农业机械导航关键技术发展分析_张琳洁

农业机械导航关键技术发展分析

张琳洁１，２，张文爱１，韩应征１，周建军２，３，４，５，王　秀２，３，４，５，蔡吉晨２，６

（１．太原理工大学信息工程学院，太原　０３００２４；２．北京农业智能装备技术研究中心，北京　１０００９７：３．国

家农业智能装备工程技术研究中心，北京　１０００９７；４．农业部农业信息技术重点实验室，北京　１０００９７；５．农业智能装备技术北京市重点实验室，北京　１０００９７；６．中国农业大学信息与电气工程学院，北京　１０００８３）

摘　要：自动导航技术是农业机械在农业环境中进行自主控制和智能控制的关键技术，对农业生产精细化、规

模化、智能化研究有着重要意义。为此，首先介绍了农业自动导航的关键技术，并通过分析国内外文献，阐述了

国内外在导航感知系统、导航控制算法和车辆转向控制系统方面的研究现状，最后指出农业机械自动导航技术

的发展趋势和展望。

关键词：农业车辆；自动导航；智能控制

中图分类号：Ｓ１２７文献标识码：Ａ文章编号：１００３－１８８Ｘ（２０１６）０６－００１０－０６

０　引言

农业机械自动导航技术是现代精准农业的一个

重要组成部分，在农业作业中有着广阔的应用和发展

前景。随着信息技术的发展，农业机械自动导航技术

发展迅速。农业机械自动导航技术的实现有利于提

高劳动生产效率、降低驾驶难度、提高作业质量、解放

劳动力，对农业车辆的智能化、农业生产的精细化有

重大促进作用。

１　导航关键技术介绍

农业机械自动导航系统的关键技术主要包括３

个方面：导航感知系统、控制决策系统及车轮转向控制系统。其中，导航感知系统主要是利用导航传感器

对农业机械进行精确定位，目前国内外常用的导航方

法有：ＧＰＳ、机器视觉、惯性导航单元，以及多种传感

器融合的组合导航单元和其它导航方法。导航控制

决策系统主要是选择合适的控制算法，对车辆的转向

进行控制，调节车辆的车轮转角以减少行驶路径与预

定义路径的偏差［１］，常用的控制方法有：ＰＩＤ控制、模

糊控制和神经网络控制等智能控制方法、最优控制方

法，以及多种方法相融合的控制方法［２－３］。车辆转向

控制系统常用的控制方法有：电机驱动控制、液压控

制阀组系统及在上述控制方法中加装其它控制模块

的控制方法。自动导航系统结构如图１所示。

图１　自动导航系统框图

Ｆｉｇ．１　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　Ａｕｔｏｍａｔｉｃ　Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ

收稿日期：２０１５－０５－２０基金项目：“十二五”农村领域国家科技计划项目（２０１３ＢＡＤ０８Ｂ０４－５）作者简介：张琳洁（１９９０－），女，河南洛阳人，硕士研究生，（Ｅ－ｍａｉｌ）９０３２９５１２０＠ｑｑ．ｃｏｍ。通讯作者：王　秀（１９６５－），男，河北万全人，研究员，博士生导师，（Ｅ－ｍａｉｌ）ｗａｎｇｘ＠ｎｅｒｃｉｔａ．ｏｒｇ．ｃｎ。１．１　导航环境感知

