農(nóng)機(jī)自動(dòng)駕駛設(shè)備作業(yè)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

彭 川 ， 戢 敏 ， 宮霞霞 ， 王 輝

（成都大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610000）

隨著智慧農(nóng)業(yè)戰(zhàn)略的實(shí)施及農(nóng)村年輕勞動(dòng)力的轉(zhuǎn)移，無(wú)人大田農(nóng)業(yè)將成為未來(lái)農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要方向。農(nóng)機(jī)自動(dòng)駕駛設(shè)備是智慧農(nóng)業(yè)建設(shè)的重要支撐，是我國(guó)機(jī)械制造技術(shù)發(fā)展的具體體現(xiàn)。農(nóng)機(jī)自動(dòng)駕駛設(shè)備的核心是能夠依照空間變異定時(shí)、定位實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化作業(yè)[1]。其核心技術(shù)就是利用北斗導(dǎo)航系統(tǒng)將航模模塊采集的數(shù)據(jù)作為控制系統(tǒng)感知參數(shù)，以此根據(jù)系統(tǒng)預(yù)設(shè)指令控制自動(dòng)駕駛設(shè)備的方向盤、轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)等系統(tǒng)，從而代替人工實(shí)現(xiàn)自主作業(yè)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前國(guó)內(nèi)外控制自動(dòng)駕駛設(shè)備的檢測(cè)系統(tǒng)主要采用RTK獲得設(shè)備作業(yè)的軌跡，將作業(yè)軌跡數(shù)據(jù)與標(biāo)記的地面實(shí)時(shí)點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比獲得作業(yè)誤差值，并對(duì)誤差值進(jìn)行調(diào)整。此種檢測(cè)方式操作比較復(fù)雜、工作效率較低，測(cè)量設(shè)備RTK精度只能控制在厘米級(jí)范圍，農(nóng)機(jī)自動(dòng)駕駛設(shè)備的作業(yè)精度有待進(jìn)一步提升。筆者結(jié)合相關(guān)研究構(gòu)建超寬帶通信（UWB, Ultra Wide Band）基站-標(biāo)簽作為檢測(cè)傳感器的檢測(cè)系統(tǒng)。

1 UWB技術(shù)概述

近年來(lái)，UWB技術(shù)在無(wú)線通信傳輸領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，是精準(zhǔn)定位技術(shù)之一。隨著我國(guó)人工智能技術(shù)的發(fā)展，UWB技術(shù)在農(nóng)機(jī)自動(dòng)駕駛設(shè)備中的應(yīng)用越來(lái)越廣，我國(guó)農(nóng)機(jī)自動(dòng)駕駛設(shè)備從芯片、終端競(jìng)爭(zhēng)轉(zhuǎn)化為地基增強(qiáng)站的競(jìng)爭(zhēng)。通過(guò)綜合相關(guān)文獻(xiàn)資料，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)UWB技術(shù)作出了諸多研究貢獻(xiàn)：林相澤等[2]利用 K-means 聚類與截段處理方法對(duì)距離測(cè)量誤差進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以此提高了對(duì)農(nóng)機(jī)車輛的準(zhǔn)確定位，從而有效提升了農(nóng)機(jī)作業(yè)的精度；符世琛等[3]在狹長(zhǎng)巷道內(nèi)利用超寬帶定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)機(jī)的三維空間內(nèi)厘米級(jí)定位和自主導(dǎo)控。通過(guò)分析不難看出上述研究主要是在農(nóng)業(yè)作業(yè)區(qū)域邊界設(shè)置3個(gè)以上的UWB基站，通過(guò)偽衛(wèi)星法采集農(nóng)機(jī)本體上UWB標(biāo)簽與UWB基站的實(shí)時(shí)距離，確定作業(yè)機(jī)具在作業(yè)區(qū)域內(nèi)的實(shí)時(shí)位置坐標(biāo)。在小范圍農(nóng)業(yè)作業(yè)或者經(jīng)常更換作業(yè)地塊設(shè)置UWB基站不現(xiàn)實(shí)，文章基于UWB 基站-標(biāo)簽相對(duì)測(cè)距信息，設(shè)計(jì)了改進(jìn)信號(hào)到達(dá)角度（AOA, Angle of Arrival）模式的農(nóng)業(yè)機(jī)械導(dǎo)航參數(shù)檢測(cè)方法。

2 農(nóng)機(jī)自動(dòng)駕駛設(shè)備檢測(cè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

基于UWB的檢測(cè)系統(tǒng)主要是在農(nóng)田邊界設(shè)置雙UWB基站作為導(dǎo)航參數(shù)，在自動(dòng)駕駛農(nóng)機(jī)上布置雙UWB標(biāo)簽，利用UWB基站-標(biāo)簽實(shí)時(shí)測(cè)距信息，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛農(nóng)機(jī)的實(shí)時(shí)檢測(cè)。

