nullnullnull 農(nóng)業(yè)開發(fā)與裝備 2024年第8期科技縱橫 基于北斗導(dǎo)航的壟作智能農(nóng)機(jī)作業(yè)平臺研發(fā) 汪 進(jìn) 王鴻翔 江蘇電子信息職業(yè)學(xué)院 江蘇淮安 223003 摘要 針對目前壟作設(shè)施農(nóng)業(yè)人工作業(yè)方式效率低 下 現(xiàn)有機(jī)械通用性差 功能單一 智能化程度低 精度低 人工操作失誤造成損失 市場反響較差等問 題 結(jié)合機(jī)械設(shè)計(jì) 無線通信 北斗導(dǎo)航與機(jī)器視覺 技術(shù)理論 提出了基于可變式底盤的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 基于UWB 優(yōu)化北斗導(dǎo)航的溫室作業(yè)平臺定位技術(shù) 基 于物聯(lián)網(wǎng)的溫室作業(yè)平臺無線通信技術(shù)及智能農(nóng)機(jī)化 管理等關(guān)鍵技術(shù)方案 形成一套適用于壟作設(shè)施大棚 的多功能電動無人駕駛作業(yè)平臺 為壟作設(shè)施農(nóng)業(yè)設(shè) 備的廣泛應(yīng)用奠定了技術(shù)基礎(chǔ) 關(guān)鍵詞 北斗導(dǎo)航 壟作 設(shè)施農(nóng)業(yè) 智能農(nóng)機(jī) 作 業(yè)平臺 0 引言 基于北斗導(dǎo)航的壟作智能農(nóng)機(jī)作業(yè)平臺研發(fā)符合 國家戰(zhàn)略 行業(yè)需求和農(nóng)民增收的需要 在國家戰(zhàn)略 方面 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部出臺的 關(guān)于加快推進(jìn)設(shè)施種植 機(jī)械化發(fā)展的意見 明確提出 智慧農(nóng)業(yè)的迅猛發(fā) 展正成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的主旋律 智慧與資本兩種要素相 結(jié)合引領(lǐng)中國正進(jìn)入 智本農(nóng)業(yè) 時(shí)代 這就對智能 農(nóng)業(yè)設(shè)備提出了要求 實(shí)現(xiàn)設(shè)施農(nóng)業(yè)的智能化 機(jī)械 化符合國家戰(zhàn)略的要求 在行業(yè)需求方面 目前設(shè)施 農(nóng)業(yè)正面臨著日益規(guī)?；透叱杀镜拇笈锓N植環(huán)境與 作業(yè)設(shè)備無機(jī)可用的矛盾 研發(fā)適用于壟作設(shè)施大棚 的多功能電動無人駕駛平臺符合農(nóng)業(yè)發(fā)展的需求 在 農(nóng)民增收方面 智能農(nóng)業(yè)機(jī)械的使用不僅能加快工作 效率 節(jié)省人工成本 還可以減少人工采摘 人工施 藥 人工運(yùn)輸過程中由于人工疏忽造成的損失 符合 農(nóng)民對增加收入的要求 1 綜上所述 開展適用于壟作設(shè)施大棚的多功能電 動無人駕駛作業(yè)平臺的研發(fā) 解決可變式底盤的機(jī)械 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 優(yōu)化越障能力 研究多功能電動無人駕駛 作業(yè)平臺定位技術(shù) 無線通信技術(shù) 電能綜合管理技 術(shù)和基于作物狀態(tài)感知的智能巡檢搬運(yùn)技術(shù)等關(guān)鍵技 術(shù) 把工作人員從重復(fù)性高 專業(yè)性強(qiáng) 強(qiáng)度大的作 業(yè)中解放出來 攻克關(guān)鍵技術(shù) 實(shí)現(xiàn)行業(yè)進(jìn)步 1 壟作設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀 我國一直以來就是農(nóng)業(yè)大國 近年來 農(nóng)業(yè)的發(fā) 展速度愈發(fā)高漲 而設(shè)施農(nóng)業(yè)作為依托于新興技術(shù)和 高科技手段發(fā)展的產(chǎn)業(yè) 其發(fā)展水平的高低在一定程 