１．１．１　机器视觉

机器视觉（ｍａｃｈｉｎｅ　ｖｉｓｉｏｎ）是利用计算机和工业

摄像机模拟人类视觉功能的科学方法。在导航控制

系统中，视觉传感器主要是识别路线和检测障碍物及

·０１·２０１６年６月农机化研究第６期DOI:10.13427/j.cnki.njyi.2016.06.002检测农业机械车辆相对目标作物行的位置和航向，使

农机完成路径跟踪的自动驾驶作业或实现农机避障

的驾驶作业［３］。机器视觉检测范围大，容易得到丰富

的目标信息，系统的成本较低；但由于农田作业环境

复杂、多变，导航过程中机器视觉精度较难控制且视

觉系统要求农业机械的行驶速度较慢，对作业车辆的

驾驶要求也较高。同时，视觉系统在数据处理时较难

与车辆的行驶同步进行，系统的实时性较差。

１．１．２　ＧＰＳ定位系统

全球定位系统简称ＧＰＳ，是一种可全天候工作的

定位系统，由围绕地球轨道运行的２４颗导航卫星组

成。安装在导航车辆上的ＧＰＳ系统能提供车辆的三

维空间位置信息［４－５］。该方法是将１台ＧＰＳ接收系

统（由ＧＰＳ天线、无线电台、接收机，电源等组成）安

置在地面基站进行观测，将ＧＰＳ移动站（由ＧＰＳ天

线、接收机、电源等组成）放在导航机械上，农机行驶

时根据基站已知精密坐标，计算出基站到卫星的距离

修正数，获得农机的相对坐标。导航作业中大部分采

用ＲＴＫ－ＧＰＳ（Ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ　ｋｉｎｅｍａｔｉｃ　ＧＰＳ）差分ＧＰＳ

技术，即用附加的差分修正信号改善ＧＰＳ定位精度。

目前，ＧＰＳ自动导航系统产品较多。其中，美国作为

研究ＧＰＳ自动导航最早的国家，产品较为成熟，以美

国Ｔｒｉｍｂｌｅ（天宝）的产品市场占有量为最大［６］。

１．１．３　惯性导航单元

惯性导航单元（ＩＮＳ）是一种以利用惯性元件来测

量车辆加速度的自主航位推算导航系统。通过导航

传感器，利用积分和运算得到导航农机的速度和位

置，达到对车辆导航定位（主要是车辆航向角）目的的

一种导航方法［７－８］。惯性导航系统通常由惯性测量装

置、转角传感器等组成。惯性测量装置（又称惯性测

量单元）包括加速度计和陀螺仪。其中，加速度计测

量车辆的航向信息及陀螺仪行程导航的坐标信息；惯

性导航单元可以提供速度、航向和姿态等信息。惯性

导航系统短时间内精度较高、稳定性好、不易受干扰、

鲁棒性较强，但系统误差随时间累积精度逐渐降低，

一般与其他导航单元结合使用，不单独进行导航定

位。２０１３年，西北农林科技大学的魏少东、陈军等［９］

设计了基于ＧＰＳ和惯性导航的果园机械系统，以

ＧＰＳ和陀螺仪作为导航传感器，开发自动导航系统，

以福田欧豹拖拉机为实验平台，并对各系统单元进行

了测试，表明系统具有较高的可靠性。

１．１．４　组合导航单元

单一的导航系统常常不能满足现代农业机械的

导航定位的精度要求，而组合导航定位系统精度较高、成本低廉，常将不同传感器信息互相融合，相互弥

补，利用算法构成一种冗余度和准确度更高的多功能

系统。其中，常用的融合算法主要有Ｋａｌｍａｎ滤波、航

迹融合法、模糊推算方法及神经网络法等方法。中国

农业大学的陈艳等［１０］在以ＧＰＳ和机器视觉的组合导

航定位方法为导航感知方法下，采用一种较优化的算

法ＵＫＦ滤波法对传感器数据进行了滤波。实验结果

表明：滤波后系统的定位曲线较平滑，定位精度和稳

定性都有了提高，提高了导航系统的鲁棒性。其它的

常用导航定位方式有电磁导航、机械导航、超声波导

航及激光导航等。

１．２　导航控制决策

１．２．１　ＰＩＤ控制

ＰＩＤ（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ　Ｉｎｔｅｇｒａｌ　Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ）是一种常

