農業機械中導航技術的應用

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摘要：當前經濟的發展與科技的結合日趨緊密，在農業的發展中，大型農用機械和高精度農用科技的投入給農業生產力提升帶來到了新的革命。文章以農業機械中的導航技術應用為切入點，通過分析導航技術的發展，導航技術的主要門類以及導航機械中的具體技術應用方式，闡述了農業機械中導航技術對農業發展的巨大作用，希望能對我國農業經濟的進一步科學化帶來新的啟示。

關鍵詞：農業經濟；機械化；導航技術；應用

1農業導航機械的發展

（1）衛星導航。衛星導航是導航技術的起源。隨著地理信息技術以及地球衛星裝備的豐富和完善，衛星導航的精度與傳感速度等性能也得到了不斷地提升。以目前應用最廣的民用導航（GPS導航）為例，美國斯坦福大學農業技術學院的農業機械教師MichaelO'Connor在20世紀60年代為約翰迪爾7800拖拉機設計了一套導航系統。在駕駛室內安裝了四通道傳感器，航向響應約為1°，直線跟蹤偏差小于2m。而且日本、加拿大、歐洲各國也紛紛對該項技術進行了研究。利用GPS技術解決了插秧機、農業噴灑機、收割機等大型農業機械的導航問題。

（2）機械導航。在立式園林和農田中，除了GPS導航之外，還可以運用機械導航對農業機械進行指引。機械導航主要是利用導航儀里的傳感接收器，對車輛或者機械前進進行引導，對固體引導目標進行接觸式的導航。使用目標大多為果園、樹林、玉米高粱等直立式固體農作物。我國在該項技術上曾取得一定的突破，朱磊、何卿教授在拖拉機等設備上安裝接觸式機械導航，對玉米田間作業進行導航，導航精度和控制力度大大提高。

（3）視覺導航技術。20世紀80年代，英國率先在農業機械上研發視覺導航技術。相比于衛星導航的高昂費用，視覺導航在農業中的使用前景更加廣闊。英國人Marchant將里程記錄儀和視覺傳感器安裝到農業車輛中，通過卡爾曼濾波完成信息的輸送。經過試驗對照，在同面積的農業作業中，視覺傳感器引導的視覺導航比衛星導航在靈活性和精確度上都有著一定的優勢。隨著現代視覺圖像收集與處理系統的不斷進步，視覺導航也增加了圖像識別與分辨功能，比如瑞典Astrand的Hough變換技術可以除去雜草等植物的干擾，增加了農機的使用效率等。

2農業機械導航需要具備的關鍵技術

（1）環境感知技術。農機導航中使用的環境感知技術，主要指農業機械使用自帶的傳感器對外界的各種信息進行發現和捕捉，通過系統處理后得出有效運用處理方式的技術。環境感知技術的最終目的是計算機模擬出外界的環境，轉化成信息進行處理的一種技術。通過該項技術，農業機械或者機器人實現進一步的路徑規劃和行為命令，因此感知精確度是機械操作精確度和自動化智能化程度的重要技術指標。近年來，電子信息工程在飛速發展，機器人對外界環境的分析已經升級到納米級。因此相匹配的傳感器、接收器和處理器都進入到相對穩定的層面。比如我國農業機械中就已經成功試驗了顏色直方圖識別技術，通過紅外感知編碼顏色直方圖，編程技術借助SIFT技術進行編寫。讓農用機械可以進行大面積的環境感知。而且在細小的田園作業中，農用機械也實現了灰色視覺系統與彩色視覺系統的交互，或是利用激光導向和水平識別判斷障礙物，讓農用機械實現復雜環境下的自動規劃路徑導航。

（2）智能控制系統。根據需要導航機械的工作環境，農用機械對控制系統的技術更為看重。智能控制系統主要分為橫向控制和縱向控制。橫向控制主要指對機械工作方式的控制，對導航技術的使用較少。縱向控制需要借助導航技術實現農用機械的路徑規劃、機械位置信息、工作范圍統計和日工作量測算等。因此，縱向控制技術的高低取決于導航器設計技術的高低。當前我國農用機械尤其是飛行農用機械借助的導航器主要是GPS、GIS以及RS系統，具體控制方式有神經網絡控制和模糊控制等，前者實現了農用機械直線行駛的偏差率控制，后者實現了農用機械的自動轉向等功能。

（3）地圖營造技術。地圖營造技術主要指農用機械在獲取外界信息后，在系統中營造環境、模擬環境的技術能力。當前農用機械可以借助小型的視覺傳感器、激光雷達、紅外線、聲吶系統實現全天候水陸空三犧環境的信息加載。借助預設的數學模型直接模擬外界環境，構建信息地圖，從而幫助農用機械選擇適當的導航方式。精確地模擬地圖設置實現了路徑導航的自動化功能，地圖構建分為柵格地圖、拓撲地圖和三維地圖等，比如丹麥的Rovira-Mas就曾經利用三維地圖幫助農用機械自動導航規避障礙物行進，他使用的技術是二維柵格地圖與GIS數據相結合，探測出前方物體，并進行自動化地判斷。總之，導航設備的地圖營造能力越強，農用機械導航效果就越精細，線路規劃也就越完善。

3導航技術發展與應用中的優化措施

（1）豐富農業環境的基礎信息庫。我國農業發展環境惡劣，耕地面積不足。因此發展山區農業將成為我國糧食戰略的有力補充。但是我國山區環境地形復雜，信號覆蓋率較弱，受干擾的機率較高，對導航作業的開展相對不利。因此我國地理信息技術人員應當增加地理信息環境庫的信息補充，讓農用機械在地形復雜的地區可以不借助衛星導航，直接使用數據庫信息輔助導航。實現導航技術與自主運行相結合，同時也為視覺導航和機械導航的進一步發展提供信息技術支持。

（2）加強傳感器技術的性能提升。當前我國農業機械自身的性能還存在較大的問題。比如農用機械故障率較高、自身噪音較大、中高頻輻射影響較強等。這些問題都對導航器的工作帶來了較大的困擾。比如，視覺導航中視覺捕捉系統通過紅外感知或者光線感知收集外界信息，但是由于農用機械散熱性能較差，影響了紅外功能，或者由于自身輻射影響了導航信號的接收等。這都對農用機械中的導航技術造成誤差影響。因此這需要我國農機企業不斷提高機械制造精度，提升農機精細化制作，減少各種功能故障。還可以開發農用機械的配套抗干擾設備，改善導航設備的工作環境。

（3）提升獨立裝備和協同裝備的配合能力。當前我國的農業機械的導航技術，對于農用機械獨立裝備的導航，對于大型農機械的協同配合還缺少實踐與探索。因此，應在未來的時間里，應加大研究和開發多裝備協同作業的導航技術，爭取實現一次作業解決多種問題的效果。

4結語

總而言之，導航技術的發展與農業的規模化關系緊密。因此我國農業科技人員應結合我國農業發展的戰略要求，不斷學習國內外農用機械導航發展的前沿技術，提高我國導航技術在農用機械中的應用比例，促進我國農機自動化的技術的發展，實現藏糧于地，藏糧于技的宏偉目標。

作者:易勤慧 單位:湖北省建始縣高坪鎮農業機械服務中心