我国农田平地机研究进展及展望

段鑫 段佳 张海

摘 要 我国高标准农田建设对土地的平整度提出了较高要求。对农田土地进行平整，有利于改善农田表面状况，提高灌溉水和化肥的利用率，进而促进农作物产量提高。农田平地机用于农田平整作业，也可用于修筑梯田、平整道路和场地等作业。目前，自动化程度较高的农田平地机主要包括激光农田平地机和基于GPS/GNSS控制的农田平地机。对激光农田平地机和基于GPS/GNSS控制的农田平地机的研究现状进行综述，介绍两类农田平地机的主要结构，比较分析各自的优缺点及应用效果，并展望农田平地机的未来发展趋势。

关键词 农田平地机;激光控制;GPS/GNSS控制;土地平整

中图分类号：S233.1 文献标志码：C DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2022.15.056

高标准农田建设在我国越来越受到重视，国务院办公厅分别于2019年11月、2021年9月公布了关于我国高标准农田建设的规划性文件。文件指出，到2030年，我国要建成12亿亩高标准农田[1]。土地平整、集中连片是高标准农田建设的最基本要求，农田平地机为促使农田达到这一基本要求提供了有力保障。

1  农田平地机简介

平整土地是实现精细农业的基础。农田平地机主要包括推土机、激光农田平地机及基于GPS/GNSS控制的农田平地机。推土机通常用于平整度较差的农田粗平整，平整精度较差。激光农田平地机主要由激光发射器、激光接收器、控制箱、液压机构、刮土铲等组成[2]。激光农田平地机工作时，激光发射器发射出旋转激光束，该旋转激光束形成水平的激光平面，作为平地作业时的基准平面;激光接收器安装在刮土铲的伸缩杆上，当其检测到激光信号后，将信号进行处理并发送到控制器;控制器接收到信号后，控制液压机构，达到调整刮土铲高度的目的，从而实现高精度平整土地。基于GPS/GNSS控制的农田平地机主要由GPS或GNSS接收器、计算机、控制系统和平地鏟组成。这类平地机工作时，通过GPS/GNSS接收器获得当前坐标信息和高程信息，根据高程的数据信息判断地势高低，进而控制平地铲的升降进行平地作业[3]。

本文将重点围绕激光农田平地机和基于GPS/GNSS控制的农田平地机来阐述农田平地机研究进展。

2  农田平地机研究现状

2.1  激光农田平地机

20世纪70年代，美国首先将激光技术应用于农用平地机械，并取得了巨大的经济效益和社会效益。目前，该技术在许多国家的农业生产中已得到广泛应用[4]。我国于20世纪80年代开始引进国外的激光平地技术后，致力于开发拥有自主知识产权的激光平地机，已取得了一系列研究进展。狄美良介绍了激光发射机、激光平地机、控制器的组成，详细阐述了激光技术在农田土地平整中的应用[5]。坎杂等介绍了激光平地机研究应用现状，分析其在新疆的发展应用前景，总结了激光平地机在新疆推广应用的优势[4]。王建民等介绍了激光平地系统的工作原理、结构组成、操作方法，并将激光平地机与普通平地机的作业情况进行了对比，结果表明，与普通平地机相比，激光平地机能够节省用水、降低费用[6]。林建涵等研发了一套激光控制平地系统，明显改善了农田表面的平整情况，能够显著节约成本[7]。刘刚等开发了用于农田平地的激光接收与控制装置、液压调节装置、平地铲等，通过田间试验表明，所开发的系统工作性能良好[8]。张延林等分析了激光平地机在土地平整中的优势，对黄花农场和花海农场经过激光平地仪平整后的平均节水率和节肥率进行比较，发现激光平地机对提高农田灌溉水利用率、促进农业节水可持续发展具有重要的现实意义[9]。戴宁湘等针对激光发射平台自动调平控制系统展开设计，使激光发射平台能更精确地检测数据，使农田平地机作业更精确[10]。齐俊腾等设计了全电农用激光平地机，经田间试验表明：与传统机型相比，所设计的激光平地机对土地平整的平整精度有较大提高[11]。胡炼等设计了一种悬挂式多轮支撑旱地激光平地机，该机通过拖拉机三点悬挂机构浮动功能与多轮支撑相结合，实现激光控制平地作业[12]。近年来，我国学者研制了一批具有特定型号的激光农田平地机。李腾等研制了12PJY-3A型液控智能激光平地机，先通过仿真结果不断修正虚拟样机，再试制样机。通过样机的田间试验，表明样机的平整精度较高[13]。冯正睿介绍了12PQ-3.0型浅松式农用激光平地机的设计研制过程，并阐述其基本机构、工作原理和试验示范情况[14]。姚东伟等设计了具有农田耕作标准化、精细化平整特点的JPD-360型旱地激光平地机，解决了适应性差、作业抖动造成信号中断失准等问题，具有较好的经济效益和推广价值[15]。

