拖拉機機組無人作業協同控制系統設計與試驗

楊 洋 查家翼 李延凱 王韋韋 許良元 陳黎卿

(1.安徽農業大學工學院， 合肥 230036； 2.合肥綜合性國家科學中心人工智能研究院(安徽省人工智能實驗室)， 合肥 230036)

0 引言

隨著農機裝備智能化水平的提高，無人農場已成為未來農業裝備智能化發展的趨勢[1]。無人農場要求拖拉機機組全程無人干預作業，拖拉機導航系統能夠顯著提高作業質量和作業效率，已大量推廣應用[2]。但當前缺少拖拉機無人駕駛與作業機組集成控制方面的研究。

拖拉機機組智能化研究主要分為拖拉機自動駕駛控制與機具智能控制兩部分[3-4]。當前，對拖拉機自動導航研究較為深入，主要基于差分全球定位系統(Difference global positioning system，DGPS)獲取位姿信息，通過對農機轉向機構進行線控改裝，采用基于模糊控制、純跟蹤模型等算法進行路徑跟蹤控制，完成農機自動導航控制[5-12]。

在機具作業的智能控制方面，當前對播種機研究較多，主要從漏播檢測、播深控制、播種機下壓力控制等方面開展研究，取得大量研究成果[13-14]。孫傳祝等[15]研發了馬鈴薯精密播種機智能控制系統，實現了播種株距和重種漏種的自動控制。吳南等[16]針對免耕播種機作業時存在漏播問題，設計了一種漏播自動補償系統。白慧娟等[17]設計了玉米播種機播深控制系統，提高了玉米播深合格率和一致性，并保持適宜的壓實度。高原源等[18]設計了一種多行播種機下壓力和播深控制器局域網絡(Controller area network，CAN)總線監控與評價系統，實現精密播種作業中播種下壓力和播深的實時監控和質量評價。此外，還有學者開展旋耕機耕深監測[19]、旋耕機自動調平系統設計[20]，以提高旋耕作業質量自動化監測水平和作業質量。

綜合以上研究，當前對于拖拉機導航和機具智能化設計，取得大量研究成果，但是對于拖拉機機組協同控制研究的較少。本文以拖拉機播種機組為研究對象，研究播種作業路徑規劃、拖拉機無人駕駛硬件設計、拖拉機播種機組協同控制等，以期為拖拉機機組無人作業提供技術支撐。

1 機組作業集成控制總體方案

作業集成控制系統總體設計方案如圖1所示，控制系統分為規劃層、決策層和執行層，通過設計機組控制策略，實現機組無人作業。規劃層由北斗定位模塊、作業路徑規劃模塊和作業路徑跟蹤模塊組成。其中，北斗定位模塊負責提供車體位姿信息；作業路徑規劃模塊用于規劃拖拉機機組作業路徑，包含播種機組作業軌跡、播種機具工作狀態控制標記信息；作業路徑跟蹤模塊用于拖拉機機組橫向/縱向運動控制。決策層硬件為工控機，決策層根據當前作業工況和農藝要求決策拖拉機機組動作指令，并通過CAN總線發送至執行層，實現控制拖拉機自動轉向機構、油門踏板、制動器、離合器自動執行以及機具提升機構的自動控制。執行層與決策層通過CAN總線完成通信。

圖1 無人作業機組集成控制系統總體方案Fig.1 Overall scheme of integrated control system for unmanned operation unit

如圖2所示，選擇黃海金馬554型拖拉機進行無人駕駛執行層改裝，設計直流電機驅動全液壓轉向器控制拖拉機轉向[21]，實現拖拉機橫向運動控制。通過帶有位置反饋的推桿電機控制離合器、制動器和油門踏板，實現拖拉機縱向運動控制。通過電機+減速器驅動后懸掛提升機構，在后懸臂旋轉軸位置安裝角度傳感器實現機具提升高度的閉環控制，通過播深標定，完成播種深度精確控制。

圖2 拖拉機無人播種機組Fig.2 Tractor unmanned seeding unit

拖拉機作業機組各個執行機構的CAN總線通信設計如圖3所示，選用CAN總線通信方式作為機組的控制網絡[22-23]，通信速率500 kb/s，通信介質為阻抗120 Ω雙絞線。數據傳輸采用CAN標準幀，并對其8位數據字節進行了重新定義。

圖3 CAN總線通信設計Fig.3 CAN bus communication design

為了提高作業機組控制的實時性，設定CAN報文的收/發頻率為50 Hz。為避免各子系統與上位機通信出現故障而產生危險，設定超過200 ms未接收到CAN報文，機組停止作業，并發出警報。

