基于北斗导航技术的农用车田间定位与作业路径规划

    康萌　陈卓　康思远

    

    

    

    摘 要：卫星导航技术是现代化移动装备的必备技术，其在我国农业机械上的应用尚处于起步阶段。随着我国北斗卫星导航技术逐步成熟，基于北斗导航对农业机械提供定位与作业模式规划已十分普遍，通过介绍精确农业的相关内容，说明了北斗导航定位在农用车应用的相关特点，总结了农用车作业路径的规划方式。

    关键词：北斗导航;农用车;定位;作业模式

    中图分类号：S220文献标识码：A

    doi：10.14031/j.cnki.njwx.2019.08.006

    将导航技术、网络技术、通信技术以及自动控制技术应用于农业生产，是精确农业发展的必须条件。我国的农业机械经过多年的研究和发展，在机械结构合理性方面取得了显著进展，在故障率降低的同时工作效率也显著提升，得到了农民的广泛认可。农业机械要进一步发展，不仅要在机械结构和功能上下功夫，更需要利用卫星导航技术与信息系统相结合，实现精准的定位与科学的作业规划。通过现代化的田间管理，有利于因地制宜的调整农作物的生长状态，保证播种、施肥、植保、收获等机械作业的精确性，能够有效提升农作物产量和品质，并同时保护环境，实现农业的可持续发展。

    1 精确农业的组成及要求

    精确农业是促进农业生产向合理化发展的有效手段，其关键技术包含了卫星导航、自动化控制、地理信息、遥感技术、管理信息等很多方面（图1），其中卫星导航技术的应用主要在于定位和自动导航两方面，定位功能主要用于土壤及作物监测过程的准确位置提供。自动导航包括了自动驾驶技术和自动控制技术两方面，有利于提高农业机械的工作效率。现阶段，通过北斗导航能够为农业机械提供稳定可靠的定位及导航服务支持，且很多服务也转换为全天候免费提供，显著减低了农机使用的费用。

    北斗卫星导航是我国自主研发的全球卫星导航技术系统。该系统投入使用以来，已逐渐形成具有自主知识产权的产品结构和服务体系。例如通过北斗导航技术建立的水文自动测报系统以及动植物生长环境的网络监测和控制功能等。现阶段北斗导航的应用还存在一定的局限性，对于草原、戈壁、沙漠等信号不良地区，应用还不普及。但是，北斗卫星导航的技术也具备GPS系统所不具备的多种特色，其在民用及军用领域应用有着相当大的潜力。

    2 农用车定位及导航技术

    2.1 结构与组成

    定位是导航的基础，农用车所使用的北斗导航定位技术大体上包括了车载电脑、北斗导航终端、视觉导航设备等几部分。车载电脑主要由嵌入式处理设备和系统、控制区和顯示设备等组成，能够为卫星定位及导航服务提供基础的控制、信息传递以及信息显示;北斗导航终端主要是由卫星信号接收处理装置和多种天线组成，是卫星定位和信号接收的主要工具;视觉导航设备包含了摄像头和图像处理单元，主要用来实现对周边环境的视觉感知与障碍物规避。

    2.2 定位功能的实现

    对于北斗导航定位技术，关键就是要完成对定位信号的接收和处理，信号接收主要通过BDS天线和接收机完成（图2），信息处理主要由工控主板完成（图3）。利用卡尔曼滤波算法完成对经纬度信息的滤波处理，并结合视觉识别设备所获得的数据以及其他辅助传感器获取的农机姿态或位置信息，来指导农机完成指定任务的行驶或操作。

    定位功能还能帮助拖拉机或收割机等农机具进行合理的路径规划作业，同时生成农田的信息轮廓图并根据路径规划算法完成路径规划。在作业过程中，利用北斗定位技术结合传感器动态监测数据来显示农机完整的作业状况，利用精准定位完成农机的多功能导航要求。

