白雪梅，李彥平，陳綏遠

（呂梁市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，山西 呂梁 033000）

1 智能裝備的現(xiàn)狀及意義

在人工智能發(fā)展如火如荼的背景下，無人駕駛技術(shù)扮演著越來越重要的角色，將無人駕駛技術(shù)運用在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，將傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)機械和無人駕駛技術(shù)相結(jié)合，大力發(fā)展智能農(nóng)業(yè)機械，對我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展具有重要意義。

拖拉機作為一個傳統(tǒng)的農(nóng)用機械，在農(nóng)田作業(yè)中扮演著十分重要的角色。從20世紀五六十年代開始，拖拉機便登上了農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的舞臺，隨著國家對農(nóng)業(yè)機械投入的不斷加大，拖拉機的用戶逐年增多。然而，大部分拖拉機在農(nóng)田作業(yè)時依然是由駕駛員駕駛，這就存在許多不可控的因素，而且隨著人口老齡化日益嚴重，大量年輕人選擇外出去打拼，種地的基本都是年齡較高的人群，農(nóng)戶在駕駛拖拉機時存在許多安全隱患。在很多情形下，當拖拉機在比較崎嶇陡峭的田地間作業(yè)時，地塊不平整，復(fù)雜多變，再加上駕駛員的駕駛技術(shù)水平參差不齊，很難達到高精度作業(yè)的要求[1]。例如：在播種時，當無法保證作業(yè)航向和作業(yè)間距時，就會造成漏播和重復(fù)播種等問題，從而降低土地的利用率，無法保證農(nóng)作物的產(chǎn)量。對于一些低矮山地的地區(qū)，例如呂梁、忻州、朔州等地，并不適合大型機械作業(yè)，此時，小型拖拉機的優(yōu)勢便體現(xiàn)出來。小型拖拉機體積相對較小，可以更好地應(yīng)對崎嶇不平的田地[2]。如今，科學技術(shù)飛速發(fā)展，將無人駕駛技術(shù)和傳統(tǒng)拖拉機相互結(jié)合，將會極大地提高農(nóng)田作業(yè)的效率，改善農(nóng)田作業(yè)的精度，同時可以減輕作業(yè)人員的操作壓力，提高安全保障，促使我國的農(nóng)業(yè)向自動化、信息化邁進。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 國外研究現(xiàn)狀

從20 世紀80 年代開始，一些歐美的發(fā)達國家便開始了對無人駕駛拖拉機技術(shù)的研究和探討；2002 年，美國學者Qiu，Hongchu 等人在傳統(tǒng)拖拉機上加裝了RTK-GPS（全球?qū)崟r動態(tài)定位系統(tǒng)）、GDS（地磁方位傳感器）、FOG（光纖陀螺儀）等設(shè)備，設(shè)計了自動導(dǎo)航控制系統(tǒng)，在試驗中得出：當速度為1.5 m/s 時，該系統(tǒng)的最大偏移誤差為0.1 m[3]；2010 年，卡內(nèi)基·梅隆大學和佛羅里達大學里的學者經(jīng)過共同合作探究，開發(fā)出了一款基于立體視覺的自動駕駛拖拉機，此款自動駕駛拖拉機可以實現(xiàn)在線識別大豆種植的情況[4]；2015年，新南威爾士大學的Javad Taghia 等學者深入探討了拖拉機輪胎受到橫向力和縱向力的打滑問題，分別從拖拉機的動力學和運動學兩個方面進行建模，根據(jù)建立的模型設(shè)計了拖拉機的軌跡跟蹤控制算法[5]。

日韓的學者也對無人駕駛拖拉機的控制技術(shù)進行了深入研究和探討。2000年，日本東京大學Torri T 等學者對視覺導(dǎo)航系統(tǒng)的控制算法進行了分析和研究，并且以傳統(tǒng)拖拉機為載體，加裝了視覺導(dǎo)航傳感器，進行了噴灑農(nóng)藥和除蟲害和雜草等作業(yè)[6]；2016 年，日本Tsukuba 大學的Pawin Thanpattranon 等學者研究出了一種拖拉機掛車自動導(dǎo)航系統(tǒng)，實現(xiàn)了在果園中自動行駛和對掛車的精準停車等功能，曲線路徑跟蹤誤差在27.5cm[7]；韓國首爾大學的Xiong Zhe Han 等學者針對無人駕駛拖拉機在對水稻農(nóng)田作業(yè)過程中的輪胎打滑和地頭轉(zhuǎn)向的問題進行了研究，根據(jù)預(yù)瞄追蹤理論，設(shè)計發(fā)明了一種自動引導(dǎo)控制器，此控制器可以使拖拉機在水稻農(nóng)田中直線作業(yè)和地頭轉(zhuǎn)向[8]。

2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

無人駕駛技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用，會使得農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率大幅度增加，解放勞動力，從而生產(chǎn)出更加高效綠色的農(nóng)產(chǎn)品。在國內(nèi)，由于各個方面的原因，我國對農(nóng)機設(shè)備的智能化和信息化等技術(shù)方面的研究起步比較晚，依舊處于發(fā)展階段，但隨著近年來國家相關(guān)資金的投入，也取得了不少成果：張麗霞、郭付友等學者對未來果園的拖拉機概念進行設(shè)計，將人工智能運用在拖拉機上，方便了果園的管理和種植；楊柯、張丹楓等學者對無人駕駛電動拖拉機制動控制系統(tǒng)進行了設(shè)計，通過加裝電機驅(qū)動系統(tǒng)，設(shè)計硬件電路和軟件程序，控制拖拉機的制動系統(tǒng)；歐陽勁志、楊輝等學者對人車分離無人駕駛拖拉機的關(guān)鍵技術(shù)進行了研究，提出了無人駕駛拖拉機電控系統(tǒng)的設(shè)計思路，論述了此系統(tǒng)的核心技術(shù)、工作模式和工作原理；嚴國軍、賁能軍等學者，他們基于MPC，對無人駕駛拖拉機軌跡進行了跟蹤控制；殷玥等學者，以嵌入式PC 處理器為核心，將其與Linux 嵌入式系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相互結(jié)合，對無人駕駛拖拉機控制系統(tǒng)的軟件部分和硬件部分進行了設(shè)計研究[9-13]。

