农用机械在恶劣田间环境，如何实现优于1%的真实地面速度测量，提升精准播种施肥作业效率？【非接触测速技术】

农用机械的速度测量精度是其高效作业和精准管理的关键。传统的通过车轮转速来估算速度的方法，常常因为车轮在泥泞、松软的土地上打滑，或者轮胎因载重、胎压、磨损等因素导致周长变化，以及轮胎在不同土壤中下陷程度不同，产生显著的测量误差。这种误差就像农机在田里跑步时，鞋底打滑了，虽然脚动了很多，但实际前进的距离却没那么多，导致我们误判了它真正的速度。而精准农业对速度数据的要求非常高，比如在喷洒农药、播种、施肥时，如果速度不准，就会出现喷洒不均匀、播种密度不一致等问题，直接影响作物产量和投入成本。因此，如何获得农用机械的真实地面速度，而不是虚假的轮速，是提升农业作业精度的核心问题。

1. 农用机械的基本结构与技术要求

农用机械作为田间作业的主力，其运行环境相比公路车辆更为复杂和恶劣。它需要面对多变的地形（坡地、丘陵）、不平整的地面、各种土壤类型（沙土、黏土、湿土、干土），以及扬尘、泥泞、震动、大幅温度变化等挑战。这些因素都直接影响到其速度测量的准确性。

从结构上看，农用机械通常由动力系统、传动系统、行走系统和工作部件组成。行走系统中的车轮或履带是与地面接触的部分。传统的速度测量大多依赖于安装在车轮轴上的编码器，通过计算车轮转速来间接估算机器的速度。这种方法简单易行，但在上述复杂工况下，其准确性大打折扣。想象一下，一辆拖拉机在湿滑的泥地里耕作，车轮可能在原地空转，甚至转好几圈，但机器实际前进的距离却很小。这时候，如果只看轮速，就会误以为机器速度很快，从而错误地调节喷洒量或播种量。

因此，农用机械对速度测量的技术要求主要集中在以下几点：* 高精度： 能够精确测量农机相对于地面的真实速度，而非仅仅车轮的转速。尤其对于精准播种、施肥等作业，毫米级的定位和厘米级的速度精度都是必需的。* 高鲁棒性： 能够在恶劣的田间环境下稳定工作，不受灰尘、泥土、水分、震动、温度变化等因素的干扰。* 实时性： 能够提供高频率的速度更新，以便控制系统能够实时响应，进行闭环控制，例如根据速度实时调整播种机的下种量。* 非接触性： 避免与地面直接接触，以减少机械磨损，同时规避车轮打滑等传统接触式测量的固有缺陷。* 宽测量范围： 能够覆盖从极低速（如精准播种时的数米每小时）到中高速（如农机转场时的数十公里每小时）的广泛速度区间。

2. 针对农用机械的相关技术标准简介

为了确保农用机械在速度测量方面的性能和互操作性，行业内通常会参照一些技术标准。这些标准主要定义了速度监测的各种参数，以及如何评估这些参数的性能。

• 速度定义： 标准明确区分了“车轮速度”和“真实地面速度”。车轮速度通常指通过车轮编码器测得的转速换算出的理论速度；而真实地面速度是指农用机械相对于地表的实际运动速度，它消除了车轮打滑、轮胎形变等因素的影响。精准农业中通常更关注真实地面速度。

• 测量精度： 标准会规定速度测量的允许误差范围，例如在特定速度区间内，测量值与真实值之间的最大偏差。这通常用百分比或绝对值（如米/秒）来表示，并且会区分在不同地面条件（硬地、软地）和不同速度（低速、高速）下的精度要求。

• 刷新率/响应时间： 标准会定义速度数据更新的频率，这对于需要实时调整工作参数的闭环控制系统至关重要。例如，要求每秒更新多少次速度数据，以确保控制系统能够及时响应农机速度的变化。

• 输出接口和数据格式： 为了便于不同制造商的设备之间进行通信和集成，标准会规范速度传感器的输出接口类型（如脉冲、CAN总线、RS232等）和数据传输协议，确保农机控制单元能够正确解读和利用速度数据。

