人車分離無人駕駛拖拉機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究

歐陽勁志 楊輝 羅小全

【摘要】本文介紹了國內(nèi)外無人駕駛拖拉機(jī)的技術(shù)發(fā)展水平，提出了無人駕駛拖拉機(jī)電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，簡述了系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的解決方案，論述了系統(tǒng)的工作模式和工作原理。

【關(guān)鍵詞】無人駕駛;路徑規(guī)劃;自動轉(zhuǎn)向

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、全球衛(wèi)星定位技術(shù)、地理信息技術(shù)的發(fā)展以及精細(xì)農(nóng)業(yè)的興起，國內(nèi)外許多研究機(jī)構(gòu)開始圍繞無人駕駛拖拉機(jī)展開研究工作。在國內(nèi)，針對拖拉機(jī)人車結(jié)合的智能駕駛的研究較多，人車分離的無人駕駛的研究較少。無人駕駛拖拉機(jī)能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)作業(yè)，提高土地利用率;降低人工運(yùn)行費(fèi)用，提高生產(chǎn)效率;減少燃油消耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排;大區(qū)域作業(yè)技術(shù)優(yōu)勢突出。

一、系統(tǒng)架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)

（一）系統(tǒng)架構(gòu)

無人駕駛拖拉機(jī)電控系統(tǒng)由遠(yuǎn)程控制分系統(tǒng)、路徑規(guī)劃分系統(tǒng)、緊急避險(xiǎn)分系統(tǒng)、機(jī)具懸掛分系統(tǒng)、導(dǎo)航定位分系統(tǒng)、變速轉(zhuǎn)向分系統(tǒng)等幾個(gè)分系統(tǒng)組成，各分系統(tǒng)又包含不同的子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)特定的功能。各分系統(tǒng)簡介如下：

1.遠(yuǎn)程控制分系統(tǒng)包含有遠(yuǎn)程監(jiān)視和遠(yuǎn)程遙控子系統(tǒng)。遠(yuǎn)程監(jiān)視子系統(tǒng)通過安裝在拖拉機(jī)上的攝像頭對周圍的圖像信息進(jìn)行采集，將圖像信息無線傳輸至位于遠(yuǎn)端的顯示屏上，使操作人員能觀察到拖拉機(jī)周邊的環(huán)境。遠(yuǎn)程遙控子系統(tǒng)的功能是，實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)人員操縱遠(yuǎn)程控制終端，使拖拉機(jī)完成轉(zhuǎn)彎、行駛等行為。

2.路徑規(guī)劃分系統(tǒng)包含路徑規(guī)劃子系統(tǒng)。路徑規(guī)劃子系統(tǒng)支持多種路徑指導(dǎo)模式，如平行線指導(dǎo)、曲線指導(dǎo)、自適應(yīng)曲線、中心點(diǎn)環(huán)線指導(dǎo)等模式。

3.緊急避險(xiǎn)分系統(tǒng)具有避免拖拉機(jī)撞上水井、樹木、行人的功能。復(fù)合探測子系統(tǒng)包含有距離傳感器、紅外傳感器等探測終端。距離傳感器探測前方是否有障礙物，紅外傳感器探測前方是否有行人，當(dāng)它們探測到障礙物或人進(jìn)入危險(xiǎn)距離時(shí)，會發(fā)送信號給CPU，實(shí)現(xiàn)緊急停車熄火，以免發(fā)生事故。

4.機(jī)具懸掛分系統(tǒng)包含機(jī)具起降子系統(tǒng)和機(jī)具動力子系統(tǒng)。機(jī)具起降子系統(tǒng)控制電磁閥的開閉，使液壓裝置完成機(jī)具的升降、懸浮等動作。機(jī)具動力子系統(tǒng)通過控制動力輸出軸離合器的結(jié)合或分離，控制拖拉機(jī)給旋耕機(jī)等農(nóng)機(jī)具的動力輸出。

5.導(dǎo)航定位分系統(tǒng)包含DGPS導(dǎo)航和姿態(tài)糾偏子系統(tǒng)，其功能是實(shí)現(xiàn)拖拉機(jī)導(dǎo)航定位。

6.變速轉(zhuǎn)向分系統(tǒng)包含自動變速子系統(tǒng)和自動轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)，它們負(fù)責(zé)執(zhí)行CPU所傳遞的指令，改變拖拉機(jī)的行駛速度和行駛方向。系統(tǒng)中安裝有發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器、轉(zhuǎn)向角度傳感器、制動壓力傳感器、離合位移傳感器等探測終端，實(shí)時(shí)監(jiān)測行車狀態(tài)，反饋給CPU，實(shí)現(xiàn)變速轉(zhuǎn)向的閉環(huán)控制。

