北斗导航在精准农业上的应用研究进展.pdf

书书书 第 38 卷 第 11 期 2022 年 11 月 科 技 通 报 BULLETIN OF SCIENCE AND TECHNOLOGY Vol 38 No 11 Nov 2022 北斗导航在精准农业上的应用研究进展 胡 伟 于春生 付明刚 周德义 吴宝广 刘大欣 吉林大学 生物与农业工程学院 长春 130022 摘 要 随着我国北斗卫星导航系统建设的不断完善 定位与导航服务被广泛应用于国民经济的各个行业 其在安 全性上有着无可替代的优势 在农业领域 精准农业逐渐成为研究重点 北斗导航系统定位精度可以达到厘米 级 可以在精确播种 农业植保 农田信息采集 农机自动驾驶以及农机信息监测等方面发挥重要作用 本文从上 述几个方面 对北斗系统在精准农业的应用现状进行了介绍 同时本文对北斗系统在农业机械中的前装设计与多 传感器的融合技术 北斗大数据云平台技术 北斗辅助下的多机联合作业技术做出了展望 关键词 北斗导航 精准农业 信息监测 自动驾驶 中图分类号 S1 文献标识码 A 文章编号 1001 7119 2022 11 0001 04 DOI 10 13774 j cnki kjtb 2022 11 001 收稿日期 2021 12 15 基金项目 吉林省科技发展计划重点科技攻关项目 20170204015NY 作者简介 胡伟 工程师 硕士 主要从事农业机械电气自动化研究 E mail huw jlu edu cn 通信作者 刘大欣 高级工程师 学士 主要从事农业机械电气自动化研究 E mail liudx jlu edu cn nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull Hu Wei Yu Chunsheng Fu Minggang Zhou Deyi Wu Baoguang Liu Daxin College of Biological and Agricultural Engineering Jilin University Changchun 130022 China nullnullnullnullnullnullnullnull With the continuous improvement of China s Beidou satellite navigation system positioning and navigation services are widely used in various industries of the national economy and it has an irreplaceable advantage in security In the field of agriculture precision agriculture has gradually become the focus of research The positioning accuracy of Beidou navigation system can reach centimeter level which can play an important role in precision sowing unmanned plant protection farmland information collection agricultural machinery autonomous driving and unmanned plant protection This paper introduces the application status of Beidou System in precision agriculture from the above aspects At the same time this paper makes a prospect on the front loading design of Beidou System in agricultural machinery multi sensor fusion technology Beidou big data cloud platform technology and multi machine joint operation technology