• 环境适应性： 标准也会对传感器的环境耐受能力提出要求，如防护等级（IP等级）、工作温度范围、抗震动和冲击能力等，以确保设备在恶劣的农田环境中长期稳定运行。

• 校准和验证方法： 标准还会提供一套规范的程序，用于校准速度传感器和验证其测量性能，确保传感器在整个生命周期内的准确性。

3. 实时监测/检测技术方法

为了克服传统轮速测量的局限，现代农用机械采用了多种先进的非接触式速度测量技术。这些技术各有特点，适用于不同的应用场景。

（1）市面上各种相关技术方案

• 雷达多普勒测速技术 雷达多普勒测速技术，就像我们平时听到的救护车鸣笛声，当救护车朝我们驶来时，声音频率变高（音调变尖），离我们远去时，频率变低（音调变沉）。这种频率的变化就是“多普勒效应”。雷达多普勒测速传感器就是利用电磁波的这种特性来测量速度的。

  工作原理和物理基础： 传感器内部的天线会持续向地面发射频率已知的微波（通常是24 GHz频段）。当这些微波碰到移动的地面（比如拖拉机下方的土壤）后，会反射回传感器。如果拖拉机在运动，那么反射回来的微波频率就会发生变化，这种变化量就叫做“多普勒频移”。传感器通过精确测量这个频移，就能计算出农用机械相对于地面的真实速度。由于这个过程是完全非接触的，所以它不受车轮打滑、轮胎周长变化或轮胎下陷的影响，直接测量地面本身的运动速度。

  与测量原理紧密相关的关键公式是多普勒频移公式：f_d = (2 * v * cos(theta)) / lambda其中：* f_d 是多普勒频移（即反射波频率与发射波频率的差值），单位是赫兹（Hz）。* v 是被测物体（农用机械）相对于传感器的速度，单位是米/秒（m/s）。* theta 是雷达波束方向与物体运动方向之间的夹角。在实际应用中，传感器会以一个固定角度（通常是斜向下）安装，因此cos(theta)是一个常数。* lambda 是发射微波的波长，单位是米（m）。波长与发射频率f_t的关系是 lambda = c / f_t，其中 c 是光速（约3 x 10^8 m/s）。

  通过这个公式，传感器测量到f_d后，结合已知的lambda和theta，就可以反推出v。

  核心性能参数的典型范围：* 测量范围： 通常在0.1 km/h到200 km/h之间，能够满足农用机械从低速作业到高速转场的全范围需求。* 精度： 典型精度优于1%，在特定速度区间甚至可达0.5%或更高。* 刷新率： 通常在10 Hz到50 Hz之间，可提供准实时速度数据。* 防护等级： 普遍达到IP67或更高，能够有效抵御灰尘、泥水侵蚀。

  技术方案的优缺点：* 优点： * 高精度真地面速度测量： 彻底消除了车轮打滑、轮胎形变、轮胎下陷等带来的误差，直接测量机器对地面的真实速度。 * 非接触性： 没有机械磨损，维护成本低。 * 环境适应性强： 微波穿透能力较强，不易受扬尘、薄雾、小雨等影响，即使地面有少量泥土覆盖也能正常工作。 * 安装灵活： 传感器通常体积小巧，易于安装在农机底部，与地面平行或以固定角度安装即可。 * 高动态性能： 能够快速响应速度变化，适用于闭环控制系统。* 局限性： * 可能受障碍物影响： 如果农机下方有高大的作物或地面有大量积水，可能会影响信号反射。 * 成本考量： 相比简单的轮速传感器，雷达多普勒传感器的初始投入成本较高。 * 安装角度敏感： 测量精度受安装角度影响，需要精确校准。

