拖拉機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航與換擋控制技術(shù)研究

趙 宇

(黑河市愛輝區(qū)農(nóng)業(yè)綜合行政執(zhí)法大隊(duì)，黑龍江 黑河 164300)

0 引言

隨著我國科技水平的不斷進(jìn)步，農(nóng)業(yè)機(jī)械在研發(fā)、生產(chǎn)、使用的各個(gè)環(huán)節(jié)都得到顯著改善，農(nóng)機(jī)產(chǎn)品的工作能力和可靠性實(shí)現(xiàn)了快速提高，農(nóng)業(yè)機(jī)械在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的方方面面發(fā)揮了巨大作用。現(xiàn)階段，農(nóng)業(yè)機(jī)械的使用有效減少了農(nóng)民的勞動(dòng)量，農(nóng)民參與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的過程得到了改善，但農(nóng)業(yè)機(jī)械的使用仍需要人工駕駛和操作，不僅需要具有一定專業(yè)能力的農(nóng)機(jī)駕駛員進(jìn)行駕駛，還可能受到駕駛習(xí)慣、操作規(guī)范性等影響而降低作業(yè)質(zhì)量?，F(xiàn)階段，隨著農(nóng)村勞動(dòng)力向城市轉(zhuǎn)移，農(nóng)機(jī)智慧生產(chǎn)的需求進(jìn)一步凸顯，智慧農(nóng)機(jī)逐漸成為農(nóng)機(jī)產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展的主要方向。自動(dòng)導(dǎo)航與換擋控制技術(shù)是農(nóng)機(jī)自動(dòng)行駛的兩大重要技術(shù)，也是智慧農(nóng)機(jī)無人化作業(yè)的基礎(chǔ)，在拖拉機(jī)上應(yīng)用自動(dòng)導(dǎo)航與換擋控制技術(shù)能更好地保障拖拉機(jī)的規(guī)范作業(yè)，實(shí)現(xiàn)智慧生產(chǎn)、精確生產(chǎn)、高效生產(chǎn)。

1 農(nóng)用自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)現(xiàn)狀

農(nóng)用自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)早在1924年就被提出，早期的應(yīng)用集中于拖拉機(jī)的自動(dòng)行駛方面，至今，美國等西方發(fā)達(dá)國家對(duì)于農(nóng)用自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)的研究已經(jīng)持續(xù)了近百年。截至2020年底，美國使用的農(nóng)業(yè)機(jī)械上配套的自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)已超過90%，此外，荷蘭、日本、德國等發(fā)達(dá)國家的農(nóng)用導(dǎo)航技術(shù)應(yīng)用率也很高，有效節(jié)約了人力資源成本。

相對(duì)而言，我國對(duì)于農(nóng)用自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)的研究起步較晚，在進(jìn)入21世紀(jì)以后的20余年才重點(diǎn)對(duì)農(nóng)用自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)展開研究與應(yīng)用，且在2010年以后，隨著我國北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的完善，農(nóng)業(yè)導(dǎo)航領(lǐng)域與北斗衛(wèi)星技術(shù)實(shí)現(xiàn)了良好結(jié)合，導(dǎo)航技術(shù)的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)實(shí)現(xiàn)快速突破。截至2019年底，我國具有自主技術(shù)的農(nóng)用導(dǎo)航設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)已達(dá)24家，為農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航的技術(shù)實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造了有利條件。現(xiàn)階段，自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械上的應(yīng)用和研究重點(diǎn)集中在拖拉機(jī)產(chǎn)品上，并在拖拉機(jī)上應(yīng)用成功后逐漸向聯(lián)合收獲機(jī)、水稻插秧機(jī)等農(nóng)機(jī)上應(yīng)用[1]。2018年中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院賈全等[2]研究了一種拖拉機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)自適應(yīng)控制方法，利用自適應(yīng)滑模控制算法解決了機(jī)械間隙、死區(qū)、摩擦等產(chǎn)生的導(dǎo)航控制干擾問題，并對(duì)前輪轉(zhuǎn)角的多個(gè)傳感器進(jìn)行融合測(cè)量，避免了傳感器故障影響自動(dòng)導(dǎo)航與控制，相關(guān)研究更好地保障了復(fù)雜農(nóng)田環(huán)境下的自動(dòng)導(dǎo)航；2021年安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)查家翼等[3]以無人智慧農(nóng)場(chǎng)對(duì)農(nóng)機(jī)的要求為出發(fā)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了拖拉機(jī)作業(yè)機(jī)組無人作業(yè)協(xié)同控制系統(tǒng)，提出了自適應(yīng)預(yù)瞄路徑跟蹤控制算法，有效提升路徑跟蹤控制精度，使拖拉機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航直線行駛的偏移誤差控制在0.035 m，轉(zhuǎn)彎行駛的偏移誤差控制在0.280 m，有效保證了拖拉機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航精確性。2021年，羅錫文院士團(tuán)隊(duì)在全國11個(gè)省啟動(dòng)建設(shè)15個(gè)無人農(nóng)場(chǎng)示范基地，智能導(dǎo)航拖拉機(jī)(圖1)能夠配套多種農(nóng)機(jī)具在無人監(jiān)管條件下自動(dòng)完成農(nóng)業(yè)生產(chǎn)任務(wù)[4]。

