北斗導(dǎo)航農(nóng)機(jī)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)研究

楊振東 劉文龍 張繼峰 張昕 趙忖 劉彥昌

（東北石油大學(xué)秦皇島校區(qū)，河北秦皇島 066004）

農(nóng)業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)。為了確保糧食供應(yīng)和安全，關(guān)鍵是要推動(dòng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)步。智能化農(nóng)機(jī)裝備代表著農(nóng)業(yè)先進(jìn)生產(chǎn)力，是增強(qiáng)農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力的物質(zhì)基礎(chǔ)。隨著我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的快速發(fā)展，農(nóng)村勞動(dòng)力老齡化問題加劇，土地規(guī)?；?jīng)營逐步成型，對智能化農(nóng)機(jī)設(shè)備的需求也越來越迫切。農(nóng)機(jī)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)是智能化農(nóng)機(jī)裝備的重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的前提與關(guān)鍵，其主要功能是根據(jù)各種導(dǎo)航傳感器信息，引導(dǎo)農(nóng)機(jī)按照預(yù)定的作業(yè)技術(shù)路線進(jìn)行精確跟蹤行駛。農(nóng)機(jī)自動(dòng)駕駛作業(yè)相比傳統(tǒng)人工手動(dòng)駕駛作業(yè)具有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）作業(yè)直線度大幅度提高并且不重不漏，能提高農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)質(zhì)量和土地利用率；（2）能夠進(jìn)行全時(shí)段作業(yè)，提高了時(shí)間利用率；（3）減輕了駕駛員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化程度。

我國農(nóng)機(jī)自動(dòng)駕駛技術(shù)基礎(chǔ)研究存在不足，總體水平同國外相比還有一定的差距，農(nóng)機(jī)自動(dòng)駕駛的關(guān)鍵技術(shù)在于農(nóng)機(jī)導(dǎo)航定位和路徑跟蹤控制。農(nóng)機(jī)導(dǎo)航定位大多采用組合導(dǎo)航定位的方式，即將兩種或兩種以上不同導(dǎo)航系統(tǒng)以適當(dāng)?shù)姆绞浇M合起來，采用信息融合算法，使得優(yōu)勢互補(bǔ)、取長補(bǔ)短，獲得比使用單一導(dǎo)航系統(tǒng)更加精準(zhǔn)的定位信息。從提高定位精度和可靠性角度出發(fā)，目前組合導(dǎo)航定位技術(shù)存在大量的創(chuàng)新和改進(jìn)空間?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)對田間作業(yè)速度的要求越來越快，對作業(yè)質(zhì)量的要求越來越高。因此，不斷深入研究農(nóng)機(jī)自動(dòng)駕駛方法，進(jìn)一步提升農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備的智能化水平和高效可靠性，支撐現(xiàn)代農(nóng)業(yè)精準(zhǔn)化發(fā)展具有重大意義。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

北斗導(dǎo)航農(nóng)機(jī)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)包括移動(dòng)基準(zhǔn)站組件和車載自動(dòng)駕駛系統(tǒng)組件兩部分構(gòu)成，如圖1 所示。

1.1 移動(dòng)基準(zhǔn)站

移動(dòng)基準(zhǔn)站由北斗衛(wèi)星測量天線、北斗衛(wèi)星接收機(jī)、電臺發(fā)射天線、電臺、12V 鉛酸蓄電池組成。北斗衛(wèi)星接收機(jī)通過北斗衛(wèi)星測量天線接收處理結(jié)算衛(wèi)星定位信息，再由電臺發(fā)射差分定位信息（RTK）。移動(dòng)基準(zhǔn)站信號覆蓋范圍5km，

移動(dòng)基準(zhǔn)站無線電發(fā)射設(shè)備功率1W，無線電發(fā)射設(shè)備頻率（230～235）MHz。

1.2 車載自動(dòng)駕駛系統(tǒng)

車載自動(dòng)駕駛系統(tǒng)該系統(tǒng)主要包括以下部件：北斗測量衛(wèi)星主天線（以下簡稱衛(wèi)星主天線）、北斗測量衛(wèi)星副天線（以下簡稱衛(wèi)星副天線）、車載電臺天線、車載電臺、車載北斗/GNSS 接收機(jī)、工控顯示屏、控制器（ECU）、電磁比例換向液壓閥和角度傳感器組成。衛(wèi)星主天線作用接收衛(wèi)星定位和速度信息。衛(wèi)星副天線與衛(wèi)星主天線配合實(shí)現(xiàn)定向。車載北斗/GNSS 接收機(jī)接收衛(wèi)星和移動(dòng)基站信號并輸出高精度定位信息（RTK），實(shí)現(xiàn)定位誤差 ＜=2.5cm?？刂破鳎‥CU）接收車載北斗/GNSS 接收機(jī)高精度定位信息（RTK）、運(yùn)動(dòng)姿態(tài)傳感器（MEMS）和角度傳感器的信號（檢測農(nóng)機(jī)前輪轉(zhuǎn)向角度值），經(jīng)信息融合運(yùn)算后向液壓閥實(shí)時(shí)發(fā)送指令，驅(qū)動(dòng)農(nóng)機(jī)的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，使農(nóng)機(jī)按照規(guī)劃的路線進(jìn)行高精度自適應(yīng)自動(dòng)駕駛。此系統(tǒng)直線作業(yè)橫向偏差與交接行誤差均不大于2.5cm，作業(yè)速度范圍（0.6-12）km/h，表1。