• 全球导航卫星系统（GNSS）测速技术 GNSS，也就是我们常说的GPS、北斗、伽利略等卫星导航系统。它不仅仅能提供位置信息，也能高精度地测量运动速度。

  工作原理和物理基础： GNSS接收机通过接收来自多颗导航卫星的信号。这些信号包含卫星的精确位置和时间信息。当接收机移动时，它接收到的卫星信号频率也会发生微小的多普勒频移。接收机通过测量这些多普勒频移，并结合卫星伪距和载波相位测量，可以高精度地计算出自身的运动速度。为了进一步提高精度，通常还会结合实时动态（RTK）或差分校正（DGNSS）技术，通过接收地面参考站的校正信号来消除大气误差和卫星钟差，将速度精度提升到厘米级甚至更高。

  核心性能参数的典型范围：* 速度精度： 未经差分校正的GNSS通常精度在0.1-0.3米/秒（RMS）；采用RTK技术后，速度精度可达到0.02-0.05米/秒（RMS）。* 更新率： 通常为5-20 Hz，高端设备可达50 Hz甚至更高。* 首次定位时间： 通常小于30秒。

  技术方案的优缺点：* 优点： * 绝对速度测量： 测量的是农机相对于地球的速度，与地面条件无关。 * 高精度： 结合RTK等技术可以达到非常高的速度精度，满足精准农业需求。 * 提供位置信息： 同时提供高精度的位置数据，便于精准作业规划和记录。* 局限性： * 信号遮蔽： 在树木繁茂、建筑物密集或地形复杂（如峡谷）的区域，卫星信号可能被遮挡，导致定位和测速中断或精度下降。 * 首次定位时间： 启动后需要一定时间才能获得高精度定位和测速。 * 成本考量： 高精度的RTK-GNSS系统成本相对较高。

• GNSS/惯性测量单元（IMU）融合测速技术 这种技术结合了GNSS的长期精度和IMU的短期稳定性，就像给GNSS加了一个“内力”，即使外部信号受干扰，也能靠内力维持一段时间的精准度。

  工作原理和物理基础： GNSS提供绝对位置和速度信息，但容易受信号遮蔽影响。IMU（惯性测量单元）则包含加速度计和陀螺仪，能够实时测量农用机械的角速度和加速度。当GNSS信号良好时，两者数据通过卡尔曼滤波等高级算法进行融合，GNSS数据用于校正IMU的漂移；当GNSS信号短暂中断（例如农机穿过树林或高大建筑旁）时，系统可以依靠IMU的航位推算功能，根据之前的速度和姿态变化推算出当前的运动状态，从而保持连续、高精度的速度和姿态输出。

  核心性能参数的典型范围：* 速度精度： GNSS辅助时可达0.03米/秒（RMS），GNSS中断10秒后仍能保持0.05米/秒（RMS）左右。* 更新率： 通常高达100 Hz或更高，提供极高的动态响应。* 姿态精度： 提供高精度的俯仰、横滚、航向等姿态信息，典型精度可达0.025度。

  技术方案的优缺点：* 优点： * 高鲁棒性和连续性： 解决了纯GNSS在信号中断时的痛点，在复杂环境下也能提供连续、高精度的速度和姿态信息。 * 高动态响应： IMU的高采样率确保了对农机姿态和速度变化的快速感知。 * 全面信息： 不仅提供速度，还提供精准的定位和姿态信息，是高端自动驾驶和精准作业的理想选择。* 局限性： * 成本最高： 由于融合了两种复杂技术，成本通常高于单一GNSS或雷达系统。 * 系统复杂性： 集成和校准更为复杂，需要专业的知识和经验。 * 长期漂移： 即使有GNSS校正，IMU在长时间无GNSS辅助下仍会有累积漂移，但通常在农用机械应用中问题不大。

• 光学传感器测速技术 光学传感器测速技术，就像一个“高速相机”，它不断地给地面拍照，然后通过对比相邻两张照片地面纹理的微小移动，来判断机器到底跑了多快。这就像我们用手机滑动屏幕看图片，图片动得越快，说明我们滑动得越快。

