卫星定位导航与拖拉机自动驾驶系统在昌吉市的实践应用

新疆昌吉市滨湖镇农机管理站 范治璇

新疆昌吉市位于天山北坡经济带的核心位置，地处准葛尔盆地南缘，地势平坦开阔，土地肥沃，适于种植甜菜、小麦、棉花、玉米、番茄等大田作物。近年来，昌吉市土地整合连片经营种植已颇具规模，大型农机装备已可以无障碍运行，这也为卫星定位导航和拖拉机自动驾驶系统的推广应用创造了有利条件。2013年以来，昌吉州、市两级政府投入巨额财政资金引进该项技术设备投入使用，效果明显，获得专家、农民群众的一致认可。卫星定位导航和拖拉机自动驾驶系统已成为昌吉市发展现代化大农业的一个重要组成部分。

1 系统介绍

1.1 卫星定位导航系统

采用国产北斗卫星导航系统（BDS）和美国全球定位系统（GPS）两种卫星接收系统，互为备份作为验证比较使用。两种系统都包括地面差分基站、接收机、引导光靶和控制器等设备。

1.2 拖拉机自动驾驶系统

主要有电动控制、直接界面控制和液压控制三种形式。电动驾驶控制由高扭矩的直驱电机驱动精确驾驶方向盘完成方向操作，方向盘内置方向传感器,能实现高精度自动驾驶。直接的界面驾驶控制是根据拖拉机的系统状况提供标准的总线接口界面自动调节拖拉机液压阀，达到控制目的。液压驾驶控制则要在拖拉机液压转向系统中嵌入安装液压控制阀和车轮角度传感器，才能实现拖拉机自动驾驶。

2 应用情况

2013年昌吉市引进6套卫星导航自动驾驶设备（美国拓普康和天宝品牌）并在滨湖镇、榆树沟镇、大西渠镇等3个乡镇推广使用，分别安装在东方红、约翰·迪尔等大型拖拉机上，主要应用于机采棉、机收甜菜、制种玉米等机械化示范基地的铺膜播种、喷药作业环节，作业总面积达到900km2。

2.1 系统方案

昌吉市选用的拖拉机自动驾驶系统采用电动控制（5台拖拉机采用）和液压控制（1台拖拉机采用）两种方案。其中电动驾驶控制系统升级使用RTK（实时动态定位）系统，精度达到2cm以内。卫星导航系统（包括BDS和GPS）的差分改正信号由地面电台式基站发送，为使信号更稳定，在实践应用中设定半径为5km（有效半径≤15km）。

图1 放置于昌吉市滨湖镇农机示范基地的北斗导航差分基站

2.2 使用情况比较

两种自动驾驶方案在实际应用中相比较，电动驾驶控制系统适用性更好，优点更突出，主要表现在：电动方向盘通用性、互换性好，可在任何轮式拖拉机上拆装调换，不改变液压油路；驾驶反馈性好；设置简单，可逆向操作；地形适应性好，配置灵活，地形恶劣时可自主选用车轮转角传感器实现更加稳定的自动驾驶。液压驾驶控制系统则需改变原车液压系统，安装较为困难，技术维护难度大。

北斗卫星导航系统与全球定位系统相比，导航效果相当，但设备成熟度相对较低，基站设备体积稍大，配套欠缺，有待进步。

2.3 系统的优势

这项新技术在昌吉市各示范基地的应用实践证明，自动驾驶系统相较于传统作业方式，能做到播行笔直，达到1km仅有2cm直线误差，人工无法做到这样精准的操作；铺膜播种行距一致性好，无压膜等行间干扰现象，便于后续中耕或打药环节的作业；导航系统的控制器可识别地块边界和U形转弯，而且容易锁定下一条行驶路线，不遗失或重复工作区域。

3 效果分析

从各种作物的播种、喷药作业实践来看，采用卫星定位导航和拖拉机自动驾驶系统可产生良好的经济效益和社会效益。

3.1 土地利用率提高

精确的交接使土地利用率提高15%，避免了土地浪费，增产效果显著，经济效益好。

3.2 人机功效突出

自动驾驶系统减轻了驾驶人员的劳动强度，机械操作疲劳度明显降低，播种、喷药等作业行走过程不需人工干预，作业不受光线限制，作业时间延长，机械利用率提高。

3.3 作业质量大幅提升

农机作业真正做到了播行整齐、行距一致、不重播、不漏播的农田作业标准。

3.4 系统适应性好

图2 安装自动驾驶系统的拖拉机正在种作业

卫星定位系统可灵活架设基站，在信号覆盖范围内开展导航作业，机械作业过

图3 安装卫星导航自动驾驶系统的拖拉机在喷药

4 系统推广的不利因素和对策

4.1 设备费用高

卫星定位导航自动驾驶终端设备多为进口，其单套价格达8~12万元，虽然政府投入了巨额补贴，但昂贵的价格仍然限制了它的大范围推广。这是该项技术推广的不利因素之一。由于单机价格很高，成本控制、分摊就要重点考虑。因此自动驾驶系统推荐安装在大型拖拉机上并开展大面积作业，有利于降低单位成本。

4.2 农民不易掌握技术

改装拆换技术难度高，设备保养维护困难，调试安装需要专业人员操作，农民不易掌握，这对企业售后服务提出更高要求。农机部门要把好关，选择有实力、信誉好的企业来做产品销售和服务。

4.3 信号覆盖有限

电台式基站信号覆盖有限，影响跨区域作业。可以考虑增GSM信号源，采用网络通讯模式的参考站接收设备及软件，使基站覆盖范围达到70km，解决跨区问题。

5 应用前景

通过在播种、喷药过程中的实际应用效果表明,卫星定位导航自动驾驶系统优势明显,其运行特点适合在播种、起垄、开沟、施肥、喷药、收获等各作业环节使用，有着广阔的发展前景。