农业机械导航技术的发展与应用

王洪兵

（江苏省滨海现代农业产业园区管理委员会，江苏 盐城 224500）

近年来，现代农业的发展对于先进的农业技术提出了更高的要求，基于大数据、物联网以及人工智能等的农业机械导航技术得到了广泛应用，颠覆了传统农业经营发展理念，使得农业发展呈现出了许多新的特点。农机性能的优化，使得作业速度得到了提高，面临着更加复杂的作业环境和作业任务，传统的自动导航技术逐渐遭遇了发展瓶颈，智能农机导航技术开始受到越来越多的关注。智能农业机械导航技术是以自动导航技术为框架，引入了云计算、物联网以及深度学习等技术，能够基于多机协同与自动避障，保障农机作业安全。

1 农业机械导航关键技术

1.1 自动导航

1.1.1 全球导航卫星系统

全球导航卫星系统包括GPS、俄罗斯的GLONASS系统、中国的北斗导航卫星系统等，其中，应用最广泛的是美国的GPS。想要实现农机自动作业的精细化，要求定位数据能够达到厘米级，因此一般都是采用差分CNSS技术，借助位置已知基站测量得到的相位信息，提高定位精度。例如，罗锡文等[1]借助自主差分的方式，在东方红拖拉机上安装了基于RTKDGPS的导航系统，配合相应的导航及方向控制器，实现了自动导航和精准定位功能。

1.1.2 惯性导航系统

惯性导航系统不需要依靠外部信息的支持，而是能够借助航迹实现对于农机位置及姿态的准确获取。在惯性导航系统中，最为关键的设备有三种：一是陀螺仪，分为机械陀螺仪（精度高、维护难度大、成本高）、光纤陀螺仪（精度高，灵敏度、可靠性好，成本高）以及微机电陀螺仪（体积小、能耗低、精度低）。考虑陀螺仪本身存在的漂移误差以及容易受温度变化影响的特点，需要做好变化的补偿工作。二是加速度计。加速度计本身的偏差稳定性优秀，在遇到冲击或者振动的情况下，依然可以保持较高的计算精度，因此在惯性测量系统中，有着非常广泛的应用。三是磁偏计。磁偏计在实际应用中，会受到地磁场变化以及周边环境中磁效应的影响，需要做好相应的磁场映射校准工作，尽可能降低环境带来的干扰[2]。

1.1.3 机器视觉导航系统

机器视觉导航能够获取各种各样的数据信息，即便是在信号遮挡的环境中，又或者面对形态不规则的地块，也能够保证导航的效果。在使用时，一般会在农机上安装视觉传感器，采集周边环境信息，配合信息预处理和作物行检测工作，规划最佳的行进路线。现阶段，机器视觉导航系统已经在很多农业机械中得到了应用，如农药喷施设备、自动除草设备、自动收割机等。不过结合实际应用情况分析，受复杂农田环境的影响，图像采集欠缺稳定性，容易出现信息缺失、成像模糊等问题，在后续发展中，需要继续提升技术的鲁棒性[3]。

1.2 智能导航

1.2.1 自主避障

自主避障技术属于智能化导航技术，可以确保农机在复杂农田环境中，通过传感器实现对于障碍物的检测和识别，规划合理的行走路线，实现对于障碍的精准规避。自动避障技术使用的传感器类型有很多，如激光雷达、毫米波雷达、超声波阵列等，它们有着各自的优点和不足，在实际应用中需要结合农田环境、作物类型和定位精度需求等进行选择。

1.2.2 多机协同

多机协同导航系统包含了主机、从机和远端服务器。主机可以对作业进行引导，从机能够接收主机及远端服务器传输的任务指令，配合主机完成导航工作[4]。

2 农业机械导航技术发展

2.1 定位技术引入

农业机械导航中，定位技术采用的主要是GPS技术和北斗技术，能够在提升定位精度的同时，对作物生长条件进行分析，收集农田环境数据，在结合GIS技术的情况下，还可以就农田区域内土壤营养状况进行分析，为作物品种的选择提供参考依据。另外，配合相应的土壤肥力分析，可以为施肥和除草提供指导，依照不同地块对于不同养分的需求，实现精准施肥，减少浪费现象。实际应用环节，一般会将天线设置在农业机械顶部，这样电台能够对参考站发送的信号进行接收，实现RTK解析，获取的定位信息则会被技术传递给电控单元。在合理应用定位技术的情况下，也能够实现对农业机械的远程操作和控制，进一步提升农业机械作业的机械化和智能化程度[5]。

2.2 传感液压技术

通过传感技术和液压技术的相互结合，能够实现农业机械的智能化控制，也可以为自动化无人化运行提供技术支持，如自动化播种、自动化施肥、自动化喷药等。农业现代化发展中，传感技术的应用，可以帮助农业技术人员智能管理监测作物的生长情况，收集整理各种数据信息，打造出完善的数据库，为后续的农业生产以及农业管理提供数据信息支持。例如，在对农业机械进行推广时，可以在播种机、施肥机、收割机等设备上，安装传感器装置，利用传感器获取温度、水分等，提升农业生产的科学性。而在对机械液压部分进行有效控制的情况下，合理运用导航技术，能够为农机行进规划出科学路线，实现农业生产的智能化。以拖拉机无人驾驶为例，在开展整地、播种等作业的过程中，能够将定位精度控制在2 cm以内。

