詹文軒，王家忠，弋景剛，姜 濤，趙春明

（1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河北 保定 071001；2. 天津易鼎豐動力科技有限公司，天津 300380）

小麥密行播種技術(shù)是依據(jù)現(xiàn)有的小麥條播方式改進(jìn)而來，在不改變播種量的前提下，通過減小播種行距，增大了播種粒距，使小麥在田間分布均勻度變高，小麥生長充分利用了水土資源，從而使小麥更好的成長，達(dá)到小麥增產(chǎn)的目的［1］。要實(shí)現(xiàn)小麥高產(chǎn)的目標(biāo)，必須注重農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝的相結(jié)合［2-3］。小麥播種的農(nóng)藝要求是精確的粒距、行距和適宜的種植深度，合理的安排麥種排列，充分利用土壤環(huán)境，使小麥能有更好的生長狀態(tài)，協(xié)調(diào)個體與整體關(guān)系，從而達(dá)到高產(chǎn)目的［4］。

國內(nèi)播種作業(yè)多為人工操作農(nóng)機(jī)具來實(shí)現(xiàn)，為了保證直線度，播種作業(yè)前需人為畫線輔助農(nóng)機(jī)具的直線行駛，由此作業(yè)費(fèi)時費(fèi)力且直線度較差。目前通過加裝導(dǎo)航系統(tǒng)對傳統(tǒng)農(nóng)機(jī)具改裝的方式來取代傳統(tǒng)有人駕駛農(nóng)機(jī)具作業(yè)，雖減輕了人員勞動強(qiáng)度，但換行作業(yè)時仍需人為輔助操作且對行精度較差。為了實(shí)現(xiàn)小麥的密植播種和華北地區(qū)小麥玉米聯(lián)作的農(nóng)藝要求，能夠?qū)崿F(xiàn)玉米播種的對行免耕作業(yè)，將自動導(dǎo)航技術(shù)和精密播種技術(shù)相結(jié)合是最佳選擇。而基于無人駕駛技術(shù)的小麥播種機(jī)的研究較少，所以為了提高小麥產(chǎn)量，滿足小麥精密播種及小麥玉米聯(lián)作的需求，本文設(shè)計(jì)了基于無人駕駛技術(shù)的小麥密行播種機(jī)組。

1 總體方案設(shè)計(jì)與工作原理

1.1 小麥密植播種農(nóng)藝與要求

華北地區(qū)冬小麥播種行距為7.5 cm，株距在1 ～3 cm，播種深度在3 ～5 cm 時最有利于小麥生長［5］。但考慮到河北地區(qū)小麥玉米種植采用聯(lián)作的方式，完成小麥?zhǔn)崭詈笥衩撞シN行距為60 cm 的需求，小麥播種機(jī)采用“八密一稀”的開溝器排布方式，使得玉米在小麥播種稀行內(nèi)播種，可減少小麥根茬對玉米播種的影響，降低播種部件堵塞的可能性，而且開溝小有利于玉米播種的保墑，實(shí)現(xiàn)玉米對行免耕播種的效果。

采用“八密一稀”的小麥密植播種農(nóng)藝對農(nóng)機(jī)具作業(yè)有一定要求，為保證精密播種采用的單粒排種器從結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)種子的單粒排種，合理的株距是基于整機(jī)作業(yè)速度下排種器合理的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)。整機(jī)的直線行駛能力和對行精準(zhǔn)性是能否實(shí)現(xiàn)“八密一稀”播種方式的關(guān)鍵，組合導(dǎo)航系統(tǒng)為整機(jī)作業(yè)過程中提供精準(zhǔn)的定位和整機(jī)準(zhǔn)確的位姿信息，由此整機(jī)作業(yè)要求的時速以及直線度能得到保證，而且換行作業(yè)相鄰行程間鄰接行距的精度能夠得到保證，使得“八密一稀”的播種方式得以實(shí)現(xiàn)。

1.2 總體結(jié)構(gòu)