用的控制算法，主要利用偏差信号的比例、积分和微

分算出控制量进行系统调节，是连续系统中技术成

熟、应用最为广泛的一种控制器［１１］。当无法获得系统

有效的参数时，可选用ＰＩＤ控制技术。在模拟调节系

统中，ＰＩＤ控制算法的一般表达式为

ｕ（ｔ）＝ＫＰ［ｅ（ｔ）＋１ＴＩ∫ｔ

０ｅ（ｔ）ｄｔ＋ＴＤｄｅ（ｔ）ｄｔ］（１）

其中，ｕ（ｔ）为控制信号，ｅ（ｔ）为系统偏差信号。在

导航控制中，ｕ（ｔ）为导航作业车辆的驱动信号，ｅ（ｔ）为

导航作业路径和预定义路径的偏差信号，ＫＰ、ＴＩ、ＴＤ分别为比例系数、积分系数和微分系数。实验中不断

对这３个系数调整，直到达到满意的控制效果。ＰＩＤ

控制算法简单、易于掌握、鲁棒性较强、稳态误差小，

但由于没有完全参照的参数调节的系统，在实际应用

中主要依赖工程经验，使系统在控制优化时比较困

难［１２］。

１．２．２　模糊控制

１９６５年，美国教授查德（Ｌ．Ａ．Ｚａｎｄｅｈ）首次提出模

糊集合这一概念。模糊逻辑控制（Ｆｕｚｚｙ　Ｌｏｇｉｃ　Ｃｏｎｔｒｏｌ）

简称模糊控制（Ｆｕｚｚｙ　Ｃｏｎｔｒｏｌ），作为智能控制的重要分

支利，用模糊化逻辑推理和模糊化语言在解决诸如导航

控制这些不易建立数学方程的复杂的非线性问题有着

独特的优越性［１３］。一般的模糊控制系统主要由变量、

模糊规则、逻辑判断及反模糊化等部分组成。导航控制

中的模糊控制器结构如图２所示。

自动导航控制系统中，车辆行驶时以行驶路径与

预定义路径的偏差信号（横向偏差、偏差变化率或航

向偏差）作为模糊控制输入，根据模糊规则进行模糊

判断，多以前轮期望转角作为输出。其中，模糊推理

是模糊控制器的核心，由蕴含模糊逻辑推理的模糊先

·１１·２０１６年６月农机化研究第６期验知识组成［６］。模糊控制规则一般由专家的经验知

识获得，再根据被控对象的行为作业特性由自然语言

变量所表达的模糊条件语句组成。在模糊控制系统

中，模糊控制规则在快速调节系统误差的同时可保持

系统的稳定性及优化系统。

模糊推理系统的设计类似于人类的模糊思考过

程，不依靠受控对象的模型，与人的思维模式相似；但

其缺乏自学习和自适应能力，相当依靠专家或操作人

员的经验和知识；且在零位附近跟踪误差一般比较

大，难以快速修正。因此，可在控制过程的不同阶段，

对模糊控制器进行自动调整，设计自适应模糊控制导

航算法。

图２　导航模糊控制结构图

Ｆｉｇ．２　Ｆｕｚｚｙ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ　ｃｈａｒｔ

１．２．３　神经网络控制

人工神经网络（Ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ　Ｎｅｕｒａｌ　Ｎｅｔｗｏｒｋｓ）简称

神经网络（Ｎｅｕｒａｌ　Ｎｅｔｗｏｒｋｓ），是一个高度非线性动力

学系统。神经网络是由处理单元组成的一种运算模

型，对于不需要精确的数学模型的工程问题，在处理

时可通过模拟人的智能行为，解决系统的不确定性、

非线性问题［１４］。在车辆航向控制中，不仅要考虑当前

的航向角，还要考虑车辆的前轮转角。因此，选择航

向角和前轮转角作为神经网络的输入，在导航控制时

通过前轮转角纠偏控制车辆按预定义路线行驶，输出

目标前轮转角，通过目标转角和实际转角的比较，得

到纠偏所需的前轮转角，达到控制目的。

１．２．４　多种控制技术融合

导航控制是一个复杂的控制系统，很多时候单一

的控制方法不足以满足导航环境要求，常将多种控制

技术融合。西北农林大学的白晓鸽、陈军等［１５］在基于

导航传感器的基础上，为优化模糊控制中输入量的隶

属函数，融合人工神经网络设计了双输入单输出的５

层模糊神经网络控制器；设计的控制系统可以利用神

经网络的自学习功能获得隶属度函数和模糊控制中

的模糊化控制规则，对导航系统的各个参数的权值不

断优化调整。实验证明：该系统能很好地进行导航控

制，实验误差平均控制在４ｃｍ内。１．２．５　其它控制方法

其它常用的导航控制方法有基于动力学模型的

控制方法和基于运动学模型的控制方法。其中，动力

