無人農(nóng)場的插秧機(jī)智能化無人化改造方法與實(shí)際應(yīng)用

游 政，許松林，陳慧娟

（1.江蘇北斗農(nóng)機(jī)科技有限公司，江蘇南京 210032；2.南京洛普科技有限公司，江蘇南京 210032）

0 引言

2022年，江蘇省出臺《“十四五”農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展規(guī)劃》《“十四五”數(shù)字農(nóng)業(yè)農(nóng)村發(fā)展規(guī)劃》，提出推進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化與信息化深度融合，加強(qiáng)北斗導(dǎo)航、自動駕駛、無人機(jī)、農(nóng)機(jī)傳感器等技術(shù)在農(nóng)機(jī)裝備中的應(yīng)用，推動傳統(tǒng)農(nóng)機(jī)裝備智能化改造。未來幾年，江蘇“無人化”農(nóng)場發(fā)展將進(jìn)入快車道[1]。為此，針對“無人化”的相關(guān)技術(shù)不斷涌現(xiàn)，以高精度北斗衛(wèi)星定位技術(shù)為基礎(chǔ)，農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)采集、加工、決策為核心，綜合利用智能控制、智能數(shù)據(jù)采集、地理信息等技術(shù)結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率提升為目的，達(dá)到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全流程（耕、種、管、收）的數(shù)字化、精準(zhǔn)化、智能化、無人化，最終實(shí)現(xiàn)構(gòu)建“綠色”“經(jīng)濟(jì)”“高效”“豐產(chǎn)”智慧無人農(nóng)場新模式。

無人農(nóng)場對農(nóng)機(jī)智能化無人化的改造需求。無人駕駛技術(shù)是集傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、機(jī)械控制技術(shù)以及定位技術(shù)等多個(gè)技術(shù)一體的綜合性技術(shù)。無人駕駛系統(tǒng)通過4G/5G網(wǎng)絡(luò)把作業(yè)信息上傳到云端服務(wù)器，操作人員可以在手持遙控器、遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺或者手機(jī)遙控app上根據(jù)接收到的作業(yè)信息下達(dá)相應(yīng)的指令，下達(dá)的指令通過無線網(wǎng)絡(luò)和云端服務(wù)器，下傳給車載顯示屏，車載顯示屏通過控制器控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行相應(yīng)的動作，從而達(dá)到車輛無人駕駛的目的[2]。結(jié)合無人農(nóng)建設(shè)過程中的整體設(shè)計(jì)要求，我們將農(nóng)機(jī)智能化無人化的改造需求分解，并列出了以下4個(gè)重要的問題方向。

1 農(nóng)機(jī)底盤“無人化”改造

農(nóng)機(jī)底盤，指農(nóng)機(jī)機(jī)手操作層面所能控制的所有農(nóng)機(jī)部件的統(tǒng)稱，例如，點(diǎn)火部件，轉(zhuǎn)向部件，行駛操作部件，作業(yè)控制部件等都屬于“農(nóng)機(jī)底盤”的范疇。農(nóng)機(jī)底盤無人化改造的目的主要是通過在關(guān)鍵位置使用加裝部件或改造部件或電控介入部件等手段，使其能夠?qū)崿F(xiàn)自動操作、自動控制、自動導(dǎo)航等功能。以無人駕駛插秧機(jī)為例，涉及的改造部件及改造目標(biāo)主要包括表1顯示的部分。

2 手動與自動操作兼容

插秧機(jī)因?yàn)樽詣涌刂撇考囊耄豢杀苊獾貢胍幌盗修r(nóng)機(jī)底盤自動控制系統(tǒng)控制部件動作流程與原有機(jī)手手動控制部件動作流程的變化，有一些變化甚至有可能會與原有部件動作流程沖突，如何有效地消除自動控制操作與手動控制操作的沖突，是農(nóng)機(jī)底盤“無人化”改造的關(guān)鍵。在插秧機(jī)的改造過程中，我們發(fā)現(xiàn)的比較突出的控制沖突主要表現(xiàn)在：

