摘要：本文以Kinze公司的自动化农机设备为案例，对以GPS定位为基础条件的智能化农业机械定位与控制系统进行了系统阐述，对智能农机在导航、障碍探测和作业执行等方面协同工作原理进行了详细说明，并由此提出自动化农业机械应用和发展趋势，以及工业信息化技术在传统农机实现智能化的过程中的支撑作用。
关键词：自动化、农机、趋势
DOI：10.13856/j.cn11-1097/s.2016.04.001
1 前言
传统农业已经时过境迁，当今农民已经转变为高科技经营者。科技先行背景下，完全自动的农业形式渐成雏形，未来的发展趋势是以高科技产品为切入点，迅速推进这一进程。例如：农民可以利用卫星数据和GIS软件规划土地，通过GPS指导现场作业，操纵自动转向系统实现拖拉机的无人驾驶。自动农业形式高度依赖制造成本高、性能好的自动化农业机械，而自动化农业机械的高效运行则离不开计算机软件操控。为了攻克农机自动化软件开发的技术难题，近年来，软件公司与农机制造商加强了协作。例如，Jaybridge Robotics公司与Kinze公司合作，通过工业产品（COTS）[1]和软件实现了工、农、矿业领域运载机械的无人化驾驶。
本文将对自动化农业机械的软件应用原理进行阐述，并通过Kinze自动化谷物收割系统的案例研究介绍自动农业的代表性支撑科技。
2 自动化农业机械运行原理
2.1 GPS卫星数据和软件
城市居民可能依然视农业为科技含量低、技术落后的产业，但是在美国等发达国家，农业已经贴上了高科技的标签，特别是精准农业。
GPS卫星数据是精准农业的技术核心。农民依靠农场管理软件（如FarmWork）和GPS接收器绘制农场地图并记录单位面积的粮食产量。为了提升数据质量，他们可以利用其他一些信息。例如，进行土壤样本测试，对不同地区的土壤成分进行测定，或者通过植株颜色评估作物是否健康。因此，农民通过计算机地图软件分时段分析卫星或航拍图像，即可判断不同季节农场作物的健康状况。针对作物的健康问题，农民通过在地图上标注特定地区的化肥需求量、播种密度等，绘制处方地图。
类似的做法业应用于其他农业管理中，例如化肥及农药的施用。计算机GPS系统监测农机具的方位，保障其遵循土地配方完成化肥或农药在不同地块上施用。结果是，农民从中受益，因为化肥农药使用量的减少意味着成本的降低；而且，环境亦从中受益，因为化肥农药使用量的减少意味着周围生态系统所受到的侵害和风险也降低了。
无论收割机还是播种机，其自带的GPS系统都能实现农机定位，其原理与智能手机定位是一样的。然而，值得大家注意的是，手机的定位精度相对较低。具体而言，手机或汽车内置的GPS系统可定位精度约为码，而智能拖拉机内置的高精度GPS系统定位精度达到英寸级。就自动化农业生产的现实需要来说，高精度具有重要价值：一是支撑农机设定更复杂的路径；二是在播种时，化肥、农药精确地进入种子所在的穴道，减少资源浪费。对于收割机而言，只需要设定相应的路径，便可实现高效收割。
2.2 自动化农业机械作业过程
自动化农业机械是处方发挥效用的最终途径。同时，播种机安装了株距和速度自动调控装置。该播种机的拖拉机机身自带计算机，农民可以将处方地图数据输入计算机GPS系统。计算机驱动程序一旦启动，拖拉机就可带动播种机撒种，计算机则通过播种机的方位控制播种速度，并将已播种区域的数据记录备案，防止重复撒种。收获时，收割机同样要依循数月前播种机走过的路径。
自动化转向系统适用的拖拉机范围比较广泛，存在形式包括机器内置和售后安装。曾经，驾驶员需要采用激光等辅助判断农机具方向是否正确或是否需要转向。即便驾驶员依然需要在路径末端人工干预，大部分现有的自动化转向系统已经能够摆脱辅助方法精准作业。重要的是，最新技术已经能够实现农机自动掉头。目前，驾驶员依然需要经常现场监测前方障碍物和机器运行情况，然而，计算机程序已经不可争辩地代替人类，在较大程度上实现了机器的自主运行。
