談農(nóng)業(yè)機(jī)械導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展

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摘要：伴隨科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不斷實現(xiàn)現(xiàn)代化模式。農(nóng)業(yè)機(jī)械導(dǎo)航技術(shù)綜合利用數(shù)字以及信息開發(fā)等技術(shù)，為未來的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供更準(zhǔn)確的導(dǎo)向。它可以使農(nóng)業(yè)機(jī)械更準(zhǔn)確地完成整地、播種、施肥以及收獲。為此，重點分析在農(nóng)業(yè)機(jī)械中導(dǎo)航技術(shù)的應(yīng)用，同時提出未來的發(fā)展方向，為我國農(nóng)業(yè)機(jī)械的發(fā)展提供重要的參考。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)機(jī)械；導(dǎo)航技術(shù)；發(fā)展

我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)正朝著機(jī)械化、自動化、規(guī)模化以及信息化的方向逐步發(fā)展，農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)效率大大提高。農(nóng)業(yè)機(jī)械化有助于農(nóng)民的除草、播種、施肥以及收割等任務(wù)，大大降低農(nóng)民的負(fù)擔(dān)。在農(nóng)業(yè)機(jī)械化的工作當(dāng)中，導(dǎo)航技術(shù)可以有效地幫助農(nóng)機(jī)生產(chǎn)進(jìn)行的導(dǎo)航控制以及路線規(guī)劃，這是導(dǎo)航技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械生產(chǎn)中應(yīng)用的基本體現(xiàn)。

1農(nóng)業(yè)機(jī)械中應(yīng)用導(dǎo)航技術(shù)的價值體現(xiàn)

導(dǎo)航技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中發(fā)揮了重要的作用，是農(nóng)業(yè)發(fā)展的指南針與風(fēng)向標(biāo)，能夠更好地防止農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的某些問題。作物需要依賴土壤這一生長環(huán)境，導(dǎo)航技術(shù)可以測試土壤的特性以及pH值，進(jìn)而農(nóng)民可以針對性地種植農(nóng)作物。導(dǎo)航技術(shù)可以偵測當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境情況，記錄土壤情況，提供農(nóng)業(yè)科學(xué)的試驗研究樣本以及信息。作物的產(chǎn)量是農(nóng)業(yè)質(zhì)量的衡量標(biāo)準(zhǔn)，農(nóng)業(yè)產(chǎn)量的監(jiān)測方法以及導(dǎo)航技術(shù)的應(yīng)用非常重要。借助導(dǎo)航技術(shù)，可以成功地手動收集對應(yīng)的數(shù)據(jù)，并可以準(zhǔn)確且快速地預(yù)測每畝的產(chǎn)量數(shù)據(jù)。同時，它也可以選取具有代表性的區(qū)域，執(zhí)行一些標(biāo)準(zhǔn)化測試工作，并將獲得的數(shù)據(jù)做整合、匯總，獲得最后的統(tǒng)計信息。

2農(nóng)業(yè)機(jī)械中自主型導(dǎo)航的關(guān)鍵技術(shù)

2.1視覺導(dǎo)航技術(shù)

與GPS導(dǎo)航技術(shù)相比，視覺導(dǎo)航更加靈活，使信息需求者可以在收集材料時準(zhǔn)確且直觀地觀察導(dǎo)航中呈現(xiàn)以及存儲的各種圖像。機(jī)械導(dǎo)航可以更準(zhǔn)確地了解周圍的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境，并拓寬信息面。視覺導(dǎo)航技術(shù)在美國以及英國的研究及應(yīng)用迅速。我國的視覺導(dǎo)航技術(shù)始于20世紀(jì)90年代，并已引起許多農(nóng)業(yè)科學(xué)家的廣泛參與。在研究過程中，他們建立了視覺導(dǎo)航相應(yīng)的研究試驗平臺，通過實驗室的色彩空間處理了圖像，并分析以及研究了農(nóng)業(yè)中的視覺導(dǎo)航。視覺傳感器也是一項重大研究進(jìn)步，它使人們能夠捕獲農(nóng)作物附近的環(huán)境條件，識別障礙物以及雜草等目標(biāo)并準(zhǔn)確導(dǎo)航。

