一種用于農(nóng)機(jī)無(wú)人駕駛自動(dòng)控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

荊 毅

(廣東皓行科技有限公司，廣東 佛山 528300)

1 主要內(nèi)容和關(guān)鍵技術(shù)

農(nóng)機(jī)主要涉及兩大類(lèi)型，一種是拖拉機(jī)，另一種是自走式農(nóng)機(jī)(收獲機(jī)、植保機(jī)、插秧機(jī)、青飼料收獲機(jī)等)。前者主要體現(xiàn)在作為動(dòng)力源，通過(guò)自身動(dòng)力的輸出，牽引和傳遞動(dòng)力，掛接不同需求的農(nóng)機(jī)具實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)場(chǎng)景的耕、種作業(yè)；自走式農(nóng)機(jī)作為自帶動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)各種農(nóng)作物的收割、植保等作業(yè)。現(xiàn)階段兩種主要類(lèi)型農(nóng)機(jī)作業(yè)過(guò)程中功能的實(shí)現(xiàn)，其操縱控制方式主要通過(guò)人工操縱來(lái)實(shí)現(xiàn)，輔助駕駛主要是AB線(xiàn)的作業(yè)路徑，作業(yè)全程無(wú)法實(shí)現(xiàn)純無(wú)人駕駛和遠(yuǎn)程控制。

無(wú)法實(shí)現(xiàn)全程無(wú)人駕駛控制技術(shù)，主要是由于機(jī)械本身的原理結(jié)構(gòu)很大程度上限制了無(wú)人駕駛技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。雖然近幾年在收獲機(jī)行駛系統(tǒng)中引入了靜液壓驅(qū)動(dòng)技術(shù)，收獲機(jī)的行駛速度可以通過(guò)單桿操縱手柄來(lái)實(shí)現(xiàn)加減速與車(chē)輛停止，極大地方便了機(jī)手的操作，減輕了機(jī)手的操作強(qiáng)度，由于操作的便利性，同時(shí)也提高了整機(jī)的工作效率，增加了機(jī)手的收益。但是真正要實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)的無(wú)人駕駛進(jìn)行農(nóng)田作業(yè)，靜液壓驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，還需要一系列措施和技術(shù)方案的應(yīng)用來(lái)替代機(jī)手的操作。

2 實(shí)施方案

農(nóng)機(jī)實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛和自動(dòng)控制，關(guān)鍵是解決農(nóng)機(jī)在多種場(chǎng)景下通過(guò)各種智能控制元件、傳感器、集成控制器、農(nóng)機(jī)通信設(shè)備(包括串口、CAN總線(xiàn)、4G/5G通信模塊、電臺(tái)、GNSS全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)等)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、電磁液壓閥/比例閥、驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器以及導(dǎo)航控制技術(shù)、融合算法，沿著規(guī)劃的路徑完成各種指令動(dòng)作。

2.1 行駛系統(tǒng)

2.1.1 轉(zhuǎn)向控制

轉(zhuǎn)向控制硬件采用電動(dòng)方向盤(pán)+角度傳感器，通過(guò)安裝在農(nóng)機(jī)轉(zhuǎn)向輪位置的角度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和反饋轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)過(guò)的角度。角度傳感器將轉(zhuǎn)過(guò)的角度信息上傳到控制器，控制器根據(jù)導(dǎo)航定位到農(nóng)機(jī)的姿態(tài)信息進(jìn)行融合算法，計(jì)算車(chē)輛實(shí)際行駛軌跡與預(yù)設(shè)規(guī)劃好的行駛路徑進(jìn)行對(duì)比，超出精度控制范圍之外的數(shù)據(jù)又進(jìn)行融合分析計(jì)算，依據(jù)計(jì)算結(jié)果校正車(chē)輛的姿態(tài)。控制器將控制指令傳送到方向盤(pán)電機(jī)上，接收到指令的電機(jī)輸出轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)的電機(jī)通過(guò)連接的花鍵套驅(qū)動(dòng)花鍵軸轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)的花鍵軸驅(qū)動(dòng)全液壓轉(zhuǎn)向器提供液壓輸出，輸出的油液驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向油缸的伸縮，從而使車(chē)輛轉(zhuǎn)向輪按照要求完成轉(zhuǎn)向，使受控車(chē)輛向左或者向右轉(zhuǎn)向行駛，校正車(chē)輛的運(yùn)行姿態(tài)，使車(chē)輛實(shí)際行駛路徑無(wú)限趨近預(yù)設(shè)規(guī)劃路徑，保持重合，其控制流程框圖，如圖1所示。除電動(dòng)方向盤(pán)和角度傳感器的組合控制轉(zhuǎn)向以外，還有電液比例閥與角度傳感器的組合，實(shí)現(xiàn)同樣的轉(zhuǎn)向控制，角度傳感器監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)過(guò)的角度，將轉(zhuǎn)過(guò)的角度信息上傳到控制器，通過(guò)控制器的融合算法，將控制信號(hào)傳送到電液比例閥組，通過(guò)電液比例閥的開(kāi)啟和流量大小控制轉(zhuǎn)向油缸，從而完成轉(zhuǎn)向。

