拖拉机自动导航驾驶及导航技术

2020-03-08王洪华新疆沙湾县农业机械化技术学校新疆沙湾832100

农业工程技术 2020年36期

王洪华（新疆沙湾县农业机械化技术学校，新疆沙湾 832100）

现代农业生产规模快速增大，必须借助农机设备才能保障生产质量和效率。拖拉机作为最基本的农机设备，其一直都在农业生产中有着广泛应用。不过传统拖拉机受驾驶员素质和状态等因素限制，难以实现长期、高质量、高效率作业，无法充分发挥拖拉机作用。对此，有必要研究拖拉机自动导航驾驶及导航技术。

1 拖拉机GPS自动导航无人驾驶系统

随着农业规模的不断扩大和产业化程度的逐渐提升，现代农业生产水平逐渐提高，农机设备的应用范围越来越广泛，拖拉机更是必不可少的重要农机设备。新疆沙湾县作为优质商品棉生产基地，棉花种植面积达到了180万亩，仅靠传统的人工种植生产模式难以完成如此大规模的棉花种植生产活动，必须依赖机械设备完成包括机械整地、机械铺膜播种、机械植保、机械中耕追肥、机械碎秆、棉籽机械脱绒等在内的各种机械化作业。而在驾驶拖拉机方面，由于部分驾驶员驾驶技术以及敬业程度等的影响，再加上大规模生产带来的巨大劳动强度，导致棉花种植生产的机械作业中往往存在交接行弯曲、播行不直、接茬不准、机采浪费大、白白浪费时间与精力等问题，难以达到现代农业产业化发展的标准，不利于棉花种植生产水平的有效提升。

而拖拉机GPS自动导航无人驾驶系统则是在引入差分GPS的情况下，对拖拉机的三维空间位置信息进行准确定位和持续监控，并在空间卫星星座系统、地面监控系统以及用户直接应用的GPS接收系统等，共同实现动态定位[1]。在动态定位基础上，拖拉机自动导航无人驾驶系统能够按照特定方式完成自动驾驶，主要有两种自动导航无人驾驶形式。其一为在行走第一行后会产生导航直线，配套的软件会根据提前设置好的幅宽自动生成对应的导航直线并完成导航；其二为直接通过电子地图标记的方式来设定导航直线，拖拉机会按照设定好的导航直线行走。在拖拉机自动导航驾驶的助力下，农业机械化生产在很大程度上摆脱了对拖拉机驾驶员的依赖，不仅起到了省时省力的作用，更能有效避免因驾驶员自身驾驶技术、敬业程度、失误等造成的作业时间短、衔接行距精度低、生产效率低、作业质量低等问题。在棉花种植生产中，拖拉机自动导航驾驶多应用于精量播种、机械采收等生产活动之中，能够大量节约人工费，同时显著提高生产质量和效率，实现大规模种植生产，这也是新疆沙湾县棉花种植规模能够达到180万亩的重要原因。在拖拉机自动导航驾驶配合精量播种技术的情况下，人工播种费、种子费、人工采摘费等都将得到有效节约，同时种植规模的扩大以及产量和质量的同步提升，使得棉花种植生产经济效益大幅增加。

2 拖拉机自动导航关键技术

2.1 动态定位技术

GPS动态定位方式有单点动态定位法以及实时差分动态定位法两种，前者是由安装在拖拉机上的GPS信号接收机对拖拉机运动轨迹进行描绘，其在竖直以及水平方向的定位精度一般在22 m与13 m左右，并不能满足拖拉机自动导航驾驶的精度要求，故而该方法在拖拉机GPS自动导航无人驾驶系统中的应用较少；而实时差分动态定位系统的运行则通常是由基站的GPS接收机以及移动站的接收机共同完成，二者在动态载波相位差分（RTK）技术的支持下，能够实时处理GPS观测数据以及基站数据，进而实现准确定位。实时差分动态定位能够实现cm级别的精准定位，而且不存在明显的延时，是在拖拉机自动导航中应用极为广泛的关键技术[2]。在实时差分动态定位技术中，GPS数据的收发至关重要，直接影响到定位精度，其收发情况如图1所示。