1）點(diǎn)火控制操作沖突。當(dāng)鑰匙實(shí)際位置與自動控制模擬鑰匙位置不一致時(shí)，將發(fā)生點(diǎn)火控制沖突，該沖突會引入二義性問題，例如鑰匙在ON擋而自動控制模擬鑰匙在點(diǎn)火位置。必須合理的通過狀態(tài)定義來避免該二義性問題，消除機(jī)手在操作無人農(nóng)機(jī)時(shí)的困惑。

2）換擋控制操作沖突。當(dāng)行駛擋位位置與自動控制模擬的行駛擋位位置不一致時(shí)，將發(fā)生行駛擋位位置沖突，該沖突在引入二義性問題的同時(shí)，還可能會導(dǎo)致機(jī)械安全保護(hù)裝置的沖突，例如行駛擋位推桿位于倒車擋時(shí)將會聯(lián)動秧臺插植部抬升以保護(hù)秧臺，如果此時(shí)自動控制模擬擋位位置在行駛，可能會造成機(jī)械保護(hù)裝置沖突，嚴(yán)重時(shí)可能會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)部件損毀。所以解決操作過程中的機(jī)械部件的聯(lián)動及自動控制沖突是保障改造后的無人農(nóng)機(jī)可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。

3）秧臺控制操作沖突。當(dāng)秧臺控制操作的擋位位置與自動控制模擬的秧臺控制擋位位置不一致時(shí)，將發(fā)生秧臺擋位位置沖突，該沖突會引入二義性問題，例如秧臺控制操作桿在停止位置時(shí)，自動控制可能模擬操作秧臺在插值位置。秧臺控制操作沖突相較于換擋控制操作沖突危險(xiǎn)程度要低，但是如何消除該二義性問題，需要對秧臺控制的狀態(tài)進(jìn)行合理的定義，以消除機(jī)手進(jìn)行無人駕駛操作時(shí)的困惑。

3 改造后的操作邏輯

改造后的操作邏輯不變這一需求相對于其他需求比較容易分析和理解。經(jīng)過無人化改造后的插秧機(jī)，必須與原車原有操作功能保持一致。例如，鑰匙點(diǎn)火的相應(yīng)位置必須保持原有功能，ON為上電，點(diǎn)火為點(diǎn)火，不得發(fā)生改變。擋位推桿的相應(yīng)位置也必須與原有功能一致，手動操作推動至插植擋時(shí)，農(nóng)機(jī)進(jìn)入插植擋位的低速行駛模式。秧臺控制推桿的相應(yīng)位置必須與原有功能保持一致，手動操作推動至抬升時(shí)，秧臺抬升，并在抬升至最高位置時(shí)自動回退至保持位置。總之，經(jīng)過改造后的插秧機(jī)不能破壞或改變原車相應(yīng)部件操作邏輯的功能定義。

4 人機(jī)交互系統(tǒng)

插秧機(jī)經(jīng)過改造后需要提供良好的人機(jī)交互操作系統(tǒng)，該操作系統(tǒng)分為2個(gè)主要界面部分：安裝人員操作系統(tǒng)，機(jī)手使用操作系統(tǒng)。

安裝人員操作系統(tǒng)，需要提供給安裝人員整套無人駕駛系統(tǒng)的相關(guān)系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)定功能，例如，核心配置參數(shù)設(shè)定，服務(wù)器通信參數(shù)設(shè)定，高精度位置服務(wù)參數(shù)設(shè)定，農(nóng)機(jī)尺寸參數(shù)設(shè)定等。該人機(jī)交互操作界面將降低系統(tǒng)的安裝與自動控制系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定的難度，為農(nóng)機(jī)無人化改造實(shí)現(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

機(jī)手使用操作系統(tǒng)，需要提供給機(jī)手使用的無人駕駛系統(tǒng)操作界面，界面需要提供良好的人機(jī)交互體驗(yàn)，以及低難度學(xué)習(xí)曲線。核心功能包括：地塊標(biāo)記，路徑規(guī)劃，自動導(dǎo)航，農(nóng)機(jī)遠(yuǎn)程操作，狀態(tài)通知等。