  工作原理和物理基础： 传感器向地面发射一束光（通常是红外光），并利用高分辨率摄像头捕获地面反射回来的光线，形成一系列连续的地面纹理图像。然后，传感器内部的图像处理算法会分析这些图像帧之间地面纹理的位移。通过计算单位时间内地面纹理移动的像素距离，并结合传感器的安装高度和光学系统的放大倍数，就能高精度地计算出农用机械相对于地面的真实速度。这种方法也是直接测量地面运动，完全不受车轮打滑影响。

  核心性能参数的典型范围：* 测量范围： 通常在0.01 km/h到80 km/h之间，尤其在低速测量方面表现出色。* 精度： 典型精度优于0.1%，分辨率可达0.001 km/h，非常适合需要极高精度的作业。* 测量频率： 高达1000 Hz，提供极细致的速度变化信息。* 防护等级： 普遍达到IP67。

  技术方案的优缺点：* 优点： * 极高精度和分辨率： 特别是在低速时能提供卓越的测量精度，对精准播种、精细施肥等作业非常有利。 * 非接触式无打滑误差： 直接测量地面纹理，完全避免了车轮打滑和轮胎形变带来的误差。 * 无磨损： 纯光学工作，无机械接触部件，长期使用无需维护。* 局限性： * 对环境敏感： 测量结果可能受到地面纹理、光照条件（强光、阴影）、地面泥土或水渍覆盖的影响。极端恶劣的泥泞、扬尘环境可能降低性能。 * 安装高度要求： 对安装高度有一定要求，需要确保传感器能清晰捕捉地面纹理。 * 成本考量： 高分辨率光学传感器和图像处理算法的成本相对较高。

（2）市场主流品牌/产品对比

• 美国天宝（采用GNSS测速技术） 美国天宝是全球精准农业GNSS解决方案的领导者。他们的NAV-900 GNSS接收机是一款高度集成的GNSS接收机，通过接收多星座卫星信号，并结合其先进的RTK差分校正技术，能够提供极高精度的位置和速度信息。其速度精度可达0.02米/秒（RMS），更新率高达20赫兹。美国天宝的产品在农用机械自动驾驶、精准施肥、播种等系统中有着广泛应用。

• 英国真尚有（采用雷达多普勒测速技术） 英国真尚有的LP-DS200多普勒测速传感器是一款基于雷达多普勒技术的传感器，专为移动物体设计。它通过发射24 GHz的电磁波，并测量反射波的多普勒频移来计算真实地面速度。该传感器的突出优势在于能够精确测量不受车轮打滑、轮胎周长变化和轮胎下沉影响的真实地面速度，速度测量范围为 0.8 km/h 至 200 km/h，信号更新率为 20 Hz，适合实时监测和闭环控制。LP-DS200 具有 IP6KX、IPX7、IPX9K 的高防护等级，以及 -40°C 至 +70°C 的宽泛工作温度，展现了强大的环境适应性和可靠性，适用于农用机械等在恶劣条件下的应用。

• 德国赫拉（采用雷达多普勒测速技术） 德国赫拉的FSS（地面速度传感器）也是一款采用雷达多普勒效应原理的传感器。它通过测量反射信号的频率漂移，计算出农用机械相对于地面的真实行驶速度。这款传感器专为农用机械等恶劣环境设计，具有出色的耐候性和抗污垢能力，防护等级达到IP6K9K。其测量范围为0.5至60公里/小时，精度优于1%（特定速度范围），提供CAN总线和脉冲信号输出，能够有效避免车轮打滑误差。

• 奥地利普利赛斯（采用光学传感器测速技术） 奥地利普利赛斯的OptiSpeed L系列产品采用高分辨率光学传感器和先进的图像处理算法，通过分析连续图像帧之间的位移来高精度计算农用机械的地面速度。该传感器以其极高的测量精度和分辨率著称，测量范围从0.01至80公里/小时，精度优于0.1%（典型），分辨率可达0.001公里/小时，测量频率高达1000赫兹。其光学原理确保了无打滑误差和无磨损的优点，特别适合需要精细控制的农业作业。

