智能农机自动导航系统应用探讨

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摘要：我国是农业大国，在科学技术的发展下，精准智慧化农业正逐渐替代传统农业，成为未来我国农业发展和研究的对象。在智能农业领域，智能农业机械是目前研究最多的领域之一。农机在现代化农业建设中具有重要地位，智能农机自动导航的开发利用，解放了农民双手，繁重的工作得到精简，工作效率得到提升。基于此，本文详细探讨了智能农机的自动导航系统的应用，仅供参考。

关键词：智能农机；自动导航系统；智慧农业

自古以来，从事农业生产一直是一项艰巨的任务，需要农业生产者具备耐心与细心，还要付出辛勤的劳动。但是，随着社会的发展，传统的农业生产模式正在发生翻天覆地的变化，自20世纪以来，各种创新技术创造了一个科学和技术获得动力的时代，而智能农业已成为未来发展的主流。过去，依靠操作员在非智能农业机械上的驾驶经验很难执行准确的路线，并且难以确保复杂生产线的准确性，频繁的反复播种以及播种的遗漏增加了农业成本，降低了土地使用率。自动化、智能化和信息化是当今全球农业机械化的发展目标，无人驾驶技术使农机操作员免于繁琐的工作，极大地提高了农机的作业效率，减少了人为工作疲劳造成的错误。

1我国农机导航系统现状

我国是一个人口众多的农业大国，与其他发达国家相比，我国的可耕地远多于其他国家，但机械化程度却远低于其他发达国家，消耗的劳动力是其他国家劳动力的数倍，这表明中国的农业相较于其他国家处于落后水平，同时也表明中国的农村农机市场前景广阔[1]。近年来，政府加大了对农业的扶持力度，投资建设新农村，随着政策的发展，农业机械化使用率必将大幅度提高。20世纪90年代在中国进行的农业机械导航与控制技术研究主要是借鉴了美国和日本的先进经验。在农业领域，中国对使用多传感器组合定位技术的研究还很少，但是相关的研究在工业、航空和智能交通领域已经达到了较高的水平。根据对定位相关理论和实验研究结果的分析，组合定位方法可以作为可用于农业研究的参考材料。精确农业依靠国家的引进、消化、吸收和改善。近几年，大量引入了国外的GPS自动导航和驾驶系统，已在国内智能农业应用中使用。在过去的十年中，我国的农业机械化水平得到了快速发展，随着从传统农业到现代智能农业的转变，对农业机械监控和调度技术的需求已大大增加[2]。

