農業機械底盤智能化發展現狀與展望

摘要：農機底盤技術是智能農機裝備的關鍵技術，也是影響農業農村現代化的關鍵技術。歐美農場化、集約化的種植場景和雄厚的工業基礎的先天優勢使美西方在智能農機領域領先于我國，我國農機底盤的適應性差、智能化程度不足、舒適性差以及安全系數低。為此，從智能驅動、高適應性行走和自主作業三個方面對未來農業機械底盤智能化發展的方向進行思考和展望。著重歸納液壓提升、動力換擋、無級變速、可變輪距、線控轉向以及無人駕駛等新技術在農業機械底盤上應用的進展，并結合我國實際應用情況闡述農機底盤各系統相關技術的基本原理與特點，最后根據國內外農機底盤的研究進展和國內外的差距，從強化電液壓技術與E-CVT的研發與升級、推動多向行走與線控轉向技術的落地、實現智能化控制與無人作業等方面為未來智能農機底盤研究設計以及農業農村現代化發展提供參考。

關鍵詞：農業機械；底盤；智能化；自動駕駛

中圖分類號：S232.3" " " 文獻標識碼：A" " " 文章編號：2095?5553 （2024） 08?0138?10

Development status and prospect of intelligent chassis of agricultural machinery

Yang Fan1， 2， Teng Li3， Sun Yitian1， 4， Sun Yongjia1， 4， Jiang Zhenhan1， Hou Jialin2

（1. Shandong Academy of Agricultural Machinery Science， Jinan， 250103， China； 2. College of Mechanical and"Electronic Engineering， Shandong Agricultural University， Tai'an， 271018， China； 3. Weichai Lovol Intelligent"Agricultural Technology Co.， Ltd.， Weifang， 261206， China； 4. Huanghuaihai Key Laboratory of"Modern Agricultural Equipment， Ministry of Agricultural and Rural Affairs， Jinan， 250103， China）

Abstract： The chassis technology of agricultural machinery is the key technology of intelligent agricultural machinery and equipment， and also the key technology that affects agricultural and rural modernization. The inherent advantages of European and American farm based and intensive planting scenarios， as well as strong industrial foundations， make Europe and America ahead of China in the field of intelligent agricultural machinery， the adaptability of agricultural machinery chassis in our country is poor， the degree of intelligence is insufficient， the comfort is poor， and the safety factor is low. In response to the above issues， combined with the actual situation and characteristics of China's agricultural machinery development， this paper will think and look forward to the direction of intelligent development of agricultural machinery chassis in the future from three aspects of intelligent drive， high adaptability walking and independent operation. This paper focuses on summarizing the progress of new technologies such as hydraulic lifting， power shifting， continuously variable transmission， variable wheelbase， wire controlled steering， and unmanned driving applied to agricultural machinery chassis. Combining with the actual application situation in China， the basic principles and characteristics of various systems related to agricultural machinery chassis are elaborated. Finally， based on the research progress of agricultural machinery chassis at home and abroad and the gap between domestic and foreign countries， reference is provided for future research and design of intelligent agricultural machinery chassis and modernization of agriculture and rural areas from strengthening the research and upgrading of electro?hydraulic technology and E-CVT， promoting the landing of multi?directional walking and wire controlled steering technology， and realizing intelligent control and unmanned operation.

Keywords： agricultural machinery； chassis； intelligence； automatic driving

0 引言

農業機械底盤是一種可以依靠外掛其他農機具完成農業生產的動力機械移動平臺。我國在農機底盤方面的研發和設計距離當前國際一流水平還有很大的差距，離農業農村現代化對智能農機裝備的要求也有一定的距離，特別是在高適應性行走技術、動力優化技術和自主作業技術等方面難以適應農機裝備智能化高質量發展的要求。近年來，國內外科技工作者圍繞著新一代農機裝備的智能化發展進行了諸多研究，同時在底盤遙控、無級變速、線控轉向等方向上取得了很多成果對助力農機底盤提檔升級具有重要意義。

本文在分析國內外智能農機底盤研究現狀的基礎上，深度剖析合當前研究和實際需求的差距和不足，結合我國農機發展實際情況和特點，從智能驅動、高適應性行走和自主作業三個方面對未來農業機械底盤智能化發展的方向進行思考和展望，為未來智能農機底盤研究設計以及農業農村現代化發展提供參考。

