农机卫星导航自动驾驶技术在昌吉市的应用

李　瑞，刘　栋，夏国辉（.昌吉市农机技术推广站，新疆昌吉　8300；.昌吉市农机局）

农机卫星导航自动驾驶技术在昌吉市的应用

李瑞1，刘栋1，夏国辉2
（1.昌吉市农机技术推广站，新疆昌吉831100；2.昌吉市农机局）

摘要：文中介绍了农机卫星导航在昌吉市的使用情况，介绍了当地普遍使用的两种类型导航的组成及优缺点、使用注意事项、存在的问题及解决办法等。

关键词：农机卫星导航；自动驾驶

农机卫星导航是指在拖拉机上安装导航自动驾驶系统，通过卫星定位使拖拉机能在田间按照设定的标准行驶作业。从而使农作物的种植布局规则整齐，提高种植质量，解决人工操作过程中出现的交接行不一致，甚至重叠的现象。该项技术目前已经在整地、起垄、播种、施肥、植保、收获等许多农机作业项目上发挥着重要的作用，有着广阔的应用前景。

1　引进使用情况

自2013年该项技术引进昌吉市以来，得到广大农民的高度认可，三年来，市财政共计拿出620万元资金用于该项技术的引进推广，截至目前全市共计推广113台，其中，以拓普康System150导航自动驾驶系统为主的方向盘式81套，以“壁虎”Hemisphere导航自动驾驶系统为主的液压式32套。主要安装在60～130 hp段各种品牌的拖拉机上，这些拖拉机在春播、田管等农田作业中起到了主力军的作用，特别是在机采甜菜、机采棉花、制种玉米等的播种、中耕和植保作业中尤为突出。昌吉市2013年安装6台拖拉机，完成作业面积1 600 hm2，2014年新装73台拖拉机，共计完成作业面积2万hm2；2015年新装34套，共计完成作业面积3万hm2。

该技术的使用，一是实现了拖拉机按照设定的路线自动行驶，保证直线行驶千米偏差在2 cm内，交接行准确率达到2.5 cm，彻底解决了播种作业中出现的“播不直、交接行不等”的老大难问题，大幅提高了农机作业质量；二是提高了土地利用率。从作业效果测定，由于播行整齐，农户的地块里面播种行数都有增加，通过实地测定土地利用率平均提高4.7%；三是提高了机车作业效率。由于导航的使用拖拉机行走不再依靠机手，也不再受到光线的限制，延长了作业时间，据统计昌吉市安装导航的拖拉机年作业面积较往年增加30%左右，机手的收入也明显增加；四是减轻驾驶操作人员的劳动强度。驾驶员不需要时刻掌握方向盘盯着前进路线，而是在完成地头转弯，拖拉机行驶正常后可以随意下车活动，或者兼顾后方播种机作业情况；五是为田间后续作业储存了数据信息。按照储存的信息可以对行完成后续机械化中耕、植保、收获等作业。播种、田管质量提高了，后续的机采机收效率和质量也将大大提高，无形中也提高了产量；六是对驾驶员技术要求低，新手也能驾驶自如。春播短短十几天内一个熟练操作手的工资一般为1万多元，现在只需要雇佣一个有驾驶执照的普通驾驶员，工资只需要3000元，这样一个播种期就能节省7 000元，全年的田间管理和收获工作中单单驾驶员费用就能节省很大一笔开销。

2　两种类型导航的组成和优缺点

2.1以拓普康卫星定位为主的方向盘式自动驾驶系统

其主要组成部件有：方向盘（替换原车方向盘）、控制器（使用物理按键进行操控，可以修改设置车辆信息，调试车辆）、卫星接收机（安装在拖拉机的车顶接收基站发来信号，并精确定位出车辆当前位置）和角度传感器（拉杆式方向传感器在前驱上感应前轮转动角度信息，通过线缆向驾驶室的控制箱传输角度数据）。在具体工作时车顶的卫星接收机实时的接收基站信号并进行差分，实时地测量拖拉机的具体位置信息并传回到控制箱，控制箱将所测得的数据与设计线路进行对比，根据偏差信息将调整指令传给电动方向盘，使其实时调整，保证其按照设计路线前进。

优点：（1）适用于任何进口、国产拖拉机。由于不用改动原来车辆的隐蔽器件和油路，只需更换电动方向盘。因此做好相应品牌、车型的方向盘套筒就可安装。不存在因车型不同而不匹配的问题；（2）一套设备可多辆车共用。家中如有多款拖拉机或需要更换新拖拉机，该设备也能方便快捷移装到另一台车上。只需一个相对应车型的套筒，就能在1～2 h之间完成移装工作，使用率高；（3）安装、拆卸简单方便，无需改装车上原有的液压系统。安装和拆卸都不会对车辆有任何损坏，不需要改变车上原有的油路和电路，避免了因改装后而出现的各种液压故障以及保修问题。

缺点：选用固定式基站信号范围有限，受到限制，不便跨区作业，选用移动式基站需要另付3万元左右基站费用，价格太贵。

2.2以“壁虎”Hemisphere为主的液压式自动驾驶系统

该系统组成主要有：显示控制器（用于设置车辆作业参数，显示车辆作业状态，保存作业记录，统计并输出显示作业数据）、ECU控制器（感知车身姿态，自动控制车辆转向系统，使车辆始终准确地保持沿预定航线行驶）、液压阀（根据ECU控制器发出的命令，通过发出的指令，对方向机液压调节，使农机按规定路线工作）和基准站（为车辆上安装的北斗GNSS接收机提供RTK差分信号，提供车辆定位导航精度，使得车辆行驶路线与预设航线保持一致）。具体工作时系统通过接收基准站差分数据，实现厘米级的卫星定位，实时向控制器发送精准的定位信息。方向传感器实时的向控制器发送车轮的运动方向信息。导航控制器根据卫星定位的坐标及车轮的转动情况，实时向液压控制阀发送指令，通过控制转向液压油的流向和流量，控制车辆的行驶，确保车辆按照导航设定的线路行驶。

