油菜無人播種作業(yè)兩退三切魚尾自動調頭方法

張朝宇 盧 邦 李 強 王登輝 熊子慶 丁幼春

(1.華中農業(yè)大學工學院， 武漢 430070； 2.農業(yè)農村部長江中下游農業(yè)裝備重點實驗室， 武漢 430070)

0 引言

長江中下游地區(qū)是我國冬油菜主要產區(qū)，油菜無人播種作業(yè)作為油菜全產業(yè)鏈智能化建設中重要環(huán)節(jié)之一，可以大幅度提高作業(yè)精度和勞動生產效率，實現節(jié)本增效[1-2]。無人播種作業(yè)過程田頭調頭換行起到關鍵銜接作用，調頭路徑規(guī)劃和控制效果直接影響對行精度與工作效率[3-4]。受我國南方地區(qū)土地和前茬作物影響，尤其是長江中下游稻油輪作區(qū)，土地規(guī)模小且土壤黏重[5]，無人播種作業(yè)過程田頭換行復雜。主要表現為調頭轉彎時輪胎容易滑移，換行后易產生較大初始橫向偏差，拖拉機沒有在作業(yè)路線上就進行下一行播種作業(yè)，導致對行精度不高，出現重播漏播現象，影響油菜播種作業(yè)質量。

保證自動對行作業(yè)質量的核心是實施良好的轉彎調頭方式和跟蹤控制方法[6-8]。學者們將兩行間的轉彎方式以最短路徑規(guī)劃分為無需調頭的Dubins曲線[9]和需要倒退的Reeds-Shepp曲線[10]，在農業(yè)應用中主要歸納為魚尾式[11]、Ω式[12]和C式[13-14]等。無人播種作業(yè)通常使用套行和梭行作業(yè)路徑，套行作業(yè)路徑更適用于大田塊下無人播種作業(yè)，其轉彎方式多為C式。吳才聰等[15]針對SF2104型拖拉機研發(fā)了自主駕駛與作業(yè)控制系統(tǒng)，實現了套行路徑下自動駕駛與作業(yè)。張聞宇等[16]設計了一種適用于2BFQ-6型油菜精量聯合直播機組導航的雙切圓尋線模型控制方法，該方法有效解決套行自動轉彎中兩條直線快速穩(wěn)定換線問題。但套行作業(yè)路徑對田塊寬度具有要求，難以適應南方土地規(guī)模小且分散地區(qū)無人播種的環(huán)境。梭行作業(yè)路徑對田塊適應性較好，可根據幅寬要求采取不同調頭方式，因此梭行作業(yè)路徑對實現我國南方小型分散性農田無人化作業(yè)有較大的意義。劉兆朋等[17]針對高地隙噴霧機基于純追蹤方法設計了田頭轉向控制器，實現在梭行路徑下自動完成水泥路面、旱地和水田的噴霧作業(yè)。YIN等[18]基于SPV-6C型插秧機的最小轉彎半徑規(guī)劃作業(yè)路徑與跟蹤控制系統(tǒng)，實現了插秧機在小幅寬下田頭C式自動轉彎。李革等[19]以改造的井關PZ60型插秧機為平臺，基于改進的純追蹤算法實現兩行間Ω式轉彎路徑的跟蹤。CARIOU等[20-21]針對機器人小車在相鄰路徑調頭問題，基于回旋曲線的調頭模型優(yōu)化了調頭時間和調頭區(qū)域面積。張朝宇等[22]針對履帶式油菜播種機特性設計的一套無人播種系統(tǒng)可完成小地塊弓字路徑下的油菜無人播種。適用于梭行作業(yè)調頭方式中C式研究較成熟，但受機具幅寬小于拖拉機最小轉彎半徑影響，難以滿足小規(guī)模土地中油菜精量直播機的自動調頭操作；適用于小規(guī)模土地目前已有的調頭方式中，Ω式可實現小田塊調頭，但田頭未作業(yè)區(qū)域面積較大；而田頭未作業(yè)區(qū)域面積較小的魚尾式受拖拉機動力換向和動力換擋技術不成熟的影響，目前相關研究較少。

