基于無人駕駛的小麥密行精密播種機組的 設計與試驗

詹文軒，王家忠，弋景剛，姜 濤，趙春明

（1.河北農(nóng)業(yè)大學 機電工程學院，河北 保定 071001；2. 天津易鼎豐動力科技有限公司，天津 300380）

小麥密行播種技術(shù)是依據(jù)現(xiàn)有的小麥條播方式改進而來，在不改變播種量的前提下，通過減小播種行距，增大了播種粒距，使小麥在田間分布均勻度變高，小麥生長充分利用了水土資源，從而使小麥更好的成長，達到小麥增產(chǎn)的目的［1］。要實現(xiàn)小麥高產(chǎn)的目標，必須注重農(nóng)機與農(nóng)藝的相結(jié)合［2-3］。小麥播種的農(nóng)藝要求是精確的粒距、行距和適宜的種植深度，合理的安排麥種排列，充分利用土壤環(huán)境，使小麥能有更好的生長狀態(tài)，協(xié)調(diào)個體與整體關(guān)系，從而達到高產(chǎn)目的［4］。

國內(nèi)播種作業(yè)多為人工操作農(nóng)機具來實現(xiàn)，為了保證直線度，播種作業(yè)前需人為畫線輔助農(nóng)機具的直線行駛，由此作業(yè)費時費力且直線度較差。目前通過加裝導航系統(tǒng)對傳統(tǒng)農(nóng)機具改裝的方式來取代傳統(tǒng)有人駕駛農(nóng)機具作業(yè)，雖減輕了人員勞動強度，但換行作業(yè)時仍需人為輔助操作且對行精度較差。為了實現(xiàn)小麥的密植播種和華北地區(qū)小麥玉米聯(lián)作的農(nóng)藝要求，能夠?qū)崿F(xiàn)玉米播種的對行免耕作業(yè)，將自動導航技術(shù)和精密播種技術(shù)相結(jié)合是最佳選擇。而基于無人駕駛技術(shù)的小麥播種機的研究較少，所以為了提高小麥產(chǎn)量，滿足小麥精密播種及小麥玉米聯(lián)作的需求，本文設計了基于無人駕駛技術(shù)的小麥密行播種機組。

1 總體方案設計與工作原理

1.1 小麥密植播種農(nóng)藝與要求

華北地區(qū)冬小麥播種行距為7.5 cm，株距在1 ～3 cm，播種深度在3 ～5 cm 時最有利于小麥生長［5］。但考慮到河北地區(qū)小麥玉米種植采用聯(lián)作的方式，完成小麥收割后玉米播種行距為60 cm 的需求，小麥播種機采用“八密一稀”的開溝器排布方式，使得玉米在小麥播種稀行內(nèi)播種，可減少小麥根茬對玉米播種的影響，降低播種部件堵塞的可能性，而且開溝小有利于玉米播種的保墑，實現(xiàn)玉米對行免耕播種的效果。

采用“八密一稀”的小麥密植播種農(nóng)藝對農(nóng)機具作業(yè)有一定要求，為保證精密播種采用的單粒排種器從結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)種子的單粒排種，合理的株距是基于整機作業(yè)速度下排種器合理的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)。整機的直線行駛能力和對行精準性是能否實現(xiàn)“八密一稀”播種方式的關(guān)鍵，組合導航系統(tǒng)為整機作業(yè)過程中提供精準的定位和整機準確的位姿信息，由此整機作業(yè)要求的時速以及直線度能得到保證，而且換行作業(yè)相鄰行程間鄰接行距的精度能夠得到保證，使得“八密一稀”的播種方式得以實現(xiàn)。

1.2 總體結(jié)構(gòu)

無人駕駛小麥密行播種機組主要由無人駕駛電動拖拉機和小麥精密播種機以及液壓懸掛系統(tǒng)組成，如圖1 所示。其中無人駕駛拖拉機的組合導航系統(tǒng)主要包括組合導航接收機、通信模塊、RTK-GNSS接收天線，而全車動力系統(tǒng)由三元鋰電池組、驅(qū)動電機、整機液壓系統(tǒng)、燃油增程器組成，整車的控制由整車控制器和工控機共同完成；電控播種機由種箱、排種器、鎮(zhèn)壓滾、合墑器、開溝盤、步進電機、步進電機驅(qū)動器以及電機控制器組成；播種機與無人駕駛拖拉機采用三點懸掛連接，播種時拖拉機懸掛將播種機放下，由無人駕駛拖拉機牽引作業(yè)。播種機安裝有16 個開溝盤，考慮到玉米播種行距為60 cm，采用“八密一稀”的設計小麥播種機中間行行距為11 cm 其余均7 cm。