農(nóng)機(jī)智能化無人化改造方法包括：

1）點(diǎn)火控制改造。目標(biāo)插秧機(jī)的鑰匙部件主要控制著主12 V供電線路與目標(biāo)功能線路的選通功能，鑰匙部件實(shí)現(xiàn)的功能如圖1。

圖1 原車鑰匙部件示意圖

點(diǎn)火控制的改造使用整體介入的方法，將原車線路使用常閉型繼電器接入，鑰匙部件可通過底盤控制器進(jìn)行選路，當(dāng)控制器未上電或未正常介入時(shí)，鑰匙操作與原有操作的流程一致。當(dāng)控制器介入后，鑰匙部件的操作將接入至底盤控制器，由底盤控制器判斷鑰匙位置，并進(jìn)行相應(yīng)的繼電器吸合模擬鑰匙擋位。為解決點(diǎn)火控制操作沖突，無人駕駛系統(tǒng)會對點(diǎn)火鑰匙位置進(jìn)行檢測，只有鑰匙在ON擋位置時(shí)才能開啟自動無人駕駛模式，并在開啟自動無人駕駛模式后通過繼電器斷開鑰匙與原車線路連接的方式，接管鑰匙的選通功能，使得整個(gè)鑰匙的位置與車輛的實(shí)際狀態(tài)相匹配，改造后的功能結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 改造后的點(diǎn)火線路示意圖

5 行走控制改造

行走控制改造涉及目標(biāo)插秧機(jī)主要部件有：轉(zhuǎn)向控制，油門控制，換擋控制。

轉(zhuǎn)向控制通過在方向盤轉(zhuǎn)向柱上加裝伺服電機(jī)，通過伺服電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)向的控制。伺服電機(jī)具有轉(zhuǎn)動精度高，速度快的優(yōu)點(diǎn)。并且伺服電機(jī)還支持位置，速度和力矩的閉環(huán)控制模式，非常適合于對轉(zhuǎn)向進(jìn)行精確自動控制的場景，改造的具體形式如圖3所示。

圖3 用于轉(zhuǎn)向控制的伺服電機(jī)示意

油門控制采用加裝電動推桿與活動機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，該結(jié)構(gòu)在自動駕駛狀態(tài)時(shí)通過伸縮動作模擬油門的踩與抬，并在自動駕駛狀態(tài)解除后自動縮回，結(jié)合活動機(jī)構(gòu)的自由行程，實(shí)現(xiàn)避免對正常油門踩抬行程的干擾，最終實(shí)現(xiàn)自動控制與人力控制油門的兼容性改造。具體結(jié)構(gòu)形式如圖4所示。

圖4 油門控制結(jié)構(gòu)示意

換擋控制采用的方法是，脫開原車控制桿與變速機(jī)構(gòu)的剛性連接，并在原有控制桿處增加位移傳感器，在變速機(jī)構(gòu)關(guān)鍵動作處加裝電動推桿。通過位于換擋機(jī)構(gòu)的位移傳感器與推桿動作機(jī)構(gòu)的位置傳感器聯(lián)動，實(shí)現(xiàn)手動控制與自動控制互不干涉，且都能控制換擋的目的（圖5）。

圖5 換擋控制結(jié)構(gòu)

6 作業(yè)控制改造

作業(yè)控制類似于換擋控制，但是作業(yè)控制有2個(gè)明顯的區(qū)別。首先，需要解決作業(yè)擋位與行走的匹配，其次，需要在提升至最高位置后自動回退至“中立”擋位。為解決這2個(gè)問題，我們加裝了2個(gè)絕對位置傳感器，以及在秧臺最高位置增加一個(gè)限位開關(guān)。并且通過其中1號位置傳感器增加了一組絕對位置定義，L1、L2、L3、L4，分表代表“上升”“中立” “下降”“插植”。當(dāng)位置傳感器檢測到L1位置時(shí)控制推桿使插植部上升，檢測到L2位置時(shí)控制推桿使插植部固定在一定的高度上，檢測到L3位置時(shí)控制推桿使插植部下降，檢測到L4位置時(shí)控制推桿使插植部聯(lián)動插秧動作。2號位置傳感器與插植升降手柄綁定，并同時(shí)與1號位置傳感器的L1、L2、L3、L4位置進(jìn)行綁定。最終實(shí)現(xiàn)在手動控制時(shí)讀取2號位置傳感器位置進(jìn)行推桿同步控制實(shí)現(xiàn)手動秧臺升降控制；在自動控制時(shí)，通過控制推桿位移至L1、L2、L3、L4位置實(shí)現(xiàn)秧臺的升降控制，且通過最高位置的限位開關(guān)進(jìn)行限位控制保證當(dāng)秧臺到達(dá)最高位置后，控制推桿回退至L2“中立”擋位（圖6）。

