丘陵山區無人駕駛拖拉機的現狀分析與技術探討

白雪梅，李彥平，陳綏遠

（呂梁市農業農村局，山西 呂梁 033000）

1 智能裝備的現狀及意義

在人工智能發展如火如荼的背景下，無人駕駛技術扮演著越來越重要的角色，將無人駕駛技術運用在農業領域，將傳統的農業機械和無人駕駛技術相結合，大力發展智能農業機械，對我國農業現代化發展具有重要意義。

拖拉機作為一個傳統的農用機械，在農田作業中扮演著十分重要的角色。從20世紀五六十年代開始，拖拉機便登上了農業領域的舞臺，隨著國家對農業機械投入的不斷加大，拖拉機的用戶逐年增多。然而，大部分拖拉機在農田作業時依然是由駕駛員駕駛，這就存在許多不可控的因素，而且隨著人口老齡化日益嚴重，大量年輕人選擇外出去打拼，種地的基本都是年齡較高的人群，農戶在駕駛拖拉機時存在許多安全隱患。在很多情形下，當拖拉機在比較崎嶇陡峭的田地間作業時，地塊不平整，復雜多變，再加上駕駛員的駕駛技術水平參差不齊，很難達到高精度作業的要求[1]。例如：在播種時，當無法保證作業航向和作業間距時，就會造成漏播和重復播種等問題，從而降低土地的利用率，無法保證農作物的產量。對于一些低矮山地的地區，例如呂梁、忻州、朔州等地，并不適合大型機械作業，此時，小型拖拉機的優勢便體現出來。小型拖拉機體積相對較小，可以更好地應對崎嶇不平的田地[2]。如今，科學技術飛速發展，將無人駕駛技術和傳統拖拉機相互結合，將會極大地提高農田作業的效率，改善農田作業的精度，同時可以減輕作業人員的操作壓力，提高安全保障，促使我國的農業向自動化、信息化邁進。

2 國內外研究現狀

2.1 國外研究現狀

從20 世紀80 年代開始，一些歐美的發達國家便開始了對無人駕駛拖拉機技術的研究和探討；2002 年，美國學者Qiu，Hongchu 等人在傳統拖拉機上加裝了RTK-GPS（全球實時動態定位系統）、GDS（地磁方位傳感器）、FOG（光纖陀螺儀）等設備，設計了自動導航控制系統，在試驗中得出：當速度為1.5 m/s 時，該系統的最大偏移誤差為0.1 m[3]；2010 年，卡內基·梅隆大學和佛羅里達大學里的學者經過共同合作探究，開發出了一款基于立體視覺的自動駕駛拖拉機，此款自動駕駛拖拉機可以實現在線識別大豆種植的情況[4]；2015年，新南威爾士大學的Javad Taghia 等學者深入探討了拖拉機輪胎受到橫向力和縱向力的打滑問題，分別從拖拉機的動力學和運動學兩個方面進行建模，根據建立的模型設計了拖拉機的軌跡跟蹤控制算法[5]。

日韓的學者也對無人駕駛拖拉機的控制技術進行了深入研究和探討。2000年，日本東京大學Torri T 等學者對視覺導航系統的控制算法進行了分析和研究，并且以傳統拖拉機為載體，加裝了視覺導航傳感器，進行了噴灑農藥和除蟲害和雜草等作業[6]；2016 年，日本Tsukuba 大學的Pawin Thanpattranon 等學者研究出了一種拖拉機掛車自動導航系統，實現了在果園中自動行駛和對掛車的精準停車等功能，曲線路徑跟蹤誤差在27.5cm[7]；韓國首爾大學的Xiong Zhe Han 等學者針對無人駕駛拖拉機在對水稻農田作業過程中的輪胎打滑和地頭轉向的問題進行了研究，根據預瞄追蹤理論，設計發明了一種自動引導控制器，此控制器可以使拖拉機在水稻農田中直線作業和地頭轉向[8]。

2.2 國內研究現狀

無人駕駛技術在農業領域中的應用，會使得農業生產效率大幅度增加，解放勞動力，從而生產出更加高效綠色的農產品。在國內，由于各個方面的原因，我國對農機設備的智能化和信息化等技術方面的研究起步比較晚，依舊處于發展階段，但隨著近年來國家相關資金的投入，也取得了不少成果：張麗霞、郭付友等學者對未來果園的拖拉機概念進行設計，將人工智能運用在拖拉機上，方便了果園的管理和種植；楊柯、張丹楓等學者對無人駕駛電動拖拉機制動控制系統進行了設計，通過加裝電機驅動系統，設計硬件電路和軟件程序，控制拖拉機的制動系統；歐陽勁志、楊輝等學者對人車分離無人駕駛拖拉機的關鍵技術進行了研究，提出了無人駕駛拖拉機電控系統的設計思路，論述了此系統的核心技術、工作模式和工作原理；嚴國軍、賁能軍等學者，他們基于MPC，對無人駕駛拖拉機軌跡進行了跟蹤控制；殷玥等學者，以嵌入式PC 處理器為核心，將其與Linux 嵌入式系統、物聯網技術相互結合，對無人駕駛拖拉機控制系統的軟件部分和硬件部分進行了設計研究[9-13]。

