代 聰 ，唐興隆 ，張 濤 ，楊清慧

（重慶市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，重慶 401329）

0 引言

黨的十八大以來，我國農(nóng)業(yè)機械化快速發(fā)展，形成了向全程全面高質(zhì)高效轉(zhuǎn)型升級的良好態(tài)勢，農(nóng)機裝備總量持續(xù)增長。拖拉機是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的基礎(chǔ)機械設(shè)備之一，是實現(xiàn)各種農(nóng)業(yè)機械化作業(yè)配套動力的基礎(chǔ)。20 世紀(jì)90 年代，歐美提出精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)概念，“農(nóng)業(yè)機械的智能裝備技術(shù)”是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的重要組成部分之一，隨著遙感技術(shù)、全球衛(wèi)星定位技術(shù)、地理信息系統(tǒng)技術(shù)及智能控制技術(shù)的快速發(fā)展，農(nóng)用拖拉機也朝著無人化方向發(fā)展，無人駕駛拖拉機已成為新時期新的研究方向[1-8]。習(xí)近平總書記指出，應(yīng)加快推動農(nóng)機裝備向智能化、綠色化升級，助力實現(xiàn)國家“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)，促進農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力提高[1-4]?！秶鴦?wù)院關(guān)于加快推進農(nóng)業(yè)機械化和農(nóng)機裝備產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的指導(dǎo)意見》指出，加快推動農(nóng)業(yè)機械化又快又好全方位發(fā)展，促進農(nóng)機作業(yè)水平逐步提高，農(nóng)機總動力持續(xù)增長，農(nóng)機企業(yè)做大做強，為保障關(guān)系國計民生的基礎(chǔ)農(nóng)產(chǎn)品有效供給、推進美麗鄉(xiāng)村建設(shè)提供有力支撐?！丁笆奈濉比珖r(nóng)業(yè)機械化發(fā)展規(guī)劃》中指出，未來我國主要農(nóng)作物生產(chǎn)實現(xiàn)全過程機械化，畜禽養(yǎng)殖、水產(chǎn)養(yǎng)殖機械化水平大幅躍升，設(shè)施種植、農(nóng)產(chǎn)品初加工機械化促進農(nóng)產(chǎn)品增值能力顯著增強，“機械化+”信息化、智能化全面應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機械化管理、作業(yè)監(jiān)測與服務(wù)[9]，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基本實現(xiàn)機械化全覆蓋，機械化全程全面和高質(zhì)量支撐農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化的格局基本形成。

《重慶市加快丘陵山地特色農(nóng)機裝備產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展工作方案》提出，鼓勵在渝農(nóng)機企業(yè)協(xié)同高校、科研院所構(gòu)建產(chǎn)學(xué)研用共同體，積極組織參與科研項目和創(chuàng)新平臺申報，打造出全國領(lǐng)先的智能農(nóng)機創(chuàng)新平臺。打造出符合重慶市情的山地農(nóng)機制造體系，支持鼓勵優(yōu)秀農(nóng)機企業(yè)做大做強，突出農(nóng)機產(chǎn)品的應(yīng)用水平，走出一條適應(yīng)重慶的農(nóng)機裝備產(chǎn)業(yè)發(fā)展道路[3-6]。

農(nóng)用拖拉機作為最核心的農(nóng)業(yè)動力配套機械之一，只需更換不同作業(yè)機具即可完成不同的農(nóng)業(yè)耕作模式。毋庸置疑，農(nóng)業(yè)機械按照人工設(shè)置模式展開農(nóng)業(yè)作業(yè)，既安全高效、節(jié)省人力，又能提高作業(yè)效率[10]。從工業(yè)發(fā)展角度來分析，拖拉機的技術(shù)發(fā)展水平在一定程度上體現(xiàn)了這個國家的工業(yè)發(fā)展水平，也決定了該國的農(nóng)業(yè)機械化水平，因此發(fā)達(dá)國家都很重視農(nóng)機工業(yè)的發(fā)展[11]。當(dāng)前，鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略正在向縱深推進，傳統(tǒng)的機械化、半機械化、半智能化的農(nóng)業(yè)耕作方式已不符合科技發(fā)展潮流。因此，農(nóng)業(yè)作業(yè)機械朝著智能化、信息化、無人化等方向發(fā)展，一定會成為未來時代的主流。

