談農業機械導航技術發展

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摘要：伴隨科學技術的飛速發展，農業生產不斷實現現代化模式。農業機械導航技術綜合利用數字以及信息開發等技術，為未來的農業生產提供更準確的導向。它可以使農業機械更準確地完成整地、播種、施肥以及收獲。為此，重點分析在農業機械中導航技術的應用，同時提出未來的發展方向，為我國農業機械的發展提供重要的參考。

關鍵詞：農業機械；導航技術；發展

我國農業生產正朝著機械化、自動化、規模化以及信息化的方向逐步發展，農業的生產效率大大提高。農業機械化有助于農民的除草、播種、施肥以及收割等任務，大大降低農民的負擔。在農業機械化的工作當中，導航技術可以有效地幫助農機生產進行的導航控制以及路線規劃，這是導航技術在農業機械生產中應用的基本體現。

1農業機械中應用導航技術的價值體現

導航技術在農業領域中發揮了重要的作用，是農業發展的指南針與風向標，能夠更好地防止農業領域的某些問題。作物需要依賴土壤這一生長環境，導航技術可以測試土壤的特性以及pH值，進而農民可以針對性地種植農作物。導航技術可以偵測當地的環境情況，記錄土壤情況，提供農業科學的試驗研究樣本以及信息。作物的產量是農業質量的衡量標準，農業產量的監測方法以及導航技術的應用非常重要。借助導航技術，可以成功地手動收集對應的數據，并可以準確且快速地預測每畝的產量數據。同時，它也可以選取具有代表性的區域，執行一些標準化測試工作，并將獲得的數據做整合、匯總，獲得最后的統計信息。

2農業機械中自主型導航的關鍵技術

2.1視覺導航技術

與GPS導航技術相比，視覺導航更加靈活，使信息需求者可以在收集材料時準確且直觀地觀察導航中呈現以及存儲的各種圖像。機械導航可以更準確地了解周圍的農業生產環境，并拓寬信息面。視覺導航技術在美國以及英國的研究及應用迅速。我國的視覺導航技術始于20世紀90年代，并已引起許多農業科學家的廣泛參與。在研究過程中，他們建立了視覺導航相應的研究試驗平臺，通過實驗室的色彩空間處理了圖像，并分析以及研究了農業中的視覺導航。視覺傳感器也是一項重大研究進步，它使人們能夠捕獲農作物附近的環境條件，識別障礙物以及雜草等目標并準確導航。

2.2衛星導航技術

衛星GPS導航技術是現代的產物，近年來受到關注并迅速發展。在農業領域，所有具有衛星導航設備以及不同工具的拖拉機，都可以利用這項先進技術提高農業生產運營的質量，然而另一方面，它也對周圍環境造成負面影響，需要選擇正確的用法。2.3其他類型的導航技術衛星導航以及視覺導航在農業生產中使用比較廣泛，提高了農業生產的便利性，是農業機械在生產中的重要組成。此外，還有一些不可忽視的導航技術，例如：機械導航、電磁導航、超聲波導航以及地磁導航等技術。

3導航技術在農業機械中的具體應用

3.1視覺導航技術的具體應用

與傳統的GPS導航技術相比，視覺導航技術在農業機械上的應用，使借助機器視覺的導航應用范圍更加廣泛，應用更靈活。尤其是伴隨我國不斷發展的農業生產，所使用的農業用地也不斷擴大。利用視覺導航的機器視圖，可以收集農田相應的圖像信息，并保證所收集的信息更加豐富、真實、完整。農業機械配備這一視覺導航技術，可自動跟蹤、識別以及檢測實際圖像，并在田間實現除草等農業生產工作。例如，使用卡爾曼濾波器融合傳感器在彎曲形狀的農田中進行感應，并在農業車輛中應用視覺導航系統對彎曲的農作物進行視覺檢測，圖像每一幀可以實現5~12s的短暫處理時間。利用霍夫的變換融合技術，該系統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，實現對農作物的獨立檢測。我國對GPS導航的研究起步較晚，近年來迅速發展。例如，使用XDNZ630型水稻插秧機作為試驗平臺，并通過RTKGPS定位技術對農業機械進行導航，可以建立一個閉環轉向控制系統來實現水稻插秧機的自動轉向導航，便于插秧機的田間操縱，進一步消除GPS定位帶來的誤差，使導航的精度大大提高。此外，配備有視覺導航系統的拖拉機可以進入一些大型農場，其運營質量明顯提高，運行的時間明顯延長。這種導航系統具有技術相對成熟、結構相對簡單等特點。伴隨導航系統產品的廣泛使用，成本也不斷減低。

3.2機械導航技術的具體應用

隨著視覺導航技術在農業機械領域的廣泛應用，一些研究人員逐漸關注機械導航的應用。機械導航技術在農業機械作業中的應用具有許多優點，包括易于操作、維護，成本低廉卻能收獲高收益。如今，國外一些大型農業生產公司正在對機械導航技術進行大量的實踐，成果十分顯著。盡管我國較少對機械導航展開研究，然而在農業機械方面也取得了很好的成果。例如，基于用于導航的曲柄滑塊機構原理的履帶機器人，接觸式且具有兩層控制器的導航控制系統等。如今，在農業果園機械的自動生產方面，已經開發并使用了拖拉機的機械化導航系統，其系統結構示意圖如圖1所示。該自動拖拉機基于機械導航技術，控制最大偏差小于0.2m。

3.3電磁導航的具體應用

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

3.4激光導航的具體應用

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

4在農業機械中導航技術的未來發展建議

對通用導航技術研究可知，當前農業機械領域可以應用多種類型的導航技術，相關的研究活動仍然在繼續，新技術也在不斷開發，應用于當前的農業生產。GPS導航技術已經在農業生產活動中長時間應用，以玉米生產活動為例，玉米種植者借助GPS技術，可以利用自動收獲機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，還可以節省大量的人工。但要注意的是，當前的農業機械作業環境仍然非常復雜，并且難以僅通過簡單的導航技術，就可以滿足相應的導航要求。在比較開闊的田地中，技術人員可以盡快完成導航的評估任務。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，導致雖然存在許多類型的現代化導航技術，然而利用目前的導航技術仍然難以處理機械生產對應的問題的現象發生。所以，目前可以將研究重點放在彌補當前導航技術的不足上，特別是可應用于較大的種植密度以及生產面積的種植區導航上，可以進一步研究激光導航技術，用以代替原始的機械導航技術。該研究活動將提供各種組合的導航傳感器，從而使導航技術可以在較廣的農業生產領域進行應用。

5結束語

當前，農機導航技術在農業生產機械化中成為了重要的話題，增加了農業生產的便利性，并成為農業機械作業中的重要研究內容。這種導航技術的開發以及研究，包括視覺導航、衛星導航等項目，這些項目已不斷在實際的農業生產中投入使用，并取得了良好的生產效果。近年來，在實際的應用以及推廣當中，有許多的成功案例。同時，需要更詳細地研究以適應農業環境的多樣性以及復雜性。在不同導航技術有效結合的環境下，將大大提高農機導航技術對環境的適應能力，并根據當地的實際情況進行對應的作業程序。

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作者：徐大圣 單位：鹽城市農業機械技術推廣中心