学模型的控制方法将导航车辆的转向受力情况和负

载等问题作为考虑因素进行控制；运动学模型的控制

方法是基于简化四轮导航车辆为两轮运动系统进行

控制的方法［１４］。

１．３　车辆转向系统

目前，根据对相关资料和国内外成型产品的研究

发现，导航车辆的转向方案大致分为两种类型：一种

通过加装电机（步进电机、直流电机、伺服电机）作为

动力源直驱，通过控制电机的转向和转速实现自动转

向；二是利用拖拉机液压转向系统并联一些液压控制

阀，通过控制液压阀组的节流口大小来实现自动转向

（如美国天宝公司的液压阀块）。

１．３．１　电机系统控制

电机控制系统安装在导航车辆的方向盘上，主要

由计算机、伺服电机、电机驱动器、编码器及方向切换

装置等组成。具体工作过程是：计算机根据控制决策

发送控制指令到电机驱动器，电机驱动器与直流电机

相连，按照需要调整的转速转动，实时调整方向盘转

动，使导航车辆按照预定义路径行驶。

１．３．２　液压阀组控制

液压阀组控制系统是指在农机的液压转向系统

上并联导航阀组，导航阀组主要是由三位四通比例流

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农业机械自动导航技术

【摘要】农业发展过程中，机械设备发挥着非常重要的作用，基于此，相关部门要重视农业机械自动导航技术推广应用工作，依据我国农业发展的实际状况，重视农业机械自动导航技术更新工作，以期能够有效提高我国农业机械化水平。本文就农业机械自动导航技术进行分析，进一步促进我国农业发展。

【关键词】农业；机械；导航

农业要想得到可持续发展，既要重视先进科学技术的应用，不断提高农业机械的自动化水平，充分发挥农业机械自动导航技术的优势，不断降低机械操作人员的劳动强度，降低机械操作对农业收获量造成的印象，重视机械视觉技术、GPS定位技术等的应用，保障我国农业能够真正实现可持续发展。

1农业机械自动导航技术概述

详细了解农业机械自动导航技术，可知，其是由引线电缆、农田触感导航、无线电导航、地磁导航等多种导航技术发展而来，在农业发展过程中发挥着关键作用，主要应用于中耕除草、收割作业、自动喷洒农药、插秧耕作等工作中。同时，农业机械自动导航技术本身具有GPS导航等相关功能，能够根据周围环境信息自动导航，相较于其他导航技术而言，其本身具有定位误差较小的特点，实际应用期间能够自动校正数据信息，最大程度上提高定位的精准度，提升农业机械化水平。

2农业机械自动导航技术的优势

2.1降低机械操作人员的劳动强度与其他农业机械化技术相比，农业机械自动导航技术实际应用过程中能够有效减低机械操作人员的劳动强度，有效提高农业生产工作的规范化、自动化水平，与传统农业机械操作技术相比，农业机械自动导航技术实际应用过程中对操作人员专业素养等要求较低，实际应用机械设备过程中，机器设备可以自动根据指令播种、喷药、收割等，最大程度减轻机械操作人员的工作压力，提升机械设备田间作业效率。

2.2降低机械操作对农作物收获量造成的影响

实际应用机械设备收获农作物过程中，会对农作物造成一定损伤，导致农业作物产量无法达到预期要求，农业机械自动导航技术的应用，在一定程度上改变了这一状况，不仅能够有效降低农作物收获过程中的减损，还能提升农作物收割、播种操作的精准度，最大程度上降低人为因素对农业物收获等造成的不利影响。比如：实际收获甜菜作物时，进场会出现甜菜无法采收的情况，这一情况不仅会降低甜菜的整体质量，甚至严重的状况下还会影响甜菜产量，将农业机械自动导航技术应用于甜菜采收过程中，能够更好地适应各种地形环境要求，能够根据人们需求采收，最大程度上提高甜菜的整体质量。

基于机器视觉的精准农业机械导航定位系统设计

一、研究背景与意义

随着科技的不断发展，人工智能、机器视觉等技术在各个领域的应用越来越广泛。尤其是在农业领域，精准农业作为一种新型的农业生产方式，旨在通过精确的数据采集和分析，提高农业生产效率，降低资源消耗，实现可持续发展。目前市场上的精准农业机械导航定位系统在实际应用中仍存在一定的局限性，如精度不高、稳定性差、适用范围有限等问题。研究一种基于机器视觉的精准农业机械导航定位系统具有重要的理论和实践意义。