度上能夠反映目前農(nóng)業(yè)的整體發(fā)展程度 2 4 截至目 前 我國擁有的溫室大棚種植面積和溫室大棚總數(shù)量 均位居世界首位 設(shè)施農(nóng)業(yè)對于改善作物質(zhì)量 提高 農(nóng)民收益具有重要作用 目前 發(fā)達(dá)國家的設(shè)施農(nóng)業(yè) 水平較高 在機(jī)具配備和生產(chǎn)方式等方面都具備較高 的智能化程度 但是與發(fā)達(dá)國家相比 我國設(shè)施農(nóng)業(yè) 的機(jī)械化水平仍然較為落后 在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的諸 多環(huán)節(jié)仍然存在著設(shè)備技術(shù)水平較低 生產(chǎn)效率不高 以及人力依賴性較強(qiáng)等問題 2 特別是目前設(shè)施農(nóng)業(yè)缺 少可用的電動平臺 或電動平臺功能單一 已經(jīng)無法 滿足設(shè)施農(nóng)業(yè)對于農(nóng)機(jī)的需求 大大制約了我國設(shè)施 農(nóng)業(yè)的發(fā)展進(jìn)步 從上述研究現(xiàn)狀結(jié)合我國設(shè)施農(nóng)業(yè)種植環(huán)境可 知 目前我國壟作設(shè)施大棚內(nèi)作業(yè)裝備的發(fā)展目標(biāo) 應(yīng)立足于強(qiáng)化 農(nóng)藝 作物特性 作業(yè)原理 基礎(chǔ)研 究 進(jìn)而通過智能化技術(shù)手段的賦能 實(shí)現(xiàn)滿足我國 設(shè)施農(nóng)業(yè)的小型化 智能化 模塊化 全電化 輕簡 化裝備的需要 重點(diǎn)面向以下功能 1 一機(jī)多用化 由于不同作物的壟寬 壟高不 盡相同 所以對作業(yè)工具存在能夠根據(jù)自適應(yīng)不同壟 寬 壟高的要求 一機(jī)多用 滿足壟作設(shè)施大棚內(nèi) 作業(yè)機(jī)具在種植不同作物的地壟上實(shí)施巡檢搬運(yùn)作業(yè) 的需要 2 一機(jī)多能化 由于壟作設(shè)施大棚作物的多樣 性 所以對作業(yè)功能具有多種需求 特別針對較小規(guī) 模經(jīng)營的需要 設(shè)置統(tǒng)一接口 開發(fā)各類作業(yè)模塊 實(shí)現(xiàn)多種作業(yè)部件的模塊化更換掛接 一機(jī)多能 作者簡介 汪進(jìn) 1993 男 江蘇淮安人 碩士研究生 講 師 研究方向 機(jī)械設(shè)計(jì) 有限元分析仿真 王鴻翔 1970 男 江蘇興化人 博士研究生 副教授 研究方向 智能制造技術(shù) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)溫室控 制技術(shù) nullnullnull 農(nóng)業(yè)開發(fā)與裝備 2024年第8期 科技縱橫 滿足種植期內(nèi)多輪次頻繁更換部件管理作業(yè)的需要 3 綠色電動化 針對設(shè)施栽培的半封閉環(huán)境和大 棚內(nèi)種植綠色無污染的要求 同時(shí)根據(jù)設(shè)施栽培的電 力補(bǔ)充便捷性和避免風(fēng)雨 暴曬 大溫差等苛刻環(huán)境 條件的優(yōu)勢 以及機(jī)身傳動簡化 小型化和低負(fù)載的 需要和優(yōu)勢 需大力發(fā)展易控和無尾氣排放的全電動 作業(yè)設(shè)備 4 輕簡智能化 壟作大棚狹小空間和高壟的狹窄 通道 使設(shè)施農(nóng)業(yè)作業(yè)裝備難以應(yīng)用傳統(tǒng)的駕駛操控 方式 根據(jù)技術(shù)成熟度和生產(chǎn)實(shí)際需要 采用智能導(dǎo) 航和無人駕駛技術(shù) 實(shí)現(xiàn)作業(yè)裝備自動在架間作業(yè) 中途便捷補(bǔ)藥補(bǔ)粉等極少量人工介入的有機(jī)結(jié)合 實(shí) 現(xiàn)最少勞力 最低強(qiáng)度的輕簡操控作業(yè) 2 基于北斗導(dǎo)航的壟作智能農(nóng)機(jī)作業(yè)平臺研發(fā)方案 2 1 