1 農業機械底盤概述

1.1 農業機械底盤分類

底盤是集傳動、行走、液壓、轉向、制動、機—電—液集成控制等技術于一體的動力機械移動平臺，可以穩定、高效、可靠地承載、牽引、外掛其他功能性農機具，從而完成農業生產任務。按照行走特點可將其分為輪式底盤和履帶式底盤。

輪式底盤一般由傳動系、轉向系、制動系和行駛系組成。相較于履帶式底盤，在機動靈活性、制造成本、運行速度、對其他農機具的匹配程度、能耗以及維修便利程度等方面比履帶式底盤更具優勢，缺點是難以應對復雜地形、容易在潮濕或松軟地面陷落和打滑以及牽引力不足等。履帶式底盤一般由傳動系、轉向系（包含制動）、行走系和回轉支承裝置構成。和輪式底盤相比，履帶式底盤與農田土壤的接觸面積大、對土壤的壓強小不易造成土壤板結、在潮濕泥濘或松軟土壤條件見下不易陷落和打滑、能更好適應復雜地形，但是，機動靈活性差、制造成本較高、運行速度慢、能耗高以及容易破壞路面從而不利于公路運輸。

1.2 國內外研究現狀

根據農業機械底盤傳動系統驅動方式的不同，農機底盤又分為機械式、液力式和電力式三種。其中機械式底盤主要是依靠燃油機提供動力，經離合器、變速器、萬向傳動軸傳入驅動橋，然后經過主減速器和差速器傳入半軸，從而驅動車輪旋轉，廣泛應用于拖拉機中。在當前我國農業生產中，最常見的底盤就是機械式四輪驅動農機底盤，廣泛用于農業生產各方面，不過穩定性和易打滑等問題一直存在。為此，Chen等[1]提出一種基于前后軸轉速差及車輪滑轉率實時觀測的軸間扭矩分配控制策略，試驗結果顯示，動力性和穩定性有大幅提升；鄭利雙[2]以車輛底盤設計理論和試驗研究為依據，以對比分析為研究方法，以有限元法為分析手段設計出一種移栽機底盤，有效縮短了轉彎半徑。

液力式傳動系統主要通過將發動機機械能轉化為液體的動能，然后再將動能轉化為驅動機械前進的機械能，具有自適應性強、無級變速和過載保護等優點，廣泛應用于高地隙植保機和收獲機。在液力式機械底盤研發和使用方面，我國遠遠落后于歐美發達國家，不過近年來很多研究人員在液力式底盤的研究取得了很大進步。趙峰[3]提出一種新型的電磁液力式非接觸過載保護限制與力矩控制裝置，提高了設備的安全性和控制精度；孫超[4]結合園藝技術，研究設計可用于配套植保、果實采摘、果樹修剪、運輸等農機具的液力式行走底盤，實現了無級變速條件下的多種工況的速度要求；李賢哲等[5]提出一種串聯式液力機械復合傳動方案及其配套拖拉機總體設計方法，載與輕載區段能夠實現無級變速，工況適應性良好。

電力式傳動系統與液力傳動類似，發動機（這里的發動機也可以是電動機）的機械能轉化為發電機的電能，通過電能驅動行走機構，工藝上比液力式更簡便、更容易實現自動控制、污染和能耗更低。Yuko等[6]設計一款純電動拖拉機，田間行走和耕作所需的能源消耗可減少約70%。

2 智能驅動關鍵技術

對于農業機械來說，農機驅動具有能耗高、動力大的特點，所以，農機底盤的驅動系統優化更是新一代智能底盤研究必不可少的環節。當前，農業機械底盤機—電—液控制的傳動系統依然是制約農業機械化、現代化和智能化的短板，特別是在無級變速、動力換擋等關鍵技術上。

2.1 農業機械底盤的傳動系統

在根據驅動方式分類的三種底盤中，機械式底盤廣泛用于收獲機和拖拉機，是我國當前農業生產過程中最常見的農業機械底盤，但其在穩定性、動力、轉彎半徑等方面存在缺陷，該型機械也將逐步退出農機研究和應用前沿。液力式底盤是當前農業機械領域的“卡脖子”問題所在，特別是無級變速、動力換擋等關鍵技術，液力式底盤對于農業機械底盤的自動化操作、智能化控制以及云端操作具有重要意義，是農業機械底盤發展的重要方向。電力式傳動底盤符合新能源發展趨勢和節能環保的要求，另外可以有效保障駕駛員的舒適性，不過動力問題是其發展短板，該類機型的發展受到動力電池技術和電機動力技術發展的制約，也是未來發展的方向。

