基于北斗导航的垄作智能农机作业平台研发_汪进.pdf

nullnullnull 农业开发与装备 2024年第8期科技纵横 基于北斗导航的垄作智能农机作业平台研发 汪 进 王鸿翔 江苏电子信息职业学院 江苏淮安 223003 摘要 针对目前垄作设施农业人工作业方式效率低 下 现有机械通用性差 功能单一 智能化程度低 精度低 人工操作失误造成损失 市场反响较差等问 题 结合机械设计 无线通信 北斗导航与机器视觉 技术理论 提出了基于可变式底盘的机械结构设计 基于UWB 优化北斗导航的温室作业平台定位技术 基 于物联网的温室作业平台无线通信技术及智能农机化 管理等关键技术方案 形成一套适用于垄作设施大棚 的多功能电动无人驾驶作业平台 为垄作设施农业设 备的广泛应用奠定了技术基础 关键词 北斗导航 垄作 设施农业 智能农机 作 业平台 0 引言 基于北斗导航的垄作智能农机作业平台研发符合 国家战略 行业需求和农民增收的需要 在国家战略 方面 农业农村部出台的 关于加快推进设施种植 机械化发展的意见 明确提出 智慧农业的迅猛发 展正成为现代农业的主旋律 智慧与资本两种要素相 结合引领中国正进入 智本农业 时代 这就对智能 农业设备提出了要求 实现设施农业的智能化 机械 化符合国家战略的要求 在行业需求方面 目前设施 农业正面临着日益规模化和高成本的大棚种植环境与 作业设备无机可用的矛盾 研发适用于垄作设施大棚 的多功能电动无人驾驶平台符合农业发展的需求 在 农民增收方面 智能农业机械的使用不仅能加快工作 效率 节省人工成本 还可以减少人工采摘 人工施 药 人工运输过程中由于人工疏忽造成的损失 符合 农民对增加收入的要求 1 综上所述 开展适用于垄作设施大棚的多功能电 动无人驾驶作业平台的研发 解决可变式底盘的机械 结构设计 优化越障能力 研究多功能电动无人驾驶 作业平台定位技术 无线通信技术 电能综合管理技 术和基于作物状态感知的智能巡检搬运技术等关键技 术 把工作人员从重复性高 专业性强 强度大的作 业中解放出来 攻克关键技术 实现行业进步 1 垄作设施农业发展现状 我国一直以来就是农业大国 近年来 农业的发 展速度愈发高涨 而设施农业作为依托于新兴技术和 高科技手段发展的产业 其发展水平的高低在一定程 度上能够反映目前农业的整体发展程度 2 4 截至目 前 我国拥有的温室大棚种植面积和温室大棚总数量 均位居世界首位 设施农业对于改善作物质量 提高 农民收益具有重要作用 目前 发达国家的设施农业 水平较高 在机具配备和生产方式等方面都具备较高 的智能化程度 但是与发达国家相比 我国设施农业 的机械化水平仍然较为落后 在农业生产过程中的诸 多环节仍然存在着设备技术水平较低 生产效率不高 以及人力依赖性较强等问题 2 特别是目前设施农业缺 少可用的电动平台 或电动平台功能单一 已经无法 满足设施农业对于农机的需求 大大制约了我国设施 农业的发展进步 从上述研究现状结合我国设施农业种植环境可 知 目前我国垄作设施大棚内作业装备的发展目标 应立足于强化 农艺 作物特性 作业原理 基础研 究 进而通过智能化技术手段的赋能 实现满足我国 设施农业的小型化 智能化 模块化 全电化 轻简 化装备的需要 重点面向以下功能 1 一机多用化 由于不同作物的垄宽 垄高不 尽相同 所以对作业工具存在能够根据自适应不同垄 宽 垄高的要求 一机多用 满足垄作设施大棚内 作业机具在种植不同作物的地垄上实施巡检搬运作业 的需要 2 一机多能化 由于垄作设施大棚作物的多样 性 所以对作业功能具有多种需求 特别针对较小规 模经营的需要 设置统一接口 开发各类作业模块 实现多种作业部件的模块化更换挂接 一机多能 作者简介 汪进 1993 男 江苏淮安人 硕士研究生 讲 师 研究方向 机械设计 有限元分析仿真 王鸿翔 1970 男 江苏兴化人 博士研究生 副教授 研究方向 智能制造技术 