2.3 智能信息技术

智能信息技术能够推动生态化管理的顺利实现，有研究指出，在开展农业生产的过程中，想要合理运用农业机械导航技术，将技术的作用充分发挥出来，需要改革现有的农业生产方式，实现农业生产的规范化。在传统农业生产中，引入智能信息技术手段，以更好地迎合信息化时代农业发展的现实需求，提高农业机械的运行效率，降低生产成本[6]。农业机械本身的作业效率会受到与定位技术结合程度的影响，在合理运用GPS技术或者北斗技术的情况下，可以分析农业机械在实际运行环节的性能发挥情况，尤其是在面对大规模农场化经营的情况下，农业机械导航技术的重要性将会更加凸显。就目前而言，农业发展的主流趋势是现代化农业和智慧农业，针对传统农业发展中技术陈旧引发的生产效率低下的问题，可以运用智能信息技术，加速信息的共享和使用。智能信息技术实现了对水、肥料和药物用量的精准控制，避免浪费的同时，也很好地保护了农业生态环境，促进了农业生态化水平的提高。可持续发展理念不断深化背景下，在未来相当长的一段时间内，农业发展的重心都需要关注生态问题，农业机械的应用同样必须强调生态化管理，在合理利用智能信息技术的情况下，一方面能够实现农业生态环境保护的相关目标，另一方面也可以为农业生态化管理提供良好保障[7]。

3 农业机械导航技术应用

农业现代化发展中，农业机械导航技术得到了较为广泛的应用，主要体现在以下几个方面。

3.1 土壤环境监测

从发展智慧农业的角度，作物的种植必须做到适应气候、适应区域、适应地块，为了能够提高作物的品质和产量，在选种和播种前，必须做好农田区域环境的全面分析和监测工作，明确土壤的肥力、含水量、土质等，结合科学的技术参数，选择农作物的品种以及种植方式。传统农业生产中，虽然也会勘察分析土壤环境，但是人工勘察的方式存在着数据信息不完善、勘察结果不准确的情况。以农业机械导航技术为支撑，可以获取准确全面的土壤信息以及采样位置信息，并且将两者结合起来，形成农田区域内土壤肥力的分布图，为翻耕、施肥提供指导，更能够收集整理土壤水分和化学结构信息，保障作物的种植能够真正做到“因地制宜”。例如，在施肥前，可以借助农业机械导航技术，从采样点采集土壤样本，对样本进行编号并检验，将检验结果与采样点位置信息逐一对应，确定哪些区域相对贫瘠，哪些区域存在土壤板结现象，保障整体和施肥工作实施的有效性[8]。

3.2 作业质量控制

传统农业生产中，存在着农机作业监管不到位的问题，现代化技术手段没有能够被有效应用到实践中，农业机械化发展的水平受到了很大限制，在欠缺集约化监管的情况下，很容易出现农业机械作业质量不佳的情况，影响农业生产的效果。农业机械导航技术的应用，可以在很大程度上提高对农机作业的监控能力，其所具备的感知单元如传感器、摄像头等，能够对农机在完成农业生产任务过程中的作业质量进行监督管理，搭配科学的后台算法，也可以完成对作业区域面积的实时统计，为农业管理提供可供参考的依据。

3.3 肥料用量控制

在合理利用农业机械导航技术的情况下，能够明确地块土壤养分状况，配合GPS定位以及计算机控制来实现科学施肥，依照地块的养分分布以及种植作物的类型，选择不同的施肥量。对比传统的人工施肥方式，基于导航技术和定位技术的施肥技术不仅效率更高，而且可以减少肥料浪费的情况出现[9]。

3.4 作物生长控制

在农业生产过程中，作物的生长周期通常都比较长，而且在整个生长周期内，会受到土壤条件、天气状况、灌溉、施肥等多种因素的影响，甚至还可能遭遇病虫害，想要保障作物的产量和质量，就必须监管生长过程。但是在传统的农业生产模式下，很多时候都只能采用人工监管的方式，工作效率低，容易出现监管不全面等问题。农业机械导航技术的应用，可以通过GPS或者北斗定位技术，确认目标区域内的作物，配合传感器设备，准确监测作物的生长情况以及病虫害发生情况，为农业生产管理工作提供良好的技术支持。

以某地区智慧农业的发展为例，可以通过远程管理系统，完成对农业生产中各种农机设备作业任务的合理规划，也可以确定好机械的行进路径，由农机设备自动完成土地翻耕、施肥、播种、药物喷施以及收获工作，全程都不需要人工干预。试验阶段，采用了无人机来监测作物的生长情况，配备了智能导航系统的农机设备能够完成土壤采样、药物喷洒等的自动化操作，联合收割机也可以在自动导航系统的指引下，实现对作物的收获，整个过程参与者都可以在操作间内完成。对照人工密集型种植的方式，试验地块的产量略低，但是因为布局合理，产品的质量更高。另外，在一些粮食种植大省，农机自动导航设备已经得到了较为广泛的应用，并且取得了十分理想的应用效果[10]。

4 结语

综上所述，在农业现代化发展中，农业机械导航技术呈现出了快速发展的趋势，并且得到了较为广泛的推广应用，加速了农业的现代化和智能化发展，提高农业生产效率及农机作业质量，降低农业生产成本，在保护农业生态环境等方面，发挥出了十分积极的作用。新常态下，伴随着农业机械导航技术的推广，智能化的农机设备以及导航技术逐渐成为智慧农业发展的主流趋势，自主避障技术的应用，最大限度地保障了人机联合作业时的安全性，而多机协同作业模式则可以将机群作业的优势充分发挥出来。北斗导航卫星系统的建设和应用，带动了智慧农业的进一步发展，为保障我国的粮食安全、维持社会稳定奠定了坚实基础。