2农机导航智能控制系统应用探讨

拖拉机、插秧机与开沟铺管机为我国农业常用的三种典型农机，不同的农业机械有着其独有的特点，根据机械的特点，搭载农机导航智能控制系统，研制出路径规划与跟踪技术，实现智能控制导航系统的搭建[3]。本文通过对以上三种常用农业机械以及当代最新进的“慧农”北斗导航农机自动驾驶系统进行智能农机自动导航系统应用探讨。2.1拖拉机智能导航系统。拖拉机是田间作业中使用广泛，且最具代表性，所以对自动导航技术和设备的需求也最为迫切。拖拉机自动导航具备自动定位和自动跟踪功能，在导航工作中，卫星定位系统用于确定其自身的位置，并实时控制拖拉机的转向和速度，以使其按照既定路线进行田间作业[4]。在本节中研究拖拉机转向系统，使用光电传感技术实现前轮角度检测，设计闭环反馈转向控制器，设计路径规划和路径跟踪软件系统，并自动搜索拖拉机。首先，要测试导航控制系统的实际车辆性能和控制方法，在测试车辆上安装自动导航系统。通过车载监控终端的完整功能实现智能控制，这些功能中包括路线设置、参数设置、轨迹跟踪、数据存储等功能。其次，设计路径规划与跟踪软件系统，使用计算机编程语言开发拖拉机导航系统软件，系统实时从拖拉机上安装的传感器和定位模块收集数据，例如经度、纬度和旋转角度，计算操作偏差并将这些数据通过串行总线实时转换给显示终端。将数据另存为文本文件，以便在工作质量分析期间调出，导航路线计划模块完成了野外工作路线的设置，创建预定路线并保存数据。通过车辆驾驶参数设置模块配置调整参数，路径跟踪软件系统界面显示虚拟轨迹和仿真图片，具有很好的可视化效果。2.2插秧机智能导航控制系统。水稻插秧机是中国农业的常见农业机械，主要运用在水稻种植方面，是提高中国水稻产量的重要机械。由于田间调查工作的强度大和缺乏农村劳动力，水稻插秧机的自动搜索功能也引起了大多数科研人员的关注[5]。实现插秧机自动运行，减少驾驶员劳动强度，节省劳动力，延长工作时间，提高生产率和大米产量。插秧机采用Pm控制技术，设计了双闭环反馈转向控制器，并集成开发了自动导航系统。插秧机的自动导航系统具有两个功能。一个是定位，另一个是控制。定位是为了准确确定车辆的当前路径，并根据插秧机在行驶过程中的路径和姿态确定其相对于参考点的相对位置；控制是指确定并执行所需的控制量，在不发生偏差的前提下使插秧机可以在预定的路线上行走。作为整个水稻插秧平台的导航控制中心，它使用高性能的车载计算机处理GNSS姿态信息和角度传感器信息，该信息的高性能传播速度会实现智能的行为决策并输出导航控制指令。车载计算机发出导航控制指令，指令传达到转向电动机驱动器，驱动器接受命令后作出匀速反应，控制驾驶员执行准确的运动，这样在安全范围内控制车速，并控制插秧速度。2.3开沟铺管机导航控制系统。随着国家盐碱地开发利用，土地综合生产能力提高等相关措施的实施，隐蔽管式碱排水技术在我国北方和沿海地区得到了广泛的应用[6]。依靠手工开挖和人工管道铺设不仅效率低下，劳动强度大，运营成本高，而且难以确保工程质量。开沟铺管机由计算机执行智能行驶系统控制，行驶系统由行驶液压马达驱动，行驶马达的转速由两个柱塞泵和两个双齿轮泵控制。开沟机两侧的履带独立运行，均配有液压马达，每个液压马达都配备有光电传感器以测量速度，行走速度和转向控制在液压马达的控制下实现速度同步，光电传感器将速度信号发送到车载计算机数据处理系统，经过车载计算机计算后，可以在线监视工作量，如果凹槽承担太多负荷，其结果会导致发动机转速降低，转速降低后车载计算机控制系统会检测，依据转速进行调节，降低比例阀液压泵的输出流量，进而达到降低行走速度的目的，并形成工作装置。自动导航控制系统包括GPS定位模块、车载计算机，步态控制器、传感器和各种执行器等，传感器负责传输数据到车载计算机上，行走控制器接收计算机处理过的数据后，输出信号控制电磁阀执行操作，GPS定位精确获得车辆位置信息，执行必要的操作控制使车辆能按照指定的路线行走，不发生偏移。车载计算机是为开发农业工程智能设备而开发的多功能PC集成机，通过系统的人机界面，可以设置操作参数，显示农业机械的工作轨迹，实现GPS从左到右的操纵。通过跟踪速度传感器信息，车载计算机可以做出行为决策，生成导航信息说明并存储相关的工作过程数据。车载计算机集成了GPS定位模块和3G无线通信模块，可实现车载数据的现场定位和远程传输，同时配备强大的抗干扰功能，极大地提高了恶劣环境下的可靠性。它采用压铸铝外壳，具有高导热性，出色的散热性和小尺寸，同时考虑到防磁、防尘和防水来适应恶劣的农业工作环境。导航控制软件界面提供实时信息，例如导航时间、定位方法、方位角等，以帮助操作员判断定位信息的可靠性。数据收集模块是整个导航系统的数据收集器，对相关数据进行收集以及分析，完成传感器信息收集，并且存储和回放分析模块导航信息，以帮助驾驶员回看并分析原因以便于下一次更好的完成工作任务。控制决策系统根据车辆的当前位置信息计算预定的路线偏离，根据偏离路线测定相关数据，进行数据分析后创建控制策略，并将当前的控制信息实时传输到现场控制器，从而达到控制沟槽管道工步行系统直线操作的目的。2.4新一代“慧农”北斗导航农机自动驾驶系统北京合众思壮研发的“慧农”卫星导航技术是现代智能农业的基本技术，导航技术、网络技术、通信技术和自动控制技术在农业生产中的应用是发展精准农业的前提[7]。经过多年的研究和发展，中国的农业机械在机械结构的合理性方面取得了重大进展。故障率有所降低，工作效率也得到了极大提高，得到了农民广泛认可，随着北斗导航系统建成，北斗将在现代农业生产中得到更广泛应用。为了加快新型社会化农业机械服务体系的建设，进一步扩大农村农机合作社的范围，在全国开展了农业机械合作社建设试点。一种称为“互联网+农业机械运营”的新型农业机械服务模式有效地解决了农村工人的短缺问题。传统的运营效率低、成本高、质量差、整体管理困难等问题也得到有效解决，通过在线和离线结合O2O的新型共享农业机械模型也正在兴起。

3结语

众所周知，劳动是农业发展的重要组成部分。然而，近年来城市化的发展导致了农村常住人口骤减，其中农业劳动力急剧下降，对智能农业的需求日益明显。在20世纪80年代初期，美国率先提出了“精确农业”的概念，这为“智能农业”奠定了良好的基础[8]。现阶段，物联网技术的“智能农业”生产带动了农业产业链的新变化，传统的农业生产效率低下。农业工具需要专业的操作人员。由于高昂的劳动力成本，繁琐的工作以及繁琐的体力劳动，不利于作物生产和收入增加，从而大大减少了农民的收入。考虑到农业上出现的各种问题，将通过智能技术解决这些问题，农业机械自动驱动系统具有强大的硬件和软件优势，非常适合于涵盖“耕种、种植、照料和收获”的整个农业生产过程。

参考文献：

[1]杨立新.智慧农业驱动湖北农业现代化创新发展[J].决策与信息，2020(8)：12-13.

[2]朱登胜，方慧，胡韶明，等.农机远程智能管理平台研发及其应用[J/OL].智慧农业(中英文)：1-15[2020-08-11].

[3]赵弢.戎美瑞：河北加大农机化投入，形成可推广可复制的技术路线[J].农业机械，2020(7)：68.

[4]冉小琴.中国田间日：雷沃农业装备全程智慧解决方案尽显科技范[J].农业机械，2020(7)：72-73.

[5]于万鹏.计算机视觉技术在拖拉机行进控制上的应用[J].农机化研究，2019，41(12)：208-211.

[6]周岩，王雪瑞.基于WSN的智能农机自动导航控制系统研究[J].计算机测量与控制，2015，23(9)：3038-3041.

[7]宋春月.无人驾驶拖拉机控制系统设计研究[D].上海：上海工程技术大学，2015.

[8]陈康.智能农机自动导航研究[D].上海：上海工程技术大学，2015.

作者:杨柏婷 单位:长春职业技术学院