表1 系統(tǒng)主要參數(shù)

2 系統(tǒng)控制方法

基于北斗導(dǎo)航的農(nóng)機(jī)自動(dòng)駕駛控制系統(tǒng)，由北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)（BDS）、捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（SINS）、角度傳感器、控制器（ECU）、電液比例換向閥和工控顯示屏組成。如圖2 所示。

圖2 控制系統(tǒng)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)（BDS）由基站和車載部分組成。基站測量天線與基站接收機(jī)銜接，基站接收機(jī)與基站發(fā)射臺銜接，基站發(fā)送電臺連接基站發(fā)送電臺天線，基站發(fā)送電臺天線發(fā)送實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)（RTK）位置信息。車載接收電臺天線接收基站發(fā)送電臺實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)（RTK）位置信息，車載接收電臺、車載測量主天線和車載測量副天線分別連接車載接收機(jī)，車載接收機(jī)輸出農(nóng)機(jī)位置、速度和姿態(tài)信息。

捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（SINS）由三軸加速度計(jì)、三軸陀螺儀和三軸磁力計(jì)組成。捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)輸出農(nóng)機(jī)的位置、速度和姿態(tài)信息?？刂破鳎‥CU）分別連接車載接收機(jī)、捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（SINS）、角度傳感器、電液比例換向閥和顯示屏。電液比例換向閥連接液壓轉(zhuǎn)向器，液壓轉(zhuǎn)向器連接農(nóng)機(jī)導(dǎo)向輪，農(nóng)機(jī)導(dǎo)輪與角度傳感器銜接，角度傳感器檢測農(nóng)機(jī)導(dǎo)輪的角度值?？刂破鳎‥CU）接收車載接收機(jī)、捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（SINS）與角度傳感器信號，并對車載接收機(jī)和捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（SINS）的位置、速度和姿態(tài)信息進(jìn)行融合處理得到高精度的農(nóng)機(jī)位置、速度與姿態(tài)數(shù)據(jù)，然后根據(jù)作業(yè)線的位置和方位，以及當(dāng)前農(nóng)機(jī)的位置、方位與導(dǎo)向輪轉(zhuǎn)角值，計(jì)算出控制信號送至電液比例換向閥，從而驅(qū)動(dòng)農(nóng)機(jī)液壓轉(zhuǎn)向器改變導(dǎo)向輪轉(zhuǎn)角，實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)按照預(yù)定路線精確追蹤。工控顯示屏用于觀察顯示農(nóng)機(jī)運(yùn)行工作狀態(tài)，標(biāo)定農(nóng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)，設(shè)置跟蹤控制參數(shù)和記錄各種相關(guān)數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

為了便于駕駛員觀察農(nóng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、標(biāo)定農(nóng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)，設(shè)置跟蹤控制參數(shù)和記錄各種相關(guān)數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)了人機(jī)界面旨在使操作更加簡潔。北斗導(dǎo)航農(nóng)機(jī)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)軟件主要包含：車輛配置與標(biāo)定、田塊配置與管理、車輛作業(yè)監(jiān)控、定位系統(tǒng)診斷、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置和系統(tǒng)管理等。其中，車輛配置與標(biāo)定部分負(fù)責(zé)完成農(nóng)機(jī)自動(dòng)駕駛所需車輛參數(shù)的標(biāo)定、配置和記錄工作；田塊配置與管理部分用于完成農(nóng)機(jī)自動(dòng)駕駛所需田塊與作業(yè)信息的配置和管理任務(wù)；車輛作業(yè)監(jiān)控部分負(fù)責(zé)以動(dòng)態(tài)圖形界面的形式監(jiān)控農(nóng)機(jī)作業(yè)過程；定位系統(tǒng)診斷部分用于監(jiān)測BDS 定位系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)；系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置部分用于設(shè)置和顯示整個(gè)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的一些參數(shù)信息；系統(tǒng)管理部分主要用于整個(gè)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的調(diào)試。

3.1 系統(tǒng)總結(jié)構(gòu)

