代 聰 ， 唐興隆 ， 龐有倫 ， 張 濤 ， 潘 良 ， 楊清慧

（重慶市農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所，重慶 400054）

0 前言

目前，我國(guó)在農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)研發(fā)上的投入還比較少，尤其是針對(duì)西南丘陵地區(qū)山地農(nóng)業(yè)技術(shù)裝備方面投入的研究經(jīng)費(fèi)更是微不足道。隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，智能農(nóng)機(jī)裝備被“中國(guó)制造2025”計(jì)劃列為重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域之一，智能化、信息化也是農(nóng)業(yè)技術(shù)裝備發(fā)展的重點(diǎn)趨勢(shì)之一，特別是重慶市“十四五”規(guī)劃更是把智能農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備提高到新的發(fā)展高度。加大對(duì)智能農(nóng)機(jī)無(wú)人駕駛的研究，可以解放農(nóng)村勞動(dòng)力，提高作業(yè)質(zhì)量與作業(yè)效率，極大地促進(jìn)農(nóng)村的現(xiàn)代化發(fā)展。

智能農(nóng)機(jī)裝備是集農(nóng)業(yè)機(jī)械、智能控制、信息獲取、數(shù)據(jù)采集等于一體的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)裝備，可以滿足精細(xì)農(nóng)業(yè)對(duì)農(nóng)業(yè)技術(shù)裝備的體系要求。精細(xì)農(nóng)業(yè)將GPS、RS、GIS等技術(shù)相結(jié)合，針對(duì)不同的田間地塊和不同的農(nóng)作物，利用GPS來(lái)獲取田間地塊的邊界坐標(biāo)和無(wú)人駕駛農(nóng)機(jī)裝備的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)位置，利用RS技術(shù)采集田塊的地理信息，利用GIS技術(shù)對(duì)獲取的田塊地理信息進(jìn)行分析和處理[1-3]。

本文研究的一種無(wú)人駕駛輕型履帶拖拉機(jī)的架構(gòu)構(gòu)思方案屬于智能農(nóng)機(jī)技術(shù)裝備范疇，包括對(duì)現(xiàn)有輕型履帶拖拉機(jī)進(jìn)行自動(dòng)化改裝、搭建無(wú)人駕駛控制系統(tǒng)的硬件平臺(tái)、設(shè)計(jì)針對(duì)輕型履帶拖拉機(jī)自動(dòng)控制程序的軟件平臺(tái)，最后對(duì)無(wú)人駕駛輕型履帶拖拉機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。根據(jù)以上構(gòu)思，設(shè)計(jì)研究出一種基于無(wú)人駕駛系統(tǒng)的輕型履帶拖拉機(jī)的架構(gòu)方案。

1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)系統(tǒng)自動(dòng)化架構(gòu)設(shè)計(jì)

目前，針對(duì)輕型履帶拖拉機(jī)自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的研究有兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題不可避免，即對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制方法的選擇。履帶拖拉機(jī)自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要有兩種，一種是通過(guò)程控電機(jī)的動(dòng)力來(lái)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)方向盤(pán)，從而控制履帶拖拉機(jī)自動(dòng)轉(zhuǎn)向的電控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，它的優(yōu)勢(shì)是利用電機(jī)動(dòng)力控制系統(tǒng)來(lái)驅(qū)動(dòng)履帶拖拉機(jī)的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，并不需要對(duì)履帶拖拉機(jī)底盤(pán)的轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)進(jìn)行根本改變。另一種是通過(guò)電機(jī)控制液壓的轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)，這種轉(zhuǎn)向方法相比直接電機(jī)控制簡(jiǎn)化了中間的傳遞環(huán)節(jié)，并且具有更佳的所需功率及控制性能，但是需要對(duì)車(chē)輛原有的液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行改造，添加電控液壓閥，通過(guò)控制電控液壓閥的狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)電控轉(zhuǎn)向功能[4-7]。