1 國外無人駕駛拖拉機發(fā)展現(xiàn)狀

1995 年，美國斯坦福大學(xué)的Michael O’Connor和Thomas Bell 利用4 個載波差分GPS（CDGPS）方法獲得拖拉機的實時狀態(tài)姿勢信息，建立拖拉機的運動學(xué)模型，研究出一套自動駕駛系統(tǒng)，根據(jù)路徑跟蹤試驗數(shù)據(jù)得出，定位精度在2.5 cm 以內(nèi)[12]。德國克拉斯農(nóng)機公司在國際博覽會上推出了一款可自主規(guī)劃作業(yè)路徑的智能控制系統(tǒng)，拖拉機工作效率提升了30%以上。2006 年，法國雷諾公司設(shè)計出一種基于GPS 導(dǎo)航技術(shù)的動力底盤，滿足動力底盤半自動化或全自動化駕駛[13]。2010 年，卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)和佛羅里達(dá)大學(xué)合作研發(fā)了一款基于機器視覺的無人駕駛拖拉機，可在線識別大豆種植情況。2012 年，歐洲Backman J 等借用擴展卡爾曼濾波器方法，將多個傳感器數(shù)據(jù)信息相融合，采用激光雷達(dá)和慣性傳感器對GPS 導(dǎo)航進行輔助，使用非線性模型預(yù)測控制方法（NMPC）實現(xiàn)了拖拉機的自主行駛。2016 年，早稻田大學(xué)研究出了一款拖拉機掛車自動導(dǎo)航系統(tǒng)，實現(xiàn)了拖拉機在農(nóng)田中的自動行駛和對掛車的精準(zhǔn)控制，曲線路徑追蹤誤差可控制在27.5 cm 以內(nèi)。韓國相關(guān)學(xué)者發(fā)現(xiàn)駕駛拖拉機在水田行走過程中，存在輪胎打滑和轉(zhuǎn)向難的問題，對此進行了分析研究，根據(jù)預(yù)瞄追蹤理論，開發(fā)出一種智能引導(dǎo)控制器，該控制器可以實現(xiàn)拖拉機在水田中直線行駛和自主轉(zhuǎn)向[14-26]。

1.1 凱斯紐荷蘭無人駕駛拖拉機

2016 第六屆國際現(xiàn)代農(nóng)業(yè)博覽會上，凱斯紐荷蘭推出一款無操控室新概念拖拉機，如圖1 所示。車身極具科幻感，完全拋棄拖拉機傳統(tǒng)設(shè)計模型，無駕駛室，引出無人駕駛拖拉機設(shè)計新思路。拖拉機的工作流程從農(nóng)田邊界信息錄入系統(tǒng)開始，使用路徑規(guī)劃系統(tǒng)為拖拉機規(guī)劃繪制有效的農(nóng)田作業(yè)路徑。等待路徑繪制完成，用戶只需將拖拉機駛出，即可開始執(zhí)行預(yù)定任務(wù)，整個過程只需30 s。傳感器判斷出拖拉機行走的路徑上有障礙物，主控界面將進行障礙物的模型展示并發(fā)出聲音警告提示，同時操控界面上顯示做出何種反應(yīng)的提示：等待人為干預(yù)、人工或自動避障，或在判斷障礙物為無危險的情況下，可繼續(xù)進行農(nóng)業(yè)作業(yè)[27-28]。

1.2 約翰迪爾無人駕駛拖拉機

2022 年1 月，在美國舉辦的CES 2022 展會上，約翰迪爾發(fā)布了一款可實現(xiàn)量產(chǎn)的無人駕駛拖拉機，如圖2 所示。該無人駕駛設(shè)備擁有完全的自主知識產(chǎn)權(quán)，在借鑒機器人和汽車自動駕駛技術(shù)的基礎(chǔ)之上，整合8R 拖拉機技術(shù)，開創(chuàng)性地使用6 個高清智能攝像機，結(jié)合先進的圖像識別技術(shù)，用來感知拖拉機周圍的環(huán)境信息，自主決策判斷、自主導(dǎo)航。當(dāng)用戶給出一條路線和一個坐標(biāo)時，它就可以自己找到通向農(nóng)田的道路，然后在沒有指示的情況下進行農(nóng)田作業(yè)，并在行進中避開障礙物，用戶也可以通過智能手機應(yīng)用程序下達(dá)作業(yè)指令，實現(xiàn)全工況無人作業(yè)[29-30]。