• 加拿大诺瓦泰尔（采用GNSS/IMU融合测速技术） 加拿大诺瓦泰尔的SPAN-OEM7700是一款融合了高精度GNSS接收机和高性能IMU的惯性导航系统。它利用GNSS提供绝对位置和速度，而IMU测量角速度和加速度，并通过卡尔曼滤波算法融合数据。即使在GNSS信号短暂中断时，也能通过IMU的航位推算功能保持连续、高精度的速度和姿态输出。其速度精度在GNSS辅助时可达0.03米/秒，即使GNSS中断10秒后仍能保持0.05米/秒，更新率高达100赫兹。

（3）选择设备/传感器时需要重点关注的技术指标及选型建议

在为农用机械选择速度测量设备时，我们需要根据实际用途来决定。

1. 测量精度： 这是最核心的指标，直接影响作业质量。

   • 实际意义： 它决定了你测量的速度与真实速度之间的差距。比如，0.1米/秒的精度意味着测量值与实际值相差不会超过10厘米/秒。

   • 选型建议： 对于需要极高精度的作业（如变量施肥、精准播种），应选择高精度GNSS RTK系统或光学传感器。对于一般耕作或喷洒，1%精度的雷达多普勒传感器通常已足够。

2. 刷新率（信号更新率）： 传感器提供速度数据更新的速度。

   • 实际意义： 它决定了控制系统能多快地获取最新的速度信息。高刷新率（如20 Hz以上）意味着传感器能更及时地感知速度变化，这对于需要实时闭环控制的系统至关重要。

   • 选型建议： 对于高速行驶或需要快速响应的闭环控制系统，建议选择刷新率20 Hz或更高的传感器（如雷达多普勒、GNSS/IMU融合系统）。一般性监测可选择较低刷新率的设备。

3. 环境适应性（防护等级、工作温度）： 传感器在恶劣环境下的生存能力。

   • 实际意义： 农田环境恶劣，灰尘、泥水、震动、极端温度都是常态。高防护等级（如IP67或更高）能有效防止水和灰尘进入，宽工作温度范围（如-40°C到+70°C）确保设备在任何季节都能正常工作。

   • 选型建议： 农用机械务必选择防护等级至少达到IP67的设备，并确保其工作温度范围覆盖当地的极端气候条件。例如，英国真尚有的LP-DS200多普勒测速传感器具有IP6KX、IPX7、IPX9K的高防护等级，以及-40°C至+70°C的宽泛工作温度。

4. 测量范围： 传感器能够测量的最低速度和最高速度。

   • 实际意义： 农用机械的作业速度差异很大，从精准播种的每小时几百米，到转场运输的数十公里每小时。

   • 选型建议： 根据农机的主要作业类型选择。对于需要极低速精度的应用（如播种），光学传感器（0.01 km/h起）或宽量程的雷达多普勒传感器是更好的选择。

5. 输出接口和兼容性： 传感器与农机控制系统的连接方式。

   • 实际意义： 传感器需要把测量到的速度数据传输给农机的控制系统。主流接口有CAN总线、RS232、脉冲输出等。选择与农机现有电控系统兼容的接口，可以简化集成难度，降低成本。

   • 选型建议： 优先选择支持CAN总线输出的设备，因为CAN总线是农机电控系统中最常见的通信协议，标准化程度高，集成方便。

6. 成本： 设备的采购和维护费用。

   • 实际意义： 高性能通常意味着高成本。需要在预算和实际需求之间找到平衡点。

   • 选型建议： 对于大规模、高价值的精准农业作业，高精度GNSS/IMU融合或RTK-GNSS系统虽然成本高，但长期效益显著。对于一般性农机作业，性价比高的雷达多普勒传感器可能更为合适。