基于机器视觉的精准农业机械导航定位系统可以提高农业机械的定位精度。传统的农业机械导航定位系统主要依赖于GPS定位技术，但受到地形、建筑物等因素的影响，其定位精度较低。而机器视觉技术可以通过摄像头捕捉农田内的图像信息，结合图像处理算法进行目标识别和跟踪，从而实现更准确的定位。

基于机器视觉的精准农业机械导航定位系统可以提高农业机械的作业效率。通过对农田内作物生长情况的实时监测和分析，农业机械可以根据实际情况进行智能调整，如合理安排作业时间、优化作业路径等，从而提高作业效率，减少资源浪费。

基于机器视觉的精准农业机械导航定位系统可以拓宽农业机械的应用范围。传统的农业机械导航定位系统主要适用于平坦的农田，对于复杂的地形和环境条件适应性较差。而机器视觉技术可以在各种复杂环境下实现高精度的定位和导航，为农业机械提供更加广泛的应用空间。

基于机器视觉的精准农业机械导航定位系统具有重要的研究价值和应用前景。通过对其进行深入研究，有望为我国农业生产带来更高的效率、更好的质量和更可持续的发展。

1.1 精准农业的概念及发展现状

精准农业是指通过现代信息技术、传感器技术、遥感技术等手段，对农业生产过程中的土壤、气候、作物生长等多方面信息进行实时监测和分析，从而实现对农业生产的精确管理。精准农业的发展可以提高农业生产效率，降低资源浪费，减少环境污染，保障粮食安全，提高农民收入，促进农业可持续发展。

基于北斗的农业机械自动导航作业关键技术及应用科学进步奖材料

基于北斗导航系统的农业机械自动导航作业关键技术及应用

基于北斗导航系统的农业机械自动导航作业关键技术及应用，是中国工程院院士罗锡文团队的重要科研成果之一。该项目在农业科技领域具有重大突破和创新价值，主要体现在以下几个方面：

1. 关键技术研发：

- 基于北斗卫星导航系统高精度定位技术，开发了适用于农业机械的自主导航系统，实现了农机作业路径规划、自动对行以及精准控制等功能。

- 研制出能够适应农田复杂环境变化的实时动态定位和控制系统，确保农机在田间作业时的高精度和稳定性。

2. 技术创新点：

- 结合北斗导航信号处理算法优化，提高农机自动驾驶的响应速度与定位精度。

- 开发智能农机信息采集与决策支持系统，实现农艺参数与机械作业参数的深度融合，提升农业生产效率和质量。

3. 应用推广成效：

- 该技术在实际农业生产中得到了广泛应用，显著提高了农作物种植、收割等环节的机械化水平，减轻了农民劳动强度，促进了现代农业的智能化发展。

- 在节约资源、减少农药化肥施用量、保护生态环境等方面也发挥了积极作用，符合绿色可持续发展的农业战略要求。

4. 科学进步奖认可：

- “基于北斗的农业机械自动导航作业关键技术及应用”项目因其显著的科技成就和社会经济效益，获得了2020年度国家科技进步奖二等奖，体现了我国在农业信息化和现代化方面的先进技术水平。

若需要具体获奖材料的内容，可能包括但不限于：项目立项背景、研究内容、技术路线、实验数据、示范应用案例、经济社会效益分析报告、同行专家评审意见等详细资料，这些通常会在申报奖项时提交，并在获奖后由官方机构公布或存档。

GPS导航技术在农业机械设计中的应用

现今我国农业取得了举世瞩目的发展成就，在农业发展中农业机械发挥着重要的作用。而农业机械性能的提高，需采用电子信息技术、GPS导航技术等多种先进技术。对此，结合当前农业机械设计的现状，探讨GPS导航技术的应用，具体分析如下。

1 GPS导航技术及其原理

全球定位系统(GPS)是一种先进的技术，技术的基本原理为，按照高速运动的卫星瞬间定位作为已知起算数据，用空间距离后方交会法，准确确定待测点的坐标。目前，GPS导航技术在地质勘探、石油勘探、煤炭勘探、交通导航及大地测量等领域均得到了良好的应用，且其应用范围在不断拓展。在农业机械领域，GPS导航技术也得以应用，提升了农业机械的性能。