針對油菜無人播種實際需求，為減小油菜無人播種作業(yè)系統(tǒng)的調頭產生的未作業(yè)區(qū)域面積，提高作業(yè)對行精度，本文以CaseTM1404型拖拉機為平臺擬構建一套油菜無人播種作業(yè)系統(tǒng)，依據幾何學和運動學提出一種兩退三切魚尾調頭模型，基于該模型改進模糊自適應純追蹤控制器，通過模擬駕駛員作業(yè)規(guī)范設計聯合作業(yè)控制策略。開展兩退三切魚尾調頭模型與傳統(tǒng)魚尾調頭模型田頭未作業(yè)區(qū)域面積仿真對比試驗；并進行路面和田間試驗，以驗證兩退三切魚尾調頭方法在油菜無人播種作業(yè)中的可行性和對行精度。

1 油菜無人播種作業(yè)系統(tǒng)

1.1 平臺整體結構

油菜為旱地作物，南方油菜田內每行兩側設有一條排水溝，2BFQ-8型油菜精量直播機作業(yè)可一次性完成壓茬、主動開溝、廂面覆土、精量播種及施肥[1]。為滿足無人播種作業(yè)需求，構建一套油菜無人播種作業(yè)系統(tǒng)，如圖1所示，系統(tǒng)組成主要包括：CaseTM1404型拖拉機、北斗高精度定位系統(tǒng)、角度傳感器、車載控制器、CAN分析儀、工控計算機、電控方向盤和2BFQ-8型油菜精量直播機[24]。

圖1 油菜無人播種作業(yè)系統(tǒng)組成Fig.1 Composition of rapeseed unmanned seeding operation system1.北斗定位接收天線 2.角度傳感器 3.CAN分析儀 4.車載控制器 5.2BFQ-8型油菜精量直播機 6.工控計算機 7.電控方向盤

油菜無人播種作業(yè)系統(tǒng)技術參數如表1所示，拖拉機牽引油菜精量直播機，直播機通過動力輸出帶動風機，直播機工作時，8行排種器定量排出連續(xù)均勻的種子流，實現精量播種、施肥、覆土開溝一體作業(yè)。

表1 油菜無人播種作業(yè)系統(tǒng)技術參數Tab.1 Technical parameters of rapeseed unmanned seeding operation system

1.2 控制系統(tǒng)結構

油菜無人播種作業(yè)控制系統(tǒng)結構框圖如圖2所示，主要由傳感裝置、控制模塊和執(zhí)行模塊組成，傳感裝置由北斗高精度定位系統(tǒng)M600雙天線北斗RTK移動站(上海司南衛(wèi)星導航技術股份有限公司)和角度傳感器(424A10A060型角度傳感器，分辨率0.1°，測量范圍0°～90°)組成，高精度北斗RTK通過網絡載波相位動態(tài)實時接收定位信息，角度傳感器安裝在前輪右側轉向銷軸上可直接讀取前輪轉角。控制模塊由CAN分析儀(CANOpenJ1939型，珠海創(chuàng)芯科技有限公司)、車載控制器(NMC308型)和工控計算機(LegionY7000P型)組成，無人播種作業(yè)軟件在工控計算機上編寫，通過CAN分析儀與拖拉機車載控制器進行通訊。執(zhí)行模塊由電控方向盤(上海聯適導航技術有限公司)和油菜精量直播機組組成，工控計算機通過串口通訊與移動站和電控方向盤進行數據交互和轉向控制，通過CAN分析儀控制油菜精量直播機組速度、制動器、離合器、機具升降機構和PTO。

圖2 控制系統(tǒng)總體結構框圖Fig.2 Overall structure of control system

2 拖拉機導航兩退三切魚尾調頭模型

2.1 調頭模型

油菜無人播種作業(yè)路徑通常由平行線段組成，直播機需要在不同的作業(yè)軌跡之間進行對行切換。在田塊面積較小的情況下，魚尾調頭方式是一種接近人駕駛習慣的調頭方式，魚尾調頭路徑可分為2類：①由1段直線軌跡和2段圓弧相切軌跡組成調頭路徑(圖3a)。②由3段圓弧相切的軌跡組成調頭路徑(圖3b、3c)。