圖1 自動(dòng)駕駛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)架構(gòu)流程

2.1.2 北斗/GNSS定位設(shè)備

通過(guò)安裝在車(chē)輛上的北斗/GNSS設(shè)備，主要包括北斗/GNSS天線(xiàn)、組合導(dǎo)航X1、4G路由器、4G天線(xiàn)和控制線(xiàn)束，通過(guò)硬件設(shè)備接收的信號(hào)進(jìn)行差分融合計(jì)算，確定受控車(chē)輛的姿態(tài)位置。

2.1.3 線(xiàn)控底盤(pán)

車(chē)輛底盤(pán)控制是無(wú)人駕駛很重要的一項(xiàng)控制，控制精度的優(yōu)劣直接影響農(nóng)機(jī)的作業(yè)性能和精確度，機(jī)器本身的性能優(yōu)勢(shì)也是需要線(xiàn)控底盤(pán)的控制性能決定。線(xiàn)控底盤(pán)的控制主要涉及車(chē)輛的離合、制動(dòng)、油門(mén)、擋位的綜合聯(lián)動(dòng)控制。農(nóng)機(jī)擋位在動(dòng)力換向方面已經(jīng)有成熟的技術(shù)和實(shí)際應(yīng)用，無(wú)人駕駛模式下的控制可以通過(guò)CAN總線(xiàn)直接控制其換向執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的前進(jìn)、停止和后退功能的改變。動(dòng)力換擋和CVT換擋在國(guó)內(nèi)機(jī)型上還沒(méi)有完全實(shí)現(xiàn)在農(nóng)田作業(yè)中的大量使用，其技術(shù)和車(chē)輛本身的可靠性目前還處于試驗(yàn)測(cè)試階段。這也是目前農(nóng)機(jī)真正實(shí)現(xiàn)純無(wú)人駕駛操作的技術(shù)攻關(guān)階段。隨著控制技術(shù)的發(fā)展和車(chē)輛制造水平的提高，通過(guò)CAN總線(xiàn)方式控制農(nóng)機(jī)實(shí)現(xiàn)換擋是實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)無(wú)人駕駛操作的必要前提。

在傳統(tǒng)換擋技術(shù)與動(dòng)力換擋、CVT換擋過(guò)渡階段，實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)的無(wú)人駕駛操作，就需要解決農(nóng)機(jī)操作過(guò)程中離合、制動(dòng)和油門(mén)線(xiàn)性控制，通過(guò)CAN總線(xiàn)方式控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)按照功能需求完成動(dòng)作的執(zhí)行與過(guò)程控制。通過(guò)控制離合、制動(dòng)和油門(mén)，可實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的自動(dòng)點(diǎn)火、熄火、啟動(dòng)、停止、加速、減速等聯(lián)動(dòng)動(dòng)作，完成農(nóng)機(jī)在無(wú)人操作模式下的遠(yuǎn)程控制。

根據(jù)圖2離合、制動(dòng)和油門(mén)控制結(jié)構(gòu)圖技術(shù)方案，離合、制動(dòng)以及油門(mén)的控制實(shí)現(xiàn)自動(dòng)與手動(dòng)操縱并存，集成控制器接收車(chē)輛反饋信息，根據(jù)車(chē)輛所處狀態(tài)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，同時(shí)根據(jù)功能需求，下發(fā)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制指令，執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成離合、制動(dòng)與油門(mén)的動(dòng)作。

