薛金林 衛(wèi)瑤瑤 閆 嘉 董淑嫻 張凌峰

(南京農業(yè)大學工學院， 南京 210031)

0 引言

由于惡劣的工作條件以及設計普遍較差的拖拉機車體結構，駕駛員在農田作業(yè)中容易過早疲勞，從而導致作業(yè)質量下降，甚至發(fā)生意外事故，且長期作業(yè)會引起脊柱變形、勞損扭傷等職業(yè)病，嚴重影響駕駛員的身心健康[1-4]。遙操作技術可以實現遠距離的機器操作，現已在航天航空[5]、深海探測[6]、醫(yī)學[7]、工業(yè)[8]等多個領域得以研究與應用。而遙操作技術與農業(yè)生產的結合可以有效降低駕駛員的勞動強度以及改善工作條件，提高作業(yè)質量[9-10]。目前遙操作模式在農業(yè)機械領域的操作方案主要分為基于無線電的遙控模式[11-16]和基于網絡的遙操作模式。但基于無線電的遙控模式控制距離短，且控制誤差會隨距離增大而增大，應用范圍有限。隨著計算機網絡的飛速發(fā)展，基于網絡的遙操作突破了距離的限制，受到了國內外學者的重視。

MURAKAMI等[17]基于LAN開發(fā)了一種用于履帶式施肥機的遙操作系統，試驗結果表明直線行駛的最大誤差不超過0.3 m。劉佰鑫[18]基于WLAN搭建了果實采摘機器人遙操作平臺，系統的位置跟蹤性能很好。LIU等[19]基于802.11n標準無線網絡為水果采摘機器人設計了基于立體視覺的遠程操作接口界面，并驗證了所提出方案的有效性。梅銀成等[20]基于GSM網絡設計了溫室自走式彌霧機遠程控制系統，系統響應時間為3s，噴霧均勻性較好。蘇清華[21]基于IEEE802.11g標準無線網絡設計開發(fā)了農用移動機器人遠程嵌入式監(jiān)控系統，并進行了數據的網絡傳輸延遲測試。王嘉寧等[22]基于無線網絡設計了溫室CO2濃度監(jiān)控系統，可實現信息智能化管理與遠程同步，以及溫室內CO2濃度的智能調控。曹如月等[23]基于Web-GIS設計了多機協同作業(yè)遠程監(jiān)控平臺，可實現實時顯示多機作業(yè)軌跡及信息，以及多機任務調度?？傮w而言，目前國內遙操作技術在農業(yè)生產領域已有了一些研究與應用，但關于拖拉機遙操作技術的相關研究較少。本文設計一種基于無線網絡的拖拉機遙操作系統，通過對現有拖拉機的改造及遙操作控制系統的設計，以期實現拖拉機遠程啟動、起步、加速、制動、轉向以及熄火。

1 總體設計方案

所設計的拖拉機遙操作系統應滿足如下基本要求：①遠程操縱，操作人員能夠遠距離操縱拖拉機，如同車載駕駛員操縱一樣。②實時通信，確保操作人員的操縱指令實時地傳輸給拖拉機。③環(huán)境感知，操作人員能夠實時地感知拖拉機作業(yè)環(huán)境，以便及時判斷、處理與操縱。④人機交互，通過合適的硬件與軟件接口，保證遠程操縱、實時通信、環(huán)境感知等基本要求的實現。

基于上述基本要求，拖拉機遙操作系統主要分為遙操作端與拖拉機端，兩者之間通過無線網絡通信環(huán)節(jié)進行通信，如圖1所示。遙操作端計算機通過無線網絡通信環(huán)節(jié)獲取拖拉機端視頻數據，并在用戶界面上顯示。操作人員根據用戶界面的視頻實時了解拖拉機的工作環(huán)境與狀態(tài)，對拖拉機下達啟動、起步、加速、制動、轉向與熄火等控制指令。拖拉機控制指令經無線網絡通信環(huán)節(jié)的4G路由器與網絡硬盤錄像機(Network video recorder，NVR)發(fā)送至車載控制ECU，車載控制ECU接收指令后控制執(zhí)行機構動作，執(zhí)行機構的狀態(tài)信息由傳感器采集并反饋至車載控制ECU。拖拉機端視覺系統由安裝在拖拉機上的前置攝像機與頂置攝像機組成，前置攝像機獲取拖拉機正前方一定距離內的農田環(huán)境圖像信息，頂置攝像機安裝在拖拉機上方，獲取拖拉機周圍的環(huán)境信無線網絡通信環(huán)節(jié)基于“4G網絡+VPN”方式進行信息交換，如圖2所示。選用提供公網IP的云服務器搭建OpenVPN服務器，4G路由器與遙操作工作站(計算機)作為客戶，通過OpenVPN與云服務器組成虛擬局域網絡(Virtual private network，VPN)。視頻數據直接由NVR傳輸至遙操作端計算機；遙操作端操作人員的操作指令經過無線網絡通信環(huán)節(jié)由NVR傳輸給車載控制ECU。