（二）關(guān)鍵技術(shù)

1.DGPS導(dǎo)航。DGPS（差分GPS）是針對改善GPS利用碼定位的精度而發(fā)展出來的系統(tǒng)，采用相對定位的原理，對兩個(gè)不同測量點(diǎn)利用差分方式消去大部分共同誤差而獲取較高的精度。本系統(tǒng)采用DGPS來獲取高精度位置信息，實(shí)現(xiàn)方法是：在一個(gè)精確的已知位置（基準(zhǔn)站）上安裝GPS監(jiān)測接收機(jī)，計(jì)算得到基準(zhǔn)站與GPS衛(wèi)星的距離修正值，基準(zhǔn)站將此數(shù)據(jù)通過無線通訊傳送給拖拉機(jī)CPU，對車載GPS接收機(jī)的測量值作誤差修正，利用修正后的數(shù)據(jù)計(jì)算出自身的位置，消去公共誤差，從而獲得更精準(zhǔn)的路徑導(dǎo)航。

2.地形補(bǔ)償。為適應(yīng)高精度的需要，地形補(bǔ)償技術(shù)被引入系統(tǒng)，通過姿態(tài)糾偏模塊中陀螺儀所采集到的拖拉機(jī)的偏航、傾斜、爬坡、下坡等狀態(tài)信息，補(bǔ)償不同地形對拖拉機(jī)行進(jìn)產(chǎn)生的影響，減小機(jī)車行駛軌跡和規(guī)劃路徑之間的偏差，從而精確控制拖拉機(jī)的行駛路徑。

3.路徑規(guī)劃。路徑規(guī)劃是用來指導(dǎo)機(jī)動車位置的一種方法。規(guī)劃的路徑應(yīng)滿足車輛轉(zhuǎn)向的要求，不能超過車輛最小轉(zhuǎn)彎半徑;同時(shí)必須考慮耕種、播種等作業(yè)形式對車輛行駛路徑的不同要求。為滿足要求，無人駕駛拖拉機(jī)電控系統(tǒng)中的路徑規(guī)劃系統(tǒng)應(yīng)具有數(shù)據(jù)存儲功能;電子地圖的顯示、縮放、平移的功能;DGPS測得的位置信息在電子地圖中的定位、跟蹤功能;行駛路徑、規(guī)劃路徑的坐標(biāo)顯示功能;作業(yè)區(qū)域的路徑規(guī)劃功能等。

4.自動轉(zhuǎn)向。電動機(jī)傳動技術(shù)被引入轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，通過一個(gè)小的電動馬達(dá)來驅(qū)動拖拉機(jī)的液壓轉(zhuǎn)向裝置，與轉(zhuǎn)向角度傳感器和控制電路一起實(shí)現(xiàn)自動轉(zhuǎn)向功能。轉(zhuǎn)向角度傳感器測量轉(zhuǎn)向輪與主車軸之間的角度，這個(gè)角度定義了車輛將行駛的方向?？刂破鹘邮战嵌葌鞲衅鞯姆答佇盘?，并通過主程序循環(huán)調(diào)用，實(shí)現(xiàn)對拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向閉環(huán)控制，原理圖如圖1所示。

5.自動變速。該系統(tǒng)采用ARM7系列LPC2294芯片作為控制器，子系統(tǒng)主要分為四個(gè)模塊：一是A/D采集模塊：對發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器、制動壓力傳感器、離合位移傳感器、轉(zhuǎn)向角度傳感器的信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)采集。二是GPIO（通用輸入輸出）模塊：控制繼電器的導(dǎo)通和截止，控制各液壓裝置完成不同動作。三是PWM輸出模塊：控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器，驅(qū)動油門步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)油門大小。四是CAN通訊模塊：通過CAN總線與上位機(jī)進(jìn)行通訊，接收上位機(jī)的目標(biāo)控制信號。系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖2所示。

該系統(tǒng)由控制器接收各傳感器的反饋信號，結(jié)合芯片內(nèi)置的控制策略，控制繼電器的通斷和步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)拖拉機(jī)加速、勻速、減速、制動、轉(zhuǎn)向、機(jī)具升降、前進(jìn)后退和換檔變速等一系列動作。

