农业机械导航技术发展

分类：机械论文发表 时间：2021-06-28 08:56 关注：(1)

　　伴随科学技术的飞速发展，农业生产不断实现现代化模式。农业机械导航技术综合利用数字以及信息开发等技术，为未来的农业生产提供更准确的导向。它可以使农业机械更准确地完成整地、播种、施肥以及收获。为此，重点分析在农业机械中导航技术的应用，同时提出未来的发展方向，为我国农业机械的发展提供重要的参考。

　　关键词：农业机械；导航技术；发展

　　我国农业生产正朝着机械化、自动化、规模化以及信息化的方向逐步发展，农业的生产效率大大提高。农业机械化有助于农民的除草、播种、施肥以及收割等任务，大大降低农民的负担。在农业机械化的工作当中，导航技术可以有效地帮助农机生产进行的导航控制以及路线规划，这是导航技术在农业机械生产中应用的基本体现。

　　1农业机械中应用导航技术的价值体现

　　导航技术在农业领域中发挥了重要的作用，是农业发展的指南针与风向标，能够更好地防止农业领域的某些问题。作物需要依赖土壤这一生长环境，导航技术可以测试土壤的特性以及pH值，进而农民可以针对性地种植农作物。导航技术可以侦测当地的环境情况，记录土壤情况，提供农业科学的试验研究样本以及信息。作物的产量是农业质量的衡量标准，农业产量的监测方法以及导航技术的应用非常重要。借助导航技术，可以成功地手动收集对应的数据，并可以准确且快速地预测每亩的产量数据。同时，它也可以选取具有代表性的区域，执行一些标准化测试工作，并将获得的数据做整合、汇总，获得最后的统计信息。

　　2农业机械中自主型导航的关键技术

　　2.1视觉导航技术

　　与GPS导航技术相比，视觉导航更加灵活，使信息需求者可以在收集材料时准确且直观地观察导航中呈现以及存储的各种图像。机械导航可以更准确地了解周围的农业生产环境，并拓宽信息面。视觉导航技术在美国以及英国的研究及应用迅速。我国的视觉导航技术始于20世纪90年代，并已引起许多农业科学家的广泛参与。在研究过程中，他们建立了视觉导航相应的研究试验平台，通过实验室的色彩空间处理了图像，并分析以及研究了农业中的视觉导航。视觉传感器也是一项重大研究进步，它使人们能够捕获农作物附近的环境条件，识别障碍物以及杂草等目标并准确导航。

　　2.2卫星导航技术

　　卫星GPS导航技术是现代的产物，近年来受到关注并迅速发展。在农业领域，所有具有卫星导航设备以及不同工具的拖拉机，都可以利用这项先进技术提高农业生产运营的质量，然而另一方面，它也对周围环境造成负面影响，需要选择正确的用法。2.3其他类型的导航技术卫星导航以及视觉导航在农业生产中使用比较广泛，提高了农业生产的便利性，是农业机械在生产中的重要组成。此外，还有一些不可忽视的导航技术，例如：机械导航、电磁导航、超声波导航以及地磁导航等技术。

　　3导航技术在农业机械中的具体应用

　　3.1视觉导航技术的具体应用

　　与传统的GPS导航技术相比，视觉导航技术在农业机械上的应用，使借助机器视觉的导航应用范围更加广泛，应用更灵活。尤其是伴随我国不断发展的农业生产，所使用的农业用地也不断扩大。利用视觉导航的机器视图，可以收集农田相应的图像信息，并保证所收集的信息更加丰富、真实、完整。农业机械配备这一视觉导航技术，可自动跟踪、识别以及检测实际图像，并在田间实现除草等农业生产工作。例如，使用卡尔曼滤波器融合传感器在弯曲形状的农田中进行感应，并在农业车辆中应用视觉导航系统对弯曲的农作物进行视觉检测，图像每一帧可以实现5~12s的短暂处理时间。利用霍夫的变换融合技术，该系统可以一次性收集多条信息，有效地排除田间杂草等因素的干扰，实现对农作物的独立检测。我国对GPS导航的研究起步较晚，近年来迅速发展。例如，使用XDNZ630型水稻插秧机作为试验平台，并通过RTKGPS定位技术对农业机械进行导航，可以建立一个闭环转向控制系统来实现水稻插秧机的自动转向导航，便于插秧机的田间操纵，进一步消除GPS定位带来的误差，使导航的精度大大提高。此外，配备有视觉导航系统的拖拉机可以进入一些大型农场，其运营质量明显提高，运行的时间明显延长。这种导航系统具有技术相对成熟、结构相对简单等特点。伴随导航系统产品的广泛使用，成本也不断减低。