圖1 遙操作系統結構示意圖 Fig.1 Structure diagram of teleoperation system

息。視覺系統的視頻數據經無線網絡通信環(huán)節(jié)實時傳輸至遙操作端，并在用戶界面中顯示。

圖2 無線網絡通信環(huán)節(jié) Fig.2 Wireless network communication link

2 拖拉機執(zhí)行機構改造

為實現遠程啟動、起步、加速、制動、轉向與熄火等基本功能，對茂源MY250型拖拉機的啟動與熄火系統、離合裝置、油門裝置、制動裝置與轉向裝置等進行改造。

2.1 參數測量

在改造之前，分別測量得離合器踏板力與行程為160 N與120.0 mm，制動踏板力與行程為250 N與57.8 mm，油門踏板力與行程為35 N與36.8 mm，方向盤轉矩與轉角為1.8 N·m與±360°，轉向角范圍為左31°至右32°，熄火拉桿力與行程為20 N與38.4 mm，這些參數可以為執(zhí)行機構的設計與選型提供依據。

目前拖拉機基本為手動變速，進行自動換擋改造成本較高，同時基于拖拉機在田間作業(yè)時擋位固定，因此，沒有進行換擋裝置改造。在實際使用中，可以將拖拉機擋位固定于1擋或2擋，通過控制離合、制動與油門等執(zhí)行機構實現拖拉機的起停與速度控制。

2.2 離合、制動執(zhí)行機構

因拖拉機車身結構緊湊，可用來布置執(zhí)行機構的空間有限，故采用步進電機與鋼絲繩相結合的方式驅動離合器與制動踏板，如圖3與圖4所示。該方式安裝靈活，且占用空間小。為便于鋼絲繩的收放以及固定，在電機軸上安裝繞線輪，并采用與不銹鋼鋼絲繩規(guī)格相同的卡頭使鋼絲繩兩端分別與踏板、繞線輪固定為一體，以保證鋼絲繩不會脫落。根據踏板驅動力以及執(zhí)行機構開放的工作環(huán)境，最終選取直徑為2.0 mm的316不銹鋼鋼絲繩，最大承載力2 120 N，抗拉強度可達1 770 MPa，且采用右交互捻，因此韌性高且不松散；2.25 kN拉力下的伸長率為1.05%，故在最大踏板驅動力為250 N時，鋼絲繩伸長量可忽略不記，將其看成剛性的。

圖3 離合執(zhí)行機構 Fig.3 Diagram of clutch actuator

圖4 制動執(zhí)行機構 Fig.4 Diagram of braking actuator

為保證執(zhí)行機構能夠提供足夠的拉力，必須選用合適的步進電機與鋼絲繩。步進電機所需的轉矩計算公式為

T=kFr/η

(1)

式中T——步進電機所需轉矩

k——放大系數

F——驅動踏板所需的力，取250 N

r——繞線輪半徑

η——傳動效率

由于步進電機位置固定，而離合、制動踏板的運動軌跡為非線性曲線，鋼絲繩力的方向不可能始終與踏板力方向保持一致，故電機的轉矩應選大一些，取放大系數k=2。離合器與制動執(zhí)行機構的繞線輪半徑r均為0.015 m。此處將離合、制動執(zhí)行機構看作一個定滑輪機構，因摩擦力小，定機械效率η為0.95。由式(1)計算得離合器電機與制動電機所需轉矩T分別為5.05 N·m與7.89 N·m。最終離合器與制動執(zhí)行機構分別選擇86BYG250C型與86BYGH250D型步進電機，保持轉矩分別為6 N·m與12 N·m，滿足需求，技術參數如表1所示。