3.1.1 系統(tǒng)框架

北斗導(dǎo)航農(nóng)機(jī)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)軟件共包括6 個(gè)組成部分，分別為：車輛配置與標(biāo)定、田塊配置與管理、車輛作業(yè)監(jiān)控、定位系統(tǒng)診斷、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置和系統(tǒng)管理。北斗導(dǎo)航農(nóng)機(jī)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)軟件能夠配合下位機(jī)控制器實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)車輛自動(dòng)按照預(yù)定航線高精度行駛，實(shí)現(xiàn)了翻地、靶地、旋耕、起壟、播種、噴藥等各個(gè)重要環(huán)節(jié)的精準(zhǔn)管理作業(yè)。其結(jié)構(gòu)框架如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架

3.1.2 系統(tǒng)流程（圖4）

系統(tǒng)啟動(dòng)后，自動(dòng)載入上次作業(yè)的車輛田塊信息，隨后通過人工操作進(jìn)行BDS 定位信息診斷。若定位信息不存在異常，可以根據(jù)需要有選擇地進(jìn)行如下操作：（1）設(shè)置或查看系統(tǒng)參數(shù)信息；（2）調(diào)試整個(gè)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)；（3）新建車輛；（4）重新創(chuàng)建、編輯、管理田塊和作業(yè)。然后，手動(dòng)操作進(jìn)入車輛作業(yè)監(jiān)控子系統(tǒng)，啟動(dòng)自動(dòng)駕駛，實(shí)時(shí)監(jiān)視車輛的運(yùn)行過程。

3.2 系統(tǒng)管理

圖4 系統(tǒng)總體流程

圖5 系統(tǒng)管理流程

系統(tǒng)管理部分現(xiàn)僅提供整個(gè)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的調(diào)試功能，具體包括車輛田塊信息的上傳與下載和控制參數(shù)信息的上傳與下載（流程詳見圖5），以及數(shù)據(jù)庫記錄數(shù)據(jù)的顯示等子功能。系統(tǒng)管理部分前兩項(xiàng)子功能用于完成控制器中車輛田塊信息與控制參數(shù)信息的讀取和寫入，從而能驗(yàn)證出本上位機(jī)軟件與下位機(jī)控制器之間信息傳遞是否正常，以及雙方數(shù)據(jù)是否一致；第三項(xiàng)子功能用于讀取和顯示數(shù)據(jù)庫中所存儲的車輛參數(shù)、田塊信息與控制參數(shù)等數(shù)據(jù)內(nèi)容，在方便用戶查閱的同時(shí)，也能驗(yàn)證出數(shù)據(jù)庫運(yùn)行是否正常。

3.2.1 車輛配置與標(biāo)定

車輛配置與標(biāo)定部分用于建立車輛參數(shù)信息，包括車輛基本參數(shù)配置、車輛瞬時(shí)輪角檢測、液壓閥死區(qū)與最大控制脈寬標(biāo)定三項(xiàng)內(nèi)容。其中，車輛基本參數(shù)配置具體完成車輛名稱輸入、天線高度設(shè)置、天線偏移設(shè)置、輪角極限標(biāo)定和姿態(tài)偏差校準(zhǔn)五項(xiàng)功能。

3.2.2 田塊配置與管理

田塊配置與管理部分負(fù)責(zé)管理田塊和作業(yè)，主要包括創(chuàng)建田塊、選擇田塊、新建作業(yè)、編輯作業(yè)、刪除作業(yè)、選擇作業(yè)和顯示田塊作業(yè)信息等內(nèi)容。

3.2.3 車輛作業(yè)監(jiān)控

車輛作業(yè)監(jiān)控部分主要完成車輛運(yùn)行過程的動(dòng)態(tài)監(jiān)控任務(wù)，具體包括手自動(dòng)操控切換、控制參數(shù)修改、作業(yè)面積計(jì)算、車輛運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示和車輛運(yùn)行過程動(dòng)態(tài)監(jiān)視等內(nèi)容。

結(jié)束語

北斗導(dǎo)航農(nóng)機(jī)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，是集北斗衛(wèi)星接收、定位、多傳感器信息融合等控制于一體的綜合性系統(tǒng)，利用高精度的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位信息，由控制器對農(nóng)機(jī)的液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行控制，使農(nóng)機(jī)按照規(guī)劃的路線進(jìn)行自動(dòng)駕駛，能夠?qū)崿F(xiàn)農(nóng)機(jī)對預(yù)定路徑的精確跟蹤。田間測試結(jié)果表明，此系統(tǒng)直線作業(yè)橫向偏差與交接行誤差均不大于2.5cm，作業(yè)速度范圍（0.6-12）km/h，有效提高了土地資源利用率和農(nóng)機(jī)作業(yè)效率，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。