智能化農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備RTKGPS系統(tǒng)應(yīng)用

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摘要：隨著精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的提出，以RTKGPS系統(tǒng)為基礎(chǔ)的新型生產(chǎn)模式誕生。文章針對RTKGPS系統(tǒng)的技術(shù)原理展開分析，闡述了該系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)智能化中的應(yīng)用，包括改良平地機(jī)、農(nóng)機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)、變量農(nóng)機(jī)設(shè)備以及聯(lián)合收割機(jī)等，力求使農(nóng)業(yè)真正實(shí)現(xiàn)智能化、精準(zhǔn)化生產(chǎn)，推動農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：GPS系統(tǒng)；智能技術(shù)；農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備；應(yīng)用

為了提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，將電子技術(shù)與農(nóng)業(yè)機(jī)械相結(jié)合，衍生出智能化農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備，以RTKGPS系統(tǒng)為例，將其應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，根據(jù)每塊土地特性與農(nóng)作物生長特點(diǎn)，在恰當(dāng)?shù)臅r間施加相應(yīng)的肥料，真正落實(shí)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)模式，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)與環(huán)境效益最大化目標(biāo)。

1RTKGPS系統(tǒng)技術(shù)原理

RTKGPS系統(tǒng)是在兩個測站的載波相位基礎(chǔ)上構(gòu)建而成，以實(shí)時型為主，可以迅速定位，將用戶與系統(tǒng)相互連接，結(jié)構(gòu)相對較為復(fù)雜，是該系統(tǒng)的設(shè)計基礎(chǔ)。在應(yīng)用過程中由基準(zhǔn)站利用數(shù)據(jù)鏈將觀測結(jié)構(gòu)傳遞給流動站，流動站對衛(wèi)星與載波相位進(jìn)行接收，通過差分處理后給出定位結(jié)果。該系統(tǒng)的應(yīng)用效率較高，每個站點(diǎn)可覆蓋5～10km的半徑區(qū)域，且精度可達(dá)厘米級別，無累積誤差，即便是在野外觀測中同樣會取得理想的測量結(jié)果[1]。精密GPS定位采用相對技術(shù)，無論在幾點(diǎn)間同步觀測后的處理，還是由基準(zhǔn)站將改正值及時傳輸給流動站，均可看成相對技術(shù)。根據(jù)采用值類型的不同分為四種類型：實(shí)時差分GPS，其精度范圍在1～3m之間；廣域?qū)崟r差分，精度范圍為1～2m之間；精密時差分，精度在1～5cm之間；實(shí)時精密時差分，精度在1～3cm之間。對于差分?jǐn)?shù)據(jù)來說，其類型多種多樣，其中偽距型與坐標(biāo)型的定位誤差相關(guān)性與基站距離之間呈反比關(guān)系。RTK觀測模型為：paliontopdtdrcp)(dddN式中，代表相位測量值，單位為m；p代表星站間幾何距離；c代表光速；dr代表接收機(jī)差值；dt代表衛(wèi)星誤差；N代表整周未知數(shù)；dion代表電離層折射影響；dtop代表對流層折射；dpal代表相對論效應(yīng)；代表觀測噪聲；代表載波相位長度。

2RTKGPS系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)智能化設(shè)備中的應(yīng)用

2.1改良平地機(jī)

以某農(nóng)場為例，為了提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，對傳統(tǒng)平地機(jī)進(jìn)行改良，引入固定基站與移動接收系統(tǒng)。其中，固定基站包括接收天線、12V直流電源、GNSS接收機(jī)等設(shè)備，具有高精度特征，在導(dǎo)航、定位等領(lǐng)域得到普遍應(yīng)用。該設(shè)備具有較強(qiáng)的兼容性與接收功能，可結(jié)合實(shí)際需求內(nèi)置多星多頻板卡、收發(fā)一體通信模塊，還支持不同通信協(xié)議，如SOUTH協(xié)議、透明傳輸?shù)?，并與多家GNSS電臺無縫銜接，具備以太網(wǎng)通信接口，可為高速網(wǎng)絡(luò)傳輸提供更多便利。在車載控制模塊中，內(nèi)部設(shè)置無線通信模塊、電磁閥模塊、定位板卡等，通過平地系統(tǒng)應(yīng)用，使土地平整度高度精確到±2cm以內(nèi)。同時，在應(yīng)用RTK技術(shù)后，與常規(guī)激光控制相比，工作效率將顯著提升，現(xiàn)場作業(yè)免受惡劣天氣的干擾，作業(yè)精度高，后期調(diào)試與維護(hù)便捷，可取得理想的平地效果。

2.2農(nóng)機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)

