農業(yè)機械自動導航技術淺探
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摘要:通過對目前國內外農業(yè)機械自動導航技術的發(fā)展現(xiàn)狀進行分析，闡述自動導航技術在農業(yè)機械中的應用現(xiàn)狀與發(fā)展瓶頸，提出未來自動導航技術在農業(yè)機械發(fā)展過程中的應用重點與難點，研究結果對于提高農業(yè)機械自動導航技術、促進農業(yè)機械智能化、現(xiàn)代化發(fā)展具有重要意義。
關鍵詞:農業(yè)機械;自動導航;研究現(xiàn)狀;發(fā)展趨勢
0引言
農業(yè)機械是指在農業(yè)生產中代替人力進行各種農業(yè)操作的機械及其配套農機具產品，是農業(yè)生產中的重要組成部分，是提高農業(yè)工作效率，保障農業(yè)高效、快速、低強度作業(yè)的重要條件［1］。隨著農業(yè)機械化的快速推進與高速發(fā)展，我國農業(yè)機械化正在向智能方向發(fā)展。農業(yè)機械自動導航系統(tǒng)(AgriculturalMachineryAutomaticNavigationTechnology，AMANT)，其本質是行駛車輛按照預設進行自主運行的反饋控制系統(tǒng)，可以將駕駛者從單一枯燥的駕駛過程中解放出來［2］。在農業(yè)機械中應用自動導航技術，能實現(xiàn)在人力不進入田間時通過遠程控制系統(tǒng)進行田間作業(yè)操作，改善了農業(yè)工作人員的工作環(huán)境，推進農業(yè)現(xiàn)代化進程。目前，我國在部分大型農場進行了無人農場的建設，主要核心技術就是農業(yè)機械自動導航技術。
1農業(yè)機械自動導航技術
農業(yè)機械自動導航是農業(yè)智能化裝備的重要組成部分，主要包括田間環(huán)境獲取、農業(yè)機械姿態(tài)信息獲取、定位技術及自動導航控制技術等［3］。其中信息獲取及導航控制技術是農業(yè)機械自動導航技術的核心與基礎條件，其精度是決定農業(yè)機械田間工作效率的重要保障。農業(yè)機械導航技術主要分為全路徑規(guī)劃與局部路徑規(guī)劃。全局路徑規(guī)劃主要是在整個作業(yè)區(qū)域各種環(huán)境及障礙物已知的情況下，對整個生產環(huán)境進行全部覆蓋規(guī)劃，地塊邊界及行走方法(圖1);隨著相關傳感器技術及靈敏度的不斷提升，對外界未知環(huán)境的獲取能力逐漸提升，可以在沒有獲取全部田間環(huán)境的情況下對未知區(qū)域進行自動信息獲取與分析，實時進行路徑規(guī)劃，但是對相關傳感器精度及田間環(huán)境中心處理器要求較高。
2自動導航拖拉機中的關鍵技術
2.1衛(wèi)星定位系統(tǒng)
當前農業(yè)機械自動導航技術能準確對機械田間運動軌跡及行駛過程信息進行實時采集，當遇到障礙物時可以保障農業(yè)機械順利避讓，保證農業(yè)機械安全行駛，如同“眼睛”一樣的存在。目前，主要以GPS、INT及MMT技術為主要組成部分。其中，GPS和INT應用較為廣泛。GPS技術就是常見的導航定位技術，主要是通過在農業(yè)機械上安裝定位系統(tǒng)實時分享農業(yè)機械運動軌跡及地理信息，用戶可以遠程了解車輛行駛情況與路況信息。INT技術，又被稱為慣性導航技術，主要是依靠對車輛行駛速度及運動方向進行數(shù)據(jù)計算，進而確定農業(yè)機械在不同運行時間所處的地理環(huán)境。與GPS技術相比，INT技術不會受到外界環(huán)境及氣候因素的影響與干擾，要提高預測精度，需將GPS技術與INT技術進行集合，實現(xiàn)優(yōu)勢互補［4］。
2.2算法優(yōu)化系統(tǒng)
