农业机械自动导航技术浅探

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摘要:通过对目前国内外农业机械自动导航技术的发展现状进行分析，阐述自动导航技术在农业机械中的应用现状与发展瓶颈，提出未来自动导航技术在农业机械发展过程中的应用重点与难点，研究结果对于提高农业机械自动导航技术、促进农业机械智能化、现代化发展具有重要意义。

关键词:农业机械;自动导航;研究现状;发展趋势

0引言

农业机械是指在农业生产中代替人力进行各种农业操作的机械及其配套农机具产品，是农业生产中的重要组成部分，是提高农业工作效率，保障农业高效、快速、低强度作业的重要条件［1］。随着农业机械化的快速推进与高速发展，我国农业机械化正在向智能方向发展。农业机械自动导航系统(AgriculturalMachineryAutomaticNavigationTechnology，AMANT)，其本质是行驶车辆按照预设进行自主运行的反馈控制系统，可以将驾驶者从单一枯燥的驾驶过程中解放出来［2］。在农业机械中应用自动导航技术，能实现在人力不进入田间时通过远程控制系统进行田间作业操作，改善了农业工作人员的工作环境，推进农业现代化进程。目前，我国在部分大型农场进行了无人农场的建设，主要核心技术就是农业机械自动导航技术。

1农业机械自动导航技术

农业机械自动导航是农业智能化装备的重要组成部分，主要包括田间环境获取、农业机械姿态信息获取、定位技术及自动导航控制技术等［3］。其中信息获取及导航控制技术是农业机械自动导航技术的核心与基础条件，其精度是决定农业机械田间工作效率的重要保障。农业机械导航技术主要分为全路径规划与局部路径规划。全局路径规划主要是在整个作业区域各种环境及障碍物已知的情况下，对整个生产环境进行全部覆盖规划，地块边界及行走方法(图1);随着相关传感器技术及灵敏度的不断提升，对外界未知环境的获取能力逐渐提升，可以在没有获取全部田间环境的情况下对未知区域进行自动信息获取与分析，实时进行路径规划，但是对相关传感器精度及田间环境中心处理器要求较高。

2自动导航拖拉机中的关键技术

2.1卫星定位系统

当前农业机械自动导航技术能准确对机械田间运动轨迹及行驶过程信息进行实时采集，当遇到障碍物时可以保障农业机械顺利避让，保证农业机械安全行驶，如同“眼睛”一样的存在。目前，主要以GPS、INT及MMT技术为主要组成部分。其中，GPS和INT应用较为广泛。GPS技术就是常见的导航定位技术，主要是通过在农业机械上安装定位系统实时分享农业机械运动轨迹及地理信息，用户可以远程了解车辆行驶情况与路况信息。INT技术，又被称为惯性导航技术，主要是依靠对车辆行驶速度及运动方向进行数据计算，进而确定农业机械在不同运行时间所处的地理环境。与GPS技术相比，INT技术不会受到外界环境及气候因素的影响与干扰，要提高预测精度，需将GPS技术与INT技术进行集合，实现优势互补［4］。

2.2算法优化系统

我国关于人工智能算法的研究开始于20世纪90年代，由于相关技术不够成熟，所以在各个行业的实际应用相对落后，仍处于试验阶段，目前主要在电子、半导体、汽车行业及交通中应用较为广泛，在农业生产中应用属于初级阶段。未来实现农业生产中的精准作业，对相关算法流程进行优化，常见的优化算法主要包括遗传算法、蚁群算法、模拟退火算法、鲸鱼算法等相关种群算法。其中，遗传算法是一种应用较为广泛且基础的基本优化算法，在进行农业机械自动导航技术运动轨迹优化时，将田间环境及地块进行排序优化，降低作业重复率(图2);模拟退火算法在农业机械中应用尚不成熟，但是模拟退火算法可以很好地解决农业机械自动导航技术中近似求解及最优化问题，可以对大规模的数据量进行搜索求解，相关研究人员利用模拟退火算法可以对农业机械田间运行轨迹进行实时规划与选择(图3)，对于复杂田间环境下的障碍物避让具有很好的优化选择作用［5］。

3拖拉机自动导航技术的优势

3.1降低劳动强度

农业机械自动导航技术可以将驾驶操作人员从单一、重复的驾驶疲劳中解放出来，而且通常农业环境较为恶劣，可以减轻农户在田间的劳动强度，用户只需要远程操控农业机械并关注田间作业效果即可，当农业机械在田间运行轨迹或者作业出现偏差时，及时进行远程调控即可。运用自动导航技术，可以使工作人员更好地控制作业质量，提高田间农业机械作业效率，减轻疲劳感，在减轻用户图3模拟退火算法下农业机械自动避让障碍物劳动强度、减少田间人力物力投入的同时，保证田间作业效率与作业效果。

3.2提高工作效率

传统农业机械化操作时，需要人力驾驶农业机械进行田间作业，但是当天气变化、降雨、高温等，操作人员无法进入田间进行农事操作，影响作业时间，耽误农时。因此，实现农业机械自动导航技术，无论是在什么田间环境及气候环境下，都可以进行田间农业操作，不耽误农时。传统工作环境下，由于田间作业复杂，尤其是在进行作物收获时，田间作物繁盛，容易遮挡视线，无法对周边的环境进行及时感知，会造成农业操作失误，因此，农业机械化导航技术的精准应用可以提高作业效率，减少人力投入。