調頭初始橫向偏差為完成一次調頭后車輛與換行后目標直線的橫向偏差，為避免調頭過程中拖拉機滑移造成初始橫向偏差過大，導致未上線就開始進入下一條直線跟蹤，基于以上原則設計一種兩退三切魚尾調頭路徑。如圖3c所示，在第1行完成播種作業(yè)后規(guī)劃一條倒退路徑AB，AB長度為機具長度，在不碾壓已作業(yè)區(qū)域的情況下有效利用土地資源；由幾何關系得出換行到第2行線上的最短魚尾路徑；再通過第2行起始處規(guī)劃出1條倒退路徑EF，EF長度為一個車身長度，倒退過程模擬人駕駛時的對行調整，實現在未作業(yè)區(qū)域面積較小的情況下精準換行。

圖3 魚尾調頭幾何模型Fig.3 Geometry relations of fishtail U-turn

基于調頭路徑幾何關系建立3種魚尾調頭模型，如圖3所示，以點B為原點，第1行作業(yè)線為Y軸，方向為Y軸正向，其中θ1、θ2、θ3分別是以點O1、O2、O3為圓心的夾角。定義Ls為調頭長度，Lt為田頭預留長度，R為拖拉機轉彎半徑，設點E為(x，y)，其中x為機具幅寬，y為機具長度，且x

Lsa=Rθ1+LCD+Rθ3=R(θ1+θ3)+2R-LAE

(1)

式中Lsa——T型魚尾調頭路徑長度，m

根據幾何關系可得到點D坐標為(-R+x+Rcosθ3，y+Rsinθ3)，點C坐標為(R-Rcosθ1，y+Rsinθ1)。

Lsb=Rθ1+Rθ2+Rθ3=R(θ1+θ2+θ3)

(2)

式中Lsb——切圓魚尾調頭路徑長度，m

根據幾何關系可得點D坐標為(-R+x+Rcosθ3，y+Rsinθ3)，點C坐標為(R-Rcosθ1，y+Rsinθ1)。得到θ1和θ3的幾何關系為

(3)

Lsc=LAE+Rθ1+Rθ2+Rθ3+LEF=LAE+R(θ1+θ2+θ3)+LEF

(4)

式中Lsc——兩退三切魚尾調頭路徑長度，m

根據幾何關系可得到點D坐標為(-R+x+Rcosθ3，y+Rsinθ3)，點C坐標為(R-Rcosθ1，Rsinθ1)。得到θ1和θ3的幾何關系為

(5)

(6)

根據切圓幾何關系可得

θ1+θ2+θ3=π

(7)

Lt=Rsinθ3

(8)

針對以上3種魚尾調頭模型，可得當拖拉機轉彎半徑R接近拖拉機最小轉彎半徑Rmin時，構成的調頭長度Ls最優(yōu)，田頭預留長度Lt最小，且田頭預留長度Lt與機具幅寬x、機具長度y、轉彎半徑R有關。

2.2 無人作業(yè)路徑生成算法

無人作業(yè)路徑算法以C++作為編程語言，基于Google地圖API在Qt平臺上編寫路徑規(guī)劃軟件，農田邊界信息通過人工在地圖上鼠標獲取四邊形田塊的地理信息，以矩形邊界信息、拖拉機和懸掛機具的基本參數為輸入，路徑生成圖如圖4所示，O、P、Q、R為田塊邊界，經過墨卡托投影(Universal transverse Mercator，UTM)算法進行坐標轉換，將WGS84坐標轉換為平面坐標[23]，為簡化計算過程，建立相對坐標系，以點O為原點，作業(yè)邊方向為Y軸方向，得到田塊頂點坐標O(0，0)、P(0，y2)、Q(x3，y3)、R(x4，0)。規(guī)定機具從點O方向進入田塊，參照OP邊為作業(yè)邊，且與Y軸平行，根據平面兩點間距離公式可得到各邊的長度。

路徑生成算法流程如下：通過等距偏置處理生成平行的作業(yè)路徑[24-25]，調頭邊偏置距離為Lt+La，偏置次數為2次；作業(yè)邊偏置距離為x/2，偏置次數為

m=lOR-2Lax

(9)