圖2 約翰迪爾無人駕駛拖拉機

2 國內(nèi)無人駕駛拖拉機發(fā)展現(xiàn)狀

近年來，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)、西北農(nóng)林科技大學(xué)、華南農(nóng)業(yè)大學(xué)等科研單位對無人駕駛拖拉機相關(guān)技術(shù)進行了研究，并取得了一系列可喜可賀的研究成果[31]。

2005 年，毛恩榮團隊在鐵牛654 型拖拉機的基礎(chǔ)上，設(shè)計出一套拖拉機智能駕駛輔助控制系統(tǒng)。2017年，張碩團隊研究了拖拉機的行走速度與導(dǎo)航系統(tǒng)之間所存在的關(guān)系，開發(fā)出一款自動導(dǎo)航控制器，并在雷沃拖拉機上進行了導(dǎo)航試驗，試驗數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，該控制器能實現(xiàn)不同行走速度下拖拉機的直線路徑跟蹤控制。2022年，吳才聰團隊聯(lián)合北京農(nóng)業(yè)機械推廣站成功研發(fā)出一款無人駕駛拖拉機，該無人駕駛拖拉機結(jié)合北斗高精定位、總線控制、環(huán)境感知、全場景路徑規(guī)劃和高精地圖等技術(shù)，不僅能實現(xiàn)自主規(guī)劃路線、自主掉頭、自動升降機具，還具有作業(yè)監(jiān)測、軌跡查詢等功能。該無人駕駛拖拉機采取電控?zé)o級變速模式，具有作業(yè)精準(zhǔn)、平穩(wěn)、節(jié)油、高效等特點[32-40]。

西北農(nóng)林科技大學(xué)科研團隊以三菱2501D 型拖拉機為原型，開發(fā)出了一款自適應(yīng)轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)，拖拉機成功進行了直線與曲線行駛的自動追蹤控制試驗。2010 年，陳軍團隊以福田歐豹4040 型拖拉機為原型，在此基礎(chǔ)上進行電控化改造，首次采用激光掃描儀的方式，實時感知拖拉機在果園行走時周圍的環(huán)境信息，實現(xiàn)在果園內(nèi)的自動導(dǎo)航控制，但是該無人駕駛拖拉機僅能實現(xiàn)直線作業(yè)路徑導(dǎo)航。2012 年，陳軍團隊采用二次曲線擬合方法規(guī)劃出拖拉機在果園內(nèi)的曲線導(dǎo)航路徑，研究出綜合路況模式路徑導(dǎo)航控制器。2022 年，西安合眾思壯導(dǎo)航技術(shù)有限公司與西北農(nóng)林科技大學(xué)共同建設(shè)的“北斗無人駕駛實驗室”掛牌成立，采取產(chǎn)學(xué)研用模式，擬在無人駕駛拖拉機自主控制導(dǎo)航、路徑規(guī)劃、環(huán)境感知及數(shù)據(jù)通信等多方面展開合作，以攻克無人駕駛拖拉機所面臨的技術(shù)難題[41-42]。

2012 年，福田雷沃重工在中國國際農(nóng)業(yè)機械展覽會上正式發(fā)布了一款無人駕駛拖拉機，該拖拉機所搭載的“農(nóng)業(yè)機械導(dǎo)航及自動作業(yè)系統(tǒng)”由華南農(nóng)業(yè)大學(xué)羅錫文院士與福田雷沃重工合作研發(fā)而成。“農(nóng)業(yè)機械導(dǎo)航及自動作業(yè)系統(tǒng)”采用歐美自動導(dǎo)航技術(shù)，結(jié)合國內(nèi)農(nóng)業(yè)具體情況，充分借鑒國外發(fā)達(dá)國家農(nóng)業(yè)機械的研究方法，整機結(jié)構(gòu)采取三維設(shè)計方法，集電控液壓自動轉(zhuǎn)向、作業(yè)機具自動升降、油門開度自動調(diào)節(jié)、緊急停車等多項智能化功能為一體。該無人駕駛拖拉機可將直線追蹤導(dǎo)航精度控制在5 cm 以內(nèi)，自動對行精度控制在10 cm 以內(nèi)，轉(zhuǎn)向偏角精度控制在1°以內(nèi)，滿足了拖拉機自動化控制需求，實現(xiàn)了播種、施肥、噴藥等精細(xì)化作業(yè)，極大地提高了農(nóng)業(yè)作業(yè)效率及標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)水平[43-45]。雷沃重工無人駕駛拖拉機如圖3所示。

