基于衛星導航的農機自動駕駛控制技術研究

陳治瑀

(黑龍江省農業機械工程科學研究院，哈爾濱 150081)

0 引言

自2004年《中華人民共和國農業機械化促進法》實施以來，農機購置補貼政策在全國范圍內逐步實施，并得到不斷優化和升級。在農機購置補貼和一系列惠農政策的支持下，我國農業機械化水平得到了顯著提升，農業生產方式也向著高效率、精細化方向轉變。從國際化的農機發展趨勢來看，未來農業機械的技術不僅局限于自動化，更向著智能化與無人化轉變，這要求現階段的農機技術必須持續升級。自動駕駛技術是農機自動化和智能化的關鍵技術，農機應用自動駕駛技術后，在衛星定位技術的指引下，結合多種環境感知技術，能實現厘米級的駕駛精度，并顯著提高農業生產效率，使生產過程更加科學合理。

1 農機自動駕駛技術的研發情況

農機自動駕駛技術主要包括三大技術體系，分別為衛星定位技術、農機技術和電氣控制技術，其中衛星定位技術是農機自動行駛的核心技術。現階段的農機自動駕駛須通過衛星定位農機信息，才能按照預設的導航路徑行駛，在此基礎上，農機技術與電氣控制技術的結合也必不可少。農機技術的完善有利于農業機械的功能和結構趨于合理性，為電氣控制自動行駛打下基礎，根據電氣控制的需求，在農業機械的行駛控制系統中增設大量的傳感器、電控開關、電控執行器等元件，并對機械駕駛和動力系統、傳動系統進行可控化的系統改造，進而實現農業機械在衛星導航指引下、在電氣控制下的自動行駛。

我國對于農機自動駕駛技術的相關研究起步于20世紀初期，在之后的二十幾年里，農機技術、電控技術、計算機技術、衛星定位技術等都得到了快速發展，對于農機自動駕駛技術的研究也逐漸增多。陳寧等[1]對智能農機液壓轉向控制系統展開了研究，完成了液壓轉向控制系統的電路設計，利用linux+ARM+QT開發環境設計了自動駕駛軟件控制模式，實現了農業機械的自動轉向控制功能；賈全等[2]對拖拉機自動導航系統自適應控制方法進行了深入研究，提供了導航末端執行機構自適應滑模控制算法、前輪轉角多傳感器數據融合測量方法、實時動態尋優上線軌跡規劃方法等多種農機自動導航控制系統的算法和控制思路，實現了農機快速、準確地跟蹤期望軌跡；吳超等[3]針對農機視覺與GPS組合導航方法開展深入研究，利用無跡卡爾曼濾波器(UKF)來融合兩種導航方式，實現了自動轉彎尋優方法，優化了農機自動駕駛的轉彎過程，提高了農機自動駕駛的控制精度。盡管我國農業機械的自動導航駕駛技術研究起步較晚，但近年來已經積累了大量的理論基礎，并在各地建立了多個智慧農業示范園區，為農機自動駕駛技術的優化升級提供了實踐保證。

2 農機自動駕駛主要功能

2.1 衛星定位與導航路徑指引

衛星定位技術是獲取農機田間位置的關鍵技術，利用精確的衛星定位技術能實現農機位置的精確獲取，尤其在衛星定位的基礎設施逐漸完善的條件下，在農業機械中安裝衛星定位終端(圖1)后，衛星終端可通過與多個衛星的連接實現定位，并在地面衛星基站(圖2)的定位修正下實現厘米級的定位精度。在精準定位下，農機可沿衛星導航的路徑精準行駛，在正常情況下，農機行駛的實際位置與衛星定位的位置誤差可控制在3～5 cm范圍內[4]。

圖1 農機GPS終端和天線

圖2 農田中的地面基站

2.2 發動機的自動控制

通過在農業機械中增設自動駕駛智能控制終端及信號傳輸設備，能夠實現智能控制系統與發動機的有效連接。在現階段的大部分電控柴油機上都配置了具有智能控制特征的ECU，在自動駕駛的控制終端與發動機ECU連通后，可利用J-1939協議實現對發動機運行參數的實時控制，進而實現農機發動機的轉速、扭矩等參數的調整，確保發動機在合理的狀態下運轉，對于播種機、植保機等需要與行駛速度相匹配的機具，導航系統還能實現發動機參數與機具作業參數的高效匹配，確保農機作業的高效精確實施[5]。

