精准农业中的农机自动导航控制技术
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• 地面控制系统
– 主控站：1个 – 监测站：5个 – 注入站：3个
GPS卫星
主控 站
监测站
注入 站
GPS
• 工作频率
– L1：1574.42MHz±10MHz – L2：1227.60MHz±10MHz – L5：1176.45MHz±10MHz
• 测量精度
– 定位：5-10m（C/A码）、1-2m（P 码） – 授时：20ns – 测速：0.1m/s
农机运动模型
运动学模型 动力学模型
导航规划
农机 状态 直线跟踪 曲线跟踪 转向角 运动 状态
转向控制
PID控制 智能控制
农机运动模型
• 二轮车模型
δ δ Lt
vt
YG
φt
C
O
XG
xt vt cos t t t t y v sin t t v tan t L
电动精确驾驶方向盘
• 适用系统
– System 150/200/250
• 主要特性
– 能提供快速、高精度自动驾驶 – 可达到2cm精度 – 适合于所有地形状况
直接界面驾驶控制器
• 适用系统
– System 150/250
• 主要特性
– 标准总线接口界面 – 自动调节拖拉机液压阀 – 适合于目前市面上的所有机车
– 国家科技支撑计划项目
• 农业装备分布式控制技术与集成平台研发（2011BAD20B0603）
现代农业精准作业测控技术实验室
• 主要研究成果
– 农机智能化集成平台
– 大型联合收割机自动导航系统
GLONASS（GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTEM）
• 空间星座
– 21 颗工作卫星 – 3 颗备用卫星 – 3 个轨道面 – 轨道倾角64.8度 – 平均轨道高度19100km – 周期11小时 15分钟
GLONASS
• 地面控制系统
– 系统控制中心（SCC） – 中央同步器（SC） – 指令和跟踪站（CTS） – 相位控制系统（PCS） – 光量子跟踪站（QOTS） – 导航字组控制设备（NFCE）
导航精度
信号 导航精度 适用范围 SF1 ±30cm 耕地、喷药、饲草应用 SF2 ±10cm 耕地、喷药、播种、收获 RTK ±2cm 所有作业
John Deere
国外农机导航产品
• Trimble
– EZ-Steer 辅助驾驶 – EZ-Pilot 辅助驾驶 – Autopilot 自动驾驶
d3
d4
x1 x 2 y1 y 2 z1 z 2
cvt1 vt 0 d1
d1
x2 x y2 y 2 z2 z vt 2 vt 0 d 2 2 2 c x3 x 2 y3 y 2 z 3 z 2 cvt 3 vt 0 d 3 x4 x 2 y4 y 2 z 4 z 2 cvt 4 vt0 d 4
(x,y,z)
位置测量
• 伪距差分（DGPS）动态定位
位置测量
• 载波相位差分（RTK）动态定位
全球导航卫星系统（GNSS）
Global Navigation Satellite System
空间星座
• • • • • 24-35颗卫星 分布在3-6个轨道平面 平均轨道高度19100-23616km 转道倾角55-65度 周期11-14小时
地面控制系统
• 主控站
– – – – 管理、协调地面监控系统各部分的工作； 收集各监测站的数据，编制导航电文，送往注入站； 监控卫星状态，向卫星发送控制指令； 卫星维护与异常情况处理。
• 监测站
– 接收卫星数据，采集气象信息； – 将所收集到的数据传送给主控站。
• 注入站
– 将导航电文注入GPS卫星
卫星遥感、航空遥感、近地遥感 田间数据采集、车载产量检测
农机自动导航控制技术
报告提纲
• 精准农业
• 农机导航技术研究现状 • 未来农机导航技术发展趋势 • 结束语
农机自动导航
• 位置测量 • 我在哪？ • 我要去哪里？ • 路径规划 • 路径跟踪 • 我怎么去？ • 传感器 • 农机模型 • 转向控制
