基于导航平台的无人农场关键技术分析

张居正，王 意，谢东升，俞金金，韩连杰

（扬州大学机械工程学院，江苏 扬州225127）

0 引言

在农业劳动力大量转移的情况下,全国农作物耕种收综合机械化率由2003年的33.5%提高到2019年的70%，农业机械化水平达到了一定的高度，无人农场应运而生。无人农场是指劳动力不进入现场的农业生产条件下，利用物联网、大数据、机器人的人工智能、5G等新一代信息技术，通过对农用设施、设备进行改造，机械的远程控制或智能设备与机器人自主决策、自主操作，完成所有农场生产经营任务的一种无人全天候、全过程、全空间的生产作业模式[1]。伴随着我国的科技发展，农具的转型升级成了必然趋势。近年来，我国的农场已使用了许多类型的农业机械，例如，铧式犁、旋耕机、圆盘耙、深耕机、播种机、联合收割机、喷雾器以及秸秆破碎还田机等。这些农机具功能单一，以稻麦耕播阶段为例，一般要使用施肥旋耕机、镇压机、开沟机和喷杆喷药机组合使用，拖拉机下地多次，大大影响了作业时长，不利于争夺农时，严重影响下茬作物的生长。导航无人驾驶技术作为无人农场智能农业装备的核心技术，在我国农业领域应用多传感器组合定位技术的研究很少，但在工业、航空、智能交通等领域的相关研究已达到较高水平[2]。将智能化技术与现代农机具相结合成为目前无人农场发展的关键。本文主要介绍基于导航的无人驾驶技术、农机具升降起停关键技术和复式作业技术。

1 基于导航的无人驾驶技术

目前，在除美国GPS、伽利略卫星导航系统（EU）和俄罗斯全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System）以外的所有定位系统中，我国自主研发的北斗卫星导航系统已成为世界主流定位系统之一，我国农业中许多关键技术就由北斗和GPS提供技术支持。

1.1 单点定位

单点定位是根据接收机的观测数据确定接收机位置的一种方法。它只能采用伪距观测量，可用于一般的车辆和船舶导航定位，也称为“绝对定位”。定位结果通过卫星信号传送给用户，而用户则需要利用手中的GNSS接收机接收并解算得到结果。定位误差在10 m内。在接收过程当中，可能存在与传播路径、接收设备和卫星有关的错误。利用差分技术，可以完全消除第一类误差和第二类误差[3]。

1.2 差分定位

利用差分原理（DGNSS），可在参考站上安装GNSS接收器以进行观测。从基站到卫星的距离校正可以从基站已知的精确坐标计算出来，基站将实时传输这些数据。用户接收机将同时进行GNSS观测并接收基站发送的校正数据，用于校正定位结果，从而进一步提高定位精度。定位误差在250 cm以内。采用实时动态控制（RTK）技术，误差可控制在10 mm以内。

1.3 角度传感器

农业机械导航自动驱动系统需要了解转角状态。目前常用的角度传感器有机械式和非接触式两种[4]。

机械式角度传感器目前应用较为广泛，主要由霍尔传感器及机械部件与数据接口组成，目前角度传感器的安装主要有平行四边形与同轴式两种，一般电机式的北斗导航农机自动驾驶仪主要安装在自走式的农机上，为了增加农机的适应性，以平行四边形的角度传感器应用更为普遍，但这种传感器对转向系统的空间提出了一定的要求，主要是平行四边形机构与车轮及转向系统容易发生空间上的干涉，实际安装时需要不断调试。对中要求高、适应性差也是同轴式的传感器仍然面临的问题。由于机械式角度传感器的信号来源均为与车轮转轴的刚性连接，一旦发生磕碰或拆卸等状况造成传感器部件与初始标定状态不一致，角度传感器均需要进行重新校正和标定。机械式角度传感器可以满足自动驾驶系统对于车轮转角的测量要求，但是存在稳定性差且易受外界干扰的问题。

