農(nóng)業(yè)機(jī)械導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展分析

　　摘要:導(dǎo)航技術(shù)是農(nóng)業(yè)機(jī)械在作業(yè)環(huán)境中進(jìn)行自主控制的關(guān)鍵技術(shù)，目前是農(nóng)業(yè)機(jī)械研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。通過分析現(xiàn)有的國內(nèi)外文獻(xiàn)，從目前農(nóng)業(yè)機(jī)械導(dǎo)航主要方式以及關(guān)鍵技術(shù)入手，闡述了國內(nèi)外該領(lǐng)域的研究進(jìn)展。詳細(xì)介紹了廣泛研究的GPS導(dǎo)航和視覺導(dǎo)航，同時簡要地介紹了電磁導(dǎo)航、機(jī)械導(dǎo)航、激光導(dǎo)航、超聲波導(dǎo)航、地磁導(dǎo)航等其他導(dǎo)航形式。對農(nóng)業(yè)機(jī)械導(dǎo)航中的環(huán)境感知、導(dǎo)航控制、地圖構(gòu)建等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析，指出了農(nóng)業(yè)機(jī)械導(dǎo)航技術(shù)的未來發(fā)展趨勢。

　　關(guān)鍵詞:農(nóng)業(yè)機(jī)械導(dǎo)航綜述

　　引言

　　科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步正推動著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)向著自動化、信息化、規(guī)?；?、精確化方向快速發(fā)展。為了使農(nóng)業(yè)機(jī)械能夠在作業(yè)環(huán)境中完成自動除草、收獲、施肥、修剪、耕耘等工作任務(wù)，要求其必須具備自主導(dǎo)航這一基礎(chǔ)功能，即農(nóng)業(yè)機(jī)械通過自身攜帶的各項傳感器感知周圍的環(huán)境，在對感知到的信息進(jìn)行處理后，實(shí)時獲取自身的位置和姿態(tài)信息，然后實(shí)時進(jìn)行路徑規(guī)劃和導(dǎo)航控制，完成各項作業(yè)任務(wù)。

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　　1自主導(dǎo)航方式

　　1.1衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

　　美國、俄羅斯、中國、歐洲都建有各自獨(dú)立的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。其中美國的全球定位系統(tǒng)GPS(Globalpositioningsystem)目前在農(nóng)業(yè)機(jī)械導(dǎo)航領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛，展示了其技術(shù)的優(yōu)越性和巨大潛力。它是美國國防部主要為滿足軍事部門對海上、陸地和空中運(yùn)載體進(jìn)行高精度導(dǎo)航和定位要求而建立的，基本原理是空中衛(wèi)星不間斷發(fā)射自身的星歷參數(shù)，用戶接收機(jī)收到這些信號參數(shù)后，解算出接收機(jī)的三維位置、運(yùn)動方向、運(yùn)動速度，以及接收機(jī)所在地區(qū)的當(dāng)?shù)貢r間［1］。

　　1.2視覺導(dǎo)航

　　與GPS導(dǎo)航相比，機(jī)器視覺導(dǎo)航靈活性更大，特別是機(jī)器視覺圖像收集的環(huán)境信息豐富、范圍寬、目標(biāo)信息完整。農(nóng)田環(huán)境中，作物通常是整齊地按直線、彼此間平行的方式種植，因此機(jī)器視覺導(dǎo)航的主要任務(wù)是從圖像中識別出作物行，檢測出跟蹤路徑線，為確定車輛的相對位置提供依據(jù)［16］。

　　2農(nóng)業(yè)機(jī)械導(dǎo)航關(guān)鍵技術(shù)

　　2.1環(huán)境感知技術(shù)

　　導(dǎo)航中的環(huán)境感知技術(shù)，即移動載體能夠根據(jù)自身所攜帶的傳感器對所處周圍環(huán)境進(jìn)行環(huán)境信息的獲取，并提取環(huán)境中有效的特征信息加以處理和理解，最終建立所在環(huán)境的模型［60］。該技術(shù)是機(jī)器人實(shí)現(xiàn)環(huán)境建模、定位、路徑規(guī)劃等自主導(dǎo)航控制的前提，環(huán)境感知能力的強(qiáng)弱直接影響到機(jī)器人的控制決策能力。

　　2.2導(dǎo)航控制技術(shù)

　　農(nóng)業(yè)機(jī)械導(dǎo)航控制技術(shù)主要包括橫向控制和縱向控制。其中，縱向控制為速度控制，農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)時一般速度不高，而且速度的變化范圍小，所以在導(dǎo)航控制研究中往往把研究的重點(diǎn)放在橫向控制上。橫向控制是指車輛的轉(zhuǎn)向控制，而轉(zhuǎn)向控制的重點(diǎn)在于導(dǎo)航控制器的設(shè)計。導(dǎo)航控制器可以將農(nóng)業(yè)車輛的位置信息與規(guī)劃路徑相比較得到的偏差信號發(fā)送給轉(zhuǎn)向控制機(jī)構(gòu)，通過轉(zhuǎn)向操作機(jī)構(gòu)控制農(nóng)業(yè)機(jī)械按照理想路徑運(yùn)行。目前，設(shè)計這類導(dǎo)航控制器的方法主要包括:智能控制方法、PID的控制方法、最優(yōu)控制方法、預(yù)瞄控制方法、預(yù)測控制方法等。

　　3發(fā)展分析

　　導(dǎo)航技術(shù)作為自動化農(nóng)業(yè)裝備的關(guān)鍵技術(shù)之一，成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。其中部分成果，如衛(wèi)星導(dǎo)航中的GPS導(dǎo)航、玉米收獲自動對行中的機(jī)械導(dǎo)航等技術(shù)已經(jīng)被商業(yè)化應(yīng)用，有效地提高了農(nóng)業(yè)機(jī)械的作業(yè)效率和作業(yè)質(zhì)量，同時降低了駕駛?cè)藛T的勞動強(qiáng)度。

　　參考文獻(xiàn)

　　1李建平，林妙玲．自動導(dǎo)航技術(shù)在農(nóng)業(yè)工程中的應(yīng)用研究進(jìn)展［J］．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2006，22(9):232－236．LiJianping，LinMiaoling．Ｒesearchprogressofautomaticguidancetechnologiesappliedinagriculturalengineering［J］．TransactionsoftheCSAE，2006，22(9):232－236．(inChinese)

　　2ＲeidJF，ZhangQ，NoguchiN，etal．AgriculturalautomaticguidanceresearchinNorthAmerica［J］．ComputersandElectronicsinAgriculture，2000，25(1－2):155－167．

　　3ZhangQ，QiuHC．Adynamicpathsearchalgorithmfortractorautomaticnavigation［J］．TransactionsoftheASAE，2004，47(2):639－646．

　　姬長英周俊

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