2.2 液壓提升關鍵技術

2.2.1 液壓系統

液壓系統是液力式底盤的核心部件，在驅動機械行走過程中起著重要的作用。國內外很多科研人員在液壓系統的設計等方面進行了大量試驗和研究，在不同方向上對農機底盤的液壓系統進行改進與研發。農機底盤的液壓系統主要有液壓供油系統、液壓低壓系統、液壓高壓系統、液壓轉向系統和液壓潤滑系統組成。其主要部件及相互關系如圖1所示。

液壓供油系統主要包含供油裝置、過濾裝置和安全閥三部分。供油裝置是一個供油泵，主要是負責液壓油的輸出。過濾裝置則是由過濾器構成的，供油泵供給的液壓油需經過過濾器過濾，最后被送入限壓式油泵中。安全閥則是起到保障作用，當液壓油超過標準油量時，多余的油會通過安全閥回流重新進入油箱，用來控制液壓油供給的穩定性和可持續性。

液壓低壓系統主要有潤滑系統和傳動系統，前者負責為機械傳動軸轉向提供潤滑油，后者則負責完成傳動系統的操作，如離合器和變速箱的操作等。

液壓高壓系統是農機底盤液壓系統的重要組成部分，主要是將液壓低壓系統傳輸進來的壓力轉化為巨大的機械能和動能，從而保證液壓能量的輸出。在農機底盤中，液壓提升系統、制動系統還有其他液壓輸出環節都需要液壓高壓系統的支撐。一般有懸掛控制閥、控制油缸、減壓閥和液壓輸出閥等裝置組成，同時，從節能環保和能量高效利用的角度考慮，限壓式油泵也是液壓高壓系統的必要元件。

液壓轉向系統是液壓系統負責轉向的裝置，其結構較為復雜，需在潤滑系統的相互協調下方可工作，主要包括供油泵、油缸以及優先閥等部件組成。

液壓潤滑系統是整個液壓系統的助推器，起到協調各方的作用，對其他各個系統的機械裝置提供潤滑油，保障機械正常運轉。潤滑系統可以給離合器、傳動軸、齒輪等機械裝置提供滿足正常轉動的潤滑油，減少摩擦阻力；潤滑油也可以起到冷卻降溫的作用，以達到保護機械結構的目的。

2.2.2 液壓提升系統

液壓系統是農機底盤的關鍵環節，決定了農機動力輸出的大小和農業機械的工作效率。當前，我國在液壓系統的設計以及液壓提升技術上離美西方先進農機技術相比還有很大的差距，嚴重制約了我國農業機械智能化的發展。

液壓提升系統主要起到升降牽引農機具的作用，現在很多大型農機的液壓提升系統都會配備控制油缸，這樣可以有效增加系統的提升能力。不過，控制閥開閉的瞬間會給整個液壓系統帶來強大的沖擊力，對液壓元件、連接接頭等元件有較大沖擊，影響機械運行安全。因此，解決液壓沖擊問題成為了科研人員研究的重要方向。王加攀等[7]通過對液壓提升系統的壓力沖擊的研究發現增大換向閥前管路內徑可以有效減少液壓沖擊。

隨著電液技術的發展，以及相應傳感器技術的進步，與傳統液壓提升系統相比，電液壓提升系統具有高精度、高效率、高舒適性、高安全性以及有效減少滑移的優點，更適合農機底盤發展需要，是未來農機底盤液壓提升系統的重要研究方向。美西方在電液提升系統的研究方面起步早，遠遠領先于我國，美西方頭部農機企業生產的大中型農業機械均配備了電液壓提升系統，Bhondave等[8]通過研究發現電液提升系統比機械提升系統工作效率高3.8%且滑移率低30%；Fernandez等[9]設計了基于自整定調節器的自適應系統，能夠在不同速度和作業條件下自適應進行耕地作業；Langer等[10]則進行了電液提升系統的控制算法優化試驗與設計，進一步優化了電液提升系統性能。在半個世紀的研究和積累的基礎上，美西方的電液壓技術已經趨近于成熟，如今國外高端農機底盤正在逐步應用該技術，并不斷與動力換擋技術、定位導航技術、綜合駕駛室以及懸浮前橋等技術融合，自動化、智能化、信息化的農機底盤正在慢慢落地。