基于可變式底盤的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與越障能力優(yōu)化 針對設(shè)施大棚內(nèi)不同地塊 不同作物條件下壟 高 壟寬不同的問題 設(shè)計(jì)離地間隙調(diào)節(jié)裝置和輪距 調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu) 針對大棚內(nèi)土壤高低不平 緊實(shí)程度不一 的問題 對多功能導(dǎo)航平臺的懸架結(jié)構(gòu) 驅(qū)動形式和 越障能力進(jìn)行優(yōu)化 驅(qū)動方式采用輪轂電機(jī)的形式 離地間隙調(diào)節(jié)裝置采用在每個(gè)輪轂電機(jī)驅(qū)動輪上安 裝四邊形升降部件 在整體車架上安裝升降油缸的液 壓獨(dú)立懸架型設(shè)計(jì) 不僅實(shí)現(xiàn)整個(gè)工作平臺的自由升 降 獨(dú)立懸掛結(jié)構(gòu)還保證了溫室松軟土地上車身的穩(wěn) 定性 圖1 輪距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)采用液壓平推導(dǎo)軌結(jié)構(gòu) 通過車架上主推油缸的伸縮運(yùn)動實(shí)現(xiàn)兩側(cè)車輪支持架 在導(dǎo)軌上的平移 實(shí)現(xiàn)輪距的自由調(diào)節(jié) 圖2 從而 優(yōu)化整機(jī)設(shè)計(jì) 提高行駛和越障時(shí)的穩(wěn)定性 5 6 圖1 離地間隙調(diào)節(jié)裝置 2 2 基于UWB優(yōu)化北斗導(dǎo)航的作業(yè)平臺定位技術(shù) 針對設(shè)施大棚和作物阻礙北斗導(dǎo)航直射路徑 導(dǎo) 致目標(biāo)定位點(diǎn)因可觀測衛(wèi)星不足而導(dǎo)致無法完成定 位的問題 使用超寬帶 UItra wide Band UWB 輔助定位系統(tǒng)為北斗導(dǎo)航提供其缺失的觀測量 在 定位硬件設(shè)計(jì)方面 采用北斗衛(wèi)星基站 移動站和云 平臺組成北斗定位系統(tǒng) 利用RTK轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)和串口通 信技術(shù) 在農(nóng)機(jī)控制器中獲取北斗精確定位信息 如 圖3所示 目前通過在開發(fā)板內(nèi)程序的編寫 已開 發(fā)出了北斗導(dǎo)航模塊 經(jīng)測試可以實(shí)現(xiàn)中等誤差內(nèi) 的導(dǎo)航 7 8 圖2 輪距調(diào)節(jié)裝置 基 于 北 斗 導(dǎo) 航 的 壟 作 智 能 農(nóng) 機(jī) 作 業(yè) 平 臺 研 發(fā) 汪 進(jìn) 王鴻翔 A 算法優(yōu)化部分 B 硬件設(shè)計(jì)部分 圖 3 基于 UWB 優(yōu)化北斗導(dǎo)航的溫室作業(yè)平臺定位技術(shù)路線示意圖 作 物 阻 礙 北 斗 路 徑 可 觀 測 衛(wèi) 星 不 足 無 法 完 成 定 位 使 用 UWB 優(yōu) 化 自 適 應(yīng) 加 權(quán) WLS 算 法 優(yōu) 化 權(quán) 重 分 配 卡 爾 曼 增 益 自 適 應(yīng) LS KF 算 法 多 次 優(yōu) 化 后 卡 爾 曼 增 益 趨 于 穩(wěn) 定 建 立 超 寬 帶 基 站 布 設(shè) 方 案 北 斗 定 位 系 統(tǒng) 數(shù) 據(jù) 傳 輸 系 統(tǒng) PTK 轉(zhuǎn) 發(fā) 技 術(shù) 串 口 通 訊 技 術(shù) 農(nóng) 機(jī) 控 制 器 獲 取 定 位 信 息 A 算法優(yōu)化部分 基 于 北 斗 導(dǎo) 航 的 壟 作 智 能 農(nóng) 機(jī) 作 業(yè) 平 臺 研 發(fā) 汪 進(jìn) 王鴻翔 A 算法優(yōu)化部分 B 硬件設(shè)計(jì)部分 圖 3 基于 UWB 優(yōu)化北斗導(dǎo)航的溫室作業(yè)平臺定位技術(shù)路線示意圖 作 物 阻 礙 北 斗 路 徑 可 觀 測 