據(jù)研究，農(nóng)田邊界設(shè)置雙UWB基站主要有兩種方式：垂直作業(yè)路徑的布置方式和平行作業(yè)路徑的布置方式。影響自動(dòng)駕駛農(nóng)機(jī)作業(yè)軌跡的主要因素是自動(dòng)駕駛農(nóng)機(jī)車身雙UWB標(biāo)簽與UWB基站的信號(hào)角度，二者之間存在一定的測(cè)距誤差。平行作業(yè)路徑的布置方式需要計(jì)算UWB標(biāo)簽與雙UWB基站的方位角，會(huì)導(dǎo)致自主導(dǎo)航參數(shù)的檢測(cè)誤差比較大。文章采取平行作業(yè)路徑的布置方式[4]，具體如圖1所示。

圖1 田邊雙UWB基站布置示意圖

橫向偏差主要是自動(dòng)駕駛農(nóng)機(jī)中心點(diǎn)與雙UWB基站中心軸線的垂直距離和目標(biāo)作業(yè)路徑距離之差。航向偏差則是自動(dòng)駕駛農(nóng)機(jī)車身縱向中心軸線或橫向中心軸線與目標(biāo)作業(yè)路徑的夾角[5]。為了提升檢測(cè)的準(zhǔn)確性，自動(dòng)駕駛農(nóng)機(jī)車身的雙UWB標(biāo)簽安裝采取雙基站-縱向雙標(biāo)簽布置方式如圖2所示。

圖2 雙基站-縱向雙標(biāo)簽布置方式

農(nóng)田自動(dòng)駕駛導(dǎo)航檢測(cè)系統(tǒng)主要包括以下部分：2組UWB基站-標(biāo)簽套件（DWM1000UWB模塊，其功能主要是測(cè)量距離小于300 m，測(cè)量精度在±5 cm）、控制器、人際交互顯示屏以及RS485通信接口等元件。其工作原理如下：由安裝在農(nóng)機(jī)自動(dòng)駕駛設(shè)備中的控制器檢測(cè)UWB標(biāo)簽1和UWB標(biāo)簽2與雙UWB基站間的實(shí)測(cè)距離，基站與標(biāo)簽間的距離信息主要根據(jù)雙向雙邊測(cè)距離算法自行解算，控制器并不參與距離的實(shí)際算法，僅負(fù)責(zé)接收并且解析UWB標(biāo)簽輸出的測(cè)距信息。控制器在接收到相關(guān)信息后，按照預(yù)定的模型計(jì)算自動(dòng)駕駛設(shè)備的橫向偏差和導(dǎo)航偏差，通過(guò)通信接口輸出固定的數(shù)據(jù)幀格式如表1所示?？刂葡到y(tǒng)將計(jì)算的相關(guān)數(shù)據(jù)通過(guò)PC機(jī)構(gòu)成的導(dǎo)航系統(tǒng)檢測(cè)到的相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)出相應(yīng)指令，以此實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)自動(dòng)駕駛設(shè)備的精準(zhǔn)作業(yè)。當(dāng)檢測(cè)到自動(dòng)駕駛出現(xiàn)偏航后，控制器會(huì)及時(shí)將偏航信息傳給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)發(fā)出調(diào)整指令，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制[6-7]。

表1 導(dǎo)航參數(shù)數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)表

3 自動(dòng)駕駛農(nóng)機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)的驗(yàn)證與結(jié)果分析

為了準(zhǔn)確驗(yàn)證基于雙UWB基站的自動(dòng)駕駛農(nóng)機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)，采取靜態(tài)實(shí)驗(yàn)和動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式。

3.1 靜態(tài)檢測(cè)驗(yàn)證與結(jié)果分析

靜態(tài)實(shí)驗(yàn)主要是在相對(duì)寬闊的場(chǎng)地上，選擇測(cè)量距離小于300 m、測(cè)距精度為±5 cm的正點(diǎn)原子開發(fā)板，按照相關(guān)規(guī)范要求，對(duì)自動(dòng)駕駛農(nóng)機(jī)進(jìn)行直線導(dǎo)航精度檢測(cè)。試驗(yàn)時(shí)以常見的自動(dòng)駕駛拖拉機(jī)為例，設(shè)定雙UWB基站間接和雙UWB標(biāo)簽間距為1 m、2 m和3 m，分別計(jì)算其作業(yè)的精準(zhǔn)度。計(jì)算公式為：

式中，E為檢測(cè)精度（誤差）；di為第i個(gè)采樣點(diǎn)的檢測(cè)精度（誤差）；N為采樣個(gè)數(shù)。

通過(guò)綜合計(jì)算得出數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 自動(dòng)駕駛農(nóng)機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)的試驗(yàn)結(jié)果

