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基于GPS的精细农业设备导航技术研究 杜尚丰 宫晓琳 张文革 (中国农业大学电子信息工程系 北京 100083； 10008 中国农业大学精细农业研究中心 北京 3； 现代精细农业系统集成研究教育部重点实验室 北京 100083) 摘要：基于GPS的农机导航技术是未来精细农业的关键技术。本文介绍了农业机械设备导航的历史；分析 了基于GPS的导航的现状；探讨了未来农业机械GPS导航系统的发展趋势以及急待解决的问题。 关键词：GPS；导航技术；农业机械；精细农业 1．引言 农机设备自动导航的研究已有五十多年的历史，早在拖拉机和汽车时代就有一些设想家在 进行增强农机具功能的探索。 1929年的一个专利表明将一个导航轮作 为机器的触角拴在设备操作轮上，拖拉机可 以沿着犁沟进行耕作，如下图l所示。 农机设备自动导航研究的初衷是将驾驶 员从繁重的人工操作中解脱出来，这也是推 动自动导航研究的重要因素之一。驾驶员的 任务主要有两部分，驾驶拖拉机和监督生产 过程。十几年来，虽然拖拉机和器具得到很 大的发展，但驾驶员的任务却没有本质的改 变。农业设备规模的不断增大使驾驶员更加 图l早期的自动导航系统 难于从视觉上做出判断，因此迫切的需要进 (图片来源：U．S．Patent#1．506．706) 行自动导航系统的研究。 20世纪70年代，研究人员在农机设备自动导航方面做出了大量的努力。回顾一下有1976 问题，还提出了许多系统并对其进行了测试。相关协会的研究者为自动化农业机器建立了导航 方法论，这一导航系统利用的是机械指导和非接触传感器。机械系统利用触觉来探测犁沟或作 物行的位置；触觉位置将被转换成导航信号。基于系统的传感器依靠电子传感器来决定机器的 本地位置或建立一个坐标系。已有几家制造商开发出机械触觉系统并投入了市场，但实际上没 Autopilot(Busses， 有一个得到广泛的使用。唯一的一个例外是用在谷物粉碎机上的Claas 1977)，已经出售了一定的数量。 417 20世纪80年代晚期，农机具自动导航问题又被提上日程。许多提案都是基于机器视觉和 卫星全球定位系统(GPS)。 20世纪90年代提出精细农业、降低计算机开销和增加农业设备上的发动机、信号传输和 操作的电子、电气系统的使用。这些都是农机具自动化的基本技术。为后期基于GPS导航导航 系统奠定了前期基础。 2．农机设备自动导航发展现状 鉴于70年代提出的所有系统都存在着不足，大多数系统仅限于专门的操作，例如那些使 用机械传感器进行犁沟或收割边探测的系统。有些系统可用于田间的各种操作，但需要在田间 或田地周围进行大量的、昂贵的准备和进行引线电缆或灯塔的安装。还有一些系统需要在拖拉 机或器具上安置体积庞大的结构。所有的这些对于投入、维护来说付出的代价较高，从而限制 了系统的应用。为避免这些限制，一个用于自动导航农业工具的系统必须具有通用性。这就是 说：系统要对各种田间操作和农业工具具备多功能性和通用性。任何在田间或田地周围的安装 都是没有必要的。 此外，虽然精确GPS接收机能够提供厘米级的位置测量精度，但农机具上使用的大多数低 成本GPS系统一般仅有米级定位精度，不能满足许多精细农业操作的需要。 ’为解决上述两个问题，农机设备自动导航应当朝着通用、多功能、高精度、低成本的方向 发展。当前的主流是采用多传感器和GPS联合进行导航的系统。一种系统是综合了两种定位方 法——用航位推测法(推算导航)进行相对定位、用全球定位系统(GPS)进行绝对定位，来 改善农机具的定位精度。在航位推测法中，通过机具运动方向上的累加距离来计算机器在农田 的中位置。在短期时间内这种方法是非常可靠和精确的，但由于传感器的漂移和工具的滑动， 总是存在相当大的累积定位误差。比较而言，GPS是在大地坐标上直接用卫星基础位置测量技 术决定机器的位置。在GPS测量中，因为每一测量都独立于前一测量，所以不