2 規劃層設計

2.1 作業路徑規劃

作業路徑規劃是無人作業關鍵環節之一，操作者輸入田塊邊界地理位置信息、播種幅寬、拖拉機轉彎半徑，自動生成一系列由經度/緯度點集構成的播種路徑。路徑規劃示意圖如圖4所示，包括直線播種區域和地頭轉向區域。圖中，H和W分別為田塊長度和寬度，m；A、B、C、D分別為田塊邊界點；b1為直線播種區域播種幅寬，m；b2為直線播種區與田塊左側邊界距離，m；b3為地頭轉向區域寬度，m。與此同時，在規劃全局路徑時將直線播種區域與地頭轉向區域的交點設定為播種機提升控制標記點，作為后期路徑跟蹤機具提升控制操縱標志點。

圖4 路徑規劃整體示意圖Fig.4 Overall schematic of path planning

根據田塊經度/緯度坐標計算田塊寬度和田塊長度

(1)

式中LlatA、LlatB、LlatD——田塊點A、B、D的緯度坐標，(°)

r——地球半徑，m

根據田塊長度、播種幅寬、播種區域田塊邊界距離，得到播種行數T表達式為

(2)

式中 int()——取整函數

播種軌跡由一系列經度/緯度坐標點集組成，直線播種區域第i(1≤i≤T)行點集的計算公式為

(3)

s——第i條直線路徑經度/緯度坐標點數量

d——直線段規劃相鄰兩點的間距,m

α——規劃播種段軌跡方向角，即播種軌跡與地球正北方向順時針夾角，(°)

?——起始規劃段播種軌跡方向角,(°)

地頭轉向區域路徑規劃模型如圖5所示，由兩段半徑為R的1/4圓弧與直線過渡段組成。

圖5 地頭轉向路徑規劃模型Fig.5 Ground steering path planning model

地頭轉向區域第i(1≤i≤T)個轉向區路徑規劃過程分為3個步驟，具體描述如下：

(1)規劃圓弧Wi,1Wi,2段。根據上文直線段規劃算法得到點Wi,1的經度/緯度坐標、表1查詢得到方向角θ2數值，以及已知圓弧半徑R，計算得出Wi,1Wi,2段圓弧圓心Oi,1點的經度/緯度坐標(LlonOi,1,LlatOi,1)。根據圓心Oi,1與Wi,1連線和正北方向可得出之間夾角θ3。

表1 規劃路徑參數選擇Tab.1 Selection of planning path parameters

圓弧Wi,1Wi,2段經緯度點集數量n計算式為

(4)

式中 Δθ——圓弧段相鄰規劃點的角度差,(°)

第i(1≤i≤T)行、第j(1≤j≤n)個點的經緯度坐標計算表達式為

(5)

θ——圓弧段中規劃點到所在圓心的連線與正北方向順時針夾角，(°)

其中方向角θ=θ3+k1jΔθ，θ3為Wi,1Oi,1兩點連線與正北方向夾角，k1為方向系數。

(2)直線段Wi,2Wi,3的起點坐標為圓弧Wi,1Wi,2段的Wi,2點坐標，規劃方法與上文直線播種區域規劃相同，其中方向角為θ4。Wi,2Wi,3段的點集數量g計算公式為

(6)

式中b4——地頭轉向區域路徑規劃模型Wi,1、Wi,4兩點之間距離,m

(3) 最后規劃圓弧段Wi,3Wi,4。根據式(5)重復步驟(1)中的流程，得到此圓弧段經緯度坐標點集。其中方向角θ=θ6+k2jΔθ，θ6為Wi,3、Oi,2連線與正北方向夾角，k2為方向系數。

上述提及的θ2、θ3、θ4、θ5、θ6、k1、k2以及b4參數值與i取值相關，具體關系見表1。

對播種區域與轉向區域銜接處坐標進行標記處理，為機具提升控制提供參考。將起點坐標標記紅色，按照“跳行”作業前行路徑依次對銜接處坐標點進行標記，紅色(起點)-黑色-紅色循環處理直至終點(黑色)。行數T取為10時全局路徑示意圖如圖6所示。

圖6 全局路徑規劃示意圖Fig.6 Schematic of global path planning

2.2 路徑跟蹤控制

圖7 自適應預瞄算法路徑跟蹤示意圖Fig.7 Schematic of path tracking based on adaptive preview algorithm

由于拖拉機機組田間作業涉及直線播種和地頭轉向行走，因此路徑跟蹤算法需要適應直線路徑跟蹤和曲線路徑跟蹤。本文設計路徑跟蹤方法如下：基于車體運動學模型，設置前視距離范圍(Lmin,Lmax)，確定預瞄點選擇范圍(Pmin,Pmax)。通過自適應預瞄算法遍歷預瞄點集合，計算出車體中心點Pt與預瞄范圍內任一點Pa形成的航向角φ集合，航向角集合計算公式為

(7)

