北斗农机自动驾驶系统的发展现状及未来趋势

        

        近年来随着我国北斗系统的大规模推广和北斗地面接收设备的日趋成熟,北斗在很多行业正逐步替代GPS,农业方面也不例外。在国家的大力支持下,目前北斗在农业领域的应用已经从单纯提供定位信息,发展成为将卫星定位与液压控制、传感器技术、拖拉机电子控制相结合,进而实现农业作业的全程自动化。因此,本篇主要介绍卫星定位技术与液压控制、传感器技术相结合的产物——北斗农机自动驾驶系统(以下简称自动驾驶系统)。

        一、何为北斗农机自动驾驶系统?
        “北斗农机自动驾驶系统”通俗解释来说,就是利用北斗卫星的定位信号来设计车辆的行驶轨迹,在车辆作业过程中综合车辆的位置信息、姿态信息、航向角信息、传感器信息,通过控制液压系统,达到实现控制拖拉机的转向按照设计路径行驶的目的。
         自动驾驶系统一般由以下几个部分组成,如显示器、控制器、液压阀(方向盘电机)、角度传感器、接收机、卫星天线以及配套线缆。其中每个小部件发挥着各自的作用又紧密配合:
        · 显示器——主要作用是系统调试、显示系统的状态以及与用户界面
        · 控制器——综合卫星信号、车辆姿态信号、传感器信号,输出控制信号
        · 液压阀——按照控制给出的信号改变方向系统中的液压油的流量、流向,进而改变车辆的行驶方向
        · 角度传感器——实时感应车辆转向轮的转向角度
        · 卫星天线——接收北斗卫星的信号
        · 接收机——实时解算卫星信号,输出定位信息
         自动驾驶系统具有显著特点:
        · 定位精度高——采用司南自主研发的北斗高精度GNSS接收机及卫星天线,支持北斗、GPS、GLONASS三系统定位
        · 作业标准高——定位精度1cm,往复结合线误差2.5cm
        · 作业范围广-——根据选用的基站不同支持最小5公里,最大50公里作业
        · 适应能力强——可以24小时不间断作业,无论是在东北的丘陵还是在新疆的戈壁,都能保证很高的作业标准,同时支持跨区域作业

        二、北斗农机自动驾驶系统的发展现状
        自动驾驶系统是精准农业发展到后期的产物,起初被称为“辅助驾驶系统”,它的诞生也仅仅是为了减轻驾驶员的疲劳程度、提高工作效率。随着精准农业的不断发展、人们对于土地利用及提高产出率的不懈追求,自动驾驶系统在直线度、精度方面的要求也渐渐提高,逐步发展成为现在我们使用的这套完整解决方案。
         国内首先引进自动驾驶系统并进行规模化应用的是黑龙江农垦,它起初引用的是美国天宝的系统。黑龙江地广人稀,到处都是一望无际的农田,一块地的面积普遍在百亩以上,大的甚至超过上万亩,这么大面积的土地无法通过人工灌溉方式,只能靠天吃饭。农垦采取垄作的方式,既能保证作物的生长也能蓄水。每年的春秋两季,大量的拖拉机将投入到起垄作业中,而他们传统采用的方式是标杆加划印器——驾驶员在拖拉机头配重铁的位置附近,即车的中心轴位置插一根标杆,首趟走的时候通过人工用米尺等工具画出一条直线,并在上面插上小旗,驾驶员坐在车上让标杆和小旗形成一条直线并不断修正,使拖拉机沿着划好的线前进、作业,同时划印器会在没有工作的区域留下一条计划路径的平行线;然后驾驶员下一趟作业时会沿着这条平行线行驶,这样就保证了起垄的直线性和垄间距。
        但是这种作业方式的难点在于对驾驶员的要求很高,一旦驾驶疲劳或者水平不高,就会导致出现弯或者垄间距与标准间距相差过大,给后期收获机的收获造成影响(在出弯或者间距不标准的区域,很多粮食收不上来,这样就造成了粮食的浪费和减产)。而自动驾驶系统的出现恰恰可以解决这一问题:一方面系统的直线度优于人工,另一方面在行间距误差上,“2.5cm的误差”更是人工难以企及的。拖拉机安装上自动驾驶系统之后,作业速度和作业质量明显提高,很多以前不能干起垄作业的司机不仅能参与起垄作业,还能够起出精益求精的垄。安装自动驾驶系统之前起垄作业只能白天进行,有了自动驾驶系统之后用户白天晚上都可以作业,这为用户带来了更多的收益,并且标准化作业之后收获机的工作质量和效率也得到了大大提高。
        目前国内自动驾驶系统主要安装在拖拉机上,黑龙江农垦以进口凯斯、迪尔、唯美德为主,100到400马力之间,主要用于起垄、播种作业,用户熟悉了设备之后也用来耙地;新疆兵团主要安装的50到200马力的车辆,以福田雷沃、东方红、迪尔为主。国内自动驾驶系统主要供应商来源有上海司南、北京麦格天农、南京天辰礼达、北京合众思壮、北京盛恒伟业、广州中海达等,随着国家对农业和北斗系统的支持力度不断加大,很多企业开始由代理国外品牌走向自主研发,从GPS导航到使用北斗导航。越来越多的企业加入到北斗自动驾驶系统的推广中来,2014年新疆兵团有数百个团场和合作社参与了自动驾驶系统的试装试用,用户对自动驾驶的评价很高。

