一種用于農機無人駕駛自動控制系統的開發與應用

荊 毅

(廣東皓行科技有限公司，廣東 佛山 528300)

1 主要內容和關鍵技術

農機主要涉及兩大類型，一種是拖拉機，另一種是自走式農機(收獲機、植保機、插秧機、青飼料收獲機等)。前者主要體現在作為動力源，通過自身動力的輸出，牽引和傳遞動力，掛接不同需求的農機具實現農業場景的耕、種作業；自走式農機作為自帶動力，實現各種農作物的收割、植保等作業。現階段兩種主要類型農機作業過程中功能的實現，其操縱控制方式主要通過人工操縱來實現，輔助駕駛主要是AB線的作業路徑，作業全程無法實現純無人駕駛和遠程控制。

無法實現全程無人駕駛控制技術，主要是由于機械本身的原理結構很大程度上限制了無人駕駛技術的實現。雖然近幾年在收獲機行駛系統中引入了靜液壓驅動技術，收獲機的行駛速度可以通過單桿操縱手柄來實現加減速與車輛停止，極大地方便了機手的操作，減輕了機手的操作強度，由于操作的便利性，同時也提高了整機的工作效率，增加了機手的收益。但是真正要實現農機的無人駕駛進行農田作業，靜液壓驅動控制技術還遠遠不夠，還需要一系列措施和技術方案的應用來替代機手的操作。

2 實施方案

農機實現無人駕駛和自動控制，關鍵是解決農機在多種場景下通過各種智能控制元件、傳感器、集成控制器、農機通信設備(包括串口、CAN總線、4G/5G通信模塊、電臺、GNSS全球導航衛星系統等)、執行機構、電磁液壓閥/比例閥、驅動執行器以及導航控制技術、融合算法，沿著規劃的路徑完成各種指令動作。

2.1 行駛系統

2.1.1 轉向控制

轉向控制硬件采用電動方向盤+角度傳感器，通過安裝在農機轉向輪位置的角度傳感器實時監測和反饋轉向輪轉過的角度。角度傳感器將轉過的角度信息上傳到控制器，控制器根據導航定位到農機的姿態信息進行融合算法，計算車輛實際行駛軌跡與預設規劃好的行駛路徑進行對比，超出精度控制范圍之外的數據又進行融合分析計算，依據計算結果校正車輛的姿態。控制器將控制指令傳送到方向盤電機上，接收到指令的電機輸出轉動，轉動的電機通過連接的花鍵套驅動花鍵軸轉動，轉動的花鍵軸驅動全液壓轉向器提供液壓輸出，輸出的油液驅動轉向油缸的伸縮，從而使車輛轉向輪按照要求完成轉向，使受控車輛向左或者向右轉向行駛，校正車輛的運行姿態，使車輛實際行駛路徑無限趨近預設規劃路徑，保持重合，其控制流程框圖，如圖1所示。除電動方向盤和角度傳感器的組合控制轉向以外，還有電液比例閥與角度傳感器的組合，實現同樣的轉向控制，角度傳感器監測轉向輪轉過的角度，將轉過的角度信息上傳到控制器，通過控制器的融合算法，將控制信號傳送到電液比例閥組，通過電液比例閥的開啟和流量大小控制轉向油缸，從而完成轉向。

圖1 自動駕駛轉向系統架構流程

2.1.2 北斗/GNSS定位設備

通過安裝在車輛上的北斗/GNSS設備，主要包括北斗/GNSS天線、組合導航X1、4G路由器、4G天線和控制線束，通過硬件設備接收的信號進行差分融合計算，確定受控車輛的姿態位置。

2.1.3 線控底盤

車輛底盤控制是無人駕駛很重要的一項控制，控制精度的優劣直接影響農機的作業性能和精確度，機器本身的性能優勢也是需要線控底盤的控制性能決定。線控底盤的控制主要涉及車輛的離合、制動、油門、擋位的綜合聯動控制。農機擋位在動力換向方面已經有成熟的技術和實際應用，無人駕駛模式下的控制可以通過CAN總線直接控制其換向執行機構，實現車輛的前進、停止和后退功能的改變。動力換擋和CVT換擋在國內機型上還沒有完全實現在農田作業中的大量使用，其技術和車輛本身的可靠性目前還處于試驗測試階段。這也是目前農機真正實現純無人駕駛操作的技術攻關階段。隨著控制技術的發展和車輛制造水平的提高，通過CAN總線方式控制農機實現換擋是實現農機無人駕駛操作的必要前提。

在傳統換擋技術與動力換擋、CVT換擋過渡階段，實現農機的無人駕駛操作，就需要解決農機操作過程中離合、制動和油門線性控制，通過CAN總線方式控制執行機構按照功能需求完成動作的執行與過程控制。通過控制離合、制動和油門，可實現車輛的自動點火、熄火、啟動、停止、加速、減速等聯動動作，完成農機在無人操作模式下的遠程控制。

根據圖2離合、制動和油門控制結構圖技術方案，離合、制動以及油門的控制實現自動與手動操縱并存，集成控制器接收車輛反饋信息，根據車輛所處狀態，進行數據分析，同時根據功能需求，下發執行機構的控制指令，執行機構完成離合、制動與油門的動作。

