高地隙施藥機自動駕駛系統研制與試驗

印 祥，安家豪，王艷鑫，王應寬,2，金誠謙,3※

（1. 山東理工大學農業工程與食品科學學院，淄博 255000；2. 農業農村部規劃設計研究院，北京 100125； 3. 農業農村部南京農業機械化研究所，南京 210000）

0 引言

隨著衛星定位、自動導航、機電液融合控制等技術在農業中的深入應用，農業機械的自動化和智能化水平不斷提高。具備自動導航和自動駕駛的智能農機裝備已經開始應用于農業生產，在保證田間作業質量的同時減輕了工作人員勞動強度，代表著未來農業的發展方向[1-3]。

農業機械在田間行駛的同時需要完成既定的作業任務，即實現行走底盤和作業機構的一體化控制。在自動駕駛作業過程中，需要以機具路徑跟蹤為研究對象進行實時定位與導航控制[4-5]。黎永鍵等[6-10]以實時動態全球導航衛星系統（Real-Time Kinematic Global Navigation Satellite System, RTK-GNSS）和慣性測量單元（Inertial Measurement Unit, IMU）作為導航傳感器開發具備自動行走與機具控制的拖拉機、高地隙施藥機、聯合收獲機、插秧機。

高地隙施藥機作為一種高效的田間管理農業機械，主要用于液態農藥和化肥的噴施。其自動駕駛系統主要包括導航控制系統、遙控操作系統、行走控制系統和噴藥控制系統等4個子系統。在導航控制系統研究方面，許多研究人員針對輪式農田車輛的路徑跟蹤建立了車輛運動數學模型、導航誤差計算方法和跟蹤控制算法，設計了轉向控制器和導航控制器，在水平路面上的直線路徑跟蹤誤差小于5 cm，田間試驗路徑跟蹤誤差均小于10 cm[11-15]。自動駕駛高地隙施藥機的行走控制功能主要包括自動轉向、速度自動調節和油門自動控制。楊洋等[16-18]采用多種型式的電機及傳動機構替代原車方向盤，通過控制電機的旋轉速度和旋轉方向實現轉向輪的角度偏轉。在噴藥控制方面，蔣煥煜等[19-21]采用基于機器行駛速度或作物空間變異的精量噴霧控制方法，調節電控流量閥的出口開度或脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation, PWM）噴頭的占空比以達到施藥量的自動控制。

從以上分析可以看出，在農業機械自動導航、電動自動轉向、精量施藥等方面已經具備較為成熟的技術和產品，其中的各個產品均具備獨立的操作系統和通信協議。對于一個完整的自動駕駛作業機組，要實現自主行走、精量作業等功能的集成控制，打破各個子系統間的軟硬件技術壁壘，就必須解決操控機構自動化及軟硬件標準化的問題。在高地隙施藥機的自動駕駛系統研究方面，需要考慮上述各個子系統的融合控制、自動導航和遙控操作2種模式間的切換、各子系統間的數據交換以及整機性能的優化。

為提高田間施藥的作業效率和質量、有效應對勞動人員農藥中毒的潛在風險，本研究以高地隙施藥機自動駕駛為研究對象，開展以自主行走與執行機構自動控制為核心的多系統融合控制研究。基于自主研發的電動自動轉向系統、自動導航系統、油門調節器和靜液壓傳動（Hydro-Static Transmission, HST）調節器，建立適用于高地隙施藥機的自動控制策略、傾斜補償方法、路徑規劃方法和噴霧控制方法，實現高地隙施藥機的自動駕駛。

1 高地隙施藥自動駕駛系統組成

自動駕駛高地隙施藥系統以山東華盛中天機械集團股份有限公司的3WP-500G噴桿噴霧機為平臺，由行走控制系統、噴霧控制系統、導航控制系統、遙控處理模塊、自動駕駛地面站組成，如圖1所示。其中，噴桿噴霧機的性能參數如表1所示。導航控制系統和遙控處理模塊同時接收自動駕駛地面站的操控信號，將控制指令發布至CAN總線，行走控制系統和噴霧控制系統接收并執行CAN總線指令。

表1 華盛3WP-500G噴桿噴霧機主要技術指標 Table 1 Main technical index of Huasheng 3WP-500G sprayer