相對國外電液壓技術趨于成熟的現狀，我國農機電液提升系統的研究起步晚了許多，以至于到現在很多關鍵技術依舊受制于人，不過隨著近年來農機裝備領域越來越受重視和信息產業革命的發展，電液提升系統的研發也取得了一定的成果。張碩[11]針對大型農機滑轉率控制方法進行了研究，設計了適用于滑轉率控制的電液提升系統，具有很好的時效性；蔡魯鋒[12]以某型號拖拉機為樣機設計了一套電控液壓懸掛系統，經過田間作業試驗驗證，結果表明該系統作業速率及穩定性符合農機作業要求；吳凱瑞[13]則針對電液提升系統的核心組件犁深控制閥進行設計，配合電液提升系統的數學模型搭建試驗平臺，試驗結果表明，所設計的電液提升系統滿足實際生產需求。

2.3 動力換擋技術

動力換擋技術是通過液壓系統和濕式離合器控制變速器換擋、換向的關鍵技術，是農業機械底盤進行自動變速的核心技術之一。與傳統機械式手動換擋相比，具有簡單易操作、控制精準穩定以及響應速度快等優點，可以有效提升農機底盤作業效率。大型農機的動力換擋傳動系統主要由傳動系統、電液控制單元和液壓系統組成。動力換擋變速箱是利用離合器或制動器實現農業機械動力換擋的核心裝置。動力換擋變速箱應用于農業機械始于20世紀80年代，如今美西方和日本等發達國家等農機產品都配有動力換擋變速箱，法國、意大利、美國等國家的農機企業的拖拉機都配有該裝置。相對來說，國內動力換擋技術的研發遠遠落后于西方，目前國內動力換擋變速器的使用主要以合資或進口產品為主，在新疆、內蒙地區的大型農場有所應用。當然，中國農機企業也在逐步研究動力換擋技術并應用于部分產品。

目前，適用于農機底盤的變速器主要有AT（液力機械式自動變速器）、AMT（電控機械式自動變速箱）、PST（動力換擋自動變速箱）、HST（靜液壓無級自動變速箱）、CVT（金屬帶式無級變速器）、HMCVT（液壓機械式無級自動變速箱）[14]。表1為各種典型變速器的種類、優缺點及應用情況。

近年來，農業機械動力換擋技術成為了國內研究人員的研究熱點，許許多多的科研人希望通過自己的努力解決動力換擋這一嚴重制約我國農機事業發展的“卡脖子”技術。蔡祖戈等[15]提出一種多離合器結合、分階段控制變速器的策略，實現了換擋過程中的動力連續；王毅等[16]建立了動力換擋變速箱電液控制系統的AMESim模型，結果顯示可以有效減少換擋過程中的液壓沖擊。

動力換擋技術及相應對動力換擋策略是自動變速箱的核心技術，也是農業機械底盤急需攻關的關鍵技術，自動控制、智能控制等控制算法也將逐步應用于動力換擋裝置中。未來，怎樣結合發動機轉速與農機負載來確定最佳作業功率、實現最優控制，怎樣提高電液系統的可靠性和穩定性，怎樣實現關鍵零部件的完全國產化都是動力換擋智能技術的研究方向。

2.4 無級變速

從表1可以看出，無級變速（CVT、HMCVT和HST）是當前變速箱技術最前沿的技術，也是變速器技術發展的方向。相較于傳統變速技術，無級變速的傳動結構簡單而且在變速范圍和油耗方面也有較大優勢，可見無級變速是農機底盤發展的趨勢。

2.4.1 機械式無級變速

機械式無級變速是用機械摩擦傳動的方式實現無級變速，其典型代表是金屬帶式無級變速器（CVT）。CVT被廣泛應用在汽車工業特別是家用中小型汽車上，其在農業機械上的應用最早可追溯到1988年德國人KIRSTE研發的Munich試驗拖拉機，第一次實現了農業機械的無級變速。盡管CVT在技術上趨于成熟，但是在大負載條件下其設計方案容易引起金屬帶的打滑，無法適配大型農業機械的大功率作業。盡管國內外很多科學家曾嘗試使用金屬帶功率分流等方法解決這一問題，但是結果都以失敗告終。