2 GPS导航技术在农业机械设计中的应用

2.1 在农机运输与农机具中的应用在农机运输与农机具设计上，加用车载GPS，能程序化地跟随已设路线开展耕作施肥与病虫害防治工作，可节约生产费用。在西方国家，不少国家投入了新型联合收割机，此种收割机应用了GPS导航技术与地理信息系统。在联合收割机上，利用GPS导航技术，可提供不同农田作业区的成熟度信息。另外，利用GPS导航技术还可按照不同农作物分区，引导联合收割机分类开展工作，提高作业效率，降低费用。 2.2 在虫害杂草灾害监测中的应用在过去，对农作物病虫害的调查，通常是各地派遣调查人员来开展，然后将调查数据逐级上报。但因为病虫害传播快、危害面积大，所以这种传统调查方式已经不适用。而近年来，在病虫害杂草危害监测中，利用GPS导航技术，可精确定位灾害发生地点，尤其是可将调查数据输入计算机，并由计算机计算不同灾情区投药量，然后在GPS导航技术引导下精确投药。在喷雾治理病虫害时，可利用GPS设备准确治理重灾地区，并减少化学药剂造成的危害。

2.3 在播种施肥中的应用提高农作物产量的方法较多，而播撒适量的化肥是一种有效的方法，但传统方法一般无法将化肥播撒到准确位置。而在播种种子和化肥时，利用GPS导航技术，可提高播撒精确性，防止出现遗漏和重复投放问题，减少浪费。同时，在利用农机设备播种或施肥作业时，可合理布置播撒路线，从而节约作业费用。而利用GPS导航技术能节省化肥与除草剂用量，防止用量过多而对农作物生长发育造成影响。另外，由于夜间植物气孔处于张开状态，易吸收肥料与除草剂，尤其是在变量播撒化肥过程中，可利用GPS导航技术，准确控制不同地块播种作业，准确确定不同播种量与施肥量。

机器视觉在农业机械导航技术上的应用研究

近年来，随着农业技术的不断进步，农业机械导航的需求越来越迫切。传统的农业机械导航技术主要依赖GPS、惯性导航等，然而这些技术在农田环境中容易受到信号干扰，导致定位不准确。为了解决这一问题，机器视觉技术逐渐被引入到农业机械导航中。本文将探讨机器视觉在农业机械导航技术上的应用研究。

一、机器视觉在农田环境中的应用

在农田环境中，机器视觉可以通过图像识别和处理技术，实现对农田环境的感知和分析。首先，机器视觉可以通过拍摄土地图像，对土壤的质量、湿度等进行精确测量。这有助于农民根据土地的特性进行合理的农作物种植。其次，机器视觉还能够通过图像识别技术，对农作物生长过程中的病虫害进行早期识别和预警，减少农作物的损失。

二、机器视觉在农业机械导航的原理

机器视觉在农业机械导航中的应用主要依靠图像处理和算法技术实现。首先，通过安装在农业机械上的摄像头获取农田的图像。然后，利用图像处理算法对图像进行处理，提取出关键特征，如道路、边界等。最后，通过与预先存储的地图信息进行比对，计算出农业机械的位置和行进路径。

三、机器视觉在农业机械导航中的优势

与传统的导航技术相比，机器视觉在农业机械导航中具有以下优势。首先，机器视觉可以实时感知农田环境，对环境变化做出快速响应，从而提高导航的准确性和稳定性。其次，机器视觉可以通过图像识别技术识别道路、边界等关键信息，为农业机械的导航提供更准确的参考。此外，机器视觉还可以通过与其他农田数据的结合，为农民提供农作物的生长情况、灾害风险等信息，助力农业生产的科学决策。

四、机器视觉在农业机械导航中的应用案例

目前，机器视觉在农业机械导航中已经有一些成功的应用案例。例如，某公司开发的农业机器人可以通过机器视觉技术自主导航，实现对农田的自动化喷洒、播种等操作。另外，某研究团队开发的农业机械导航系统可以通过机器视觉识别地块的边界和障碍物，实现精准的农田作业。