衛(wèi) 星 不 足 無 法 完 成 定 位 使 用 UWB 優(yōu) 化 自 適 應(yīng) 加 權(quán) WLS 算 法 優(yōu) 化 權(quán) 重 分 配 卡 爾 曼 增 益 自 適 應(yīng) LS KF 算 法 多 次 優(yōu) 化 后 卡 爾 曼 增 益 趨 于 穩(wěn) 定 建 立 超 寬 帶 基 站 布 設(shè) 方 案 北 斗 定 位 系 統(tǒng) 數(shù) 據(jù) 傳 輸 系 統(tǒng) PTK 轉(zhuǎn) 發(fā) 技 術(shù) 串 口 通 訊 技 術(shù) 農(nóng) 機(jī) 控 制 器 獲 取 定 位 信 息 B 硬件設(shè)計(jì)部分 圖3 基于UWB優(yōu)化北斗導(dǎo)航的溫室作業(yè)平臺 定位技術(shù)路線示意圖 2 3 基于物聯(lián)網(wǎng)的作業(yè)平臺無線通信技術(shù) 為實(shí)現(xiàn)作業(yè)平臺運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測 智能化控 制和環(huán)境信息反饋控制的有機(jī)結(jié)合 使用物聯(lián)網(wǎng)傳感 器技術(shù)和數(shù)字孿生技術(shù) 通過模擬量 數(shù)字量輸入接 口和CAN總線將運(yùn)行數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)送到信息處理 系統(tǒng) 9 中 使用基于協(xié)程機(jī)制的數(shù)據(jù)優(yōu)化處理方法解決 數(shù)據(jù)傳送過程中的卡頓現(xiàn)象 通過溫室工作平臺 信 息處理系統(tǒng)一數(shù)字孿生體的數(shù)據(jù)雙向傳輸路線 實(shí)現(xiàn) 了實(shí)機(jī)與虛擬模型的可靠映射控制 nullnullnull 農(nóng)業(yè)開發(fā)與裝備 2024年第8期科技縱橫 2 4 基于功率匹配和功率分配的電能綜合管理技術(shù) 為最小化作業(yè)平臺電池重量 減小功耗 提升續(xù) 航 需要對四個(gè)輪轂電機(jī)進(jìn)行功率匹配 以確保每個(gè) 電機(jī)均處于對應(yīng)的高效率工作區(qū)內(nèi) 對子電機(jī)的功 率 轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化 進(jìn)行子電機(jī)動力輸 出的策略優(yōu)化 對整機(jī)進(jìn)行動力性和經(jīng)濟(jì)性仿真 根 據(jù)仿真得到的能耗最優(yōu)參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證 反饋修正 實(shí)現(xiàn)四輪分布式輪轂電機(jī)的最優(yōu)功率匹配 最終研發(fā) 樣機(jī) 圖4 為實(shí)現(xiàn)溫室工作平臺模塊化功能擴(kuò)展 施藥 采摘 需要對工作平臺行走 轉(zhuǎn)向 功能 性模塊進(jìn)行功率分配 使用負(fù)載自適應(yīng)的基于規(guī)則控 制的功率分配策略 可實(shí)現(xiàn)電能的智能分配 圖4 樣機(jī)建模及實(shí)機(jī) 2 5 基于作物狀態(tài)感知的智能巡檢 搬運(yùn)技術(shù) 為明確作業(yè)平臺巡檢搬運(yùn)目標(biāo) 提高有效工作時(shí) 間 采用在大棚頂部布置多個(gè)雙目立體視覺攝像頭的 方法采集作物的圖像信息 重點(diǎn)關(guān)注生長狀態(tài)差的作 物而適當(dāng)忽略生長狀態(tài)優(yōu)良的作物 通過多個(gè)作物典 型表型參量 包括株高 株寬和莖夾角 來反映作物 的生長狀態(tài) 計(jì)算出作物的生長狀態(tài)健康度 整體實(shí)現(xiàn) 一種基于雙目視覺的無接觸式作物狀態(tài)感知技術(shù) 從而 實(shí)現(xiàn)明確溫室工作平臺巡檢搬運(yùn)目標(biāo) 提高有效工作時(shí) 間 間接提高溫室工作平臺單次充電工作時(shí)長 3 結(jié)論 隨著設(shè)施農(nóng)業(yè)的推廣 我國對設(shè)施農(nóng)業(yè)機(jī)械化技 術(shù)與裝備的需求也越來越大 作業(yè)裝備整體上呈現(xiàn) 電動化 與 智能化 的發(fā)展趨勢 因?yàn)槭褂秒?