自動駕駛技術在農業機械中應用

郭建軍 曹彥 梅雪 許國文 羅茂 郭曉晴 王小明

摘 要： 利用北斗導航技術實現農機的自動、智能、精準駕駛，是我國現代農業信息化發展的重點方向。以北斗導航技術為基礎，闡述了國內外農機自動駕駛系統研究現狀，研究了北斗農機定位解算算法，提出一種新的PVT 解算算法。利用該算法設計了系統的硬件，并進行了試驗模擬小車測試試驗。結果表明，在場地和天氣一定的條件下，該方案的定位精度比較理想。

關鍵詞：農業機械；北斗導航；自動駕駛；路徑規劃；拖拉機

中圖分類號：S126文獻標識碼：A文章編號：2095-1795（2023）11-0032-05

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.2023.11.005

0 引言

現代農業的飛速發展，離不開農業機械與現代科學技術結合，智能化、自動化和精準化是現代農業發展的必然趨勢。我國農業“十四五”規劃的重要目標之一，是發展信息化和智能化農業。由于農村勞動力匱乏，勞動力成本較高，農業生產中急需智能化程度更高、作業更精準的自動駕駛農用機具，增強智能農機裝備自主作業能力是當前我國農業機械研發的剛需[1]。近年來，國家明確提出要在“十四五”期間大力發展農業精準化和農業信息化，農業精準化是指農業精準作業，是近年出現的專門用于種植大田作物的綜合集成的高科技農業應用系統[2]。

農業精準作業是以信息技術為支撐，基于實際的田間環境，使用先進的機械設備和監控系統定位、定時、定量地管理田間作物，實施田間起壟、鋪膜、播種、除草、藥物噴灑和收獲等一整套現代化農事操作與管理[2-4]。它是衛星導航技術和自動控制技術的融合應用，是信息技術與農業生產全面結合的一種新型農業。車輛駕駛中應用GPS 衛星系統定位技術，為車輛行駛提供精確的位置信息，為自動駕駛技術提供前提和保障[5]。近幾年，北斗衛星導航系統日趨完善，可以準確地跟蹤和規劃農用地的路線和地理信息，在各個領域得到廣泛應用，也為農業機械自動化技術的重要支撐。正是衛星定位技術的不斷進步和發展實現了現代農業機械作業的自動駕駛[5]。自動駕駛技術是利用我國北斗衛星導航系統的定位服務，進行農業機械的自動導航和定位，結合自動控制技術實現農業機械的自動化操作[3-4]。農業機械自動駕駛技術可以解放勞動力，降低勞動強度，提高種植水平，對農業規模化具有重要意義。

1 國內外研究現狀

國外開展自動駕駛研究的國家有俄羅斯、美國、日本等[1]。美國的全球衛星導航系統（GPS）、歐盟的Galileo 系統、俄羅斯的GLONASS 系統中，GPS 一直處于領先地位[6]。

俄羅斯的無人駕駛拖拉機AgroBot，控制中心通過拖拉機配備的計算機信息傳輸，可同時監視幾十臺設備的運行[1]。美國Trimble 公司研制了自動導航農機產品，美國University of Illinois 研發了車輛自主駕駛導航系統，農機的直線行走在大規模標準化生產中十分關鍵，美國Trimble 公司通過DGPS 自動導航駕駛系統解決了農機直線行走的難題[7-8]。日本北海道大學基于Kalman 衛星導航濾波算法，結合GPS/陀螺儀等傳感器，研制了拖拉機自動駕駛系統，可使農機按照規劃路線作業；在一定的速度下，其導航路徑的偏差可以達到0.04 m 的優秀成果[9]。

我國的自動駕駛技術研究人員也取得了較好成績，如華南農業大學羅錫文院士團隊研究的一套基于DGPS 控制器的農機自動駕駛系統，在其機械設備轉彎半徑較大的條件下，合理優化了路徑規劃算法，使導航直線橫向偏差≤0.15 m[10]。