2.4.2 液壓式無級變速

液壓式無級變速是利用液壓傳動的方式實現無級變速，該型變速器具有傳遞功率大和變速平穩的優點，主要包括液壓機械式無級自動變速箱（HMCVT）和靜液壓無級自動變速箱（HST）兩種，其中HMCVT是目前世界上唯一實現大規模實際應用于農業機械的無級變速系統。雖然HMCVT已經取得了實際運用的成功，但是其功耗高、效率低，這也是未能在中小功率農機中應用的最主要原因。

HMCVT是通過液壓傳動和機械傳動實現無級變速的，可以滿足大功率農機的傳動要求，比較典型的應用是英國研制的麥賽福格森MF8700型拖拉機以及日本研制的YR系列水稻插秧機。我國既有適合大規模機械作業的廣袤平原，也有僅適用于小型農機作業的丘陵山地，因此上述兩款機械對于我國無級變速農機研發具有很強的指導意義。

國內針對HMCVT的研究最早來源于劉修驥教授于1998年編寫的《車輛傳動系統分析》，此后很多高校和科研院所對此進行了鉆研，研發了數款HMCVT，并提出優化算法，為后人進行HMCVT研究提供了參考。張明柱等[17]采用參數循環算法對HMCVT的傳動效率進行優化，提高了燃油經濟性；曹允蓮[18]針對小功率農業機械設計了一套串聯式拖拉機HMCVT，其結構簡單、成本低，為我國中小功率HMCVT研制提供了方法支撐。

HST主要依靠液壓來進行能量傳遞，通過調節液壓馬達轉速來實現無極調速[19]，變速平穩和傳遞效率高是其最大的特點，其原理圖如圖2所示。

通常情況下，HST幾乎不會單獨使用，一般會與機械換擋變速箱串聯[20]。國外很多農機適配了HST，比如約翰迪爾4000系列收獲機、凱斯A8000甘蔗收獲機、久保田4LBZ-172B無級變速收獲機和麥賽福格森“全收系列”T5聯合收獲機等。國內很多研究人員也在努力突破HST變速箱的前沿技術，在動力系統提升、液壓參數優化、變速器功率分流技術提高等方面展開研究，但是，在HST效率提升與HST與發動機協調性能等實際應用方面卻鮮有研究。

總體說來，以HMCVT和HST為代表的液壓式無級變速系統已然成為當前農業機械無級變速系統研發與應用的主力變速器。盡管我國在這一領域的研發和技術水平相較于美西方一流農機產品還有很大差距，但這也代表了無級變速系統的前沿技術，迫切需要解決HST與機械換擋變速箱串聯之后的效率問題和HMCVT功耗過高的問題。

2.4.3 電傳動無級變速

隨著新一輪能源革命風暴的興起和綠電的大規模應用，新能源車輛設備已然成為了新的趨勢和技術增長極，電傳動無級變速箱（E-CVT）如今儼然成為無級變速研究的熱門并在新能源汽車領域率先應用。與傳統無級變速系統相比，E-CVT的耗能結構更少、傳動效率更高，再加上電能為驅動能源，對節能減排和我國“雙碳”目標的實現具有重要意義。

近年來，以特斯拉為代表的新能源汽車行業異軍突起，實現了機動車領域由燃油車到電動車的不可逆轉歷史進程，這對農業機械的發展有很大的啟發作用。受限于電池續航和電機動力，大型農機底盤的電動化大多停留在概念機階段，僅有小型農機的試驗樣機配備了E-CVT，比如張超[21]研制出了一套適用于小型農田作業的電動微耕機，但也只是存在于樣機階段，實用意義不大。

E-CVT具有很強的未來性，可以預見的是未來該類無級變速系統一定會成為農業機械無級變速的主力。

3 高適應性行走技術

3.1 可變輪距技術

在實際農業生產中，受農作物種植密度、地形地貌、季節氣候特別是南北方種植種類不同等客觀因素的影響，在播種、施肥、收獲等階段的行距會有所不同（表2）。為滿足農業生產過程中農用動力底盤沿農作物行距行走作業的實際需求，這就要求通用底盤輪距可以根據田間地頭的實際情況進行針對性、適應性的調整。

面對這一制約農機底盤技術發展的問題，很多專家學者也給出了自己的解決方案，從目前的研究來看，農機底盤的可變輪距功能大多通過液壓驅動或伺服電機驅動。其中液壓驅動轉向在輸出力矩、穩定性、故障率以及靈活性上都比電機驅動好很多，在農用高地隙底盤中應用廣泛；而伺服電機驅動轉向是利用電動機為轉向提供驅動扭矩的系統，因其具有環保、操作簡單等優點，目前歐美一流農機企業都在這方面加大研究力度。