式中 (xpa,ypa)、(xpt,ypt)——點Pa、Pt坐標

判斷預瞄范圍為直線段或者曲線段，在預瞄范圍內取中間點Pm,計算此點與點Pmax、Pmin間的斜率K1、K2，三點共線則為直線段，否則為曲線段。

基于阿克曼轉向模型得到前輪轉角ψ，計算公式為

(8)

基于自適應預瞄算法路徑跟蹤模型，采用Python軟件進行仿真，仿真效果如圖8所示，仿真結果橫向誤差如圖9所示。

圖8 路徑跟蹤仿真效果Fig.8 Path tracking renderings

圖9 仿真結果誤差曲線Fig.9 Error curve of simulation results

3 決策層設計

3.1 控制策略

拖拉機機組無人作業集成控制策略需要根據播種農藝要求，協同控制拖拉機油門踏板、制動器、離合器、轉向機構和機具提升機構。聯合控制策略由播種機組橫向運動控制、縱向運動控制和播種機具升降控制組成。結合農藝操作要求，無人播種作業集成控制規則如表2所示。

3.1 定向運動作為我國高校體育教育引進的新興項目，發展迅速，具有區別于其他運動項目的優勢，具有廣闊的發展前景。普通高校定向運動可持續發展需要以人為本，善于運用一切資源，聯合一切力量，多交流、多溝通、多學習，實現普通高校定向運動的自治和規范，以促進普通高校定向運動可持續發展。

播種機組作業時序圖如圖10所示，圖中，V0為停止速度，V1為中速，V2為低速。在起點位置控制機具下降至設定播深位置，按照表2中播種作業控制邏輯控制拖拉機播種機組田間作業；拖拉機路徑跟蹤過程中，檢測到播種暫停標記點時，拖拉機播種機組按照表2轉向段導航控制邏輯進行協同控制；拖拉機播種機組完成轉向后，檢測到播種開始標記點時，拖拉機播種機組按照表2中播種作業控制邏輯控制拖拉機播種機組田間作業。為了提高播種品質，實現播種深度一致，在進行作業過程涉及播種機提升/下降控制，拖拉機需要靜止。

表2 集成控制規則Tab.2 Integrated control job logic query

圖10 播種機組作業集成控制流程圖Fig.10 Flow chart of operation integrated control of seeding unit

3.2 仿真分析

采用Python軟件編制拖拉機播種機組無人作業集成控制系統，模擬拖拉機組無人播種。首先在工控機輸入田塊的經/緯度坐標，系統自動生成播種路徑，基于自適應預瞄算法進行路徑跟蹤，設定前視距離范圍為1～2 m，模擬播種機組路徑起點為上線點，直線作業速度設定10 km/h，轉向段速度設定5 km/h。由于拖拉機是簡化質點模型，當檢測到拖拉機質點位于標志位，拖拉機制動停止，機具模擬執行升降動作。

根據表2設計的播種作業動作的協同控制邏輯進行播種作業仿真，結果如圖11所示，其中起點藍色質點為簡化車體模型，路徑中藍色/紅色點分別為機具下降/提升控制標記點，路徑中青色段為播種工作段，紅色段為地頭轉向段。仿真結果表明：拖拉機轉向系統、動力系統、提升機構能夠按照預設播種農藝要求進行協同控制。

4 執行層設計

為實現無人作業，拖拉機的油門踏板、離合器、制動器以及機具提升機構需要協同控制。

4.1 轉向自動控制

自動轉向系統控制原理如圖12所示，主要由轉向控制器、轉向電機、車輪角度傳感器、蝸輪蝸桿減速器以及全液壓轉向器組成[21]。工控機通過CAN總線發送目標轉角指令至轉向控制器，轉向控制器輸出PWM方波控制直流電機，通過電機驅動全液壓轉向器控制前輪轉向。轉向控制采用PID控制算法，將車輪角度傳感器獲取的車輪實時轉角反饋至控制器形成閉環反饋，轉向控制結果如圖13所示。車輪±20°階躍信號平均偏差小于0.1°、最大偏差0.158°、超調量小于1%，可以滿足各種輪式農機的自動導航輔助駕駛轉向系統。

圖12 轉向系統控制原理圖Fig.12 Steering control schematic

圖13 自動轉向控制結果Fig.13 Rendering of automatic steering control

圖14 播種機組速度控制原理圖Fig.14 Schematic of speed control of seeding unit

4.2 動力系統控制

作業機組田間作業，需要對行走速度、發動機動力輸出以及拖拉機行走/停止進行聯合控制，機組動力系統控制原理如圖14所示。在拖拉機油門踏板、離合器、制動機構上新增帶位置反饋的推桿電機，通過控制推桿電機伸縮完成動力系統的聯合控制。動力系統控制器采用PID控制算法，同時將北斗導航實時測速結果與推桿電機伸縮量反饋至控制器，實現雙閉環反饋。

