農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)研究進(jìn)展

　　摘要：農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)導(dǎo)航是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)體系中的一項(xiàng)核心關(guān)鍵技術(shù)，廣泛應(yīng)用于耕作、播種、施肥、噴藥、收獲等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程。農(nóng)機(jī)位置測(cè)量方法、農(nóng)機(jī)模型與導(dǎo)航路徑跟蹤控制方法是農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)的研究重點(diǎn)，受到國(guó)內(nèi)外科研人員的廣泛關(guān)注。農(nóng)機(jī)位置測(cè)量主要有相對(duì)測(cè)量和絕對(duì)測(cè)量二類方法，前者以基于機(jī)器視覺(jué)的測(cè)量方法為代表，主要利用圖像處理技術(shù)識(shí)別作物行，進(jìn)而確定導(dǎo)航基準(zhǔn)線，實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)與作物的相對(duì)位置與航向信息的測(cè)量；后者則以基于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的測(cè)量方法為代表，利用衛(wèi)星定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)位置的高精度測(cè)量，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛；而面對(duì)復(fù)雜的田間環(huán)境變化，在位置測(cè)量中應(yīng)用多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)通常可以得到更好的測(cè)量結(jié)果。導(dǎo)航路徑跟蹤控制通常以農(nóng)機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型或動(dòng)力學(xué)模型為核心，多采用最優(yōu)控制、最優(yōu)估計(jì)、自適應(yīng)控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制、魯棒控制等現(xiàn)代控制理論與方法；而無(wú)模型控制方法則可以避免建模不準(zhǔn)確或者模型參數(shù)劇烈變化對(duì)農(nóng)機(jī)路徑跟蹤控制性能所產(chǎn)生的負(fù)面影響。該文從上述2個(gè)方面綜述分析了農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)的研究現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題，并對(duì)未來(lái)農(nóng)機(jī)導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展做出了展望，指出采用衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)，開(kāi)展農(nóng)機(jī)地頭自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制、障礙物探測(cè)及主動(dòng)避障、多機(jī)協(xié)同導(dǎo)航等高級(jí)導(dǎo)航技術(shù)研究，以及引入先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，是現(xiàn)代農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展的主要趨勢(shì)。

　　關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)機(jī)械；導(dǎo)航；模型；農(nóng)機(jī)物聯(lián)網(wǎng)

　　0引言

　　農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)導(dǎo)航是一個(gè)古老的話題。早在1924年，Willrodt[1]就發(fā)明了一種拖拉機(jī)駕駛附件并取得美國(guó)專利，這是一種安裝在拖拉機(jī)前軸上的機(jī)械裝置，它能引導(dǎo)拖拉機(jī)沿著與已經(jīng)開(kāi)好的犁溝平行的路線行走。1941年，Andrew[2]發(fā)明了一種拖拉機(jī)自動(dòng)控制方法，在田地中央放置一個(gè)大輪盤(pán)，利用纏繞在輪盤(pán)上的金屬線引導(dǎo)拖拉機(jī)沿著螺旋線運(yùn)動(dòng)。

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　　1現(xiàn)代農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)

　　農(nóng)機(jī)的自動(dòng)導(dǎo)航控制主要是對(duì)農(nóng)機(jī)進(jìn)行橫向位置控制，即控制農(nóng)機(jī)跟蹤事先規(guī)劃好的作業(yè)路徑，使其與路徑之間的橫向位置偏差保持在一定的精度范圍之內(nèi)，從而滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需要?，F(xiàn)代農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)一般由檢測(cè)單元、控制單元、執(zhí)行單元及監(jiān)控單元四部分組成（如圖1所示）。

　　2農(nóng)機(jī)位置測(cè)量方法

　　農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航要解決的首要問(wèn)題是農(nóng)機(jī)位姿測(cè)量，包括對(duì)農(nóng)機(jī)位置、航向、速度、車(chē)輪轉(zhuǎn)角等反映農(nóng)機(jī)當(dāng)前運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的量的測(cè)量，其中最重要的是農(nóng)機(jī)當(dāng)前位置測(cè)量。位置測(cè)量可以采用2種方式，一是相對(duì)位置測(cè)量，即測(cè)量農(nóng)機(jī)與導(dǎo)航基線的相對(duì)位置，典型的相對(duì)位置測(cè)量方法是基于機(jī)器視覺(jué)的位置測(cè)量方法。另一種是絕對(duì)位置測(cè)量，即測(cè)量農(nóng)機(jī)在地理空間中的絕對(duì)位置，代表性的是基于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（globalnavigationsatellitesystem，GNSS）的位置測(cè)量方法。

