北斗導航農機自動駕駛系統研究

楊振東 劉文龍 張繼峰 張昕 趙忖 劉彥昌

（東北石油大學秦皇島校區，河北秦皇島 066004）

農業是國民經濟的基礎。為了確保糧食供應和安全，關鍵是要推動農業生產技術進步。智能化農機裝備代表著農業先進生產力，是增強農業綜合生產能力的物質基礎。隨著我國農業現代化的快速發展，農村勞動力老齡化問題加劇，土地規模化經營逐步成型，對智能化農機設備的需求也越來越迫切。農機自動駕駛系統是智能化農機裝備的重要組成部分，是實現精準農業的前提與關鍵，其主要功能是根據各種導航傳感器信息，引導農機按照預定的作業技術路線進行精確跟蹤行駛。農機自動駕駛作業相比傳統人工手動駕駛作業具有如下優點：（1）作業直線度大幅度提高并且不重不漏，能提高農業機械作業質量和土地利用率；（2）能夠進行全時段作業，提高了時間利用率；（3）減輕了駕駛員的勞動強度，提高了作業標準化程度。

我國農機自動駕駛技術基礎研究存在不足，總體水平同國外相比還有一定的差距，農機自動駕駛的關鍵技術在于農機導航定位和路徑跟蹤控制。農機導航定位大多采用組合導航定位的方式，即將兩種或兩種以上不同導航系統以適當的方式組合起來，采用信息融合算法，使得優勢互補、取長補短，獲得比使用單一導航系統更加精準的定位信息。從提高定位精度和可靠性角度出發，目前組合導航定位技術存在大量的創新和改進空間。現代農業對田間作業速度的要求越來越快，對作業質量的要求越來越高。因此，不斷深入研究農機自動駕駛方法，進一步提升農業機械裝備的智能化水平和高效可靠性，支撐現代農業精準化發展具有重大意義。

1 系統整體結構

北斗導航農機自動駕駛系統包括移動基準站組件和車載自動駕駛系統組件兩部分構成，如圖1 所示。

1.1 移動基準站

移動基準站由北斗衛星測量天線、北斗衛星接收機、電臺發射天線、電臺、12V 鉛酸蓄電池組成。北斗衛星接收機通過北斗衛星測量天線接收處理結算衛星定位信息，再由電臺發射差分定位信息（RTK）。移動基準站信號覆蓋范圍5km，

移動基準站無線電發射設備功率1W，無線電發射設備頻率（230～235）MHz。

1.2 車載自動駕駛系統

車載自動駕駛系統該系統主要包括以下部件：北斗測量衛星主天線（以下簡稱衛星主天線）、北斗測量衛星副天線（以下簡稱衛星副天線）、車載電臺天線、車載電臺、車載北斗/GNSS 接收機、工控顯示屏、控制器（ECU）、電磁比例換向液壓閥和角度傳感器組成。衛星主天線作用接收衛星定位和速度信息。衛星副天線與衛星主天線配合實現定向。車載北斗/GNSS 接收機接收衛星和移動基站信號并輸出高精度定位信息（RTK），實現定位誤差 ＜=2.5cm。控制器（ECU）接收車載北斗/GNSS 接收機高精度定位信息（RTK）、運動姿態傳感器（MEMS）和角度傳感器的信號（檢測農機前輪轉向角度值），經信息融合運算后向液壓閥實時發送指令，驅動農機的轉向機構，使農機按照規劃的路線進行高精度自適應自動駕駛。此系統直線作業橫向偏差與交接行誤差均不大于2.5cm，作業速度范圍（0.6-12）km/h，表1。

表1 系統主要參數

2 系統控制方法

基于北斗導航的農機自動駕駛控制系統，由北斗衛星導航定位系統（BDS）、捷聯慣性導航系統（SINS）、角度傳感器、控制器（ECU）、電液比例換向閥和工控顯示屏組成。如圖2 所示。

圖2 控制系統

北斗衛星導航定位系統（BDS）由基站和車載部分組成。基站測量天線與基站接收機銜接，基站接收機與基站發射臺銜接，基站發送電臺連接基站發送電臺天線，基站發送電臺天線發送實時動態（RTK）位置信息。車載接收電臺天線接收基站發送電臺實時動態（RTK）位置信息，車載接收電臺、車載測量主天線和車載測量副天線分別連接車載接收機，車載接收機輸出農機位置、速度和姿態信息。