现代农业温室控 制技术 nullnullnull 农业开发与装备 2024年第8期 科技纵横 满足种植期内多轮次频繁更换部件管理作业的需要 3 绿色电动化 针对设施栽培的半封闭环境和大 棚内种植绿色无污染的要求 同时根据设施栽培的电 力补充便捷性和避免风雨 暴晒 大温差等苛刻环境 条件的优势 以及机身传动简化 小型化和低负载的 需要和优势 需大力发展易控和无尾气排放的全电动 作业设备 4 轻简智能化 垄作大棚狭小空间和高垄的狭窄 通道 使设施农业作业装备难以应用传统的驾驶操控 方式 根据技术成熟度和生产实际需要 采用智能导 航和无人驾驶技术 实现作业装备自动在架间作业 中途便捷补药补粉等极少量人工介入的有机结合 实 现最少劳力 最低强度的轻简操控作业 2 基于北斗导航的垄作智能农机作业平台研发方案 2 1 基于可变式底盘的机械结构设计与越障能力优化 针对设施大棚内不同地块 不同作物条件下垄 高 垄宽不同的问题 设计离地间隙调节装置和轮距 调节机构 针对大棚内土壤高低不平 紧实程度不一 的问题 对多功能导航平台的悬架结构 驱动形式和 越障能力进行优化 驱动方式采用轮毂电机的形式 离地间隙调节装置采用在每个轮毂电机驱动轮上安 装四边形升降部件 在整体车架上安装升降油缸的液 压独立悬架型设计 不仅实现整个工作平台的自由升 降 独立悬挂结构还保证了温室松软土地上车身的稳 定性 图1 轮距调节机构采用液压平推导轨结构 通过车架上主推油缸的伸缩运动实现两侧车轮支持架 在导轨上的平移 实现轮距的自由调节 图2 从而 优化整机设计 提高行驶和越障时的稳定性 5 6 图1 离地间隙调节装置 2 2 基于UWB优化北斗导航的作业平台定位技术 针对设施大棚和作物阻碍北斗导航直射路径 导 致目标定位点因可观测卫星不足而导致无法完成定 位的问题 使用超宽带 UItra wide Band UWB 辅助定位系统为北斗导航提供其缺失的观测量 在 定位硬件设计方面 采用北斗卫星基站 移动站和云 平台组成北斗定位系统 利用RTK转发技术和串口通 信技术 在农机控制器中获取北斗精确定位信息 如 图3所示 目前通过在开发板内程序的编写 已开 发出了北斗导航模块 经测试可以实现中等误差内 的导航 7 8 图2 轮距调节装置 基 于 北 斗 导 航 的 垄 作 智 能 农 机 作 业 平 台 研 发 汪 进 王鸿翔 A 算法优化部分 B 硬件设计部分 图 3 基于 UWB 优化北斗导航的温室作业平台定位技术路线示意图 作 物 阻 碍 北 斗 路 径 可 观 测 卫 星 不 足 无 法 完 成 定 位 使 用 UWB 优 化 自 适 应 加 权 WLS 算 法 优 化 权 重 分 配 卡 尔 曼 增 益 自 适 应 LS KF 算 法 多 次 优 化 后 卡 尔 曼 增 益 趋 于 稳 定 建 立 超 宽 带 基 站 布 设 方 案 北 斗 定 位 系 统 数 据 传 输 系 统 PTK 转 发 技 术 串 口 通 讯 技 术 农 机 控 制 器 获 取 定 位 信 息 A 算法优化部分 基 于 北 斗 导 航 的 垄 作 智 能 农 机 作 业 平 台 研 发 汪 进 王鸿翔 A 算法优化部分 B 硬件设计部分 图 3 基于 UWB 优化北斗导航的温室作业平台定位技术路线示意图 作 物 阻 碍 北 斗 路 径 可 观 测 卫 星 不 足 无 法 完 成 定 位 使 用 UWB 优 化 自 适 应 加 权 WLS 算 法 优 化 权 重 分 配 卡 尔 曼 增 益 自 适 应 LS KF 算 法 多 次 优 化 后 卡 尔 曼 增 益 趋 于 稳 定 建 立 超 宽 带 基 站 布 设 方 案 北 斗 定 位 系 统 数 据 传 输 系 统 PTK 转 发 技 术 串 口 通 讯 技 术 农 机 控 制 器 获 取 定 位 信 息 B 硬件设计部分 图3 基于UWB优化北斗导航的温室作业平台 