摘要：農業機械自動導航是精準農業技術體系中的一項核心關鍵技術，廣泛應用于耕作、播種、施肥、噴藥、收獲等農業生產過程。農機位置測量方法、農機模型與導航路徑跟蹤控制方法是農業機械自動導航技術的研究重點，受到國內外科研人員的廣泛關注。農機位置測量主要有相對測量和絕對測量二類方法，前者以基于機器視覺的測量方法為代表，主要利用圖像處理技術識別作物行，進而確定導航基準線，實現農機與作物的相對位置與航向信息的測量；后者則以基于全球導航衛星系統的測量方法為代表，利用衛星定位技術實現農機位置的高精度測量，在農業生產中應用最為廣泛；而面對復雜的田間環境變化，在位置測量中應用多傳感器數據融合技術通常可以得到更好的測量結果。導航路徑跟蹤控制通常以農機運動學模型或動力學模型為核心，多采用最優控制、最優估計、自適應控制、人工神經網絡、模糊控制、魯棒控制等現代控制理論與方法；而無模型控制方法則可以避免建模不準確或者模型參數劇烈變化對農機路徑跟蹤控制性能所產生的負面影響。該文從上述2個方面綜述分析了農業機械自動導航技術的研究現狀及存在的問題，并對未來農機導航技術的發展做出了展望，指出采用衛星導航技術，開展農機地頭自動轉向控制、障礙物探測及主動避障、多機協同導航等高級導航技術研究，以及引入先進的物聯網技術，是現代農機自動導航技術發展的主要趨勢。

　　關鍵詞：農業機械；導航；模型；農機物聯網

　　0引言

　　農業機械自動導航是一個古老的話題。早在1924年，Willrodt[1]就發明了一種拖拉機駕駛附件并取得美國專利，這是一種安裝在拖拉機前軸上的機械裝置，它能引導拖拉機沿著與已經開好的犁溝平行的路線行走。1941年，Andrew[2]發明了一種拖拉機自動控制方法，在田地中央放置一個大輪盤，利用纏繞在輪盤上的金屬線引導拖拉機沿著螺旋線運動。

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　　1現代農機自動導航系統的典型結構

　　農機的自動導航控制主要是對農機進行橫向位置控制，即控制農機跟蹤事先規劃好的作業路徑，使其與路徑之間的橫向位置偏差保持在一定的精度范圍之內，從而滿足農業生產的需要。現代農機自動導航系統一般由檢測單元、控制單元、執行單元及監控單元四部分組成（如圖1所示）。

　　2農機位置測量方法

　　農機自動導航要解決的首要問題是農機位姿測量，包括對農機位置、航向、速度、車輪轉角等反映農機當前運動狀態的量的測量，其中最重要的是農機當前位置測量。位置測量可以采用2種方式，一是相對位置測量，即測量農機與導航基線的相對位置，典型的相對位置測量方法是基于機器視覺的位置測量方法。另一種是絕對位置測量，即測量農機在地理空間中的絕對位置，代表性的是基于全球導航衛星系統（globalnavigationsatellitesystem，GNSS）的位置測量方法。

　　3農機模型與導航路徑跟蹤控制方法

　　3.1基于農機運動學模型的導航路徑跟蹤控制方法

　　在農機導航中，最典型、應用最廣泛的是稱作二輪車模型的農機運動學模型。在這種模型中，把農機抽象為一個二輪車，用4組參量來描述農機當前位姿（參見圖2），一是在大地直角坐標系中農機后輪中心的坐標C(x,y)，m；二是農機當前的航向角φ，(°)；三是轉向輪當前的轉角δ，(°)；最后是農機當前的速度矢量v，m/s。另外還有一個常量，即農機前后輪的軸距L，m。農機運動模型即是根據運動學原理，描述上述這些參量的相互關系的模型，如式（1）所示。

　　3.2基于農機動力學模型的導航路徑跟蹤控制方法

　　由于農機本身的復雜性、土壤等農田環境以及農機具負載的不確定性的存在，導致農機導航控制系統為一個復雜的不確定性系統。基于運動學模型的方法對農機導航控制系統參數的變化和外部干擾不具有魯棒性，也沒有考慮到機具負載變化等情況導致的農機動力學特性的變化，路徑跟蹤控制方法難以取得預期的效果。為此，人們尋求基于農機動力學模型的導航控制方法。

　　4農機自動導航技術發展展望

　　農機自動導航技術經過多年的發展已日臻成熟，特別是基于視覺和基于GNSS/GIS的導航技術已成為現代農機自動導航系統的主流技術，在農業生產實踐中得到了廣泛應用，但農機自動導航技術仍有許多問題需要深入研究。

　　5結論

　　現代農機自動導航系統一般由檢測單元、控制單元、執行單元及監控單元四部分組成，檢測單元負責農機當前位置與姿態的檢測，控制單元負責導航路徑規劃及路徑跟蹤控制，執行單元執行控制單元的控制指令，監控單元則作為人機交互界面承擔導航任務監控功能。

　　在農機自動導航系統中，農機位置測量方法和導航路徑跟蹤控制方法是二項核心技術。現代農機自動導航系統中，位置測量主要有基于機器視覺的相對測量方法、基于全球導航衛星系統（globalnavigationsatellitesystem，GNSS）的絕對測量方法，多傳感器數據融合技術也常用于位置測量中，以得到更好的測量結果。導航路徑跟蹤控制方法則主要包括基于農機運動學或動力學模型的控制方法、以及模型無關的控制方法。

　　農機自動導航技術經過多年的發展已日臻成熟，在農業生產實踐中得到了廣泛應用。但是農機自動導航技術仍有許多問題需要深入研究，地頭自動轉向控制技術、障礙物檢測與主動避障技術、多機協同導航技術、農機物聯網技術將是下一代農業機械自動導航系統的研究重點。

　　[參考文獻]

　　[1]WillrodtFL.Steeringattachmentfortractors[P].U.S.Patent:1506706,1924.

　　[2]AndrewFW.Automatictractorcontrol[P].U.S.Patent:2259193,1941.

　　胡靜濤1,2，高雷1,2，白曉平1,2，李逃昌1,2，劉曉光1,2