本文研究的輕型履帶拖拉機(jī)需要按照無(wú)人駕駛方案進(jìn)行一定的結(jié)構(gòu)改進(jìn)，履帶拖拉機(jī)傳統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，即靠人工模式根據(jù)履帶拖拉機(jī)行走工況，實(shí)時(shí)地控制腳踏油門(mén)、腳踏離合、腳踏剎車(chē)及手動(dòng)操作方向盤(pán)轉(zhuǎn)向模式的操作方式不滿足無(wú)人駕駛需求，因此需要按照無(wú)人駕駛特性方案對(duì)履帶拖拉機(jī)進(jìn)行改造。目前，國(guó)內(nèi)已經(jīng)有部分學(xué)者對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行了一定的研究，比如劉雪珂設(shè)計(jì)研究出一種采用電機(jī)控制液壓的模式，執(zhí)行機(jī)構(gòu)在特定場(chǎng)合可以閉合電磁閥，能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)轉(zhuǎn)向，而農(nóng)機(jī)裝備在電磁閥為閉合的條件下，系統(tǒng)保持原來(lái)的人工轉(zhuǎn)向方法。

首先需要對(duì)履帶拖拉機(jī)油門(mén)、離合及剎車(chē)進(jìn)行機(jī)械部分的改造，滿足電動(dòng)控制油門(mén)、離合及剎車(chē)踩下時(shí)的深淺要求，再進(jìn)行自動(dòng)化控制方面的研究。本研究采取汽車(chē)工業(yè)上一種常用的自動(dòng)化控制模式，即車(chē)身控制器接收車(chē)輛數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所采集的履帶拖拉機(jī)周?chē)膶?shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，車(chē)身控制器根據(jù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所反饋的履帶拖拉機(jī)在田間作業(yè)時(shí)的各項(xiàng)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)參數(shù)來(lái)控制程控電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，程控電機(jī)根據(jù)車(chē)身控制器指令輸出合適力矩來(lái)控制履帶拖拉機(jī)的油門(mén)、離合及剎車(chē)按照智能模式進(jìn)行深淺控制。車(chē)輛數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)備包括各種傳感器、雷達(dá)系統(tǒng)等。針對(duì)履帶拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向控制方法，本研究采取電動(dòng)方向盤(pán)替換車(chē)輛原有方向盤(pán)的模式，即通過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制電動(dòng)方向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)目標(biāo)角，來(lái)實(shí)現(xiàn)履帶拖拉機(jī)的轉(zhuǎn)向控制，具體為履帶拖拉機(jī)的轉(zhuǎn)向按照車(chē)身控制器發(fā)出的預(yù)定義轉(zhuǎn)向角指令來(lái)控制電動(dòng)方向盤(pán)的轉(zhuǎn)向。自動(dòng)控制及轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 電控執(zhí)行機(jī)構(gòu)架構(gòu)示意圖

隨著科技的進(jìn)步，我國(guó)農(nóng)用拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從采用全液壓控制系統(tǒng)模式逐漸向電液控制模式過(guò)渡，電液控制技術(shù)快速發(fā)展，轉(zhuǎn)向車(chē)輪與方向盤(pán)之間傳統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)模式已經(jīng)逐漸被淘汰，利用電子信號(hào)控制電液比例閥來(lái)驅(qū)動(dòng)液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，最后實(shí)現(xiàn)農(nóng)用拖拉機(jī)的轉(zhuǎn)向操作。

2 控制系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

無(wú)人駕駛控制系統(tǒng)主要技術(shù)有GPS定位、預(yù)定義路徑規(guī)劃、路徑跟蹤控制算法及傳感器技術(shù)等。把它們結(jié)合起來(lái)，用以實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛履帶拖拉機(jī)預(yù)定義功能，總體架構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 總體架構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 硬件系統(tǒng)

無(wú)人駕駛履帶拖拉機(jī)硬件系統(tǒng)主要包含GPS系統(tǒng)、RS系統(tǒng)、GIS系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集設(shè)備等。GPS系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)人駕駛履帶拖拉機(jī)在田間的實(shí)時(shí)定位，RS系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)采集田間地形信息，GIS系統(tǒng)對(duì)獲取的田塊地理信息進(jìn)行分析與處理。最終都通過(guò)人機(jī)接口把終端信息上傳到計(jì)算機(jī)中的軟件平臺(tái)上。3S硬件系統(tǒng)示意圖如圖3所示。

