拖拉機自動導航與換擋控制技術研究

趙 宇

(黑河市愛輝區農業綜合行政執法大隊，黑龍江 黑河 164300)

0 引言

隨著我國科技水平的不斷進步，農業機械在研發、生產、使用的各個環節都得到顯著改善，農機產品的工作能力和可靠性實現了快速提高，農業機械在農業生產的方方面面發揮了巨大作用?，F階段，農業機械的使用有效減少了農民的勞動量，農民參與農業生產的過程得到了改善，但農業機械的使用仍需要人工駕駛和操作，不僅需要具有一定專業能力的農機駕駛員進行駕駛，還可能受到駕駛習慣、操作規范性等影響而降低作業質量。現階段，隨著農村勞動力向城市轉移，農機智慧生產的需求進一步凸顯，智慧農機逐漸成為農機產業未來發展的主要方向。自動導航與換擋控制技術是農機自動行駛的兩大重要技術，也是智慧農機無人化作業的基礎，在拖拉機上應用自動導航與換擋控制技術能更好地保障拖拉機的規范作業，實現智慧生產、精確生產、高效生產。

1 農用自動導航技術現狀

農用自動導航技術早在1924年就被提出，早期的應用集中于拖拉機的自動行駛方面，至今，美國等西方發達國家對于農用自動導航技術的研究已經持續了近百年。截至2020年底，美國使用的農業機械上配套的自動導航技術已超過90%，此外，荷蘭、日本、德國等發達國家的農用導航技術應用率也很高，有效節約了人力資源成本。

相對而言，我國對于農用自動導航技術的研究起步較晚，在進入21世紀以后的20余年才重點對農用自動導航技術展開研究與應用，且在2010年以后，隨著我國北斗衛星系統的完善，農業導航領域與北斗衛星技術實現了良好結合，導航技術的自主知識產權實現快速突破。截至2019年底，我國具有自主技術的農用導航設備生產企業已達24家，為農機自動導航的技術實現創造了有利條件?，F階段，自動導航技術在農業機械上的應用和研究重點集中在拖拉機產品上，并在拖拉機上應用成功后逐漸向聯合收獲機、水稻插秧機等農機上應用[1]。2018年中國農業機械化科學研究院賈全等[2]研究了一種拖拉機自動導航系統自適應控制方法，利用自適應滑?？刂扑惴ń鉀Q了機械間隙、死區、摩擦等產生的導航控制干擾問題，并對前輪轉角的多個傳感器進行融合測量，避免了傳感器故障影響自動導航與控制，相關研究更好地保障了復雜農田環境下的自動導航；2021年安徽農業大學查家翼等[3]以無人智慧農場對農機的要求為出發點，設計了拖拉機作業機組無人作業協同控制系統，提出了自適應預瞄路徑跟蹤控制算法，有效提升路徑跟蹤控制精度，使拖拉機自動導航直線行駛的偏移誤差控制在0.035 m，轉彎行駛的偏移誤差控制在0.280 m，有效保證了拖拉機自動導航精確性。2021年，羅錫文院士團隊在全國11個省啟動建設15個無人農場示范基地，智能導航拖拉機(圖1)能夠配套多種農機具在無人監管條件下自動完成農業生產任務[4]。

圖1 拖拉機導航控制無人化作業

2 拖拉機自動導航技術

2.1 定位及導航技術

衛星定位與智能導航是自動導航技術實現的基礎，衛星定位的精準性與導航系統的邏輯性直接影響自動導航控制的精確性。

2.1.1 定位技術

現階段，我國農業應用的衛星定位系統主要包括我國北斗衛星定位系統(BDS)和美國全球衛星定位系統(GPS)兩大類，隨著我國自主研發的北斗衛星定位系統逐漸成熟，自主生產的拖拉機產品與北斗衛星定位系統的匹配度逐漸升級，北斗衛星定位的精確性也得到了提升。拖拉機衛星定位的傳統技術是單點的動態定位，是單純依靠拖拉機上安裝的衛星定位模塊對作業位置進行定位的形式，受到距離和信號偏差的影響，作業精度僅能達到10～15 m，難以滿足精確農業的作業要求。隨著衛星定位技術的升級，實時差分動態定位(RTK)技術逐漸在農業生產中應用，與傳統的單點動態定位技術對比，實時差分動態定位是利用地面衛星基站與拖拉機上的衛星定位模塊配合完成的定位方式(圖2)，能夠提高衛星定位數據的實時性和定位修正的精確性，用于農業生產的實時差分動態定位技術可使拖拉機的定位精度達到厘米級，且幾乎不存在定位延時問題，使生產作業的精確性得到有效提升。

圖2 實時差分動態定位(RTK)技術原理

2.1.2 導航技術

導航技術是建立在衛星定位的基礎上，綜合農田地理信息、衛星標記的農田邊界、拖拉機衛星定位數據等實現農機行駛路線規劃、行駛速度指導、行駛路線監測、行駛速度監測、行駛偏差警示等功能。主要是通過3顆以上的衛星完成定位數據并通過計算機數學模型運算，對于農機行駛的全過程進行規劃，結合農業作業特征完成跟蹤、測量、計算及預報等功能，幫助農機在精確位置指導下完成行駛工作。現階段的衛星導航還可結合激光導航、視覺導航、雷達導航等技術實現更加精確的定位與環境感知，逐漸實現智能導航。

