無人農場的插秧機智能化無人化改造方法與實際應用

游 政，許松林，陳慧娟

（1.江蘇北斗農機科技有限公司，江蘇南京 210032；2.南京洛普科技有限公司，江蘇南京 210032）

0 引言

2022年，江蘇省出臺《“十四五”農業機械化發展規劃》《“十四五”數字農業農村發展規劃》，提出推進農業機械化與信息化深度融合，加強北斗導航、自動駕駛、無人機、農機傳感器等技術在農機裝備中的應用，推動傳統農機裝備智能化改造。未來幾年，江蘇“無人化”農場發展將進入快車道[1]。為此，針對“無人化”的相關技術不斷涌現，以高精度北斗衛星定位技術為基礎，農業大數據采集、加工、決策為核心，綜合利用智能控制、智能數據采集、地理信息等技術結合，以實現農業生產效率提升為目的，達到農業生產全流程（耕、種、管、收）的數字化、精準化、智能化、無人化，最終實現構建“綠色”“經濟”“高效”“豐產”智慧無人農場新模式。

無人農場對農機智能化無人化的改造需求。無人駕駛技術是集傳感器技術、計算機技術、機械控制技術以及定位技術等多個技術一體的綜合性技術。無人駕駛系統通過4G/5G網絡把作業信息上傳到云端服務器，操作人員可以在手持遙控器、遠程監控平臺或者手機遙控app上根據接收到的作業信息下達相應的指令，下達的指令通過無線網絡和云端服務器，下傳給車載顯示屏，車載顯示屏通過控制器控制執行機構執行相應的動作，從而達到車輛無人駕駛的目的[2]。結合無人農建設過程中的整體設計要求，我們將農機智能化無人化的改造需求分解，并列出了以下4個重要的問題方向。

1 農機底盤“無人化”改造

農機底盤，指農機機手操作層面所能控制的所有農機部件的統稱，例如，點火部件，轉向部件，行駛操作部件，作業控制部件等都屬于“農機底盤”的范疇。農機底盤無人化改造的目的主要是通過在關鍵位置使用加裝部件或改造部件或電控介入部件等手段，使其能夠實現自動操作、自動控制、自動導航等功能。以無人駕駛插秧機為例，涉及的改造部件及改造目標主要包括表1顯示的部分。

2 手動與自動操作兼容

插秧機因為自動控制部件的引入，不可避免地會引入一系列農機底盤自動控制系統控制部件動作流程與原有機手手動控制部件動作流程的變化，有一些變化甚至有可能會與原有部件動作流程沖突，如何有效地消除自動控制操作與手動控制操作的沖突，是農機底盤“無人化”改造的關鍵。在插秧機的改造過程中，我們發現的比較突出的控制沖突主要表現在：

1）點火控制操作沖突。當鑰匙實際位置與自動控制模擬鑰匙位置不一致時，將發生點火控制沖突，該沖突會引入二義性問題，例如鑰匙在ON擋而自動控制模擬鑰匙在點火位置。必須合理的通過狀態定義來避免該二義性問題，消除機手在操作無人農機時的困惑。

2）換擋控制操作沖突。當行駛擋位位置與自動控制模擬的行駛擋位位置不一致時，將發生行駛擋位位置沖突，該沖突在引入二義性問題的同時，還可能會導致機械安全保護裝置的沖突，例如行駛擋位推桿位于倒車擋時將會聯動秧臺插植部抬升以保護秧臺，如果此時自動控制模擬擋位位置在行駛，可能會造成機械保護裝置沖突，嚴重時可能會導致結構部件損毀。所以解決操作過程中的機械部件的聯動及自動控制沖突是保障改造后的無人農機可靠運行的關鍵。

3）秧臺控制操作沖突。當秧臺控制操作的擋位位置與自動控制模擬的秧臺控制擋位位置不一致時，將發生秧臺擋位位置沖突，該沖突會引入二義性問題，例如秧臺控制操作桿在停止位置時，自動控制可能模擬操作秧臺在插值位置。秧臺控制操作沖突相較于換擋控制操作沖突危險程度要低，但是如何消除該二義性問題，需要對秧臺控制的狀態進行合理的定義，以消除機手進行無人駕駛操作時的困惑。

3 改造后的操作邏輯

改造后的操作邏輯不變這一需求相對于其他需求比較容易分析和理解。經過無人化改造后的插秧機，必須與原車原有操作功能保持一致。例如，鑰匙點火的相應位置必須保持原有功能，ON為上電，點火為點火，不得發生改變。擋位推桿的相應位置也必須與原有功能一致，手動操作推動至插植擋時，農機進入插植擋位的低速行駛模式。秧臺控制推桿的相應位置必須與原有功能保持一致，手動操作推動至抬升時，秧臺抬升，并在抬升至最高位置時自動回退至保持位置?？傊?，經過改造后的插秧機不能破壞或改變原車相應部件操作邏輯的功能定義。

4 人機交互系統

插秧機經過改造后需要提供良好的人機交互操作系統，該操作系統分為2個主要界面部分：安裝人員操作系統，機手使用操作系統。

安裝人員操作系統，需要提供給安裝人員整套無人駕駛系統的相關系統參數的設定功能，例如，核心配置參數設定，服務器通信參數設定，高精度位置服務參數設定，農機尺寸參數設定等。該人機交互操作界面將降低系統的安裝與自動控制系統參數設定的難度，為農機無人化改造實現規模化應用奠定基礎。

機手使用操作系統，需要提供給機手使用的無人駕駛系統操作界面，界面需要提供良好的人機交互體驗，以及低難度學習曲線。核心功能包括：地塊標記，路徑規劃，自動導航，農機遠程操作，狀態通知等。