圖3 3S硬件系統(tǒng)示意圖

2.2 避障路徑規(guī)劃研究

路徑規(guī)劃研究是無(wú)人駕駛的關(guān)鍵技術(shù)之一，路徑規(guī)劃的效果能直接決定無(wú)人駕駛履帶拖拉機(jī)的作業(yè)效果。履帶拖拉機(jī)在田間進(jìn)行作業(yè)的時(shí)候，其作業(yè)路徑為田塊全區(qū)域覆蓋路徑，需要做到無(wú)人駕駛履帶拖拉機(jī)在規(guī)避田間障礙物的同時(shí)實(shí)現(xiàn)作業(yè)時(shí)行走路徑為最優(yōu)。在對(duì)某一田塊進(jìn)行靜態(tài)全局覆蓋路徑規(guī)劃時(shí)，首先需要獲取田塊的邊界及障礙物信息，再確定作業(yè)機(jī)具的作業(yè)路線、轉(zhuǎn)彎方式和作業(yè)方向。農(nóng)機(jī)裝備作業(yè)時(shí)常見(jiàn)的幾種作業(yè)方式為S形、口字形、回字形及對(duì)角形，確定作業(yè)方式以后，再對(duì)田塊內(nèi)部進(jìn)行直線作業(yè)和轉(zhuǎn)彎作業(yè)的區(qū)域劃分，分為直線作業(yè)或者轉(zhuǎn)彎作業(yè)模式。最后完成全局路徑規(guī)劃，并生成控制程序序列，將控制程序通過(guò)人機(jī)接口導(dǎo)入到上位機(jī)軟件中。整體路徑規(guī)劃架構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 路徑規(guī)劃架構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 路徑跟蹤算法研究

路徑跟蹤算法同樣是無(wú)人駕駛履帶拖拉機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)之一，控制算法的優(yōu)劣直接決定了路徑跟蹤的效果。無(wú)人駕駛履帶拖拉機(jī)在避障過(guò)程中需要按照指定的路徑繞過(guò)田間障礙物，路徑跟蹤控制的目的就是實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛履帶拖拉機(jī)按照指定的期望路徑行駛。在路徑的跟蹤控制過(guò)程中主要是控制車(chē)輛的驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)角、油門(mén)開(kāi)度、制動(dòng)力等因素來(lái)達(dá)到實(shí)現(xiàn)車(chē)輛跟蹤控制的目的，目前已有多種方法能夠?qū)崿F(xiàn)這種控制形式[8-9]。

履帶拖拉機(jī)是通過(guò)GPS接收機(jī)和各種傳感器獲知實(shí)時(shí)位置坐標(biāo)、速度及方向角等信息，通過(guò)對(duì)比預(yù)定義路徑和當(dāng)前位置信息，得到橫向偏差及縱向角度偏差，并將偏差值作為路徑跟蹤控制算法的輸入信息，輸出履帶拖拉機(jī)期望的轉(zhuǎn)向角度，再反饋給電動(dòng)方向盤(pán)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行轉(zhuǎn)向調(diào)整，傳感器實(shí)時(shí)反饋行駛信息，形成閉環(huán)控制，從而達(dá)到無(wú)人駕駛履帶拖拉機(jī)的路徑跟蹤控制。路徑跟蹤控制原理如圖5所示。

圖5 路徑跟蹤控制原理示意圖

無(wú)人駕駛履帶拖拉機(jī)常采用的路徑跟蹤控制方法有PID控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、純追蹤控制和模型預(yù)測(cè)控制等。近年來(lái)針對(duì)模型預(yù)測(cè)控制的研究比較熱門(mén)，在路徑的跟蹤控制過(guò)程中，由于農(nóng)機(jī)本身與周?chē)h(huán)境存在大量的約束條件，導(dǎo)致常規(guī)的跟蹤控制算法很難去處理這種復(fù)雜的約束條件。但是模型預(yù)測(cè)控制的優(yōu)點(diǎn)正好可以處理這種復(fù)雜的情況，所以其在智能農(nóng)機(jī)裝備領(lǐng)域中的運(yùn)用越來(lái)越廣泛。路徑跟蹤控制算法類(lèi)型圖如圖6所示。

圖6 路徑跟蹤控制算法類(lèi)型圖

2.4 各種傳感器及數(shù)據(jù)采集設(shè)備

無(wú)人駕駛履帶拖拉機(jī)在正常工作的時(shí)候必須依靠各種類(lèi)型傳感器來(lái)采集設(shè)備運(yùn)行時(shí)候的動(dòng)態(tài)參數(shù)，包含角度傳感器、圖像傳感器（攝像頭）、超聲波雷達(dá)傳感器、多通道數(shù)據(jù)采集板卡等。多種傳感器獲取的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)反饋給車(chē)身控制器，并通過(guò)車(chē)身控制器把數(shù)據(jù)導(dǎo)入到上位機(jī)軟件中[10-12]。

