拖拉機(jī)液壓與電動2種自動駕駛方式

高帥 鐘興 高菊玲 丁帥

摘要：對拖拉機(jī)自動駕駛的基本組成及路徑跟蹤原理進(jìn)行分析，建立了拖拉機(jī)的運(yùn)動學(xué)模型。在東方紅954拖拉機(jī)上加裝液壓轉(zhuǎn)向和電動方向盤自動駕駛系統(tǒng)，對2種轉(zhuǎn)向方式的控制系統(tǒng)性能、直線度性能和入線數(shù)據(jù)進(jìn)行田間試驗研究。現(xiàn)場試驗表明，電動方向盤自動駕駛方式的動態(tài)性能指標(biāo)高于液壓轉(zhuǎn)向自動駕駛方式，穩(wěn)態(tài)誤差略低于液壓轉(zhuǎn)向自動駕駛方式，入線米數(shù)多數(shù)情況下少于液壓轉(zhuǎn)向自動駕駛方式，直線度的標(biāo)準(zhǔn)差比液壓轉(zhuǎn)向自動駕駛方式低0.55 cm。可見在相同情況下，電動方向盤自動駕駛方式路徑跟蹤效果和穩(wěn)定性方面略優(yōu)于液壓轉(zhuǎn)向自動駕駛方式。

關(guān)鍵詞：液壓;電動;自動駕駛;路徑跟蹤;直線度

中圖分類號：S219?? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2021）17-0188-05

收稿日期：2021-02-03

基金項目：江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院科技項目（編號：2019kj035）。

作者簡介：高 帥（1988—），男，江蘇新沂人，碩士，工程師，主要從事智能農(nóng)機(jī)裝備研究。E-mail：gaoshuai23@126.com。

通信作者：鐘 興，碩士，副教授，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計、制造及自動化研究。E-mail：light200888@163.com。

隨著現(xiàn)代科技的不斷發(fā)展，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)正朝著自動化、智能化、信息化的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)方向發(fā)展[1]。美國[2]、日本[3]、德國[4]等依次提出了精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展戰(zhàn)略方針，“中國制造2025”也致力于發(fā)展智能農(nóng)業(yè)裝備，推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+農(nóng)機(jī)”作業(yè)模式，開展農(nóng)機(jī)自動駕駛的相關(guān)技術(shù)研究已經(jīng)成為一種趨勢[5]。

自動駕駛農(nóng)機(jī)是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作業(yè)的重要裝備，是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中最為重要的一環(huán)，通過自動控制替代人力，大幅提高農(nóng)機(jī)作業(yè)效率[6]。自動駕駛農(nóng)機(jī)技術(shù)是利用北斗或GPS等衛(wèi)星定位系統(tǒng)為主要技術(shù)，通過農(nóng)機(jī)控制器和導(dǎo)航系統(tǒng)來自動控制農(nóng)機(jī)，使農(nóng)機(jī)按照用戶定義的路徑行走[7-9]，具有自動駕駛的智能化農(nóng)機(jī)已發(fā)展成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)的新潮流，是近幾年來國際上推動農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)研究的重要熱點之一[10]。隨著農(nóng)機(jī)自動駕駛技術(shù)的快速發(fā)展，目前市場上出現(xiàn)了2種自動駕駛方式，分別是通過電動方向盤驅(qū)動轉(zhuǎn)向輪按照規(guī)劃好的路徑行駛的電動方向盤自動駕駛方式，以及通過電液比例閥驅(qū)動轉(zhuǎn)向輪的液壓轉(zhuǎn)向自動駕駛方式[11]。

對于這2種自動駕駛方式，行業(yè)內(nèi)的看法不盡相同，各國的學(xué)者也分別對液壓轉(zhuǎn)向[12-15]和電動方向盤[16-20]2種自動駕駛方式進(jìn)行了研究，實現(xiàn)了農(nóng)機(jī)的自動轉(zhuǎn)向。但是目前液壓與電動2種自動駕駛方式的路徑跟蹤對比分析研究比較少，如唐天石從技術(shù)層面、市場表現(xiàn)和歷史回顧方面分析了兩者的優(yōu)劣勢[21];李世超等針對不同電機(jī)的拖拉機(jī)自動導(dǎo)航轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)進(jìn)行了性能對比[22]。這些研究都對本研究有借鑒意義，本研究在前期工作的基礎(chǔ)上，對拖拉機(jī)自動駕駛的組成及路徑跟蹤原理進(jìn)行探討，分析液壓和電動2種拖拉機(jī)自動駕駛方式的區(qū)別，最后搭建試驗平臺，進(jìn)行兩者的田間試驗研究，試驗測試2種方式的控制系統(tǒng)性能、直線度性能和入線度數(shù)據(jù)。