二、系統(tǒng)組成及工作原理

（一）系統(tǒng)組成

無人駕駛拖拉機(jī)電控系統(tǒng)，包括中央處理器、遠(yuǎn)程遙控系統(tǒng)、遠(yuǎn)程監(jiān)視系統(tǒng)、機(jī)具懸掛系統(tǒng)、緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)、路徑規(guī)劃系統(tǒng)、DGPS導(dǎo)航系統(tǒng)、姿態(tài)糾偏系統(tǒng)、自動變速轉(zhuǎn)向系統(tǒng)及綜合顯示面板等部分。無人駕駛拖拉機(jī)電控系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)如圖3所示。

（二）拖拉機(jī)工作原理

1.拖拉機(jī)自主工作狀態(tài)。將做好的電子地圖導(dǎo)入中央處理器中，中央處理器根據(jù)地塊邊界規(guī)劃出合理的作業(yè)路徑。在拖拉機(jī)開始行駛時(shí)，DGPS導(dǎo)航系統(tǒng)測得動態(tài)數(shù)據(jù)，通過無線通訊傳送到拖拉機(jī)中央處理器，計(jì)算得到位置信息。通過姿態(tài)糾偏系統(tǒng)獲取拖拉機(jī)的行車狀態(tài)信息，并將狀態(tài)信息傳送到中央處理器運(yùn)算，補(bǔ)償DGPS導(dǎo)航系統(tǒng)使測得的位置信息更準(zhǔn)確。中央處理器和路徑規(guī)劃系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信息交互，中央處理器將補(bǔ)償后的位置信息與之前在電子地圖上已規(guī)劃好的路徑進(jìn)行對比，得到偏差值，將偏差值處理后，通過自動變速轉(zhuǎn)向系統(tǒng)來控制無人駕駛拖拉機(jī)的行駛速度和方向。當(dāng)拖拉機(jī)進(jìn)入到耕作路徑時(shí)，中央處理器發(fā)出指令，接通動力輸出離合，同時(shí)控制懸掛系統(tǒng)中的農(nóng)機(jī)具降至工作深度，拖拉機(jī)開始作業(yè)，耕作任務(wù)完成后，升起農(nóng)機(jī)具，斷開動力輸出離合。在系統(tǒng)中應(yīng)用角度傳感器、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器、位置傳感器、壓力傳感器等傳感器測量行車信息，并將行車信息轉(zhuǎn)換為電信號傳遞給控制器進(jìn)行運(yùn)算，再由控制器發(fā)出指令控制自動變速轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對拖拉機(jī)駕駛的智能控制。中央處理器實(shí)時(shí)控制綜合控制面板顯示的內(nèi)容，如車輛的行車信息等。

2.拖拉機(jī)應(yīng)急工作狀態(tài)。拖拉機(jī)行進(jìn)中，前方若出現(xiàn)障礙物或行人，且與拖拉機(jī)的距離進(jìn)入危險(xiǎn)范圍時(shí)，系統(tǒng)視為緊急情況。安裝在拖拉機(jī)前方的紅外傳感器測量前方是否有行人，距離傳感器測量與人或障礙物的距離。中央處理器循環(huán)查詢傳感器的測量信息，根據(jù)CPU內(nèi)置的控制策略，作出判斷和決策。當(dāng)拖拉機(jī)與行人或障礙物的距離進(jìn)入危險(xiǎn)范圍時(shí)，CPU發(fā)出指令，緊急制動熄火，確保行車安全。同時(shí)，發(fā)出信號給遠(yuǎn)程控制終端，提醒農(nóng)機(jī)操作人員出現(xiàn)緊急情況。

3.拖拉機(jī)遙控工作狀態(tài)。遠(yuǎn)程監(jiān)視系統(tǒng)通過車前后方的攝像頭獲取圖像信息，通過無線通訊傳送給控制室內(nèi)的顯示屏上，當(dāng)出現(xiàn)緊急情況意外停車時(shí)，方便調(diào)取圖像查看原因。遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)通過無線通訊與中央處理器連接，中央處理器對接收到的指令進(jìn)行運(yùn)算，控制變速轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)完成相應(yīng)動作，實(shí)現(xiàn)對無人駕駛拖拉機(jī)的遠(yuǎn)程控制。

三、結(jié)語

該無人駕駛拖拉機(jī)電控系統(tǒng)把DGPS導(dǎo)航、地形補(bǔ)償、路徑規(guī)劃、自動變速與轉(zhuǎn)向等幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來，借助于計(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)拖拉機(jī)的無人駕駛。該課題目前已獲得國家專利，為將來實(shí)現(xiàn)“一人多車”集群作業(yè)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。為便于設(shè)計(jì)方案的更新，該電控系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。為便于擴(kuò)展應(yīng)用新技術(shù)，系統(tǒng)預(yù)留了充足的硬件端口，其設(shè)計(jì)方案和研究方法可為同類研究提供思路。