由表2可知，在基站間距相對(duì)固定的環(huán)境下，自動(dòng)駕駛農(nóng)機(jī)UWB標(biāo)簽與雙UWB基站的間距越大，橫向偏差和航向偏差的檢測(cè)精度越高。在標(biāo)簽間距固定的情況下，隨著基站間距的增加，自動(dòng)駕駛農(nóng)機(jī)的檢測(cè)精度隨之遞增?；鹃g距增大，橫向檢測(cè)誤差未超過(guò)8%、最大變異系數(shù)為10%，最小變異系數(shù)為7.29%，航向偏差檢測(cè)誤差小于1°，變異系數(shù)在3%以下，最大變異系數(shù)為2.55%，最小變異系數(shù)為0.40%，檢測(cè)精度穩(wěn)定且基本滿足導(dǎo)航需求。因此，在滿足機(jī)具尺寸要求和系統(tǒng)使用便捷性的前提下，應(yīng)選取較大的基站間距和標(biāo)簽間距[8]。

3.2 動(dòng)態(tài)驗(yàn)證與結(jié)果分析

動(dòng)態(tài)檢測(cè)主要是將UWB標(biāo)簽搭載在自動(dòng)制動(dòng)底盤上，以均速的行駛速度采取采樣試驗(yàn)。動(dòng)態(tài)試驗(yàn)設(shè)定低速、中速以及高速模式進(jìn)行，通過(guò)綜合計(jì)算，當(dāng)自動(dòng)駕駛農(nóng)機(jī)車速提升時(shí)，橫向偏差和航向偏差的精準(zhǔn)度雖然有所降低，但是其變異系數(shù)小于10%，說(shuō)明其在合理的范疇內(nèi)，系統(tǒng)工作的性能比較穩(wěn)定。當(dāng)自動(dòng)駕駛農(nóng)機(jī)車速提高到8 km/h時(shí)，航向偏差檢測(cè)精度下降3%左右，由此可知，高速行駛對(duì)監(jiān)測(cè)精度的影響比較大[9]。

4 構(gòu)建自動(dòng)駕駛農(nóng)機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)保障措施

4.1 優(yōu)化自動(dòng)駕駛設(shè)備車身設(shè)計(jì)

據(jù)調(diào)查，自動(dòng)駕駛農(nóng)機(jī)作業(yè)時(shí)，受工作面坡度及農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境的影響，農(nóng)機(jī)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)較大波動(dòng)，從而影響檢測(cè)精度[10-12]。例如，當(dāng)自動(dòng)駕駛設(shè)備在經(jīng)過(guò)坡度較高的地面時(shí)，車身的UWB標(biāo)簽就會(huì)相對(duì)提高，UWB標(biāo)簽與UWB基站的測(cè)距信號(hào)會(huì)受到影響。因此，為了保證檢測(cè)的準(zhǔn)確性，需要調(diào)整自動(dòng)駕駛農(nóng)機(jī)的車身姿態(tài)角度，可以將UWB標(biāo)簽提高到不低于地面2 m的距離，這樣在自動(dòng)駕駛設(shè)備UWB標(biāo)簽與UWB出現(xiàn)較小姿態(tài)角時(shí)能夠?qū)?dǎo)航參數(shù)進(jìn)行誤差校正。據(jù)調(diào)查，俯仰角（自動(dòng)駕駛農(nóng)機(jī)縱向中心軸線與水平地面的夾角）和橫滾角（自動(dòng)駕駛農(nóng)機(jī)橫向中心軸線與水平地表面的夾角）是影響橫向偏差的主要因素，針對(duì)車身姿態(tài)角檢測(cè)誤差因素，對(duì)自動(dòng)駕駛設(shè)備進(jìn)行后校正處理的方式修正補(bǔ)償誤差[13]。

4.2 提高農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)人才培養(yǎng)力度

構(gòu)建自動(dòng)駕駛農(nóng)機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)必須依托于高素質(zhì)的機(jī)械設(shè)計(jì)人才，故我國(guó)很有必要加強(qiáng)高素質(zhì)自動(dòng)駕駛農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)人才培養(yǎng)工作：一是高校要發(fā)揮育人作用，圍繞無(wú)人駕駛技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，及時(shí)調(diào)整專業(yè)設(shè)置，培養(yǎng)符合智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展需要的高端人才。高校要為機(jī)械專業(yè)學(xué)生提供更多實(shí)踐鍛煉的機(jī)會(huì)，鼓勵(lì)高校機(jī)械設(shè)計(jì)人才加入科研創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)中，提升高校學(xué)生科技創(chuàng)新意識(shí)。二是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)人才要主動(dòng)深入基層，了解自動(dòng)駕駛設(shè)備在作業(yè)過(guò)程中存在的技術(shù)問題，并且針對(duì)問題進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)。

5 結(jié)論

總之，基于智慧農(nóng)業(yè)戰(zhàn)略的實(shí)施，我國(guó)要大力發(fā)展自動(dòng)駕駛農(nóng)機(jī)技術(shù)，構(gòu)建完善的自動(dòng)駕駛農(nóng)機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)，提升自動(dòng)駕駛農(nóng)機(jī)作業(yè)的精準(zhǔn)度。