表1 步進電機參數 Tab.1 Parameters of stepping motors

2.3 轉向執(zhí)行機構

在原有轉向機構的基礎上，采用步進電機與齒輪系相結合的方式控制轉向。步進電機上嵌套主動輪，通過固定支架使主動輪與安裝在方向盤上的從動輪嚙合，從而實現轉向控制，如圖5所示。

圖5 轉向執(zhí)行機構 Fig.5 Diagram of steering actuator

為保證轉向執(zhí)行機構能提供足夠的轉矩，需要選擇合適的步進電機與齒輪系。步進電機所需轉矩計算公式為

T1=kz1T2/(ηz2)

(2)

式中z1、z2——主動輪與從動輪的齒數

T1、T2——電機轉矩和方向盤轉矩

鑒于拖拉機在田間行駛時路況復雜且阻力較大，所需的轉向轉矩較大，故取放大系數k=3。根據機械設計手冊中齒輪的選取要求[24]，確定主動輪齒數z1為17，從動輪齒輪z2為73，齒輪傳動效率η為0.9。拖拉機啟動后轉動方向盤所需力矩T2為1.8 N·m。由式(2)計算可得電機轉矩T1為1.40 N·m，選擇57BYG250-80型步進電機，保持轉矩為2 N·m，滿足需求，其技術參數見表1。根據轉向步進電機輸出軸與方向盤尺寸，進一步確定了齒輪內徑，具體參數如表2所示。

表2 齒輪參數 Tab.2 Parameters of gears

2.4 油門、熄火執(zhí)行機構

油門踏板與熄火拉桿的驅動力較小，且由于油門踏板與熄火拉桿處布置空間有限，故選擇電動推桿作為油門與熄火功能的執(zhí)行器。用螺釘將油門踏板桿與電動推桿的推頭相連，用鋼絲繩將熄火拉桿與電動推桿推頭相連，如圖6與圖7所示。油門電動推桿所需力計算公式為

F′=kF1

(3)

式中F′——油門電動推桿所需力

F1——油門踏板驅動力

圖6 油門執(zhí)行機構 Fig.6 Diagram of throttle actuator

圖7 熄火執(zhí)行機構 Fig.7 Diagram of shutdown actuator

由于油門踏板運動軌跡為非線性曲線，為保證電動推桿的力足夠大，取放大系數k為2，由式(3)可得，油門電動推桿所需力F′為70 N，選擇TG-400B型直筒式高速直流電動推桿，最大推/拉力為300 N，行程100 mm，滿足需求。由于熄火拉桿是簡單的直線運動，所以本文在選型時沒有對電動推桿所需力進行放大，選擇旭日LFHA型直流電動推桿驅動油門，最大推/拉力為100 N，行程為100 mm，滿足需求。油門與熄火執(zhí)行機構的電動推桿參數如表3所示。

表3 電動推桿參數 Tab.3 Parameters of electric putters

2.5 啟動控制

采用繼電器電路實現拖拉機的啟動控制。由于拖拉機瞬間啟動電流可達60 A，選用最大承受電流為80 A的繼電器。

3 遙操作控制系統設計

3.1 用戶界面設計

基于Microsoft Visual Studio 2010的MFC模塊設計遙操作用戶界面(圖8)，主要由用戶信息區(qū)、視頻區(qū)與操作區(qū)組成。位于界面頂部的是用戶信息區(qū)，用戶登陸成功并設置串口后可對拖拉機進行遙操作。位于界面中部的視頻區(qū)為前置攝像機與頂置攝像機所采集的圖像信息，左側圖像為拖拉機的前方作業(yè)環(huán)境，右側圖像為拖拉機的周邊作業(yè)環(huán)境，有助于操作員進行路徑規(guī)劃、速度控制與安全避障等。位于界面底部的操作區(qū)可以實現初始化、啟動、起步、轉向、加速、制動、熄火等控制。

圖8 遙操作用戶界面 Fig.8 User interface of teleoperation system

3.2 車載控制系統設計

3.2.1車載控制系統硬件結構

車載控制系統硬件結構如圖9所示。車載控制ECU為基于ATMEGA8微處理器的DM368控制板，其中ADC模塊采集執(zhí)行機構相應的轉角與位移信息，PWM模塊產生3路PWM信號至步進電機驅動器以控制步進電機轉動，開關模塊控制驅動板上的高/低電位輸入以進一步控制電動推桿動作，UART模塊內含RS232/485串口將數據傳輸至NVR。