式中m——偏置次數

La——安全距離，m

圖4 基于兩退三切魚尾模型的作業(yè)路徑生成圖Fig.4 Path planning algorithm of two-back and three-cut fishtail U-turn model

節(jié)點P′1和P′2分別對應圖3c中的點A和點E，依據2.1節(jié)魚尾調頭幾何關系生成5條單次調頭路徑，同理按播種順序將所有節(jié)點處添加調頭路徑，生成基于兩退三切魚尾調頭模型的梭行作業(yè)路徑。

矩形田塊土地調頭產生的未作業(yè)區(qū)域面積為田頭預留長度和田塊寬度乘積。根據以上路徑生成算法，在忽略偏移安全距離所產生的非作業(yè)區(qū)域下，定義Sab為矩形田塊的面積，田塊長度為a，田塊寬度為b，在不考慮車身尺寸情況下的調頭產生的未作業(yè)區(qū)域面積為

Ss=bLt=bRsinθ3

(10)

2.3 路徑仿真試驗

為驗證兩退三切魚尾調頭模型相較于傳統(tǒng)魚尾調頭方法田頭未作業(yè)區(qū)域面積更小，通過仿真試驗，以C++作為編程語言，在Qt平臺上編程，基于Google地圖API編寫路徑規(guī)劃軟件，在Intel(R)Core(TM)i7-9750HCPU @2.60 GHz、16 GB、Windows 10操作系統(tǒng)下，運行程序并測試效果。

采用表1中油菜無人播種作業(yè)系統(tǒng)參數作為輸入，根據式(8)對不同幅寬下3種魚尾調頭模型田頭預留長度Lt進行仿真，結果如圖5所示，仿真結果表明，兩退三切魚尾調頭模型相對于傳統(tǒng)魚尾調頭模型田頭預留長度減少0.93～1.57 m。根據式(10)對3種魚尾調頭模型產生的未作業(yè)區(qū)域面積進行對比分析，結果表明，兩退三切魚尾調頭模型相對于傳統(tǒng)魚尾調頭模型田頭未作業(yè)區(qū)域面積減少14.62%～22.43%。

圖5 不同調頭模型田頭預留長度Fig.5 Different U-turn models reserve lengths for field heads

3 兩退三切魚尾調頭模型控制方法

3.1 拖拉機運動學和幾何模型

對于阿克曼轉向的車輛，在忽略輪胎滑移、車軸剛度和傾角等因素的情況下，其運動學模型如圖6所示，在慣性坐標系XOY下，可得車輛運動學模型為

(11)

v——行駛速度，m/s

L——拖拉機前后輪軸距，m

α——拖拉機當前偏角，(°)

圖6 拖拉機運動示意圖Fig.6 Schematic of tractor movement

轉向半徑與前輪偏角的關系為

(12)

當前輪偏角為最大值δmax時，有最小轉向半徑Rmin。

3.2 控制器設計

基于拖拉機運動學和幾何模型，設計了導航路徑跟蹤控制器。自動轉向控制系統(tǒng)結構圖如圖7所示，轉向控制器接收目標轉角和實時角度信息，形成反饋回路，通過角度偏差計算控制量，發(fā)送至電控方向盤，對直播機組轉向進行控制。

圖7 自動轉向控制系統(tǒng)結構圖Fig.7 Automatic steering control system

為適應拖拉機變速狀態(tài)下穩(wěn)定控制，路徑跟蹤采用改進的模糊自適應純追蹤控制器[22]，根據幾何關系得到目標前輪偏角與前視距離[26]關系為

(13)

式中Ld——前視距離，m

d——拖拉機到作業(yè)路徑的橫向偏差，m

不同于履帶式車輛運動學，改進后導航控制器系統(tǒng)結構圖如圖8所示，對該控制器模糊規(guī)則進行重新定義，以橫向偏差d、航向偏差θ和拖拉機行駛速度v作為模糊自適應純追蹤控制器的輸入，前視距離Ld作為模糊控制器的輸出，計算目標轉角，通過轉向控制器控制拖拉機轉向。