　　3農(nóng)機(jī)模型與導(dǎo)航路徑跟蹤控制方法

　　3.1基于農(nóng)機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的導(dǎo)航路徑跟蹤控制方法

　　在農(nóng)機(jī)導(dǎo)航中，最典型、應(yīng)用最廣泛的是稱作二輪車(chē)模型的農(nóng)機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。在這種模型中，把農(nóng)機(jī)抽象為一個(gè)二輪車(chē)，用4組參量來(lái)描述農(nóng)機(jī)當(dāng)前位姿（參見(jiàn)圖2），一是在大地直角坐標(biāo)系中農(nóng)機(jī)后輪中心的坐標(biāo)C(x,y)，m；二是農(nóng)機(jī)當(dāng)前的航向角φ，(°)；三是轉(zhuǎn)向輪當(dāng)前的轉(zhuǎn)角δ，(°)；最后是農(nóng)機(jī)當(dāng)前的速度矢量v，m/s。另外還有一個(gè)常量，即農(nóng)機(jī)前后輪的軸距L，m。農(nóng)機(jī)運(yùn)動(dòng)模型即是根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)原理，描述上述這些參量的相互關(guān)系的模型，如式（1）所示。

　　3.2基于農(nóng)機(jī)動(dòng)力學(xué)模型的導(dǎo)航路徑跟蹤控制方法

　　由于農(nóng)機(jī)本身的復(fù)雜性、土壤等農(nóng)田環(huán)境以及農(nóng)機(jī)具負(fù)載的不確定性的存在，導(dǎo)致農(nóng)機(jī)導(dǎo)航控制系統(tǒng)為一個(gè)復(fù)雜的不確定性系統(tǒng)?；谶\(yùn)動(dòng)學(xué)模型的方法對(duì)農(nóng)機(jī)導(dǎo)航控制系統(tǒng)參數(shù)的變化和外部干擾不具有魯棒性，也沒(méi)有考慮到機(jī)具負(fù)載變化等情況導(dǎo)致的農(nóng)機(jī)動(dòng)力學(xué)特性的變化，路徑跟蹤控制方法難以取得預(yù)期的效果。為此，人們尋求基于農(nóng)機(jī)動(dòng)力學(xué)模型的導(dǎo)航控制方法。

　　4農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展展望

　　農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展已日臻成熟，特別是基于視覺(jué)和基于GNSS/GIS的導(dǎo)航技術(shù)已成為現(xiàn)代農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)的主流技術(shù)，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中得到了廣泛應(yīng)用，但農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)仍有許多問(wèn)題需要深入研究。

　　5結(jié)論

　　現(xiàn)代農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)一般由檢測(cè)單元、控制單元、執(zhí)行單元及監(jiān)控單元四部分組成，檢測(cè)單元負(fù)責(zé)農(nóng)機(jī)當(dāng)前位置與姿態(tài)的檢測(cè)，控制單元負(fù)責(zé)導(dǎo)航路徑規(guī)劃及路徑跟蹤控制，執(zhí)行單元執(zhí)行控制單元的控制指令，監(jiān)控單元?jiǎng)t作為人機(jī)交互界面承擔(dān)導(dǎo)航任務(wù)監(jiān)控功能。

　　在農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)中，農(nóng)機(jī)位置測(cè)量方法和導(dǎo)航路徑跟蹤控制方法是二項(xiàng)核心技術(shù)?，F(xiàn)代農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)中，位置測(cè)量主要有基于機(jī)器視覺(jué)的相對(duì)測(cè)量方法、基于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（globalnavigationsatellitesystem，GNSS）的絕對(duì)測(cè)量方法，多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)也常用于位置測(cè)量中，以得到更好的測(cè)量結(jié)果。導(dǎo)航路徑跟蹤控制方法則主要包括基于農(nóng)機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)或動(dòng)力學(xué)模型的控制方法、以及模型無(wú)關(guān)的控制方法。

　　農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展已日臻成熟，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中得到了廣泛應(yīng)用。但是農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)仍有許多問(wèn)題需要深入研究，地頭自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制技術(shù)、障礙物檢測(cè)與主動(dòng)避障技術(shù)、多機(jī)協(xié)同導(dǎo)航技術(shù)、農(nóng)機(jī)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將是下一代農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)的研究重點(diǎn)。

　　[參考文獻(xiàn)]

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

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

　　胡靜濤1,2，高雷1,2，白曉平1,2，李逃昌1,2，劉曉光1,2

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