根據動力系統控制設計方案，在不同工況下多次對拖拉機進行速度控制測試，作業速度控制試驗結果如表3所示。

表3 速度控制試驗結果Tab.3 Test results of speed control

4.3 提升懸掛系統控制

機具精準提升控制是實現自動播種作業的關鍵環節，提升懸掛系統控制原理如圖15所示。采用直流電機驅動提升手柄完成機具提升動作，采用PID控制算法消除誤差。在提升臂旋轉軸位置安裝角度傳感器獲取提升臂旋轉角，反饋給控制器完成上懸臂旋轉角精確控制。然后通過試驗測試后懸臂旋轉角與播種深度之間的關系，標定播種深度。

圖15 提升臂控制原理圖Fig.15 Control schematic of lifting arm

給定20°階躍控制信號，提升臂控制響應結果如圖16a所示，提升臂從0°旋轉至20°，耗時11 s，超調量為0.92°，當提升臂旋轉到預設目標值后，穩定誤差為0.07°。提升臂旋轉角與播深關系如圖16b所示，播深與提升臂旋轉角近似為線性關系。

圖16 提升臂自動控制結果Fig.16 Results of automatic control of lifting arm

5 田間試驗

為驗證播種機組自動作業集成控制系統協同控制效果，2020年8月在安徽農業大學肥東試驗田(117°58′E、32°13′N)對播種機組進行田間試驗。在黃海金馬554型拖拉機平臺上設計集成自動導航與自動播種作業協同控制系統。基于 Python開發上位機軟件，下位機采用單片機進行控制，通過CAN總線進行數據通信。

規劃播種路徑為10行，在速度1.5 m/s下進行直線段運動，速度1.0 m/s下進行地頭轉向動作。試驗過程：①設定機組作業參數，首先自動生成播種作業路徑，機組初始上線位置偏差為1 m，路徑跟蹤前視距離范圍為1～2 m。②自動導航過程中通過對橫向運動機構、縱向運動機構以及提升機構進行集成控制，完成直線段播種動作、地頭轉向對行動作、速度變化等操作。③試驗過程中記錄機組位置信息、預瞄點位置信息、航向角、前輪轉角、橫向偏差、機具提升角、速度信息以及離合器、制動器、油門踏板狀態信息。

拖拉機播種機組作業路徑結果見圖17，機組按照預設路徑完成作業，播種機組路徑跟蹤時直線段橫向誤差均值為0.035 m，轉向段橫向誤差最大值為0.11 m。

圖17 無人播種路徑Fig.17 Unmanned seeding path

拖拉機播種機組無人作業協同控制結果如圖18所示，上位機通過CAN總線向下位機分別發送轉向機構、離合器、油門踏板、機具提升機構控制指令，執行機構能夠按照設定指令準確動作，完成無人播種作業。

拖拉機播種機組無人作業過程，轉向車輪執行角如圖18a所示，車輪轉向控制平均誤差0.45°、最大誤差2.53°。

拖拉機離合器和油門踏板控制結果如圖18b所示，離合執行結構和制動執行結構同步控制，離合執行百分比100%表示離合器完全分離，制動機構完全執行，拖拉機播種機組停車。當離合執行百分比為0時，表示離合器結合，拖拉機無制動，此時拖拉機行駛作業。拖拉機播種機組直線播種階段，油門開度控制目標為80%，地頭轉向階段，油門開度控制目標為30%，油門開度控制結果與預設控制目標一致。

圖18 集成控制系統協同控制結果Fig.18 Cooperative control results of integrated control system

機具提升機構控制效果如圖18c所示，機具提升響應時間為1.2 s、機具提升轉角超調量小于1.5°。

6 結論

(1)以拖拉機播種機組為研究對象，將拖拉機機組無人作業協同控制系統劃分為規劃層、決策層和執行層。根據播種作業農藝基本要求和拖拉機底盤運動學特性規劃播種作業路徑，制定拖拉機自動駕駛與播種作業動作協同控制策略，設計了無人播種作業集成控制系統。編制了無人播種作業集成控制仿真軟件，模擬拖拉機機組田間播種作業，仿真結果驗證了無人播種作業的可行性，提高了研發效率。

(2)完成了拖拉機轉向機構、機具提升機構、油門踏板、制動器、離合器等機構的線控設計，無人播種作業集成控制系統通過CAN總線實現拖拉機播種機組協同控制。田間試驗表明：拖拉機轉向機構、油門踏板、離合器、制動器、機具提升機構嚴格根據規劃層與決策層制定的控制指令協同動作。試驗過程轉向控制平均誤差0.45°，直線段橫向誤差均值為0.035 m，轉向段橫向誤差最大值為0.11 m；機具提升響應時間為1.2 s、機具提升轉角超調量小于1.5°；油門踏板、制動器、離合器均根據決策指令完成操縱動作。