• 1930s
– 利用绕在一个大圆筒上的钢琴弦导航
• 1970s
– 低频、低电流线圈导航
• 1980s
– 机器视觉导航
主要导航传感器
• 机械触手
• 机器视觉
• 激光
主要导航传感器
• 卫星导航
位置测量
• 单点动态定位
(x3,y3,z3)
(x2,y2,z2)
(x4,y4,z4)
(x1,y1,z1) d2
液压驾驶控制
• 适用系统
– System 200/250
• 主要特性
– 需安装液压控制阀 – 需安装车轮角度传感器 – 能自动驾驶拖拉机、收割机等
精度选择
精度选择
Topcon
国内农机导航技术研究
• 华南农业大学
国内农机导航技术研究
• 中国农业大学
国内农机导航技术研究
• 中国农业机械化科学研究院
农机运动模型
θe
VY
γ
G(Vx,Vy)
• 纯几何跟踪模型
– 转弯曲率
2(d cos(e ) sin(e ) Ld d ) / Ld
2 2 2
Ld L
P
d
Q R
M N H
PATH
V
X
R
– 期望转角
arctan(2 L(d cos(e ) sin(e ) Ld 2 d 2 ) / Ld 2 )
精准农业中的 农机自动导航控制技术
报告提纲
• 精准农业
• 农机导航技术研究现状 • 未来农机导航技术发展趋势 • 结束语
农业鼻祖
斲木为耜， 揉木为耒， 耒耨之用， 以教万人。 始教耕。 故 号神农氏。
——《史记·三皇本纪》
原始农业
传统农业
传统农业
锄禾日当午， 汗滴禾下土， 谁知盘中餐， 粒粒皆辛苦。
用户设备
全球导航卫星系统（GNSS）
GPS（Global Positioning System）
• 空间星座
– 21 颗工作卫星 – 3 颗备用卫星 – 6 个轨道面 – 轨道倾角55度 – 平均轨道高度20200km – 周期11小时 58分钟
GPS（Global Positioning System）
• 光靶引导系统
– GX-45 控制器 – AGE 接收机 – ASC-10 电子控制器 – 光靶吸盘
Topcon System 150/200/250
• 自动驾驶系统
– GX-45 控制器 – AGI-3 RTK 接收机 – AES-25 电动精确驾驶方向盘 – 直接界面驾驶控制器 – 液压驾驶控制器
• 测量精度
– 定位：4-6m – 授时：50ns
北斗
• 空间星座
– 5 颗静止轨道卫星（5） – 27 颗中轨道卫星（4） – 3 颗倾斜同步轨道卫星（5） – 3 个轨道面 – 轨道倾角55度 – 平均轨道高度21500km
北斗
• 地面控制系统
– 主控站 – 测轨站 – 测高站 – 校正站
北斗
Trimble
• EZ-Steer 辅助驾驶系统
– 适用于1200多种农机 – 提供多种导航精度 – T2 地形补偿技术 – 安装简便
Trimble
• EZ-Pilot 辅助驾驶系统
– 适用于多种农机 – 提供多种导航精度 – T3 地形补偿技术
Trimble
• Autopilot 自动驾驶系统
• 工作频率
– B1：1561.098 MHz±2.046MHz – B2：1207.14 MHz±2.046MHz – B3：1268.52 MHz±10.23MHz
• 测量精度
– 定位：10m – 授时：50ns – 测速：0.2m/s
农机自动导航
导航源自文库感器
位置、航向 车轮转角
农机状态 农机 状态 运动 状态
现代农业
现代农业
精准农业
农机自动导航 变量喷洒农药
精量播种施肥
收获自动测产
精准农业
• 世界现代农业的主要发展趋势
– 美国70%、英国15%、德国10%
• 精准农业技术研究和应用效果显著
– 节约灌溉水：50% – 节约化肥：30% – 节约农药：30% – 降低生产成本：20%
精准播种施肥
精准喷药
StarFire 3000
• 主要特点
– 多种精度（SF1、SF2、RTK） – 双系统 （GPS、GLONASS） – 高灵敏度（能捕获地平线上5度的卫星） – 适用于所有JohnDeere导航系统