1.離合電動(dòng)推桿；2.離合控制信號(hào)線(xiàn)；3.離合拉線(xiàn)；4.離合拉線(xiàn)滑輪；5.集成控制器；6.油門(mén)控制信號(hào)線(xiàn)；7.油門(mén)拉線(xiàn)滑輪；8.制動(dòng)控制信號(hào)線(xiàn)；9.制動(dòng)拉線(xiàn)滑輪；10.制動(dòng)拉線(xiàn)；11.油門(mén)拉線(xiàn)；12.制動(dòng)電動(dòng)推桿；13.油門(mén)電動(dòng)推桿；14.制動(dòng)拉線(xiàn)支座；15.制動(dòng)踏板；16.制動(dòng)拉桿；17.支承軸；18.離合軟軸支座；19.離合踏板；20.離合控制軟軸；21.離合拉線(xiàn)支座；22.制動(dòng)拉桿支座

該方案中執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用帶有霍爾編碼器的電動(dòng)推桿，通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)和拉線(xiàn)實(shí)現(xiàn)離合、制動(dòng)與油門(mén)的自動(dòng)控制。電動(dòng)推桿內(nèi)置霍爾編碼器，能夠精準(zhǔn)控制其位移行程，可以使受控車(chē)輛控制達(dá)到定量控制，特別是車(chē)輛在啟動(dòng)時(shí)，能夠緩慢平穩(wěn)起步。

當(dāng)進(jìn)入手動(dòng)操縱狀態(tài)時(shí)，集成控制器斷電，離合、制動(dòng)和油門(mén)電動(dòng)推桿完全釋放，所有推桿全部伸出，車(chē)輛控制狀態(tài)切換為手動(dòng)操作。集成控制器上電，車(chē)輛控制狀態(tài)切換為無(wú)人駕駛控制狀態(tài)，離合、制動(dòng)和油門(mén)推桿電機(jī)進(jìn)行上電復(fù)位自檢，完成復(fù)位自檢后，電動(dòng)推桿的初始狀態(tài)信息進(jìn)入集成控制器。

離合進(jìn)行自動(dòng)控制時(shí)，集成控制器下發(fā)指令給離合電動(dòng)推桿，接到控制信號(hào)的離合電動(dòng)推桿進(jìn)行伸縮，伸縮的電動(dòng)推桿帶動(dòng)連接在其上的離合拉線(xiàn)進(jìn)行移動(dòng)，離合拉線(xiàn)的另一端通過(guò)滑輪連接到離合踏板的支座上，離合拉線(xiàn)帶動(dòng)離合踏板繞著支承軸轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)的離合踏板帶動(dòng)其上的支座轉(zhuǎn)動(dòng)，隨之帶動(dòng)固定在其上的離合控制軟軸控制變速箱體中離合器的斷開(kāi)與嚙合。

制動(dòng)進(jìn)行自動(dòng)控制時(shí)，集成控制器下發(fā)指令給制動(dòng)電動(dòng)推桿，接到控制信號(hào)的制動(dòng)電動(dòng)推桿進(jìn)行伸縮，伸縮的電動(dòng)推桿帶動(dòng)連接在其上的制動(dòng)拉線(xiàn)進(jìn)行移動(dòng)，制動(dòng)拉線(xiàn)的另一端通過(guò)滑輪連接到制動(dòng)踏板的支座上，制動(dòng)拉線(xiàn)帶動(dòng)制動(dòng)踏板繞著支承軸轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)的制動(dòng)踏板帶動(dòng)其上的支座轉(zhuǎn)動(dòng)，隨之帶動(dòng)固定在其上的制動(dòng)拉桿控制制動(dòng)器的打開(kāi)與關(guān)閉。

油門(mén)進(jìn)行自動(dòng)控制時(shí)，集成控制器下發(fā)指令給油門(mén)電動(dòng)推桿，接到控制信號(hào)的油門(mén)電動(dòng)推桿進(jìn)行伸縮，伸縮的電動(dòng)推桿帶動(dòng)連接在其上的油門(mén)拉線(xiàn)進(jìn)行移動(dòng)，油門(mén)拉線(xiàn)的另一端通過(guò)滑輪連接到發(fā)動(dòng)機(jī)本體油門(mén)控制端口，通過(guò)電動(dòng)推桿的伸縮帶動(dòng)油門(mén)拉線(xiàn)移動(dòng)，移動(dòng)的拉線(xiàn)控制發(fā)動(dòng)機(jī)油門(mén)的增減，完成油門(mén)的自動(dòng)控制。

