基于視覺導航的拖拉機自動駕駛系統

方 嘯，貢 軍，鄭嘉偉，劉益軍

（中聯重機股份有限公司，安徽 蕪湖 241080）

拖拉機自動駕駛是農業機械裝備智能化、信息化、無人化的典型應用。傳統的拖拉機自動駕駛采用定位導航技術，通過傳感器技術、差分定位技術，實現全局路徑規劃，進而實現拖拉機自動駕駛。本文在傳統拖拉機自動駕駛的基礎上，引入視覺檢測技術。一方面，通過視覺檢測技術實現局部路徑規劃，為全局路徑規劃提供相應的補償，保證在定位信號受到干擾時，拖拉機自動駕駛系統仍能正常運行；另一方面，通過對前方環境的檢測，實現碰撞預警功能，提升拖拉機自動駕駛的安全性。

1 拖拉機自動駕駛背景概述

拖拉機自動駕駛技術是精準農業的重要基礎以及關鍵技術，在此系統的輔助下，配套適合的農具，能實現耕種、播種、施肥等智能化及無人化。其優點：①可24小時全天候不間斷作業，提高農業作業面積，不受天氣因素干擾，保證作業精度；②作業精度高，減少農業作業的重復面積，提高作業效率；③減輕駕駛員的勞動強度，使駕駛員從復雜繁忙的工作中解放出來，作業時有更多的精力與時間關注機車和機具的運行情況，可以降低人力成本，提高土地利用率。

2 拖拉機視覺導航自動駕駛系統設計

視覺導航自動駕駛系統由基站、接收機、角度傳感器、攝像頭、控制器、顯示器、方向控制器組成（圖1）。各部分工作原理如下：

基站：基站有固定式和便攜式兩種，適用于不同的自然環境，可同時服務覆蓋范圍內的多臺機械，為導航終端提供的差分信號精度達到2 cm。固定式基站大多設置在農機推廣站或農場中心區域，位置不會輕易改變。其網絡或電臺提供的差分信號有效距離可以達到50 km，適合集中連片的許多機械同時作業。

接收機：接收機是通過設置好的電臺頻道與基站進行通信，以改正定位的誤差信息，并將信息發送給控制器。

角度傳感器：實時感應轉向角度并向控制器發送高精度轉向信息。

攝像頭：利用攝像頭實時拍攝拖拉機行駛過程中的外部環境，以圖像形式為控制器提供外部環境狀態。

控制器：根據接收機、角度傳感器、攝像頭的實時信息以及車輛在規劃路徑上所處的狀態進行實時閉環計算，并將指令發送給方向控制器，使車輛保持在預定軌跡上行駛。控制器主要處理圖像處理、路徑規劃、地形補償、車輛運動學、軌跡跟蹤等核心算法，通過CAN和PWM兩個總線回路分別和顯示器與方向控制器進行通信。

顯示器：人機交互界面，用于用戶設定自動駕駛模式、自動駕駛起始與終止點，同時為用戶實時提供自動駕駛信息狀態、偏移角度、碰撞預警等信息。

方向控制器：方向控制器主要有液壓閥和方向盤控制器兩種形式。液壓閥以液壓油為介質，進行能量轉換、傳遞和控制，從而實現對繼續前進方向的控制。方向盤控制器直接與機械的方向盤連接，通過馬達驅動方向盤實現自動控制。

圖1 視覺導航自動駕駛系統架構

3 拖拉機視覺導航自動駕駛測試

視覺導航自動駕駛系統在中聯重機股份有限公司的PH系列拖拉機上進行系統集成與驗證測試。系統安裝實物圖如圖2所示。

圖2 視覺導航自動駕駛測試實物圖

其中，基站采用移動式基站，固定在試驗場某個位置；接收天線安裝于車頂，接收機為10 Hz定位信號輸出，RTCM3.2信號傳輸，無線電臺頻率為410M～470M，調制方式及頻率可編程；角度傳感器安裝于車輪前橋；攝像頭安裝于前擋風玻璃后；控制器與顯示器安裝于駕駛室，碰撞預警的安全距離設置為20 m；方向控制器采用液壓轉向閥控制；基站為24V供電，其余為12 V供電。

分別進行了兩類測試，第一類測試主要驗證自動駕駛直線行走功能，第二類測試主要是驗證自動駕駛拖拉機的碰撞預警功能。從圖3可以看出，實際軌跡的偏移誤差保持在±2.5 cm以內，控制精度較好。

第二類測試結果如圖3、圖4所示，其中，圖3為實時圖像處理，圖4為碰撞預警功能測試。

圖3 視覺圖像實時處理結果

圖4 人機交互界面碰撞預警功能顯示

4 結論

將視覺檢測技術與導航定位技術結合，設計開發基于視覺導航的拖拉機自動駕駛系統，并將系統在中聯重機的拖拉機上進行直線自動駕駛與碰撞預警測試。