自动导航拖拉机在精准农业上的应用
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摘要：本文论述了精准农业生产的特点和对农业装备的要求，自动导航拖拉机的关键技术卫星定位系统、自动导航系统、转向控制系统的结构及原理;分析了自动导航拖拉机的在精准农业的生产中的作业和应用中存在问题。
关键词：精准农业;自动导航;拖拉机
中图分类号：S219文献标识码：ADOI：10.19754/j.nyyjs.20190615020
在农业4.0的时代下，精准农业利用现代技术根据农作物的生长状况和环境，精准的控制作物养分供给量、是否需要打农药，从而降低化肥、农药的使用量，达到绿色和可持续农业生产的目的。自动导航拖拉机是大田精准农业生产作业的重要动力装备，是精准农业生产中数字控制的基础。
1农业4.0精准农业与自动导航拖拉机
1.1农业4.0的特点
2015年，农业生产进入了4.0时代，其主要特征是生态化、智能化，技术支撑是由物联网技术、移动互联网技术和云计算。 农业4.0时代的农业生产目标是在高品质、高效率和生态环保基础上的高产量。生态环保的实现依靠精准打药降低农药使用量、采用配方施肥技术降低肥料的施用量，从而减少 CO2排放，减少农业生产对环境的影响。具有代表性的关键技术有农机的自动驾驶技术、精准农业技术、无人机技术。
1.2精准农业的概念
精准农业（Precision Agriculture）起源于美国，是一种基于信息、知识管理和智能控制的定位、定时、定量的现代农业生产系统。它应用全球卫星导航定位系统（ GNSS）、地理信息系统（ GIS）、遥感技术（ RS）和计算机自动控制系统等技术， 对农业生产的耕作、播种、施肥、打药、收获等环节，进行精确的控制，实现提高农业生产效率和土地的利用效率。精准农业一般由以下系统组成，全球定位系统、农田信息采集系统、农田遥感监测系统、农田地理信息系统、农业专家系统、智能化农机具系统、环境监测系统、系统集成、网络化管理系统和培训系统[1]。
1.3自动导航拖拉机
自动导航拖拉机是精准农业生产作业的动力装备，是精准农业生产的执行者。农机的自动导航技术是精准农业生产技术指标要求下发展起来的。自动导航拖拉机自动导航由卫星信号接收系统、行车电脑控制系统、前轮转角传感器、航向传感器、自动转向控制器等组成[2]。
2自动导航拖拉机的关键技术
自动导航拖拉机是农业机械化和自动化的关键装备，自动导航拖拉机可以通过在普通拖拉机上加装自动导航系统，可实现大面积耕地上的快速、高效、高精度、自动化作业。拖拉机自动导航系统包括以下技术：全球导航卫星系统定位系统（GNSS）、RTK定位技术、自动导航技术及农机的转向机构。
2.1全球导航卫星系统定位系统（GNSS）
世界有4大卫星导航系统：美国的GPS系统、俄罗斯的GLONASS系统、中国的北斗（BDS）系统、欧洲伽利略Galileo系统[3]。美国的GPS 系统是全球用户数量最多的卫星导航系统，中国的北斗导航系统目前已发展到36颗卫星覆盖全球，定位精度和可靠性与GPS 系统相当。 拖拉机的自动导航系统一般都兼容多个导航系统，目前中国地区销售的基本都兼容北斗系统，通过增加可见星的数量，提高卫星导航精度和系统的稳定性。
GNSS系统定位原理是通过导航卫星向地面发射卫星星历信号，卫星地面控制中心通过接收各个卫星星历信号，解决星历信号以確定导航卫星的导航轨道。 用户接收设备GNSS接收器接收并测量由可见卫星发送的无线信号，并获取诸如导航卫星的导航轨道之类的信息，计算出用户接收器的位置、方向、运动速度和时间信息。
2.2RTK定位技术
RTK定位技术是一种基于载波相位观测的实时动态高精度定位技术，可以实时解决移动站在设定坐标系中的三维定位信息。观测信息和设定坐标信息通过数据基准站传输到移动台。 移动站将基准站的数据和本身采集到的GNSS观测数据进行差分处理，定位精度可达到厘米级，是农机导航中普遍釆用的卫星定位技术。
2.3自动导航技术
在农机的自动导航技术中，农机位置的感知部分是关键 ，目前常用的有机器视觉导航、GPS导航、光靶导航以及多传感器组合导航等多种形式。农机导航系统通过GNSS、传感器等感知系统获得农机的绝对位置信息和运动状态，并将信息与预设的路径进行比较，确定农机与路径之间的相对位置关系，通过控制系统按照一定算法计算、控制农机的转向系统，使机器按照预定的路径行驶，实现农机的自动导航。
