智能化农业机械装备RTKGPS系统应用

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摘要：随着精准农业的提出，以RTKGPS系统为基础的新型生产模式诞生。文章针对RTKGPS系统的技术原理展开分析，阐述了该系统在农业智能化中的应用，包括改良平地机、农机导航系统、变量农机设备以及联合收割机等，力求使农业真正实现智能化、精准化生产，推动农业可持续发展。

关键词：GPS系统；智能技术；农业机械设备；应用

为了提高农业生产效率，将电子技术与农业机械相结合，衍生出智能化农业机械设备，以RTKGPS系统为例，将其应用到农业生产中，根据每块土地特性与农作物生长特点，在恰当的时间施加相应的肥料，真正落实精准农业模式，实现经济与环境效益最大化目标。

1RTKGPS系统技术原理

RTKGPS系统是在两个测站的载波相位基础上构建而成，以实时型为主，可以迅速定位，将用户与系统相互连接，结构相对较为复杂，是该系统的设计基础。在应用过程中由基准站利用数据链将观测结构传递给流动站，流动站对卫星与载波相位进行接收，通过差分处理后给出定位结果。该系统的应用效率较高，每个站点可覆盖5～10km的半径区域，且精度可达厘米级别，无累积误差，即便是在野外观测中同样会取得理想的测量结果[1]。精密GPS定位采用相对技术，无论在几点间同步观测后的处理，还是由基准站将改正值及时传输给流动站，均可看成相对技术。根据采用值类型的不同分为四种类型：实时差分GPS，其精度范围在1～3m之间；广域实时差分，精度范围为1～2m之间；精密时差分，精度在1～5cm之间；实时精密时差分，精度在1～3cm之间。对于差分数据来说，其类型多种多样，其中伪距型与坐标型的定位误差相关性与基站距离之间呈反比关系。RTK观测模型为：paliontopdtdrcp)(dddN式中，代表相位测量值，单位为m；p代表星站间几何距离；c代表光速；dr代表接收机差值；dt代表卫星误差；N代表整周未知数；dion代表电离层折射影响；dtop代表对流层折射；dpal代表相对论效应；代表观测噪声；代表载波相位长度。

2RTKGPS系统在农业智能化设备中的应用

2.1改良平地机

以某农场为例，为了提高农业生产效率，对传统平地机进行改良，引入固定基站与移动接收系统。其中，固定基站包括接收天线、12V直流电源、GNSS接收机等设备，具有高精度特征，在导航、定位等领域得到普遍应用。该设备具有较强的兼容性与接收功能，可结合实际需求内置多星多频板卡、收发一体通信模块，还支持不同通信协议，如SOUTH协议、透明传输等，并与多家GNSS电台无缝衔接，具备以太网通信接口，可为高速网络传输提供更多便利。在车载控制模块中，内部设置无线通信模块、电磁阀模块、定位板卡等，通过平地系统应用，使土地平整度高度精确到±2cm以内。同时，在应用RTK技术后，与常规激光控制相比，工作效率将显著提升，现场作业免受恶劣天气的干扰，作业精度高，后期调试与维护便捷，可取得理想的平地效果。

2.2农机导航系统

在现代导航技术中，RTKGPS系统的诞生具有里程碑式意义，其定位精准、应用范围广、功能全面，可投入到野外观测导航中。在该系统基础上，自动驾驶技术诞生，对车辆行驶路线进行规划和控制，该技术应用到农业设施中，可高效完成翻地等较为繁重、多次反复的生产作业。以智能拖拉机为例，导航控制系统的应用主要体现在以下方面：（1）基准站。主要用于采集RTKGPS定位信号，计算出信号误差后，依靠网络渠道将正确信号传送给拖拉机，以此提高组件定位精度。（2）决策支持组件。其属于导航系统的关键部件，技术人员以此为依据规划农机装备行驶路线，使定位信息得到充分接收与计算，最后调整到最佳路线开展作业。（3）车载卫星组件。将其安装到机体中，与RTKGPS系统相结合接收信号，并向农机装备实时传送信息，通过修正差分信号达到位置矫正的目标。（4）执行组件。主要对农机设备转向进行控制，属于自控系统中的主要部件之一，可提高转向运行效率，无须人工干预便可自动驾驶[2]。

2.3变量农机设备

2.3.1新型喷雾机我国复杂地形较多，农田面积相对较小，对无人机飞行精度要求严格，一旦没有精准喷射农药与化肥，不仅无法起到抵御病虫害的作用，还可能因局部农药过量使粮食或其他生物受到侵害。对于传统喷雾机来说，因定位精准度不高，有时会偏离规划的飞行线路，出现部分地区重复喷洒，部分地区未喷洒到等情况。但在RTKGPS系统应用后，使传统喷雾机得到改良，达到精准作业目标。与以往喷雾设备相比，其增加了定位模块，操作者可在地面通过手持绘测器、移动基站等设备开展作业，支持自定义飞行路线、喷雾量等指标，高效完成农药或化肥的喷洒目标，在飞行的同时还可自动记录喷洒数据，为数据采集提供更多帮助。