圖9 車載控制系統 Fig.9 On-board control system

角度傳感器用于讀取拖拉機轉角，選取世新電子科技公司生產的WDD35-D4型角度傳感器，線性0.1%，機械轉角0°～360°，電氣轉角(345±2)°，電壓輸出0～5 V，安裝于前輪轉向柱處。位移傳感器用于讀取離合、制動、油門踏板的位移，選取西域電壓型拉繩位移傳感器，線性0.1%，電壓輸出0～5 V，通過鋼絲繩將位移傳感器拉繩與離合、制動、油門踏板相連。拖拉機視覺系統中前置攝像機與頂置攝像機分別選用?？低旸S-2CD2T12-I3型攝像機與DS-2CD3942F-1型魚眼攝像機。攝像機關鍵技術參數如表4所示。

表4 攝像機關鍵技術參數 Tab.4 Main parameters of cameras

由于前置與頂置攝像機分辨率較高，視頻碼流較大，因此需要選擇一款可以處理高清視頻的設備。目前較為常用的是NVR，其主要功能是通過網絡控制和管理IP視頻設備，傳輸數字視頻碼流，并進行存儲、配置及管理等。選擇配有設備網絡軟件開發(fā)工具包(Software development kit，SDK)的?？低旸S-7608N-G2型NVR，通過調用SDK中相關函數傳輸視頻數據與指令數據。

3.2.2車載控制系統軟件設計

遙操作系統的控制主程序采用C語言開發(fā)實現，控制流程如圖10所示。車載控制ECU上電后，首先進行初始化，包括時鐘配置、串口初始化、定時器初始化。然后遙操作端與之進行通信確認是否連接，如果連接成功，等待并接收遙操作端控制指令，遠程控制拖拉機的啟動、離合、制動、油門、轉向以及熄火。

圖10 程序流程圖 Fig.10 Flow chart of program

4 性能測試與試驗

為驗證遙操作系統的可行性以及操作性能，先后進行通信性能測試、執(zhí)行功能測試與駕駛試驗。

4.1 通信性能測試

通信時延是遙操作系統穩(wěn)定性的關鍵，若通信時延過長，會影響到行車安全性以及系統可靠性。本文中遙操作系統的傳輸信息主要為指令與視頻數據，故進行了指令通信測試與視頻通信測試。

4.1.1指令通信測試

拖拉機端設備上電，車載控制ECU初始化完成后，計算機上顯示“55 41 52 54 20 4F 4B 21”，對照ASCⅡ碼即為“UART OK！”，此為通信成功提示。使用gettimeofday函數獲取從計算機發(fā)送指令到車載控制ECU返回數據至計算機的總時間，可以精確到微秒量級，3次測量取平均值為0.074 ms，指令通信時延很小。

4.1.2視頻通信測試

相對于指令數據，視頻數據量大，傳輸速度相對較慢，其時延長對系統操作影響大。根據我國公共安全行業(yè)推薦標準GA/T 1128—2013進行視頻時延測量[25]，先準備2臺計算機，一臺安裝所設計的用戶界面作為圖形工作站，另一臺作為測試計算機。測試方法如下：

(1)在圖形工作站與測試計算機上均安裝同一個精度誤差絕對值小于等于1 ms的毫秒級計時器軟件。

(2)同時啟動2個毫秒級計時器軟件，計時時間大于等于20 s后，將測試計算機放置在攝像機前側。

(3)打開圖形工作站的用戶界面獲取攝像機視頻，對圖形工作站顯示器進行屏幕截圖。

(4)對截圖中的2個計時器進行讀數，視頻時延計算公式為

ΔT=T1-T2

(4)

式中T1——圖形工作站中計時器讀數

T2——測試計算機中計時器讀數

ΔT——視頻時延

由于打開兩計時器時不可能做到完全同時，通過操作員的多次訓練，可以保證兩計時器打開時間相差10～20 ms，這里取20 ms，故平均視頻時延的誤差為±20 ms。選取不同時間段進行視頻時延測量，每小時測量5組數據，共測試3 d，測試平均時延如表5所示。

