黃裕飛 張文斌 程玉龍 李志剛

為高質(zhì)量推進(jìn)糧食生產(chǎn)全程機(jī)械化，促進(jìn)農(nóng)業(yè)裝備智能化、精準(zhǔn)化發(fā)展，充分發(fā)揮先進(jìn)裝備技術(shù)對(duì)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的支撐作用，蘇州市農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)推廣站通過市場(chǎng)調(diào)研，對(duì)不同類型的農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航駕駛系統(tǒng)進(jìn)行比較，選型引入了拓普康System 150自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，主要應(yīng)用于機(jī)插秧作業(yè)，旨在減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，降低勞動(dòng)成本，提高機(jī)插作業(yè)質(zhì)量，促進(jìn)勞動(dòng)生產(chǎn)率提高。

1 國(guó)內(nèi)外技術(shù)研究現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

目前，美國(guó)、俄羅斯、中國(guó)及歐盟國(guó)家都建有各自獨(dú)立的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。其中美國(guó)的全球定位系統(tǒng)GPS在農(nóng)業(yè)機(jī)械導(dǎo)航領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛。伊利諾斯大學(xué)的Benson等混合使用GDS（Geomagnetic direction sensor）和一個(gè)中等精度的GPS系統(tǒng)（20 cm），引導(dǎo)拖拉機(jī)沿著直線行駛，其平均誤差小于1 cm。日本的Yoshisada、Nagasaka等為久保田SPU650型插秧機(jī)開發(fā)了自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，使用RTK GPS來提供插秧機(jī)的精確定位信息，并用光纖陀螺儀檢測(cè)插秧機(jī)前進(jìn)方向。水田實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)插秧機(jī)以0.7 m/s的速度行駛時(shí)，與期望直線路徑的均方根偏差為5.5 cm，最大偏差小于12 cm。荷蘭的TijmenBakker等在甜菜地開展了農(nóng)業(yè)機(jī)器人平臺(tái)的自主導(dǎo)航研究，同樣使用了RTK GPS進(jìn)行導(dǎo)航，田地實(shí)驗(yàn)精度達(dá)到了厘米級(jí)。

1.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械GPS導(dǎo)航的研究起步相對(duì)較晚，在最近幾年逐步發(fā)展起來。張智剛等在久保田插秧機(jī)上開發(fā)了基于DGPS和電子羅盤的導(dǎo)航控制系統(tǒng)，當(dāng)速度為0.75 m/s直線路徑跟蹤時(shí)，平均誤差0.04 m，最大誤差0.13 m；當(dāng)速度為0.33 m/s圓曲線路徑跟蹤時(shí)，平均誤差0.04 m，最大誤差0.09 m。羅錫文等在東方紅X804拖拉機(jī)上構(gòu)建了基于RTK DGPS的自動(dòng)導(dǎo)航控制系統(tǒng)，在拖拉機(jī)行進(jìn)速度為0.8 m/s時(shí)，直線跟蹤的最大誤差小于0.15 m，平均跟蹤誤差小于0.03 m。

農(nóng)業(yè)機(jī)械的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)總體而言已經(jīng)基本成熟，隨著衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)產(chǎn)品的普及，其使用成本也將不斷下降。我國(guó)配有北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的拖拉機(jī)已經(jīng)進(jìn)入一些大型農(nóng)場(chǎng)的田間地頭，可以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、延長(zhǎng)作業(yè)時(shí)間、改善作業(yè)質(zhì)量。

2 試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

通過試驗(yàn)研究，探索拓普康System150自動(dòng)導(dǎo)航駕駛系統(tǒng)應(yīng)用于相關(guān)農(nóng)機(jī)作業(yè)的適用性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性。

2.2 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)前按要求對(duì)自動(dòng)導(dǎo)航駕駛系統(tǒng)進(jìn)行安裝、調(diào)試。配套試驗(yàn)機(jī)具為久保田M954KQ拖拉機(jī)、久保田2ZGQ-6B插秧機(jī)、洋馬2ZGQ-6D插秧機(jī)。

2.3 試驗(yàn)地點(diǎn)

試驗(yàn)地點(diǎn)分別選在太倉市、吳江區(qū)及相城區(qū)，依托金香溢農(nóng)機(jī)服務(wù)專業(yè)合作社、同里鎮(zhèn)北聯(lián)農(nóng)機(jī)服務(wù)專業(yè)合作社及東林農(nóng)機(jī)服務(wù)專業(yè)合作社開展項(xiàng)目試驗(yàn)。這些合作社的農(nóng)田具有不同的土壤類型、不同的耕整地農(nóng)藝條件，在蘇州市具有代表性。

