農機自動駕駛設備作業檢測系統的設計與實現

彭 川 ， 戢 敏 ， 宮霞霞 ， 王 輝

（成都大學機械工程學院，四川 成都 610000）

隨著智慧農業戰略的實施及農村年輕勞動力的轉移，無人大田農業將成為未來農業發展的重要方向。農機自動駕駛設備是智慧農業建設的重要支撐，是我國機械制造技術發展的具體體現。農機自動駕駛設備的核心是能夠依照空間變異定時、定位實現精準化作業[1]。其核心技術就是利用北斗導航系統將航模模塊采集的數據作為控制系統感知參數，以此根據系統預設指令控制自動駕駛設備的方向盤、轉動電機等系統，從而代替人工實現自主作業。據統計，目前國內外控制自動駕駛設備的檢測系統主要采用RTK獲得設備作業的軌跡，將作業軌跡數據與標記的地面實時點進行對比獲得作業誤差值，并對誤差值進行調整。此種檢測方式操作比較復雜、工作效率較低，測量設備RTK精度只能控制在厘米級范圍，農機自動駕駛設備的作業精度有待進一步提升。筆者結合相關研究構建超寬帶通信（UWB, Ultra Wide Band）基站-標簽作為檢測傳感器的檢測系統。

1 UWB技術概述

近年來，UWB技術在無線通信傳輸領域得到廣泛應用，是精準定位技術之一。隨著我國人工智能技術的發展，UWB技術在農機自動駕駛設備中的應用越來越廣，我國農機自動駕駛設備從芯片、終端競爭轉化為地基增強站的競爭。通過綜合相關文獻資料，國內學者對UWB技術作出了諸多研究貢獻：林相澤等[2]利用 K-means 聚類與截段處理方法對距離測量誤差進行優化設計，以此提高了對農機車輛的準確定位，從而有效提升了農機作業的精度；符世琛等[3]在狹長巷道內利用超寬帶定位技術實現了掘進機的三維空間內厘米級定位和自主導控。通過分析不難看出上述研究主要是在農業作業區域邊界設置3個以上的UWB基站，通過偽衛星法采集農機本體上UWB標簽與UWB基站的實時距離，確定作業機具在作業區域內的實時位置坐標。在小范圍農業作業或者經常更換作業地塊設置UWB基站不現實，文章基于UWB 基站-標簽相對測距信息，設計了改進信號到達角度（AOA, Angle of Arrival）模式的農業機械導航參數檢測方法。

2 農機自動駕駛設備檢測系統的總體設計

基于UWB的檢測系統主要是在農田邊界設置雙UWB基站作為導航參數，在自動駕駛農機上布置雙UWB標簽，利用UWB基站-標簽實時測距信息，從而實現自動駕駛農機的實時檢測。

據研究，農田邊界設置雙UWB基站主要有兩種方式：垂直作業路徑的布置方式和平行作業路徑的布置方式。影響自動駕駛農機作業軌跡的主要因素是自動駕駛農機車身雙UWB標簽與UWB基站的信號角度，二者之間存在一定的測距誤差。平行作業路徑的布置方式需要計算UWB標簽與雙UWB基站的方位角，會導致自主導航參數的檢測誤差比較大。文章采取平行作業路徑的布置方式[4]，具體如圖1所示。

圖1 田邊雙UWB基站布置示意圖

橫向偏差主要是自動駕駛農機中心點與雙UWB基站中心軸線的垂直距離和目標作業路徑距離之差。航向偏差則是自動駕駛農機車身縱向中心軸線或橫向中心軸線與目標作業路徑的夾角[5]。為了提升檢測的準確性，自動駕駛農機車身的雙UWB標簽安裝采取雙基站-縱向雙標簽布置方式如圖2所示。

圖2 雙基站-縱向雙標簽布置方式

農田自動駕駛導航檢測系統主要包括以下部分：2組UWB基站-標簽套件（DWM1000UWB模塊，其功能主要是測量距離小于300 m，測量精度在±5 cm）、控制器、人際交互顯示屏以及RS485通信接口等元件。其工作原理如下：由安裝在農機自動駕駛設備中的控制器檢測UWB標簽1和UWB標簽2與雙UWB基站間的實測距離，基站與標簽間的距離信息主要根據雙向雙邊測距離算法自行解算，控制器并不參與距離的實際算法，僅負責接收并且解析UWB標簽輸出的測距信息。控制器在接收到相關信息后，按照預定的模型計算自動駕駛設備的橫向偏差和導航偏差，通過通信接口輸出固定的數據幀格式如表1所示。控制系統將計算的相關數據通過PC機構成的導航系統檢測到的相關數據發出相應指令，以此實現農機自動駕駛設備的精準作業。當檢測到自動駕駛出現偏航后，控制器會及時將偏航信息傳給控制系統，控制系統發出調整指令，從而實現精準控制[6-7]。