高地隙施藥機自動駕駛系統所使用的平臺具備全液壓助力轉向器、HST驅動系統、拉線式的無級變速器、油門調節器和制動裝置，其三段噴桿的升降和伸縮均采用電磁換向閥控制，液泵輸入軸通過電磁離合器與發動機輸出軸聯接。噴霧控制系統采用寧波市力成農用噴霧技術有限公司的三段式噴霧閥組，能夠根據行駛車速實時調節流量閥的開口大小以保證施藥量的均勻一致，如圖2所示。

導航控制系統采用基于天寶定位板卡BD982和RTX差分服務的雙天線定位定向接收機和VectorNav的慣性測量單元VN100作為導航傳感器。導航控制器由山東理工大學自主研發[15]，用以接收位置和姿態信息、運行數據處理和導航算法，并向行走控制系統和噴霧控制系統發送指令數據。

自動駕駛地面站通過收發電臺與導航控制系統、遙控處理模塊進行數據傳輸，其導航操控終端與導航控制系統遠程連接，進行參數設置、路徑規劃、過程監控等導航操作。遙控器與遙控接收機無線連接，接收機的輸出信號由信號預處理器負責轉換并發布至CAN總線上。

根據高地隙施藥機的行走操作機構、噴霧閥組的動作原理、自動駕駛系統結構及功能，本研究在設計自動操控機構的基礎上制定了CAN總線通信控制協議，并針對高地隙施藥機自動導航需求提出基于傾斜補償的定位誤差校正方法、適用于寬幅作業的路徑規劃方法以及相對安裝位置自動標定方法。

2 高地隙施藥機的控制系統設計

高地隙施藥機的自動控制包括行走控制和噴霧控制兩部分。在行走控制方面，因變速、油門、制動等機構均采用拉線式，在此以自動油門裝置設計為例介紹其結構和工作原理。自動轉向裝置采用低成本的普通直流無刷電機，進行轉向控制器設計。

2.1 自動油門裝置

自動油門裝置用于實時接收操作指令，根據指令數據調節油門大小。薛金林等[22]針對拖拉機油門踏板的動作過程設計了基于電動推桿的油門調節裝置，用編碼器檢測并反饋油門開度。本研究中的高地隙施藥機采用拉線式油門通過操作手柄調節其大小，如圖3所示。

自動油門裝置由油門電子控制單元（Electronic Control Unit, ECU）、WDD35D旋轉電位計、減速電機、拉線輪組成，主要工作部件的性能參數如表2所示。

表2 自動油門裝置主要部件參數 Table 2 Values of main components of automatic throttle mechanism

油門拉線的一端固定并繞在拉線輪上，拉線輪在減速電機帶動下轉動以改變油門大小。旋轉電位計的輸入軸隨拉線輪轉動以測量拉線輪的旋轉位置。油門ECU以PIC18F258處理器為核心，由PCA82C250提供CAN總線物理接口，由4個CMOS功率管的通斷組合控制電機的正反轉，其接線原理如圖4所示。

當C0高電平、C1低電平時，S1和S4導通，減速電機正轉；當C0低電平、C1高電平時，S2和S3導通，減速電機反轉。油門ECU通過A/D轉換端口A0實時讀取電位計反饋的數值，將此數值與CAN總線上的油門指令進行比較，通過端口C0、C1的高底電平控制MOS管開關S1、S2、S3、S4的通斷，使減速電機帶動拉線輪旋轉至期望位置。

自動變速裝置通過拉線調節靜液壓傳動（Hydro-Static Transmission，HST）轉臂的位置，而自動制動裝置通過拉線壓緊制動器的定盤和動盤。除拉線行程不同外，其結構和工作過程均與自動油門裝置相同。在實際安裝使用時，需根據拉線的極限位置確定拉線輪的旋轉角度范圍。

2.2 自動轉向裝置

自動轉向系統根據轉向指令將導向輪旋轉至期望角度。楊洋等[16,23]采用直流電機帶動全液壓助力轉向器的方式實現了高速插秧機等農業機械的自動轉向，針對電機工作原理、控制方式和通信協議開發了轉向控制器。其系統的工作性能、輸出扭矩和集成應用受限于廠家提供的電機結構和通信協議，無法滿足自動駕駛高地隙施藥機對轉向裝置兼容性的功能需求。

