丘陵山區(qū)無(wú)人駕駛拖拉機(jī)的現(xiàn)狀分析與技術(shù)探討

白雪梅，李彥平，陳綏遠(yuǎn)

（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(wú)人駕駛技術(shù)扮演著越來(lái)越重要的角色，將無(wú)人駕駛技術(shù)運(yùn)用在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，將傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)機(jī)械和無(wú)人駕駛技術(shù)相結(jié)合，大力發(fā)展智能農(nóng)業(yè)機(jī)械，對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展具有重要意義。

拖拉機(jī)作為一個(gè)傳統(tǒng)的農(nóng)用機(jī)械，在農(nóng)田作業(yè)中扮演著十分重要的角色。從20世紀(jì)五六十年代開(kāi)始，拖拉機(jī)便登上了農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的舞臺(tái)，隨著國(guó)家對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械投入的不斷加大，拖拉機(jī)的用戶(hù)逐年增多。然而，大部分拖拉機(jī)在農(nóng)田作業(yè)時(shí)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(yán)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(hù)在駕駛拖拉機(jī)時(shí)存在許多安全隱患。在很多情形下，當(dāng)拖拉機(jī)在比較崎嶇陡峭的田地間作業(yè)時(shí)，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(dá)到高精度作業(yè)的要求[1]。例如：在播種時(shí)，當(dāng)無(wú)法保證作業(yè)航向和作業(yè)間距時(shí)，就會(huì)造成漏播和重復(fù)播種等問(wèn)題，從而降低土地的利用率，無(wú)法保證農(nóng)作物的產(chǎn)量。對(duì)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(jī)械作業(yè)，此時(shí)，小型拖拉機(jī)的優(yōu)勢(shì)便體現(xiàn)出來(lái)。小型拖拉機(jī)體積相對(duì)較小，可以更好地應(yīng)對(duì)崎嶇不平的田地[2]。如今，科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展，將無(wú)人駕駛技術(shù)和傳統(tǒng)拖拉機(jī)相互結(jié)合，將會(huì)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(shí)可以減輕作業(yè)人員的操作壓力，提高安全保障，促使我國(guó)的農(nóng)業(yè)向自動(dòng)化、信息化邁進(jìn)。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

從20 世紀(jì)80 年代開(kāi)始，一些歐美的發(fā)達(dá)國(guó)家便開(kāi)始了對(duì)無(wú)人駕駛拖拉機(jī)技術(shù)的研究和探討；2002 年，美國(guó)學(xué)者Qiu，Hongchu 等人在傳統(tǒng)拖拉機(jī)上加裝了RTK-GPS（全球?qū)崟r(shí)動(dòng)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(jì)了自動(dòng)導(dǎo)航控制系統(tǒng)，在試驗(yàn)中得出：當(dāng)速度為1.5 m/s 時(shí)，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(xué)和佛羅里達(dá)大學(xué)里的學(xué)者經(jīng)過(guò)共同合作探究，開(kāi)發(fā)出了一款基于立體視覺(jué)的自動(dòng)駕駛拖拉機(jī)，此款自動(dòng)駕駛拖拉機(jī)可以實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)識(shí)別大豆種植的情況[4]；2015年，新南威爾士大學(xué)的Javad Taghia 等學(xué)者深入探討了拖拉機(jī)輪胎受到橫向力和縱向力的打滑問(wèn)題，分別從拖拉機(jī)的動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)兩個(gè)方面進(jìn)行建模，根據(jù)建立的模型設(shè)計(jì)了拖拉機(jī)的軌跡跟蹤控制算法[5]。

日韓的學(xué)者也對(duì)無(wú)人駕駛拖拉機(jī)的控制技術(shù)進(jìn)行了深入研究和探討。2000年，日本東京大學(xué)Torri T 等學(xué)者對(duì)視覺(jué)導(dǎo)航系統(tǒng)的控制算法進(jìn)行了分析和研究，并且以傳統(tǒng)拖拉機(jī)為載體，加裝了視覺(jué)導(dǎo)航傳感器，進(jìn)行了噴灑農(nóng)藥和除蟲(chóng)害和雜草等作業(yè)[6]；2016 年，日本Tsukuba 大學(xué)的Pawin Thanpattranon 等學(xué)者研究出了一種拖拉機(jī)掛車(chē)自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了在果園中自動(dòng)行駛和對(duì)掛車(chē)的精準(zhǔn)停車(chē)等功能，曲線(xiàn)路徑跟蹤誤差在27.5cm[7]；韓國(guó)首爾大學(xué)的Xiong Zhe Han 等學(xué)者針對(duì)無(wú)人駕駛拖拉機(jī)在對(duì)水稻農(nóng)田作業(yè)過(guò)程中的輪胎打滑和地頭轉(zhuǎn)向的問(wèn)題進(jìn)行了研究，根據(jù)預(yù)瞄追蹤理論，設(shè)計(jì)發(fā)明了一種自動(dòng)引導(dǎo)控制器，此控制器可以使拖拉機(jī)在水稻農(nóng)田中直線(xiàn)作業(yè)和地頭轉(zhuǎn)向[8]。