圖1 整機簡圖Fig.1 Machine sketch

1.3 工作原理

（1）播種機組工作前，無人駕駛拖拉機需記錄地塊大小與形狀。車輛運行時根據(jù)車后橋上方的GNSS 天線的測位和IMU 測得的姿態(tài)角，經(jīng)工控機運算無人駕駛拖拉機后輪外側(cè)軌跡作為作業(yè)地塊形狀錄入到導航作業(yè)系統(tǒng)中，再輸入作業(yè)要求后生成地圖并自動規(guī)劃機組作業(yè)路徑。（2）當整車需前進時，整車控制系統(tǒng)給予驅(qū)動電機控制器信號后，驅(qū)動電機驅(qū)使整車前進。（3）當整機需要轉(zhuǎn)向、制動以及懸掛的舉升動作時由整車控制器分別控制各比例閥使轉(zhuǎn)向液壓缸、制動缸、舉升油缸來實現(xiàn)動作。（4）開始作業(yè)時，液壓懸掛將播種機落下并牽引其前進，電控播種機依據(jù)整機實時行駛速控制小麥播種速度和播種量。（5）當完成單行作業(yè)時液壓懸掛將播種機舉升，同時停止電源對電控播種系統(tǒng)的供電，使得排種器停止工作，由此完成一個作業(yè)循環(huán)。

2 組合導航控制原理

雙天線RTK-GNSS 系統(tǒng)主要包括基站和移動接收機，移動接收機上連有移動站主、副衛(wèi)星接收天線和差分信號天線［6］。4 G 差分模塊接收基站傳輸?shù)亩ㄎ徽`差，RTK-GNSS 系統(tǒng)通過北斗衛(wèi)星定位整機實時位置與傳輸信號差分處理，獲得整機行駛速度以及實現(xiàn)厘米級準確定位，而IMU 慣性測量單元通過計算車體的姿態(tài)和方位角預測整機當前位置，并通過導航系統(tǒng)與衛(wèi)星定位的位置進行比較并修正。如圖2 期望轉(zhuǎn)角解算方式所示，導航計算機依據(jù)當前車輛信息和規(guī)劃路徑采用純追蹤算法［7］最終解算出車輪期望轉(zhuǎn)角。

圖2 期望轉(zhuǎn)角解算方式Fig.2 Expected steering angle calculation method

確定好的前輪期望轉(zhuǎn)向角度信號通過串口傳送到VCU（整車控制器），而整車控制單元依據(jù)接收到的期望轉(zhuǎn)向角和前輪霍爾角度傳感器實時測量到的角度信號計算出轉(zhuǎn)向控制量，然后經(jīng)由輸出控制模塊將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成實際電壓信號發(fā)送給三位四通電磁比例換向閥［8］，進而控制轉(zhuǎn)向液壓缸的移動，由此得以實現(xiàn)機組的自動轉(zhuǎn)向，使整機能夠按規(guī)劃路徑完成行走。

3 關(guān)鍵零部件設計

3.1 小麥密植播種機結(jié)構(gòu)設計

由于河北地區(qū)的小麥玉米種植方式為一年兩熟，考慮到小麥收獲后玉米的免耕播種作業(yè)，如圖3 為小麥播種機開溝器的方式排布，開溝器按“八密一稀”的方式排布，由此最小行距為7 cm，最大行距為 11 cm，行距之和為玉米播種行距60 cm，使得玉米播種時播種行內(nèi)無小麥根茬影響，減少玉米免耕播種機作業(yè)部件堵塞的狀況。

圖3 “八密一稀”開溝盤排布方式Figure 3 The arrangement mode of groove plate for Eight thick and one thin

