一種小型履帶拖拉機自動導航系統的研究設計

李軍輝，張武斌，高 昌

（1.北京農業職業學院，北京 102208；2.北京市農業機械試驗鑒定推廣站，北京 102208）

1 研究現狀

為了探索農業生產自動化，很多學者對自動導航無人駕駛技術進行了系統研究，中國農業大學的毛恩榮教授團隊先后以鐵牛654型號拖拉機和雷沃TG1254拖拉機為研究平臺，進行了自動轉向系統的電液改造，采用GPS、電子羅盤、陀螺儀、單目攝像機等定位傳感器，對定位算法和導航控制算法進行了研究，實現了拖拉機基本的自動導航[1]。中國農業大學的紀朝鳳教授團隊設計了一套由GPS 接收模塊、顯示控制終端模塊、前輪轉角傳感器、航向傳感器及自動轉向控制器等組成的農用車輛自動導航控制系統[2]。華南農業大學的羅錫文院士團隊以東方紅X-804 拖拉機為研究平臺開發了基于RTK-DGPS 定位系統的自動導航控制系統，包括電控液壓轉向裝置、轉向控制器、導航控制器等，在拖拉機運動學模型與轉向操縱控制模型相融合基礎上，推導出直線跟蹤導航控制系統狀態方程，并提出跨行地頭轉向控制方法[3]。北京理工大學的教研團隊以履帶式拖拉機為試驗平臺，研究出可用于遙控駕駛的液壓伺服驅動轉向控制系統。該轉向系統的改造在原車轉向機構上進行，通過增加電液控制系統、伺服閥等，使履帶式拖拉機實現遙控控制的自動駕駛[4]。

2 自動導航履帶拖拉機樣機總體設計

通過研究履帶式拖拉機的轉向原理、自動導航控制器的工作原理、自動導航控制軟件的現狀和課題經費的額度。確定了自動導航履帶拖拉機由3部分組成。第一部分為下位執行機構，包括清華智科的多功能車輛控制器QVC01、液壓電磁閥控制系統、換擋撥桿液壓缸和其他附件；第二部分為導航定位控制系統，包括GPS 天線、含RTK+GPS 定位卡、Pix-Hawk 主控制器等。第三部分為導航規劃應用部分，包括QGC 地面站軟件（app 版），遙控器和其他附件。系統導航控制工作過程是用戶通過地面站QGC規劃行駛任務，通過藍牙聯接主控制器PixHawk 通信，上傳自動行駛任務。主控制器根據QGC 上傳的行駛任務，根據RTK+GPS 定位卡確定車輛位置和姿態，按照控制策略，與車輛控制器QVC01通信，控制電磁閥液壓控制系統，推動履帶車輛的控制檔桿，控制車輛按照規劃路徑任務行駛，導航控制系統基礎平臺結構方案見圖1。

圖1 導航控制系統基礎平臺結構方案Fig.1 The basic platform structure scheme of navigation control system

3 果園管理機液壓控制基礎平臺搭建與調試

根據方案，設計液壓油路如圖，考慮到液壓系統需要帶動工作機需要，采用15 MPa 的主路壓力，小型履帶拖拉機的操作桿采用4個單作用的柱塞缸。推動小型履帶拖拉機機的操縱桿，復位靠操縱桿彈簧，分別實現前進、后退、左轉、右轉等動作。液壓控住油路圖、裝配的圖如圖2、圖3所示。

圖2 自動導航的液壓控制系統平臺Fig.2 The hydraulic control system platform of automatic navigation

圖3 液壓控制油路Fig.3 The hydraulic control oil circuit

4 自動導航控制系統設計

按照總體設計思路，自動導航部分控制結構圖見圖4。

圖4 自動導航控制結構圖Fig.4 The structure diagram of automatic navigation control

如自動導航控制圖所示，按照規劃路徑行駛控制模塊采用PixHawk4 無人車模式，該模塊為比較成熟的控制模塊，它接收GPS 模塊的RTK 差分后的GPS 信號，和遙控器和手機app完成行駛任務，輸出是車輛的速度和期望轉角，QVC01控制器通過接收到的期望轉角，按照履帶車了的運動模型，轉換成為兩側履帶的轉向控制，將控制指令下傳給液壓控制系統，從而控制車輛按照規劃路徑運動。

具體控制系統接線見下圖5，具體接口設置見表1。

圖5 自動駕駛控制部分實際接線圖Fig.5 The actual wiring diagram of automatic driving control part

表1 控制系統接口設置表Tab.1 The interface setting of control system

5 主要建樹

5.1 將GPS 自動導航技術和車輛控制器應用到小型履帶拖拉機

將GPS 自動導航技術和車輛控制器等運用到小型履帶拖拉機上，研究了GPS 定位差分技術、車輛控制技術、路徑行駛任務在小型履帶拖拉機無人駕駛的應用，探索了技術手段，實現方式。對于自動導航技術的集成應用，實現小型履帶車輛無人化作業，具有十分重要的意義。

5.2 研制了通過QGC 地面站規劃行駛任務，實現GPS 自動駕駛的履帶車輛

研制了一種基于GPS 自動規劃行駛任務的履帶車輛。，見圖6。該平臺能夠根據行駛任務，按照規劃路徑行駛，誤差能滿足生產作業需要。

圖6 自動導航樣機Fig.6 The automatic navigation prototype

機器性能指標：

動力：單缸4沖程汽油機。

轉向控制：液壓控制自動，手動。

電源：12V鉛酸蓄電池2塊。

導航系統：清科智能（千尋）。

控制模式：遙控、手動、任務模式。

課題基于GPS 自動導航技術應用到小型履帶式果園管理機上，PixHawk 4 和GPS+RTK 差分定位作為自動駕駛的控制部分，路徑規劃采用QGC app，控制器執行部分采用液壓電磁閥控制車輛行駛部分。系統的執行部分采用了液壓控制執行系統，保證車輛生產作業的可靠實現。車輛定位采用了基于網絡RTK 差分，實現了厘米級別的定位[5]。控制系統采用了開源的QGC，路徑設置簡單，根據系統提供的兩種模式，其中Survey 提供了開放的生產作業路徑規劃模式。本文因時間未考慮實際作業狀態，同時為開發與作業匹配的設置模式。Corridor Scan 模式適用與自動運輸。同時系統可以選裝相機，采用PC 版本可以實時跟蹤分析作業數據。通過試驗充分驗證了系統設計可靠。該系統適用與定量和定性的分析及二次開發，同時經濟適用。