2.2衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)

衛(wèi)星GPS導(dǎo)航技術(shù)是現(xiàn)代的產(chǎn)物，近年來受到關(guān)注并迅速發(fā)展。在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，所有具有衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備以及不同工具的拖拉機(jī)，都可以利用這項先進(jìn)技術(shù)提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)運營的質(zhì)量，然而另一方面，它也對周圍環(huán)境造成負(fù)面影響，需要選擇正確的用法。2.3其他類型的導(dǎo)航技術(shù)衛(wèi)星導(dǎo)航以及視覺導(dǎo)航在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用比較廣泛，提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的便利性，是農(nóng)業(yè)機(jī)械在生產(chǎn)中的重要組成。此外，還有一些不可忽視的導(dǎo)航技術(shù)，例如：機(jī)械導(dǎo)航、電磁導(dǎo)航、超聲波導(dǎo)航以及地磁導(dǎo)航等技術(shù)。

3導(dǎo)航技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械中的具體應(yīng)用

3.1視覺導(dǎo)航技術(shù)的具體應(yīng)用

與傳統(tǒng)的GPS導(dǎo)航技術(shù)相比，視覺導(dǎo)航技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械上的應(yīng)用，使借助機(jī)器視覺的導(dǎo)航應(yīng)用范圍更加廣泛，應(yīng)用更靈活。尤其是伴隨我國不斷發(fā)展的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，所使用的農(nóng)業(yè)用地也不斷擴(kuò)大。利用視覺導(dǎo)航的機(jī)器視圖，可以收集農(nóng)田相應(yīng)的圖像信息，并保證所收集的信息更加豐富、真實、完整。農(nóng)業(yè)機(jī)械配備這一視覺導(dǎo)航技術(shù)，可自動跟蹤、識別以及檢測實際圖像，并在田間實現(xiàn)除草等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工作。例如，使用卡爾曼濾波器融合傳感器在彎曲形狀的農(nóng)田中進(jìn)行感應(yīng)，并在農(nóng)業(yè)車輛中應(yīng)用視覺導(dǎo)航系統(tǒng)對彎曲的農(nóng)作物進(jìn)行視覺檢測，圖像每一幀可以實現(xiàn)5~12s的短暫處理時間。利用霍夫的變換融合技術(shù)，該系統(tǒng)可以一次性收集多條信息，有效地排除田間雜草等因素的干擾，實現(xiàn)對農(nóng)作物的獨立檢測。我國對GPS導(dǎo)航的研究起步較晚，近年來迅速發(fā)展。例如，使用XDNZ630型水稻插秧機(jī)作為試驗平臺，并通過RTKGPS定位技術(shù)對農(nóng)業(yè)機(jī)械進(jìn)行導(dǎo)航，可以建立一個閉環(huán)轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)來實現(xiàn)水稻插秧機(jī)的自動轉(zhuǎn)向?qū)Ш?，便于插秧機(jī)的田間操縱，進(jìn)一步消除GPS定位帶來的誤差，使導(dǎo)航的精度大大提高。此外，配備有視覺導(dǎo)航系統(tǒng)的拖拉機(jī)可以進(jìn)入一些大型農(nóng)場，其運營質(zhì)量明顯提高，運行的時間明顯延長。這種導(dǎo)航系統(tǒng)具有技術(shù)相對成熟、結(jié)構(gòu)相對簡單等特點。伴隨導(dǎo)航系統(tǒng)產(chǎn)品的廣泛使用，成本也不斷減低。