在現(xiàn)代導(dǎo)航技術(shù)中，RTKGPS系統(tǒng)的誕生具有里程碑式意義，其定位精準(zhǔn)、應(yīng)用范圍廣、功能全面，可投入到野外觀測導(dǎo)航中。在該系統(tǒng)基礎(chǔ)上，自動駕駛技術(shù)誕生，對車輛行駛路線進(jìn)行規(guī)劃和控制，該技術(shù)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)設(shè)施中，可高效完成翻地等較為繁重、多次反復(fù)的生產(chǎn)作業(yè)。以智能拖拉機(jī)為例，導(dǎo)航控制系統(tǒng)的應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下方面：（1）基準(zhǔn)站。主要用于采集RTKGPS定位信號，計算出信號誤差后，依靠網(wǎng)絡(luò)渠道將正確信號傳送給拖拉機(jī)，以此提高組件定位精度。（2）決策支持組件。其屬于導(dǎo)航系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，技術(shù)人員以此為依據(jù)規(guī)劃農(nóng)機(jī)裝備行駛路線，使定位信息得到充分接收與計算，最后調(diào)整到最佳路線開展作業(yè)。（3）車載衛(wèi)星組件。將其安裝到機(jī)體中，與RTKGPS系統(tǒng)相結(jié)合接收信號，并向農(nóng)機(jī)裝備實(shí)時傳送信息，通過修正差分信號達(dá)到位置矯正的目標(biāo)。（4）執(zhí)行組件。主要對農(nóng)機(jī)設(shè)備轉(zhuǎn)向進(jìn)行控制，屬于自控系統(tǒng)中的主要部件之一，可提高轉(zhuǎn)向運(yùn)行效率，無須人工干預(yù)便可自動駕駛[2]。

2.3變量農(nóng)機(jī)設(shè)備

2.3.1新型噴霧機(jī)我國復(fù)雜地形較多，農(nóng)田面積相對較小，對無人機(jī)飛行精度要求嚴(yán)格，一旦沒有精準(zhǔn)噴射農(nóng)藥與化肥，不僅無法起到抵御病蟲害的作用，還可能因局部農(nóng)藥過量使糧食或其他生物受到侵害。對于傳統(tǒng)噴霧機(jī)來說，因定位精準(zhǔn)度不高，有時會偏離規(guī)劃的飛行線路，出現(xiàn)部分地區(qū)重復(fù)噴灑，部分地區(qū)未噴灑到等情況。但在RTKGPS系統(tǒng)應(yīng)用后，使傳統(tǒng)噴霧機(jī)得到改良，達(dá)到精準(zhǔn)作業(yè)目標(biāo)。與以往噴霧設(shè)備相比，其增加了定位模塊，操作者可在地面通過手持繪測器、移動基站等設(shè)備開展作業(yè)，支持自定義飛行路線、噴霧量等指標(biāo)，高效完成農(nóng)藥或化肥的噴灑目標(biāo)，在飛行的同時還可自動記錄噴灑數(shù)據(jù)，為數(shù)據(jù)采集提供更多幫助。

2.3.2新型播種機(jī)在以往條形播種機(jī)的基礎(chǔ)上加入智能技術(shù)，由此衍生出新型播種機(jī)，支持變量投放物料，將其應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，可根據(jù)實(shí)際需求控制種子與化肥的投放量。該設(shè)備的創(chuàng)新要點(diǎn)在于加裝RTKGPS系統(tǒng)，并發(fā)揮物料投放變量控制器、田間計算機(jī)等輔助作用。設(shè)備技術(shù)原理為操作者事先設(shè)置播種或化肥量信息，將其存儲到計算機(jī)中，利用固定/移動基站規(guī)劃播種機(jī)運(yùn)行路線。在裝置運(yùn)行中，接收端通過差分分析為其分配相應(yīng)的線路，發(fā)揮決策組件作用并有效決策，利用執(zhí)行組件優(yōu)化線路，實(shí)現(xiàn)自動化播種的目標(biāo)。例如，某農(nóng)場分別采用RTKGPS系統(tǒng)與常規(guī)系統(tǒng)種植小麥，通過播種結(jié)果調(diào)查得知，常規(guī)播種設(shè)備的播種作業(yè)不夠均勻，局部出現(xiàn)多播或者漏播情況，需要后期人工補(bǔ)充完善；而RTKGPS系統(tǒng)下的智能播種設(shè)備，定位與速度信息精準(zhǔn)可靠，可根據(jù)實(shí)際情況靈活調(diào)整裝置轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)均勻精確播種目標(biāo)。

2.4聯(lián)合收割機(jī)