基于北斗导航的自动驾驶系统在轮式拖拉机上的应用

摘要：目前农业机械以大型化、高效化、智能化、自动化、作业精细化、电液一体化为主流，基于北斗导航系统的农机自动驾驶控制技术是现代农业生产的一个重要组成部分，作为农业机械智能化装备的关键技术之一，同时农机自动导航技术是开展精准农业和智慧农业实践的前提与技术保障。介绍了基于北斗导航的自动驾驶系统的组成及其工作原理，阐述了基于北斗导航自动驾驶系统在轮式拖拉机上的应用，分析了北斗农机自动驾驶系统相对于国外同等产品的优势。

关键词：北斗导航；自动驾驶系统；现代农业；精准农业；智慧农业；农业机器人；农业应用

引言

我国农业机械中使用的导航系统以 GPS 为主，系统稳定性和安全性方面存在着一定风险。目前我国北斗导航系统已经开始投入使用，国家已经推出一系列基于北斗导航的补贴政策。因此，基于北斗导航智能系统是开展精准农业和智慧农业实践的前提与技术保障。卫星导航自动驾驶技术的推广应用将促进农业高新技术的推广应用与发展，提高作业精度，提高土地利用率，减轻机手劳动强度，延长作业时间，带来经济效益，促进现代农业发展。

农机自动导航控制技术应用研究与实践，是现代化农业生产的实际需求与迫切愿望。我国自主研发的北斗卫星导航技术的高速发展，为北斗应用开发平台的建设提供了数据基础和北斗应用经验，也进一步加快了农机自动导航控制技术在耕作、播种、施肥等农业生产过程的应用。

1 北斗导航自动驾驶系统的组成结构及原理

1.1 总体构架北斗农机导航自动控制系统主要由自动驾驶控制系统一般由触摸屏、控制器、电动方向盘、前轮转向传感器、GPS定位系统、网络基准站组成。

网络基准站接收机将接收到的空间卫星发射的实时卫星数据通过电台/4G传送至用户观测站，用户观测站的接受机接受并实时解算当前位置坐标，并将自位置坐标与基准站传来的位置数据比较，得出观测数据的可靠性及计算结果的收敛性，以此为依据对解算结果进行分析，减少冗余观测量，增加观测结果的可靠性。根据解算位置信息以及规划的作业路径，驱动农机电动方向盘实现农机自动驾驶和精准作业。

基于计算机视觉技术的农业机械自主导航设计

农业机械在现代农业中起着至关重要的作用。然而，在大型农田中操作这些机械需要经验丰富的驾驶员，并带来人力成本的增加。为了解决这个问题，利用计算机视觉技术进行农业机械自主导航的设计逐渐成为一个研究热点。本文将就基于计算机视觉技术的农业机械自主导航进行探讨。

一、农业机械自主导航的概述

在传统的农业机械导航中，通常使用GPS全球定位系统来实现。然而，GPS有着自身的局限，如在农田、山地等复杂环境下定位误差较大，不适用于精确操作。而基于计算机视觉技术的农业机械自主导航则通过机器视觉的感知和分析来实现农田中的定位和导航，为农机操作提供更精确的定位信息。

二、基于计算机视觉技术的农业机械自主导航系统的组成

基于计算机视觉技术的农业机械自主导航系统主要由以下几个部分组成：

1. 摄像头：摄像头是建立视觉系统的重要组成部分。通过摄像头获取周围环境的图像信息，输入到计算机中进行进一步的图像处理和分析。

2. 图像处理与分析：图像处理与分析是整个系统的核心环节。通过图像处理算法，对摄像头获取的图像进行预处理和滤波处理，以提高图像质量；然后利用计算机视觉算法，进行图像分割、目标检测和跟踪等操作，识别出农田中的障碍物和导航目标。