上述文献的研究对象大都是针对旱地的激光平地机。研究发现，采用激光农田平地机对水田进行平整，同样有利于农作物的生长，从而提高粮食产量[16]。针对水田激光平地机，陈嘉琪等设计了SD卡和Wi-Fi模块相结合的实时数据采集系统，使平地机在水田中的工作信息得以实时存储和发送，方便调试人员分析平地机的实时工况[17]。涂海为提高平地机高速运转时控制系统的控制精度和稳定性，建立了基于多体动力学知识的平地机模型，分析了影响平地铲工作的主、次要因素，并对水田平地机进行了机械结构优化设计[18]。周浩设计了激光控制水田精准平地打浆机及与之配套的高程调节机构、调平机构、平地机构、自动控制系统和液压控制系统，可实现平地打浆机高程和调平的同步自动控制[19]。

综上所述，激光农田平地机能够同时适用于旱地和水田的土地平整，在高标准农田建设中具有显著优势，已得到广泛应用。虽然激光农田平地机具有诸多优点，但其在特殊天气条件下（如大风、强光等），激光发射器的工作性能会受到影响。此外，由于激光接收器接收信号时垂直范围的测量有限，因此工作半径适合面积较小、地势起伏不大的农田区域[3]。

2.2  基于GPS/GNSS控制的农田平地机

与激光农田平地机相比，基于GPS（Global Positioning System，全球定位系统）或GNSS（Global Navigation Satellite System，全球导航卫星系统）控制的平地机受天气等外界因素的影响较小，能实现全天候作业，适合大面积农田的土地平整作业。

针对基于GPS控制的平地机，李赫获取了农田区域的GPS三维数据信息，对获取的GPS数据进行坐标转换和误差校正，对基于GPS平地的作业路径进行了规划，并验证了路径规划方法的可行性[3]。刘寅等研发了GPS控制平地系统，采用高精度GPS接收机获取农田三维地形位置数据，并提出了高程测量数据误差修正算法[20]。王新忠等对RTK差分GPS平地机作业质量效果进行了评估，结果表明，使用RTK差分GPS平地机进行农田平地作业，能够满足农田平整精度要求[21]。随后，王新忠等又针对GPS农田平地机土方量及设计高程的计算，开发了基于VB 6.0编程软件的计算软件，提高了平地作业效率[22]。

针对基于GNSS控制的平地机，王岩等提出了基于导航技术的GNSS平地作业路径实时规划与辅助决策方法，能够较好地规划实时路径并提供导航方向，引导拖拉机进行高效平地作业[23]。巫章鹏提出了一种新的平地铲姿态调整方法，该方法可用于土地平整作业中实时调整GNSS精平机平地铲姿态[24]。王少农等研发了新型GNSS平地系统，进行了平地作业试验研究，为基于GNSS的农田平地系统的研发提供经验与数据[25]。刘刚等结合农田平整实际要求及作业经验，在改进系统硬件的基础上，提出了一种基于GNSS农田平整全局路径规划方法[26]。景云鹏等建立了牵引式农田平地机的运动学模型，提出了一种基于牵引式农田平地机的导航侧滑估计与自适应控制方法，采用GNSS双天线导航定位系统测量农田平地机的运动状态[27]。梁冉冉等研发了一套基于双天线GNSS的精准平地系统，能够完成精准平地软件的调试和平地机精准作业的监测工作[28]。王婷婷等对GNSS精准平地机的应用现状进行了分析，介绍了GNSS精准平地机的组成，并指出以后该类平地机将使用多传感器融合技术，提高系统的感知力，并朝着智能化方向发展[29]。

总之，基于GPS/GNSS控制的农田平地机不受气候条件限制，土地平整精度高，在未来具有巨大的应用潜力。此外，随着我国北斗卫星导航系统的不断完善，为推进基于GPS/GNSS控制的农田平地机的应用提供了重要保障。目前，基于GPS/GNSS控制的农田平地机还处于不断探索阶段，后期仍需要继续投入人力、物力、财力到该类平地机的研究中，以期获得精确、高效的产品。

3  农田平地机发展趋势

通过综述我国农田平地机研究现状，比较分析现有农田平地机的优缺点，展望农田平地机未来发展趋势，应具有智能化、集成化、多样化等特点。

1）智能化。根据目前农机行业的发展趋势可知，农田平地机也同样朝着智能化方向发展。未来若将先进的人工智能技术和优化算法应用于农田平地机，将进一步提高农田土地的平整精度，从而促进农作物产量提升。而且随着人工智能技术的进一步发展，农田平地机将逐步实现无人化作业，可以减少人类的劳动强度，节约人工成本。

2）集成化。随着科技的不断进步，“一机多用”正在成为可能，并得到快速推广。未来农田平地机在发挥土地平整作用的同时，可以集成松土、土壤压实、喷灌等功能，从而节约时间成本和人工成本。

3）多样化。我国地形多样，要推动精细化农业在我国不同地区的发展，应结合不同地区的地形结构和土地平整要求，开发相应的多样化农田平地机产品。

参考文献：

[1]   TD/T 1033-2012，高标准基本农田建设标准[S].