2.4 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)主要測(cè)定拖拉機(jī)機(jī)耕路、未旋耕田塊直線度及插秧機(jī)作業(yè)鄰接行寬絕對(duì)偏差兩個(gè)指標(biāo)。

（1）直線度測(cè)定。將拓普康System150自動(dòng)導(dǎo)航駕駛系統(tǒng)安裝在久保田M954KQ拖拉機(jī)上，在機(jī)耕路面、未旋耕田塊兩端通過控制器設(shè)定預(yù)定行走的AB直線路徑，AB直線距離為100 m，地頭與地尾10 m距離為非測(cè)量區(qū)，在一個(gè)作業(yè)長(zhǎng)度內(nèi)每間隔3米選取1個(gè)點(diǎn)，共選取20個(gè)點(diǎn)測(cè)定其絕對(duì)偏差，驗(yàn)證導(dǎo)航精準(zhǔn)度。

(2)鄰接行寬絕對(duì)偏差測(cè)定。將拓普康System150自動(dòng)導(dǎo)航駕駛系統(tǒng)分別安裝在久保田2ZGQ-6B插秧機(jī)和洋馬2ZGQ-6D插秧機(jī)上開展鄰接行寬試驗(yàn)。測(cè)量鄰接兩行之間的行寬，地頭與地尾10 m距離為非測(cè)量區(qū)，在一個(gè)作業(yè)長(zhǎng)度內(nèi)每間隔2米選取1組鄰接行對(duì)稱點(diǎn)，共取20組，對(duì)稱兩點(diǎn)應(yīng)保持在同一水平線上，測(cè)量每組對(duì)稱點(diǎn)之間的距離，從而計(jì)算鄰接行寬與設(shè)定行寬的絕對(duì)偏差。

3 性能測(cè)試結(jié)果與分析

3.1 直線度測(cè)定

在金香溢農(nóng)機(jī)服務(wù)合作社附近的機(jī)耕路與未旋耕田塊上進(jìn)行不同速度下的直線度測(cè)定，測(cè)定數(shù)據(jù)見表1。

表1 不同速度下直線度測(cè)定

從直線度測(cè)定試驗(yàn)數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)，自動(dòng)駕駛系統(tǒng)在拖拉機(jī)上的應(yīng)用能符合自動(dòng)導(dǎo)航RTK（±2.5 cm）指標(biāo)要求，且數(shù)據(jù)顯示拖拉機(jī)行駛速度越快，采樣點(diǎn)絕對(duì)偏差平均值就越大。

3.2 鄰接行寬絕對(duì)偏差測(cè)定

相城望亭、吳江同里、太倉東林試驗(yàn)田塊的基本情況調(diào)查與測(cè)定結(jié)果見表2。相城望亭、吳江同里、太倉東林的機(jī)插秧作業(yè)鄰接行寬測(cè)定數(shù)據(jù)見表3。

試驗(yàn)結(jié)果表明：深翻條件下自動(dòng)導(dǎo)航鄰接行寬絕對(duì)偏差平均值達(dá)到13.3 cm，適應(yīng)性相對(duì)較差。主要原因?yàn)樯罘筇飰K平整度不高，插秧機(jī)作業(yè)時(shí)容易陷進(jìn)去，導(dǎo)致車體阻力增大，與標(biāo)定狀態(tài)發(fā)生偏差，參數(shù)無法及時(shí)糾偏，有時(shí)會(huì)觸及系統(tǒng)安全保護(hù)設(shè)定條件，發(fā)生自動(dòng)解除自動(dòng)駕駛模式現(xiàn)象。旋耕條件下，自動(dòng)導(dǎo)航鄰接行寬絕對(duì)偏差平均值均小于5 cm，作業(yè)質(zhì)量相對(duì)穩(wěn)定，適應(yīng)性較好。