圖1 拖拉機(jī)導(dǎo)航控制無人化作業(yè)

2 拖拉機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)

2.1 定位及導(dǎo)航技術(shù)

衛(wèi)星定位與智能導(dǎo)航是自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，衛(wèi)星定位的精準(zhǔn)性與導(dǎo)航系統(tǒng)的邏輯性直接影響自動(dòng)導(dǎo)航控制的精確性。

2.1.1 定位技術(shù)

現(xiàn)階段，我國農(nóng)業(yè)應(yīng)用的衛(wèi)星定位系統(tǒng)主要包括我國北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)(BDS)和美國全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)兩大類，隨著我國自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)逐漸成熟，自主生產(chǎn)的拖拉機(jī)產(chǎn)品與北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)的匹配度逐漸升級(jí)，北斗衛(wèi)星定位的精確性也得到了提升。拖拉機(jī)衛(wèi)星定位的傳統(tǒng)技術(shù)是單點(diǎn)的動(dòng)態(tài)定位，是單純依靠拖拉機(jī)上安裝的衛(wèi)星定位模塊對(duì)作業(yè)位置進(jìn)行定位的形式，受到距離和信號(hào)偏差的影響，作業(yè)精度僅能達(dá)到10～15 m，難以滿足精確農(nóng)業(yè)的作業(yè)要求。隨著衛(wèi)星定位技術(shù)的升級(jí)，實(shí)時(shí)差分動(dòng)態(tài)定位(RTK)技術(shù)逐漸在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用，與傳統(tǒng)的單點(diǎn)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)對(duì)比，實(shí)時(shí)差分動(dòng)態(tài)定位是利用地面衛(wèi)星基站與拖拉機(jī)上的衛(wèi)星定位模塊配合完成的定位方式(圖2)，能夠提高衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和定位修正的精確性，用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的實(shí)時(shí)差分動(dòng)態(tài)定位技術(shù)可使拖拉機(jī)的定位精度達(dá)到厘米級(jí)，且?guī)缀醪淮嬖诙ㄎ谎訒r(shí)問題，使生產(chǎn)作業(yè)的精確性得到有效提升。

圖2 實(shí)時(shí)差分動(dòng)態(tài)定位(RTK)技術(shù)原理

2.1.2 導(dǎo)航技術(shù)

導(dǎo)航技術(shù)是建立在衛(wèi)星定位的基礎(chǔ)上，綜合農(nóng)田地理信息、衛(wèi)星標(biāo)記的農(nóng)田邊界、拖拉機(jī)衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)等實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)行駛路線規(guī)劃、行駛速度指導(dǎo)、行駛路線監(jiān)測(cè)、行駛速度監(jiān)測(cè)、行駛偏差警示等功能。主要是通過3顆以上的衛(wèi)星完成定位數(shù)據(jù)并通過計(jì)算機(jī)數(shù)學(xué)模型運(yùn)算，對(duì)于農(nóng)機(jī)行駛的全過程進(jìn)行規(guī)劃，結(jié)合農(nóng)業(yè)作業(yè)特征完成跟蹤、測(cè)量、計(jì)算及預(yù)報(bào)等功能，幫助農(nóng)機(jī)在精確位置指導(dǎo)下完成行駛工作?，F(xiàn)階段的衛(wèi)星導(dǎo)航還可結(jié)合激光導(dǎo)航、視覺導(dǎo)航、雷達(dá)導(dǎo)航等技術(shù)實(shí)現(xiàn)更加精確的定位與環(huán)境感知，逐漸實(shí)現(xiàn)智能導(dǎo)航。