[2]   王建民.激光技术在农田平整中的应用[J].河北农机，2003（4）：22.

[3]   李赫.基于GPS平地的路径规划方法的研究[D].保定：河北农业大學，2013.

[4]   坎杂，田学艳，江英兰，等.农用激光平地机的应用现状及其发展前景[J].农业机械学报，2001（5）：127-128.

[5]   狄美良.激光技术在农田平整土地工程中的应用[J].农业机械，2001（11）：60-61.

[6]   王建民，孙少明.激光技术在农田土地平整工程中的运用[J].新疆农机化，2003（1）：39-40，45.

[7]   林建涵，刘刚，汪懋华，等.用于激光平地机的激光控制系统的研究[C].中国农业工程学会. 2005年中国农业工程学会学术年会论文集，2005：134-138.

[8]   刘刚，林建涵，司永胜，等.激光控制平地系统设计与试验分析[J].农业机械学报，2006，37（1）：71-74.

[9]   张延林，付德玉，李天银.激光平地技术引进示范推广[J].农业科技与信息，2014（5）：50-52，54.

[10] 戴宁湘，蒋蘋，罗亚辉，等.农田平地机激光发射平台调平控制系统设计[J].农机化研究，2015，37（1）：118-122.

[11] 齐俊滕，刁培松，马明建，等.全电农用激光平地机的设计[J].农机化研究，2016，38（5）：148-151.

[12] 胡炼，杜攀，罗锡文，等.悬挂式多轮支撑旱地激光平地机设计与试验[J].农业机械学报，2019，50（8）：15-21.

[13] 李腾，刁培松，程卫东，等. 12PJY-3A型液控智能激光平地机设计与试验[J].农机化研究，2016，38（12）：193-197.

[14] 冯正睿. 12PQ-3.0型浅松式农用激光平地机的研制[J].农业机械，2017（5）：97-98.

[15] 姚东伟，刘存祥. JPD-360型旱地激光平地机的研究设计[J].农机化研究，2017，39（6）：85-90，95.

[16] 赵兴家，李洪雨.智能激光平地机的应用效果分析[J].现代化农业，2018（9）：61-62.

[17] 陈嘉琪，赵祚喜，俞龙，等.智能农田作业车辆实时数据采集系统设计试验[J].广东农业科学，2014，41（16）：187-191.

[18] 涂海.水田平地机多体系统动力学建模与优化[D].广州：华南农业大学，2017.

[19] 周浩.激光控制水田精准平地打浆关键技术研究[D].广州：华南农业大学，2019.

[20] 刘寅，李宏鹏，刘刚，等.基于GPS控制技术的土地平整系统[J].农机化研究，2014，36（9）：142-146，151.

[21] 王新忠，王少农，庄卫东，等.基于RTK差分GPS的平地机作业质量评估[J].湖北农业科学，2016，55（24）：6588-6592.

[22] 王新忠，王熙，王少农，等. GPS农田平地机土方量及设计高程计算软件开发[J].湖北农业科学，2017，56（6）：1146-1149，1154.

[23] 王巖，李宏鹏，牛东岭，等. GNSS平地作业路径实时规划与导航方法研究[J].农业机械学报，2014（S1）：271-275.

[24] 巫章鹏. GNSS精平机平地铲姿态调整技术研究[D].杨凌：西北农林科技大学，2015.

[25] 王少农，庄卫东，王熙.基于GNSS的农田平地系统试验研究[J].农机化研究，2016，38（5）：199-203.

[26] 刘刚，康熙，夏友祥，等.基于GNSS农田平整全局路径规划方法与试验[J].农业机械学报，2018，49（5）：27-33.

[27] 景云鹏，金志坤，刘刚.基于改进蚁群算法的农田平地导航三维路径规划方法[J].农业机械学报，2020，51（S1）：333-339.

[28] 梁冉冉，庄卫东.基于双天线GNSS的精准平地控制系统试验研究[J].农机化研究，2020，42（4）：170-174.

[29] 王婷婷，庄卫东. GNSS精准平地机的应用与发展[J].现代化农业，2022（1）：64-65.

（责任编辑：易  婧）