由表5可知，3 d中視頻時延最大為373 ms，發(fā)生在第3天12:00—13:00的時間段；視頻時延最小為227 ms，發(fā)生在第1天10:00—11:00的時間段?？傮w而言，視頻通信性能可以滿足需求。事實上，課題組正在進行針對網絡時延的非線性時變滯后系統的控制策略研究，以期進一步提高信息遠程傳輸的穩(wěn)定性。

表5 平均視頻時延測試結果 Tab.5 Test results of average video delay ms

4.2 執(zhí)行功能測試

執(zhí)行功能測試主要測試遙操作系統各功能的控制誤差與執(zhí)行時間。為了測量控制誤差，先對角度傳感器與位移傳感器進行了標定，以獲取角度/位移與傳感器輸出電壓之間的關系。由于熄火執(zhí)行機構在設計時沒有安裝傳感器，故測試時加裝了與油門機構相同的位移傳感器。然后將拖拉機前軸架起，根據期望執(zhí)行機構應達到的目標值發(fā)送執(zhí)行指令，當執(zhí)行機構執(zhí)行完成時，獲取傳感器實際輸出電壓，根據傳感器標定關系換算成執(zhí)行機構角度或位移實際值，將實際值與目標值相減取絕對值，即為執(zhí)行機構的控制誤差。

在離合、油門、制動、轉向、啟動以及熄火執(zhí)行功能對應的程序內添加gettimeofday函數獲取各功能的執(zhí)行時間，其中，離合、油門、制動以及熄火的執(zhí)行時間是指執(zhí)行機構從初始位到終止位的總時間，轉向執(zhí)行時間是指從轉向左極限到轉向右極限的總時間，啟動執(zhí)行時間是指成功啟動所用時間。測試5次的平均控制誤差與平均執(zhí)行時間如表6所示。

表6 各功能試驗結果 Tab.6 Test results of functions

注：轉向誤差單位是(°)，其他誤差單位均為mm。

表6中，由于啟動控制不涉及機械位移，而屬于電氣狀態(tài)控制，故沒有列出控制誤差。從表6可知，該遙操作系統各執(zhí)行機構平均控制誤差較小，平均執(zhí)行時間較短，與人工操作相當，滿足系統需求。

4.3 駕駛試驗

在南京農業(yè)大學農業(yè)機械試驗場地上用石灰粉標出參考直線，約為68 m，然后進行3組遙操作駕駛試驗，試驗場景如圖11所示。試驗時拖拉機擋位固定在1擋，通過GPS實時追蹤直線行駛軌跡，此處僅給出3組駕駛試驗中試驗1的軌跡追蹤和誤差曲線以作示例，如圖12與圖13所示。根據GPS數據，行駛速度約為2.08 km/h。

圖11 駕駛試驗場地 Fig.11 Scene of driving test

圖12 GPS追蹤結果 (試驗1) Fig.12 Test results of GPS tracking(test 1)

圖13 誤差曲線(試驗1) Fig.13 Error curve(test 1)

為了分析遙操作系統的駕駛性能，對3組駕駛試驗進行了誤差分析，如表7所示。由表7可知，3組試驗的最大誤差絕對值不超過208.5 mm，而一名熟練的駕駛員所行駛的最大誤差絕對值為150.0 mm，造成這一現象的原因為：操作員的操作技巧不夠熟練，缺乏預判斷與及時處理偏駛的能力。由平均誤差可知，在駕駛過程中試驗1總體偏向駕駛方向的右側，而試驗2與試驗3總體偏向左側。3組試驗的RMS誤差最大不超過85.5 mm，則表明遙操作系統直線行駛穩(wěn)定性較高。

表7 誤差分析 Tab.7 Error analysis mm

注：在最大誤差與平均誤差中，正數表示行駛方向的右側，負數表示行駛方向的左側。

5 結論

(1)基于茂源MY250型拖拉機設計了一套基于無線網絡的遙操作系統，實現了遠程控制拖拉機啟動、起步、油門、制動、轉向、熄火等。

(2)試驗表明，遙操作系統視頻時延最大不超過373 ms，平均指令通信時延為0.074 ms，拖拉機各執(zhí)行機構控制誤差最大不超過2.21%。行駛速度為2.08 km/h時，拖拉機直線行駛最大誤差絕對值不超過208.5 mm， RMS誤差最大不超過85.5 mm，基本滿足遠程操作拖拉機需求。