路徑規劃是自動駕駛技術中最基本的技術，目前研究方向有直線規劃路徑和轉彎路徑規劃兩個。美國研究人員Searcy 基于作物行信息提取基本方法Hough轉換對直線路徑規劃進行深入的研究，Kite 更進一步研究提出在作物缺失情況下的算法，讓定位的可靠性得到提高[11-12]。國內也對Hough 轉換方法進行了研究，如將感知信息和規劃路徑進行差分計算，并預測未來時段的導航位置[13]。

北斗衛星導航系統作為我國自主開發的衛星導航平臺，在我國農業機械運行、水源監測、自然災害監測等方面的應用日益廣泛。基于北斗衛星導航系統的自動駕駛技術的研究也取得了一些成果，如閉環自適應Kalman 濾波算法，可提高北斗衛星導航接收的精度。武一民等[14] 開展了基于自適應擴展Kalman 濾波的多傳感器融合研究，其中提到以Kalman 濾波原理為基礎的各類算法在多傳感器信息融合領域同樣得到了廣泛的應用。

2 自動駕駛關鍵技術

目前，自動駕駛技術相對成熟，關鍵技術主要是衛星導航、路徑規劃、外界監測、自動控制技術及PVT 解算算法。

（1）衛星導航是基于衛星定位系統的技術，能夠為用戶全天候、全方位、高精度地提供三維位置和速度等導航數據，與農業機械相結合，可以極大地提高農業機械的信息化水平。

我國北斗衛星導航系統是世界4 大衛星導航系統之一。衛星導航自動駕駛使用最廣泛的設備有電磁閥操控模式和液壓流量閥控制模式兩種[11]。衛星導航設備主要是通過天線接收衛星信號，并向控制器傳輸數據。控制器接收到信號后，對數據進行計算處理，并向電磁閥或者液壓流量閥發送控制指令。控制單元接收到指令后，實時操控農業機械設備的電信號和液壓流量或流向，進而控制農業機械設備的行走路線和操作，保證農機在導航規劃的路線下行走。組合傳感器用于控制農業機械的移動和外部信息，實時感知農業機械和外部狀態。操作面板是用戶使用的界面，用來與衛星導航和自動控制系統交互操作的平臺，實現用戶自動駕駛和監視、操控農機的作業狀態[15-16]。

（2）路徑規劃是農機在衛星的導航下，按照預先設定從起始位置到目標位置的最優路徑，要結合農田實際情況，如天氣、坡度、障礙物等，確保路線的最優化[16-17]。在農機作業前，都要事前對作業的范圍進行預定規劃，使農機在衛星的導航下按照指定的路徑和范圍工作。目前常用的路徑規劃有兩種，其中最簡單的是直線導航路徑規劃，即把農田作物視為平行的直線進行作業。路徑規劃的目標是農機作業可以覆蓋整個作業范圍，不需重復路徑，可以自動躲避障礙，并可以不間斷不重復地進行作業[16]。目前對衛星導航路徑規劃的研究主要處在作物種植行跟蹤無限制最優路徑階段，主要是在特定的條件約束下，將路徑規劃目標函數值取到最優，即在特定條件下，找到最優的規劃路徑。

（3）外界監測是農業機械導航時實時感知外界環境，主要是通過農業機械配置的組合傳感器獲取外界和導航信息[15]。

（4）自動控制技術是在沒有人為參與的情況下，結合對外界環境的堅持，通過具有自主控制功能的自動控制系統去按照需求運行某項任務，最終實現某種功能。

（5）PVT 解算算法。常用的衛星導航接收機由射頻接收、基帶處理和PVT 解算3 部分組成。PVT 解算是指用戶接收機的位置、速度和時間解算。

4 自動駕駛系統硬件方案設計

自動駕駛系統設計方案是北斗定位接收設備接收衛星信號，向車載計算機控制系統傳輸定位導航信息，車載系統將其傳輸至智能顯示終端，并通過智能控制器控制農業機械。同時車載電腦系統外接視覺感知導航系統，視覺感知導航系統實時接收外界信息，傳輸至電腦系統中，對定位導航位置信息進行反饋和校正。自動駕駛系統硬件由北斗定位信息接收模塊、車載電腦智能控制系統、嵌入式GIS 系統、智能顯示終端和視覺感知導航系統等設備組成，設計方案框架如圖1所示。

