丘陵山区无人驾驶拖拉机的现状分析与技术探讨

白雪梅，李彦平，陈绥远

（吕梁市农业农村局，山西 吕梁 033000）

1 智能装备的现状及意义

在人工智能发展如火如荼的背景下，无人驾驶技术扮演着越来越重要的角色，将无人驾驶技术运用在农业领域，将传统的农业机械和无人驾驶技术相结合，大力发展智能农业机械，对我国农业现代化发展具有重要意义。

拖拉机作为一个传统的农用机械，在农田作业中扮演着十分重要的角色。从20世纪五六十年代开始，拖拉机便登上了农业领域的舞台，随着国家对农业机械投入的不断加大，拖拉机的用户逐年增多。然而，大部分拖拉机在农田作业时依然是由驾驶员驾驶，这就存在许多不可控的因素，而且随着人口老龄化日益严重，大量年轻人选择外出去打拼，种地的基本都是年龄较高的人群，农户在驾驶拖拉机时存在许多安全隐患。在很多情形下，当拖拉机在比较崎岖陡峭的田地间作业时，地块不平整，复杂多变，再加上驾驶员的驾驶技术水平参差不齐，很难达到高精度作业的要求[1]。例如：在播种时，当无法保证作业航向和作业间距时，就会造成漏播和重复播种等问题，从而降低土地的利用率，无法保证农作物的产量。对于一些低矮山地的地区，例如吕梁、忻州、朔州等地，并不适合大型机械作业，此时，小型拖拉机的优势便体现出来。小型拖拉机体积相对较小，可以更好地应对崎岖不平的田地[2]。如今，科学技术飞速发展，将无人驾驶技术和传统拖拉机相互结合，将会极大地提高农田作业的效率，改善农田作业的精度，同时可以减轻作业人员的操作压力，提高安全保障，促使我国的农业向自动化、信息化迈进。

2 国内外研究现状

2.1 国外研究现状

从20 世纪80 年代开始，一些欧美的发达国家便开始了对无人驾驶拖拉机技术的研究和探讨；2002 年，美国学者Qiu，Hongchu 等人在传统拖拉机上加装了RTK-GPS（全球实时动态定位系统）、GDS（地磁方位传感器）、FOG（光纤陀螺仪）等设备，设计了自动导航控制系统，在试验中得出：当速度为1.5 m/s 时，该系统的最大偏移误差为0.1 m[3]；2010 年，卡内基·梅隆大学和佛罗里达大学里的学者经过共同合作探究，开发出了一款基于立体视觉的自动驾驶拖拉机，此款自动驾驶拖拉机可以实现在线识别大豆种植的情况[4]；2015年，新南威尔士大学的Javad Taghia 等学者深入探讨了拖拉机轮胎受到横向力和纵向力的打滑问题，分别从拖拉机的动力学和运动学两个方面进行建模，根据建立的模型设计了拖拉机的轨迹跟踪控制算法[5]。

日韩的学者也对无人驾驶拖拉机的控制技术进行了深入研究和探讨。2000年，日本东京大学Torri T 等学者对视觉导航系统的控制算法进行了分析和研究，并且以传统拖拉机为载体，加装了视觉导航传感器，进行了喷洒农药和除虫害和杂草等作业[6]；2016 年，日本Tsukuba 大学的Pawin Thanpattranon 等学者研究出了一种拖拉机挂车自动导航系统，实现了在果园中自动行驶和对挂车的精准停车等功能，曲线路径跟踪误差在27.5cm[7]；韩国首尔大学的Xiong Zhe Han 等学者针对无人驾驶拖拉机在对水稻农田作业过程中的轮胎打滑和地头转向的问题进行了研究，根据预瞄追踪理论，设计发明了一种自动引导控制器，此控制器可以使拖拉机在水稻农田中直线作业和地头转向[8]。

2.2 国内研究现状

无人驾驶技术在农业领域中的应用，会使得农业生产效率大幅度增加，解放劳动力，从而生产出更加高效绿色的农产品。在国内，由于各个方面的原因，我国对农机设备的智能化和信息化等技术方面的研究起步比较晚，依旧处于发展阶段，但随着近年来国家相关资金的投入，也取得了不少成果：张丽霞、郭付友等学者对未来果园的拖拉机概念进行设计，将人工智能运用在拖拉机上，方便了果园的管理和种植；杨柯、张丹枫等学者对无人驾驶电动拖拉机制动控制系统进行了设计，通过加装电机驱动系统，设计硬件电路和软件程序，控制拖拉机的制动系统；欧阳劲志、杨辉等学者对人车分离无人驾驶拖拉机的关键技术进行了研究，提出了无人驾驶拖拉机电控系统的设计思路，论述了此系统的核心技术、工作模式和工作原理；严国军、贲能军等学者，他们基于MPC，对无人驾驶拖拉机轨迹进行了跟踪控制；殷玥等学者，以嵌入式PC 处理器为核心，将其与Linux 嵌入式系统、物联网技术相互结合，对无人驾驶拖拉机控制系统的软件部分和硬件部分进行了设计研究[9-13]。