非接触式角度传感器由MEMS陀螺仪作为主要元件。陀螺仪作为一种对角速率敏感的惯性器件，具有稳定性好、磁干扰小、灵敏度高等特点，在性能上呈现出多样化和稳步提高的趋势。从而为解决传统角度传感器在角度测量中存在的缺陷开辟了一条有效、可靠的途径[5]。在安装方面，非接触角传感器没有拉杆结构，易于安装。系统利用卡尔曼滤波器融合单轴陀螺测量的角速度数据和运动学模型计算的角度数据，实现对转动角度和转动角速度的跟踪。由于传感器与车轮转角只有角速度跟踪而无绝对的数值对应关系，因此非接触式角度传感器一般安装后无需调试校正。陀螺仪角度传感器的运用，极大的提高了车辆前轮转角测量的精确性和稳定性，有效地克服了使用传统角度传感器进行转角测量时的缺陷，为农机自动驾驶系统在多种环境下的普及使用奠定了基础，具有广阔的应用前景。

2 农机具升降起停关键技术

拖拉机是农田作业单元的动力源，了解拖拉机各部件之间的联动关系对正确支撑农业机械、发挥单元潜力非常重要，与拖拉机性能有着直接的关系，液压悬挂系统、液压输出系统、液压控制系统、机械连接件、动力输出系统、配重系统等[6]。

2.1 液压悬挂系统

悬挂机构是连接拖拉机和农具的连杆机构，是用液压动力来提升农具，主要由拉杆、提升杆、拉杆和限位杆组成[7]。液压悬挂系统在使用中需满足一定的要求。在使用诸如犁和耙子之类的工具时，限位杆应确保一定程度的运动距离。限位杆的移动量必须根据农具的作业形式进行选择，以确保拖拉机具有良好的机动性与可操作性；使用旋耕机和割草机时，限位杆应保持固定。

2.2 液压输出系统

拖拉机液压输出系统是为支撑农业机械的液压缸和其他压力源而设计的装置，它把拖拉机液压系统的压力油转移到农业机械的液压缸或液压马达上。是用以驱动农机具作业的工作部件。根据作业的需要，有的拖拉机仅用1组液压输出装置操纵农具，有的拖拉机特别是大型拖拉机则设有2～3组液压输出装置。液压输出装置由液压输出阀和快换接头两部分组成。两者可做成一体，也可分成独立的两部分，彼此用油管相连。

2.3 机械连接件

连接拖拉机与农具的主要部件由机械连接件构成，其中包含拖挂装置和牵引装置，二者之间主要不同点在于，牵引装置只能承受来自水平方向的载荷，而拖挂装置则可同时承受来自水平方向载荷以及垂直方向的载荷。

2.4 动力输出系统

一些农具需要拖拉机动力才能通过输出设备提供专用电源，该输出设备可以配备独立的同步双速或单速功率输出。一个独立的动力输出系统不需要改变变速箱的速度。同步功率输出系统与变速箱的速度成比例。专用手柄可以切换两种形式。根据不同的用户需求，动力输出速度可以分为540、720、800、1 000 r/min，其中一种或两种组合，使用特殊的专用手柄或更换轴头可以实现速度切换，说明书中提供了特定方法以供参考。根据国标，当动力输出轴转速为540 r/min时，机器动力输出轴的功率高于最大传动功率，因此轴传递的功率不是发动机的全功率。因此，使用时必须减小发动机油门[8]。

2.5 配重系统

拖拉机在正常使用过程中不需要进行负载平衡即可工作分配，对一些负载较大的拖拉机进行牵引或运输工作时，拖拉机通常会出现前轻后重的不稳定状态，此时往往需要安装在拖拉机上才能实现整体平衡，而这种情况在拖拉机上很常见拖拉机工作时，需要在车架重量上安装配重等工作条件。配重系统能更好地发挥拖拉机和农具的驱动力，并能根据不同的农具和工况增减零件。配重不当会对拖拉机产生负面影响，如配重过少会导致轮胎打滑、动力损失、轮胎磨损、油耗增加、生产率降低；超载运行、传动系寿命缩短、动力损失、轮胎加速磨损、土壤压实等，燃油消耗增加和生产率降低是配重过大的主要原因。