角度傳感器的作用是實(shí)時(shí)感知車(chē)輛轉(zhuǎn)向角度的變化情況，并向車(chē)身控制器發(fā)送高精度轉(zhuǎn)向角信息。圖像傳感器主要是用于感知車(chē)輛行駛過(guò)程中周?chē)沫h(huán)境信息，為無(wú)人駕駛履帶拖拉機(jī)提供及時(shí)可靠的決策數(shù)據(jù)依據(jù)。超聲波雷達(dá)主要用于分析真實(shí)田塊環(huán)境中的行人和障礙物，該傳感器具有非常準(zhǔn)確的測(cè)距精度。數(shù)據(jù)采集板卡主要用于無(wú)人駕駛履帶拖拉機(jī)作業(yè)時(shí)采集設(shè)備運(yùn)行時(shí)的各項(xiàng)動(dòng)態(tài)參數(shù)，并將相應(yīng)參數(shù)提供給車(chē)身控制器，供控制器自身決策使用，也為后期履帶拖拉機(jī)的維護(hù)提供數(shù)據(jù)支撐。

3 軟件平臺(tái)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

無(wú)人駕駛履帶拖拉機(jī)系統(tǒng)在選擇合適的硬件平臺(tái)之后，基于項(xiàng)目的設(shè)計(jì)目標(biāo)，需要利用高精度的衛(wèi)星系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確定位，設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)軟件來(lái)開(kāi)發(fā)自動(dòng)駕駛功能。系統(tǒng)需要具備LED顯示功能模塊，能夠方便用戶及時(shí)了解履帶拖拉機(jī)行駛狀態(tài)信息，包括各個(gè)傳感器工作狀態(tài)、運(yùn)行參數(shù)等信息，軟件系統(tǒng)還需具備數(shù)據(jù)保存功能，方便后期調(diào)閱歷史數(shù)據(jù)。

目前常用的農(nóng)機(jī)車(chē)輛導(dǎo)航控制系統(tǒng)的軟件可分為以下三個(gè)部分：

1）基于GIS電子地圖的導(dǎo)航地理信息子系統(tǒng)。

2）基于多線程的導(dǎo)航主控子系統(tǒng)。

3）基于GPRS的網(wǎng)絡(luò)通信子系統(tǒng)。

依據(jù)常規(guī)功能設(shè)計(jì)架構(gòu)，如圖7所示。

圖7 軟件架構(gòu)示意圖

本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理功能、人機(jī)交互功能、導(dǎo)航線路設(shè)置功能以及路徑跟蹤控制功能等。

4 試驗(yàn)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

無(wú)人駕駛履帶拖拉機(jī)是一個(gè)非線性系統(tǒng)，在硬件及軟件平臺(tái)完成以后，需要對(duì)該無(wú)人駕駛履帶拖拉機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證所研究的對(duì)象是否滿足預(yù)定要求。需要進(jìn)行試驗(yàn)準(zhǔn)備，確定試驗(yàn)方式，選擇試驗(yàn)田塊，分析試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)架構(gòu)如圖8所示。

圖8 試驗(yàn)架構(gòu)示意圖

5 結(jié)束語(yǔ)

本研究在參考國(guó)內(nèi)外無(wú)人駕駛農(nóng)機(jī)裝備研究的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對(duì)無(wú)人駕駛履帶拖拉機(jī)開(kāi)發(fā)架構(gòu)思路進(jìn)行了一定的設(shè)計(jì)研究分析，分別從履帶拖拉機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)改造架構(gòu)、控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)、軟件系統(tǒng)架構(gòu)及試驗(yàn)驗(yàn)證上開(kāi)展了研究。本文的研究思路對(duì)后期開(kāi)發(fā)無(wú)人駕駛履帶拖拉機(jī)有極大的指導(dǎo)意義。但是目前，丘陵山區(qū)存在農(nóng)田作業(yè)環(huán)境復(fù)雜、田塊大小不一等情況，無(wú)人駕駛履帶拖拉機(jī)的研究與推廣還有很長(zhǎng)的路要走。