联合收获机的卫星定位控制与远程管理技术应用

2022-07-14潘超然

农机使用与维修 2022年7期

潘超然

(黑龙江省农业机械工程科学研究院，哈尔滨 150081)

0 引言

近年来，我国的农业机械化产业得到了快速发展，农业生产中应用的现代化农机装备显著增多，农业机械的作业效率、可靠性、操作驾驶体验都得到明显改善，农业机械已经成为农业生产不可分割的重要劳动力。收获机是农业生产中用于农产品收获机械装备的总称，其技术先进性对于农业实际产出和经济效益影响很大，随着收获机技术的升级，联合收获机逐渐成为收获作业的主力，应用量进一步增加。为进一步提高联合收获机的作业精确性和智能化程度，将卫星定位技术和网络管理技术整合到联合收获机中，能够有效提高机械化收获质量，降低人力劳动负担，更好地保障农业生产的顺利实施。

1 联合收获机作业特征

联合收获机是在传统的单一功能收获机产品基础上发展而来的先进农机产品，其保留了收获的主要功能，并集成了作物割断、疏松、剥皮、清选、分离、存储等功能中的一种或几种，实现了一次性作业完成传统生产的多项作业任务，有效提高生产效率并减少农机作业的次数。联合收获机根据收获作物的不同可细分为多个种类，其中包括用于大田生产的谷物联合收获机、玉米联合收获机，还包括经济作物用的甜菜联合收获机、藜麦联合收获机、烟叶联合收获机等。随着农业生产面积的不断扩大，联合收获机的机型也由传统的小型小动力机械向大型大动力机械方向转变，联合收获机产品还进一步与自动控制技术相结合，在设备的自动作业、调整、故障检测等方面实现了升级，使联合收获机的操作性和驾驶便捷程度显著提升。现阶段，大部分联合收获机能够实现一次作业完成收获及收获相关的全部工作任务，如粮食收获、初步清选、收集、运输、秸秆处理等，但在实际使用过程中仍存在关键技术落后、粮食损失率偏高、故障率偏高等问题，同时联合收获机与现代化的卫星定位、大数据、网络技术等结合不够紧密，这也成为未来联合收获机发展的重要方向。

2 联合收获机定位与联网研究

随着我国《农业机械化促进法》的实施，在很长时间激励着农机科研工作的开展，联合收获机作为农业生产中的重要设备种类，对联合收获机与卫星定位及远程管理开展了大量的工作。李伟[1]等通过在联合收获机上配备GPS模块、3G无线数据传输模块和CAN总线通讯模块，研究了收获过程的测产系统，完成了联合收获机产量分布信息获取技术的软硬件设计，试验证实通过卫星定位和数据传输技术实现的测产，其室内测产相对误差小于2%，田间测产相对误差小于3%，精确度很高；宁小波[2]等对联合收获机进行了建模分析与参数关联，明确了作业参数与喂入量、损失率之间的数据关系，建立了联合收获机脱粒系统动力学模型，并结合卫星定位技术实现了联合收获机全领域作业速度自适应控制，并能对联合收获机进行远程管理与控制，有效提升了联合收获机的智能化程度；刘新怡[3]等基于北斗卫星定位系统功能对联合收获机作业路径跟踪与辅助导航展开研究，利用北斗定位模块、传感器技术、信息显示、转向控制、总线通讯等技术实现了定位与行驶检测，并实现了通过控制系统实时纠正行驶偏差，有效提升了联合收获机辅助导航的精准性。丁幼春等[4]基于单神经元PID控制技术研究了一种用于联合收获机的导航控制器，并开展了常规PID控制和单神经元PID控制的仿真及现场试验，证实了利用单神经元PID控制的联合收获机导航行驶偏差可达厘米级，完全能满足农业生产需要，为联合收获机的自动化作业提供了技术支撑。

3 卫星定位控制的应用

3.1 应用优势

3.1.1 辅助驾驶

现阶段，应用于农业生产的卫星定位技术主要包括我国自主研发的北斗卫星定位系统和美国的GPS全球卫星定位系统。近年来，北斗卫星定位系统在我国农业生产中的应用量显著增加，利用北斗卫星定位系统能够实现厘米级的农业生产卫星定位，在驾驶员驾驶联合收获机作业过程中利用配套的卫星定位导航装置能够实现作业路径的监管，驾驶员只需按照路径驾驶即可完成生产任务。

3.1.2 作业监测

在对联合收获机作业的管理中，很多地区政府及农业主管部门需要对联合收获机的作业量进行监测，以便于作业补贴的发放及作业数据的统计。利用卫星定位技术能够实时监测联合收获机的作业位置和作业状态，若将卫星定位与数据传输技术相结合，还能够将收获机在某一时刻的作业位置及作业参数等信息传输到监管系统，以便于农业管理人员及生产经营者对其进行作业监测。