從國內來看，這方面的研究大多針對于特定農機具。譬如，劉平義等[22]設計了輪距可調式農用底盤，可以滿足作業要求。

3.2 多向行走技術

針對我國很多農田長度較短的實際特點，大型農機具在作業過程需要頻繁掉頭轉彎，這樣不僅影響作業效率，更容易壓實土壤，不利于農作物的生長。因此，如果可以實現農機底盤的多向行走，或者在底盤上實現農機具的轉向，將極大提高作業效率，并減少對土壤的破壞程度。因其技術實現的復雜性以及在田間實際操作的復雜性，目前國內外農機企業和科研機構對農機底盤多向行走的研究幾乎為零。不過從理論上來說，底盤的多向行走功能還是可以實現的。

3.3 線控轉向

線控轉向是當前農機裝備領域以及汽車工業領域最活躍的技術之一，運用線控底盤代替傳統機械底盤已然成為農機底盤技術發展的趨勢，通過自動控制技術和傳感器相結合以取代傳統機械底盤，可以有效提高農機底盤的靈活性、安全性和穩定性。特別是新能源汽車的爆火，智能線控底盤已然成為新能源車企布局最廣的賽道，我國品牌有望打破歐美日在底盤產業鏈、供應鏈的頂端地位，實現線控底盤領域的換道超車，這也為農業機械線控底盤的發展提供了重要參考。

3.3.1 線控技術

相較傳統底盤控制技術，線控技術是通過電路進行連接、實現控制信號的傳遞，直接省去了傳統的機械裝置，將原本機械裝置實現的換擋、轉向、加減速和制動等操作全部轉化為數字信號并傳達給機械，最終實現設備的控制。從理論上看，線控技術主要是通過計算機的人機接口將駕駛員對機器的操作指令轉化為計算機內部的數字信號，經過規劃的電路傳遞給執行裝置，然后機器具體執行上述指令，執行完畢以后將反饋信號傳遞給人機接口，形成一個閉環反饋回路。從結構來看，線控技術把傳統機械連接裝置替換為一些電子元器件，用數字電路替代機械傳動，節省了大量復雜機械裝置，同時也方便駕駛員的實際操作。

3.3.2 線控轉向

線控轉向系統又稱SBW（steer?by?wire）系統，主要包括轉向盤系統、電控系統和轉向系統三個部分，線控轉向徹底去除了方向盤和齒條間的機械連接裝置。根據駕駛員的實際作業需求，通過CAN總線連接的電子控制單元（ECU）傳遞指令，執行電機收到指令后驅動轉向輪轉動，實現農機底盤轉向的自動化，具有響應速度快、體積小和安全系數高等優點，SWB系統已然成為了是未來農機底盤技術發展的主流。曲浩等[23]提出線控轉向執行電機控制策略，可以滿足線控轉向需求；靳萬里[24]將傳感器解析冗余和底盤控制技術相結合，提高了安全性和穩定性。

線控轉向系統在實際運用過程中需要對轉向力進行計算，這對于轉向執行電機的算法要求和控制器的控制精度有著很高要求。與機械轉向實實在在的操作機械不同，線控轉向系統是通過控制技術與算法進行操控，對農機的安全性至關重要，所以容錯控制技術在線控轉向系統得到廣泛應用，一般有硬件冗余方法和解析冗余方法兩種方法，從而提高系統的容錯性能。

4 自主作業技術

輔助駕駛和自主作業已經是農業智能裝備研究的熱點之一，農業機械底盤配備輔助駕駛甚至自主作業單元后，可以基本實現農業生產的無人化和自動化，根據駕駛員對駕駛農機過程中的參與程度的不同，很多科研機構和農機企業對農業機械領域的自動駕駛進行了分類，以凱斯紐荷蘭（CNH Industrial）為例，它把自動駕駛具體分成5類（表3）。