1 拖拉機(jī)自動駕駛

1.1 拖拉機(jī)自動駕駛的組成

如圖1所示，拖拉機(jī)自動駕駛系統(tǒng)主要由3個部分組成，分別是拖拉機(jī)人機(jī)交互系統(tǒng)、拖拉機(jī)控制器+天線系統(tǒng)、拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向+角度傳感器系統(tǒng)。拖拉機(jī)人機(jī)交互系統(tǒng)是拖拉機(jī)駕駛員與交互控制系統(tǒng)交互的關(guān)鍵組件，主要包括各種人機(jī)交互界面、顯示器等，可以規(guī)劃拖拉機(jī)執(zhí)行路徑、設(shè)置相關(guān)參數(shù)，同時可以實時地查看拖拉機(jī)路徑的航向、作業(yè)的場地面積等。拖拉機(jī)控制器+天線系統(tǒng)主要包括控制器、基準(zhǔn)站、衛(wèi)星天線、車載信號接收機(jī)等，該系統(tǒng)高度集成化，可以完成拖拉機(jī)的衛(wèi)星定位、決策和遠(yuǎn)程控制，能夠?qū)崟r準(zhǔn)確地定位拖拉機(jī)的位置與姿態(tài)，計算出拖拉機(jī)實際行駛路徑與規(guī)劃路徑之間的偏差，并進(jìn)行最優(yōu)求解，規(guī)劃最優(yōu)路徑，并將拖拉機(jī)實時數(shù)據(jù)反饋給拖拉機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使拖拉機(jī)始終準(zhǔn)確地按照規(guī)定航線進(jìn)行行駛[23]。拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向+角度傳感器系統(tǒng)主要包括拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向執(zhí)行子機(jī)構(gòu)和角度傳感器，它能夠快速地實時響應(yīng)控制器所發(fā)送的轉(zhuǎn)向指令，從而自動控制拖拉機(jī)的轉(zhuǎn)向，并將實時數(shù)據(jù)檢測結(jié)果進(jìn)行反饋。

1.2 拖拉機(jī)路徑跟蹤原理

拖拉機(jī)路徑跟蹤作為拖拉機(jī)自動駕駛中的關(guān)鍵執(zhí)行層控制技術(shù)，是影響車輛安全性與舒適性的關(guān)鍵技術(shù)。拖拉機(jī)路徑跟蹤由路徑跟蹤控制器執(zhí)行，它是通過不斷生成速度和轉(zhuǎn)向命令來自動補(bǔ)償跟蹤誤差，從而使拖拉機(jī)沿著已經(jīng)規(guī)劃好的路徑繼續(xù)前進(jìn)[24]，主要參數(shù)包括拖拉機(jī)偏離路徑的距離與航向角。常見的路徑跟蹤方法按照使用模型的不同分為動力學(xué)模型和運(yùn)動學(xué)模型。其中運(yùn)動學(xué)模型通常將拖拉機(jī)車輛轉(zhuǎn)換成四輪驅(qū)動的機(jī)器人剛性機(jī)構(gòu)，因拖拉機(jī)運(yùn)動時屬于低速行駛，所以不需要考慮動力學(xué)問題，因此采用運(yùn)動學(xué)模型設(shè)計的軌跡跟蹤控制器具有可靠的控制性能[25]，如圖2所示，拖拉機(jī)的運(yùn)動學(xué)模型方程為

xyα=cosα0sinα001υω。（1）

式中：x為后軸中心的橫坐標(biāo);y為后軸中心的縱坐標(biāo);α為車輛的航向角;β為前輪偏角;ι為軸距;υ為后軸中心的速度;ω為車輛的橫擺角速度。

車輛的橫擺角速度為

ω=υιtanβ。（2）

通過運(yùn)動學(xué)模型方程可以看出，通過對后軸中心速度υ和車輛的橫擺角速度ω的控制，就可以實現(xiàn)拖拉機(jī)在坐標(biāo)系里不同位置和姿態(tài)的運(yùn)動。常見的控制算法有模型預(yù)測控制（MPC）、比例積分微分控制（PID）、滑模控制（SMC）以及模糊控制（FC）等，多種控制方法的結(jié)合會使得路徑跟蹤的效果更加準(zhǔn)確，在此不再一一進(jìn)行贅述。