3 丘陵山区无人驾驶拖拉机改进方案

小型山地拖拉机可以耕作于山区地块，山区地块和普通地块相比，面积较大，地块比较分散，而且有坡度。拖拉机可以在25°以内的农田地块上完成耕作任务，满足山坡地块的农业生产的基本要求。该小型山地拖拉机主要由机械操纵系统和电子系统等部分组成。与其他类型的拖拉机结构相似，它的电子系统主要是由点火启动控制系统，远近灯光控制系统等组成的，机械操纵系统是由离合模块、刹车模块、油门模块、通用挡位模块和高低挡位模块等组成的，负责拖拉机的行进。在拖拉机作业机械升降和旋耕机驱动等部分，也有一部分液压系统，负责旋耕机的工作。这些系统互相配合，共同控制拖拉机的耕作运转。

对于拖拉机的驾驶原理，与其他类型拖拉机的驾驶原理类似，此款小型山地拖拉机的驾驶原理为：首先在保证挡位为空挡，手刹下拉的情况下通过电子系统点火，启动拖拉机，然后踩下离合器，挂入低档，松开手刹，慢慢放开离合器，拖拉机便开始行驶了。拖拉机的耕作过程为：在拖拉机启动的前提下，首先打开液压总阀，然后放下作业机械，接着打开旋耕机液压驱动阀，拖拉机便可以在农田里耕作。

对于摇杆动力的供给，可采用以下3种不同方案。

方案一：使用液压缸推动摇杆。根据液压缸的基础知识，液压缸具有推力大、动力强的特点，并且液压杆件在伸出和收缩的时候速度稳定，故作为了方案供选择。

方案二：使用机械手控制摇杆。因为机械手，机械臂等构件已经出现在了许多工厂作业的流水线上、工程机械上和智能机器人等领域。机械手可以完全模仿人的手工操作，所以也作为了方案之一。

方案三：使用齿轮传动、三相交流电机和电调配合调速与换向。因为电机转速低，而且可以通过上级发出的指令正转和反转，也可以达到控制摇杆方向的作用。

综合分析上述方案，山西省主流的小型拖拉机是Q/CR01-2015 型拖拉机，体型比较小，各个部分的结构比较紧凑，因此可供设计的物理空间特别狭小，对于方案二和方案三，机械手控制摇杆和使用齿轮传动控制摇杆，这二者都必须在足够物理空间里才可以实施，而且齿轮传动必须使用液压油，所以也就需要设计齿轮箱，大大增加了难度；对于方案一，液压缸所占的物理空间较小，工作效率比较高，液压杆件在伸出和收缩的时候速度稳定，可行性较高。

所以，决定采用方案一，给该款拖拉机加装一套变速箱液压系统，通过液压杆件的前进和后退来控制摇杆的位置。拖拉机在田地间作业中需要控制的摇杆有液压泵开关、2-4驱动转换开关、悬挂机具的升降开关和动力开关、泄压阀等九处。这些都可以利用液压缸来控制摇杆，从而实现相应的功能，让拖拉机进行作业。

小型山地无人驾驶拖拉机主要由3 个模块组成，分别是底层控制模块、底层执行模块和智能决策模块。对于智能决策模块，其主要是用来完成任务规划工作的，并且跟底层控制模块之间互相通信，把相关的指令发送至底层控制模块，然后底层控制模块再依据智能控制模块发送过来的指令经过处理和分析以后将指令传送到底层执行模块，从而底层执行模块依据接受到的指令，完成相应的动作。这3 个模块之间通过井然有序的紧密配合，实现对拖拉机的无人驾驶控制。对于底层控制模块，它的主要作用就是处理和分析智能决策模块和遥控器传来的指令，并将处理后的指令传给底层执行模块。对于底层执行模块，液压系统和电子系统都是底层执行模块的一部分，当上级传来对灯光控制的指令时，电子系统就接受并做出相应的灯光操作，当上级系统传来的指令是针对液压系统的，那么液压系统发出指令，指挥着液压油缸的伸缩，达到控制的目的。