無人駕駛拖拉機的應用

王艷艷

(山西鐵道職業(yè)技術學院，太原 030013)

0 引言

我國是世界農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國，農(nóng)業(yè)始終是我國的支柱產(chǎn)業(yè)與基礎產(chǎn)業(yè)，近年來，隨著城鎮(zhèn)化和工業(yè)化的快速發(fā)展與推進，農(nóng)村大量勞動力向城鎮(zhèn)轉移，導致農(nóng)業(yè)生產(chǎn)人工成本日益升高，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益降低，因此，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本是未來發(fā)展的重要方向與研究趨勢[1]。隨著信息技術和人工智能技術的發(fā)展，農(nóng)業(yè)發(fā)展逐漸向精細農(nóng)業(yè)和智能農(nóng)業(yè)方向發(fā)展，其核心技術是人工智能技術、GPS技術、GIS技術和RS技術。無人駕駛拖拉機是近年來的研究熱點之一，可以根據(jù)特定任務目標，與相關農(nóng)機具配合使用完成播種、中耕、施肥、田間管理和收獲等各項作業(yè)環(huán)節(jié)。

無人駕駛拖拉機具有許多優(yōu)點，可以使農(nóng)民縮短耕作時間，提高耕作效率，提高農(nóng)民的經(jīng)濟效益。因此，應大力推廣無人駕駛拖拉機，以充分發(fā)揮其在農(nóng)業(yè)中的價值。其核心內(nèi)容主要包括環(huán)境感知技術、路徑規(guī)劃技術、路徑跟蹤系統(tǒng)和控制策略等技術，在拖拉機進行田間工作時，環(huán)境感知技術可以通過特定技術獲得拖拉機目前作業(yè)信息，基于相關作業(yè)信息和拖拉機自身運動參數(shù)對其進行路徑規(guī)劃，通過路徑規(guī)劃系統(tǒng)實時獲得拖拉機位置信息，并進行路徑實時修正，最終實現(xiàn)拖拉機按照指定路徑行駛。

本研究通過介紹國內(nèi)外無人駕駛拖拉機發(fā)展現(xiàn)狀和關鍵技術，并分析了無人駕駛拖拉機在農(nóng)業(yè)變革中的具體優(yōu)勢，最后，提出無人駕駛拖拉機在農(nóng)業(yè)應用中的推廣措施與方法。

1 國內(nèi)外農(nóng)業(yè)機械化的發(fā)展概況

1.1 國外發(fā)展概況

歐美國家在20世紀80年代開始進行無人駕駛拖拉機的研究。在1999年，RENAULTAgriculture 與法國 Cemagref 研究中心、Pascal大學共同合作，歷時兩年多成功研制了首臺通過 GPS 操作的無人駕駛拖拉機。后期，相關農(nóng)機企業(yè)紛紛開始對無人駕駛拖拉機的研制，如雷諾公司在21世紀初期研制出基于GPS 導航的具有較高自動化的拖拉機，首次可以完成拖拉機的自動駕駛。后期，相關人員成功研制一款激光拖拉機，通過安裝激光計算機導航裝置，測定其所在方位，誤差≤25 cm。無人駕駛拖拉機產(chǎn)品日益更新，約翰迪爾、凱斯等公司在實現(xiàn)拖拉機自動駕駛的基礎上，逐漸增加了無人駕駛拖拉機自動避障系統(tǒng)與技術，并且可以實現(xiàn)遠程操控和勘查等功能，基本已經(jīng)實現(xiàn)了全工況無人作業(yè)，但是目前尚未進行全面推廣于商業(yè)化應用[2]。

1.2 國內(nèi)發(fā)展概況

伴隨著科技的進步，國家的飛速發(fā)展，計算機、全球衛(wèi)星定位等技術，以及采集地理信息技術的發(fā)展，為了實現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化，很多研究機構開始了研發(fā)無人駕駛拖拉機。2016年10月26日，中國第一臺無人駕駛拖拉機東方紅lf 954-c問世，如圖1所示，主要技術參數(shù)如表1所示。與我國北斗高精度定位技術相結合，該拖拉機可用于植物栽培、強化、保護。無人駕駛拖拉機具有相當大的優(yōu)勢，例如節(jié)省時間、提高操作效率、增加營業(yè)收入、改變使用農(nóng)業(yè)機械的方式，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化，更大程度減輕農(nóng)工勞動力和時間等成本。

圖1 東方紅lf 954-c無人駕駛拖拉機

后期，東風農(nóng)機在2021年研制除DF1204-CVT無人駕駛拖拉機，其核心采用電控無級變速器進行整機控制，面對復雜的田間作業(yè)環(huán)境可以自動調(diào)節(jié)輸出扭矩與功率匹配，提高田間工作效率。基本技術參數(shù)如表1所示。

表1 DF1204-CVT無人駕駛拖拉機基本技術參數(shù)