2 液壓轉(zhuǎn)向與電動方向盤自動駕駛的區(qū)別

拖拉機(jī)自動駕駛方式按照執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要分為2種，一種是電動方向盤自動駕駛，另一種是液壓轉(zhuǎn)向自動駕駛[26]。2種不同駕駛方式分別是從不同的技術(shù)產(chǎn)品以及應(yīng)用演化而來，液壓轉(zhuǎn)向自動駕駛方式是在歷年農(nóng)機(jī)無人駕駛技術(shù)的研究基礎(chǔ)上簡化而來，而電動方向盤自動駕駛則由目前全球?qū)Ш降壎鴣怼ｋ妱臃较虮P自動駕駛由于不需要改變農(nóng)機(jī)的原有轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，且安裝方便、結(jié)構(gòu)簡單而得到行業(yè)用戶的廣泛青睞，而液壓轉(zhuǎn)向自動駕駛則需要對原有轉(zhuǎn)向系統(tǒng)如油路和結(jié)構(gòu)性能作重大改變，常用于大型農(nóng)場機(jī)械作業(yè)[21]。

（1）電動方向盤自動駕駛：工作原理是控制器通過分析拖拉機(jī)角度傳感器信息，計算出轉(zhuǎn)向輪期望轉(zhuǎn)角以及轉(zhuǎn)向力矩，控制電機(jī)為4個轉(zhuǎn)向輪提供所需要的轉(zhuǎn)向力矩，實現(xiàn)自動轉(zhuǎn)向。通常由車載衛(wèi)星天線、數(shù)據(jù)處理器模塊、角度傳感器、電動方向盤、導(dǎo)航系統(tǒng)模塊以及其他線路組成。

（2）液壓轉(zhuǎn)向自動駕駛：工作原理是控制器通過分析拖拉機(jī)角度傳感器信息，自動計算轉(zhuǎn)向輪的期望轉(zhuǎn)角與實際轉(zhuǎn)角的差值，通過控制電磁閥閥芯來改變液壓油的流向與速度，進(jìn)而控制轉(zhuǎn)向輪的偏轉(zhuǎn)方向和轉(zhuǎn)動角度。通常由車載衛(wèi)星天線、數(shù)據(jù)處理器模塊、角度傳感器、液壓閥、ECU控制器以及其他線路組成。

3 材料與方法

3.1 試驗條件和試驗設(shè)備

試驗在江蘇農(nóng)博園的農(nóng)機(jī)作業(yè)實訓(xùn)場地中進(jìn)行，行進(jìn)速度分別選取適合江蘇地區(qū)的免耕播種作業(yè)速度3、5、7 km/h。試驗現(xiàn)場采用的是由東方紅954拖拉機(jī)加裝的液壓轉(zhuǎn)向和電動方向盤的自動駕駛拖拉機(jī)，控制器采用雙天線解決方案、MPC控制算法，可在車輛靜止時確定航向，避免出現(xiàn)起步彎，并在低速工作中，保證良好的直線度。電動版內(nèi)置慣導(dǎo)模塊，可以對全地形進(jìn)行補(bǔ)償，保證拖拉機(jī)在坡地高速等作業(yè)工況時，仍能保持精度。車輪轉(zhuǎn)角狀態(tài)采集采用非接觸式（Gasensor）類型的角度傳感器，車身角度分別選擇平行和傾斜45°進(jìn)行測試。

3.2 評價性能指標(biāo)

本次路徑跟蹤分析試驗采用3個評價性能指標(biāo)，分別是控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)、入線米數(shù)和直線度。分析2種不同駕駛方式的控制系統(tǒng)性能指標(biāo)以及前進(jìn)和倒退時AB線的直線度和入線米數(shù)。

（1）拖拉機(jī)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)主要包括動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)。動態(tài)指標(biāo)包含超調(diào)量、延滯時間、上升時間、峰值時間、調(diào)整時間等;穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)用穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)行衡量。