1.離合電動推桿；2.離合控制信號線；3.離合拉線；4.離合拉線滑輪；5.集成控制器；6.油門控制信號線；7.油門拉線滑輪；8.制動控制信號線；9.制動拉線滑輪；10.制動拉線；11.油門拉線；12.制動電動推桿；13.油門電動推桿；14.制動拉線支座；15.制動踏板；16.制動拉桿；17.支承軸；18.離合軟軸支座；19.離合踏板；20.離合控制軟軸；21.離合拉線支座；22.制動拉桿支座

該方案中執行機構采用帶有霍爾編碼器的電動推桿，通過連桿機構和拉線實現離合、制動與油門的自動控制。電動推桿內置霍爾編碼器，能夠精準控制其位移行程，可以使受控車輛控制達到定量控制，特別是車輛在啟動時，能夠緩慢平穩起步。

當進入手動操縱狀態時，集成控制器斷電，離合、制動和油門電動推桿完全釋放，所有推桿全部伸出，車輛控制狀態切換為手動操作。集成控制器上電，車輛控制狀態切換為無人駕駛控制狀態，離合、制動和油門推桿電機進行上電復位自檢，完成復位自檢后，電動推桿的初始狀態信息進入集成控制器。

離合進行自動控制時，集成控制器下發指令給離合電動推桿，接到控制信號的離合電動推桿進行伸縮，伸縮的電動推桿帶動連接在其上的離合拉線進行移動，離合拉線的另一端通過滑輪連接到離合踏板的支座上，離合拉線帶動離合踏板繞著支承軸轉動，轉動的離合踏板帶動其上的支座轉動，隨之帶動固定在其上的離合控制軟軸控制變速箱體中離合器的斷開與嚙合。

制動進行自動控制時，集成控制器下發指令給制動電動推桿，接到控制信號的制動電動推桿進行伸縮，伸縮的電動推桿帶動連接在其上的制動拉線進行移動，制動拉線的另一端通過滑輪連接到制動踏板的支座上，制動拉線帶動制動踏板繞著支承軸轉動，轉動的制動踏板帶動其上的支座轉動，隨之帶動固定在其上的制動拉桿控制制動器的打開與關閉。

油門進行自動控制時，集成控制器下發指令給油門電動推桿，接到控制信號的油門電動推桿進行伸縮，伸縮的電動推桿帶動連接在其上的油門拉線進行移動，油門拉線的另一端通過滑輪連接到發動機本體油門控制端口，通過電動推桿的伸縮帶動油門拉線移動，移動的拉線控制發動機油門的增減，完成油門的自動控制。

該技術方案與控制機構原理既可以實現手動操縱，也可以實現遠程自動控制；由于采用帶有內置編碼器的電動推桿，既實現了高精度控制，又實現了閉環反饋控制。利用上述行駛系統的控制方案與技術路線，完成了農機遠程自動點火、熄火、轉向、車速、啟停、制動的自動控制，實現了農機行駛系統的無人駕駛控制。

2.2 功能系統

2.2.1 感知系統

無人駕駛系統通過各種傳感器、激光雷達、相機、超聲波雷達、毫米波雷達進行圖像信息的采集，采集的數據通過域控制器或者工控機進行融合計算，對識別到的圖像數據甄別分類，實現農作物長勢、機耕道信息，農機周圍環境的感知和農機作業狀態的實時控制。

2.2.2 規劃系統

依據無人駕駛農機作業任務需求，其主要需求和任務完成的技術指標有多機作業任務、多機協同作業、農田中多個農機之間互相配合的規劃路徑。不同的作業場景涉及不同的路徑規劃，主要場景為農田作業的耕、種、管、收四個環節。為確保農機無人駕駛作業的安全性，需要在路徑規劃中引入電子圍欄，規避由于信號和作業過程中特殊情況而引起的車輛失控風險。

農業場景中常采用的作業路徑有魚尾轉彎掉頭、梨形轉彎掉頭、套圈的規劃路徑，無人駕駛農機在農田中按照規劃好的路徑完成作業需求。

2.2.3 作業系統

依據上述行駛系統的控制技術路線與方案，農機功能系統的遠程控制同樣采用集成控制器、電動推桿執行機構、電液閥、執行液壓油缸、角度傳感器、壓力傳感器、非接觸式接近開關等完成各項功能的遠程自動控制、在線實時監測和閉環控制信息的反饋。

3 結論

通過農機無人駕駛自動控制系統的開發與應用，可以實現農機耕、種、管、收作業過程中的無人操控，提高農機的標準化作業水平，延長使用壽命，提高工作效率，縮短農作物各環節的作業時間，不僅提高了農作物的產量，而且降低了農作物的自然損失，同時避免人工作業過程中由于搶收而長時間疲勞駕駛導致的不當操縱引起對農機本體的損傷和人身的傷害。無人駕駛系統在農機上的應用，不僅推動了智慧農業的發展，同時也加速了大規模甚至超大規模無人農場的建設與發展，推動了農業現代化的發展進程。

(04)