农业机械自动导航技术的分析

张雁

【摘要】    自动导航技术是农业机械自动化的关键技术，无法实现自动导航，农机自动化就难以达到较高水平。因此本文重点对农机自动导航技术进行了分析，对农机自动导航技术的关键核心技术进行了解析，仅供参考。

【关键词】    农业机械    自动化    自动导航

引言：

在发展现代农业过程中，我国的农机得到了长足进步，农机自动化、智能化水平不断提升，自动化农机已经成为一些地区规模化农业生产，提升农业发展质量的重要手段。自动化农机需要精准高效的坐标定位，因此自动导航技术在农机上的应用非常值得探索

一、农机自动化

农机自动化以电气控制为基础，通过微电子技术来实现对农业机械的控制。通常而言，是利用传感器等装置来对农业进行实时的信息采集，并通过分析采集的信息来进行实时的控制。所以一般来讲，农机自动化需要大量传感器、坐标定位装置等，还要配套自动控制系统，实现对农机运行的控制、故障监测、自动导航等。

提升生产工艺，自动化的生产设备是基础，现代农业发展过程当中，对农业机械的需求越来越高，自动化农机进一步增强农业生产效率，提升农业生产质量，而要实现农机的自动化，首先就需要实现农机坐标定位，若不能完成农机定位，很難完全实现自动化，而农机定位必然需要自动导航技术的支持。

现阶段农机自动化的核心关键点就是自动导航，如果无法通过自动导航来实现对农机的精准定位，虽然也可以对农机进行自动控制，但却没有章法。

基于自动导航技术的农机自动化能够显著提升农业生产作业效率。传统的农业生产主要依靠人力，即便农业机械化，也需要人力来操控农业机械，导致的主要问题是农业生产无法形成规模，经济效益不佳。而配备了自动导航的自动化农机，只需要很少的人力就能完成规模化的农业生产，如北美一个大型农场只需要两三个人就能实现运转，包括播种、田间管理、收获等等基本都采用自动化农机来完成。再比如德国某萝卜种植农场，场地是大棚，整地、播种、浇水施肥等种植关键环节均采取自动化农机。

自动化农机降低工作强度，特别是全自动化农机，工作人员通过相关管理软件远程设置农机运行参数，不需要到田间即可通过农机自动化作业完成农业生产工作。传统的农业机械化生产是达不到这一效果的，因为农机手必须要亲自操作农机，且需要相当丰富的操作经验才能保证农业生产效率和质量，全自动化农机则不需要。

二、农机自动导航技术

2.1典型农机自动导航

目前国内配置自动导航技术的农业机械，通常由固定参考站、车载系统两个模块来构成自动驾驶系统。其中固定参考站通常建立在田间合理位置，车载系统则是一套集成了卫星接收系统、定位系统、控制系统的综合性自动驾驶系统，其硬件部分主要包括卫星接收天线、GPS或北斗（一般采用北斗）高精度定位终端、行车控制模块（一般可由PLC作为中控，配套变频器、驱动电机等来构建）、液压阀、角度传感器等。

对于这一典型农机自动导航系统来讲，导航终端的各个硬件模块准确安装好后，先在控制器上设定好农机的行走路线，并设定好导航模式，一般有三种，即直线、曲线和环线。利用RTK基站发出的差分数据，实现高精度卫星定位，并由控制系统实时分析定位信息和角度传感器采集的实时数据，控制器基于实时数据向液压控制系统发送控制指令，自动调整液压阀液压油流量和方向，进而控制农机行进方向。

2.2农机自动导航技术解析

2.2.1 RTK

基于上述典型自动导航系统来讲，其自动导航技术，核心技术要点在于RTK。RTK即载波相位差分技术，该技术通过对量测站的载波相位观测值进行实时处理，即可实时提供厘米级精度坐标。该技术实际使用中需要两台卫星信号接收机，其中一台接收机需要安装在一个已知的坐标点上作为定位基准站，并且需要一定的数据，如基准站的坐标转换参数、高程、坐标。另外一台接收机则作为流动站，当然实际工作中流动站可能不止一台。在RTK工作过程中接收机（基准站和流动站）需要实时跟踪至少四颗卫星，并且同时接收卫星发送的信号。

基准站收到信号后会将信号转发给流动站接收机，流动站接收机接收到的信号会同时与自身接收的卫星信号在同一控制手簿中进行差分处理，从而得到流动站的坐标点。为了支持RTK的精确测量定位，国内已经建设了较为完善的CORS系统，该系统是非常重要的空间数据基础设施，可为各类用户对精度定位、快速定位、实时定位、导航等需求提供服务。

目前农机自动导航系统常用的是一种差分GNSS接收机（Piksi模块），这是一种低成本高精度单频RTK接收机，在开阔环境下经过RTK Fixed得到的动态定位水平精度可以达到2cm，垂直精度4cm。