GreenStar ATU 200 驾驶套件
• 主要特点
– 安装简便 – 适用性广
– 提高生产效率 – 降低生产成本 – 减少操作失误
农机自动导航
导航传感器
位置、航向 车轮转角
农机状态 农机 状态 运动 状态
农机运动模型
运动学模型 动力学模型
导航规划
农机 状态 直线跟踪 曲线跟踪 转向角 运动 状态
转向控制
PID控制 智能控制
早期导航传感器
• 1920s
– Steering attachment for tractors（US Patent）
Φ
C
导航路径规划
导航路径规划
• 基于A-B线的路径规划
B1
B2
Bn
A1 A2
An
导航路径规划
• 基于边界线的路径规划
农机转向控制
• 光靶导航
农机转向控制
• 辅助驾驶
农机转向控制
• 自动驾驶
国外农机导航产品
国外农机导航产品
• John Deere
– GreenStar Lightbar 光靶引导系统 – GreenStar AutoTrac 自动驾驶系统
国内农机导航技术研究
• 北京农业信息技术研究中心 （国家农业信息化工程技术研究中心）
国内农机导航技术研究
• 中国科学院沈阳自动化研究所
现代农业精准作业测控技术实验室
拖拉机
插秧机
种肥机
喷药机
精密电源
精密万用表
波形发生器
多功能校准仪
Multisim
Keil MDK-ARM
LabVIEW
78/30
现代农业精准作业测控技术实验室
Galileo
• 地面控制系统
– 控制中心（GCC，2个）
• 法国 • 意大利
– 上行站（GUS，14个）
• 遥测跟踪控制（TCC，5个） • 任务上行链路（ULS，9个）
– 传感器站（GSS，30个）
Galileo
• 工作频率
– E2-L1-E1：1575.42 MHz – E6：1278.75 MHz – E5b：1207.14 MHz – E5a：1176.45 MHz
GLONASS
• 工作频率
– L1：1.602～1.616MHz – L2：1.246～1.256MHz（军用）
• 测量精度
– 定位：10-15m – 授时：20-30ns – 测速：0.01m/s
Galileo
• 空间星座
– 27 颗工作卫星 – 3 颗备用卫星 – 3 个轨道面 – 轨道倾角56度 – 平均轨道高度23616km – 周期14小时 22分钟
– 直接与农机液压系统集成 – 提供多种导航精度 – T3 地形补偿技术
导航精度
国外农机导航产品
• Topcon
– System 110 – System 150 – System 200 – System 250 光靶引导系统 自动驾驶系统 一体化控制系统 G3一体化自动驾驶系统
Topcon System 110
John Deere GreenStar Lightbar
• 光靶引导系统
– StarFire 300 接收机 – Greenstar 光靶
John Deere GreenStar AutoTrac
• 自动驾驶系统
– StarFire 300/3000 接收机 – Greenstar 1800/2630显示器 – ATU 200 驾驶套件
精准农业
• 精准农业
– 精确的数量 – 准确的时间、地点、方式
精准农业技术体系
精准作业 处方图 决策生成
数据分析 数据采集
准确的时间、地点、方式、数量 精确地实施播种、施肥、喷药、收割等田间作业 分析影响作物生长的环境因素的时空差异 决定如何对作物栽培管理实施按需投入 分析处理田间采集到的数据 定土壤水分、 确肥力、作物长势、病虫草害
组合导航实验台
农机转向控制实验台
变量喷药实验台
79/30
现代农业精准作业测控技术实验室
• 近年来承担的相关科研项目
– 院知识创新工程重要方向性项目
• 现代农业精准作业测控技术与核心装置研发（KGCX2-YW-138）
– 国家863计划项目
• 切纵流智能控制稻麦联合收割机导航控制技术研究与开发 （2010AA101402-4） • 基于物联网的联合收割机群协同作业技术研发与示范 （2013AA040403）