3.2機(jī)械導(dǎo)航技術(shù)的具體應(yīng)用

隨著視覺導(dǎo)航技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，一些研究人員逐漸關(guān)注機(jī)械導(dǎo)航的應(yīng)用。機(jī)械導(dǎo)航技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)中的應(yīng)用具有許多優(yōu)點，包括易于操作、維護(hù)，成本低廉卻能收獲高收益。如今，國外一些大型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)公司正在對機(jī)械導(dǎo)航技術(shù)進(jìn)行大量的實踐，成果十分顯著。盡管我國較少對機(jī)械導(dǎo)航展開研究，然而在農(nóng)業(yè)機(jī)械方面也取得了很好的成果。例如，基于用于導(dǎo)航的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)原理的履帶機(jī)器人，接觸式且具有兩層控制器的導(dǎo)航控制系統(tǒng)等。如今，在農(nóng)業(yè)果園機(jī)械的自動生產(chǎn)方面，已經(jīng)開發(fā)并使用了拖拉機(jī)的機(jī)械化導(dǎo)航系統(tǒng)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。該自動拖拉機(jī)基于機(jī)械導(dǎo)航技術(shù)，控制最大偏差小于0.2m。

3.3電磁導(dǎo)航的具體應(yīng)用

電磁導(dǎo)航由于其壽命長、簡單以及強(qiáng)大的抗干擾能力而被稱為埋線導(dǎo)航，在20世紀(jì)70年代迅速發(fā)展，并已在實際生產(chǎn)中廣泛使用。日本開發(fā)了一種無人駕駛的噴灑機(jī)器人，用于果園的環(huán)境，機(jī)器人通過嵌入在工作路徑中的導(dǎo)向線來發(fā)揮導(dǎo)航作用。此外，可以根據(jù)噴涂機(jī)器人的操作要求使用電磁感應(yīng)式的導(dǎo)航系統(tǒng)。引導(dǎo)機(jī)器人行走的軌跡信號是通過一根嵌入農(nóng)田中的高頻電流電線所產(chǎn)生的，并通過電磁感應(yīng)傳感器的一對信號電壓差，確定機(jī)器人的具體位置。為了滿足溫室中自動進(jìn)行農(nóng)藥噴灑等操作的需求，可以使用農(nóng)業(yè)電磁感應(yīng)噴灑機(jī)器人對行進(jìn)路徑進(jìn)行導(dǎo)航。

3.4激光導(dǎo)航的具體應(yīng)用

激光雷達(dá)具有許多優(yōu)點，例如具有較高的測量距離精度、分辨率、抗干擾能力，并且它的質(zhì)量輕、體積小，因此廣泛用于農(nóng)業(yè)機(jī)械的導(dǎo)航。法國對農(nóng)用車輛配備激光傳感器進(jìn)行自動導(dǎo)航做了深入研究。在這項研究中，導(dǎo)航系統(tǒng)計算了植被的體積以及高度，并可以控制車輛的行進(jìn)速度。日本開發(fā)了一種自動導(dǎo)航系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以使用2D激光掃描儀應(yīng)用于果園環(huán)境。由于使用拖拉機(jī)作為試驗平臺，所以導(dǎo)航過程中造成的橫向誤差比較小。為了使農(nóng)業(yè)機(jī)器人能夠自主導(dǎo)航玉米田，荷蘭在粒子過濾器基礎(chǔ)上開發(fā)了激光測距儀。為了提高農(nóng)業(yè)機(jī)械在果園中的自動化操作水平，我國科研人員研發(fā)了一種拖拉機(jī)，并通過激光導(dǎo)航方法對果園機(jī)械進(jìn)行自動導(dǎo)航。該研究通過激光掃描技術(shù)，收集果樹所處的位置信息，并提出了利用擬合算法來進(jìn)行果園環(huán)境中曲線路徑導(dǎo)航。激光導(dǎo)航不僅成本高昂，而且還需要固定反射激光的目標(biāo)?？梢匀斯ぴO(shè)置目標(biāo)，也可以使用自然景觀，例如樹木以及建筑物。然而，反射鏡與機(jī)器間不得有障礙物。3.5地磁導(dǎo)航的具體應(yīng)用由于其低成本，近年來，地磁傳感器已被用于農(nóng)業(yè)機(jī)械導(dǎo)航中。日本研制了一種農(nóng)業(yè)移動機(jī)器人，該機(jī)器人使用地磁圖像傳感器以及導(dǎo)航傳感器進(jìn)行導(dǎo)航。機(jī)器人在圖像傳感器的定位下，通過地磁引導(dǎo)傳感器獲取方位角。然而，由于地磁感應(yīng)傳感器容易受到諸如機(jī)器人的傾斜角度以及附近磁場的干擾，要提高磁感應(yīng)傳感器的利用效率，就需要使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對輸出使用進(jìn)行重新定義。在農(nóng)田中，機(jī)器人最終位置相對于目標(biāo)位置的平均誤差為0.4m，優(yōu)于計劃路徑的位置。