（2）入線米數(shù)：實際路徑逼近參考路徑時所需要的距離。

（3）直線度：實際路徑在縱向跟蹤過程中的誤差。

4 田間試驗與結(jié)果分析

4.1 控制系統(tǒng)性能分析

以5 km/h的前進(jìn)速度在江蘇農(nóng)博園農(nóng)機(jī)作業(yè)實訓(xùn)場地進(jìn)行液壓轉(zhuǎn)向和電動方向盤駕駛方式控制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)測試試驗，分別選取1、3、5、10、15、20、25、30等8種不同的轉(zhuǎn)角角度來進(jìn)行分析研究。

4.1.1 動態(tài)性能分析 測試試驗中液壓轉(zhuǎn)向和電動方向盤駕駛方式均沒有超調(diào)量，在此不再作分析。從圖3可以看出，隨著轉(zhuǎn)角角度的增大，2種方式的延滯時間、上升時間、峰值時間、調(diào)整時間也呈上升趨勢。轉(zhuǎn)角角度在20°以下時，電動方向盤方式的動態(tài)性能指標(biāo)明顯高于液壓轉(zhuǎn)向方式。

4.1.2 穩(wěn)態(tài)性能分析 從圖4可以看出，隨著轉(zhuǎn)角角度的增大，2種方式的穩(wěn)態(tài)誤差呈下降趨勢，且電動方向盤方式的穩(wěn)態(tài)誤差明顯低于液壓轉(zhuǎn)向方式。

4.2 入線數(shù)據(jù)分析

從表1和表2可以看出，在同一車輛速度和車身角度條件下，入線米數(shù)隨著距離線位置的增加而增加;在同一距離線位置和車身角度的條件下，入線米數(shù)隨著車輛速度的增加而增加;在同一款車輛速度和距離線位置的條件下，車身角度增大，入線米數(shù)明顯增大;電動方向盤方式除了在車身平行車輛前進(jìn)速度在3、7 km/h的情況下，其他大多數(shù)情況入線米數(shù)均小于液壓轉(zhuǎn)向方式。

4.3 直線度分析

從表3可以看出，液壓轉(zhuǎn)向和電動方向盤方式均能保持良好的直線度，可以保證在±2 cm的精度內(nèi)。經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后可知，液壓轉(zhuǎn)向自動駕駛方式的標(biāo)準(zhǔn)差為1.31 cm，電動方向盤自動駕駛方式的標(biāo)準(zhǔn)差為0.76 cm，由結(jié)果可以看出，電動方向盤自動駕駛方式直線度略好于液壓轉(zhuǎn)向自動駕駛方式。

5 結(jié)論

本研究針對目前液壓和電動2種自動駕駛方式路徑跟蹤分析進(jìn)行了深入研究，對拖拉機(jī)自動駕駛的基本組成及路徑跟蹤原理進(jìn)行了探討，分析液壓和電動2種自動駕駛方式的區(qū)別，隨后進(jìn)行了田間試驗研究，試驗測試2種方式的控制系統(tǒng)性能、直線度性能和入線度數(shù)據(jù)，得出以下結(jié)論：（1）液壓轉(zhuǎn)向和電動方向盤自動駕駛方式控制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)測試試驗結(jié)果表明，電動方向盤自動駕駛方式的動態(tài)性能指標(biāo)高于液壓轉(zhuǎn)向駕駛方式，穩(wěn)態(tài)性能優(yōu)于液壓轉(zhuǎn)向自動駕駛方式;（2）在相同條件下，電動方向盤自動駕駛方式在多數(shù)情況下入線米數(shù)少于液壓轉(zhuǎn)向自動駕駛方式，直線度的標(biāo)準(zhǔn)差比液壓轉(zhuǎn)向自動駕駛方式低 0.55 cm。

本研究發(fā)現(xiàn)，液壓和電動2種自動駕駛方式都能保持良好的路徑跟蹤效果和穩(wěn)定性，同時滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求，但電動方式略優(yōu)于液壓方式，且由于產(chǎn)品不需要改變原有轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、安裝方便，從而得到行業(yè)用戶的廣泛青睞。

參考文獻(xiàn)：

[1]譚晨佼，李軼林，王東飛，等. 農(nóng)業(yè)機(jī)械自動導(dǎo)航技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2020，42（5）：7-14，32.

[2]Zhang N Q，Wang M H，Wang N. Precision agriculture—A worldwide overview[J]. Computers and Electronics in Agriculture，2002，36（2/3）：113-132.

[3]Morimoto R，Hayshi K. Design of smart agriculture Japan model[J]. Advances in Animal Biosciences，2017，8（2）：713-717.