能作為溫室內(nèi)作業(yè)裝備不僅不會對溫室內(nèi)作物產(chǎn)生污 染 而且智能化設(shè)備可以解放人力 同時(shí)精密的智能 化設(shè)備可以減少人工采摘 人工施藥 人工運(yùn)輸時(shí)誤 操作造成的損失 研發(fā)適用于溫室用農(nóng)業(yè)多功能智能 導(dǎo)航平臺 能夠自主導(dǎo)航完成溫室內(nèi)的移動功能 可 替代人工采摘 人工施藥 人工運(yùn)輸?shù)热斯ぷ鳂I(yè) 其 主要指標(biāo)為 可實(shí)現(xiàn)輪距調(diào)節(jié)范圍70 100 cm 底盤高 度調(diào)節(jié)范圍40 70 cm 能夠?qū)崿F(xiàn)行走的無級調(diào)速和靈 活轉(zhuǎn)向 整機(jī)尺寸符合溫室內(nèi)靈活行走的需求 能夠 實(shí)現(xiàn)整機(jī)路徑規(guī)劃與無人駕駛 通過在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備 中應(yīng)用智能化控制技術(shù) 建立智能農(nóng)機(jī)控制平臺 不 僅優(yōu)化了農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)模式 提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率 而 且可以更好地推動農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展 參考文獻(xiàn) 1 歐俊 曾曉霞 精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)與智能農(nóng)機(jī)的現(xiàn)狀與未來發(fā)展 J 南方農(nóng)機(jī) 2024 55 8 44 46 56 2 徐法金 設(shè)施農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展存在的問題與對策 J 農(nóng)機(jī) 使用與維修 2020 11 130 131 3 王旭清 王法宏 任德昌 等 作物壟作栽培增產(chǎn)機(jī)理及技 術(shù)研究進(jìn)展 J 山東農(nóng)業(yè)科學(xué) 2001 3 41 45 4 趙智宇 農(nóng)業(yè)機(jī)器人底盤雙重轉(zhuǎn)向運(yùn)動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與 試驗(yàn) D 北京 中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院 2023 5 陳治 瑀 基于衛(wèi)星導(dǎo)航的農(nóng)機(jī)自動駕駛控制技術(shù)研究 J 農(nóng)機(jī)使用與維修 2022 4 38 40 6 丁啟權(quán) 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在設(shè)施蔬菜生產(chǎn)中的應(yīng)用與成 效 J 河北農(nóng)機(jī) 2023 19 37 39 7 汪慧琳 基于北斗導(dǎo)航的路徑規(guī)劃優(yōu)化算法研究 J 網(wǎng)絡(luò) 安全技術(shù)與應(yīng)用 2021 7 43 45 8 常志強(qiáng) 基于北斗和物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)機(jī)精準(zhǔn)作業(yè)在安徽實(shí)踐 J 農(nóng)業(yè)機(jī)械 2021 6 57 58 9 李巖 劉歡 張雯雯 等 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中 的應(yīng)用 J 測繪與空間地理信息 2022 45 5 151 153 155