一種無人駕駛履帶拖拉機的系統架構設計研究

代 聰 ， 唐興隆 ， 龐有倫 ， 張 濤 ， 潘 良 ， 楊清慧

（重慶市農業科學院農業機械研究所，重慶 400054）

0 前言

目前，我國在農業裝備技術研發上的投入還比較少，尤其是針對西南丘陵地區山地農業技術裝備方面投入的研究經費更是微不足道。隨著我國社會經濟的快速發展，智能農機裝備被“中國制造2025”計劃列為重點發展領域之一，智能化、信息化也是農業技術裝備發展的重點趨勢之一，特別是重慶市“十四五”規劃更是把智能農業機械裝備提高到新的發展高度。加大對智能農機無人駕駛的研究，可以解放農村勞動力，提高作業質量與作業效率，極大地促進農村的現代化發展。

智能農機裝備是集農業機械、智能控制、信息獲取、數據采集等于一體的現代農業技術裝備，可以滿足精細農業對農業技術裝備的體系要求。精細農業將GPS、RS、GIS等技術相結合，針對不同的田間地塊和不同的農作物，利用GPS來獲取田間地塊的邊界坐標和無人駕駛農機裝備的實時動態位置，利用RS技術采集田塊的地理信息，利用GIS技術對獲取的田塊地理信息進行分析和處理[1-3]。

本文研究的一種無人駕駛輕型履帶拖拉機的架構構思方案屬于智能農機技術裝備范疇，包括對現有輕型履帶拖拉機進行自動化改裝、搭建無人駕駛控制系統的硬件平臺、設計針對輕型履帶拖拉機自動控制程序的軟件平臺，最后對無人駕駛輕型履帶拖拉機進行試驗。根據以上構思，設計研究出一種基于無人駕駛系統的輕型履帶拖拉機的架構方案。

1 執行機構系統自動化架構設計

目前，針對輕型履帶拖拉機自動轉向控制系統的研究有兩個關鍵問題不可避免，即對執行機構和控制方法的選擇。履帶拖拉機自動轉向控制系統執行機構主要有兩種，一種是通過程控電機的動力來驅動電動方向盤，從而控制履帶拖拉機自動轉向的電控轉向系統，它的優勢是利用電機動力控制系統來驅動履帶拖拉機的轉向機構，并不需要對履帶拖拉機底盤的轉向結構進行根本改變。另一種是通過電機控制液壓的轉向執行機構，這種轉向方法相比直接電機控制簡化了中間的傳遞環節，并且具有更佳的所需功率及控制性能，但是需要對車輛原有的液壓轉向系統進行改造，添加電控液壓閥，通過控制電控液壓閥的狀態來實現電控轉向功能[4-7]。

本文研究的輕型履帶拖拉機需要按照無人駕駛方案進行一定的結構改進，履帶拖拉機傳統的運動執行機構，即靠人工模式根據履帶拖拉機行走工況，實時地控制腳踏油門、腳踏離合、腳踏剎車及手動操作方向盤轉向模式的操作方式不滿足無人駕駛需求，因此需要按照無人駕駛特性方案對履帶拖拉機進行改造。目前，國內已經有部分學者對此問題進行了一定的研究，比如劉雪珂設計研究出一種采用電機控制液壓的模式，執行機構在特定場合可以閉合電磁閥，能實現自動轉向，而農機裝備在電磁閥為閉合的條件下，系統保持原來的人工轉向方法。

首先需要對履帶拖拉機油門、離合及剎車進行機械部分的改造，滿足電動控制油門、離合及剎車踩下時的深淺要求，再進行自動化控制方面的研究。本研究采取汽車工業上一種常用的自動化控制模式，即車身控制器接收車輛數據采集系統所采集的履帶拖拉機周圍的實時動態數據，車身控制器根據數據采集系統所反饋的履帶拖拉機在田間作業時的各項動態實時參數來控制程控電機的運動，程控電機根據車身控制器指令輸出合適力矩來控制履帶拖拉機的油門、離合及剎車按照智能模式進行深淺控制。車輛數據采集系統硬件設備包括各種傳感器、雷達系統等。針對履帶拖拉機轉向控制方法，本研究采取電動方向盤替換車輛原有方向盤的模式，即通過驅動電機控制電動方向盤轉動目標角，來實現履帶拖拉機的轉向控制，具體為履帶拖拉機的轉向按照車身控制器發出的預定義轉向角指令來控制電動方向盤的轉向。自動控制及轉向控制系統架構設計方案如圖1所示。

圖1 電控執行機構架構示意圖

隨著科技的進步，我國農用拖拉機轉向執行機構，從采用全液壓控制系統模式逐漸向電液控制模式過渡，電液控制技術快速發展，轉向車輪與方向盤之間傳統的機械結構模式已經逐漸被淘汰，利用電子信號控制電液比例閥來驅動液壓執行機構的運動，最后實現農用拖拉機的轉向操作。

2 控制系統總體架構設計

無人駕駛控制系統主要技術有GPS定位、預定義路徑規劃、路徑跟蹤控制算法及傳感器技術等。把它們結合起來，用以實現無人駕駛履帶拖拉機預定義功能，總體架構結構如圖2所示。

圖2 總體架構結構示意圖

2.1 硬件系統

無人駕駛履帶拖拉機硬件系統主要包含GPS系統、RS系統、GIS系統及數據采集設備等。GPS系統能夠實現無人駕駛履帶拖拉機在田間的實時定位，RS系統能夠實現采集田間地形信息，GIS系統對獲取的田塊地理信息進行分析與處理。最終都通過人機接口把終端信息上傳到計算機中的軟件平臺上。3S硬件系統示意圖如圖3所示。