3.3精准作业

农业机械自动导航技术为我国精准农业的发展提供技术条件，推动我国农业智能化发展，配合相关的中耕机械、植保机械等可以完成多项农业操作，工作人员可以定点、定位、定量地进行精准农业操作，对于推动我国农业生产及现代化转型具有重要意义。随着目前农业生产的快速发展，我国农业生产模式逐渐趋于将多种农业机械进行协同作业，一次进入田间作业完成多种作业工序，可以减轻农业机械对土地造成的碾压，保护土壤环境。

4自动导航拖拉机存在的问题及发展趋势

4.1存在的问题

4.1.1定位导航精度低。目前，农业机械中的定位导航技术是一个集多学科，包括计算机技术、机械设计与制造技术、人工智能技术、农学技术、传感器技术及视觉识别技术等为一体的综合田间技术。我国地域辽阔，平原、盆地、山川、丘陵等都进行农业种植，但是，相关农业传感器的应用会受到地理环境、气候环境等因素会影响，进而影响自动导航系统的运行精度，限制了自动导航系统在我国不同农田地理环境中的应用与发展。4.1.2农业机械化及自动化水平低。农业机械化程度较低，农业机械及其相关配套机具配合协调性较差也是影响农业机械自动导航技术的重要因素，只有农业机械化程度及相关配套机具水平高，才可以更好地完成田间农业操作。由于农业机械组装复杂，关键零部件较多，在农业操作时，容易导致农业机械使用故障，因此，应该加强对农业机械设计及制造过程中的规范操作与维修保养体系构建。4.1.3农业生产智能化程度低。目前，我国农业机械化可以基本降低农户的劳动强度，但是相关农业技术装备仍处于初级阶段，与国外发达国家相比，我国农业机械水平、生产作业效率及智能化程度较低，农机装备智能化程度的高低会影响人工智能水平及自动导航技术在农业机械中的应用，应促进农业生产向智能化方向发展。

4.2发展趋势

4.2.1发展配套设备，建立配套支撑体系农业机械自动导航技术是多种技术的交互融入及各个学科的深度融合，主要是由传感器技术、机械设计及制造技术、计算机技术、人工智能技术等多种学科组成。传感器技术是农业机械自动导航技术的核心，是连接农业机械行走路径与外界环境的信息交换与数据处理，是决定农业机械在田间工作效率的关键评价指标;机械设计及制造技术是基础，良好的农业机械工作性能是影响田间作业质量的重要指标;人工智能技术是信息处理的核心，能对外界环境数据及接受信息进行实时处理并作出精准判断。目前，我国相关传感器自主研发性与创新性较差，进口设备与国内其他设备配合不协调，使用效果较差，因此，应该注重基础设施的建设，提高自主研发性能，对于整套设备进行自主研发，提高作业效率与配套性。4.2.2多种农业机械协同导航工作技术。在实现对整机系统自动导航的同时，应该加大对各种配套农业机械的协同作业。当进行作物播种时，农业机械按照运行轨迹进行运动，播种机同时配合自动导航系统，可以提高播种精度，田间播种更加规范，减少重播漏播现象的发生;对作物进行大面积植保、喷药时，可以进行精准定位，辨别虫害发生程度等级，有针对性地进行药量控制与喷洒，保证化学药剂定量使用的同时进行精准喷药，提高作业效率;当进行作物联合收获时，目前农业机械需要一次性完成作物收获、秸秆粉碎、土壤翻耕等技术，增加自动导航技术可以提高作业效率，田间环境复杂，可以减少对作物收获时的籽粒损伤与果穗受损，保障粮食产量，减少田间浪费，增加农户收入，促进精准作业与可持续发展农业的发展。

5结语

农业机械自动导航技术是提高农业生产效率，缓解由于劳动力短缺造成的农业生产力不足问题的有效手段。本研究系统阐述目前农业机械自动导航技术的关键组成部分与工作原理，对关键技术进行分析，指出目前农业生产中的发展难点，并以此为基础提出我国未来农业机械自动导航系统工作效率的主要研究方向与研究重点，研究结果对于提高农业机械自动导航系统的工作效率提供技术参考与理论基础。

参考文献:

［1］王春雷，李洪文，何进，等．自动导航与测控技术在保护性耕作中的应用现状和展望［J］．智慧农业(中英文)，2020，2(4):41－55．

［2］彭靖叶．基于机器视觉的谷物联合收获机辅助导航技术研究［D］．武汉:华中农业大学，2020．

［3］郭杰，刘大为．浅谈自动导航技术在我国农业机械中的应用［J］．南方农机，2019，50(23):17－18．

［4］张琳洁．基于GPS的农机自动导航系统的研究与设计［D］．太原:太原理工大学，2016．

［5］张亚娇．农机自动驾驶监控终端关键技术研究与系统开发［D］．广州:华南农业大学，2016．

作者:于金英 单位:榆树市农业机械化学校