依照RTK工作原理，流动站和基准站之间的距离越远，精度会下降，一般距离每增加1km，则水平精度和垂直精度分别下降1mm和3mm。该模块拥有配套软件，该软件用户界面开源，可由用户进行二次开发，制作符合自身习惯的用户界面。

基于Piksi模块而言，其要实现厘米级的相对定位精度，以满足农机导航需求，在RTK系统中至少需要两个模块，即两个GPS天线、2根USB线、两根陶瓷天线，两个数据传输电台，四条备用串口线、两根GPS外置高增益天线，两个接收器，两根电台线，这些硬件都有成品，直接采购即可。搭配的Console软件是一个GUI图形可视化软件，可在WIN平台上运行，并且可对Piksi模块进行硬件上的设置。硬件准备好，通过软件上的操作，搭建RTK系统。

但注意由于Piksi模块的天线需要跟踪卫星信号载波相位信息，所以对周边环境敏感，即必须要具备更好的通视条件。

2.2.2模糊航向角决策算法

当然RTK系统作为自动导航的关键，主要是为控制系统提供实时的精确坐标定位数据，用以控制系统发送控制指令控制农机行走状况。搭配好相关硬件和配件框架基本上就完成了。但是要达到控制农机自动跟随导航信息进行行走的目标，还必须要赋予控制系统相关的算法，用以执行自动驾驶控制。

從车辆自动控制的角度来讲，人通过油门、刹车、变速箱、方向盘等来控制车辆前进后退、加速减速、转向。自动驾驶就是要取消人的作用，由控制系统来控制这些部件，进而控制车辆的行进状态。仅以转向来论，人在驾驶车辆时，通过人眼观察车辆是否偏离目标路径，如果偏离就会转动方向盘，使车辆始终保持在正确的路径上，而转动方向盘调整偏差的大小概念是模糊的，但深度分析可知，驾驶员在调整方向偏差时，主要注意的是横向跟踪偏差、方位偏差和误差大小变化。因此为了使控制器能够根据导航定位信息对车辆行进情况进行控制，需要赋予控制器模糊航向角决策算法。

在该算法当中将控制器输入变量设置为方位偏差和横向跟踪偏差，输出变量设置为转向轮的期望偏角。由此分析车辆转向轮在车辆实际行走过程当中的各个姿态信息变化规律，进而预测输入量的变化范围，并对输入输出变量的值进行预设。

配置模糊控制器，该控制器的目标是控制车辆沿着预设的路径行走，这种控制器可以模拟驾驶员的思维，是适配模糊航向角决策算法的理想硬件。基于Matlab的模糊逻辑工具箱来设计模糊控制器输入输出变量隶属函数使用高斯函数，使用面积中心法来实现去模糊化过程，启动规则观察器，输入离散值，计算控制量（期望转角），由此形成可查询的输出控制表。

2.3基于RTK系统的自动导航农机使用注意事项

通过上述分析可知，由GPS-RTK系统支持的农机自动导航系统在设计开发上相对比较麻烦，而且对于用户而言，需要深度学习才能较好地掌握这种自动导航农机的操作使用。

其一，必须要学会架设基准站，基准站位置必须要在空旷且无遮挡的位置，选位是最关键的一环，要通过学习技术手册，操作说明书，科学选位，连接好线缆后，开启基准站，必须注意观察差分信号灯，绿色闪烁状态表示运行正常。基准站的位置与作业地块的距离不应超过20km。

其二，基准站架设好，再开启农机自动导航系统电源开关，至少等到半分钟，系统才能正常工作，也即在操作农机自动导航系统时，不能着急，否则可能导致操作失败。需要注意确定农机是否为正牵引，若不是，应当对农机进行偏移设置。

其三，学会操作显示器，在车载显示器上会有信号强度指示、车速指示、作业面积设置、偏差值现实、作业行等指示信息。在操作上点击任务按钮进行作业任务设置。需要在停车状态下设置一个A点，然后手动驾驶农机行驶一段距离设置B点，A和B两个点形成直线段（即设置导航为直线模式）。此时就可切换至自动驾驶模式，农机自动沿直线段行走。但在转弯点，却需要切换到手动模式转弯后再切换自动驾驶。若工作地块存在林带影响卫星信号接收，可在设定好直线段后，从地块中央开始向两边作业。

其四，若信号不佳，误差较大，可在显示屏上点按状态键，查询是否为卫星信号不佳，或是RTK基站信号不佳。若卫星信号不佳，则需要看天线是否被遮挡，附近是否存在高压线等强磁场设施设备。若为RTK基准站信号不佳，一般会提示通信模块登录不正常，此时需要检查RTK基准站，并且还要检查通信模块是否正常通信。

三、结束语

综上所述，自动导航技术在农业机械上的应用是实现农业机械自动化的关键点。当前农机自动导航技术的研究成果很多，实际应用在农机自动化上的自动导航技术，以RTK系统为典型，但该自动导航体系还存在一些问题，需要进一步研究，以增强性能和操作体验。

参  考  文  献

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