2.3 農機駕駛的自動操控

通過對傳統人工駕駛方式的研究，模擬駕駛員的操作習慣，結合農業生產可能出現的各種情況，設計農機駕駛的自動操控邏輯，這一控制邏輯的設計需要針對不同的農機產品分別開展。例如，耕整地作業需考慮牽引力控制和液壓控制，植保作業需要擋位、發動機轉速與行駛速度的合理匹配等。因此，不僅要求農機自動行駛過程中能完成換擋、轉向等功能，還需要根據不同的生產模式自主選擇合適的操控方式，并包括對液壓系統的控制、燈光控制等，使自動駕駛的操控功能充分替代傳統的人工操控[6]。

2.4 農機的周邊環境感知

農業生產的田間環境十分復雜，農業機械僅依靠衛星導航定位來完成田間自動駕駛是不夠的，農機衛星導航僅能實現常規狀態下的自動駕駛，但若存在田間障礙物、人員闖入、深坑溝壑等突發問題，可能導致農業機械損壞或安全事故的發生。因此，農業機械的自動駕駛過程還需要進一步提升對環境的感知能力?，F階段，應用于農機的環境感知技術包括雷達技術、視覺識別技術、地理信息技術等，農業機械通過以上方式能夠更精確地獲取田間信息，甚至實現對壟作業、精準噴施等功能[6]。

2.5 工作狀態的實時監測

自動行駛的農業機械由于沒有駕駛員，則需要通過傳感器等設備實時監測機具的運行狀態，對于機具運轉過程存在的振動異常、溫度異常等進行及時警報，避免機具長期處于異常狀態行駛，造成重大損傷問題。

3 農機自動駕駛的關鍵技術

3.1 行駛路徑自動規劃技術

農業機械針對指定田塊的作業需要按照合理的路線行駛，通過地理信息系統獲取農田的邊界信息、地勢、內部障礙物等情況后，計算機系統會根據不同的農業生產工序和機械特點自動生成合理的行駛路徑方案圖。行駛路徑的規劃需要結合農作物種植方向、天氣情況、地形坡度、障礙物位置等，確保農業機械行駛路線的合理性[7]。

3.2 自動轉向控制技術

現階段的自動轉向控制技術有兩種形式，分別為自動控制方向盤轉向和直接驅動車輪轉向，這兩種控制方式的控制邏輯大致相同。在控制系統發出駕駛方案的相關指令后，轉向控制裝置利用角度傳感器快速獲取目前轉向輪的實時角度，計算出需要調整的轉向角度，然后驅動方向盤或轉向輪轉動，并驗證轉角是否合理，從而完成對轉向的自動控制。此外，轉向控制技術還具有直線行駛的保持功能，能通過小范圍修正行駛方向實現行駛直線度的保持。

3.3 農機自動變速器技術

農業機械的自動變速器與汽車自動變速器的工作狀態存在一定差異。由于很多農機具作業過程中需要發動機不間斷的運轉以保證生產過程的連續性和農機功能的正常發揮，因此農機自動駕駛所采用的變速器多應用動力換擋技術，這一技術通過換擋換向箱的模塊化設計實現。目前，動力換擋多采用兩個離合器聯接兩根輸入軸，動力傳遞相鄰各擋的被動齒輪交錯與兩輸入軸齒輪嚙合，實現與兩離合器的控制擋位切換的匹配關系，以滿足在不切斷動力的情況下進行換擋的需求[5]。

3.4 集成控制與診斷技術

在導航指引的路徑下，農業機械自動行駛的操作控制主要通過CAN總線通訊技術實現，通過將中央處理器與各個工作部件上布置的傳感器與控制器進行關聯，能夠實現整機的協調統一控制，各個部位的傳感器元件不僅能實現對機械執行動作的監控，還能獲取不同工作部位的狀態信息，中央處理器通過分析各個部位的運行信息能夠實現對機械狀態的判斷，并對可能存在的故障進行預警，控制農機停機或警示監管人員，避免農機故障的發生[8]。

4 結語

農業生產模式的不斷優化對于農機產品作業能力的需求越來越高，尤其是從智慧農機的角度出發，農業機械的自動化程度還應得到持續的優化與提升。自動駕駛技術作為農業機械智能化的基礎，應得到農機企業和科研院所的高度重視，對其開展技術優化與長期試驗，能促進自動駕駛技術早日在農業機械上得到普及。現階段，我國的農業機械自動導航駕駛技術還處于研究和優化階段，具有自動導航行駛功能的農業機械僅在小范圍試應用，大部分農業機械仍采用人工駕駛的單一模式。但相信隨著農機技術的進一步發展，農業生產的模式還將發生顯著變化，基于衛星導航的農機自動駕駛技術擁有廣闊的應用前景。