本文開發的自動轉向裝置由轉向電機、轉向控制器、角度傳感器組成。轉向電機由12V、100W的直流無刷電機和速比為40的減速器組成，其輸出扭矩和轉速的額定值分別為10 N·m和80 r/min，如圖5所示。轉向電機為空心軸輸出，輸出軸的下端與液壓轉向器聯接，上端與方向盤聯接以便于觀察轉向機構的動作。角度傳感器用于測量轉向輪的偏轉角度，以模擬電壓形式反饋至轉向控制器。

轉向控制器由轉向控制模塊和電機驅動器組成，轉向控制模塊以PIC18F258為核心處理器，接收CAN總線上的轉向指令，讀取角度傳感器的測量值，控制減速電機帶動全液壓轉向器動作，使轉向輪旋轉至期望角度，其工作原理如圖6所示。

2.3 精量噴霧控制器

針對噴霧閥組中流量閥的執行機構及其特性，設計了如圖7所示的精量噴霧控制器，包括PIC18F258單片機及外圍電路、CAN總線物理芯片PCA82C250、L298N電機驅動器。

精量噴霧控制器接收CAN總線上的速度信息和期望流量值，通過端口C0、C1、C2控制流量閥電機的動作以調節其開口大小從而改變藥液流量。

2.4 CAN總線通信網絡

自動駕駛高地隙施藥機具備油門、車速、剎車、噴桿、液泵、精量噴霧、發動機啟停等多個控制裝置的ECU，均需接收導航系統和遙控裝置的控制指令。為便于ECU間的數據傳輸，設計了圖8所示的CAN總線通信網絡，具備不同ID的所有節點均可收發CAN總線信息。

人工遙控/自動導航2種控制模式間的切換由遙控操作系統進行決定，各個執行機構的ECU接收導航控制系統和遙控操作系統發布的CAN總線控制指令（油門、車速、轉向、剎車、噴桿伸縮與升降、液泵啟停、發動機啟動/熄火等）并根據控制模式和節點ID選擇執行相應的CAN總線控制指令。

3 導航控制方法

3.1 定位誤差校正

自動駕駛高地隙施藥機為自走式農業機械，整機質量1 300 kg，輪胎寬度12 mm。與拖拉機、聯合收獲機相比，其質量較小、胎面較窄，受田間地面起伏的影響極易發生傾斜。底盤最小離地間隙為1 100 mm，GNSS天線固定位置的離地高度為2.46 m，在左右傾斜（即橫滾角）1°時天線偏離誤差達40 mm，在作業過程中需要實時感知車體的傾斜角度以進行定位測量誤差校正，如圖9所示。

He等[24]基于三維姿態傳感器測量插秧機的空間姿態，并根據RTK定位系統測量得到的位置數據計算插秧機構的實際位置，以消除機體傾斜引起的定位誤差。其在計算過程中，需要精確測量天線與機體、機體與插秧部的相對位置。而對于不同機型，實際相對測量精度難以保證。在直線導航過程中，在一定傾斜范圍內機體的橫滾角對橫向偏差影響最大、對航向角的影響可忽略，而俯仰角對橫向偏差和航向角測量的影響可以忽略。因此，本研究在考慮橫滾角的前提下，只需測量天線中心位置與機具中心的相對距離，便于導航系統在現場的快速安裝使用。

定位天線和定向天線分別安裝于機器的左右兩側，以垂直于地面的天線所在平面、車體中心線、地面三者的交點位置作為機器的實際位置，則在車體橫向平面內定位天線與重心O的橫向距離ε為：

其中，

根據Δδ的值可以判斷點AL相對于車體中心線的位置。當AL位于車體中心線的左側和右側時，矢量ALO的方向角ΨA分別如式（3）和（4）所示。

式中ΨV為RTK-GNSS車體航向角，以UTM平面坐標系的正北為基準。點O的平面坐標（EO，NO）由AL坐標（EA，NA）按式（5）計算。

3.2 作業路徑規劃

自動駕駛高地隙施藥機在自動導航模式下，能夠按照路徑規劃完成直線自動行駛、地頭自動調頭、自動上線等基本動作。在水平路面上的最小轉彎半徑R是3.5 m，噴幅W是12 m，按照矩形地頭轉彎方式進行路徑規劃，如圖10所示。