– 主控站：1个 – 监测站：5个 – 注入站：3个
GPS卫星
主控 站
监测站
注入 站
GPS
• 工作频率
– L1：1574.42MHz±10MHz – L2：1227.60MHz±10MHz – L5：1176.45MHz±10MHz
• 测量精度
– 定位：5-10m（C/A码）、1-2m（P 码） – 授时：20ns – 测速：0.1m/s
农机运动模型
运动学模型 动力学模型
导航规划
农机 状态 直线跟踪 曲线跟踪 转向角 运动 状态
转向控制
PID控制 智能控制
农机运动模型
• 二轮车模型
δ δ Lt
vt
YG
φt
C
O
XG
xt vt cos t t t t y v sin t t v tan t L
电动精确驾驶方向盘
• 适用系统
– System 150/200/250
• 主要特性
– 能提供快速、高精度自动驾驶 – 可达到2cm精度 – 适合于所有地形状况
直接界面驾驶控制器
• 适用系统
– System 150/250
• 主要特性
– 标准总线接口界面 – 自动调节拖拉机液压阀 – 适合于目前市面上的所有机车
– 国家科技支撑计划项目
• 农业装备分布式控制技术与集成平台研发（2011BAD20B0603）
现代农业精准作业测控技术实验室
• 主要研究成果
– 农机智能化集成平台
– 大型联合收割机自动导航系统
GLONASS（GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTEM）
• 空间星座
– 21 颗工作卫星 – 3 颗备用卫星 – 3 个轨道面 – 轨道倾角64.8度 – 平均轨道高度19100km – 周期11小时 15分钟
GLONASS
• 地面控制系统
– 系统控制中心（SCC） – 中央同步器（SC） – 指令和跟踪站（CTS） – 相位控制系统（PCS） – 光量子跟踪站（QOTS） – 导航字组控制设备（NFCE）
导航精度
信号 导航精度 适用范围 SF1 ±30cm 耕地、喷药、饲草应用 SF2 ±10cm 耕地、喷药、播种、收获 RTK ±2cm 所有作业
John Deere
国外农机导航产品
• Trimble
– EZ-Steer 辅助驾驶 – EZ-Pilot 辅助驾驶 – Autopilot 自动驾驶
d3
d4
x1 x 2 y1 y 2 z1 z 2
cvt1 vt 0 d1
d1
x2 x y2 y 2 z2 z vt 2 vt 0 d 2 2 2 c x3 x 2 y3 y 2 z 3 z 2 cvt 3 vt 0 d 3 x4 x 2 y4 y 2 z 4 z 2 cvt 4 vt0 d 4
(x,y,z)
位置测量
• 伪距差分（DGPS）动态定位
位置测量
• 载波相位差分（RTK）动态定位
全球导航卫星系统（GNSS）
Global Navigation Satellite System
空间星座
• • • • • 24-35颗卫星 分布在3-6个轨道平面 平均轨道高度19100-23616km 转道倾角55-65度 周期11-14小时
地面控制系统
• 主控站
– – – – 管理、协调地面监控系统各部分的工作； 收集各监测站的数据，编制导航电文，送往注入站； 监控卫星状态，向卫星发送控制指令； 卫星维护与异常情况处理。
• 监测站
– 接收卫星数据，采集气象信息； – 将所收集到的数据传送给主控站。
• 注入站
– 将导航电文注入GPS卫星
卫星遥感、航空遥感、近地遥感 田间数据采集、车载产量检测
农机自动导航控制技术
报告提纲
• 精准农业
• 农机导航技术研究现状 • 未来农机导航技术发展趋势 • 结束语
农机自动导航
• 位置测量 • 我在哪？ • 我要去哪里？ • 路径规划 • 路径跟踪 • 我怎么去？ • 传感器 • 农机模型 • 转向控制
• 1930s
– 利用绕在一个大圆筒上的钢琴弦导航
