基于視覺導(dǎo)航的拖拉機自動駕駛系統(tǒng)

方 嘯，貢 軍，鄭嘉偉，劉益軍

（中聯(lián)重機股份有限公司，安徽 蕪湖 241080）

拖拉機自動駕駛是農(nóng)業(yè)機械裝備智能化、信息化、無人化的典型應(yīng)用。傳統(tǒng)的拖拉機自動駕駛采用定位導(dǎo)航技術(shù)，通過傳感器技術(shù)、差分定位技術(shù)，實現(xiàn)全局路徑規(guī)劃，進而實現(xiàn)拖拉機自動駕駛。本文在傳統(tǒng)拖拉機自動駕駛的基礎(chǔ)上，引入視覺檢測技術(shù)。一方面，通過視覺檢測技術(shù)實現(xiàn)局部路徑規(guī)劃，為全局路徑規(guī)劃提供相應(yīng)的補償，保證在定位信號受到干擾時，拖拉機自動駕駛系統(tǒng)仍能正常運行；另一方面，通過對前方環(huán)境的檢測，實現(xiàn)碰撞預(yù)警功能，提升拖拉機自動駕駛的安全性。

1 拖拉機自動駕駛背景概述

拖拉機自動駕駛技術(shù)是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的重要基礎(chǔ)以及關(guān)鍵技術(shù)，在此系統(tǒng)的輔助下，配套適合的農(nóng)具，能實現(xiàn)耕種、播種、施肥等智能化及無人化。其優(yōu)點：①可24小時全天候不間斷作業(yè)，提高農(nóng)業(yè)作業(yè)面積，不受天氣因素干擾，保證作業(yè)精度；②作業(yè)精度高，減少農(nóng)業(yè)作業(yè)的重復(fù)面積，提高作業(yè)效率；③減輕駕駛員的勞動強度，使駕駛員從復(fù)雜繁忙的工作中解放出來，作業(yè)時有更多的精力與時間關(guān)注機車和機具的運行情況，可以降低人力成本，提高土地利用率。

2 拖拉機視覺導(dǎo)航自動駕駛系統(tǒng)設(shè)計

視覺導(dǎo)航自動駕駛系統(tǒng)由基站、接收機、角度傳感器、攝像頭、控制器、顯示器、方向控制器組成（圖1）。各部分工作原理如下：

基站：基站有固定式和便攜式兩種，適用于不同的自然環(huán)境，可同時服務(wù)覆蓋范圍內(nèi)的多臺機械，為導(dǎo)航終端提供的差分信號精度達到2 cm。固定式基站大多設(shè)置在農(nóng)機推廣站或農(nóng)場中心區(qū)域，位置不會輕易改變。其網(wǎng)絡(luò)或電臺提供的差分信號有效距離可以達到50 km，適合集中連片的許多機械同時作業(yè)。

接收機：接收機是通過設(shè)置好的電臺頻道與基站進行通信，以改正定位的誤差信息，并將信息發(fā)送給控制器。

角度傳感器：實時感應(yīng)轉(zhuǎn)向角度并向控制器發(fā)送高精度轉(zhuǎn)向信息。

攝像頭：利用攝像頭實時拍攝拖拉機行駛過程中的外部環(huán)境，以圖像形式為控制器提供外部環(huán)境狀態(tài)。

控制器：根據(jù)接收機、角度傳感器、攝像頭的實時信息以及車輛在規(guī)劃路徑上所處的狀態(tài)進行實時閉環(huán)計算，并將指令發(fā)送給方向控制器，使車輛保持在預(yù)定軌跡上行駛?？刂破髦饕幚韴D像處理、路徑規(guī)劃、地形補償、車輛運動學(xué)、軌跡跟蹤等核心算法，通過CAN和PWM兩個總線回路分別和顯示器與方向控制器進行通信。

顯示器：人機交互界面，用于用戶設(shè)定自動駕駛模式、自動駕駛起始與終止點，同時為用戶實時提供自動駕駛信息狀態(tài)、偏移角度、碰撞預(yù)警等信息。

方向控制器：方向控制器主要有液壓閥和方向盤控制器兩種形式。液壓閥以液壓油為介質(zhì)，進行能量轉(zhuǎn)換、傳遞和控制，從而實現(xiàn)對繼續(xù)前進方向的控制。方向盤控制器直接與機械的方向盤連接，通過馬達驅(qū)動方向盤實現(xiàn)自動控制。

圖1 視覺導(dǎo)航自動駕駛系統(tǒng)架構(gòu)

3 拖拉機視覺導(dǎo)航自動駕駛測試

視覺導(dǎo)航自動駕駛系統(tǒng)在中聯(lián)重機股份有限公司的PH系列拖拉機上進行系統(tǒng)集成與驗證測試。系統(tǒng)安裝實物圖如圖2所示。

圖2 視覺導(dǎo)航自動駕駛測試實物圖

其中，基站采用移動式基站，固定在試驗場某個位置；接收天線安裝于車頂，接收機為10 Hz定位信號輸出，RTCM3.2信號傳輸，無線電臺頻率為410M～470M，調(diào)制方式及頻率可編程；角度傳感器安裝于車輪前橋；攝像頭安裝于前擋風(fēng)玻璃后；控制器與顯示器安裝于駕駛室，碰撞預(yù)警的安全距離設(shè)置為20 m；方向控制器采用液壓轉(zhuǎn)向閥控制；基站為24V供電，其余為12 V供電。

分別進行了兩類測試，第一類測試主要驗證自動駕駛直線行走功能，第二類測試主要是驗證自動駕駛拖拉機的碰撞預(yù)警功能。從圖3可以看出，實際軌跡的偏移誤差保持在±2.5 cm以內(nèi)，控制精度較好。

第二類測試結(jié)果如圖3、圖4所示，其中，圖3為實時圖像處理，圖4為碰撞預(yù)警功能測試。

圖3 視覺圖像實時處理結(jié)果

圖4 人機交互界面碰撞預(yù)警功能顯示

4 結(jié)論

將視覺檢測技術(shù)與導(dǎo)航定位技術(shù)結(jié)合，設(shè)計開發(fā)基于視覺導(dǎo)航的拖拉機自動駕駛系統(tǒng)，并將系統(tǒng)在中聯(lián)重機的拖拉機上進行直線自動駕駛與碰撞預(yù)警測試。