        三、北斗农机自动驾驶系统的未来发展趋势
        目前的自动驾驶系统虽然解决了一些农业上遇到的问题,但是在实际作业过程中,通过技术人员与用户的交流,我们也发现了很多问题:一是现在的自动驾驶系统只能安装在拖拉机上,很多需要自动驾驶系统作业的农机现阶段无法安装使用;二是现有自动驾驶系统仅能控制转向轮,作业过程中的起步、停车、升降农具、档位的加减、油门的大小都需要人来控制,使用中也需要人一直在拖拉机上保证作业的连续性和安全性;三是在现有的农业模式里,土地拥有者和负责农业作业的农机户是分开的,农机的拥有者安装了自动驾驶系统,仅仅只能提高作业标准,却没有全面达到省人力、省物力的效果,而后期又没有得到很直观的经济收入的增长,这些对用户的使用说服力稍显不够。
        我们可以看到,自动驾驶还还存在很大的升级进步空间,那么究竟往什么方向去改进呢?
        (一) 根据适用的范围改进
        1、插秧机自动驾驶系统
        中国的耕地情况比较复杂,现有的自动驾驶系统主要针对拖拉机的旱田作业,而中国还有大量的水田和水田机械,插秧机是其中的一种。作为水稻种植的关键机械,如果能使用自动驾驶系统,就能提高作业标准和作业质量,保证植株均匀分布,均衡的吸收光和营养,提高产量,还能减轻人们的劳动强度,工作效率也能够提高。
          系统开发的难点及注意事项:
        · 水田阻力大,而插秧机多采用机械式转向,普通的电机无法满足大扭矩的要求,全液压助力转向则相对容易升级
        · 老式的插秧机作业速度慢,单天线定位可能存在问题,高速插秧机不存在这种问题
        · 插秧机工作环境都是水,对设备及配套线缆的防水要求很高
        · 插秧机本身的体积小,所以后装的话设备的安装位置比较少,设备的体积小一些会比较好安装
        2、收获机自动驾驶系统
        如果能将自动驾驶安装到收获机上,那么收获的时候驾驶员就可以分出更多的精力去关注割台的高低和产量的情况,而在自动驾驶的控制下,收获时就能做到不重不漏,防止粮食的浪费,提高效率,降低油耗。
        系统开发的难点及注意事项:
        · 收获机转向与拖拉机不同,一般为后轮转向
        · 进口收获机的油路系统比较复杂,很多地方采用液压驱动,所以对于油路部分一定要慎重,要做到不影响原车系统运行
        · 收获机自动驾驶系统尽量能与产量监测系统一起安装,在收获的同时收集产量的数据,后期可制作成产量分布图,作为来年变量施肥的依据
         3、农机信息化
         利用自动驾驶系统本身携带的定位及显示设备,将其中的数据导出,通过一个GPRS模块与数据中心通信,实现监控车辆目的;然后通过服务器将作业指令发送到车载终端并显示在显示器上,实现对车辆的集中管理和分配。这样我们就可以在自动驾驶的基础上,用很低的投入就能实现农机的信息化管理。

        (二) 针对自动驾驶系统功能的改进
        很多人没有听说过“自动驾驶系统”这个名称,会不假思索地认为这套系统在驾驶时是不需要人的,就好像自动驾驶汽车一样。然而即使就像自动驾驶汽车一样,研究了这么多年,都还没能真正的走入我们的家庭,实现农业的全自动作业也许还需要等待十几二十年。毕竟公路上行驶的复杂性太高,但是抛去公路上的复杂性不谈,在农业作业中,地块的地形大多比较空旷、环境相对简单,因而我觉得在车辆到达地里之后,实现田间的全自动驾驶作业还是大有希望的。
        未来的自动驾驶系统我们可以作出大胆假设:人们在家里电脑上设定好车辆的起始点、终点、行驶轨迹、作业速度、农具升降点,这些信息自动化传输给车载系统,人只需要将车辆和农机开到地里,启动自动驾驶系统,系统就会按照设定好的作业轨迹和作业速度行驶,到规定的地点升降农具,直至作业完后到达指定地点停车,全程操作自动化而不需要人工。工作完毕后,由人开车转场到下一地块,调出设计路线,进行下一个全自动作业。
         要实现这些功能需要满足以下要求:
        · 拖拉机需有电子离合器、车载电脑,后悬升降功能可以电控
        · 系统应配有雷达可以感应到周围的障碍物
        · 配有红外感应设备
        · 配有视频录像设备
        · 具有远程遥控停车功能,但不配远程启动和远程更改数据
        · 配类似车辆的遥控器,在正常范围内可以遥控开关机、起步停车、加减档加减油门、升降农具
        · 遥控器配有密码锁或者其他识别功能,防止误操作

         总之,自动驾驶系统的安装量和整个市场的容量还比较小,自动驾驶系统可以改进的地方还有很多。所谓“青出于蓝而胜于蓝”,虽然首套自动驾驶系统不是出自中国,但是我们可以努力做到“中国自主研发自动驾驶系统走出国门,面向海外”,愿所有热爱农业和农机的人们一起努力,为农业的发展、为北斗的未来贡献属于自己的一份力量。

 
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