3 丘陵山區(qū)無人駕駛拖拉機改進方案

小型山地拖拉機可以耕作于山區(qū)地塊，山區(qū)地塊和普通地塊相比，面積較大，地塊比較分散，而且有坡度。拖拉機可以在25°以內(nèi)的農(nóng)田地塊上完成耕作任務(wù)，滿足山坡地塊的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基本要求。該小型山地拖拉機主要由機械操縱系統(tǒng)和電子系統(tǒng)等部分組成。與其他類型的拖拉機結(jié)構(gòu)相似，它的電子系統(tǒng)主要是由點火啟動控制系統(tǒng)，遠近燈光控制系統(tǒng)等組成的，機械操縱系統(tǒng)是由離合模塊、剎車模塊、油門模塊、通用擋位模塊和高低擋位模塊等組成的，負責拖拉機的行進。在拖拉機作業(yè)機械升降和旋耕機驅(qū)動等部分，也有一部分液壓系統(tǒng)，負責旋耕機的工作。這些系統(tǒng)互相配合，共同控制拖拉機的耕作運轉(zhuǎn)。

對于拖拉機的駕駛原理，與其他類型拖拉機的駕駛原理類似，此款小型山地拖拉機的駕駛原理為：首先在保證擋位為空擋，手剎下拉的情況下通過電子系統(tǒng)點火，啟動拖拉機，然后踩下離合器，掛入低檔，松開手剎，慢慢放開離合器，拖拉機便開始行駛了。拖拉機的耕作過程為：在拖拉機啟動的前提下，首先打開液壓總閥，然后放下作業(yè)機械，接著打開旋耕機液壓驅(qū)動閥，拖拉機便可以在農(nóng)田里耕作。

對于搖桿動力的供給，可采用以下3種不同方案。

方案一：使用液壓缸推動搖桿。根據(jù)液壓缸的基礎(chǔ)知識，液壓缸具有推力大、動力強的特點，并且液壓桿件在伸出和收縮的時候速度穩(wěn)定，故作為了方案供選擇。

方案二：使用機械手控制搖桿。因為機械手，機械臂等構(gòu)件已經(jīng)出現(xiàn)在了許多工廠作業(yè)的流水線上、工程機械上和智能機器人等領(lǐng)域。機械手可以完全模仿人的手工操作，所以也作為了方案之一。

方案三：使用齒輪傳動、三相交流電機和電調(diào)配合調(diào)速與換向。因為電機轉(zhuǎn)速低，而且可以通過上級發(fā)出的指令正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，也可以達到控制搖桿方向的作用。

綜合分析上述方案，山西省主流的小型拖拉機是Q/CR01-2015 型拖拉機，體型比較小，各個部分的結(jié)構(gòu)比較緊湊，因此可供設(shè)計的物理空間特別狹小，對于方案二和方案三，機械手控制搖桿和使用齒輪傳動控制搖桿，這二者都必須在足夠物理空間里才可以實施，而且齒輪傳動必須使用液壓油，所以也就需要設(shè)計齒輪箱，大大增加了難度；對于方案一，液壓缸所占的物理空間較小，工作效率比較高，液壓桿件在伸出和收縮的時候速度穩(wěn)定，可行性較高。

所以，決定采用方案一，給該款拖拉機加裝一套變速箱液壓系統(tǒng)，通過液壓桿件的前進和后退來控制搖桿的位置。拖拉機在田地間作業(yè)中需要控制的搖桿有液壓泵開關(guān)、2-4驅(qū)動轉(zhuǎn)換開關(guān)、懸掛機具的升降開關(guān)和動力開關(guān)、泄壓閥等九處。這些都可以利用液壓缸來控制搖桿，從而實現(xiàn)相應(yīng)的功能，讓拖拉機進行作業(yè)。

小型山地無人駕駛拖拉機主要由3 個模塊組成，分別是底層控制模塊、底層執(zhí)行模塊和智能決策模塊。對于智能決策模塊，其主要是用來完成任務(wù)規(guī)劃工作的，并且跟底層控制模塊之間互相通信，把相關(guān)的指令發(fā)送至底層控制模塊，然后底層控制模塊再依據(jù)智能控制模塊發(fā)送過來的指令經(jīng)過處理和分析以后將指令傳送到底層執(zhí)行模塊，從而底層執(zhí)行模塊依據(jù)接受到的指令，完成相應(yīng)的動作。這3 個模塊之間通過井然有序的緊密配合，實現(xiàn)對拖拉機的無人駕駛控制。對于底層控制模塊，它的主要作用就是處理和分析智能決策模塊和遙控器傳來的指令，并將處理后的指令傳給底層執(zhí)行模塊。對于底層執(zhí)行模塊，液壓系統(tǒng)和電子系統(tǒng)都是底層執(zhí)行模塊的一部分，當上級傳來對燈光控制的指令時，電子系統(tǒng)就接受并做出相應(yīng)的燈光操作，當上級系統(tǒng)傳來的指令是針對液壓系統(tǒng)的，那么液壓系統(tǒng)發(fā)出指令，指揮著液壓油缸的伸縮，達到控制的目的。