• 1970s
– 低频、低电流线圈导航
• 1980s
– 机器视觉导航
主要导航传感器
• 机械触手
• 机器视觉
• 激光
主要导航传感器
• 卫星导航
位置测量
• 单点动态定位
(x3,y3,z3)
(x2,y2,z2)
(x4,y4,z4)
(x1,y1,z1) d2
液压驾驶控制
• 适用系统
– System 200/250
• 主要特性
– 需安装液压控制阀 – 需安装车轮角度传感器 – 能自动驾驶拖拉机、收割机等
精度选择
精度选择
Topcon
国内农机导航技术研究
• 华南农业大学
国内农机导航技术研究
• 中国农业大学
国内农机导航技术研究
• 中国农业机械化科学研究院
农机运动模型
θe
VY
γ
G(Vx,Vy)
• 纯几何跟踪模型
– 转弯曲率
2(d cos(e ) sin(e ) Ld d ) / Ld
2 2 2
Ld L
P
d
Q R
M N H
PATH
V
X
R
– 期望转角
arctan(2 L(d cos(e ) sin(e ) Ld 2 d 2 ) / Ld 2 )
精准农业中的 农机自动导航控制技术
报告提纲
• 精准农业
• 农机导航技术研究现状 • 未来农机导航技术发展趋势 • 结束语
农业鼻祖
斲木为耜， 揉木为耒， 耒耨之用， 以教万人。 始教耕。 故 号神农氏。
——《史记·三皇本纪》
原始农业
传统农业
传统农业
锄禾日当午， 汗滴禾下土， 谁知盘中餐， 粒粒皆辛苦。
用户设备
全球导航卫星系统（GNSS）
GPS（Global Positioning System）
• 空间星座
– 21 颗工作卫星 – 3 颗备用卫星 – 6 个轨道面 – 轨道倾角55度 – 平均轨道高度20200km – 周期11小时 58分钟
GPS（Global Positioning System）
• 光靶引导系统
– GX-45 控制器 – AGE 接收机 – ASC-10 电子控制器 – 光靶吸盘
Topcon System 150/200/250
• 自动驾驶系统
– GX-45 控制器 – AGI-3 RTK 接收机 – AES-25 电动精确驾驶方向盘 – 直接界面驾驶控制器 – 液压驾驶控制器
• 测量精度
– 定位：4-6m – 授时：50ns
北斗
• 空间星座
– 5 颗静止轨道卫星（5） – 27 颗中轨道卫星（4） – 3 颗倾斜同步轨道卫星（5） – 3 个轨道面 – 轨道倾角55度 – 平均轨道高度21500km
北斗
• 地面控制系统
– 主控站 – 测轨站 – 测高站 – 校正站
北斗
Trimble
• EZ-Steer 辅助驾驶系统
– 适用于1200多种农机 – 提供多种导航精度 – T2 地形补偿技术 – 安装简便
Trimble
• EZ-Pilot 辅助驾驶系统
– 适用于多种农机 – 提供多种导航精度 – T3 地形补偿技术
Trimble
• Autopilot 自动驾驶系统
• 工作频率
– B1：1561.098 MHz±2.046MHz – B2：1207.14 MHz±2.046MHz – B3：1268.52 MHz±10.23MHz
• 测量精度
– 定位：10m – 授时：50ns – 测速：0.2m/s
农机自动导航
导航源自文库感器
位置、航向 车轮转角
农机状态 农机 状态 运动 状态
现代农业
现代农业
精准农业
农机自动导航 变量喷洒农药
精量播种施肥
收获自动测产
精准农业
• 世界现代农业的主要发展趋势
– 美国70%、英国15%、德国10%
• 精准农业技术研究和应用效果显著
– 节约灌溉水：50% – 节约化肥：30% – 节约农药：30% – 降低生产成本：20%
精准播种施肥
精准喷药
StarFire 3000
• 主要特点
– 多种精度（SF1、SF2、RTK） – 双系统 （GPS、GLONASS） – 高灵敏度（能捕获地平线上5度的卫星） – 适用于所有JohnDeere导航系统
GreenStar ATU 200 驾驶套件
