现机群协同作业信息获取与共享，与物联网技术联合构建一体化的多机协同导航系统，逐步实现多台同种或异种农机的网络级联，实现体系化的作业操作，创新农机集群田间协同作业模式，进一步提升农机智能化水平，也是自动导航技术应用的发展方向。

4.农机作业的精准化、标准化水平将逐步提高新一代传感器技术将成为农机自动导航系统技术升级的底层驱动力，进一步提升农机操控的自动化程度，基于GNSS、惯性传感器、机器视觉、激光雷达等多传感器融合的高精度定位、姿态测量技术，以及姿态扰动超前补偿技术将在新的市场需求中加快研发应用，系统定位、姿态测量的精度及其可靠性不断提高，农机作业质量将更精准、更标准。

四、问题与建议

经过近几年的发展，农机自动导航系统已在我国农业生产中得到了广泛应用，但是发展时间不长，其技术发展还受制于电控、液压、电子信息、机械等诸多技术领域，应用规模的扩大也在不断形成新的需求，目前存在着不少问题需要深入研究。

1.我国耕地形态复杂，应加强农田标准化建设农机自动导航系统的应用是基于对农机的精确控制，控制精度直接影响作业效果。但在实际作业时受到耕地及周边环境等多种因素的影响，农田不平整会出现较大幅度的定位偏移。因此，针对复杂农田环境下定位精度差、稳定性不高等问题，需要跟进农田基础设施配套，如土地平整和农田标准化建设等，为农机自动导航作业创造条件。

2.农机制造水平不高，应支持关键技术研发自动导航系统的功能发挥还取决于所装配的拖拉机或自走式农机的制造水平。 我国已经是世界农机制造大国，但还不是农机制造强国，国产品牌中低端产品居多，可靠性不高，无级变速器、电液控制离合器、电液双控转向器和总线技术发展滞后，液压系统、控制系统和传动系统等核心零部件依赖进口，成为我国农机自动导航技术发展的重要制约。但我国在5G、人工智能等一些现代信息技术领域与国际先进水平实现同步，甚至有的居于领先水平，可以通过智能化升级改造提升我国农机制造业水平，同时也应推动国产关键零部件技术攻关，为农机自动导航技术发展奠定基础。

3.相应政策与技术不配套，应建立配套支撑体系农机自动导航技术的快速发展，重新界定了农机驾驶和作业技术标准，如何评估和监管自动导航农机的安全性，如何评估其技术性能指标，国内尚无统一标准，与自动导航作业配套的支撑技术体系还没有构建。从发展趋势看，要推动农机自动导航的相关配套政策与技术前瞻性研究，探索创新适宜的生产模式，为农机自动导航系统发展规划路径。

4.缺乏系统思维各自为战，应加强协同创新发展农机自动导航系统产品结构比较复杂，市场上品牌繁多，美国等一些国外厂商产品技术相对成熟，品牌知名度较高，市场保有量较大，国产品牌影响力低，有价格上的相对优势。但是，尽管有购置补贴政策的支持，以目前的价格水平，在整机购置成本中的占比还是偏高。要突破单要素思维，加强系统化开发，除了硬件之外，可通过标准化软件来降低购置和使用成本。通过开发通用硬件和软件系统，多个应用场景可以使用统一的标准，传感器也可实行统一接口与标准，从“点”上的技术突破转向体系化的协同创新，实现农机自动导航系统应用效率与效益整体提升。