assisted by Beidou nullnullnullnullnullnullnullnull Beidou navigation precision agriculture information monitoring automatic pilot 2020 年 7 月 我国自主研发的北斗三号全球卫 星导航系统 BDS 组网完成 标志着北斗卫星导航 正式进入全球化服务行列 北斗系统可全天候全天 时的提供精密授时 定位以及短报文通信服务 目前 已成功应用于在多种领域 1 我国是农业大国 近 年来随着工业化进程的快速发展和人口老龄化问题 的加剧 精准农业日益成为研究的热点 精准农业 是根据作物生长的环境性状 对生产过程进行定位 2 科 技 通 报 第 38 卷 定量的精细调控 从而在经济效益和环境效益上获 得更大的产出 2 定位与导航是支撑精准农业发 展的前提与基础 在北斗系统建成之前 美国的全球 定位系统 GPS 发展较早 目前在农业领域国内外 已经对其有大量的研究与应用 Ford 等 3 利用无 人机与 GPS 联合 研究了精准农业在提高农业产量 方面的作用以及大型农业机械对土壤的影响 陈黎 卿等 4 设计了结合 GPS 测速的玉米电控精量排种 系统 有效提高排种质量 卫星导航技术受到一些因素的影响 定位精度 普遍在米级 难以满足精准农业的使用需求 相对 于 GPS 系统 我国的北斗导航系统在精确度和功能 上都有着优势 北斗系统提供的三频信号可以更好 地消除高阶电离层延迟 5 另外在亚洲地区特别是 国内 得益于高密度的卫星覆盖数量和地基增强系 统 使得北斗系统的定位精度更高 北斗系统独有 的短报文通信服务也使其逐渐打破 GPS 系统的在 国内市场的垄断地位 有利于其应用的快速推广 目 前使用北斗系统进行精准农业的研究也逐渐增 多 6 7 虽然 GPS 系统发展较早 但其导航信号受 国际关系影响存在一定的风险因素 从安全性 可靠 性等角度考虑 北斗卫星导航系统更具有无可替代 的战略优势 本文主要介绍了北斗系统在精准农业 中的应用现状 并对将来的发展做出了展望 null 北斗导航在精准农业中的应用 北斗导航系统在精准农业的生产过程应用广 泛 效果显著 包括精确播种 农业植保 农田信息 采集与环境监测 以及农机自动驾驶及作业信息监 测等 nullnull null 北斗导航在精确播种中的应用 降低播种损耗 提高播种精度 控制播种深度与 间距 也是北斗导航与精准农业结合的重要领域 杨壮等 8 结合北斗定位的测速系统 设计了速 度自适应调整的液压马达控制系统 并将其应用于 玉米免耕播种机 在土壤秸秆覆盖量低于 40 的 情况下 可使播种均匀性达到 95 并具有较高的 播种深度以及施肥深度合格率 王浩等 9 使用北 斗定位方法 在相对坐标系下 对小麦小区育种进行 路径规划 取代了传统的人工规划 同时提出了一 种算术平均与卡尔曼滤波的融合算法 可以对基准 路径的斜率值进行修正 张爱民等 10 根据采棉机 的间距要求设计了一种折叠式采棉精量播种机 利 用北斗定位系统保证行进速度的同步控制 使排肥 速度与行进速度一致 保证棉苗的出苗率 丁幼春 等使用高精度北斗定位模块与电子罗盘进行导航 运用免疫 PID 控制算法 设计了一种履带式油菜播 种机的导航控制器 其系统组成如图 1 所示 11 其定位圆概率精度可达 2 cm 可提高播种导航的 精度 图 null 小型履带式油菜播种机及导航系统组成 Fig 1 Composition of small crawler type rape seeder and navigation system nullnull null 北斗导航在农业植保中的应用 植保是农业精准农业在农业生产管理中的一种 基本应用就是对农作物的病虫草害防治 根据农作 物生长的区域差异性进行变量施肥与变量喷药 不 仅可以节省大量的物料成本 而且对生态环境保护 方面也有积极意义 李怀亮等 12 设计了一种基于北斗导航的无人 机农田喷淋系统 通过运用新型飞控提高了无人机 的执行能力 简化了操作难度 测试表明 该系统可 通过设置航行路线来实现无人值守的自动喷淋 并 提供了低电量返航及故障处置等功能 方便用于农 业领域 张明宇等 13 研究了一种基于 A M 反馈的 变量喷药控制系统 系统使用北斗导航系统测量车 速 喷药时喷嘴的流量和压力等信息通过 CAN 总线 传输至控制器 以脉冲宽度调制的控制方式调节比 