圖8 導航控制器系統(tǒng)結構圖Fig.8 Structure diagram of navigation controller system

3.3 控制策略

油菜無人播種作業(yè)有一定的播種規(guī)范，油菜精量直播機作業(yè)時由于旋耕機和被動式開溝犁的交互作用，會在種床廂面與畦溝連接部位形成傾斜邊坡[27]。有序控制拖拉機速度、制動器、離合器、轉向機構、機具升降機構和PTO是實現無人播種的重要環(huán)節(jié)。控制策略結合農藝操作要求，無人播種作業(yè)控制規(guī)則如表2所示。

表2 作業(yè)控制規(guī)則Tab.2 Autonomous operation control strategy

無人播種作業(yè)控制流程圖如圖9所示，圖中v0為停止速度，v1為慢速，v2為作業(yè)速度，vR為倒退速度，根據RTK北斗定位獲取當前車輛的位置信息，按照表2中控制作業(yè)邏輯對拖拉機進行控制，拖拉機播種作業(yè)行駛到點A時，處于前進和后退切換處，機具抬升，PTO停止工作，進行倒退導航；行駛到點B時，處于后退和前進切換處；從B～E進行魚尾調頭切圓導航，按照控制作業(yè)邏輯對拖拉機進行控制；拖拉機第1次行駛到點E時，處于前進和后退切換處，進行倒退導航，行駛到點F時，處于后退和前進切換處；當拖拉機第2次行駛到點E時，機具下降，PTO開始工作，進行播種作業(yè)。

圖9 無人播種作業(yè)控制流程圖Fig.9 Control flow chart of unmanned seeding operation

4 兩退三切魚尾調頭方法試驗

4.1 路面試驗

為測試兩退三切魚尾調頭模型路面導航控制性能，在湖北省武漢市華中農業(yè)大學“油菜全程機械化”基地進行轉向試驗和不同速度下直線跟蹤試驗。

拖拉機魚尾調頭切圓導航時拖拉機轉彎半徑為最小轉彎半徑，設定目標轉角為最大前輪偏角，拖拉機轉向行駛速度為1.0 m/s，給定階躍控制信號21°，轉向控制響應結果如圖10所示，拖拉機前輪轉向角從0°轉至21°，耗時4 s，超調量為0.15°，當角度達到目標轉角后，穩(wěn)態(tài)誤差為0.09°。

圖10 轉向控制響應Fig.10 Steering control response

拖拉機分別在慢速v1、作業(yè)速度v2和倒退速度vR下進行路面直線跟蹤試驗。各速度進行3次直線跟蹤試驗，試驗結果如表3所示，試驗結果表明：當拖拉機速度為-0.8、0.9、1.5 m/s時，改進的模糊自適應純追蹤控制器最大橫向偏差分別不大于3.64、3.21、3.55 cm，平均絕對偏差分別不大于1.22、1.04、1.30 cm。

表3 路面不同速度下直線跟蹤結果Tab.3 Straight line tracking results at different speeds on road surface cm

4.2 田間試驗

為測試不同魚尾調頭方法田間導航性能，于湖北省荊門市掇刀區(qū)試驗田進行田間試驗，田內無障礙物，試驗材料：皮尺、北斗RTK移動站、工控計算機。具體操作步驟：①試驗前進行傳感器、工控計算機等各控制系統(tǒng)部件的檢查，將北斗RTK移動站電源打開，等待移動站冷啟動完成并在工控計算機成功顯示定位數據后，在軟件系統(tǒng)上設定兩行梭行路徑和作業(yè)幅寬。②將拖拉機懸掛的直播機抬升并保持懸空，再將拖拉機行駛至作業(yè)起點附近，初始姿態(tài)調節(jié)到橫向偏差50 cm、初始航向偏角5°以內。③打開上位機軟件中的導航數據保存功能，開始試驗并記錄試驗數據，分別對單次調頭下兩退三切魚尾模型和傳統(tǒng)魚尾模型進行跟蹤，記錄試驗過程中的橫向偏差。在不考慮作業(yè)時間的情況下，3種調頭方法跟蹤完成后進入下一條作業(yè)路徑的橫向偏差如圖11所示。

