基于卫星导航的农机自动驾驶控制技术研究

陈治瑀

(黑龙江省农业机械工程科学研究院，哈尔滨 150081)

0 引言

自2004年《中华人民共和国农业机械化促进法》实施以来，农机购置补贴政策在全国范围内逐步实施，并得到不断优化和升级。在农机购置补贴和一系列惠农政策的支持下，我国农业机械化水平得到了显著提升，农业生产方式也向着高效率、精细化方向转变。从国际化的农机发展趋势来看，未来农业机械的技术不仅局限于自动化，更向着智能化与无人化转变，这要求现阶段的农机技术必须持续升级。自动驾驶技术是农机自动化和智能化的关键技术，农机应用自动驾驶技术后，在卫星定位技术的指引下，结合多种环境感知技术，能实现厘米级的驾驶精度，并显著提高农业生产效率，使生产过程更加科学合理。

1 农机自动驾驶技术的研发情况

农机自动驾驶技术主要包括三大技术体系，分别为卫星定位技术、农机技术和电气控制技术，其中卫星定位技术是农机自动行驶的核心技术。现阶段的农机自动驾驶须通过卫星定位农机信息，才能按照预设的导航路径行驶，在此基础上，农机技术与电气控制技术的结合也必不可少。农机技术的完善有利于农业机械的功能和结构趋于合理性，为电气控制自动行驶打下基础，根据电气控制的需求，在农业机械的行驶控制系统中增设大量的传感器、电控开关、电控执行器等元件，并对机械驾驶和动力系统、传动系统进行可控化的系统改造，进而实现农业机械在卫星导航指引下、在电气控制下的自动行驶。

我国对于农机自动驾驶技术的相关研究起步于20世纪初期，在之后的二十几年里，农机技术、电控技术、计算机技术、卫星定位技术等都得到了快速发展，对于农机自动驾驶技术的研究也逐渐增多。陈宁等[1]对智能农机液压转向控制系统展开了研究，完成了液压转向控制系统的电路设计，利用linux+ARM+QT开发环境设计了自动驾驶软件控制模式，实现了农业机械的自动转向控制功能；贾全等[2]对拖拉机自动导航系统自适应控制方法进行了深入研究，提供了导航末端执行机构自适应滑模控制算法、前轮转角多传感器数据融合测量方法、实时动态寻优上线轨迹规划方法等多种农机自动导航控制系统的算法和控制思路，实现了农机快速、准确地跟踪期望轨迹；吴超等[3]针对农机视觉与GPS组合导航方法开展深入研究，利用无迹卡尔曼滤波器(UKF)来融合两种导航方式，实现了自动转弯寻优方法，优化了农机自动驾驶的转弯过程，提高了农机自动驾驶的控制精度。尽管我国农业机械的自动导航驾驶技术研究起步较晚，但近年来已经积累了大量的理论基础，并在各地建立了多个智慧农业示范园区，为农机自动驾驶技术的优化升级提供了实践保证。

2 农机自动驾驶主要功能

2.1 卫星定位与导航路径指引

卫星定位技术是获取农机田间位置的关键技术，利用精确的卫星定位技术能实现农机位置的精确获取，尤其在卫星定位的基础设施逐渐完善的条件下，在农业机械中安装卫星定位终端(图1)后，卫星终端可通过与多个卫星的连接实现定位，并在地面卫星基站(图2)的定位修正下实现厘米级的定位精度。在精准定位下，农机可沿卫星导航的路径精准行驶，在正常情况下，农机行驶的实际位置与卫星定位的位置误差可控制在3～5 cm范围内[4]。

图1 农机GPS终端和天线

图2 农田中的地面基站

2.2 发动机的自动控制

通过在农业机械中增设自动驾驶智能控制终端及信号传输设备，能够实现智能控制系统与发动机的有效连接。在现阶段的大部分电控柴油机上都配置了具有智能控制特征的ECU，在自动驾驶的控制终端与发动机ECU连通后，可利用J-1939协议实现对发动机运行参数的实时控制，进而实现农机发动机的转速、扭矩等参数的调整，确保发动机在合理的状态下运转，对于播种机、植保机等需要与行驶速度相匹配的机具，导航系统还能实现发动机参数与机具作业参数的高效匹配，确保农机作业的高效精确实施[5]。