表1 導航參數數據幀結構表

3 自動駕駛農機檢測系統的驗證與結果分析

為了準確驗證基于雙UWB基站的自動駕駛農機檢測系統，采取靜態實驗和動態實驗相結合的方式。

3.1 靜態檢測驗證與結果分析

靜態實驗主要是在相對寬闊的場地上，選擇測量距離小于300 m、測距精度為±5 cm的正點原子開發板，按照相關規范要求，對自動駕駛農機進行直線導航精度檢測。試驗時以常見的自動駕駛拖拉機為例，設定雙UWB基站間接和雙UWB標簽間距為1 m、2 m和3 m，分別計算其作業的精準度。計算公式為：

式中，E為檢測精度（誤差）；di為第i個采樣點的檢測精度（誤差）；N為采樣個數。

通過綜合計算得出數據如表2所示。

表2 自動駕駛農機檢測系統的試驗結果

由表2可知，在基站間距相對固定的環境下，自動駕駛農機UWB標簽與雙UWB基站的間距越大，橫向偏差和航向偏差的檢測精度越高。在標簽間距固定的情況下，隨著基站間距的增加，自動駕駛農機的檢測精度隨之遞增。基站間距增大，橫向檢測誤差未超過8%、最大變異系數為10%，最小變異系數為7.29%，航向偏差檢測誤差小于1°，變異系數在3%以下，最大變異系數為2.55%，最小變異系數為0.40%，檢測精度穩定且基本滿足導航需求。因此，在滿足機具尺寸要求和系統使用便捷性的前提下，應選取較大的基站間距和標簽間距[8]。

3.2 動態驗證與結果分析

動態檢測主要是將UWB標簽搭載在自動制動底盤上，以均速的行駛速度采取采樣試驗。動態試驗設定低速、中速以及高速模式進行，通過綜合計算，當自動駕駛農機車速提升時，橫向偏差和航向偏差的精準度雖然有所降低，但是其變異系數小于10%，說明其在合理的范疇內，系統工作的性能比較穩定。當自動駕駛農機車速提高到8 km/h時，航向偏差檢測精度下降3%左右，由此可知，高速行駛對監測精度的影響比較大[9]。

4 構建自動駕駛農機檢測系統保障措施

4.1 優化自動駕駛設備車身設計

據調查，自動駕駛農機作業時，受工作面坡度及農作物生長環境的影響，農機在運動過程中會出現較大波動，從而影響檢測精度[10-12]。例如，當自動駕駛設備在經過坡度較高的地面時，車身的UWB標簽就會相對提高，UWB標簽與UWB基站的測距信號會受到影響。因此，為了保證檢測的準確性，需要調整自動駕駛農機的車身姿態角度，可以將UWB標簽提高到不低于地面2 m的距離，這樣在自動駕駛設備UWB標簽與UWB出現較小姿態角時能夠對導航參數進行誤差校正。據調查，俯仰角（自動駕駛農機縱向中心軸線與水平地面的夾角）和橫滾角（自動駕駛農機橫向中心軸線與水平地表面的夾角）是影響橫向偏差的主要因素，針對車身姿態角檢測誤差因素，對自動駕駛設備進行后校正處理的方式修正補償誤差[13]。

4.2 提高農機設計人才培養力度

構建自動駕駛農機檢測系統必須依托于高素質的機械設計人才，故我國很有必要加強高素質自動駕駛農機設計人才培養工作：一是高校要發揮育人作用，圍繞無人駕駛技術的發展趨勢，及時調整專業設置，培養符合智慧農業發展需要的高端人才。高校要為機械專業學生提供更多實踐鍛煉的機會，鼓勵高校機械設計人才加入科研創新團隊中，提升高校學生科技創新意識。二是現代農業機械設計人才要主動深入基層，了解自動駕駛設備在作業過程中存在的技術問題，并且針對問題進行技術攻關。

5 結論

總之，基于智慧農業戰略的實施，我國要大力發展自動駕駛農機技術，構建完善的自動駕駛農機檢測系統，提升自動駕駛農機作業的精準度。