3.1.3 辅助测产

利用卫星定位技术与传感器技术相结合，能够实现在作业实施的过程中同时测量农作物产量，有利于对单位面积农田实现产出的精确统计，以便于提前组织粮食收购或农业经营者提前预判经济收益。

3.1.4 便于管理

现阶段，我国的农业生产中先进联合收获机设备仍相对缺乏，利用卫星定位技术，农业管理部门能够通过智慧农机管理平台实时获取联合收获机的作业信息，并掌握联合收获机所在区域。通过与本地未收获农田的数据及周边未收获农田数据进行分析，能有效实现联合收获机的资源调配，有利于生产的顺利实施并提高联合收获机的作业收益。

3.2 应用软硬件条件

卫星定位控制主要包括两方面的技术，一是卫星定位；二是自动化控制。将二者相结合才能有效提升联合收获机的自动化与智能化程度，而要实现联合收获机的卫星定位控制，需要在软硬件两方面进行升级和优化。

3.2.1 硬件条件

要实现卫星定位控制技术，所需的主要技术如图1所示。联合收获机所需的硬件升级主要包括以下几个方面：一是改变传统的操控机械结构，利用自动换挡、电机转向、自动制动等技术替代传统的人工驾驶室结构，并对上述功能进行电控元件的相应配置，实现通过电控开关控制机械结构完成转向、换挡、制动等功能；二是在重要的控制结构处合理增设传感器等监测元件，如应用转向传感器监测前轮转角，或依靠速度传感器监测行驶速度等；三是在联合收获机内部增设卫星定位天线及相关硬件，以便于精准定位的实施；四是增设必须的环境感知硬件，例如毫米波雷达、视觉摄像头等设备，实现卫星定位控制联合收获机的过程中对周边环境的实时感知，避免联合收获机在卫星定位控制行驶的过程中出现与障碍物的碰撞，造成机械损伤、人员伤亡、财产损失等问题[5]。

图1 卫星定位控制的应用硬件条件

3.2.2 软件条件

软件方面需要满足以下条件，首先需要设计并建设卫星定位控制主系统，该系统需结合联合收获机的作业特点和作业需求，充分考虑自动控制过程关于作业模式、作业方案、人机交互、远程控制等方面的技术问题。其次，在主系统下设计相关的分系统，主要包括：1)卫星定位系统，是控制功能实现的基础，是保证联合收获机准确获取自身位置信息的关键，有利于提高作业的准确性，卫星定位系统需明确可作业条件下的最少卫星数量，并设计作业过程中当卫星信号较弱时的处置方案，充分考虑卫星定位系统引进和使用的成本，利用国产系统降低对进口系统的依赖；2)逻辑控制系统，主要用于根据不同的农田条件选择适应的作业方案，例如通过农田的边界定位信息，结合农田种植垄向等数据，自主规划作业路径，并结合农作物种植密度等数据优化行驶速度；3)人工管理系统，主要用于联合收获机的远程管理，或对于自动控制系统出现故障或作业方案选择不当时进行人工干预；4)数据记录与传输系统，主要用于联合收获机作业过程的数据记录和传输，并对重要的数据进行自动存储与分类。除上述系统外，还需要在软件建设的过程中重视系统功能的可拓展性，使其能够便捷地与视觉识别系统、雷达测距系统等相配合，实现后续功能的增加与升级。

4 远程管理技术应用

对于联合收获机的远程管理主要通过农机管理平台实现，而在实际应用过程中，可针对联合收获机的作业特点有针对性地开设专门的管理流程和项目内容，针对联合收获机可参考图2实施。远程管理技术的应用主要针对人工驾驶的联合收获机和自动作业的联合收获机两方面开展。对于人工驾驶的联合收获机，远程管理用于监管农机手的驾驶方式、作业参数、收获效率等，并通过远程管理系统实现与农机手的交流互通，将管理意见传输到驾驶室的屏幕上，提醒驾驶员及时调整作业方案。对于自动作业的联合收获机，远程管理主要是对其作业方案进行决策，调整不合理的作业参数和作业路径，并实时监管联合收获机的作业情况，查看联合收获机是否存在故障或收获质量不佳等问题，远程掌握收获效率和实际产出等数据，方便对大面积农田进行规划，并预判局部农田的工作任务完成时间，进而合理规划和调配联合收获机的后续作业任务[6]。

图2 联合收获机远程管理流程

远程管理技术现阶段的应用主要包括两方面：一是管理者通过专用的电脑实现对联合收获机作业状态的详细监管，该系统功能更为丰富，但管理过程缺乏便捷性；二是管理者通过手机移动终端实现对联合收获机工作状态的监管，APP端的管理功能相对简单，但管理实时性相对更好，当联合收获机出现作业异常或故障问题时能够在第一时间发出警示，有利于降低作业过程中的损失。总体上讲，随着近年来各地农机智慧管理平台的建设与功能丰富，对于现代化联合收获机的监管也更加便捷，农业机械的管理人员和农业经营者利用智能终端进行联合收获机远程管理的比例得到快速增加。