2.2 自動控制技術

自動控制技術是將傳統的拖拉機技術與現代化的電氣控制技術相結合，從而實現對拖拉機部分功能或全部功能的實時控制。一方面，通過傳感器等感知設備檢測拖拉機的各個零部件狀態，包括轉速、溫度、振動等，明確機具狀態是否正常，并檢測拖拉機轉向角度、行駛速度等是否符合系統控制的要求，以便檢測控制動作執行的正確性。另一方面，結合衛星定位、視覺識別、傳感器等硬件設備(圖3)所獲取的數據信息，通過電動機、電控原件替代人工進行開關控制、轉向控制、換擋控制等，從而免去部分或全部的人工操作過程。同時，自動控制技術還要依托軟件技術，通過系統設計拖拉機導航行駛控制的流程，根據不同的作業模式選擇適當的行駛控制方式，將軟件系統與硬件系統相關聯以保證控制流程的合理性。

圖3 自動控制的硬件需求

2.3 通訊技術

通訊技術是拖拉機獲取信息的主要途徑，是拖拉機控制系統控制各個工作部件的依托，其通過電訊號、電磁波、光信號等進行數據的傳輸，實現數據或指令從發送端到接收端的傳遞。并實現不同種類信號信息的編碼、轉換、識別、解碼、分類、存儲。其集成了電路技術、通信技術、計算機技術、無線電技術、數字技術等，能保證控制過程的實時性與準確性。

2.4 控制系統

控制系統是對拖拉機進行控制的系統總成，其功能是保證拖拉機按照預定的功能完成行駛、調節等控制功能，確保整機處于軟件系統的功能覆蓋下，控制系統根據硬件技術原理可分為繼電器控制、接觸器控制、控制器控制、可編程控制、觸點控制、無觸點邏輯控制等多種類型?？傮w上看，控制系統根據有無信號反饋功能可分為開環控制系統、閉環控制系統，開環控制系統是將數據或指令直接傳輸給控制器，由控制器直接對拖拉機進行控制，這種方式雖然成本低，技術簡單，但是控制精度低，容易受多種因素的影響，不適用于先進、結構復雜的中大型拖拉機。閉環控制系統能夠將反饋信號與輸入的信號進行綜合處理，將可能存在的誤差消除后，再傳輸給控制對象，從而提高拖拉機控制的精確性，閉環控制系統應用成本較高，結構復雜，但是控制精度高、反應速度快，適合先進機型。

3 換擋控制技術

3.1 換擋控制技術的功能

換擋控制是拖拉機自動導航實現的關鍵技術，傳統的人工操作，拖拉機在復雜的生產作業過程中常因換擋邏輯的不合理造成作業阻力增大、耕整地作業質量下降等問題。但要實現拖拉機的自動換擋，其難度比汽車的自動換擋高很多。一方面拖拉機作為重要的牽引設備，其使用過程中常需提供連續的牽引力，在較大的負載作用下，拖拉機換擋過程若出現動力中斷則會嚴重影響使用功能。因此，研究不間斷的動力換擋是拖拉機換擋控制技術的關鍵。另一方面，換擋控制過程需充分考慮農業生產過程的環境條件和不同的作業模式，能夠適應耕整地、植保、收獲等不同作業下換擋邏輯的需求，需具備多種可選擇的換擋邏輯。

3.2 關鍵技術

3.2.1 電液控制技術

近年來，拖拉機的電液控制技術應用得到了有效升級，在拖拉機換擋自動控制的過程中，應用電液控制技術能夠保證在施加力精準的條件下快速完成換擋過程，并減少換擋摩擦片的磨損損壞問題，電液控制技術主要通過電液比例閥控制液壓裝置的運行狀態，實現液壓油流量及壓力的調整，并通過相關液壓裝置替代傳統的人工換擋操作功能。

3.2.2 換擋策略

拖拉機的換擋控制策略主要參照人工駕駛過程的操作習慣進行設計，重點的控制項目包括行駛速度、油門大小、扭矩輸出等。通過合理設計關鍵項目的參數，能實現牽引力最佳輸出，燃油效率得到合理控制。尤其對于拖拉機頻繁換擋、起步、剎車的復雜使用情況，將換擋策略與邏輯控制策略相結合，利用多離合器組合的方式智能控制，能更好實現拖拉機作業過程的動力不間斷換擋。

3.2.3 離合器技術

離合器是換擋品質的重要影響因素，要實現拖拉機的動力不間斷換擋，至少需要兩組離合器進行自動控制下的相互配合?，F階段，農業生產中應用的先進拖拉機多采用濕式離合器替代了傳統的干式離合器，使離合器摩擦片的使用壽命得到了顯著提升，尤其在拖拉機自動換擋的過程中，兩個甚至多個離合器頻繁切換和工作，要求離合器必須具有較長的使用壽命，因此離合器技術的持續提升是保證拖拉機自動換擋功能優化的關鍵。

4 結語

隨著農機自動化與農機智能化理念的普及與應用，拖拉機技術的優化升級已經迫在眉睫，為實現拖拉機作業的智能化，研究在導航技術的基礎上實現拖拉機自動行駛與自動換擋的控制，是未來發動機發展的重要工作。導航技術與換擋技術的合理應用，也能為拖拉機配套不同農機具的高效率高質量作業奠定良好基礎，為農業生產的無人化作業創造有利條件。