該設(shè)備主要由地面固定糾偏站與移動接收系統(tǒng)構(gòu)成，其中前者采用AG214型雙頻GPS接收機(jī)，后者為12V直流電源與PCC電臺天線設(shè)備。該設(shè)備具有精準(zhǔn)化、動態(tài)化特征，可應(yīng)用到導(dǎo)航、控制與定位等領(lǐng)域中。在傳輸路徑規(guī)劃方面，采用差分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸模式，以高頻無線通信設(shè)備為主，信號強(qiáng)度較大，PCC接收機(jī)通過RS-232串行接口通信的方式，與GPS接收機(jī)連接，將設(shè)計參數(shù)根據(jù)實(shí)際需求分門別類，存儲在接收機(jī)中隨時使用。其波特率為9600b/s、起始與停止位各1個，校驗(yàn)位為0。通過上述指標(biāo)設(shè)定，可使RTKGPS系統(tǒng)智能化目標(biāo)順利達(dá)成。

2.5自動導(dǎo)航插秧機(jī)

在農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備中，插秧機(jī)的作用是將稻苗種植到稻田中。隨著農(nóng)業(yè)種植規(guī)模不斷擴(kuò)大，傳統(tǒng)插秧機(jī)難以滿足現(xiàn)實(shí)需求，許多企業(yè)開始將自動導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用于插秧機(jī)，以此提高該裝備的智能化水平。在移動平臺基礎(chǔ)上，洋馬VP4E插秧機(jī)被研制出來，內(nèi)部導(dǎo)航系統(tǒng)模塊包括顯示器、控制器、RTK定位系統(tǒng)、視覺傳感器等。在基站與移動站參數(shù)設(shè)置方面，將集成化安裝到農(nóng)機(jī)之前，應(yīng)對C94M8P模塊參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。首先是基站設(shè)置，將基站模塊中的衛(wèi)星天線固定在天線板上，通過數(shù)據(jù)線將模塊與計算機(jī)相連，開啟u-center進(jìn)行設(shè)置。然后確定基站坐標(biāo)，主要包括兩種方式，一種是將基站設(shè)置在已知坐標(biāo)處，再將其輸入到FixedPosition中；另一種是將基站模塊作為單獨(dú)信號接收機(jī)進(jìn)行定位，對定位誤差與最長觀測時間進(jìn)行設(shè)置，當(dāng)滿足二者中任何一個閾值后，自定位過程結(jié)束，通常在10～15min觀測時間內(nèi)定位精度可達(dá)到1m左右。在基站設(shè)置完畢后，另取一塊C94M8P模塊與計算機(jī)相連，除了無須額外輸入移動站位置，其他設(shè)置過程與基站相同。最后，安裝定位模塊。RTK系統(tǒng)中的基站與移動站為兩個單獨(dú)的模塊，需要同時外接天線與CAN總線，不可直接安裝到插秧機(jī)設(shè)備中，而要將全部部件先集成到自制塑料盒內(nèi)。C94M8P模塊安裝完畢后，還應(yīng)將塑料盒分別安裝在三腳架與插秧機(jī)橫梁上，將全部GPS模塊與轉(zhuǎn)換器塑料盒設(shè)置在思銳R2004三腳架上，為了避免周圍矮小樹木干擾信號，應(yīng)將高度定位1m，并且確保接收機(jī)測出位置坐標(biāo)能夠準(zhǔn)確表示插秧機(jī)控制點(diǎn)的位置。對此，應(yīng)在插秧機(jī)的前部懸梁上設(shè)置移動站，對于一般插秧機(jī)來說都要配備該懸梁。在插秧機(jī)工作中，控制器還應(yīng)根據(jù)GPS-RTK系統(tǒng)輸出偏差調(diào)整裝備運(yùn)行路徑，安裝慣性導(dǎo)航傳感器用于調(diào)整農(nóng)機(jī)姿態(tài)，避免航向角度過度偏離目標(biāo)，影響插秧效果，使其更好地適應(yīng)現(xiàn)代化農(nóng)田作業(yè)需求。

3結(jié)論

在智能農(nóng)業(yè)發(fā)展背景下，rtkgps系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)裝備改良中起到了關(guān)鍵作用，由此研發(fā)的改良平地機(jī)、農(nóng)機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)、變量農(nóng)機(jī)設(shè)備以及聯(lián)合收割機(jī)等可減輕勞動強(qiáng)度，提高農(nóng)業(yè)作業(yè)效率，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)精度達(dá)到厘米級別，還可自動規(guī)劃和矯正路線，擴(kuò)大衛(wèi)星信號的接收范圍等，將該項技術(shù)引入農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，可為現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)普及提供極大助力。

參考文獻(xiàn)

[1]徐紀(jì)洋.RTKGNSS系統(tǒng)在智能化農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備中的應(yīng)用[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計,2018(31):3243.

[2]蔣浩.基于RTK技術(shù)的農(nóng)業(yè)機(jī)械自動導(dǎo)航系統(tǒng)研究[D].浙江大學(xué),2019.

作者：陳冠昊 單位：邢臺職業(yè)技術(shù)學(xué)院