农业机械中导航技术的应用

当前经济的发展与科技的结合日趋紧密，在农业的发展中，大型农用机械和高精度农用科技的投入给农业生产力提升带来到了新的革命。文章以农业机械中的导航技术应用为切入点，通过分析导航技术的发展，导航技术的主要门类以及导航机械中的具体技术应用方式，阐述了农业机械中导航技术对农业发展的巨大作用，希望能对我国农业经济的进一步科学化带来新的启示。

1、农业导航机械的发展

(1)卫星导航。卫星导航是导航技术的起源。随着地理信息技术以及地球卫星装备的丰富和完善，卫星导航的精度与传感速度等性能也得到了不断地提升。以目前应用最广的民用导航(GPS导航)为例，美国斯坦福大学农业技术学院的农业机械教师MichaelO'Connor在20世纪60年代为约翰迪尔7800拖拉机设计了一套导航系统。在驾驶室内安装了四通道传感器，航向响应约为1°，直线跟踪偏差小于2m。而且日本、加拿大、欧洲各国也纷纷对该项技术进行了研究。利用GPS技术解决了插秧机、农业喷洒机、收割机等大型农业机械的导航问题。

(2)机械导航。在立式园林和农田中，除了GPS导航之外，还可以运用机械导航对农业机械进行指引。机械导航主要是利用导航仪里的传感接收器，对车辆或者机械前进进行引导，对固体引导目标进行接触式的导航。使用目标大多为果园、树林、玉米高粱等直立式固体农作物。我国在该项技术上曾取得一定的突破，朱磊、何卿教授在拖拉机等设备上安装接触式机械导航，对玉米田间作业进行导航，导航精度和控制力度大大提高。

(3)视觉导航技术。20世纪80年代，英国率先在农业机械上研发视觉导航技术。相比于卫星导航的高昂费用，视觉导航在农业中的使用前景更加广阔。英国人Marchant将里程记录仪和视觉传感器安装到农业车辆中，通过卡尔曼滤波完成信息的输送。经过试验对照，在同面积的农业作业中，视觉传感器引导的视觉导航比卫星导航在灵活性和精确度上都有着一定的优势。随着现代视觉图像收集与处理系统的不断进步，视觉导航也增加了图像识别与分辨功能，比如瑞典Astrand的Hough变换技术可以除去杂草等植物的干扰，增加了农机的使用效率等。

2、农业机械导航需要具备的关键技术

(1)环境感知技术。农机导航中使用的环境感知技术，主要指农业机械使用自带的传感器对外界的各种信息进行发现和捕捉，通过系统处理后得出有效运用处理方式的技术。环境感知技术的最终目的是计算机模拟出外界的环境，转化成信息进行处理的一种技术。通过该项技术，农业机械或者机器人实现进一步的路径规划和行为命令，因此感知精确度是机械操作精确度和自动化智能化程度的重要技术指标。近年来，电子信息工程在飞速发展，机器人对外界环境的分析已经升级到纳米级。因此相匹配的传感器、接收器和处理器都进入到相对稳定的层面。比如我国农业机械中就已经成功试验了颜色直方图识别技术，通过红外感知编码颜色直方图，编程技术借助SIFT技术进行编写。让农用机械可以进行大面积的环境感知。而且在细小的田园作业中，农用机械也实现了灰色视觉系统与彩色视觉系统的交互，或是利用激光导向和水平识别判断障碍物，让农用机械实现复杂环境下的自动规划路径导航。

(2)智能控制系统。根据需要导航机械的工作环境，农用机械对控制系统的技术更为看重。智能控制系统主要分为横向控制和纵向控制。横向控制主要指对机械工作方式的控制，对导航技术的使用较少。纵向控制需要借助导航技术实现农用机械的路径规划、机械位置信息、工作范围统计和日工作量测算等。因此，纵向控制技术的高低取决于导航器设计技术的高低。当前我国农用机械尤其是飞行农用机械借助的导航器主要是GPS、GIS以及RS系统，具体控制方式有神经网络控制和模糊控制等，前者实现了农用机械直线行驶的偏差率控制，后者实现了农用机械的自动转向等功能。

(3)地图营造技术。地图营造技术主要指农用机械在获取外界信息后，在系统中营造环境、模拟环境的技术能力。当前农用机械可以借助小型的视觉传感器、激光雷达、红外线、声呐系统实现全天候水陆空三牺环境的信息加载。借助预设的数学模型直接模拟外界环境，构建信息地图，从而帮助农用机械选择适当的导航方式。精确地模拟地图设置实现了路径导航的自动化功能，地图构建分为栅格地图、拓扑地图和三维地图等，比如丹麦的Rovira-Mas就曾经利用三维地图帮助农用机械自动导航规避障碍物行进，他使用的技术是二维栅格地图与GIS数据相结合，探测出前方物体，并进行自动化地判断。总之，导航设备的地图营造能力越强，农用机械导航效果就越精细，线路规划也就越完善。

3、导航技术发展与应用中的优化措施

(1)丰富农业环境的基础信息库。我国农业发展环境恶劣，耕地面积不足。因此发展山区农业将成为我国粮食战略的有力补充。但是我国山区环境地形复杂，信号覆盖率较弱，受干扰的机率较高，对导航作业的开展相对不利。因此我国地理信息技术人员应当增加地理信息环境库的信息补充，让农用机械在地形复杂的地区可以不借助卫星导航，直接使用数据库信息辅助导航。实现导航技术与自主运行相结合，同时也为视觉导航和机械导航的进一步发展提供信息技术支持。

(2)加强传感器技术的性能提升。当前我国农业机械自身的性能还存在较大的问题。比如农用机械故障率较高、自身噪音较大、中高频辐射影响较强等。这些问题都对导航器的工作带来了较大的困扰。比如，视觉导航中视觉捕捉系统通过红外感知或者光线感知收集外界信息，但是由于农用机械散热性能较差，影响了红外功能，或者由于自身辐射影响了导航信号的接收等。这都对农用机械中的导航技术造成误差影响。因此这需要我国农机企业不断提高机械制造精度，提升农机精细化制作，减少各种功能故障。还可以开发农用机械的配套抗干扰设备，改善导航设备的工作环境。

(3)提升独立装备和协同装备的配合能力。当前我国的农业机械的导航技术，对于农用机械独立装备的导航，对于大型农机械的协同配合还缺少实践与探索。因此，应在未来的时间里，应加大研究和开发多装备协同作业的导航技术，争取实现一次作业解决多种问题的效果。

4、结语

总而言之，导航技术的发展与农业的规模化关系紧密。因此我国农业科技人员应结合我国农业发展的战略要求，不断学习国内外农用机械导航发展的前沿技术，提高我国导航技术在农用机械中的应用比例，促进我国农机自动化的技术的发展，实现藏粮于地，藏粮于技的宏伟目标。