　　3.2机械导航技术的具体应用

　　随着视觉导航技术在农业机械领域的广泛应用，一些研究人员逐渐关注机械导航的应用。机械导航技术在农业机械作业中的应用具有许多优点，包括易于操作、维护，成本低廉却能收获高收益。如今，国外一些大型农业生产公司正在对机械导航技术进行大量的实践，成果十分显著。尽管我国较少对机械导航展开研究，然而在农业机械方面也取得了很好的成果。例如，基于用于导航的曲柄滑块机构原理的履带机器人，接触式且具有两层控制器的导航控制系统等。如今，在农业果园机械的自动生产方面，已经开发并使用了拖拉机的机械化导航系统，其系统结构示意图如图1所示。该自动拖拉机基于机械导航技术，控制最大偏差小于0.2m。

　　3.3电磁导航的具体应用

　　电磁导航由于其寿命长、简单以及强大的抗干扰能力而被称为埋线导航，在20世纪70年代迅速发展，并已在实际生产中广泛使用。日本开发了一种无人驾驶的喷洒机器人，用于果园的环境，机器人通过嵌入在工作路径中的导向线来发挥导航作用。此外，可以根据喷涂机器人的操作要求使用电磁感应式的导航系统。引导机器人行走的轨迹信号是通过一根嵌入农田中的高频电流电线所产生的，并通过电磁感应传感器的一对信号电压差，确定机器人的具体位置。为了满足温室中自动进行农药喷洒等操作的需求，可以使用农业电磁感应喷洒机器人对行进路径进行导航。

　　3.4激光导航的具体应用

　　激光雷达具有许多优点，例如具有较高的测量距离精度、分辨率、抗干扰能力，并且它的质量轻、体积小，因此广泛用于农业机械的导航。法国对农用车辆配备激光传感器进行自动导航做了深入研究。在这项研究中，导航系统计算了植被的体积以及高度，并可以控制车辆的行进速度。日本开发了一种自动导航系统，该系统可以使用2D激光扫描仪应用于果园环境。由于使用拖拉机作为试验平台，所以导航过程中造成的横向误差比较小。为了使农业机器人能够自主导航玉米田，荷兰在粒子过滤器基础上开发了激光测距仪。为了提高农业机械在果园中的自动化操作水平，我国科研人员研发了一种拖拉机，并通过激光导航方法对果园机械进行自动导航。该研究通过激光扫描技术，收集果树所处的位置信息，并提出了利用拟合算法来进行果园环境中曲线路径导航。激光导航不仅成本高昂，而且还需要固定反射激光的目标。可以人工设置目标，也可以使用自然景观，例如树木以及建筑物。然而，反射镜与机器间不得有障碍物。3.5地磁导航的具体应用由于其低成本，近年来，地磁传感器已被用于农业机械导航中。日本研制了一种农业移动机器人，该机器人使用地磁图像传感器以及导航传感器进行导航。机器人在图像传感器的定位下，通过地磁引导传感器获取方位角。然而，由于地磁感应传感器容易受到诸如机器人的倾斜角度以及附近磁场的干扰，要提高磁感应传感器的利用效率，就需要使用神经网络对输出使用进行重新定义。在农田中，机器人最终位置相对于目标位置的平均误差为0.4m，优于计划路径的位置。

　　4在农业机械中导航技术的未来发展建议

　　对通用导航技术研究可知，当前农业机械领域可以应用多种类型的导航技术，相关的研究活动仍然在继续，新技术也在不断开发，应用于当前的农业生产。GPS导航技术已经在农业生产活动中长时间应用，以玉米生产活动为例，玉米种植者借助GPS技术，可以利用自动收获机械来有效地收获成熟的玉米作物。这在加速玉米收获的同时，也可以缩短收获所需的时间，还可以节省大量的人工。但要注意的是，当前的农业机械作业环境仍然非常复杂，并且难以仅通过简单的导航技术，就可以满足相应的导航要求。在比较开阔的田地中，技术人员可以尽快完成导航的评估任务。然而，检查员受到果树等种植密度的干扰，不能很好地完成测量过程，导致虽然存在许多类型的现代化导航技术，然而利用目前的导航技术仍然难以处理机械生产对应的问题的现象发生。所以，目前可以将研究重点放在弥补当前导航技术的不足上，特别是可应用于较大的种植密度以及生产面积的种植区导航上，可以进一步研究激光导航技术，用以代替原始的机械导航技术。该研究活动将提供各种组合的导航传感器，从而使导航技术可以在较广的农业生产领域进行应用。

　　5结束语

　　当前，农机导航技术在农业生产机械化中成为了重要的话题，增加了农业生产的便利性，并成为农业机械作业中的重要研究内容。这种导航技术的开发以及研究，包括视觉导航、卫星导航等项目，这些项目已不断在实际的农业生产中投入使用，并取得了良好的生产效果。近年来，在实际的应用以及推广当中，有许多的成功案例。同时，需要更详细地研究以适应农业环境的多样性以及复杂性。在不同导航技术有效结合的环境下，将大大提高农机导航技术对环境的适应能力，并根据当地的实际情况进行对应的作业程序。

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　　作者：徐大圣