2.3 农机驾驶的自动操控

通过对传统人工驾驶方式的研究，模拟驾驶员的操作习惯，结合农业生产可能出现的各种情况，设计农机驾驶的自动操控逻辑，这一控制逻辑的设计需要针对不同的农机产品分别开展。例如，耕整地作业需考虑牵引力控制和液压控制，植保作业需要挡位、发动机转速与行驶速度的合理匹配等。因此，不仅要求农机自动行驶过程中能完成换挡、转向等功能，还需要根据不同的生产模式自主选择合适的操控方式，并包括对液压系统的控制、灯光控制等，使自动驾驶的操控功能充分替代传统的人工操控[6]。

2.4 农机的周边环境感知

农业生产的田间环境十分复杂，农业机械仅依靠卫星导航定位来完成田间自动驾驶是不够的，农机卫星导航仅能实现常规状态下的自动驾驶，但若存在田间障碍物、人员闯入、深坑沟壑等突发问题，可能导致农业机械损坏或安全事故的发生。因此，农业机械的自动驾驶过程还需要进一步提升对环境的感知能力。现阶段，应用于农机的环境感知技术包括雷达技术、视觉识别技术、地理信息技术等，农业机械通过以上方式能够更精确地获取田间信息，甚至实现对垄作业、精准喷施等功能[6]。

2.5 工作状态的实时监测

自动行驶的农业机械由于没有驾驶员，则需要通过传感器等设备实时监测机具的运行状态，对于机具运转过程存在的振动异常、温度异常等进行及时警报，避免机具长期处于异常状态行驶，造成重大损伤问题。

3 农机自动驾驶的关键技术

3.1 行驶路径自动规划技术

农业机械针对指定田块的作业需要按照合理的路线行驶，通过地理信息系统获取农田的边界信息、地势、内部障碍物等情况后，计算机系统会根据不同的农业生产工序和机械特点自动生成合理的行驶路径方案图。行驶路径的规划需要结合农作物种植方向、天气情况、地形坡度、障碍物位置等，确保农业机械行驶路线的合理性[7]。

3.2 自动转向控制技术

现阶段的自动转向控制技术有两种形式，分别为自动控制方向盘转向和直接驱动车轮转向，这两种控制方式的控制逻辑大致相同。在控制系统发出驾驶方案的相关指令后，转向控制装置利用角度传感器快速获取目前转向轮的实时角度，计算出需要调整的转向角度，然后驱动方向盘或转向轮转动，并验证转角是否合理，从而完成对转向的自动控制。此外，转向控制技术还具有直线行驶的保持功能，能通过小范围修正行驶方向实现行驶直线度的保持。

3.3 农机自动变速器技术

农业机械的自动变速器与汽车自动变速器的工作状态存在一定差异。由于很多农机具作业过程中需要发动机不间断的运转以保证生产过程的连续性和农机功能的正常发挥，因此农机自动驾驶所采用的变速器多应用动力换挡技术，这一技术通过换挡换向箱的模块化设计实现。目前，动力换挡多采用两个离合器联接两根输入轴，动力传递相邻各挡的被动齿轮交错与两输入轴齿轮啮合，实现与两离合器的控制挡位切换的匹配关系，以满足在不切断动力的情况下进行换挡的需求[5]。

3.4 集成控制与诊断技术

在导航指引的路径下，农业机械自动行驶的操作控制主要通过CAN总线通讯技术实现，通过将中央处理器与各个工作部件上布置的传感器与控制器进行关联，能够实现整机的协调统一控制，各个部位的传感器元件不仅能实现对机械执行动作的监控，还能获取不同工作部位的状态信息，中央处理器通过分析各个部位的运行信息能够实现对机械状态的判断，并对可能存在的故障进行预警，控制农机停机或警示监管人员，避免农机故障的发生[8]。

4 结语

农业生产模式的不断优化对于农机产品作业能力的需求越来越高，尤其是从智慧农机的角度出发，农业机械的自动化程度还应得到持续的优化与提升。自动驾驶技术作为农业机械智能化的基础，应得到农机企业和科研院所的高度重视，对其开展技术优化与长期试验，能促进自动驾驶技术早日在农业机械上得到普及。现阶段，我国的农业机械自动导航驾驶技术还处于研究和优化阶段，具有自动导航行驶功能的农业机械仅在小范围试应用，大部分农业机械仍采用人工驾驶的单一模式。但相信随着农机技术的进一步发展，农业生产的模式还将发生显著变化，基于卫星导航的农机自动驾驶技术拥有广阔的应用前景。