當機器到達點A后開始執行地頭調頭過程，以最小轉彎半徑轉彎至點B后沿直線行駛至點C，然后以最小轉彎半徑到達點D，接著沿下一作業路徑繼續直線作業。在自動導航過程中機器一直處于行駛狀態，因導航誤差和位置測量采樣間隔的存在，機器不可能經過點A。因此，需要綜合考慮以上因素判斷機器是否到達地頭。在采樣頻率足夠大、導航精度較高的情況下，機器以較小的橫向偏差經過點A，按公式（6）計算當前位置測量點E與點A的距離d。

式中η為機器當前位置E的平面坐標；ηA為點A的平面位置坐標。當距離d小于設定值時，即判斷為到達地頭。在導航精度較差的情況下，因橫向偏差較大，距離d不會小于設定值，采用如下方法計算夾角α：

若α>90°，即判斷機器到達地頭。

在實際作業過程，因作業地塊土質差異和機器自重變化，其最小轉彎半徑有所不同。為保證地頭調頭時路徑跟蹤的準確性、調頭后上線的快速精準，在作業過程中實時測量最小轉彎半徑R。

在機器到達點B后，根據半徑R的大小由公式（9）和（10）分別計算點B和點C的平面坐標（EB，NB）和（EC，NC），以生成導航路徑并使機器沿路徑BC自動行駛。

矢量的方向角ΨAB和ΨAC由公式（12）計算。

3.3 關鍵參數自動標定

因機體結構尺寸不同、安裝過程存在一定的隨機性，導航傳感器在自動駕駛高地隙施藥機上的固定位置有所差異，需要事先對與導航控制相關的多個關鍵參數進行標定，主要包括航向、姿態、轉向角度極限位置、直線行駛前輪角度等。其中，航向的準確測量受定位天線和定向天線安裝位置的影響，且需要在機器行駛過程中進行標定。

如圖11所示，航向自動標定過程中，機器從η0開始以固定的轉向角前進，同時記錄RTK-GNSS測量的位置序列和航向序列，計算行駛距離d0：

當d0大于行駛距離設定值時，航向角變化值ΔΨ為：

式中Ψ和Ψ0分別為機器在η和η0時的航向角，(°)。若ΔΨ小于航向角變化設定值1.5°，則認為機器直線行駛，此時機器實際航向角ΨV由公式（15）計算。

其中（E0，N0）和（E，N）分別為位置η0和η的UTM平面坐標。在位置η時的航向測量值為Ψm，測量航向偏差為

則在標定后的航向角為

同時，記錄位置η處的角度傳感器的測量值φ0，即為機器直線行駛時的前輪角度。在自動轉向過程中，轉向控制器以φ0值為直線行駛基準，根據轉向指令計算前輪的目標角度。

4 田間試驗

為了測試人工遙控和自動導航2種操作模式下的系統穩定性和路徑跟蹤精度，于2020年9月在山東省淄博市山東理工大學生態無人農場進行田間試驗。

4.1 試驗條件

試驗地塊的前茬作物是青貯玉米，行距60 cm，青貯收獲后的留茬高度20～25 cm，如圖12所示。

試驗區域為60 m×30 m，在人工遙控和自動導航2種模式下的直線行駛和地頭轉彎分別重復3次，用車體上安裝的VectorNav VN-100型IMU測得田間行駛時的橫滾角范圍是-3.5°～+3.5°。

4.2 試驗方法

自動駕駛高地隙施藥機的作業幅寬是12 m，作業路徑為直線，采用矩形地頭轉彎方式。人工遙控和自動導航時的測試速度均為3.6 km/h。

如圖13所示，用RTK-GNSS測量作業區域中A0、B0兩點的坐標（588 536.219，4 073 823.937）、（588 587.175，4 073 817.858），用拉直的軟繩標記出基準行A0B0及相鄰行A1B1為人工遙控操作提供參考。為避免標記路線與實際行駛路徑重合不便于人工操作，設置50 cm的左側偏移量使目標路徑與規劃路徑橫向偏移50 cm。自動駕駛高地隙施藥機從點A0開始啟動作業，行駛路線為A0→B0、B1→A1，到達邊界時進行地頭轉彎后進入鄰接行繼續作業。在人工遙控模式下，操作人員跟隨機器移動的同時使用遙控器控制機器的動作使其沿軟繩標記出的直線作業行前進，用RTK-GNSS記錄行駛路徑并計算橫向偏差和航向偏差。在自動導航模式下，導航控制器向機器各ECU發送指令實現路徑自動跟蹤等動作，自動完成地頭轉彎并進入下一直線作業行。