优点：（1）显示屏为抗反射高亮全彩色屏幕，方便用户在各种光线条件下查看和使用，屏幕显示为中文提示，便于农户识别，支持UBS接口，方便作业记录的拷贝和系统软件的升级；（2）实时液压传感器监控，紧急情况下自动退出自动驾驶模式；（3）配置便携式流动基站，便于车辆跨区作业。

缺点：（1）便携式基站可以随时按工作区域而调动，信号质量很好，但是搬运很麻烦而且需要为其供电。如果基站移动则需重定AB线；（2）安装麻烦，需要改变方向机液压油路；（3）需保持车内液压油的纯净，因此要经常更换液压油；（4）更换不同类型车需要重新定制油路管，成本较高。

3　卫星导航在使用过程中需要注意的问题

（1）基站发射天线要求架设高度不得少于12 m，以保障基站覆盖范围内信号的强度，天线15°的高度截止角范围内无连续成片的遮挡物，周围200 m范围内无较大的无线电发射装置，高压输电设备等。

（2）当拖拉机经过高压电线下时信号会受到干扰，从而影响拖拉机行驶的精度。

（3）播种时如果农具本身有安装误差，制造误差或者悬挂不当（太松或者太紧），土地不平整都会影响播种的精度（直线度或交接行）。在用导航自动驾驶播种时种床要平整上虚下实，拖拉机行走的时候左右不摇摆就达到预期的行驶精度≥2.5 cm。

（4）拖拉机液压转向系统的间隙要小，在间隙较大的拖拉机上使用导航系统时，由于电动方向盘的转向打得很大，就会影响车辆行驶的稳定性。

（5）即使不用导航作业时也要注意保养，注意保持导航控制器散热良好。液压式自动驾驶系统的油管线缆要注意防止磨损。转向液压油应保证一年一换。方向传感器在不用期间可拆下，防止磕碰。作业期来临前提前校车。每年要对导航系统进行一次升级，确保更新为最新数据。提前试作业，确保作业期间不误事。

（6）固定基站要有断电保护装置，以便发生停电时自动转换，为蓄电池供电继续工作，确保信号连续，避免因停电造成信号中断，失去导航作用。

（7）在创建新的田块时，一定要将田块名称记住，以备下一个作业环节使用。

（8）在使用导航自动驾驶作业前，一定要先检查线缆是否规整，方向传感器是否有磕碰，控制器固定是否稳定，各类插头是否松动。

4　存在的问题和解决办法

（1）导航设备价格昂贵，农民全价购置有顾虑。近3年来昌吉市所装的几个品牌导航价格均在10～12万元之间，目前国家购置补贴2～3万元，农户仍需要支付7～9万元设备费用，一般收入的农机户很难接受。解决办法：一是生产企业尽快将该项技术国产化，降低成本；二是争取地方财政给予一定的累加补贴。

（2）导航信号不稳定。拖拉机自动导航驾驶系统在昌吉市使用几年来，各种品牌的产品都存在信号不稳定的问题，特别是沙尘和阴天基站信号明显变差，接收机接收不到信号，往往是农户在播种过程中信号突然中断，农机自动驾驶失去作用，播行发生弯曲。解决办法：一是将基站发射器尽量架设在高楼空旷、周边无干扰处；二是农户在播种过程中，将农机上的换行器放下，待系统不工作时换成手动操作；三是建议导航信号和手机信号并网，实现增强信号，降低总体成本的目的（省去基站费用）。

（3）AB线设定麻烦。拖拉机必须完成一个空的来回行程才能够完成AB线的确定，明显增加了耗油成本，降低了作业效率。该现象在连片统一种植的大块田作业时不明显，在目前还是一家一户种植的农户地里面作业时特别明显，会出现每户都要确定AB线，最严重的时候播种3～4个来回就要重新设定，成本明显增加，作业效率也明显降低。建议生产企业开辟新的确定路线方式，实现拖拉机不用走完全程就能够完成AB线的确定。

（4）地头直线度不高。拖拉机刚开始行驶时起始路线经常出现绕小弯后才直线行驶。农机导航自动驾驶系统转向控制是通过GPS确定实时位置，然后通过安装在前轮轴轮上的角度传感器发送转向偏移值至控制器上，再将改正值通过电子信号控制电磁方向盘转向或电磁阀控制油路，从而保证前行的直线度。解决办法：农机入线时可先往前行驶一段路程，待车往前走直后再倒车回起点，即摆正车身，导航入线。

（5）交接行不一致。交接行指播种时相邻来回播种行之间的距离。以2膜12行机采棉模式为例，交接行要求为66 cm。解决办法：调整农具至悬挂正中，如因客观因素导致农具无法悬挂至正中或调节后仍存在交接行偏差，可通过调节GPS偏移量来解决。或者采用临时办法，将车开直至划行器画好的直线上，点击菜单—卫星—其他设置—归零，暂时将该路线交接行调好。

收稿日期：2015-07-12

文章编号：1007-7782（2015）04-0016-03

中图分类号:S233.2

文献标识码：B

doi:10.13620/j.cnki.issn1007-7782.2015.04.006