4.1 智能環境感知

智能環境感知技術即農機作業是對外界的信息采集，通過各種傳感器對農機裝備的運行數據進行采集和分析。農機裝備的作業環境是異常復雜多變的，不僅要考慮到地形地貌的影響，還要綜合土壤、氣候、農作物生長情況以及人員和其他農機具的走動等方方面面。當前環境感知技術的主要研究方向在于圖像識別、超聲測距、激光雷達、紅外傳感和多傳感融合技術等。Michls團隊[25]使用三維激光雷達檢測障礙物，檢測結果受天氣因素影響小；Fleischmann[26]、Brand[27]等使用雙目立體視覺生成點云信息，識別障礙物比單目視覺更加準確；黃沛琛[28]在果園環境場景下結合衛星定位和機器視覺技術，可以有效檢測出果樹行區域。

農業裝備作業環境中對于障礙物的感知技術中，檢測行走的人以及其他動物最有效的方法是紅外感知，視覺感知與雷達技術結合是兼顧性價比較高的選擇，超聲波雷達和三維雷達的檢測精度最高、靈敏性最好，未來農機裝備智能感知的研究重點應該在多傳感融合。

4.2 智能定位與路徑規劃

實現農機裝備的智能定位是實現無人作業的基礎，其中定位主要依靠視覺定位和GNSS定位技術。當然，隨著我國北斗系統的建成與全面商用以及SpaceX的“星鏈”的全球組網，我國的智能定位也有了其他選擇和研究方向，這也必將促進農業裝備自動導航技術的發展。Kaizu等[29]通過增強現實技術構建環境的三維圖像，來確定拖拉機的實時位置；王偉康等[30]設計一套雙電機履帶式底盤自動導航系統，能夠實現農機作業路徑的自動跟蹤。

智能底盤裝配路徑規劃單元是農機實現自動駕駛與無人作業的重要環節，也是技術上的重點。路徑規劃應該滿足農業生產規范的要求，在作業區域內準確、快速地進行作業，并且保證不重復作業和不遺漏作業，尋找最優行走路徑，這需要考慮時間、地形地貌、農作物生長情況、機械轉彎情況以及能源消耗等多種因素。在農田環境中，農機的運動主要包括進行作業時的直線行駛部分和地頭轉彎時的曲線部分。其中，直線行駛部分較為簡單，主要是運用智能定位與導航技術，在固定的線路上進行農機作業即可。在農田作業區域內，全過程路徑規劃應該包括直線行駛和地頭轉彎兩部分，前者一般有S形、口字形、回字形和對角形四種方案，而后者一般是弓形、半圓形、梨形和魚尾形四種方案。Ryerson等[31]運用遺傳算法來實現區域內恰好完全覆蓋作業的條件下的最小運動路徑；Karen[32]則在拖拉機導航中使用決策支持系統，綜合時間、能耗以及經濟方面實現最優路徑選擇。國內來看，魏逸飛[33]提出一種激光雷達和毫米波雷達融合的導航系統，實現了果園環境中的實時定位、地圖構建以及路徑規劃；劉剛等[34]則設計出一種基于GNSS的農田自動導航路徑規劃方法，融合K-均值與聚類算法，基本實現路徑規劃要求。

目前在規則地塊的條件下，農業機械路徑規劃的技術和算法以及趨于成熟，在實際作業過程中的效果也不錯，不過針對不規則地塊和復雜地形的全覆蓋路徑規劃算法還有待研究。

4.3 輔助駕駛

輔助駕駛技術是目前我國農機無人作業研究所處的技術階段，作為從人工駕駛到無人駕駛的過渡階段，輔助駕駛在轉彎和直線行駛等過程中能夠實現自動駕駛，但是在農機具具體操作等方面使用人工輔助，這樣有利于駕駛員將更多的精力放在農機具的操作上，從而提高作業效率和質量。

目前，在農業機械輔助駕駛領域，國外農機企業和科研機構的研究相對成熟。美國研發的AutoTrac系統可以充分優化機器效率，延長駕駛員的作業時間，提高作業量；德國研發的的智能轉彎系統SmartTurn，可以實現挖掘機的全自動轉向。我國目前的輔助駕駛研究也日趨成熟，孫煜等[35]設計了一套基于RTK的農機機械輔助駕駛系統，可以在無人駕駛的前提下實現對農機位置、速度、航向和姿態信息的獲取；黃騰達[36]結合我國自主研發的北斗導航系統，提出了南方水田田間管理機輔助駕駛系統設計方案，可以很好適應作業要求。