例电动调节阀的开闭量 最终实现了喷药量根据作 业行驶速度的自动跟踪变化 试验表明 在 5 11 km h 的车辆速度下 可实现低于 5 的控制误差 张继成等 14 针对肥料利用率在农业生产中相对较 低的问题 采用北斗导航与 GPS 定位相结合的方 法 设计了一种大豆液体肥料变量施肥控制系统 如 图 2 所示 系统依据作业机具定位信息 行进速度 并结合作业区域内处方施肥数据 通过实时监测施 第 11 期 胡 伟等 北斗导航在精准农业上的应用研究进展 3 肥量数据建立了闭环反馈控制 可实现对液肥的按 需变量施入 测试表明试验台和田间试验的施肥精 度不低于 97 3 图 null 变量液肥施控系统 Fig 2 System of control and variable fertilization system nullnull null 北斗导航在农田信息采集中的应用 农业信息监测作为现代农业管理方式的重要组 成部分 也是开展精准农业的重要支持 北斗导航 系统的应用与推广可以加速实现信息监测的数 字化 于泓博等研发了基于北斗系统的农田环境监测 系统 其系统构成如图 3 所示 15 该系统由 Zig Bee 协议节点使用簇状拓扑结构进行组合形成网 络 每个节点搭配农田土壤的湿度 空气的温度以及 空气质量 PM 2 5 等各类传感器进行信息监测与采 集 监测数据与北斗导航系统的定位信息组合后 再 通过嵌入式系统进行处理和显示 实现了农田环境 的实时监测 孙旭等 16 开发一种基于北斗定位系 统 近场通信技术及全球移动通信系统相集成的生 鲜农产品供应链数据采集终端 实现了对农产品供 应链中各环节数据的自动采集 可对生鲜农产品的 追溯提供参考与支持 nullnull null 北斗导航在农机自动驾驶的应用 北斗导航农机自动驾驶系统主要由差分定位系 统和农机自动驾驶控制系统组成 使用 TK 技术 的差分基准站通过电台向外发射差分信号 接收到 差分数据和卫星导航信号的自动驾驶控制系统将数 据进行计算后 得到航向 位置 速度等信息 驱动农 机按照已设定好的行走路线行驶 实现高精度的自 动导航 可广泛应用于耕地 播种 除草 植保等农 田重复性工作 不受天气 夜晚视距等不利因素影 响 降低了人工操作强度 提高了作业精度和生产 效率 郭成洋等 17 设计了一种基于 TK BDS 的自动 图 null 农田环境信息监测系统方框图 Fig 3 Block diagram of farmland environmental information monitoring system 导航控制系统用于适应果园农业车辆的作业需求 控制系统通过北斗定位和卡尔曼滤波技术获得车辆 定位信息 并利用专家经验设计了模糊控制器用于 车轮转向控制 测试结果表明当车辆前进速度为 0 5 m s 时 最大横向误差可低于 8 6 mm 丁幼春 等 18 设计了一种横向纠偏与纵向定速行走的运动 控制器用于解决轮式田间信息采集平台在复杂环境 下定速直线跟踪问题 控制器采用多个低精度北斗 定位模块以三角形放置 再对数据求均值的定位方 法 提高了北斗接收模块的动态定位精度 实际测 试表明车体系统以 0 4 m s 的速度按照规划的路径 行走时 纵向速度稳态误差小于 7 其扰动响应调 节时间小于 3 s nullnull null 北斗导航在农机信息监测中的应用 农机信息监测是通过无线通信技术与农机状态 检测传感技术相结合 记录分析农机作业过程以及 作业面积 而基于北斗导航的农机信息监测对于提 高作业质量 实现作业远程管理和控制 提高农机智 能化水平方面都有着积极意义 丁友强等 19 设计的玉米精量播种机监控系统 可实现播种车辆的实时位置监测 播种参数在线调 整以及播种面积实时统计等功能 刘阳春等 20 针 对农田机械深松作业质量监控需求 基于网络技术 和北斗导航定位设计了深松作业管理系统 在获取 实时作业状态的同时统计了作业面积 实现了系统 的远程监控 null 前景展望 近些年 北斗导航系统在农业生产中的应用产 生了很大的效益 极大的促进了农业自动化的发展 4 科 技 通 报 第 38 卷 要实现无人化 智能化的精准农业 未来还需要从以 下几个方面实现突破 1 农业装备智能感知技术与北斗定位相结 合 机器视觉与北斗定位相结合 可提高定位的可靠 性和准确度 目前结合 GPS 技术的机器视觉系统 已有一些研究 可用于农用机械的高精度定位 