3 丘陵山區無人駕駛拖拉機改進方案

小型山地拖拉機可以耕作于山區地塊，山區地塊和普通地塊相比，面積較大，地塊比較分散，而且有坡度。拖拉機可以在25°以內的農田地塊上完成耕作任務，滿足山坡地塊的農業生產的基本要求。該小型山地拖拉機主要由機械操縱系統和電子系統等部分組成。與其他類型的拖拉機結構相似，它的電子系統主要是由點火啟動控制系統，遠近燈光控制系統等組成的，機械操縱系統是由離合模塊、剎車模塊、油門模塊、通用擋位模塊和高低擋位模塊等組成的，負責拖拉機的行進。在拖拉機作業機械升降和旋耕機驅動等部分，也有一部分液壓系統，負責旋耕機的工作。這些系統互相配合，共同控制拖拉機的耕作運轉。

對于拖拉機的駕駛原理，與其他類型拖拉機的駕駛原理類似，此款小型山地拖拉機的駕駛原理為：首先在保證擋位為空擋，手剎下拉的情況下通過電子系統點火，啟動拖拉機，然后踩下離合器，掛入低檔，松開手剎，慢慢放開離合器，拖拉機便開始行駛了。拖拉機的耕作過程為：在拖拉機啟動的前提下，首先打開液壓總閥，然后放下作業機械，接著打開旋耕機液壓驅動閥，拖拉機便可以在農田里耕作。

對于搖桿動力的供給，可采用以下3種不同方案。

方案一：使用液壓缸推動搖桿。根據液壓缸的基礎知識，液壓缸具有推力大、動力強的特點，并且液壓桿件在伸出和收縮的時候速度穩定，故作為了方案供選擇。

方案二：使用機械手控制搖桿。因為機械手，機械臂等構件已經出現在了許多工廠作業的流水線上、工程機械上和智能機器人等領域。機械手可以完全模仿人的手工操作，所以也作為了方案之一。

方案三：使用齒輪傳動、三相交流電機和電調配合調速與換向。因為電機轉速低，而且可以通過上級發出的指令正轉和反轉，也可以達到控制搖桿方向的作用。

綜合分析上述方案，山西省主流的小型拖拉機是Q/CR01-2015 型拖拉機，體型比較小，各個部分的結構比較緊湊，因此可供設計的物理空間特別狹小，對于方案二和方案三，機械手控制搖桿和使用齒輪傳動控制搖桿，這二者都必須在足夠物理空間里才可以實施，而且齒輪傳動必須使用液壓油，所以也就需要設計齒輪箱，大大增加了難度；對于方案一，液壓缸所占的物理空間較小，工作效率比較高，液壓桿件在伸出和收縮的時候速度穩定，可行性較高。

所以，決定采用方案一，給該款拖拉機加裝一套變速箱液壓系統，通過液壓桿件的前進和后退來控制搖桿的位置。拖拉機在田地間作業中需要控制的搖桿有液壓泵開關、2-4驅動轉換開關、懸掛機具的升降開關和動力開關、泄壓閥等九處。這些都可以利用液壓缸來控制搖桿，從而實現相應的功能，讓拖拉機進行作業。

小型山地無人駕駛拖拉機主要由3 個模塊組成，分別是底層控制模塊、底層執行模塊和智能決策模塊。對于智能決策模塊，其主要是用來完成任務規劃工作的，并且跟底層控制模塊之間互相通信，把相關的指令發送至底層控制模塊，然后底層控制模塊再依據智能控制模塊發送過來的指令經過處理和分析以后將指令傳送到底層執行模塊，從而底層執行模塊依據接受到的指令，完成相應的動作。這3 個模塊之間通過井然有序的緊密配合，實現對拖拉機的無人駕駛控制。對于底層控制模塊，它的主要作用就是處理和分析智能決策模塊和遙控器傳來的指令，并將處理后的指令傳給底層執行模塊。對于底層執行模塊，液壓系統和電子系統都是底層執行模塊的一部分，當上級傳來對燈光控制的指令時，電子系統就接受并做出相應的燈光操作，當上級系統傳來的指令是針對液壓系統的，那么液壓系統發出指令，指揮著液壓油缸的伸縮，達到控制的目的。