無人駕駛小麥密行播種機(jī)組主要由無人駕駛電動拖拉機(jī)和小麥精密播種機(jī)以及液壓懸掛系統(tǒng)組成，如圖1 所示。其中無人駕駛拖拉機(jī)的組合導(dǎo)航系統(tǒng)主要包括組合導(dǎo)航接收機(jī)、通信模塊、RTK-GNSS接收天線，而全車動力系統(tǒng)由三元鋰電池組、驅(qū)動電機(jī)、整機(jī)液壓系統(tǒng)、燃油增程器組成，整車的控制由整車控制器和工控機(jī)共同完成；電控播種機(jī)由種箱、排種器、鎮(zhèn)壓滾、合墑器、開溝盤、步進(jìn)電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器以及電機(jī)控制器組成；播種機(jī)與無人駕駛拖拉機(jī)采用三點(diǎn)懸掛連接，播種時拖拉機(jī)懸掛將播種機(jī)放下，由無人駕駛拖拉機(jī)牽引作業(yè)。播種機(jī)安裝有16 個開溝盤，考慮到玉米播種行距為60 cm，采用“八密一稀”的設(shè)計(jì)小麥播種機(jī)中間行行距為11 cm 其余均7 cm。

圖1 整機(jī)簡圖Fig.1 Machine sketch

1.3 工作原理

（1）播種機(jī)組工作前，無人駕駛拖拉機(jī)需記錄地塊大小與形狀。車輛運(yùn)行時根據(jù)車后橋上方的GNSS 天線的測位和IMU 測得的姿態(tài)角，經(jīng)工控機(jī)運(yùn)算無人駕駛拖拉機(jī)后輪外側(cè)軌跡作為作業(yè)地塊形狀錄入到導(dǎo)航作業(yè)系統(tǒng)中，再輸入作業(yè)要求后生成地圖并自動規(guī)劃機(jī)組作業(yè)路徑。（2）當(dāng)整車需前進(jìn)時，整車控制系統(tǒng)給予驅(qū)動電機(jī)控制器信號后，驅(qū)動電機(jī)驅(qū)使整車前進(jìn)。（3）當(dāng)整機(jī)需要轉(zhuǎn)向、制動以及懸掛的舉升動作時由整車控制器分別控制各比例閥使轉(zhuǎn)向液壓缸、制動缸、舉升油缸來實(shí)現(xiàn)動作。（4）開始作業(yè)時，液壓懸掛將播種機(jī)落下并牽引其前進(jìn)，電控播種機(jī)依據(jù)整機(jī)實(shí)時行駛速控制小麥播種速度和播種量。（5）當(dāng)完成單行作業(yè)時液壓懸掛將播種機(jī)舉升，同時停止電源對電控播種系統(tǒng)的供電，使得排種器停止工作，由此完成一個作業(yè)循環(huán)。

2 組合導(dǎo)航控制原理

雙天線RTK-GNSS 系統(tǒng)主要包括基站和移動接收機(jī)，移動接收機(jī)上連有移動站主、副衛(wèi)星接收天線和差分信號天線［6］。4 G 差分模塊接收基站傳輸?shù)亩ㄎ徽`差，RTK-GNSS 系統(tǒng)通過北斗衛(wèi)星定位整機(jī)實(shí)時位置與傳輸信號差分處理，獲得整機(jī)行駛速度以及實(shí)現(xiàn)厘米級準(zhǔn)確定位，而IMU 慣性測量單元通過計(jì)算車體的姿態(tài)和方位角預(yù)測整機(jī)當(dāng)前位置，并通過導(dǎo)航系統(tǒng)與衛(wèi)星定位的位置進(jìn)行比較并修正。如圖2 期望轉(zhuǎn)角解算方式所示，導(dǎo)航計(jì)算機(jī)依據(jù)當(dāng)前車輛信息和規(guī)劃路徑采用純追蹤算法［7］最終解算出車輪期望轉(zhuǎn)角。

