农业机械自动导航技术研究进展

李荣萍

（山西师范大学现代文理学院，山西 临汾 041000）

随着社会经济的快速发展，自动导航技术已在我国各个领域得到普遍应用，既提高了我国农业生产的效率，又提高了农产品的产量和质量，极大地助推了我国农业农村的现代化发展和农业机械的现代化。实践证明，农业机械自动导航技术不仅改变了传统耕作方式，也使信息技术在农业生产中得到很好的融入，降低了农民应用机械设备的难度系数。机械设备的自动导航技术经常被用于农业的实际生产中，它能帮助农民在工作过程中使复杂工作简单化，所以工作人员在推广农机自动导航技术的过程中，还应不断进行研究和创新，使之能在农业工作中得到长期发展。

1 农业机械自动化导航技术概述

农业机械自动化导航技术大部分是利用地磁、无线电和激光等技术，通过接触杆和引出线操作方法来实现导航具体目标，特别是在涉及农业机械行驶的区域埋设电缆或磁钉，以便为农业机械提供更好的导航信息[1]。这种自动化导航技术方法的优点是可以应用于任何路面，同时在道路环境标准薄弱的情况下，如雨、冰或大雪等天气，也可以实现围栏的良好导航，但要注意的是，在农业自动化技术实际使用的过程中，由于施工成本较高，后期的工作难度会逐渐上升，工作人员要对现代自动化导航技术作出进一步的升级和完善，才能让导航技术实现农业利益的最大化。

2 农业机械中应用自动导航技术的意义

2.1 减轻农机操作人员的工作强度

工作人员将自动导航技术应用于农业生产当中，可以帮助操作人员不需要将时间和精力集中在农业机械的不同操作位置上，只需简单操作即可完成工作调节。农业机械自动导航技术不仅降低了工作难度，对工作效果的定量分析也有很大帮助，可以替代传统操作人员的重复计算，在最短的时间内得出科学数据，极大地降低了农业机械操作人员的工作强度和工作风险。

2.2 提高农业生产效率

传统的农业活动通常需要大量的人力、物力和时间才能完成生产任务，农业生产的质量也会受到一些人为因素的影响，再加上传统农业耕地比较分散，土地资源利用不集中，农业活动过程难以持续，导致了工作效率低。所以在农业机械中引入自动导航技术，实现了整体农业的大规模作业，从播种到收购过程中积极使用机械自动化技术，大大提高了农业耕种收效率。此外，在传统的农业生产活动中，农业操作中的人为因素经常存在不合理性，精准度较低，一旦数据统计有误，会直接影响工作人员的最终判断。选用自动导航技术后，就可以准确地进行播种和农业收割数据统计，通过这种技术来处理许多细节问题，可以快速提高农作物收割的质量和效率。

3 农业机械自动导航技术的具体应用

3.1 GPS定位系统

GPS 作为常见的全球定位系统，它具有三维定位和精准导航的作用，同时也具备全天候、多方位、高精度的定位特点，被普遍用于陆地和航空等领域，对提高地球信息水平有重要贡献。GPS 定位系统主要由三部分组成：空间系统、控制系统和设备信息。农业生产中的GPS 定位系统大部分是由卫星定义位置，在工作人员检查土层厚度时，一般与GIS 系统结合使用，以方便记录土层的相关情况，得出不同地区的土层质量，并利用土层质量分布图，以自变量的方式及时进行有针对性的施肥[2]。目前，由于中国农村的耕作方式大多是集约化、规模化的，所以在大面积耕作的具体操作过程中，控制GPS 定位工作路线非常重要，使用GPS 系统可以提前规划好耕作路线，从而可以为耕作创造最好的设计方法。

3.2 视觉导航

当配备了GPS 系统时，导航是可视化的，导航周围的环境可以直接显示在显示屏上，大大提高了导航的准确性。现代视觉导航可以收集领域内部的每一栏信息，并给出该地区的准确信息。通过技术人员的不断研究，这项技术已经实现了创新，可以对农业目标作物的实际部分进行长时间的精确定位，越来越多的农业工作人员也开始使用视觉导航进行数据测量。因此，需要及时对图像采集和元素采集进行适当的研究和创新，不断完善升级自动导航技术系统，才能正确地营销和推广视觉导航技术。在过去，许多从国外进口的视觉导航电感器与国内的生产设备不兼容[3]。然而，这个问题现在已经得到解决，越来越多的国外视觉导航设备也开始大面积应用于国内农业生产当中。