該技術(shù)方案與控制機(jī)構(gòu)原理既可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)操縱，也可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)控制；由于采用帶有內(nèi)置編碼器的電動(dòng)推桿，既實(shí)現(xiàn)了高精度控制，又實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)反饋控制。利用上述行駛系統(tǒng)的控制方案與技術(shù)路線(xiàn)，完成了農(nóng)機(jī)遠(yuǎn)程自動(dòng)點(diǎn)火、熄火、轉(zhuǎn)向、車(chē)速、啟停、制動(dòng)的自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)機(jī)行駛系統(tǒng)的無(wú)人駕駛控制。

2.2 功能系統(tǒng)

2.2.1 感知系統(tǒng)

無(wú)人駕駛系統(tǒng)通過(guò)各種傳感器、激光雷達(dá)、相機(jī)、超聲波雷達(dá)、毫米波雷達(dá)進(jìn)行圖像信息的采集，采集的數(shù)據(jù)通過(guò)域控制器或者工控機(jī)進(jìn)行融合計(jì)算，對(duì)識(shí)別到的圖像數(shù)據(jù)甄別分類(lèi)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物長(zhǎng)勢(shì)、機(jī)耕道信息，農(nóng)機(jī)周?chē)h(huán)境的感知和農(nóng)機(jī)作業(yè)狀態(tài)的實(shí)時(shí)控制。

2.2.2 規(guī)劃系統(tǒng)

依據(jù)無(wú)人駕駛農(nóng)機(jī)作業(yè)任務(wù)需求，其主要需求和任務(wù)完成的技術(shù)指標(biāo)有多機(jī)作業(yè)任務(wù)、多機(jī)協(xié)同作業(yè)、農(nóng)田中多個(gè)農(nóng)機(jī)之間互相配合的規(guī)劃路徑。不同的作業(yè)場(chǎng)景涉及不同的路徑規(guī)劃，主要場(chǎng)景為農(nóng)田作業(yè)的耕、種、管、收四個(gè)環(huán)節(jié)。為確保農(nóng)機(jī)無(wú)人駕駛作業(yè)的安全性，需要在路徑規(guī)劃中引入電子圍欄，規(guī)避由于信號(hào)和作業(yè)過(guò)程中特殊情況而引起的車(chē)輛失控風(fēng)險(xiǎn)。

農(nóng)業(yè)場(chǎng)景中常采用的作業(yè)路徑有魚(yú)尾轉(zhuǎn)彎掉頭、梨形轉(zhuǎn)彎掉頭、套圈的規(guī)劃路徑，無(wú)人駕駛農(nóng)機(jī)在農(nóng)田中按照規(guī)劃好的路徑完成作業(yè)需求。

2.2.3 作業(yè)系統(tǒng)

依據(jù)上述行駛系統(tǒng)的控制技術(shù)路線(xiàn)與方案，農(nóng)機(jī)功能系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制同樣采用集成控制器、電動(dòng)推桿執(zhí)行機(jī)構(gòu)、電液閥、執(zhí)行液壓油缸、角度傳感器、壓力傳感器、非接觸式接近開(kāi)關(guān)等完成各項(xiàng)功能的遠(yuǎn)程自動(dòng)控制、在線(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和閉環(huán)控制信息的反饋。

3 結(jié)論

通過(guò)農(nóng)機(jī)無(wú)人駕駛自動(dòng)控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)耕、種、管、收作業(yè)過(guò)程中的無(wú)人操控，提高農(nóng)機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)水平，延長(zhǎng)使用壽命，提高工作效率，縮短農(nóng)作物各環(huán)節(jié)的作業(yè)時(shí)間，不僅提高了農(nóng)作物的產(chǎn)量，而且降低了農(nóng)作物的自然損失，同時(shí)避免人工作業(yè)過(guò)程中由于搶收而長(zhǎng)時(shí)間疲勞駕駛導(dǎo)致的不當(dāng)操縱引起對(duì)農(nóng)機(jī)本體的損傷和人身的傷害。無(wú)人駕駛系統(tǒng)在農(nóng)機(jī)上的應(yīng)用，不僅推動(dòng)了智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展，同時(shí)也加速了大規(guī)模甚至超大規(guī)模無(wú)人農(nóng)場(chǎng)的建設(shè)與發(fā)展，推動(dòng)了農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展進(jìn)程。

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