2 無人駕駛拖拉機的關鍵技術

2.1 導航DGPS技術

導航DGPS技術是在無人駕駛拖拉機的指定位置安裝GPS信號接收器，并通過無人駕駛拖拉機工作狀態(tài)計算出GPS衛(wèi)星的誤差。這種誤差被叫做PRC(偽距離校正值)，數(shù)據(jù)終端把數(shù)據(jù)傳輸?shù)睫r(nóng)戶的接收器上，方便對誤差進行改正，來達到提高定位精度的目的[3]。

2.2 定位系統(tǒng)技術

無人駕駛拖拉機定位系統(tǒng)技術可以通過北斗衛(wèi)星的信號確定地面位置。拖拉機上的攝像機傳回的畫面顯示在監(jiān)視器上，操作人員通過觀看屏幕就可以進行遠程導航與操控。拖拉機上的車載計算機存儲田間的數(shù)字化地圖，然后通過定位系統(tǒng)自動導行，直到完成所有的任務。系統(tǒng)能精確測定拖拉機的位置，誤差≤ 3 cm，因此，無人駕駛拖拉機在耕地、噴灑農(nóng)藥和收割莊稼時所行駛的路線不會重疊。

2.3 信息控制系統(tǒng)

無人駕駛拖拉機搭載的信息和控制系統(tǒng)包括自動轉向系統(tǒng)、整車控制系統(tǒng)、雷達及視覺測量系統(tǒng)、遠程視頻傳輸系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)及遠程遙控系統(tǒng)等。能夠對地形和周圍的農(nóng)作物進行全面地毯式掃描，從而計算出合適的行駛路線和作業(yè)流程。包括車輛導航控制和機具作業(yè)控制兩部分。車輛導航控制主要包括橫向偏差控制、發(fā)動機啟停控制、縱向速度控制、制動控制和傳動比控制等。新一代無人駕駛拖拉機普遍采用了線控底盤，只需要制定控制策略，就可以通過CAN總線進行實時精確控制。機具作業(yè)控制主要包括兩個方面，一是懸掛裝置的控制，提起和降下農(nóng)機具；二是機具內(nèi)部機構的控制，以智能電控播種機為例，將播種機接入CAN網(wǎng)絡，就可以對播種機的株距、播種單體的啟停和施肥量等精準的控制[4]。

2.4 路徑規(guī)劃技術

實現(xiàn)農(nóng)機的自主控制后，遠程操控農(nóng)機的作業(yè)路徑，在不同的區(qū)域設定相應速度。因此，要提前測繪農(nóng)田地圖，根據(jù)農(nóng)田邊界和障礙物分布，規(guī)劃農(nóng)機作業(yè)的最優(yōu)路徑。

3 無人駕駛拖拉機在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應用優(yōu)勢

3.1 提高作業(yè)精度

相關研究表明，優(yōu)秀的農(nóng)業(yè)操控人員進行田間作業(yè)時的精度可以控制在±10 cm左右，但經(jīng)過長時間勞作后，作業(yè)精度會大大降低，而基于北斗的自動導航技術的農(nóng)機，作業(yè)精度可以達到±2.5 cm，并且穩(wěn)定性高，可以有效的避免重播和漏播，提高土地利用率。另一方面，根據(jù)自動導航過程中存儲的路徑數(shù)據(jù)，保證拖拉機在不同作業(yè)期定位到固定的作業(yè)路徑。

3.2 提高作業(yè)效率

無人駕駛可以使駕駛員從單調(diào)重復、高強度的勞動中解放出來，可以延長作業(yè)時間，提高機車的使用率。駕駛員只需將農(nóng)機開到田里，然后便可以離開農(nóng)機，利用手機進行農(nóng)機的遠程啟動，做好作業(yè)監(jiān)管工作即可。

3.3 降低作業(yè)成本

由于無人駕駛的作業(yè)速度更為平穩(wěn)，動力控制性能較優(yōu)越，且路徑規(guī)劃方案最優(yōu)，減少了不必要的行駛路程，因此可有效降低油耗，降低環(huán)境污染。另外，還可以降低重播率，減少種肥消耗，減少對土壤的不必要壓實，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益，增加農(nóng)戶收入。

4 結論與展望

無人駕駛拖拉機技術的導航和定位、自動轉向、軌道跟蹤、路線規(guī)劃和自動變速、主動制動、避障、地形補償?shù)葞醉楆P鍵技術的進一步熟化研究及創(chuàng)新研究仍是無人駕駛拖拉機近幾年的研究熱點，通過融合新技術、新方法等，提高無人駕駛拖拉機的作業(yè)質(zhì)量、作業(yè)速度及作業(yè)效率，可以減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的人力投入，降低拖拉機駕駛人員的勞動強度，并且可以實現(xiàn)拖拉機夜間作業(yè)和復雜環(huán)境作業(yè)的可行性與可靠性，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的安全性。本研究基于無人駕駛拖拉機的應用優(yōu)勢，系統(tǒng)分析了無人駕駛拖拉機國內(nèi)外應用現(xiàn)狀與核心技術，研究結果以期為最終實現(xiàn)將理論研究應用并服務于實際生產(chǎn)打下堅實基礎。