未來，隨著大數據、AI、深度學習以及新一代移動互聯網技術等現代前沿科技與農機底盤的深度融合，在輔助駕駛賽道上一定會有更好的研究成果。值得一提的是，很多基于深度學習以及人工智能技術與傳統汽車工業的融合已經做得很好了，相信在農業機械領域也能很快落地。

4.4 無人駕駛

自動駕駛的最高境界就是實現無人駕駛，是集環境感知、行為決策、路徑規劃等于一體的前沿技術。隨著技術進步與農業人口的不斷下降，發展無人化農機自主作業技術勢在必行。當然，由于技術、資金以及其他現實原因，目前農業機械的無人駕駛還處在概念機階段，距離真正應用還有一段路要走。將農機裝備的無人駕駛技術與智能底盤的設計相融合，把無人化、自動化、智能化、數字化賦能智能農機，就可以實現農業機械生產的無人作業。就目前國內外研究情況，無級變速是實現農機無人駕駛的核心技術，美國約翰迪爾、德國道依茨法爾等國際農機巨頭都生產出無級變速大功率拖拉機。國內很多企業也通過不同的方式研究無級變速技術，推出了搭載其歐洲技術中心研發的動力換擋傳動系的拖拉機P5000和自己的動力換擋拖拉機。不過，通過調查發現：國內企業的動力換擋產品還是依賴于歐美技術。隨著我國大功率牽引機械需求的擴大，對于動力換擋和無級變速產品的研發會日趨完善，打破國外的技術壟斷。

在未來一段時間，輔助駕駛仍將是實際生產中的主要產品，隨著智能化的發展以及更多科研成果的落地，無人駕駛農機將成為農業機械的主要推動力量。

4.5 無人作業

實現農業裝備的無人作業，需要將農機底盤的無人駕駛技術與智能化的農機具相結合，不僅在駕駛過程中不需要人工操作，在實際生產過程中農機具也是依靠計算機指令或者算法程序來完成。由于技術的復雜性和客觀條件的多樣性，當前真正的無人作業還停留在理論階段，歐美國家農業生產裝備的自動化水平高、具備無人作業的裝備基礎和技術條件，但沒有太大實際需求，我國由于人口老齡化加劇等客觀原因，在這方面有很大的實際需求和廣闊市場。

5 展望

智能農機底盤的研究與5億多農業從業者息息相關，研究前景及其廣闊，對提高我國農業生產效率、提高糧食產量、大力解放和發展農村剩余生產力都具有重要意義。

1） 智能驅動技術：實現農機底盤的驅動技術的升級換代還有許多工作需要深入研究，液壓提升方面在未來急需解決，特別是電液壓技術是具有顛覆性的創新，在未來一定會成為液壓提升系統的關鍵一環；動力換擋技術方面主要是控制算法需要優化、怎樣結合發動機轉速與農機負載來實現效率最大化以及電液系統的穩定性設計都是未來動力換擋技術需要突破的關鍵點；無級變速裝置設計方面，離合器換擋穩定性仍需改善、HMCVT的控制策略與控制方法需要優化提升、HMCVT與大型農業機械的適配問題需要解決、HST與機械換擋變速箱串聯之后的效率有待提高以及最具未來性和前瞻性的E-CVT設備的研發與應用，其中E-CVT的研發應用是實現我國農機裝備智能化換道超車的絕佳機會。

2） 高適應性行走技術：實現農機底盤的多向行走目前僅停留在理論研究層面，未來實現該項技術的落地應用將極大農機的提高作業效率，這也是農機底盤技術未來發展的方向；線控轉向技術已經是智能化農機底盤研究的熱點了，其執行電機的算法優化、控制器的控制精度的提升、容錯控制技術的改良升級以及如何提高農機底盤的靈活性安全性和穩定性的等都是線控技術發展的方向。

3） 自主作業技術：農機裝備的無人作業是農機底盤研究的最高實現形式。環境感知技術上需要改進的是如何兼顧設備的性價比問題，以及多傳感融合技術上；定位精度的提升伴隨者“北斗”的聯網已經得到很大改善，比較棘手的是路徑規劃方面，特別是針對我國廣大丘陵山地地區復雜農田的適應技術與路徑規劃算法還有待研究；輔助駕駛與無人駕駛技術上需要突破的是與新一代移動互聯網技術、AI以及深度學習的融合，爭取實現技術上的最優控制；無人作業是農機底盤各項前沿技術的集大成者，但也是智能農機底盤技術發展的核心關鍵技術。

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