2.2 自動(dòng)控制技術(shù)

自動(dòng)控制技術(shù)是將傳統(tǒng)的拖拉機(jī)技術(shù)與現(xiàn)代化的電氣控制技術(shù)相結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)拖拉機(jī)部分功能或全部功能的實(shí)時(shí)控制。一方面，通過傳感器等感知設(shè)備檢測(cè)拖拉機(jī)的各個(gè)零部件狀態(tài)，包括轉(zhuǎn)速、溫度、振動(dòng)等，明確機(jī)具狀態(tài)是否正常，并檢測(cè)拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向角度、行駛速度等是否符合系統(tǒng)控制的要求，以便檢測(cè)控制動(dòng)作執(zhí)行的正確性。另一方面，結(jié)合衛(wèi)星定位、視覺識(shí)別、傳感器等硬件設(shè)備(圖3)所獲取的數(shù)據(jù)信息，通過電動(dòng)機(jī)、電控原件替代人工進(jìn)行開關(guān)控制、轉(zhuǎn)向控制、換擋控制等，從而免去部分或全部的人工操作過程。同時(shí)，自動(dòng)控制技術(shù)還要依托軟件技術(shù)，通過系統(tǒng)設(shè)計(jì)拖拉機(jī)導(dǎo)航行駛控制的流程，根據(jù)不同的作業(yè)模式選擇適當(dāng)?shù)男旭偪刂品绞?，將軟件系統(tǒng)與硬件系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)以保證控制流程的合理性。

圖3 自動(dòng)控制的硬件需求

2.3 通訊技術(shù)

通訊技術(shù)是拖拉機(jī)獲取信息的主要途徑，是拖拉機(jī)控制系統(tǒng)控制各個(gè)工作部件的依托，其通過電訊號(hào)、電磁波、光信號(hào)等進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)或指令從發(fā)送端到接收端的傳遞。并實(shí)現(xiàn)不同種類信號(hào)信息的編碼、轉(zhuǎn)換、識(shí)別、解碼、分類、存儲(chǔ)。其集成了電路技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、無線電技術(shù)、數(shù)字技術(shù)等，能保證控制過程的實(shí)時(shí)性與準(zhǔn)確性。

2.4 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)是對(duì)拖拉機(jī)進(jìn)行控制的系統(tǒng)總成，其功能是保證拖拉機(jī)按照預(yù)定的功能完成行駛、調(diào)節(jié)等控制功能，確保整機(jī)處于軟件系統(tǒng)的功能覆蓋下，控制系統(tǒng)根據(jù)硬件技術(shù)原理可分為繼電器控制、接觸器控制、控制器控制、可編程控制、觸點(diǎn)控制、無觸點(diǎn)邏輯控制等多種類型?？傮w上看，控制系統(tǒng)根據(jù)有無信號(hào)反饋功能可分為開環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)，開環(huán)控制系統(tǒng)是將數(shù)據(jù)或指令直接傳輸給控制器，由控制器直接對(duì)拖拉機(jī)進(jìn)行控制，這種方式雖然成本低，技術(shù)簡單，但是控制精度低，容易受多種因素的影響，不適用于先進(jìn)、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的中大型拖拉機(jī)。閉環(huán)控制系統(tǒng)能夠?qū)⒎答佇盘?hào)與輸入的信號(hào)進(jìn)行綜合處理，將可能存在的誤差消除后，再傳輸給控制對(duì)象，從而提高拖拉機(jī)控制的精確性，閉環(huán)控制系統(tǒng)應(yīng)用成本較高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但是控制精度高、反應(yīng)速度快，適合先進(jìn)機(jī)型。

3 換擋控制技術(shù)