农作 物的产量预测以及农业病虫害的诊断等方面 然而 北斗系统相关方面研究尚未大范围开展 遥感技术 光谱技术与北斗定位相结合可以为土壤类型 土壤 肥力特性 水分 作物生长发育状况 病虫草害及农 作物产量等田间信息采样和决策方案的田间实施提 供准确的空间位置信息 21 2 建立有多机联合作业的实时定位反馈系 统 农机装备的多机联合作业可有效提高农业智能 化水平与作业效率 北斗导航系统可为联合作业在 农田信息采集 路径优化 作业进度等方面提供支 持 如图 4 所示 22 图 null 多机协同导航系统总体结构 Fig 4 Overall structure of the multi machine cooperative navigation system 3 农机车辆自动驾驶导航系统的前装设计 在车辆设计制造时 就配备基于北斗导航的自动驾 驶系统 不但节约成本 而且可有效提高系统的稳定 性 便利性和可靠度 目前农机自动驾驶的前装已经 逐步推广 为我国农机智能化提供有力支撑 4 建立与机器学习相结合的北斗云平台 在 北斗导航定位的辅助下 在各种类型的农机作业中 加入机器学习模块 积累作业数据并传入云平台 通 过整理分析得出最佳的作业条件与参数 再将得出 的这些参数反过来应用于农业生产中 从而实现耕 播 管 运 收 贮等一系列作业的自动精确的参数调 整 实现高水平智能化 无人化的精准农业 null 结论 随着我国北斗导航系统的组网完成 北斗导航 已经实现厘米级的定位精度 正式服务于国家建设 的各行各业 在精准农业的各个环节都有着广泛的 应用 相对于其他卫星导航系统 北斗系统独有的短报 文功能 更有利于其在农田信息监测方面的应用推 广 基于北斗导航系统的无人机变量喷药 施肥的应 用可有效节省农业成本投入以及减小对生态环境的 污染 基于卡尔曼滤波算法以及模糊自适应控制的 北斗农机自动驾驶系统可使农机车辆的运行精度达 到厘米级 并提高了动态响应速度 基于北斗导航的 农机作业监测可以降低统计难度 提升智能化水平 北斗导航在精准农业发展中已经广泛应用 但 仍有一些问题需要深入研究 PPP 技术的快速初 始化 农用机械使用北斗导航辅助驾驶的前装设计 北斗导航系统与各种传感器的融合 与大数据平台 的对接以及北斗导航支持下的多机协作等相关课题 都将是未来的发展方向 参考文献 1 Yang Y X Xu Y Y Li J L et al Progress and performance evaluation of BeiDou global navigation satellite system data analysis based on BDS 3 demonstration system J Science China Earth Sciences 2018 61 5 614 624 2 Sishodia P ay L Singh S K Applications of remote sensing in precision agriculture a review J emote Sensing 2020 12 19 3136 3 FO D JASON Leaders in the field Precision agriculture using drones and GPS can push up yields for farmers J Engineer 2018 298 7897 24 25 4 陈黎卿 解彬彬 李兆东 等 基于双闭环 PID 模糊 算法的玉米精量排种控制系统设计 J 农业工程学 报 2018 34 9 33 41 5 李浩军 李博峰 王解先 等 估计北斗卫星钟差频 间偏差的一种方法 J 测绘学报 2016 45 2 140 146 6 沈磊贤 庞佳逸 张卿云 等 基于北斗导航的定位 服务平台设计与实现 J 计算机技术与发展 2019 29 1 173 177 7 胡静涛 高雷 白晓平 等 农业机械自动导航技术 研究进展 J 农业工程学报 2015 31 10 1 10 下转第 8 页 8 科 技 通 报 第 38 卷 quotients of Euler and its applications II J Acta Arithmetica 2007 130 3 203 214 2 Cai T X Shen Z Y Hu M J On the parity of