圖3 雷沃重工無人駕駛拖拉機

3 無人駕駛拖拉機發(fā)展中存在的問題

近年來，無人農(nóng)場、農(nóng)機小鎮(zhèn)在各地四處開花，農(nóng)機深松作業(yè)監(jiān)測、農(nóng)業(yè)無人機植保、農(nóng)機無人駕駛、收獲產(chǎn)量監(jiān)測、農(nóng)機管理信息系統(tǒng)等智能化裝備在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中大量應(yīng)用，智能化、無人化將是未來我國農(nóng)機化發(fā)展的方向。但是目前國內(nèi)針對無人化農(nóng)機的研究依舊不足，相關(guān)核心技術(shù)難題待突破，仍有一些問題亟待解決[46]。

3.1 多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)

無人駕駛拖拉機主要是通過各種傳感器獲取農(nóng)機周圍的環(huán)境信息并進行感知，感知信息不僅包括農(nóng)機自身狀態(tài)信息，如農(nóng)機行走速度、輪偏角、車輛航向角等；而且還包括農(nóng)田環(huán)境信息，如農(nóng)田障礙物、農(nóng)田邊界信息等。各個獨立的傳感器所采集的數(shù)據(jù)只經(jīng)過簡單的數(shù)據(jù)分析處理，如何將各傳感器采集的數(shù)據(jù)進行整體性融合分析，是現(xiàn)階段面臨的技術(shù)難題之一。目前，雖然數(shù)據(jù)融合技術(shù)發(fā)展取得了一些值得肯定的成就，但是現(xiàn)在所存在的數(shù)據(jù)處理方法差異較大，不能形成一套行之有效的基礎(chǔ)理論體系及融合算法，大多是針對各自行業(yè)的特定需求展開的具體研究，不能形成通用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[12,46-47]。開展對多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)的研究，提出完整的數(shù)據(jù)融合理論，可為無人駕駛拖拉機的環(huán)境感知判斷提供更可靠的理論基礎(chǔ)。

3.2 路徑跟蹤技術(shù)

自動導(dǎo)航技術(shù)是無人駕駛拖拉機實現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的重要組成部分之一，路徑跟蹤與自動轉(zhuǎn)向控制是實現(xiàn)自主導(dǎo)航的核心，包括目標(biāo)路徑信息與拖拉機的位姿信息分析，通過路徑跟蹤控制算法分析驅(qū)動輪理想轉(zhuǎn)向角，基于自動轉(zhuǎn)向控制器控制方法，使驅(qū)動輪按照理想轉(zhuǎn)向角進行轉(zhuǎn)向，控制拖拉機按照最優(yōu)作業(yè)路徑行走。但是拖拉機在農(nóng)田行走時會面臨各種環(huán)境因素干擾，且拖拉機行走會受到農(nóng)田路況的影響，很難建立符合實際的運動模型，而且針對載體所處環(huán)境特性進行的穩(wěn)定性方面的研究也略顯薄微[48]。因此，對路徑跟蹤控制技術(shù)的研究是未來無人駕駛拖拉機的研究重點。

3.3 路徑規(guī)劃決策技術(shù)

路徑規(guī)劃是否準(zhǔn)確合理，將直接決定拖拉機在農(nóng)田的作業(yè)效果。國內(nèi)對丘陵山區(qū)小地塊全局路徑規(guī)劃的研究略顯不足，大多是針對區(qū)域性的規(guī)則地塊進行研究，未推出一種高效的、通用的全局路徑規(guī)劃算法?，F(xiàn)階段針對無人駕駛局部路徑規(guī)劃所采用的比較廣泛的方法有最短切法、圓弧避障法、五次多項式函數(shù)法等，基本上都未考慮到拖拉機存在最小轉(zhuǎn)彎半徑和作業(yè)地塊的影響，且存在避障策略過于單一的問題，只是針對靜態(tài)障礙物進行分析，缺乏針對不同障礙物應(yīng)采取不同避障策略的研究方法，未形成系統(tǒng)性的局部路徑規(guī)劃算法[49-53]。開展路徑規(guī)劃研究，可形成較為完整的農(nóng)機路徑作業(yè)方式，對無人駕駛拖拉機作業(yè)效率的提高起著決定性作用。