4.3 結果與分析

圖14 為人工遙控和自動導航2種模式下的實際行駛路徑與規劃路徑對比。在人工遙控模式下，由人工操作遙控器使自動駕駛高地隙施藥機從點C0（588 541.066，4 073 824.061）出發沿目標路徑A0B0和A1B1。在自動導航模式下，自動駕駛高地隙施藥機從點C0（588 540.798，4 073 824.147）出發，其初始橫向偏移和航向偏角分別為14 cm和4.4°，上線距離是2.2 m，橫向偏差和航向偏角收斂至平均值的距離是3.3 m。

在地頭轉彎控制方面，人工遙控模式下的轉彎過程存在一定的隨機性，在積累一定的作業經驗后操作人員能夠保證轉彎后的準確快速上線。而自動導航模式下的轉彎過程較為穩定，能夠根據轉彎方式自動完成調頭并準確快速上線。人工遙控和自動導航下的直線路徑跟蹤誤差如表3所示。

由表3中可知，人工遙控模式下直線路徑跟蹤的橫向偏差和航向偏角的最大值分別為20.81 cm和7.86°，RMS誤差最大值分別為7.47 cm和2.66°。橫向偏差在0附近波動，平均值為0.02和0.90 cm，表明操作人員能夠感知到較大偏離并及時操控機器做出響應，同時表明自動轉向系統能夠實時執行人工遙控操作指令將轉向輪偏轉至目標角度，轉向響應特性和準確度均滿足作業要求。自動導航模式下直線路徑跟蹤的橫向偏差和航向偏角的最大值分別為8.84 cm和2.48°，直線作業路徑的RMS誤差最大值分別為4.66 cm和1.08°。由人工遙控和自動導航兩種模式下的數據對比可以看出，自動導航模式下路徑跟蹤的RMS誤差值均小于人工遙控模式下的誤差值，具備較高的路徑跟蹤精度。同文獻[7]所研制的噴桿噴霧機自動導航系統在旱田條件下的試驗結果相比，其最大橫向偏差和最大RMS誤差均較小，能夠滿足噴霧作業要求。因此，在自動導航模式下所研制的高地隙施藥機自動駕駛系統具備快速收斂性且保持較高的穩定性和準確度。而人工遙控模式下，需要操作人員兼顧橫向偏差和航向偏角的同時自行確定前輪轉向角的大小，且航向偏角較小時肉眼難以感知導致誤差過大且不穩定。

表3 人工遙控和自動導航模式下的路徑跟蹤誤差 Table 3 Path tracking errors under manual remote control and autonomous navigation

5 結 論

為提高施藥作業機械的自動化和智能化程度，避免操作人員現場農藥中毒等潛在風險，本文以高地隙施藥機自動駕駛系統為研究對象，設計了操縱機械關鍵部件和自動導航控制方法，并對高地隙施藥機自動駕駛系統的田間作業性能進行了試驗驗證，主要結論如下：

1）設計了用于油門調節、車速調節、自動轉向、發動機啟停、噴桿伸縮、液泵啟停的自動執行機構、控制ECU和CAN總線通信控制系統，能夠接收人工遙控系統和自動導航系統的控制指令，實現了作業模式的實時切換；

2）通過分析定位誤差來源，提出了傾斜誤差補償方法，根據天線安裝位置和車體橫滾角度實時解算機器的實際位置，能夠有效應對田間地面起伏不平的作業狀態；

3）通過實時記錄轉彎過程計算最小轉彎半徑，進行地頭轉彎過程中的直線路徑規劃，提高了地頭導航的準確度，同時減小鄰接行的上線距離；

4）田間試驗表明，作業速度為3.6 km/h時，人工遙控和自動導航均能使機器沿作業路徑行駛；在有參考標記的情況下，人工遙控和自動導航的最大橫向偏差為20.81和8.84 cm，平均值為0.90和3.16 cm，均方根誤差最大為7.47和4.66 cm，表明高地隙施藥機自動駕駛系統的轉向機構具備較高的穩定性和準確度。