4在農(nóng)業(yè)機(jī)械中導(dǎo)航技術(shù)的未來發(fā)展建議

對通用導(dǎo)航技術(shù)研究可知，當(dāng)前農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域可以應(yīng)用多種類型的導(dǎo)航技術(shù)，相關(guān)的研究活動仍然在繼續(xù)，新技術(shù)也在不斷開發(fā)，應(yīng)用于當(dāng)前的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。GPS導(dǎo)航技術(shù)已經(jīng)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中長時間應(yīng)用，以玉米生產(chǎn)活動為例，玉米種植者借助GPS技術(shù)，可以利用自動收獲機(jī)械來有效地收獲成熟的玉米作物。這在加速玉米收獲的同時，也可以縮短收獲所需的時間，還可以節(jié)省大量的人工。但要注意的是，當(dāng)前的農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)環(huán)境仍然非常復(fù)雜，并且難以僅通過簡單的導(dǎo)航技術(shù)，就可以滿足相應(yīng)的導(dǎo)航要求。在比較開闊的田地中，技術(shù)人員可以盡快完成導(dǎo)航的評估任務(wù)。然而，檢查員受到果樹等種植密度的干擾，不能很好地完成測量過程，導(dǎo)致雖然存在許多類型的現(xiàn)代化導(dǎo)航技術(shù)，然而利用目前的導(dǎo)航技術(shù)仍然難以處理機(jī)械生產(chǎn)對應(yīng)的問題的現(xiàn)象發(fā)生。所以，目前可以將研究重點放在彌補(bǔ)當(dāng)前導(dǎo)航技術(shù)的不足上，特別是可應(yīng)用于較大的種植密度以及生產(chǎn)面積的種植區(qū)導(dǎo)航上，可以進(jìn)一步研究激光導(dǎo)航技術(shù)，用以代替原始的機(jī)械導(dǎo)航技術(shù)。該研究活動將提供各種組合的導(dǎo)航傳感器，從而使導(dǎo)航技術(shù)可以在較廣的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用。

5結(jié)束語

當(dāng)前，農(nóng)機(jī)導(dǎo)航技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化中成為了重要的話題，增加了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的便利性，并成為農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)中的重要研究內(nèi)容。這種導(dǎo)航技術(shù)的開發(fā)以及研究，包括視覺導(dǎo)航、衛(wèi)星導(dǎo)航等項目，這些項目已不斷在實際的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中投入使用，并取得了良好的生產(chǎn)效果。近年來，在實際的應(yīng)用以及推廣當(dāng)中，有許多的成功案例。同時，需要更詳細(xì)地研究以適應(yīng)農(nóng)業(yè)環(huán)境的多樣性以及復(fù)雜性。在不同導(dǎo)航技術(shù)有效結(jié)合的環(huán)境下，將大大提高農(nóng)機(jī)導(dǎo)航技術(shù)對環(huán)境的適應(yīng)能力，并根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶嶋H情況進(jìn)行對應(yīng)的作業(yè)程序。

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作者：徐大圣 單位：鹽城市農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)推廣中心