• 主要特点
– 安装简便 – 适用性广
– 提高生产效率 – 降低生产成本 – 减少操作失误
农机自动导航
导航传感器
位置、航向 车轮转角
农机状态 农机 状态 运动 状态
农机运动模型
运动学模型 动力学模型
导航规划
农机 状态 直线跟踪 曲线跟踪 转向角 运动 状态
转向控制
PID控制 智能控制
早期导航传感器
• 1920s
– Steering attachment for tractors（US Patent）
Φ
C
导航路径规划
导航路径规划
• 基于A-B线的路径规划
B1
B2
Bn
A1 A2
An
导航路径规划
• 基于边界线的路径规划
农机转向控制
• 光靶导航
农机转向控制
• 辅助驾驶
农机转向控制
• 自动驾驶
国外农机导航产品
国外农机导航产品
• John Deere
– GreenStar Lightbar 光靶引导系统 – GreenStar AutoTrac 自动驾驶系统
国内农机导航技术研究
• 北京农业信息技术研究中心 （国家农业信息化工程技术研究中心）
国内农机导航技术研究
• 中国科学院沈阳自动化研究所
现代农业精准作业测控技术实验室
拖拉机
插秧机
种肥机
喷药机
精密电源
精密万用表
波形发生器
多功能校准仪
Multisim
Keil MDK-ARM
LabVIEW
78/30
现代农业精准作业测控技术实验室
Galileo
• 地面控制系统
– 控制中心（GCC，2个）
• 法国 • 意大利
– 上行站（GUS，14个）
• 遥测跟踪控制（TCC，5个） • 任务上行链路（ULS，9个）
– 传感器站（GSS，30个）
Galileo
• 工作频率
– E2-L1-E1：1575.42 MHz – E6：1278.75 MHz – E5b：1207.14 MHz – E5a：1176.45 MHz
GLONASS
• 工作频率
– L1：1.602～1.616MHz – L2：1.246～1.256MHz（军用）
• 测量精度
– 定位：10-15m – 授时：20-30ns – 测速：0.01m/s
Galileo
• 空间星座
– 27 颗工作卫星 – 3 颗备用卫星 – 3 个轨道面 – 轨道倾角56度 – 平均轨道高度23616km – 周期14小时 22分钟
– 直接与农机液压系统集成 – 提供多种导航精度 – T3 地形补偿技术
导航精度
国外农机导航产品
• Topcon
– System 110 – System 150 – System 200 – System 250 光靶引导系统 自动驾驶系统 一体化控制系统 G3一体化自动驾驶系统
Topcon System 110
John Deere GreenStar Lightbar
• 光靶引导系统
– StarFire 300 接收机 – Greenstar 光靶
John Deere GreenStar AutoTrac
• 自动驾驶系统
– StarFire 300/3000 接收机 – Greenstar 1800/2630显示器 – ATU 200 驾驶套件
精准农业
• 精准农业
– 精确的数量 – 准确的时间、地点、方式
精准农业技术体系
精准作业 处方图 决策生成
数据分析 数据采集
准确的时间、地点、方式、数量 精确地实施播种、施肥、喷药、收割等田间作业 分析影响作物生长的环境因素的时空差异 决定如何对作物栽培管理实施按需投入 分析处理田间采集到的数据 定土壤水分、 确肥力、作物长势、病虫草害
组合导航实验台
农机转向控制实验台
变量喷药实验台
79/30
现代农业精准作业测控技术实验室
• 近年来承担的相关科研项目
– 院知识创新工程重要方向性项目
• 现代农业精准作业测控技术与核心装置研发（KGCX2-YW-138）
– 国家863计划项目
• 切纵流智能控制稻麦联合收割机导航控制技术研究与开发 （2010AA101402-4） • 基于物联网的联合收割机群协同作业技术研发与示范 （2013AA040403）