李軍輝，張武斌，高 昌

（1.北京農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院，北京 102208；2.北京市農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)鑒定推廣站，北京 102208）

1 研究現(xiàn)狀

為了探索農(nóng)業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化，很多學(xué)者對(duì)自動(dòng)導(dǎo)航無(wú)人駕駛技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)的毛恩榮教授團(tuán)隊(duì)先后以鐵牛654型號(hào)拖拉機(jī)和雷沃TG1254拖拉機(jī)為研究平臺(tái)，進(jìn)行了自動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的電液改造，采用GPS、電子羅盤、陀螺儀、單目攝像機(jī)等定位傳感器，對(duì)定位算法和導(dǎo)航控制算法進(jìn)行了研究，實(shí)現(xiàn)了拖拉機(jī)基本的自動(dòng)導(dǎo)航[1]。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)的紀(jì)朝鳳教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一套由GPS 接收模塊、顯示控制終端模塊、前輪轉(zhuǎn)角傳感器、航向傳感器及自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制器等組成的農(nóng)用車輛自動(dòng)導(dǎo)航控制系統(tǒng)[2]。華南農(nóng)業(yè)大學(xué)的羅錫文院士團(tuán)隊(duì)以東方紅X-804 拖拉機(jī)為研究平臺(tái)開(kāi)發(fā)了基于RTK-DGPS 定位系統(tǒng)的自動(dòng)導(dǎo)航控制系統(tǒng)，包括電控液壓轉(zhuǎn)向裝置、轉(zhuǎn)向控制器、導(dǎo)航控制器等，在拖拉機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型與轉(zhuǎn)向操縱控制模型相融合基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出直線跟蹤導(dǎo)航控制系統(tǒng)狀態(tài)方程，并提出跨行地頭轉(zhuǎn)向控制方法[3]。北京理工大學(xué)的教研團(tuán)隊(duì)以履帶式拖拉機(jī)為試驗(yàn)平臺(tái)，研究出可用于遙控駕駛的液壓伺服驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)。該轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的改造在原車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)上進(jìn)行，通過(guò)增加電液控制系統(tǒng)、伺服閥等，使履帶式拖拉機(jī)實(shí)現(xiàn)遙控控制的自動(dòng)駕駛[4]。

2 自動(dòng)導(dǎo)航履帶拖拉機(jī)樣機(jī)總體設(shè)計(jì)

通過(guò)研究履帶式拖拉機(jī)的轉(zhuǎn)向原理、自動(dòng)導(dǎo)航控制器的工作原理、自動(dòng)導(dǎo)航控制軟件的現(xiàn)狀和課題經(jīng)費(fèi)的額度。確定了自動(dòng)導(dǎo)航履帶拖拉機(jī)由3部分組成。第一部分為下位執(zhí)行機(jī)構(gòu)，包括清華智科的多功能車輛控制器QVC01、液壓電磁閥控制系統(tǒng)、換擋撥桿液壓缸和其他附件；第二部分為導(dǎo)航定位控制系統(tǒng)，包括GPS 天線、含RTK+GPS 定位卡、Pix-Hawk 主控制器等。第三部分為導(dǎo)航規(guī)劃應(yīng)用部分，包括QGC 地面站軟件（app 版），遙控器和其他附件。系統(tǒng)導(dǎo)航控制工作過(guò)程是用戶通過(guò)地面站QGC規(guī)劃行駛?cè)蝿?wù)，通過(guò)藍(lán)牙聯(lián)接主控制器PixHawk 通信，上傳自動(dòng)行駛?cè)蝿?wù)。主控制器根據(jù)QGC 上傳的行駛?cè)蝿?wù)，根據(jù)RTK+GPS 定位卡確定車輛位置和姿態(tài)，按照控制策略，與車輛控制器QVC01通信，控制電磁閥液壓控制系統(tǒng)，推動(dòng)履帶車輛的控制檔桿，控制車輛按照規(guī)劃路徑任務(wù)行駛，導(dǎo)航控制系統(tǒng)基礎(chǔ)平臺(tái)結(jié)構(gòu)方案見(jiàn)圖1。

圖1 導(dǎo)航控制系統(tǒng)基礎(chǔ)平臺(tái)結(jié)構(gòu)方案Fig.1 The basic platform structure scheme of navigation control system

3 果園管理機(jī)液壓控制基礎(chǔ)平臺(tái)搭建與調(diào)試

根據(jù)方案，設(shè)計(jì)液壓油路如圖，考慮到液壓系統(tǒng)需要帶動(dòng)工作機(jī)需要，采用15 MPa 的主路壓力，小型履帶拖拉機(jī)的操作桿采用4個(gè)單作用的柱塞缸。推動(dòng)小型履帶拖拉機(jī)機(jī)的操縱桿，復(fù)位靠操縱桿彈簧，分別實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等動(dòng)作。液壓控住油路圖、裝配的圖如圖2、圖3所示。