圖11 不同調頭方法橫向偏差Fig.11 Initial distance deviation of different U-turn models

由圖11可知，兩退三切魚尾模型較切圓魚尾模型作業(yè)路徑初始橫向偏差減小8.08 cm，上升時間減小1.3 s；較T型魚尾模型作業(yè)路徑初始橫向偏差減小7.37 cm，上升時間減小2.3 s，說明有規(guī)劃出倒退路徑的模型可有效補償轉彎時土壤滑移引起拖拉機沒有上線就進行下一行作業(yè)產生的橫向偏差，減少了初始橫向偏差和上升時間。

4.3 無人播種作業(yè)試驗

為了對油菜無人播種作業(yè)系統(tǒng)對行精度和性能進行評估，于2021年10月5日在湖北省鄂州市華中農業(yè)大學油菜試驗基地進行試驗。采用五點采樣法進行田間土壤條件測試，測得田間土壤含水率為24.3%，土壤堅實度為651.6 kPa。油菜播種無人作業(yè)系統(tǒng)在地圖上選定田塊，根據油菜播種農藝要求自動規(guī)劃作業(yè)路徑，規(guī)劃播種路徑為9行，作業(yè)幅寬為2.3 m，北斗移動站接收位置信息頻率為10 Hz，油菜無人播種系統(tǒng)可實現一鍵啟動完成無人播種作業(yè)，無人作業(yè)現場和導航路徑軌跡如圖12所示，各行直線跟蹤結果如表4所示。

圖12 自動導航作業(yè)試驗Fig.12 Experiment of unmanned operation

對行精度為作業(yè)軌跡間平均偏差[28]，油菜無人播種作業(yè)系統(tǒng)按照控制策略完成兩段相鄰作業(yè)軌跡跟蹤，在這兩段作業(yè)軌跡的穩(wěn)態(tài)跟蹤階段，等間距地提取10對左側邊界點，邊界點之間的距離應等于幅寬設定距離，用卷尺測量對應邊界點之間的距離，減去設定的作業(yè)幅寬，得到10個作業(yè)點與作業(yè)行距之間的偏差，求取10個偏差的平均值作為作業(yè)軌跡間平均偏差，測量計算求得直播機無人作業(yè)對行精度為1.48 cm，標準差為2.41 cm。

表4 田間各行直線跟蹤結果Tab.4 Line tracking results

5 結論

(1)為實現油菜無人播種作業(yè)，針對CaseTM1404型拖拉機和2BFQ-8型油菜精量直播機構建了一套油菜無人播種作業(yè)系統(tǒng)，試驗表明搭建的油菜無人播種系統(tǒng)在選取田塊邊界后，生成作業(yè)路徑，能按照規(guī)劃路徑完成直線行駛、田頭調頭，實現一鍵啟動直播機無人播種作業(yè)。

(2)根據油菜直播機組無人播種作業(yè)特點與機具特性，定量分析了3種魚尾調頭方式的路徑幾何關系，提出一種兩退三切魚尾調頭方法，以田頭未作業(yè)區(qū)域面積最少和對行精度最優(yōu)為目標，得到路徑生成算法。根據無人播種作業(yè)系統(tǒng)的幾何模型和運動學模型設計了改進的模糊自適應純追蹤控制器，依據該控制器結合油菜播種農藝特點構建了無人作業(yè)控制策略。

(3)針對該系統(tǒng)進行了3種魚尾調頭模型產生的未作業(yè)區(qū)域面積仿真試驗，仿真結果表明：兩退三切魚尾調頭模型相對于傳統(tǒng)魚尾調頭模型田頭未作業(yè)區(qū)域面積減少14.62%～22.43%。田間試驗結果表明：兩退三切魚尾調頭方法較傳統(tǒng)魚尾調頭方法初始橫向偏差減小7.37～8.08 cm，上升時間減少1.3～2.3 s，該調頭方法有效補償轉彎時土壤滑移引起拖拉機沒有上線就進行下一行作業(yè)產生的橫向偏差，且無人播種作業(yè)對行精度為1.48 cm。