圖3 3S硬件系統示意圖

2.2 避障路徑規劃研究

路徑規劃研究是無人駕駛的關鍵技術之一，路徑規劃的效果能直接決定無人駕駛履帶拖拉機的作業效果。履帶拖拉機在田間進行作業的時候，其作業路徑為田塊全區域覆蓋路徑，需要做到無人駕駛履帶拖拉機在規避田間障礙物的同時實現作業時行走路徑為最優。在對某一田塊進行靜態全局覆蓋路徑規劃時，首先需要獲取田塊的邊界及障礙物信息，再確定作業機具的作業路線、轉彎方式和作業方向。農機裝備作業時常見的幾種作業方式為S形、口字形、回字形及對角形，確定作業方式以后，再對田塊內部進行直線作業和轉彎作業的區域劃分，分為直線作業或者轉彎作業模式。最后完成全局路徑規劃，并生成控制程序序列，將控制程序通過人機接口導入到上位機軟件中。整體路徑規劃架構結構如圖4所示。

圖4 路徑規劃架構結構示意圖

2.3 路徑跟蹤算法研究

路徑跟蹤算法同樣是無人駕駛履帶拖拉機的關鍵技術之一，控制算法的優劣直接決定了路徑跟蹤的效果。無人駕駛履帶拖拉機在避障過程中需要按照指定的路徑繞過田間障礙物，路徑跟蹤控制的目的就是實現無人駕駛履帶拖拉機按照指定的期望路徑行駛。在路徑的跟蹤控制過程中主要是控制車輛的驅動輪轉角、油門開度、制動力等因素來達到實現車輛跟蹤控制的目的，目前已有多種方法能夠實現這種控制形式[8-9]。

履帶拖拉機是通過GPS接收機和各種傳感器獲知實時位置坐標、速度及方向角等信息，通過對比預定義路徑和當前位置信息，得到橫向偏差及縱向角度偏差，并將偏差值作為路徑跟蹤控制算法的輸入信息，輸出履帶拖拉機期望的轉向角度，再反饋給電動方向盤控制執行機構進行轉向調整，傳感器實時反饋行駛信息，形成閉環控制，從而達到無人駕駛履帶拖拉機的路徑跟蹤控制。路徑跟蹤控制原理如圖5所示。

圖5 路徑跟蹤控制原理示意圖

無人駕駛履帶拖拉機常采用的路徑跟蹤控制方法有PID控制、模糊控制、神經網絡控制、純追蹤控制和模型預測控制等。近年來針對模型預測控制的研究比較熱門，在路徑的跟蹤控制過程中，由于農機本身與周圍環境存在大量的約束條件，導致常規的跟蹤控制算法很難去處理這種復雜的約束條件。但是模型預測控制的優點正好可以處理這種復雜的情況，所以其在智能農機裝備領域中的運用越來越廣泛。路徑跟蹤控制算法類型圖如圖6所示。

圖6 路徑跟蹤控制算法類型圖

2.4 各種傳感器及數據采集設備

無人駕駛履帶拖拉機在正常工作的時候必須依靠各種類型傳感器來采集設備運行時候的動態參數，包含角度傳感器、圖像傳感器（攝像頭）、超聲波雷達傳感器、多通道數據采集板卡等。多種傳感器獲取的實時數據反饋給車身控制器，并通過車身控制器把數據導入到上位機軟件中[10-12]。

角度傳感器的作用是實時感知車輛轉向角度的變化情況，并向車身控制器發送高精度轉向角信息。圖像傳感器主要是用于感知車輛行駛過程中周圍的環境信息，為無人駕駛履帶拖拉機提供及時可靠的決策數據依據。超聲波雷達主要用于分析真實田塊環境中的行人和障礙物，該傳感器具有非常準確的測距精度。數據采集板卡主要用于無人駕駛履帶拖拉機作業時采集設備運行時的各項動態參數，并將相應參數提供給車身控制器，供控制器自身決策使用，也為后期履帶拖拉機的維護提供數據支撐。

3 軟件平臺總體架構設計

無人駕駛履帶拖拉機系統在選擇合適的硬件平臺之后，基于項目的設計目標，需要利用高精度的衛星系統進行準確定位，設計控制系統軟件來開發自動駕駛功能。系統需要具備LED顯示功能模塊，能夠方便用戶及時了解履帶拖拉機行駛狀態信息，包括各個傳感器工作狀態、運行參數等信息，軟件系統還需具備數據保存功能，方便后期調閱歷史數據。

目前常用的農機車輛導航控制系統的軟件可分為以下三個部分：

1）基于GIS電子地圖的導航地理信息子系統。

2）基于多線程的導航主控子系統。

3）基于GPRS的網絡通信子系統。

依據常規功能設計架構，如圖7所示。

圖7 軟件架構示意圖

本系統可以實現信號處理功能、人機交互功能、導航線路設置功能以及路徑跟蹤控制功能等。

4 試驗總體架構設計

無人駕駛履帶拖拉機是一個非線性系統，在硬件及軟件平臺完成以后，需要對該無人駕駛履帶拖拉機進行試驗，驗證所研究的對象是否滿足預定要求。需要進行試驗準備，確定試驗方式，選擇試驗田塊，分析試驗結果。試驗架構如圖8所示。

圖8 試驗架構示意圖

5 結束語

本研究在參考國內外無人駕駛農機裝備研究的基礎上，重點對無人駕駛履帶拖拉機開發架構思路進行了一定的設計研究分析，分別從履帶拖拉機執行機構改造架構、控制系統硬件架構、軟件系統架構及試驗驗證上開展了研究。本文的研究思路對后期開發無人駕駛履帶拖拉機有極大的指導意義。但是目前，丘陵山區存在農田作業環境復雜、田塊大小不一等情況，無人駕駛履帶拖拉機的研究與推廣還有很長的路要走。