農機智能化無人化改造方法包括：

1）點火控制改造。目標插秧機的鑰匙部件主要控制著主12 V供電線路與目標功能線路的選通功能，鑰匙部件實現的功能如圖1。

圖1 原車鑰匙部件示意圖

點火控制的改造使用整體介入的方法，將原車線路使用常閉型繼電器接入，鑰匙部件可通過底盤控制器進行選路，當控制器未上電或未正常介入時，鑰匙操作與原有操作的流程一致。當控制器介入后，鑰匙部件的操作將接入至底盤控制器，由底盤控制器判斷鑰匙位置，并進行相應的繼電器吸合模擬鑰匙擋位。為解決點火控制操作沖突，無人駕駛系統會對點火鑰匙位置進行檢測，只有鑰匙在ON擋位置時才能開啟自動無人駕駛模式，并在開啟自動無人駕駛模式后通過繼電器斷開鑰匙與原車線路連接的方式，接管鑰匙的選通功能，使得整個鑰匙的位置與車輛的實際狀態相匹配，改造后的功能結構如圖2。

圖2 改造后的點火線路示意圖

5 行走控制改造

行走控制改造涉及目標插秧機主要部件有：轉向控制，油門控制，換擋控制。

轉向控制通過在方向盤轉向柱上加裝伺服電機，通過伺服電機進行轉向的控制。伺服電機具有轉動精度高，速度快的優點。并且伺服電機還支持位置，速度和力矩的閉環控制模式，非常適合于對轉向進行精確自動控制的場景，改造的具體形式如圖3所示。

圖3 用于轉向控制的伺服電機示意

油門控制采用加裝電動推桿與活動機構實現，該結構在自動駕駛狀態時通過伸縮動作模擬油門的踩與抬，并在自動駕駛狀態解除后自動縮回，結合活動機構的自由行程，實現避免對正常油門踩抬行程的干擾，最終實現自動控制與人力控制油門的兼容性改造。具體結構形式如圖4所示。

圖4 油門控制結構示意

換擋控制采用的方法是，脫開原車控制桿與變速機構的剛性連接，并在原有控制桿處增加位移傳感器，在變速機構關鍵動作處加裝電動推桿。通過位于換擋機構的位移傳感器與推桿動作機構的位置傳感器聯動，實現手動控制與自動控制互不干涉，且都能控制換擋的目的（圖5）。

圖5 換擋控制結構

6 作業控制改造

作業控制類似于換擋控制，但是作業控制有2個明顯的區別。首先，需要解決作業擋位與行走的匹配，其次，需要在提升至最高位置后自動回退至“中立”擋位。為解決這2個問題，我們加裝了2個絕對位置傳感器，以及在秧臺最高位置增加一個限位開關。并且通過其中1號位置傳感器增加了一組絕對位置定義，L1、L2、L3、L4，分表代表“上升”“中立” “下降”“插植”。當位置傳感器檢測到L1位置時控制推桿使插植部上升，檢測到L2位置時控制推桿使插植部固定在一定的高度上，檢測到L3位置時控制推桿使插植部下降，檢測到L4位置時控制推桿使插植部聯動插秧動作。2號位置傳感器與插植升降手柄綁定，并同時與1號位置傳感器的L1、L2、L3、L4位置進行綁定。最終實現在手動控制時讀取2號位置傳感器位置進行推桿同步控制實現手動秧臺升降控制；在自動控制時，通過控制推桿位移至L1、L2、L3、L4位置實現秧臺的升降控制，且通過最高位置的限位開關進行限位控制保證當秧臺到達最高位置后，控制推桿回退至L2“中立”擋位（圖6）。

圖6 作業控制結構

7 無人駕駛系統

無人駕駛系統設計了易用的人機交互界面，其中包含面向安裝人員的機上PAD交互主機，以及面向最終用戶使用的手機遠程控制APP。

安裝人員的機上PAD人機交互程序通過直觀的用戶界面及操作指導，方便的指導安裝人員進行控制器的核心參數標定，降低了安裝人員的技術要求，提高系統的安裝可靠性，部分界面圖7所示。

圖7 機上PAD人機交互系統示意圖

機手使用的手動遠程控制APP的設計核心思想在于直觀，操作簡單，將更多技術細節隱藏，設計時我們將路徑規劃，地塊標定都用更直觀的圖形化操作展示出來，并不斷與機手溝通做進一步的UI優化，最終實現了不錯的無人農機人機交互效果（圖8，圖9）。

圖8 手機APP無人農場作業地塊展示

圖9 手機APP無人農機遠程控制展示

8 安全保障

農機底盤“無人化”改造，從車身結構部件與電氣部件上對原有車輛進行了不同程度的改造，對原車車況及電氣化改造后的安全性考慮至關重要。改造安全保障主要從3個方面進行了設計考慮。首先，所有改造后的電動推桿，位置傳感器，位移傳感器等各類用電設備的默認上電狀態均以原車線路選中為最高優先級，所有用電設備全部從控制盒集中取電，任何控制盒后端的用電設備發生電氣損壞時均會有控制盒保險絲進行隔離，保證原車的用電安全。其次，所有加裝的電動推桿的最小最大行程設計上必須保證在被改造部件的最大行程之內，即所有動作推桿在物理行程上均不會超過改造部件的最大行程限值。最后，在全車電控系統上加裝急停按鈕，當發生遠程不可控故障時，可通過車上急停按鈕緊急關停系統。經過改造后的安全保障設計能最大程度上保障經過“無人化”改造后的農機依然安全可靠。

9 結語

經過無人化改造后的插秧機，在實驗室環境完成功能設計與驗證后，我們繼續進行了長達六個月的實地測試。反復優化后，最終成功運用到了公司承建的“無人農場”項目中，并在項目中性能表現優異，運行可靠穩定，獲得了客戶的一致好評。