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　　摘要：导航技术是农业机械在作业环境中进行自主控制的关键技术，目前是农业机械研究领域的热点。通过分析现有的国内外文献，从目前农业机械导航主要方式以及关键技术入手，阐述了国内外该领域的研究进展。详细介绍了广泛研究的GPS导航和视觉导航，同时简要地介绍了电磁导航、机械导航、激光导航、超声波导航、地磁导航等其他导航形式。对农业机械导航中的环境感知、导航控制、地图构建等关键技术进行了分析，指出了农业机械导航技术的未来发展趋势。

　　关键词：农业机械,导航综述

        引言

        科学技术的进步正推动着现代农业生产向着自动化、信息化、规模化、精确化方向快速发展。为了使农业机械能够在作业环境中完成自动除草、收获、施肥、修剪、耕耘等工作任务，要求其必须具备自主导航这一基础功能，即农业机械通过自身携带的各项传感器感知周围的环境，在对感知到的信息进行处理后，实时获取自身的位置和姿态信息，然后实时进行路径规划和导航控制，完成各项作业任务。

        本文从农业机械导航技术入手，通过分析国内外文献，详细阐述目前农业机械导航中应用较多的GPS 导航和视觉导航这两种主要方式，并简单综述电磁导航、机械导航、激光导航、超声波导航等其他导航形式。然后分析农业机械导航中环境感知、导航控制，以及地图构建等关键技术。最后对农业机械导航技术发展加以分析。

　　1 自主导航方式

        1. 1 卫星导航系统

        美国、俄罗斯、中国、欧洲都建有各自独立的卫星导航系统。其中美国的全球定位系统GPS(Global positioning system) 目前在农业机械导航领域应用最为广泛，展示了其技术的优越性和巨大潜力。它是美国国防部主要为满足军事部门对海上、陆地和空中运载体进行高精度导航和定位要求而建立的，基本原理是空中卫星不间断发射自身的星历参数，用户接收机收到这些信号参数后，解算出接收机的三维位置、运动方向、运动速度，以及接收机所在地区的当地时间[1]。

　　由于GPS的巨大成功，美国的农业机械卫星导航技术研究开展最早。斯坦福大学的MichaelO'Connor等成功地为约翰迪尔7800拖拉机开发了一套GPS导航系统，在拖拉机驾驶室的上方安装了4个单通道的GPS传感器，接收器以10Hz的频率进行姿态测量，航向响应小于1°，直线跟踪标准偏差小于2.5cm。伊利诺斯大学的Benson等混合使用GDS(Geomagneticdirectionsensor)和一个中等精度的GPS系统（20cm)，引导拖拉机沿着直线行驶，其平均误差小于1cm[2]。Zhang等则运用RTK^GPS接收器和光纤陀螺仪，探索了拖拉机自动导航中的动态路径搜索算法，来满足农业作业的需求[3]。

　　除美国外，其他国家也在积极开展农业机械的GPS导航技术的研究。日本的YoshisadaNagasaka等为久保田SPU650型插秧机开发了自动导航系统。在该系统中，使用RTK^GPS来提供插秧机的精确定位信息，并用光纤陀螺仪检测插秧机前进方向。为了避免由地面不平引起的GPS天线坐标的变化而引起测量误差，随时估算天线顶点的坐标

　　P0=R(-0)R(-0)R(-^)P(1)

　　式中，P和P。分别为校正前后GPS天线顶点的坐标，及（-0)、及（-0)和及（-少）分别为车辆绕X、F和Z轴的转角。另外，为了解决在开始工作时光纤陀螺仪不能感知车辆的方位而引起光纤陀螺仪的漂移问题，将运用车辆位姿角和车辆速度计算得到的在一定计算距离In时车辆横向偏差d#。与运用GPS数据计算所得结果dm进行比较，给出补偿角

　　dGyrodGPSdGyro-dGPS

　　>Poffset=arCtan)-arctan(])%i     (2)

　　水田实验表明，当插秧机以0.7m/S的速度行驶时，与期望直线路径的均方根偏差为5.5cm，最大偏差小于12cm。此精度已经可以满足水稻栽植的农艺要求，但与水稻栽植后喷洒农药或除草作业所需的精度还有差距。荷兰的TijmenBakker等在甜菜地开展了农业机器人平台的自主导航研究，同样使用了RTK^GPS进行导航，田地实验精度达到了厘米级[11]。

　　国内学者对农业机械GPS导航的研究起步相对较晚，但近年来发展非常迅速。张智刚等在久保田插秧机上开发了基于DGPS和电子罗盘的导航控制系统，当速度为〇.75m/s，直线路径跟踪时，平均误差〇o04m，最大误差0.13m;速度为0.33m/s，圆曲线路径跟踪时，平均误差0.04m，最大误差0.087m[12]。罗锡文等在东方红X404拖拉机上构建了基于RTK-)GPS的自动导航控制系统，在拖拉机行进速度为0.8m/s时，直线跟踪的最大误差小于0.15m，平均跟踪误差小于0.03m[13]。伟利国等以XDNZ630型水稻插秧机为实验平台，采用RTKGPS定位技术，进行了农业机械自动导航实验，采用PID控制方法，构建转向闭环控制系统，实现插秧机的自动对行导航及地头转向。车辆行进速度不大于0.6m/s时，对行跟踪误差小于10cm[14]。为进一步消除GPS的定位误差，提高导航精度，周俊等建立了GPS静态和动态定位误差的AR模型，处理后的定位误差信号的相关性明显下降，接近于白噪声[15]。