2.2 NMEA通讯协议

NEMA通讯协议是当前应用极为广泛的GPS通讯协议，其对GPS数据的传输格式与方式进行了统一规范，从而确保不同品牌以及型号的GPS接收机能够相互联通。在该通讯协议下，各种数据格式都得到了统一规范，如UTC时间、维度、维度半球、经度、经度半球、GPS状态、正在使用解算位置的卫星数量、HDOP水平精度因子、海拔高度、差分时间等，为拖拉机自动导航的实现提供了基础技术支持。

2.3 大地坐标系

GPS定位数据是通过WGS-84标准世界坐标系得到的，能够实现数据信息的有效转换，即将得到的地球上任一目标的绝对位置信息转换为目标地所在的用户坐标。目前中国地图主要是采用高斯-克吕格平面直角坐标，能过实现经纬度坐标与高斯-克吕格平面坐标的转换，实现导航定位。在进行高斯-克吕格平面直角坐标转换时，通常需要对投影方式、中央经线、水平偏移量、地理坐标系、大地参考系、参考椭球体、椭球长轴、椭球扁率等参数进行处理[3]。

2.4 传感器融合导航

不可否认，惯性导航系统具有导航信息连续信号、导航精度高等优势，但是实际导航精度受外界环境影响极大，如果卫星信号较差的话将会严重影响定位精准性，甚至可能出现无法定位的情况。故而在现代拖拉机自动导航驾驶中，通常是将GPS与机器视觉、惯性导航等其他导航方式相结合，构建更加可靠的多传感器融合导航方式。在该导航方式下，能够获取更加精准的实时定位信息，进而对拖拉机转向轮转角加以控制，采取运动学模型控制、动力学模型控制、PID控制、智能控制等较为合适的控制方法，保障导航精准性与有效性。

3 拖拉机自动导航技术推广策略

随着现代农业的不断发展，拖拉机自动导航技术需要变得更加智能化，否则难以满足实际需求。因而在推广拖拉机自动导航技术的过程中，有必要凸显其智能性、智慧性，助力现代农业生产模式逐步实现自动化向智能化的过渡。

3.1 智慧农业建设

积极推进“互联网+现代农业”行动，通过卫星导航、无线网络终端系统，发展智慧农业。沙湾县政府积极引入社会资本，与金融机构、互联网企业协作，先后投资3000万元建成乡村振兴大数据中心，成立专业大数据公司，已将农口23个数据信息系统嵌入大数据平台，全县农业初步实现土壤墒情智能监测、智能自动化水肥滴灌、病虫害自动化监测、远程作业机械实时定位、实时监测、实时管理、大数据提取、信息交流等资源共享和互通。

3.2 推动农业机械化转型升级

在农机购置补贴拉动下，实现机械化与信息化融合，新增采棉机54台、大中型拖拉机148台、精量播种机540台、卫星导航系统150套、残膜回收机具385台。截至目前，沙湾县全县农机固定资产总值17.2亿元，农机总动力70.21万千瓦，拖拉机保有量19826台，各类农机具65000台/架，卫星导航无人驾驶系统700多套，无人飞防机120架，采棉机214台（其中打包机32台），预计大宗农作物机械化水平达到97.7%以上，县域农机装备水平、作业水平和信息化水平稳步提升，为乡村振兴战略实施提供强有力的支撑。

3.3 全面推进涉农项目

以国家现代农业示范区、国家科技园区、国家农村一二三产业融合发展先导区等建设为平台，积极推进国家农业产业园创建、农村产业融合发展示范园创建、国家第二批区域性良种繁育基地建设项目申报；继续推进棉花绿色高质高效创建项目，总投资200万元，1000亩智慧农业物联网技术应用示范基地已建成，棉花节本提质增效迈向新水平；已全面完成沙湾县国家145万亩棉花生产保护区和50万亩粮食生产功能区的划定上图入库工作；全县6.5万亩高标准农田建设项目实施完成。