3 案例分析：Kinze自动化谷物收割系统
Kinze公司制造中耕运粮车和中耕谷物播种机。近年来，Jaybridge Robotics与Kinze联合研发制造出了Kinze自动化谷物收割机。本案例研究将深入分析Kinze如何将自有科技与Jaybridge's软件控制成功对接的。
Jaybridge Robotics软件系统可利用商品组件实施以下自动化任务：
用户可以通过用户界面操作工作流程
农机具路径规划
农机具控制，包括转向、刹车、加油等等
导航
障碍物排查
农机内部共享
Kinze自动化谷物收割系统可以在Android系统下的触屏平板电脑上运行，界面上呈现有四个基本的工作项目程序。在“卸货”程序中，运粮车与联合收割机保持同步，配合联合收割机完成谷物收割和投放动作。在“停车场”程序，装载车驶回特定的泊车区域，与等待在此的半挂车交货，由其继续承运谷物运输。“空闲”模式下，运粮车会等待下一步指令。这四个关键工作程序需要通过界面右方按钮实现，而其他功能（如人工作物编辑和障碍探测）则需要界面底端的按钮实现。
拖拉机拉着运粮车前行时，其内置的电脑屏幕上会实时显示路线规划、车辆控制、导航和障碍探测情况。收割机前行时，路线规划也会实时地适应和调整。它不但会记录收割机朝着运粮拖车的前行方向，也会清扫谷物从而扩大可行驶的范围。当路线规划遇到复杂的地形障碍时，计算机就会安排收割机快速转向。导航系统在规划收割机路线的同时，能够持续识别运粮拖车的位置、方向、速度、行驶区域图和最大装载量。当收割机与运粮拖车并行卸粮时，二者的位置信息可以实现快速共享。
拖车控制系统也实时确保拖车能按照预设的路线行进。例如，通过路线规划，车载内嵌电脑控制，同步的油门、刹车和行驶，以达到理想的路线。
障碍探测系统依靠一个旋转的激光测距仪（LIDAR）和自动雷达（更常见地用于自适应巡航控制）。二者收集到的数据会融合到一起以增强探测能力。
车间通信通过两种不同的途径来实现。针对更广的范围，运粮拖车和收割机通过单元数据实现信息互通，利用普遍的小区覆盖可以延伸到更偏远的地区。针对较短距离，尤其是两车并行时，短距离的高速无线电就用来交换数据以协调前行问题。
认识到硬件的构成是商用软件产品（COTS）这点很重要，它包括内嵌式电脑、LIDAR、微型调制解调器等。今天的这些技术的市场价格都很合理。Jaybridge软件就从一个零件集合者转变为全自动谷物收割系统。
4 结论: 如何适应和迎接自动化农业未来?
4.1 农业机械制造商
工业机械需要可靠性，农业机械也不例外。因此农业机械制造商想得到认可,就必须确保其自动化车辆及其软件控制系统的运行可靠性。系统运行的稳定性依赖于一系列的技术，包括软件在硬件中应用之前的规范代码检验、单元测试、回归测试、大量模拟等。实际上，Kinze自动化谷物收割系统早在2011年就已经面世。2012年，很多伊利诺伊州的农民就用它来收割秋季的玉米和大豆。目前，更大装机容量和更好性能的系统正在陆续投入使用。
4.2 农民
在未来的完全自主运行系统之下，农民作为使用者，应该做哪些准备呢？对于已经具备精准作业能力的农场：
农民成为精通技术的计算机使用者。
实现精准施肥和农药喷洒。
部分实现机械无人操作和计算机控制功能，例如转向。
机械配备高精准度的GPS系统。
拥有了以上基本条件后，使用标准零件和先进软件，向完全自动化农业的转型之路将是一片坦途。
原载：http://robohub.org/index.php?s=from+precision+farming，2013-11-11.