[4]Michael C. Farming 4.0 und andere anwendungen des Internet der dinge[J]. Gesellschaft für Informatik，2016（33）：15-18.

[5]劉成良，林洪振，李彥明，等. 農(nóng)業(yè)裝備智能控制技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢分析[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2020，51（1）：1-18.

[6]Li S C，Xu H Z，Ji Y H，et al. Development of a following agricultural machinery automatic navigation system[J]. Computers and Electronics in Agriculture，2019，158：335-344.

[7]秦 宇，周 宇，趙 亮. 面向農(nóng)機(jī)自動駕駛的5G/大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用展望[J]. 郵電設(shè)計技術(shù)，2020（5）：36-40.

[8]章軍輝，陳大鵬，李 慶. 自動駕駛技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程，2020，20（9）：3394-3403.

[9]王金強(qiáng)，黃 航，郅 朋，等. 自動駕駛發(fā)展與關(guān)鍵技術(shù)綜述[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用，2019，45（6）：28-36.

[10]鄭文鐘. 國內(nèi)外智能化農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 現(xiàn)代農(nóng)機(jī)，2015（6）：4-8.

[11]孫連燭，張兆國，付衛(wèi)強(qiáng)，等. 拖拉機(jī)電液與電機(jī)兩種自動轉(zhuǎn)向方式對比試驗[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2021，43（6）：253-258.

[12]陳文良，宋正河，毛恩榮.拖拉機(jī)自動駕駛轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2005（增刊1）：57-62.

[13]張智剛，王桂民，羅錫文，等. 拖拉機(jī)自動駕駛轉(zhuǎn)向輪角檢測方法[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2019，50（3）：352-357.

[14]Ma J F，Wang D C，Tang Y W，et al. Automatic control system of agricultural machinery based on Beidou navigation[C]//2017 IEEE 3rd Information Technology and Mechatronics Engineering Conference （ITOEC）. Chongqing：IEEE，2017：318-323.

[15]Dong Z Z，Wang H，Tang Y W，et al. Research on automatic driving system of agricultural machinery based on embedded[C]//2019 IEEE 3rd Information Technology，Networking，Electronic and Automation Control Conference （ITNEC）. Chengdu：IEEE，2019：1940-1943.

[16]何 杰，朱金光，羅錫文，等. 電動方向盤插秧機(jī)轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)設(shè)計[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2019，35（6）：10-17.

[17]王大鹿. 數(shù)值迭代算法下的智能插秧機(jī)插秧路徑規(guī)劃[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2020，42（11）：197-200，205.

[18]Liu K，Cheng G H，Kong Z G. Beidou agricultural machinery automatic driving software design[C]//2019 IEEE 4th Advanced Information Technology，Electronic and Automation Control Conference （IAEAC）. Chengdu：IEEE，2019：1770-1775.

[19]奚小波，史揚(yáng)杰，單 翔，等. 基于Bezier曲線優(yōu)化的農(nóng)機(jī)自動駕駛避障控制方法[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2019，35（19）：82-88.

[20]史揚(yáng)杰，奚小波，吳 飛，等. 電機(jī)式北斗農(nóng)機(jī)自動駕駛系統(tǒng)設(shè)計與試驗[J]. 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2019，50（4）：88-96.

[21]唐天石. 淺談液壓和電動兩種農(nóng)機(jī)自動駕駛的方式[J]. 農(nóng)業(yè)工程技術(shù)，2019，39（36）：70-72.

[22]李世超，曹如月，季宇寒，等. 基于不同電機(jī)的拖拉機(jī)自動導(dǎo)航轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)性能對比[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2019，50（增刊1）：40-49.

[23]蘆海濤，張居同. 農(nóng)機(jī)導(dǎo)航自動駕駛系統(tǒng)的組成和分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程技術(shù)，2019，39（36）：67-69.

[24]Morales J，Martínez J L，Martínez M A，et al. Pure-pursuit reactive path tracking for nonholonomic mobile robots with a 2D laser scanner[J]. EURASIP Journal on Advances in Signal Processing，2009（1）：935237.

[25]韓 冰，陳 軍. 拖拉機(jī)行駛路徑的多項式設(shè)計[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2006（10）：98-99，106.

[26]陳秀蓮. 拖拉機(jī)無人自動駕駛技術(shù)應(yīng)用[J]. 山東農(nóng)機(jī)化，2020（5）：44-45.