3. 定位与导航控制算法：通过对图像处理与分析的结果进行定位与导航控制算法的设计，确定农业机械的位置和运动轨迹，并实现自主导航功能。

4. 控制系统：控制系统是农业机械自主导航系统中的关键部分。当农业机械完成图像处理和分析、定位与导航控制计算后，通过控制系统实施具体的机械操作，如转向、前进等。

三、基于计算机视觉技术的农业机械自主导航系统的工作原理

基于计算机视觉技术的农业机械自主导航系统的工作原理如下：

1. 图像采集与处理：摄像头采集周围环境的图像，然后利用图像处理算法对图像进行预处理和滤波处理，提高图像质量和识别准确度。

2. 目标检测与识别：通过图像处理和分析算法，系统能够实现障碍物的检测和农田导航目标的识别。

农业机械中的自动导航技术的使用技巧

自动导航技术在农业机械中的使用技巧

随着科技的发展和农业现代化的推进，自动导航技术在农业机械中的应用越来越广泛。自动导航技术不仅能够提高农业生产效益和质量，还可以减少人力成本和资源浪费。在农业机械中灵活运用自动导航技术，需要掌握一些使用技巧。

首先，了解各种自动导航技术的特点和适用场景。目前，常用于农业机械中的自动导航技术有全球卫星导航系统（GNSS）和视觉导航技术。GNSS是一种通过接收卫星信号实现定位和导航的技术，包括GPS、GLONASS、Beidou等系统。视觉导航技术则是通过摄像头和图像处理算法实现定位和导航。了解这些技术的特点和适用场景，可以帮助我们选择合适的技术和设备来实现自动导航。

其次，合理设置自动导航参数。在使用自动导航技术的过程中，需要根据具体的作业需求和地形条件来设置导航精度、航行速度等参数。导航精度越高，机械作业的定位精确度也就越高，但对系统设备和信号的要求也会相应提高。航行速度的选择应考虑作业效率和安全性的平衡，过高的速度可能引发事故，过低的速度则会影响作业效率。通过合理设置这些参数，可以使自动导航系统在农业机械作业中发挥最佳效果。

第三，建立、更新和维护导航地图。导航地图是自动导航技术的基础，它包含了作业区域的地理信息、地形特征和障碍物的分布等重要数据。在使用自动导航技术之前，我们需要事先建立好导航地图，并定期更新。地形的变化、农作物的生长和其他因素都可能导致导航地图的更新需求。在建立和更新导航地图的过程中，需要使用专业的测绘设备和软件，并确保数据的准确性和完整性。此外，定期进行导航地图的维护工作也非常重要，不仅可以保证导航的准确性，还可以提高系统的稳定性和可靠性。

此外，定期进行系统的校准和检测也是使用自动导航技术时的重要环节。由于环境的变化、设备的老化等原因，自动导航系统可能存在误差或故障。通过定期进行系统的校准和检测，可以及时发现问题并进行修复，保证系统的正常运行。校准和检测的方法和步骤可以参考设备厂商提供的操作手册或咨询专业技术人员的建议。

农业机械导航技术研究

编号：

时间：2021年x月x日

书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第1页共5页

第 1 页共 5 页农业机械导航技术研究

摘要:为加快农业现代化建设，促进农业发展，必须加以创新，改变传统的耕作方式，与现代信息科技相融合。本文围绕农业机械自动导航技术，先对GPS、视觉导航等导航方式以及几种关键技术进行分析，然后对其发展进行展望。

关键词:农业机械化；自动导航技术；GPS技术

将科技合理应用在农业生产中，有利于提高生产效率和作业质量，进一步推动新农村建设。农业机械化改变了传统的耕作方式，随着时代的发展，信息技术也开始融入其中，比如导航定位和农业的融合，就是对一般机械化的升级，可降低驾驶难度，推动精准农业进步。机械自动导航技术在农业中功能多样，可完成田间耕作、播种、施肥、喷药等多项操作，尽可能降低遗漏作业、重复作业等情况的发生率。总之，在推广该技术的同时还应加强研究，树立创新意识，在智能化道路上走得更远。

1农业机械自动导航中的常用方式

1.1GPS定位系统

GPS是具有三维定位、导航功能的全球定位系统，具有全天候、全方位、高精度等特点，在汽车、航空等领域有着广泛应用，使得地球社会的信息化水平得以提升[1]。该系统由空间部分、地面控制系统、用户设备三部分组成，基本原理是根据已知位置的卫星来确定接收机的具体位置。将其安装在农业机具上，在田间耕作时便可按照优化路径快速耕作，大大提高了农业劳动生产效率。该技术在农业中可用于多项操作，比如土质检测和变量施肥，车辆行走在田里可采集不同位置的土壤进行质量检测。往往会结合GIS（地理信息系统）系统使用，编号：