3.4 自動控制技術(shù)

自動控制技術(shù)主要包括自動轉(zhuǎn)向、驅(qū)動和制動三個子系統(tǒng)，自動控制系統(tǒng)需要具備平穩(wěn)性、精準(zhǔn)性和高效性特征。目前，從硬件角度來看，GPS 接收機及其內(nèi)部芯片技術(shù)高度依賴進口，國內(nèi)擁有自主產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品品種少，國內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)一般借用外國核心零部件，在此基礎(chǔ)上組裝成產(chǎn)品，產(chǎn)品也缺乏系統(tǒng)性的售后服務(wù)支持。從軟件角度分析，目前國內(nèi)缺乏對無人駕駛拖拉機控制數(shù)據(jù)通信的研究，國內(nèi)無人駕駛拖拉機大多采用線束形式進行數(shù)據(jù)傳輸，未采用CAN 通信方法，存在數(shù)據(jù)延時的問題[54-64]。參考無人駕駛汽車整車控制系統(tǒng)，建立無人駕駛拖拉機的整車控制系統(tǒng)也將成為日后研究的熱點。

4 無人駕駛拖拉機未來發(fā)展趨勢

從目前國內(nèi)無人駕駛拖拉機發(fā)展形勢來看，在國家大力支持農(nóng)業(yè)發(fā)展的背景下，農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和機械化已經(jīng)成為當(dāng)下農(nóng)業(yè)發(fā)展不可阻擋的趨勢。隨著新能源技術(shù)、智能識別技術(shù)、傳感器技術(shù)、車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、定位導(dǎo)航與通信技術(shù)等前沿技術(shù)的高速發(fā)展，無人駕駛拖拉機行業(yè)將會發(fā)生翻天覆地的變化，且不可逆轉(zhuǎn)。無人駕駛拖拉機未來發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1）農(nóng)業(yè)農(nóng)村部等多部委多次提出將“環(huán)保型農(nóng)用動力”列為重點發(fā)展主機產(chǎn)品，未來采用新能源動力模式的無人駕駛拖拉機將得到更大力度的政策支持，具有巨大的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展優(yōu)勢。

2）各種傳感器數(shù)據(jù)同步、融合處理方法進一步深化，有一套完整的數(shù)據(jù)融合基礎(chǔ)理論體系，開展針對穩(wěn)定性及準(zhǔn)確性的數(shù)據(jù)融合算法研究，無人駕駛拖拉機在圖像處理、智能預(yù)警等方面的技術(shù)水平將得到極大的提高。

3）定位導(dǎo)航技術(shù)進一步發(fā)展，導(dǎo)航精度、穩(wěn)定性方面的技術(shù)趨于成熟，攻克駕駛路徑跟蹤與控制算法方面所面臨的難題，全局路徑與局部路徑規(guī)劃提出新的算法策略，算法兼容性取得新的突破。無人駕駛拖拉機可依據(jù)農(nóng)田環(huán)境因素，自主完成分析、避障、路徑規(guī)劃、警示提醒，不再需要人為干預(yù)。

4）信息化程度得到提高，隨著我國“數(shù)字化”階段的到來，大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已成為拖拉機信息化關(guān)鍵技術(shù)，將成為未來拖拉機技術(shù)發(fā)展的新亮點和新方向，未來用一部手機即可操控一臺或多臺無人駕駛拖拉機進行農(nóng)田作業(yè)。無人駕駛拖拉機如有故障，故障信息也會及時上傳到手機上，并及時預(yù)警。

5）無駕駛室化將成為現(xiàn)實，未來的無人駕駛拖拉機各項技術(shù)趨于成熟，不再需要人工的干預(yù)，整機設(shè)計將會更富有動態(tài)的外觀線條，駕駛室被完全摒棄。

5 結(jié)語

綜上所述，無人駕駛拖拉機是未來農(nóng)業(yè)機械發(fā)展的主流方向，有著廣闊的發(fā)展空間?！笆奈濉逼陂g，國家加大了對無人駕駛拖拉機技術(shù)研發(fā)方面的財政支持力度，必將促使我國無人駕駛拖拉機的研究進入一個快速發(fā)展的階段。未來，隨著技術(shù)的不斷進步，智能農(nóng)機裝備將會越來越多，農(nóng)用拖拉機朝著無人化、智能化及信息化方向發(fā)展是重要趨勢，將助力農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率的提升和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量的改善。