基于北斗导航的玉米喷雾机自动导航系统研究

引言

1 研究背景

玉米作为粮食作物，其种植多为行距 0.5-0.6m 的人工林，传统喷雾依赖人工操作，存在效率低（0.3-0.5 亩/h）、喷施不均等问题[1]。随着劳动力成本上升，亟需自动化喷雾装备。

北斗导航技术的发展为精准喷施提供了可能，但玉米园行距窄、植株高大，对导航系统的路径跟踪精度与转向灵活性要求高[2]。因此，研发适用于玉米园的喷雾机自动导航系统具有重要价值。

2 研究现状

国内外针对田间喷雾导航的研究集中于大田作物，如基于 GPS 的果树喷雾机 [3]，但针对玉米等农业林的研究较少。现有系统存在转向响应慢、跟踪偏差大（>0.2m）等问题，难以满足窄行距作业需求。

本文旨在设计一种适用于玉米园的自动导航系统，通过优化跟踪算法与转向控制，提升作业精度与效率。

2. 方法

2.1 系统总体设计

喷雾机自动导航系统由北斗定位、导航控制、转向执行与喷雾装置组成如图 1 所示

（1）定位单元：华策P2 接收机 + 北斗天线，提供厘米级定

（2）控制单元：西门子工控机，运行路径跟踪算法；

（3）转向系统：STM32 单片机控制变频电机，实现差速转向

（4）喷雾装置：8 喷头扇形喷雾，流量可调（ 0-5L/min ）。

（5）转向控制系统根据导航控制系统发送的预期转向角，实现喷雾机的动态转向控制

图1 玉米喷雾机自动导航系统结构图

工控机2. 电源箱3. 药桶4. 高速风机5. 喷头6. 履带式自走平台7. 控制盒8. 车载天线9. 前置信号接收天线

2.2 关键技术

2.2.1 路径跟踪模型

纯路径跟踪模型是一种基于几何原理的路径跟踪算法，以履带式自走平台的当前位置和方向为起点，以路径点为终点，实现路径跟踪

基于几何原理，以点 A （x_A，y_A） 为起点，点 B 为终点，计算转弯半径 R 与期望航向角 θ_⋅B ：

通过控制左右履带速度差，使实际轨迹逼近规划路径。

2.2.2PID 转向控制

系统采用PID 控制算法对电机进行实时控制，大大缩短了电机的响应时间，从而提高了播种设备的精度。通过PID控制，系统可以快速准确地调节电机输出，保证播种过程中植株间距一致。

以跟踪偏差 H 为输入，转向角为输出，PID 参数设置为 k_⋅P=2.5，k_i=0.1 ，k_d=0.5 。控制流程如图2 所示。

图2 控制流程图

2.3 试验设计

试验在临夏州玉米种植园进行，行距 0.6m ，株高 5-2m_⨀ 。测试指标如表 1所示，

表1 测试指标

3 结果与分析

（1）跟踪精度

不同速度下的跟踪性能为，当 3km/h 时，最大偏差 0.16m ，平均 0.04m ，满足 H<0.2m 的安全要求。

（2）动态响应

阶跃响应测试显示，系统调整时间 ⩽5s ，超调量 <5% ，说明转向控制快速稳定。

（3）喷雾效果

与人工喷雾相比，自动导航喷雾的雾滴均匀性提升 30% ，农药利用率提高25% ，减少浪费 15-20L/ 亩。

4 结论

本文中提出的纯路径跟踪模型适配玉米园直角转弯需求；差速转向设计中最小转弯半径 0.4m ，避免了碰伤植株的风险；北斗 + 惯导融合方式在定位中断时仍可维持 10s 高精度跟踪。通过纯路径跟踪与 PID 控制的组合方式，实现了精准高效的喷雾工作。试验表明，系统在 3km/h 速度下跟踪精度高、响应快，适用于窄行距玉米园。推广应用可显著提升种植效益，助力特色农业现代化。

参考文献：

[1]辛咏恒. 宁夏林草生态产品价值实现问题研究[D]. 宁夏大学，2024.

[2]谢军，耿长江，聂欣，等.卫星导航系统完好性技术现状与发展趋势[J/OL]. 遥测遥控 ，1-10[2025-07-27].

[3]石志伟 . 基于 GPS 实地定位技术在玉米种植面积监测中的应用 [J]. 科技与创新 ，2015，（04）：11

基金项目： 临夏州农机自动驾驶系统应用示范推广（编号22CX8NA057）