表2 試驗(yàn)田塊基本情況調(diào)查與測(cè)定

表3 鄰接行寬絕對(duì)偏差測(cè)定

4 經(jīng)濟(jì)效益分析

項(xiàng)目主要圍繞用工成本、作業(yè)效率開展經(jīng)濟(jì)效益分析。自動(dòng)導(dǎo)航駕駛與人工駕駛的作業(yè)效率見表4。

表4 自動(dòng)導(dǎo)航駕駛與人工駕駛的作業(yè)效率

自動(dòng)導(dǎo)航駕駛僅用1名駕駛員就可以完成加秧、插秧作業(yè)，而人工駕駛至少需要2人才能完成加秧、插秧作業(yè)。按一個(gè)作業(yè)季節(jié)20 d計(jì)算，自動(dòng)導(dǎo)航駕駛比人工駕駛每季可節(jié)省人工成本8 000～12 000元（熟練機(jī)手人工費(fèi)按500～600元/天計(jì)算，加秧手人工費(fèi)按400～500元/天計(jì)算）。按每天工作12 h計(jì)算（早上6點(diǎn)下地，晚上7點(diǎn)結(jié)束，中午休息1 h），自動(dòng)導(dǎo)航駕駛每臺(tái)插秧機(jī)一個(gè)作業(yè)季可插秧78.88 hm2，人工駕駛一個(gè)作業(yè)季可插秧67.84 hm2，使用自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)每臺(tái)插秧機(jī)每季可多插11.04 hm2，作業(yè)效率提升約14%，節(jié)本增效明顯。需說明的是人工駕駛的隱形成本未計(jì)算在內(nèi)，如培養(yǎng)一名熟練的插秧機(jī)操作手的成本（文中的熟練機(jī)手指具有5～8年駕齡的機(jī)手）。自動(dòng)導(dǎo)航駕駛的駕駛員只需了解插秧機(jī)操作規(guī)程，會(huì)田頭轉(zhuǎn)彎即可，作業(yè)過程中勞動(dòng)強(qiáng)度不大。

5 推廣建議

農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航駕駛系統(tǒng)在東北、新疆等地域遼闊的地方已經(jīng)有了一定的推廣量，并基本實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化。由于農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力有效供給趨于緊張，自動(dòng)導(dǎo)航駕駛系統(tǒng)在蘇州市具有一定的推廣價(jià)值。因此，針對(duì)農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航駕駛系統(tǒng)在蘇州市的試驗(yàn)應(yīng)用效果，提出以下推廣建議：

（1）由于單套導(dǎo)航設(shè)備價(jià)格目前仍較高，對(duì)于小規(guī)模種植的農(nóng)民來說很難接受。建議國(guó)家科研機(jī)構(gòu)對(duì)進(jìn)口設(shè)備技術(shù)加快消化吸收，加快研制符合中國(guó)國(guó)情的擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的北斗衛(wèi)星自動(dòng)導(dǎo)航駕駛系統(tǒng)，并提高其可靠性、穩(wěn)定性。

（2）從蘇州市使用情況來看，農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航駕駛系統(tǒng)更適應(yīng)較長(zhǎng)的田塊。建議相關(guān)部門結(jié)合農(nóng)機(jī)發(fā)展前景，建設(shè)便于自動(dòng)導(dǎo)航駕駛的高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田，同時(shí)，鼓勵(lì)引導(dǎo)區(qū)域性土地適度規(guī)模經(jīng)營(yíng)。

（3）自動(dòng)導(dǎo)航駕駛系統(tǒng)安裝在插秧機(jī)上進(jìn)行機(jī)插秧作業(yè)時(shí)，作業(yè)質(zhì)量主要取決于田塊的耕翻質(zhì)量。建議自動(dòng)導(dǎo)航駕駛插秧前，盡可能進(jìn)行高質(zhì)量的耕整地。

（4）拓普康自動(dòng)導(dǎo)航駕駛系統(tǒng)非拖拉機(jī)、插秧機(jī)原裝標(biāo)配產(chǎn)品，改裝換裝相對(duì)復(fù)雜，需要專業(yè)技術(shù)人員安裝，增加了使用難度。建議廠家提高設(shè)備安裝簡(jiǎn)便性。另外，由于該系統(tǒng)是智能、先進(jìn)的農(nóng)機(jī)裝備，需要操作使用者具備一定的知識(shí)水平，建議農(nóng)機(jī)主管部門、推廣機(jī)構(gòu)、廠家及經(jīng)銷商對(duì)農(nóng)民、機(jī)手開展自動(dòng)導(dǎo)航駕駛安裝、操作培訓(xùn)。

（5）農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航駕駛系統(tǒng)使用時(shí)受環(huán)境的影響比較大，如在周圍有林帶、地勢(shì)較低洼、附近有電力及具有強(qiáng)干擾信號(hào)的污染源的地方，會(huì)發(fā)生差分信號(hào)不穩(wěn)定或信號(hào)中斷問題，導(dǎo)致定位精度不準(zhǔn)確。移動(dòng)基站在使用方面會(huì)受到限制，建議在地塊寬廣地段建立固定基站，提高系統(tǒng)使用的便攜性及穩(wěn)定性。

（6）建議各級(jí)管理部門強(qiáng)化政策引導(dǎo)，充分利用國(guó)家農(nóng)機(jī)購置補(bǔ)貼政策及省、市農(nóng)機(jī)化專項(xiàng)資金，加大對(duì)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)的推廣應(yīng)用力度，提高補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)，鼓勵(lì)、引導(dǎo)農(nóng)機(jī)用戶購買智能、先進(jìn)、適用的農(nóng)業(yè)機(jī)械，促進(jìn)蘇州市農(nóng)機(jī)化高質(zhì)量發(fā)展走在全省前列。