3.1 換擋控制技術(shù)的功能

換擋控制是拖拉機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)，傳統(tǒng)的人工操作，拖拉機(jī)在復(fù)雜的生產(chǎn)作業(yè)過程中常因換擋邏輯的不合理造成作業(yè)阻力增大、耕整地作業(yè)質(zhì)量下降等問題。但要實(shí)現(xiàn)拖拉機(jī)的自動(dòng)換擋，其難度比汽車的自動(dòng)換擋高很多。一方面拖拉機(jī)作為重要的牽引設(shè)備，其使用過程中常需提供連續(xù)的牽引力，在較大的負(fù)載作用下，拖拉機(jī)換擋過程若出現(xiàn)動(dòng)力中斷則會(huì)嚴(yán)重影響使用功能。因此，研究不間斷的動(dòng)力換擋是拖拉機(jī)換擋控制技術(shù)的關(guān)鍵。另一方面，換擋控制過程需充分考慮農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程的環(huán)境條件和不同的作業(yè)模式，能夠適應(yīng)耕整地、植保、收獲等不同作業(yè)下?lián)Q擋邏輯的需求，需具備多種可選擇的換擋邏輯。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)

3.2.1 電液控制技術(shù)

近年來，拖拉機(jī)的電液控制技術(shù)應(yīng)用得到了有效升級(jí)，在拖拉機(jī)換擋自動(dòng)控制的過程中，應(yīng)用電液控制技術(shù)能夠保證在施加力精準(zhǔn)的條件下快速完成換擋過程，并減少換擋摩擦片的磨損損壞問題，電液控制技術(shù)主要通過電液比例閥控制液壓裝置的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)液壓油流量及壓力的調(diào)整，并通過相關(guān)液壓裝置替代傳統(tǒng)的人工換擋操作功能。

3.2.2 換擋策略

拖拉機(jī)的換擋控制策略主要參照人工駕駛過程的操作習(xí)慣進(jìn)行設(shè)計(jì)，重點(diǎn)的控制項(xiàng)目包括行駛速度、油門大小、扭矩輸出等。通過合理設(shè)計(jì)關(guān)鍵項(xiàng)目的參數(shù)，能實(shí)現(xiàn)牽引力最佳輸出，燃油效率得到合理控制。尤其對(duì)于拖拉機(jī)頻繁換擋、起步、剎車的復(fù)雜使用情況，將換擋策略與邏輯控制策略相結(jié)合，利用多離合器組合的方式智能控制，能更好實(shí)現(xiàn)拖拉機(jī)作業(yè)過程的動(dòng)力不間斷換擋。

3.2.3 離合器技術(shù)

離合器是換擋品質(zhì)的重要影響因素，要實(shí)現(xiàn)拖拉機(jī)的動(dòng)力不間斷換擋，至少需要兩組離合器進(jìn)行自動(dòng)控制下的相互配合。現(xiàn)階段，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的先進(jìn)拖拉機(jī)多采用濕式離合器替代了傳統(tǒng)的干式離合器，使離合器摩擦片的使用壽命得到了顯著提升，尤其在拖拉機(jī)自動(dòng)換擋的過程中，兩個(gè)甚至多個(gè)離合器頻繁切換和工作，要求離合器必須具有較長的使用壽命，因此離合器技術(shù)的持續(xù)提升是保證拖拉機(jī)自動(dòng)換擋功能優(yōu)化的關(guān)鍵。

4 結(jié)語

隨著農(nóng)機(jī)自動(dòng)化與農(nóng)機(jī)智能化理念的普及與應(yīng)用，拖拉機(jī)技術(shù)的優(yōu)化升級(jí)已經(jīng)迫在眉睫，為實(shí)現(xiàn)拖拉機(jī)作業(yè)的智能化，研究在導(dǎo)航技術(shù)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)拖拉機(jī)自動(dòng)行駛與自動(dòng)換擋的控制，是未來發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的重要工作。導(dǎo)航技術(shù)與換擋技術(shù)的合理應(yīng)用，也能為拖拉機(jī)配套不同農(nóng)機(jī)具的高效率高質(zhì)量作業(yè)奠定良好基礎(chǔ)，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的無人化作業(yè)創(chuàng)造有利條件。