圖6 作業(yè)控制結(jié)構(gòu)

7 無人駕駛系統(tǒng)

無人駕駛系統(tǒng)設(shè)計(jì)了易用的人機(jī)交互界面，其中包含面向安裝人員的機(jī)上PAD交互主機(jī)，以及面向最終用戶使用的手機(jī)遠(yuǎn)程控制APP。

安裝人員的機(jī)上PAD人機(jī)交互程序通過直觀的用戶界面及操作指導(dǎo)，方便的指導(dǎo)安裝人員進(jìn)行控制器的核心參數(shù)標(biāo)定，降低了安裝人員的技術(shù)要求，提高系統(tǒng)的安裝可靠性，部分界面圖7所示。

圖7 機(jī)上PAD人機(jī)交互系統(tǒng)示意圖

機(jī)手使用的手動遠(yuǎn)程控制APP的設(shè)計(jì)核心思想在于直觀，操作簡單，將更多技術(shù)細(xì)節(jié)隱藏，設(shè)計(jì)時(shí)我們將路徑規(guī)劃，地塊標(biāo)定都用更直觀的圖形化操作展示出來，并不斷與機(jī)手溝通做進(jìn)一步的UI優(yōu)化，最終實(shí)現(xiàn)了不錯的無人農(nóng)機(jī)人機(jī)交互效果（圖8，圖9）。

圖8 手機(jī)APP無人農(nóng)場作業(yè)地塊展示

圖9 手機(jī)APP無人農(nóng)機(jī)遠(yuǎn)程控制展示

8 安全保障

農(nóng)機(jī)底盤“無人化”改造，從車身結(jié)構(gòu)部件與電氣部件上對原有車輛進(jìn)行了不同程度的改造，對原車車況及電氣化改造后的安全性考慮至關(guān)重要。改造安全保障主要從3個(gè)方面進(jìn)行了設(shè)計(jì)考慮。首先，所有改造后的電動推桿，位置傳感器，位移傳感器等各類用電設(shè)備的默認(rèn)上電狀態(tài)均以原車線路選中為最高優(yōu)先級，所有用電設(shè)備全部從控制盒集中取電，任何控制盒后端的用電設(shè)備發(fā)生電氣損壞時(shí)均會有控制盒保險(xiǎn)絲進(jìn)行隔離，保證原車的用電安全。其次，所有加裝的電動推桿的最小最大行程設(shè)計(jì)上必須保證在被改造部件的最大行程之內(nèi)，即所有動作推桿在物理行程上均不會超過改造部件的最大行程限值。最后，在全車電控系統(tǒng)上加裝急停按鈕，當(dāng)發(fā)生遠(yuǎn)程不可控故障時(shí)，可通過車上急停按鈕緊急關(guān)停系統(tǒng)。經(jīng)過改造后的安全保障設(shè)計(jì)能最大程度上保障經(jīng)過“無人化”改造后的農(nóng)機(jī)依然安全可靠。

9 結(jié)語

經(jīng)過無人化改造后的插秧機(jī)，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境完成功能設(shè)計(jì)與驗(yàn)證后，我們繼續(xù)進(jìn)行了長達(dá)六個(gè)月的實(shí)地測試。反復(fù)優(yōu)化后，最終成功運(yùn)用到了公司承建的“無人農(nóng)場”項(xiàng)目中，并在項(xiàng)目中性能表現(xiàn)優(yōu)異，運(yùn)行可靠穩(wěn)定，獲得了客戶的一致好評。