    2.3 农机导航的功能要求

    （1）农机北斗导航作业需要能够适应大面积的耕地环境，为方便农机技术推广，北斗导航的设备和使用成本不能过高，且因我国农田工作环境复杂，农用车在作业的同时还要利用北斗定位技术完成对农田地块的信息采集与测量等工作，因此要求系统必须有足够的稳定性和可靠性，同时尽可能高的提升定位精度。

    （2）由于导航过程需要处理的信息量很大，因此，北斗导航必须具备GIS软件的相关功能，并能利用GIS软件进行高效快捷的信息和逻辑运算。农用车的车载电脑应当配备嵌入式 GIS 软件，以保证路径规划图功能的实现，嵌入式 GIS 软件能够接收设备提供的耕地位置的定位信息，并结合农用车速度信息，对农业机械进行自动导航。

    （3）因北斗系统应用于现代化农业机械必须与接收设备、数据传导设备、视觉识别设备、显示屏、控制装置等相配合，因此要求北斗导航具有丰富的外围接口，方便与多种设备进行连接。

    3 作业路径规划

    得益于北斗卫星导航的定位技术，使农用车的作业路径规划变得更加便捷，通过在农用车作业前和工作中进行预先或者实时的作业路径规划，有利于提高农用车作业过程的适应能力和科学性。与公路行驶汽车所使用的行驶线路径不同，农田作业更多考虑的是以面积为单位的农田区域覆盖，路径的分布与农用车的行驶方式常常根据农田边界的形状、农机装备的行驶特点以及相关农艺要求来决定，同时还要考虑在作业过程中的相关操作的实现能力，避免农机空行驶导致作业困难和资源浪费问题的出现，这也在很大程度上依赖于北斗卫星定位技术的精确度。

    作业路径规划也就是对农用车的行驶轨迹的设计与方案提供，所规划的路径必须覆盖农田全范围，并且以直线行驶为主。路径设计过程需要考虑直线路径、转弯路径、行驶方向等众多问题（具体见图4），然后利用全排列算法确定直线路径的最优遍历顺序，最后再进行路径的合理性检验和算法验证，这些过程都可以通过成熟的软件和系统快速完成，而使用者只需要提供农田形状资料并辅助进行路径设计。

    直线路径的设计内容主要包括：（1）确定直线路径在耕地中的相对方向;（2）明确端点的位置;（3）根据农用车沿直线路径作业时的转弯次数最少的基本要求设计直线行驶的方向;（4）直线路径的两个端点应位于农田直线作业区域和地头转弯区域的分界线上，且应根据地头转弯区域的宽度来确定。

    转弯路径的设计内容主要包括：（1）考虑转弯路径的最小宽度;（2）分析转弯的先后顺序对作业时间的影响;（3）分析直线路径的先后遍历顺序对转弯时间的影响，进而得到作业的最优方案。

    4 结束语

    随着技术研究的不断进步，我国自主研制的北斗导航技术所能够提供的服务会越来越丰富，其与农业机械的结合不仅提高了农业机械的作业效率和作业质量，也方便了农业机械的管理与资源调配。相关工作人员应重视对北斗导航技术在农业机械上的应用和推广，北斗导航设备的生产厂家也应注意相关设备的销售价格，保证北斗导航技术的快速普及与推广。

    参考文献：

    [1] 张圣光. 北斗卫星导航系统在农业机械化中的应用与发展前景[J]. 现代农业科技， 2014（4）：184-184.

    [2] 杨方， 刘华， 樊禹铭. 北斗农机自动导航系统的设计与应用[J]. 农业科技与装备， 2015（10）：31-34.

    [3] 杨浩勇， 卞兆娟， 张伟，等. 农业机械自动驾驶精度试验装置研究[J]. 江苏农机化， 2017（3）：23-25.

    [4] 基于北斗定位的农机车载组合导航系统研究[D]. 镇江：江苏大学， 2016.