我國關于人工智能算法的研究開始于20世紀90年代，由于相關技術不夠成熟，所以在各個行業(yè)的實際應用相對落后，仍處于試驗階段，目前主要在電子、半導體、汽車行業(yè)及交通中應用較為廣泛，在農業(yè)生產中應用屬于初級階段。未來實現(xiàn)農業(yè)生產中的精準作業(yè)，對相關算法流程進行優(yōu)化，常見的優(yōu)化算法主要包括遺傳算法、蟻群算法、模擬退火算法、鯨魚算法等相關種群算法。其中，遺傳算法是一種應用較為廣泛且基礎的基本優(yōu)化算法，在進行農業(yè)機械自動導航技術運動軌跡優(yōu)化時，將田間環(huán)境及地塊進行排序優(yōu)化，降低作業(yè)重復率(圖2);模擬退火算法在農業(yè)機械中應用尚不成熟，但是模擬退火算法可以很好地解決農業(yè)機械自動導航技術中近似求解及最優(yōu)化問題，可以對大規(guī)模的數(shù)據(jù)量進行搜索求解，相關研究人員利用模擬退火算法可以對農業(yè)機械田間運行軌跡進行實時規(guī)劃與選擇(圖3)，對于復雜田間環(huán)境下的障礙物避讓具有很好的優(yōu)化選擇作用［5］。
3拖拉機自動導航技術的優(yōu)勢
3.1降低勞動強度
農業(yè)機械自動導航技術可以將駕駛操作人員從單一、重復的駕駛疲勞中解放出來，而且通常農業(yè)環(huán)境較為惡劣，可以減輕農戶在田間的勞動強度，用戶只需要遠程操控農業(yè)機械并關注田間作業(yè)效果即可，當農業(yè)機械在田間運行軌跡或者作業(yè)出現(xiàn)偏差時，及時進行遠程調控即可。運用自動導航技術，可以使工作人員更好地控制作業(yè)質量，提高田間農業(yè)機械作業(yè)效率，減輕疲勞感，在減輕用戶圖3模擬退火算法下農業(yè)機械自動避讓障礙物勞動強度、減少田間人力物力投入的同時，保證田間作業(yè)效率與作業(yè)效果。
3.2提高工作效率
傳統(tǒng)農業(yè)機械化操作時，需要人力駕駛農業(yè)機械進行田間作業(yè)，但是當天氣變化、降雨、高溫等，操作人員無法進入田間進行農事操作，影響作業(yè)時間，耽誤農時。因此，實現(xiàn)農業(yè)機械自動導航技術，無論是在什么田間環(huán)境及氣候環(huán)境下，都可以進行田間農業(yè)操作，不耽誤農時。傳統(tǒng)工作環(huán)境下，由于田間作業(yè)復雜，尤其是在進行作物收獲時，田間作物繁盛，容易遮擋視線，無法對周邊的環(huán)境進行及時感知，會造成農業(yè)操作失誤，因此，農業(yè)機械化導航技術的精準應用可以提高作業(yè)效率，減少人力投入。
3.3精準作業(yè)
農業(yè)機械自動導航技術為我國精準農業(yè)的發(fā)展提供技術條件，推動我國農業(yè)智能化發(fā)展，配合相關的中耕機械、植保機械等可以完成多項農業(yè)操作，工作人員可以定點、定位、定量地進行精準農業(yè)操作，對于推動我國農業(yè)生產及現(xiàn)代化轉型具有重要意義。隨著目前農業(yè)生產的快速發(fā)展，我國農業(yè)生產模式逐漸趨于將多種農業(yè)機械進行協(xié)同作業(yè)，一次進入田間作業(yè)完成多種作業(yè)工序，可以減輕農業(yè)機械對土地造成的碾壓，保護土壤環(huán)境。
4自動導航拖拉機存在的問題及發(fā)展趨勢
4.1存在的問題
4.1.1定位導航精度低。目前，農業(yè)機械中的定位導航技術是一個集多學科，包括計算機技術、機械設計與制造技術、人工智能技術、農學技術、傳感器技術及視覺識別技術等為一體的綜合田間技術。我國地域遼闊，平原、盆地、山川、丘陵等都進行農業(yè)種植，但是，相關農業(yè)傳感器的應用會受到地理環(huán)境、氣候環(huán)境等因素會影響，進而影響自動導航系統(tǒng)的運行精度，限制了自動導航系統(tǒng)在我國不同農田地理環(huán)境中的應用與發(fā)展。4.1.2農業(yè)機械化及自動化水平低。農業(yè)機械化程度較低，農業(yè)機械及其相關配套機具配合協(xié)調性較差也是影響農業(yè)機械自動導航技術的重要因素，只有農業(yè)機械化程度及相關配套機具水平高，才可以更好地完成田間農業(yè)操作。