the Generalized Euler Function J 数学 进 展 2013 42 4 505 510 3 Cai T X Shen Z Y Hu M J On the parity of the Generalized Euler Function II J 数学进展 2016 45 4 509 519 4 Smarandache F Only Problems Not Solutions M Chicago Xiquan Publishing House 1992 5 邓桂林 廖群英 方程 null e n p tnull n e 2 3 4 6 的 可解性 J 四川师范大学学报 自然科学版 2021 44 1 18 22 6 李昌吉 方程 null 3 n S n 的可解性 J 数学的实 践与认识 2020 50 24 179 188 7 郭梦媛 高丽 郑璐 关于数论函数方程 S SL n 2 null 2 n 解的讨论 J 江西科学 2018 36 2 217 219 8 梁晓艳 高丽 高倩 数论函数方程 Z n 2 null 2 e n e 1 2 解的探讨 J 云南师范大学学报 自然科学 版 2020 40 6 35 38 9 姜莲霞 张四保 有关广义欧拉函数 null 3 n 的一方程 的解 J 首都师范大学学报 自然科学版 2020 41 6 1 5 10 张四保 数论函数方程 null 2 n S SL n k 的可解性 J 西南大学学报 自然科学版 2020 42 4 65 69 11 张四保 数论函数方程 null 2 N S N 16 的可解性 J 重庆理工大学学报 自然科学版 2020 34 7 249 254 12 朱杰 廖群英 方程 Z n null e SL n 的可解性 J 数学进展 2019 48 5 541 554 13 张利霞 赵西卿 郭瑞 关于数论函数方程 S SL n null 2 n 的可解性 J 江汉大学学报 自然科学版 2016 44 1 18 21 上接第 4 页 8 杨壮 高琪珉 张银平 等 基于液压马达集中驱动 的玉米免耕播种机设计与试验 J 农机化研究 2018 40 3 248 253 9 王浩 唐勇伟 董振振 等 基于小区育种路径自对 齐的小麦小区播种机改进 J 浙江农业学报 2019 31 10 1709 1716 10 张爱民 郝延杰 禚冬玲 等 折叠式智能化机采棉精 量播种机的设计与试验 J 农机化研究 2018 40 4 120 124 11 丁幼春 何志博 夏中州 等 小型履带式油菜播种机 导航免疫 PID 控制器设计 J 农业工程学报 2019 35 7 12 20 12 李怀亮 唐红霞 基于北斗导航的智能无人机喷淋系 统 J 自动化技术与应用 2016 35 8 80 83 13 张明宇 刘峰 郑永鑫 等 基于 A M 反馈智能变 量喷药控制系统研究 J 农业与技术 2020 40 3 49 52 14 张继成 孟繁峰 郑萍 等 基于电子控制单元的大 豆液肥施肥机变量施控系统 J 大豆科学 2019 38 1 111 117 123 15 于泓博 李静辉 陶佰睿 基于北斗卫星系统的农田 环境监测系统研究 J 自动化与仪表 2016 31 6 31 35 16 孙旭 杨印生 刘春霞 等 生鲜农产品供应链近场通 信智能数据采集终端系统设计与开发 J 农业工程 学报 2015 31 8 200 206 17 郭成洋 张硕 赵健 等 基于 TK BDS 的果园农用 车辆自主导航系统研究 J 农机化研究 2020 42 8 254 259 18 丁幼春 詹鹏 周雅文 等 北斗定位田间信息采集平 台运动控制器设计与试验 J 农业工程学报 2017 33 12 178 185 19 丁友强 刘彦伟 杨丽 等 基于 Android 和 CAN 总 线的玉米播种机监控系统研究 J 农业机械学报 2019 50 12 33 41 62 20 刘阳春 苑严伟 张俊宁 等 深松作业远程管理系 统设计与试验 J 农业机械学报 2016 47 S1 43 48 21 李志伟 潘剑君 张佳宝 基于 GPS 的智能农机载高 光谱采集系统的初步研究 J 光谱学与光谱分析 2005 25 6 979 983 22 曹如月 李世超 季宇寒 等 多机协同导航作业远程 管理平台开发 J 中国农业大学学报 2019 24 10 92 99