圖2 期望轉(zhuǎn)角解算方式Fig.2 Expected steering angle calculation method

確定好的前輪期望轉(zhuǎn)向角度信號通過串口傳送到VCU（整車控制器），而整車控制單元依據(jù)接收到的期望轉(zhuǎn)向角和前輪霍爾角度傳感器實(shí)時測量到的角度信號計(jì)算出轉(zhuǎn)向控制量，然后經(jīng)由輸出控制模塊將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成實(shí)際電壓信號發(fā)送給三位四通電磁比例換向閥［8］，進(jìn)而控制轉(zhuǎn)向液壓缸的移動，由此得以實(shí)現(xiàn)機(jī)組的自動轉(zhuǎn)向，使整機(jī)能夠按規(guī)劃路徑完成行走。

3 關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)

3.1 小麥密植播種機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于河北地區(qū)的小麥玉米種植方式為一年兩熟，考慮到小麥?zhǔn)斋@后玉米的免耕播種作業(yè)，如圖3 為小麥播種機(jī)開溝器的方式排布，開溝器按“八密一稀”的方式排布，由此最小行距為7 cm，最大行距為 11 cm，行距之和為玉米播種行距60 cm，使得玉米播種時播種行內(nèi)無小麥根茬影響，減少玉米免耕播種機(jī)作業(yè)部件堵塞的狀況。

圖3 “八密一稀”開溝盤排布方式Figure 3 The arrangement mode of groove plate for Eight thick and one thin

如圖4 所示，電控播種機(jī)工作時，組合導(dǎo)航系統(tǒng)將車速信號通過總線輸入到電機(jī)控制器中，電機(jī)控制器對信號進(jìn)行處理后，控制步進(jìn)電機(jī)達(dá)到相應(yīng)轉(zhuǎn)速，帶動排種軸轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)排種器排種，相較于傳統(tǒng)播種機(jī)取消了地輪傳動的結(jié)構(gòu)，避免了地輪打滑對播種精度的影響，并且結(jié)合行駛速度調(diào)節(jié)播種盤轉(zhuǎn)速保證播種株距的準(zhǔn)確性。當(dāng)完成播種作業(yè)時，VCU 控制舉升繼電器、電控播種機(jī)供電繼電器實(shí)現(xiàn)液壓懸掛對播種機(jī)的舉升以及排種器的轉(zhuǎn)動停止。

圖4 電控播種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖Fig 4 Electronic control seeding system structure diagram

小麥排種器采用的排種盤直徑為15 cm，充種槽個數(shù)45 個且從結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)單粒播種，播種株距為2 cm［9］，排種盤線速度與作業(yè)行駛速度關(guān)系如下：

式中：vp—排種盤線速度（m/s）；

D—排種盤直徑（m）；

δ—地輪滑移率，由于未采用地輪取值為0；

n—排種盤轉(zhuǎn)速（r/s）；

v—整機(jī)行駛速度（m/s）；

q—穴粒數(shù)，排種器單粒排種取1；

Z—充種槽個數(shù)；

t—株距（m）；

3.2 功耗計(jì)算與動力系統(tǒng)匹配

3.2.1 驅(qū)動電機(jī)匹配設(shè)計(jì) 驅(qū)動電機(jī)的輸出功率應(yīng)滿足整機(jī)工作過程中的所有消耗，其中包括牽引功率、滾動阻力損失功率、傳動系統(tǒng)損失功率。則驅(qū)動電機(jī)的有效功率關(guān)系如下：

式中：p—驅(qū)動電機(jī)有效功率（kW）；

pT—牽引功率（kW）；

pf—滾動阻力損失功率（kW）；

pc—傳動系統(tǒng)損失功率（kW）；

拖拉機(jī)行駛受力如圖5 所示，牽引力FT表示拖拉機(jī)牽引農(nóng)機(jī)具的能力［10］，而功率儲備一般不低于1.2 倍實(shí)際功率需求［11］：

圖5 拖拉機(jī)行駛受力簡圖Fig.5 Sketch of tractor driving force

式中：FT—拖拉機(jī)牽引力（N）；

Fq—切線驅(qū)動力（N），工作時切線驅(qū)動力應(yīng)不大于拖拉機(jī)附著力，即Fq≤Fφ，計(jì)算采用附著力Fφ取代；

Ff—滾動阻力（N）；

f—滾動阻力系數(shù)，參考農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)手冊值0.17；

Gs—拖拉機(jī)使用重量（N）；

Ms—拖拉機(jī)使用質(zhì)量（kg），取550 kg；

g—重力加速度，取值9.8 m/s2；

β—功率儲備系數(shù)，取1.2；

采用的雙圓盤開溝器直徑為300 mm，當(dāng)入土深度在4 ～8 cm 時平均阻力為80 ～160 N［12］，拖拉機(jī)附著力計(jì)算公式為［10］：