捷聯慣性導航系統（SINS）由三軸加速度計、三軸陀螺儀和三軸磁力計組成。捷聯慣導系統輸出農機的位置、速度和姿態信息。控制器（ECU）分別連接車載接收機、捷聯慣性導航系統（SINS）、角度傳感器、電液比例換向閥和顯示屏。電液比例換向閥連接液壓轉向器，液壓轉向器連接農機導向輪，農機導輪與角度傳感器銜接，角度傳感器檢測農機導輪的角度值。控制器（ECU）接收車載接收機、捷聯慣性導航系統（SINS）與角度傳感器信號，并對車載接收機和捷聯慣性導航系統（SINS）的位置、速度和姿態信息進行融合處理得到高精度的農機位置、速度與姿態數據，然后根據作業線的位置和方位，以及當前農機的位置、方位與導向輪轉角值，計算出控制信號送至電液比例換向閥，從而驅動農機液壓轉向器改變導向輪轉角，實現農機按照預定路線精確追蹤。工控顯示屏用于觀察顯示農機運行工作狀態，標定農機結構參數，設置跟蹤控制參數和記錄各種相關數據。

3 系統軟件設計

為了便于駕駛員觀察農機運行狀態、標定農機結構參數，設置跟蹤控制參數和記錄各種相關數據，設計了人機界面旨在使操作更加簡潔。北斗導航農機自動駕駛系統軟件主要包含：車輛配置與標定、田塊配置與管理、車輛作業監控、定位系統診斷、系統參數設置和系統管理等。其中，車輛配置與標定部分負責完成農機自動駕駛所需車輛參數的標定、配置和記錄工作；田塊配置與管理部分用于完成農機自動駕駛所需田塊與作業信息的配置和管理任務；車輛作業監控部分負責以動態圖形界面的形式監控農機作業過程；定位系統診斷部分用于監測BDS 定位系統的運行狀態；系統參數設置部分用于設置和顯示整個自動駕駛系統的一些參數信息；系統管理部分主要用于整個自動駕駛系統的調試。

3.1 系統總結構

3.1.1 系統框架

北斗導航農機自動駕駛系統軟件共包括6 個組成部分，分別為：車輛配置與標定、田塊配置與管理、車輛作業監控、定位系統診斷、系統參數設置和系統管理。北斗導航農機自動駕駛系統軟件能夠配合下位機控制器實現農機車輛自動按照預定航線高精度行駛，實現了翻地、靶地、旋耕、起壟、播種、噴藥等各個重要環節的精準管理作業。其結構框架如圖3 所示。

圖3 系統結構框架

3.1.2 系統流程（圖4）

系統啟動后，自動載入上次作業的車輛田塊信息，隨后通過人工操作進行BDS 定位信息診斷。若定位信息不存在異常，可以根據需要有選擇地進行如下操作：（1）設置或查看系統參數信息；（2）調試整個自動駕駛系統；（3）新建車輛；（4）重新創建、編輯、管理田塊和作業。然后，手動操作進入車輛作業監控子系統，啟動自動駕駛，實時監視車輛的運行過程。

3.2 系統管理

圖4 系統總體流程

圖5 系統管理流程

系統管理部分現僅提供整個自動駕駛系統的調試功能，具體包括車輛田塊信息的上傳與下載和控制參數信息的上傳與下載（流程詳見圖5），以及數據庫記錄數據的顯示等子功能。系統管理部分前兩項子功能用于完成控制器中車輛田塊信息與控制參數信息的讀取和寫入，從而能驗證出本上位機軟件與下位機控制器之間信息傳遞是否正常，以及雙方數據是否一致；第三項子功能用于讀取和顯示數據庫中所存儲的車輛參數、田塊信息與控制參數等數據內容，在方便用戶查閱的同時，也能驗證出數據庫運行是否正常。

3.2.1 車輛配置與標定

車輛配置與標定部分用于建立車輛參數信息，包括車輛基本參數配置、車輛瞬時輪角檢測、液壓閥死區與最大控制脈寬標定三項內容。其中，車輛基本參數配置具體完成車輛名稱輸入、天線高度設置、天線偏移設置、輪角極限標定和姿態偏差校準五項功能。

3.2.2 田塊配置與管理

田塊配置與管理部分負責管理田塊和作業，主要包括創建田塊、選擇田塊、新建作業、編輯作業、刪除作業、選擇作業和顯示田塊作業信息等內容。

3.2.3 車輛作業監控

車輛作業監控部分主要完成車輛運行過程的動態監控任務，具體包括手自動操控切換、控制參數修改、作業面積計算、車輛運行數據實時顯示和車輛運行過程動態監視等內容。

結束語

北斗導航農機自動駕駛系統，是集北斗衛星接收、定位、多傳感器信息融合等控制于一體的綜合性系統，利用高精度的北斗衛星導航定位信息，由控制器對農機的液壓轉向系統進行控制，使農機按照規劃的路線進行自動駕駛，能夠實現農機對預定路徑的精確跟蹤。田間測試結果表明，此系統直線作業橫向偏差與交接行誤差均不大于2.5cm，作業速度范圍（0.6-12）km/h，有效提高了土地資源利用率和農機作業效率，在農業生產領域具有較高的推廣應用價值。