2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

無(wú)人駕駛技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用，會(huì)使得農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率大幅度增加，解放勞動(dòng)力，從而生產(chǎn)出更加高效綠色的農(nóng)產(chǎn)品。在國(guó)內(nèi)，由于各個(gè)方面的原因，我國(guó)對(duì)農(nóng)機(jī)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(lái)國(guó)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(xué)者對(duì)未來(lái)果園的拖拉機(jī)概念進(jìn)行設(shè)計(jì)，將人工智能運(yùn)用在拖拉機(jī)上，方便了果園的管理和種植；楊柯、張丹楓等學(xué)者對(duì)無(wú)人駕駛電動(dòng)拖拉機(jī)制動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，通過(guò)加裝電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)硬件電路和軟件程序，控制拖拉機(jī)的制動(dòng)系統(tǒng)；歐陽(yáng)勁志、楊輝等學(xué)者對(duì)人車(chē)分離無(wú)人駕駛拖拉機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，提出了無(wú)人駕駛拖拉機(jī)電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(yán)國(guó)軍、賁能軍等學(xué)者，他們基于MPC，對(duì)無(wú)人駕駛拖拉機(jī)軌跡進(jìn)行了跟蹤控制；殷玥等學(xué)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(duì)無(wú)人駕駛拖拉機(jī)控制系統(tǒng)的軟件部分和硬件部分進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究[9-13]。

3 丘陵山區(qū)無(wú)人駕駛拖拉機(jī)改進(jìn)方案

小型山地拖拉機(jī)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(jī)可以在25°以?xún)?nèi)的農(nóng)田地塊上完成耕作任務(wù)，滿(mǎn)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(jī)主要由機(jī)械操縱系統(tǒng)和電子系統(tǒng)等部分組成。與其他類(lèi)型的拖拉機(jī)結(jié)構(gòu)相似，它的電子系統(tǒng)主要是由點(diǎn)火啟動(dòng)控制系統(tǒng)，遠(yuǎn)近燈光控制系統(tǒng)等組成的，機(jī)械操縱系統(tǒng)是由離合模塊、剎車(chē)模塊、油門(mén)模塊、通用擋位模塊和高低擋位模塊等組成的，負(fù)責(zé)拖拉機(jī)的行進(jìn)。在拖拉機(jī)作業(yè)機(jī)械升降和旋耕機(jī)驅(qū)動(dòng)等部分，也有一部分液壓系統(tǒng)，負(fù)責(zé)旋耕機(jī)的工作。這些系統(tǒng)互相配合，共同控制拖拉機(jī)的耕作運(yùn)轉(zhuǎn)。

對(duì)于拖拉機(jī)的駕駛原理，與其他類(lèi)型拖拉機(jī)的駕駛原理類(lèi)似，此款小型山地拖拉機(jī)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(guò)電子系統(tǒng)點(diǎn)火，啟動(dòng)拖拉機(jī)，然后踩下離合器，掛入低檔，松開(kāi)手剎，慢慢放開(kāi)離合器，拖拉機(jī)便開(kāi)始行駛了。拖拉機(jī)的耕作過(guò)程為：在拖拉機(jī)啟動(dòng)的前提下，首先打開(kāi)液壓總閥，然后放下作業(yè)機(jī)械，接著打開(kāi)旋耕機(jī)液壓驅(qū)動(dòng)閥，拖拉機(jī)便可以在農(nóng)田里耕作。

對(duì)于搖桿動(dòng)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(dòng)搖桿。根據(jù)液壓缸的基礎(chǔ)知識(shí)，液壓缸具有推力大、動(dòng)力強(qiáng)的特點(diǎn)，并且液壓桿件在伸出和收縮的時(shí)候速度穩(wěn)定，故作為了方案供選擇。

方案二：使用機(jī)械手控制搖桿。因?yàn)闄C(jī)械手，機(jī)械臂等構(gòu)件已經(jīng)出現(xiàn)在了許多工廠(chǎng)作業(yè)的流水線(xiàn)上、工程機(jī)械上和智能機(jī)器人等領(lǐng)域。機(jī)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(dòng)、三相交流電機(jī)和電調(diào)配合調(diào)速與換向。因?yàn)殡姍C(jī)轉(zhuǎn)速低，而且可以通過(guò)上級(jí)發(fā)出的指令正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，也可以達(dá)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(jī)是Q/CR01-2015 型拖拉機(jī)，體型比較小，各個(gè)部分的結(jié)構(gòu)比較緊湊，因此可供設(shè)計(jì)的物理空間特別狹小，對(duì)于方案二和方案三，機(jī)械手控制搖桿和使用齒輪傳動(dòng)控制搖桿，這二者都必須在足夠物理空間里才可以實(shí)施，而且齒輪傳動(dòng)必須使用液壓油，所以也就需要設(shè)計(jì)齒輪箱，大大增加了難度；對(duì)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(shí)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(jī)加裝一套變速箱液壓系統(tǒng)，通過(guò)液壓桿件的前進(jìn)和后退來(lái)控制搖桿的位置。拖拉機(jī)在田地間作業(yè)中需要控制的搖桿有液壓泵開(kāi)關(guān)、2-4驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、懸掛機(jī)具的升降開(kāi)關(guān)和動(dòng)力開(kāi)關(guān)、泄壓閥等九處。這些都可以利用液壓缸來(lái)控制搖桿，從而實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能，讓拖拉機(jī)進(jìn)行作業(yè)。

小型山地?zé)o人駕駛拖拉機(jī)主要由3 個(gè)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(duì)于智能決策模塊，其主要是用來(lái)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(guò)來(lái)的指令經(jīng)過(guò)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(dòng)作。這3 個(gè)模塊之間通過(guò)井然有序的緊密配合，實(shí)現(xiàn)對(duì)拖拉機(jī)的無(wú)人駕駛控制。對(duì)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(lái)的指令，并將處理后的指令傳給底層執(zhí)行模塊。對(duì)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(dāng)上級(jí)傳來(lái)對(duì)燈光控制的指令時(shí)，電子系統(tǒng)就接受并做出相應(yīng)的燈光操作，當(dāng)上級(jí)系統(tǒng)傳來(lái)的指令是針對(duì)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(dá)到控制的目的。