中国主流农机自动导航产品有Trimble的 AutoPilot系列农业自动驾驶系统， John Deere公司的Auto Trac农机自动导航系统、司南与美国 Auto Farm公司合作的 Auto Farm农机自动导航系统，合众思壮公司的壁虎和慧农2大系列农业自动导航系统，北京农业智能装备技术研究中心自主研发的 Auto Guide农业自动导航系统等。
2.4农机的转向机构
农机的转向机构控制车辆行驶路径。常见的农机转向控制系统由有液压转向控制系统与方向盘电机转向控制系统，方向盘电机控制系统由计算机、伺服电机、电机驱动器等装置组成，直接安装在拖拉机的方向盘上，通过私服电机控制车辆转向[5]。工作过程是车载电脑根据卫星导航系统的信号、农机的规划轨迹进行计算，将控制令发给电机驱动器，电机驱动器驱动直流伺服电机带动方向盘转动。液压控制系统是将电磁液压阀组加装到农机的液压转向系统上，电脑决策指令控制电磁液压阀组，控制农机的转向。
3自动导航拖拉机在精准农业上的应用
在农业生产的耕、种、播、收、打药、施肥工作中，自动导航农机可以提供准确的定时、定位。为施肥、打药、收获的自动化和数字化提供保障。 3.1应用自动导航拖拉机可提高土地的利用效率和生产效率当农业机械的行驶速度高且工作范围宽时，难以实现人工精确操作，并且经常发生遗漏，重复等现象。 应用自动导航拖拉机，可以降低能源消耗，降低劳动强度，提高土地的利用效率和生产效率。国家精准农业示范基地进行试验和研究表明采用自动导航拖拉机进行收获、施肥作业，可以降低作业遗漏率和重叠率[6]。
3.2自动导航拖拉机应用效果
自动导航拖拉机在起垄、播种、耙地、收割、喷药、铺膜、犁地和中耕等作业中，可以准确实时的采集作业数据，监控生产作业的情况，为精准农业生产提供数据支持。
3.2.1在精密播种作业中
条田作业1000m 播行垂直误差小于2cm，因为播行直， 行间距、株距精确可控，避免了重播和漏播，为后期变量施肥、精准打药作业奠定物质基础，提高机械收获作业的采净率，降低成本，提高经济效益。
3.2.2自动导航拖拉机在耕地作业中
接茬精度可控制在1～2cm，农艺作业质量高，土地利用率高，大大减少农作物生产成本投入增加了经济效益。
3.2.3自动驾驶技术可以提高农业机械的可操作性能
延长生产作业时间。自动导航拖拉机夜间也可以作业，能实现全天24h不间断工作，提高了农业机械的利用效率和经济效益。
3.2.4自动驾驶技术可减轻驾驶员的劳动强度
驾驶员不必操作方向盘，降低农业生产作业的技术复杂度， 农机驾驶员作业培养的难度降低，同时在农业生产中农机驾驶员可集中精力进行农机作业机械的操作，作业质量高。
3.3自动导航拖拉机在应用中的局限性
自动导航拖拉机在精准农业生产中应用优势明显，但在北方地区应用中也存在一些问题。
目前自动导航拖拉机通过在普通拖拉机上加装自动导航系统来实现，自动导航系统售价较高，一套在10万元左右，前期投入较大，大田农业生产经济效益较低，经济成本较高。
自動导航拖拉机作业操作性降低了，但是拖拉机驾驶员文化水平较低，缺乏自动控制和计算机的知识，对于繁琐、复杂度安装调试，对于自动导航系统的使用、维护，拖机机驾驶员掌握起来存在一定困难。
自动导航拖拉机目前还缺乏完善的鉴定体系，售后服务和培训还有待提高。
参考文献
[1] 张纯洁.基于GIS的精准农业发展模式——以江汉平原为例[D]. 华中师范大学，2008.
[2] 唐勇伟.基于ARM-Linux的农机自动驾驶控制系统设计与研究[D] .青岛理工大学，2016.
[3] 吴少凯.基于北斗的嵌入式导航系统设计与研究[D]. 天津理工大学，2014.
[4] 黄宇琦.GPS技术在测量工程中的应用[J]. 数字化用户，2014（12）：253.
[5] 吕文刚， 王耀申， 丁保江.农业机械导航关键技术概述[J].农业装备与车辆工程，2016（8）：86-88.
[6] 刘卉， 孟志军， 付卫强.基于 GPS 轨迹的农机垄间作业重叠与遗漏评价[J].农业工程学报，2012（18）：149-154.
作者简介：李军辉（1972），讲师，硕士，研究方向：农业机械工程;刁维芹（1969），山东，副教授，研究方向：农业机械工程。
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