4 农业机械自动导航关键技术

4.1 北斗技术

北斗农业自动导航系统主要由车载电子计算机、卫星接收器、控制系统软件和基站等部分组成。通过在农业机械上安装北斗卫星，将北斗卫星的精确位置数据信号集成到相位上，设计出机械设备驱动线的方案，随后综合该部分机械或设备的信息、状态信息、航向角信息、传感器信息、电动方向盘或液压信息，通过对以上信息系统的控制，以实现机械设备的轮换，最后按照整体规划的路径行驶，达到完成犁地、耕地、种植和田间管理等各种工作的目的，帮助农业工作人员做好播种、种植、田间管理等工作。现如今，将农业机械与北斗农业自动导航系统相融合，可以实现无人值守，替代某些人工操作，极大地降低了人工工作强度，节约了劳动成本。尤其是随着中国城市化进程的加快，大量农业人员离开农村进入城市，直接导致农村的年轻劳动力明显不足，所以在新时期使用无人农业机械可以有效解决农业劳动力短缺的困难[4]。装备北斗自动导航系统的农业机械设备可以不受时间因素的影响，能一天24 h 工作，随时随地进行精准测量，不会错过任何农时。它的出现可以取代部分手工作业，减轻特定工人的工作强度，可提高50%以上的工作效率。北斗导航自动操作系统也可以对农业机械进行适度调整和精确定位，以确保工作质量和工作精度[5]。经过对大部分自动化标准产品的检验，在200 m 的测量范围内，通过自动导航技术计算的直线度精度和对接线精度差距控制在2.5 cm；在800 m 的测量范围内，北斗导航杆自动作业插秧机，直线度精度和对接线精度差距控制在5.0 cm。所以采用北斗导航自动操作系统的农业机械设备，可以保证现代农业作业精度，准确利用土地总面积，减少药品、化肥和水资源的消耗，提高作物生长发育质量，从而提高产量。同时，北斗卫星导航无人机可以进行农业植保工作、农业检测和数据采集，具有准确、高效、环保、智能等特点。此外，在自动导航技术中使用的无人机体积小，重量轻，便于携带，方便使用，因此可以成功地融入不同的地块和不同的作物中[6]。利用北斗无人机，对处于过渡花期的果树进行二次授粉，适当提高结实率。对于农时处理人工授粉遇到树龄稍高，树顶无法授粉，影响结实率的问题，通过投入无人机进行作业，最终效果可高达10 倍人工授粉的效率，并且没有化学污染问题。

4.2 车辆控制决策系统

车辆导航控制决策系统主要是通过科学的控制算法对车辆的机械设备进行控制，根据农业生产工作的具体需要，自动调整车轮方位，使农业车辆少走弯路，按线路要求进一步做好农业生产工作，提高农业效率[7-8]。常见的车辆控制技术包括PID 控制技术，因为国内PID 控制技术发展较早，在农业和工业生产中普遍使用，与其他控制技术相比，其发展相对完善，具有方便快捷的特点。如果农业工作量发生变化，可以调整PID 的主要参数，达到满意的控制效果。现代车辆控制技术大部分被用来控制导航控制系统软件的行为，主要是通过用数学语言编写的控制标准作为导航控制系统软件运行的重要基础。PID控制技术具有广泛的应用前景，具有稳健性特点，如果农业车辆设备在导航行驶过程中的行驶路径和原始路径预留存在一定的误差，这些误差数据信号，直接通过PID 控制技术来进行现场导航，控制模块则对误差数据信号进行分辨，并按标准输出适当的路径数据信号，导航汽车将被引导正确路径行驶。利用车辆控制系统及时对该车进行适度调整，以满足农业的需求，借助于电机推送控制模块、液压控制阀组系统控制模块等，可以适当将电机推进控制系统软件安装在导航的方向盘上，然后使用电子计算器、电机控制器和方向转换器来调整农业车辆的方向。控制决策系统直接通过电子计算器向电机控制器发出控制指令，然后电机控制器与直流电机一起工作，根据这些指令调整车辆的速度和方向，使导航车辆能够按照预先确定的路线顺利行驶。

4.3 环境感知技术

环境感知技术主要使用传感器收集周围环境的信息，以适当的特征为基础分析和处理信息，并构建环境实体模型。在互联网信息时代，传感器类型的数量不断增加，质量也越来越高，同时也产生了许多环境传感器信息处理的优越方法，这对优化识别农业环境有很大的正面影响，越来越多的科研人员正在研究这种环境感知技术，以提升农业机械的导航质量[9]。例如，一些业界人士设计了杂草控制智能机器人，环境感知技术中的认知系统就可以直接识别田间的杂草，并将其评论反馈给上级系统，工作人员通过技术传递的数据来进行分析、处理和清除杂草。环境感知技术在新时期还提出了一种全视觉的障碍物检测方法，在测量技能、障碍物检测等方面功能强大，能更好地帮助工作人员在短时间内了解不同区域的土地环境。

4.4 地图构建技术

地图构建技术一般需要传感器来收集和处理必要的信息，以构建环境地形图。地形图有多种表现方式，包括几何地形图、环境信息地形图和三维坐标地形图。地图构建技术是自动导航技术的关键部分，只有通过地图构建进行广泛测量，才能精确定位土地层面问题[10]。我国人口众多，但人均土地极少，因此提高粮食生产的数量和质量十分重要。尽管机械已经实现了自动化，效率明显提高，但仍有新的技术挑战，需要依靠地图构建技术，不断对我国各方位的土地进行全方位测量监控，才能找到更多适合种植的土地，避免盲目种地问题发生[11]。

5 结语

综上所述，农业机械与自动导航技术不仅要进行有机结合，而且在农业机械化发展的进程中，应充分利用最新的农业自动导航技术，提高农业产量，增加农民收入，助推乡村振兴。