农业机械自动导航技术研究进展

　　摘要：农业机械自动导航是精准农业技术体系中的一项核心关键技术，广泛应用于耕作、播种、施肥、喷药、收获等农业生产过程。农机位置测量方法、农机模型与导航路径跟踪控制方法是农业机械自动导航技术的研究重点，受到国内外科研人员的广泛关注。农机位置测量主要有相对测量和绝对测量二类方法，前者以基于机器视觉的测量方法为代表，主要利用图像处理技术识别作物行，进而确定导航基准线，实现农机与作物的相对位置与航向信息的测量；后者则以基于全球导航卫星系统的测量方法为代表，利用卫星定位技术实现农机位置的高精度测量，在农业生产中应用最为广泛；而面对复杂的田间环境变化，在位置测量中应用多传感器数据融合技术通常可以得到更好的测量结果。导航路径跟踪控制通常以农机运动学模型或动力学模型为核心，多采用最优控制、最优估计、自适应控制、人工神经网络、模糊控制、鲁棒控制等现代控制理论与方法；而无模型控制方法则可以避免建模不准确或者模型参数剧烈变化对农机路径跟踪控制性能所产生的负面影响。该文从上述2个方面综述分析了农业机械自动导航技术的研究现状及存在的问题，并对未来农机导航技术的发展做出了展望，指出采用卫星导航技术，开展农机地头自动转向控制、障碍物探测及主动避障、多机协同导航等高级导航技术研究，以及引入先进的物联网技术，是现代农机自动导航技术发展的主要趋势。

　　关键词：农业机械；导航；模型；农机物联网

　　0引言

　　农业机械自动导航是一个古老的话题。早在1924年，Willrodt[1]就发明了一种拖拉机驾驶附件并取得美国专利，这是一种安装在拖拉机前轴上的机械装置，它能引导拖拉机沿着与已经开好的犁沟平行的路线行走。1941年，Andrew[2]发明了一种拖拉机自动控制方法，在田地中央放置一个大轮盘，利用缠绕在轮盘上的金属线引导拖拉机沿着螺旋线运动。

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　　1现代农机自动导航系统的典型结构

　　农机的自动导航控制主要是对农机进行横向位置控制，即控制农机跟踪事先规划好的作业路径，使其与路径之间的横向位置偏差保持在一定的精度范围之内，从而满足农业生产的需要。现代农机自动导航系统一般由检测单元、控制单元、执行单元及监控单元四部分组成（如图1所示）。

　　2农机位置测量方法

　　农机自动导航要解决的首要问题是农机位姿测量，包括对农机位置、航向、速度、车轮转角等反映农机当前运动状态的量的测量，其中最重要的是农机当前位置测量。位置测量可以采用2种方式，一是相对位置测量，即测量农机与导航基线的相对位置，典型的相对位置测量方法是基于机器视觉的位置测量方法。另一种是绝对位置测量，即测量农机在地理空间中的绝对位置，代表性的是基于全球导航卫星系统（globalnavigationsatellitesystem，GNSS）的位置测量方法。

　　3农机模型与导航路径跟踪控制方法

　　3.1基于农机运动学模型的导航路径跟踪控制方法

　　在农机导航中，最典型、应用最广泛的是称作二轮车模型的农机运动学模型。在这种模型中，把农机抽象为一个二轮车，用4组参量来描述农机当前位姿（参见图2），一是在大地直角坐标系中农机后轮中心的坐标C(x,y)，m；二是农机当前的航向角φ，(°)；三是转向轮当前的转角δ，(°)；最后是农机当前的速度矢量v，m/s。另外还有一个常量，即农机前后轮的轴距L，m。农机运动模型即是根据运动学原理，描述上述这些参量的相互关系的模型，如式（1）所示。

　　3.2基于农机动力学模型的导航路径跟踪控制方法

　　由于农机本身的复杂性、土壤等农田环境以及农机具负载的不确定性的存在，导致农机导航控制系统为一个复杂的不确定性系统。基于运动学模型的方法对农机导航控制系统参数的变化和外部干扰不具有鲁棒性，也没有考虑到机具负载变化等情况导致的农机动力学特性的变化，路径跟踪控制方法难以取得预期的效果。为此，人们寻求基于农机动力学模型的导航控制方法。

　　4农机自动导航技术发展展望

　　农机自动导航技术经过多年的发展已日臻成熟，特别是基于视觉和基于GNSS/GIS的导航技术已成为现代农机自动导航系统的主流技术，在农业生产实践中得到了广泛应用，但农机自动导航技术仍有许多问题需要深入研究。

　　5结论

　　现代农机自动导航系统一般由检测单元、控制单元、执行单元及监控单元四部分组成，检测单元负责农机当前位置与姿态的检测，控制单元负责导航路径规划及路径跟踪控制，执行单元执行控制单元的控制指令，监控单元则作为人机交互界面承担导航任务监控功能。

　　在农机自动导航系统中，农机位置测量方法和导航路径跟踪控制方法是二项核心技术。现代农机自动导航系统中，位置测量主要有基于机器视觉的相对测量方法、基于全球导航卫星系统（globalnavigationsatellitesystem，GNSS）的绝对测量方法，多传感器数据融合技术也常用于位置测量中，以得到更好的测量结果。导航路径跟踪控制方法则主要包括基于农机运动学或动力学模型的控制方法、以及模型无关的控制方法。

　　农机自动导航技术经过多年的发展已日臻成熟，在农业生产实践中得到了广泛应用。但是农机自动导航技术仍有许多问题需要深入研究，地头自动转向控制技术、障碍物检测与主动避障技术、多机协同导航技术、农机物联网技术将是下一代农业机械自动导航系统的研究重点。

　　[参考文献]

　　[1]WillrodtFL.Steeringattachmentfortractors[P].U.S.Patent:1506706,1924.

　　[2]AndrewFW.Automatictractorcontrol[P].U.S.Patent:2259193,1941.

　　胡静涛1,2，高雷1,2，白晓平1,2，李逃昌1,2，刘晓光1,2

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