2.3.2新型播种机在以往条形播种机的基础上加入智能技术，由此衍生出新型播种机，支持变量投放物料，将其应用到农业生产中，可根据实际需求控制种子与化肥的投放量。该设备的创新要点在于加装RTKGPS系统，并发挥物料投放变量控制器、田间计算机等辅助作用。设备技术原理为操作者事先设置播种或化肥量信息，将其存储到计算机中，利用固定/移动基站规划播种机运行路线。在装置运行中，接收端通过差分分析为其分配相应的线路，发挥决策组件作用并有效决策，利用执行组件优化线路，实现自动化播种的目标。例如，某农场分别采用RTKGPS系统与常规系统种植小麦，通过播种结果调查得知，常规播种设备的播种作业不够均匀，局部出现多播或者漏播情况，需要后期人工补充完善；而RTKGPS系统下的智能播种设备，定位与速度信息精准可靠，可根据实际情况灵活调整装置转速，实现均匀精确播种目标。

2.4联合收割机

该设备主要由地面固定纠偏站与移动接收系统构成，其中前者采用AG214型双频GPS接收机，后者为12V直流电源与PCC电台天线设备。该设备具有精准化、动态化特征，可应用到导航、控制与定位等领域中。在传输路径规划方面，采用差分数据传输模式，以高频无线通信设备为主，信号强度较大，PCC接收机通过RS-232串行接口通信的方式，与GPS接收机连接，将设计参数根据实际需求分门别类，存储在接收机中随时使用。其波特率为9600b/s、起始与停止位各1个，校验位为0。通过上述指标设定，可使RTKGPS系统智能化目标顺利达成。

2.5自动导航插秧机

在农业机械装备中，插秧机的作用是将稻苗种植到稻田中。随着农业种植规模不断扩大，传统插秧机难以满足现实需求，许多企业开始将自动导航系统应用于插秧机，以此提高该装备的智能化水平。在移动平台基础上，洋马VP4E插秧机被研制出来，内部导航系统模块包括显示器、控制器、RTK定位系统、视觉传感器等。在基站与移动站参数设置方面，将集成化安装到农机之前，应对C94M8P模块参数进行设置。首先是基站设置，将基站模块中的卫星天线固定在天线板上，通过数据线将模块与计算机相连，开启u-center进行设置。然后确定基站坐标，主要包括两种方式，一种是将基站设置在已知坐标处，再将其输入到FixedPosition中；另一种是将基站模块作为单独信号接收机进行定位，对定位误差与最长观测时间进行设置，当满足二者中任何一个阈值后，自定位过程结束，通常在10～15min观测时间内定位精度可达到1m左右。在基站设置完毕后，另取一块C94M8P模块与计算机相连，除了无须额外输入移动站位置，其他设置过程与基站相同。最后，安装定位模块。RTK系统中的基站与移动站为两个单独的模块，需要同时外接天线与CAN总线，不可直接安装到插秧机设备中，而要将全部部件先集成到自制塑料盒内。C94M8P模块安装完毕后，还应将塑料盒分别安装在三脚架与插秧机横梁上，将全部GPS模块与转换器塑料盒设置在思锐R2004三脚架上，为了避免周围矮小树木干扰信号，应将高度定位1m，并且确保接收机测出位置坐标能够准确表示插秧机控制点的位置。对此，应在插秧机的前部悬梁上设置移动站，对于一般插秧机来说都要配备该悬梁。在插秧机工作中，控制器还应根据GPS-RTK系统输出偏差调整装备运行路径，安装惯性导航传感器用于调整农机姿态，避免航向角度过度偏离目标，影响插秧效果，使其更好地适应现代化农田作业需求。

3结论

在智能农业发展背景下，rtkgps系统在农业装备改良中起到了关键作用，由此研发的改良平地机、农机导航系统、变量农机设备以及联合收割机等可减轻劳动强度，提高农业作业效率，使农业生产精度达到厘米级别，还可自动规划和矫正路线，扩大卫星信号的接收范围等，将该项技术引入农业生产中，可为现代化农业普及提供极大助力。

参考文献

[1]徐纪洋.RTKGNSS系统在智能化农业机械装备中的应用[J].建筑工程技术与设计,2018(31):3243.

[2]蒋浩.基于RTK技术的农业机械自动导航系统研究[D].浙江大学,2019.

作者：陈冠昊 单位：邢台职业技术学院