3 复式作业技术

如今，我国农村经济发展迅速，农业机械化也进一步普及，但稻米，小麦，玉米等农作物秸秆的有效利用率却急剧下降。有无数被废弃或焚烧的废弃秸秆,污染了环境，造成资源浪费,对人们的生活和交通安全都造成了负面影响,而寻找农作物秸秆的出路成为了当下急需解决的问题之一。目前，我国使用的整地机械为单驱动圆盘犁、铧犁和旋耕机，作业程序单一，无秸秆掩埋功能，作业效率低，作业成本高，田间拖拉机多，易使土壤硬化，从而直接影响农民的耕作效益[9]。同时，播速播深播量调节、复式作业等一系列技术措施，高质量施行于各个播种环节，才能实现耕播环节的精准、高效。

3.1 秸秆深埋技术

我国对旋耕灭茬机的研究起步较晚。目前，我国经过半个多世纪的研发、生产、制造，形成了集研发、设计、制造、促销、售后服务为一体的成熟产业链。中国有100多家旋耕机生产企业，年产量超过50万台[10]。目前，国内的旋耕机大多采用单轴旋耕技术。由于单轴旋耕机转速低、旋耕深度小，受旋耕机回转半径和功率消耗的限制，秸秆不能被粉碎和深埋。耕作深度不能将大量前茬秸秆掩埋在土壤中，导致耕作层中秸秆与土壤的比例高，表层土壤与草类的比例失调，悬空土壤，影响种子发芽和生长，从而导致产量下降和其他问题，这对于后续种植增加了极大的困难。旋耕机械以宽幅、高效、深松、水气一体化、机械电子化、自动化、可持续发展为方向是适应旋耕地的需求。当前，随着中国水稻种植面积的增加和集约化大规模生产的发展，有必要研究更广泛的旋耕机械。同时，为了加厚土壤成熟热层，提高土壤透气性，增加持水能力，满足马铃薯和根茎类作物深耕的要求，还必须加快发展深耕旋耕机[11]。如今温室大棚技术已经成熟并被普遍投入使用,室内作业微型高效旋耕机的研发成为了一大研究热点。此外，旋耕机应该结合新技术，向智能化定位控制作业迈进。

3.2 种子定位控深匀播技术

随着国外中耕作物精量播种的普及，其排种器产生了机械式与气力式两个分类。由于机械式对种子的形状和大小有着严格的要求，逐渐被气动式所取代[12]。螺旋槽轮式播种的应用可提高播种均匀性。同时，精准农业的发展，使智能化农机装备研制速度加快，在播种机上安装变量施肥播种设备，有效提高产量，并且减少化肥用量。传统的播种机排种器以排种管为导向，在排种过程中碰撞种子落到地面和排种管，并对其轨迹进行控制，产生种子质量差、种子分布不均、破损、出苗等问题，将这种传统播种方式转变为高度可调的智能播种方式已逐渐成为研究方向[13]。在拖拉机运行时，可以根据行进速度调节播种速度，并将播种记录传输到控制端，记录播种信息，生成播量速度曲线，为后续田间大数据管理提供决策信息。

3.3 模块化的高度复式作业技术

我国人均耕地数量少，主要以提高单位面积生产能力来保障粮食供给，近年来，随着农业生产规模的不断扩大，拖拉机单机动力级别正在快速提高，各农机合作社都在发展高效、联合作业技术。市场要求农业机械大型化、多功能化，作业速度提高，辅助工作时间减少，机具的操作和调控实现智能化和自动化，从而提高机组的作业效率，这正是农业机械今后的发展趋势。农业机械化新技术、新设备的推广应用，可以促进农业生产效率的有效提高。依据农作物的秸秆还田与耕整地技术的特点进行分析,复式作业机技术的模块化技术是将上述装置通过模块化组装在一起,从而达到对结构与性能的优化,提高性能,一次完成多道工序作业,提高了整机的有效技术含量[14]。

4 结语

现如今，科技迅猛发展，智能化农机也进入大众关注的视线中。我国对智能农业机械的研究还处在起步阶段，与发达国家相比仍有不小的差距。然而近几年，在北斗导航系统的加持下，在国家政策的鼓励下，越来越多的人投身现代农机具的研发工作中。向全国推广智能农业机械将弥补1.78亿的农业劳动缺口，同时释放大量的农村劳动力，催生出新的产业用工结构优化。