定位技术路线示意图 2 3 基于物联网的作业平台无线通信技术 为实现作业平台运行状态的实时监测 智能化控 制和环境信息反馈控制的有机结合 使用物联网传感 器技术和数字孪生技术 通过模拟量 数字量输入接 口和CAN总线将运行数据和环境数据发送到信息处理 系统 9 中 使用基于协程机制的数据优化处理方法解决 数据传送过程中的卡顿现象 通过温室工作平台 信 息处理系统一数字孪生体的数据双向传输路线 实现 了实机与虚拟模型的可靠映射控制 nullnullnull 农业开发与装备 2024年第8期科技纵横 2 4 基于功率匹配和功率分配的电能综合管理技术 为最小化作业平台电池重量 减小功耗 提升续 航 需要对四个轮毂电机进行功率匹配 以确保每个 电机均处于对应的高效率工作区内 对子电机的功 率 转速和转矩等参数进行优化 进行子电机动力输 出的策略优化 对整机进行动力性和经济性仿真 根 据仿真得到的能耗最优参数进行试验验证 反馈修正 实现四轮分布式轮毂电机的最优功率匹配 最终研发 样机 图4 为实现温室工作平台模块化功能扩展 施药 采摘 需要对工作平台行走 转向 功能 性模块进行功率分配 使用负载自适应的基于规则控 制的功率分配策略 可实现电能的智能分配 图4 样机建模及实机 2 5 基于作物状态感知的智能巡检 搬运技术 为明确作业平台巡检搬运目标 提高有效工作时 间 采用在大棚顶部布置多个双目立体视觉摄像头的 方法采集作物的图像信息 重点关注生长状态差的作 物而适当忽略生长状态优良的作物 通过多个作物典 型表型参量 包括株高 株宽和茎夹角 来反映作物 的生长状态 计算出作物的生长状态健康度 整体实现 一种基于双目视觉的无接触式作物状态感知技术 从而 实现明确温室工作平台巡检搬运目标 提高有效工作时 间 间接提高温室工作平台单次充电工作时长 3 结论 随着设施农业的推广 我国对设施农业机械化技 术与装备的需求也越来越大 作业装备整体上呈现 电动化 与 智能化 的发展趋势 因为使用电 能作为温室内作业装备不仅不会对温室内作物产生污 染 而且智能化设备可以解放人力 同时精密的智能 化设备可以减少人工采摘 人工施药 人工运输时误 操作造成的损失 研发适用于温室用农业多功能智能 导航平台 能够自主导航完成温室内的移动功能 可 替代人工采摘 人工施药 人工运输等人工作业 其 主要指标为 可实现轮距调节范围70 100 cm 底盘高 度调节范围40 70 cm 能够实现行走的无级调速和灵 活转向 整机尺寸符合温室内灵活行走的需求 能够 实现整机路径规划与无人驾驶 通过在农业机械设备 中应用智能化控制技术 建立智能农机控制平台 不 仅优化了农业的生产模式 提高了农业生产效率 而 且可以更好地推动农业经济的可持续发展 参考文献 1 欧俊 曾晓霞 精准农业与智能农机的现状与未来发展 J 南方农机 2024 55 8 44 46 56 2 徐法金 设施农业机械化发展存在的问题与对策 J 农机 使用与维修 2020 11 130 131 3 王旭清 王法宏 任德昌 等 作物垄作栽培增产机理及技 术研究进展 J 山东农业科学 2001 3 41 45 4 赵智宇 农业机器人底盘双重转向运动控制系统设计与 试验 D 北京 中国农业机械化科学研究院 2023 5 陈治 瑀 基于卫星导航的农机自动驾驶控制技术研究 J 农机使用与维修 2022 4 38 40 6 丁启权 农业物联网技术在设施蔬菜生产中的应用与成 效 J 河北农机 2023 19 37 39 7 汪慧琳 基于北斗导航的路径规划优化算法研究 J 网络 安全技术与应用 2021 7 43 45 8 常志强 基于北斗和物联网的农机精准作业在安徽实践 J 农业机械 2021 6 57 58 9 李岩 刘欢 张雯雯 等 北斗卫星导航系统在精准农业中 的应用 J 测绘与空间地理信息 2022 45 5 151 153 155