由于農業(yè)機械組裝復雜，關鍵零部件較多，在農業(yè)操作時，容易導致農業(yè)機械使用故障，因此，應該加強對農業(yè)機械設計及制造過程中的規(guī)范操作與維修保養(yǎng)體系構建。4.1.3農業(yè)生產智能化程度低。目前，我國農業(yè)機械化可以基本降低農戶的勞動強度，但是相關農業(yè)技術裝備仍處于初級階段，與國外發(fā)達國家相比，我國農業(yè)機械水平、生產作業(yè)效率及智能化程度較低，農機裝備智能化程度的高低會影響人工智能水平及自動導航技術在農業(yè)機械中的應用，應促進農業(yè)生產向智能化方向發(fā)展。
4.2發(fā)展趨勢
4.2.1發(fā)展配套設備，建立配套支撐體系農業(yè)機械自動導航技術是多種技術的交互融入及各個學科的深度融合，主要是由傳感器技術、機械設計及制造技術、計算機技術、人工智能技術等多種學科組成。傳感器技術是農業(yè)機械自動導航技術的核心，是連接農業(yè)機械行走路徑與外界環(huán)境的信息交換與數(shù)據(jù)處理，是決定農業(yè)機械在田間工作效率的關鍵評價指標;機械設計及制造技術是基礎，良好的農業(yè)機械工作性能是影響田間作業(yè)質量的重要指標;人工智能技術是信息處理的核心，能對外界環(huán)境數(shù)據(jù)及接受信息進行實時處理并作出精準判斷。目前，我國相關傳感器自主研發(fā)性與創(chuàng)新性較差，進口設備與國內其他設備配合不協(xié)調，使用效果較差，因此，應該注重基礎設施的建設，提高自主研發(fā)性能，對于整套設備進行自主研發(fā)，提高作業(yè)效率與配套性。4.2.2多種農業(yè)機械協(xié)同導航工作技術。在實現(xiàn)對整機系統(tǒng)自動導航的同時，應該加大對各種配套農業(yè)機械的協(xié)同作業(yè)。當進行作物播種時，農業(yè)機械按照運行軌跡進行運動，播種機同時配合自動導航系統(tǒng)，可以提高播種精度，田間播種更加規(guī)范，減少重播漏播現(xiàn)象的發(fā)生;對作物進行大面積植保、噴藥時，可以進行精準定位，辨別蟲害發(fā)生程度等級，有針對性地進行藥量控制與噴灑，保證化學藥劑定量使用的同時進行精準噴藥，提高作業(yè)效率;當進行作物聯(lián)合收獲時，目前農業(yè)機械需要一次性完成作物收獲、秸稈粉碎、土壤翻耕等技術，增加自動導航技術可以提高作業(yè)效率，田間環(huán)境復雜，可以減少對作物收獲時的籽粒損傷與果穗受損，保障糧食產量，減少田間浪費，增加農戶收入，促進精準作業(yè)與可持續(xù)發(fā)展農業(yè)的發(fā)展。
5結語
農業(yè)機械自動導航技術是提高農業(yè)生產效率，緩解由于勞動力短缺造成的農業(yè)生產力不足問題的有效手段。本研究系統(tǒng)闡述目前農業(yè)機械自動導航技術的關鍵組成部分與工作原理，對關鍵技術進行分析，指出目前農業(yè)生產中的發(fā)展難點，并以此為基礎提出我國未來農業(yè)機械自動導航系統(tǒng)工作效率的主要研究方向與研究重點，研究結果對于提高農業(yè)機械自動導航系統(tǒng)的工作效率提供技術參考與理論基礎。
參考文獻:
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［2］彭靖葉．基于機器視覺的谷物聯(lián)合收獲機輔助導航技術研究［D］．武漢:華中農業(yè)大學，2020．
［3］郭杰，劉大為．淺談自動導航技術在我國農業(yè)機械中的應用［J］．南方農機，2019，50(23):17－18．
［4］張琳潔．基于GPS的農機自動導航系統(tǒng)的研究與設計［D］．太原:太原理工大學，2016．
［5］張亞嬌．農機自動駕駛監(jiān)控終端關鍵技術研究與系統(tǒng)開發(fā)［D］．廣州:華南農業(yè)大學，2016．
作者:于金英 單位:榆樹市農業(yè)機械化學校