圖2 自動(dòng)導(dǎo)航的液壓控制系統(tǒng)平臺(tái)Fig.2 The hydraulic control system platform of automatic navigation

圖3 液壓控制油路Fig.3 The hydraulic control oil circuit

4 自動(dòng)導(dǎo)航控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

按照總體設(shè)計(jì)思路，自動(dòng)導(dǎo)航部分控制結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖4。

圖4 自動(dòng)導(dǎo)航控制結(jié)構(gòu)圖Fig.4 The structure diagram of automatic navigation control

如自動(dòng)導(dǎo)航控制圖所示，按照規(guī)劃路徑行駛控制模塊采用PixHawk4 無(wú)人車模式，該模塊為比較成熟的控制模塊，它接收GPS 模塊的RTK 差分后的GPS 信號(hào)，和遙控器和手機(jī)app完成行駛?cè)蝿?wù)，輸出是車輛的速度和期望轉(zhuǎn)角，QVC01控制器通過(guò)接收到的期望轉(zhuǎn)角，按照履帶車了的運(yùn)動(dòng)模型，轉(zhuǎn)換成為兩側(cè)履帶的轉(zhuǎn)向控制，將控制指令下傳給液壓控制系統(tǒng)，從而控制車輛按照規(guī)劃路徑運(yùn)動(dòng)。

具體控制系統(tǒng)接線見(jiàn)下圖5，具體接口設(shè)置見(jiàn)表1。

圖5 自動(dòng)駕駛控制部分實(shí)際接線圖Fig.5 The actual wiring diagram of automatic driving control part

表1 控制系統(tǒng)接口設(shè)置表Tab.1 The interface setting of control system

5 主要建樹(shù)

5.1 將GPS 自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)和車輛控制器應(yīng)用到小型履帶拖拉機(jī)

將GPS 自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)和車輛控制器等運(yùn)用到小型履帶拖拉機(jī)上，研究了GPS 定位差分技術(shù)、車輛控制技術(shù)、路徑行駛?cè)蝿?wù)在小型履帶拖拉機(jī)無(wú)人駕駛的應(yīng)用，探索了技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)方式。對(duì)于自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)的集成應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)小型履帶車輛無(wú)人化作業(yè)，具有十分重要的意義。

5.2 研制了通過(guò)QGC 地面站規(guī)劃行駛?cè)蝿?wù)，實(shí)現(xiàn)GPS 自動(dòng)駕駛的履帶車輛

研制了一種基于GPS 自動(dòng)規(guī)劃行駛?cè)蝿?wù)的履帶車輛。，見(jiàn)圖6。該平臺(tái)能夠根據(jù)行駛?cè)蝿?wù)，按照規(guī)劃路徑行駛，誤差能滿足生產(chǎn)作業(yè)需要。

圖6 自動(dòng)導(dǎo)航樣機(jī)Fig.6 The automatic navigation prototype

機(jī)器性能指標(biāo)：

動(dòng)力：?jiǎn)胃?沖程汽油機(jī)。

轉(zhuǎn)向控制：液壓控制自動(dòng)，手動(dòng)。

電源：12V鉛酸蓄電池2塊。

導(dǎo)航系統(tǒng)：清科智能（千尋）。

控制模式：遙控、手動(dòng)、任務(wù)模式。

課題基于GPS 自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)應(yīng)用到小型履帶式果園管理機(jī)上，PixHawk 4 和GPS+RTK 差分定位作為自動(dòng)駕駛的控制部分，路徑規(guī)劃采用QGC app，控制器執(zhí)行部分采用液壓電磁閥控制車輛行駛部分。系統(tǒng)的執(zhí)行部分采用了液壓控制執(zhí)行系統(tǒng)，保證車輛生產(chǎn)作業(yè)的可靠實(shí)現(xiàn)。車輛定位采用了基于網(wǎng)絡(luò)RTK 差分，實(shí)現(xiàn)了厘米級(jí)別的定位[5]?？刂葡到y(tǒng)采用了開(kāi)源的QGC，路徑設(shè)置簡(jiǎn)單，根據(jù)系統(tǒng)提供的兩種模式，其中Survey 提供了開(kāi)放的生產(chǎn)作業(yè)路徑規(guī)劃模式。本文因時(shí)間未考慮實(shí)際作業(yè)狀態(tài)，同時(shí)為開(kāi)發(fā)與作業(yè)匹配的設(shè)置模式。Corridor Scan 模式適用與自動(dòng)運(yùn)輸。同時(shí)系統(tǒng)可以選裝相機(jī)，采用PC 版本可以實(shí)時(shí)跟蹤分析作業(yè)數(shù)據(jù)。通過(guò)試驗(yàn)充分驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)可靠。該系統(tǒng)適用與定量和定性的分析及二次開(kāi)發(fā)，同時(shí)經(jīng)濟(jì)適用。