（4）实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

即使选择了先进的速度测量设备，在实际农用机械的应用中也可能遇到一些问题。了解这些问题并提前做好准备，能有效提高系统的稳定性和可靠性。

1. 问题：GNSS信号丢失或精度下降

   • 原因分析： 农用机械在田间作业时，可能会经过树林边缘、高大建筑物附近，或在地形起伏较大的区域，导致卫星信号被遮挡或接收到多径信号。

   • 影响程度： 轻则导致速度数据瞬时中断或跳变，影响实时控制；重则使农机自动驾驶系统迷失方向，造成作业中断或重复作业。

   • 解决建议：

     • GNSS/IMU融合： 优先选用GNSS/IMU融合系统，IMU可以在GNSS信号短暂中断时提供航位推算，保持速度数据的连续性。

     • 多星座GNSS接收机： 选择支持多星座（GPS、北斗、GLONASS、Galileo）的接收机，增加可见卫星数量，提高信号可用性。

     • 优化天线安装位置： 将GNSS天线安装在农机顶部无遮挡的最高点，确保最大视野。

     • RTK/差分增强： 使用基站或网络RTK服务，提供差分校正信号，提高定位和测速的鲁棒性。

2. 问题：雷达或光学传感器受地面条件影响

   • 原因分析：

     • 雷达： 当农机下方有高大、茂密的作物，或者地面有深厚的积水，雷达波可能被吸收或发生镜面反射，导致信号微弱或无法有效反射。

     • 光学： 强烈的阳光直射、地面积水反光、传感器被泥土或灰尘覆盖、地面纹理过于单一，都可能影响光学传感器对地面纹理的识别。

   • 影响程度： 可能导致雷达或光学传感器输出数据不稳定、跳变，甚至完全无输出。

   • 解决建议：

     • 安装高度和角度优化： 参照传感器厂商的建议，调整传感器的安装高度和俯仰角度，确保探测区域能够避开高大作物，同时获得良好的地面反射。

     • 定期清洁： 定期检查传感器镜头或发射接收窗，及时清除泥土、灰尘、水渍等附着物。可考虑加装防尘罩或自清洁装置。

     • 环境适应性强的产品： 选择具备高防护等级和优异抗干扰能力的产品，例如一些雷达传感器具备更强的穿透力和抗积水能力。

     • 多传感器融合： 对于对稳定性要求极高的应用，可以考虑雷达与GNSS或其他技术进行融合，互为补充，提高整体系统的鲁棒性。

3. 问题：电气干扰（EMI/RFI）

   • 原因分析： 农用机械上往往集成了大量电机、泵、液压系统、高压点火等设备，这些设备在工作时会产生电磁干扰（EMI）或射频干扰（RFI），影响传感器的信号传输或内部电路。

   • 影响程度： 传感器输出数据不稳定，甚至出现错误或无输出。

   • 解决建议：

     • 线缆屏蔽和接地： 传感器和电源线应采用高质量的屏蔽线，并确保良好接地，减少外部干扰。

     • 电源滤波： 为传感器提供稳定的电源，并在电源线上加装滤波器，滤除电源噪声。

     • 安装位置： 尽量将速度传感器安装在远离强干扰源的位置。

     • 检查接线： 确保所有连接牢固可靠，避免虚接或短路。

4. 应用案例分享

精确的速度测量技术在现代农业中发挥着越来越重要的作用，是实现精准农业和智能农机的基石。

• 精准喷洒： 在农药或液体肥料喷洒作业中，准确的行驶速度能够让控制系统实时调整喷洒量，确保每亩地施用药液量均匀一致，避免药害或漏喷，提高药效并节约成本。

• 变量播种/施肥： 根据土壤类型、作物需求地图，农机可以实时调整播种或施肥的密度和用量。精确的速度数据保证了播种机下种量与前进速度的完美匹配，确保每一粒种子都能落在预定位置，优化作物株距和群体结构。

• 农机自动驾驶与路径跟踪： 无论是直线行驶辅助还是全自动驾驶，高精度的实时地面速度是农机控制系统规划路径、执行转向、保持稳定行驶的关键输入，它保障了农机能按照既定路线精准作业，减少重复和遗漏。例如，英国真尚有的LP-DS200多普勒测速传感器，可以为农机自动驾驶系统提供稳定可靠的速度数据。

• 产量监测与地图绘制： 在收割作业中，结合准确的行驶速度和作物流量传感器的数据，可以实时计算并绘制出农田的产量地图，为后续的精准管理提供科学依据。