式中：φ—附著系數(shù)，已耕地取值0.5；

Gφ—拖拉機(jī)附著重量（N）；

G—懸掛農(nóng)具重量（N），取值1 960 N；

l—拖拉機(jī)前后輪輪距（m）；

a—拖拉機(jī)重心與驅(qū)動軸的距離（m）；

b—拖拉機(jī)驅(qū)動軸與農(nóng)具重心的距離（m）；

rD—拖拉機(jī)驅(qū)動輪半徑（m）；

Fz—懸掛農(nóng)具工作阻力垂直分力（N）；

Fa—雙圓盤開溝器工作阻力（N），取值120 N；

市場行情的好壞決定著生豬價(jià)格的高低，直接關(guān)系到規(guī)模養(yǎng)豬場的經(jīng)濟(jì)效益。精明的養(yǎng)殖戶，要隨時把握好這個關(guān)鍵。行情好時，加大投入，盡快生產(chǎn)出高質(zhì)量的產(chǎn)品，及時擴(kuò)大銷量，減少庫存量。行情不好時，及時調(diào)整優(yōu)化豬群結(jié)構(gòu)，縮小育肥豬群，增加優(yōu)良繁殖豬的頭數(shù)，等待養(yǎng)殖周期回轉(zhuǎn)，以備東山再起。但是，一些缺乏遠(yuǎn)見的養(yǎng)殖戶，則是反其道而行之。行情好時，一味擴(kuò)大養(yǎng)殖規(guī)模，惜售產(chǎn)品；行情不好時，不惜血本全部拋售存欄，轉(zhuǎn)產(chǎn)轉(zhuǎn)業(yè)。從而造成了很大的經(jīng)濟(jì)損失。

θ—開溝阻力與垂直分力夾角；

h—開溝深度（m），開溝深度取0.05 m；

rd—開溝盤半徑（m），采用開溝盤半徑0.150 m；

η—動力傳遞效率，齒輪減速器傳遞取0.9；

根據(jù)上式公式計(jì)算得出電機(jī)輸出功率約為9.53 kW，因此選擇額定功率為10 kW 的三相交流變頻電機(jī)作為驅(qū)動電機(jī)。

3.2.2 電能匹配與續(xù)航能力設(shè)計(jì) 在確定電機(jī)選型后，考慮到整機(jī)的作業(yè)續(xù)航能力需合理匹配電池包。電池容量需滿足放電功率和續(xù)航時間的要求，電池容量與放電功率的關(guān)系如下［13］：

式中：k—放電倍率，取值1.5；

p0—整機(jī)電器消耗功率（kW），取值0.7 kW；

由上式計(jì)算可得80 V 電壓的電池容量大于72 A·h，考慮到作業(yè)需求以及整機(jī)內(nèi)部尺寸選擇電池包總?cè)萘繛?50 A·h，整機(jī)工作續(xù)航時間約可達(dá) 2.08 h。綜合各類電池性能，選擇了能量密度較高且穩(wěn)定性好的三元聚合物鋰電池［14］。動力電池組與驅(qū)動電機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

表1 動力電池組與驅(qū)動電機(jī)技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical parameters of power battery pack and drive

4 樣機(jī)試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)于2020 年10 月13 日在河北省辛集市馬莊鄉(xiāng)保高豐農(nóng)場進(jìn)行。首先需要將作業(yè)區(qū)塊形狀大小錄入到導(dǎo)航系統(tǒng)中，采用的千尋基站定位信號經(jīng)差分后通過通信模塊發(fā)送給車載組合導(dǎo)航接收機(jī)，由此獲得整機(jī)的精準(zhǔn)定位信息，使作業(yè)區(qū)塊形狀及面積和大小錄入到導(dǎo)航系統(tǒng)中。在輸入播種機(jī)作業(yè)幅寬以及相關(guān)作業(yè)參數(shù)后，工控機(jī)規(guī)劃出合理的作業(yè)路徑，作業(yè)路徑如圖6 所示。