北斗定位信息接收模塊主要是接收北斗導航衛星的信號，包含接收設備和信號天線。北斗定位信息接收模塊的定位模式一般有北斗、GPS 和GLONASS，一般都配置有接收天線，北斗定位信息接收模塊如圖2所示[16]。接收模塊性能直接決定了定位導航的精度，定位精度越高越好，再結合PVT 解算算法，便可以實現接收定位信息。考慮到使用場景和成本因素，采用北斗衛星導航系統模塊。定位接收器模塊支持兩個頻率的聯合定位，精度完全滿足農業機械導航性能要求。定位精度0.03 m，速度精度0.1 m/s，系統信息接收頻率1 564 MHz， 供電電壓3.0～ 4.0 V， 額定功率100 mW，使用溫度?40～85 °C，完全滿足使用要求。

車載電腦智能控制系統是自動駕駛系統的大腦，起著強大而復雜的作用。一方面，它連接到北斗信號接收模塊，以接收和交換北斗定位信息。與視覺感知導航模塊進行數據傳輸，還要與智能顯示終端連接，將導航視圖顯示在顯示屏上。另一方面，車載電腦智能控制系統裝有嵌入式GIS 軟件，需要運行GIS 軟件，處理來自衛星導航的定位信息和視覺導航模塊收集的信息。關鍵是使用PVT 解算算法對數據進行求解，并進行大量的存儲和計算。因此車載電腦智能控制系統不僅要有豐富的接口，還要有一定的性能。出于成本考慮，選用國內自主研制的嵌入式工控主板作為主機，配套顯示屏與外置組合傳感器組成車載電腦智能控制系統。車載電腦系統工控板如圖3 所示。

5 自動駕駛方案測試試驗

借用自動駕駛模擬小車完成自動駕駛方案硬件設施的安裝和運行測試試驗，如圖4 和圖5 所示。將車載電腦智能控制系統固定在模擬小車中央，信號接收天線安裝在模擬小車的前后兩端，將天線、傳感器和控制驅動裝置與車載電腦智能控制系統連接，并將系統連接至電腦上的控制軟件界面。方案測試不僅檢查了各種設備和系統功能的可行性，還測試了解算算法的應用效果和定位精度。

首先接通系統并運行，測試各接口的通信，檢查控制界面的操控。然后測試北斗衛星定位導航的功能，讓模擬小車行駛事先設定的幾處零點位置，將北斗導航定位的坐標數據與已知的坐標對比，驗證定位功能和精度。然后讓模擬小車自動駕駛，沿著預先規劃的AB 路徑行駛。

自主行駛完畢后，測量模擬小車軌跡與事先標記好的10 處規劃路徑測量點的偏差值，模擬小車反復試驗3 次，取3 次偏差的均值，并記錄，結果如表1 所示。

由表1 可知，最大偏差出現在50 m 處的測量點，偏差值顯示在場地和天氣一定的條件下，該方案的定位精度比較理想。本試驗結果限于場地和天氣的條件，不適用偏遠地區和陰雨天氣。偏遠地區和陰雨天氣由于北斗信號較弱，結果會出現較大的偏差。

6 結束語

深入研究農機自動駕駛系統的PVT 解算算法，在擴展Kalman 濾波法基礎上提出一種新的UKF 無跡Kalman 濾波算法，后者對非線性的形式適應性強，計算精度更高，可以滿足各種場景的計算應用，在實際操作中相對簡便。對整體系統方案進行設計，通過一定條件下的試驗測試，定位精度理想。

該系統沒有在實際田間進行測試和應用，同時也沒有驗證不良天氣下的試驗效果，還存在一定的局限性。后續再嘗試應用新的解算算法，研究自動駕駛系統在不規則地塊的應用，將更有意義。

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