圖6 無人駕駛作業(yè)路徑Fig.6 Driverless operation path

在完成路徑的規(guī)劃和作業(yè)參數(shù)的設(shè)置后，無人駕駛拖拉機(jī)位于路徑起始點(diǎn)開始工作，液壓懸掛將播種機(jī)放下，與此同時供電繼電器閉合，低壓電源為電控播種系統(tǒng)供電，整機(jī)開始播種作業(yè)，作業(yè)情況如圖7 所示。

圖7 播種作業(yè)情況Fig7. Sowing operation

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

（1）直線度試驗(yàn)分析

直線度是用于評估直行作業(yè)精度的指標(biāo)，這是評估基于導(dǎo)航信息的無人作業(yè)機(jī)械和系統(tǒng)的控制性能的重要指標(biāo)［15］。因此，在規(guī)劃好路徑后無人駕駛拖拉機(jī)以5 km/h 的速度開始作業(yè)，以拖拉機(jī)作業(yè)起始點(diǎn)為基準(zhǔn)，選取其中一個工作行程中的單一播種行作為測量對象，測量其到行駛邊界的距離以此為參照，并以相同方式每隔1 m 的距離作為測量點(diǎn)，測量50 m 的作業(yè)長度比較各測量點(diǎn)數(shù)據(jù)與參照數(shù)值的偏差作為作業(yè)橫向偏差。橫向偏差幅度與作業(yè)效果如圖8 所示，橫向的最大偏差為2.1 cm，平均偏差為0.1 cm，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.79 cm。結(jié)果表明基于導(dǎo)航控制系統(tǒng)的無人駕駛拖拉機(jī)具有較好的直線追蹤能力。

圖8 無人駕駛拖拉機(jī)橫向偏差Fig8. Unmanned tractor lateral deviation

（2）精準(zhǔn)度試驗(yàn)分析

考慮到“八密一稀”的作業(yè)要求，換行作業(yè)相鄰行程間鄰接行距應(yīng)為11 cm，現(xiàn)測量了無人駕駛拖拉機(jī)播種作業(yè)時入行和出行時鄰近幅寬相鄰的行距，測得播種機(jī)入土作業(yè)與完成一行作業(yè)時，相鄰行程間鄰接行距最大行距為12.6 cm，最小行距為 9.6 cm，最大偏差為1.5 cm，平均偏差為0.48 cm，能夠滿足“八密一稀”的作業(yè)要求。

5 結(jié)論

（1）根據(jù)小麥密植播種和小麥玉米聯(lián)作農(nóng)藝要求，研發(fā)了無人駕駛小麥密植播種機(jī)系統(tǒng)。無人駕駛拖拉機(jī)采用組合導(dǎo)航系統(tǒng)和工控機(jī)以及整車控制器作為全車的控制系統(tǒng)，同時基于整機(jī)功耗和動力需求選配10 kW 三相交流變頻電機(jī)、150 A·h 三元鋰電池作為整機(jī)的動力系統(tǒng)組成。

（2）將組合導(dǎo)航系統(tǒng)測得的整機(jī)行駛速度作為輸入信號，通過排種器轉(zhuǎn)速n與整車行駛速度v之間的關(guān)系，計(jì)算出步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)了電控播種作業(yè)。播種機(jī)開溝盤采用“八密一稀”的布置方式為小麥?zhǔn)斋@后玉米播種提供良好的播種環(huán)境。

（3）經(jīng)試驗(yàn)可以得到當(dāng)整機(jī)以5 km/h 的速度作業(yè)時，整機(jī)的橫向最大偏差為2.1 cm，而平均偏差為0.1 cm，具有較好的直線行駛能力，換行作業(yè)相鄰行程間鄰接行距最大為12.6 cm，平均偏差為0.48 cm，能夠滿足換行作業(yè)時整機(jī)作業(yè)相鄰幅寬行間距11 cm 的作業(yè)需求。