如圖4 所示，電控播種機工作時，組合導航系統(tǒng)將車速信號通過總線輸入到電機控制器中，電機控制器對信號進行處理后，控制步進電機達到相應轉(zhuǎn)速，帶動排種軸轉(zhuǎn)動實現(xiàn)排種器排種，相較于傳統(tǒng)播種機取消了地輪傳動的結(jié)構(gòu)，避免了地輪打滑對播種精度的影響，并且結(jié)合行駛速度調(diào)節(jié)播種盤轉(zhuǎn)速保證播種株距的準確性。當完成播種作業(yè)時，VCU 控制舉升繼電器、電控播種機供電繼電器實現(xiàn)液壓懸掛對播種機的舉升以及排種器的轉(zhuǎn)動停止。

圖4 電控播種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖Fig 4 Electronic control seeding system structure diagram

小麥排種器采用的排種盤直徑為15 cm，充種槽個數(shù)45 個且從結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)單粒播種，播種株距為2 cm［9］，排種盤線速度與作業(yè)行駛速度關(guān)系如下：

式中：vp—排種盤線速度（m/s）；

D—排種盤直徑（m）；

δ—地輪滑移率，由于未采用地輪取值為0；

n—排種盤轉(zhuǎn)速（r/s）；

v—整機行駛速度（m/s）；

q—穴粒數(shù)，排種器單粒排種取1；

Z—充種槽個數(shù)；

t—株距（m）；

3.2 功耗計算與動力系統(tǒng)匹配

3.2.1 驅(qū)動電機匹配設計 驅(qū)動電機的輸出功率應滿足整機工作過程中的所有消耗，其中包括牽引功率、滾動阻力損失功率、傳動系統(tǒng)損失功率。則驅(qū)動電機的有效功率關(guān)系如下：

式中：p—驅(qū)動電機有效功率（kW）；

pT—牽引功率（kW）；

pf—滾動阻力損失功率（kW）；

pc—傳動系統(tǒng)損失功率（kW）；

拖拉機行駛受力如圖5 所示，牽引力FT表示拖拉機牽引農(nóng)機具的能力［10］，而功率儲備一般不低于1.2 倍實際功率需求［11］：

圖5 拖拉機行駛受力簡圖Fig.5 Sketch of tractor driving force

式中：FT—拖拉機牽引力（N）；

Fq—切線驅(qū)動力（N），工作時切線驅(qū)動力應不大于拖拉機附著力，即Fq≤Fφ，計算采用附著力Fφ取代；

Ff—滾動阻力（N）；

f—滾動阻力系數(shù)，參考農(nóng)機設計手冊值0.17；

Gs—拖拉機使用重量（N）；

Ms—拖拉機使用質(zhì)量（kg），取550 kg；

g—重力加速度，取值9.8 m/s2；

β—功率儲備系數(shù)，取1.2；

采用的雙圓盤開溝器直徑為300 mm，當入土深度在4 ～8 cm 時平均阻力為80 ～160 N［12］，拖拉機附著力計算公式為［10］：

式中：φ—附著系數(shù)，已耕地取值0.5；

Gφ—拖拉機附著重量（N）；

G—懸掛農(nóng)具重量（N），取值1 960 N；

l—拖拉機前后輪輪距（m）；

a—拖拉機重心與驅(qū)動軸的距離（m）；

b—拖拉機驅(qū)動軸與農(nóng)具重心的距離（m）；

rD—拖拉機驅(qū)動輪半徑（m）；

Fz—懸掛農(nóng)具工作阻力垂直分力（N）；

Fa—雙圓盤開溝器工作阻力（N），取值120 N；

市場行情的好壞決定著生豬價格的高低，直接關(guān)系到規(guī)模養(yǎng)豬場的經(jīng)濟效益。精明的養(yǎng)殖戶，要隨時把握好這個關(guān)鍵。行情好時，加大投入，盡快生產(chǎn)出高質(zhì)量的產(chǎn)品，及時擴大銷量，減少庫存量。行情不好時，及時調(diào)整優(yōu)化豬群結(jié)構(gòu)，縮小育肥豬群，增加優(yōu)良繁殖豬的頭數(shù)，等待養(yǎng)殖周期回轉(zhuǎn)，以備東山再起。但是，一些缺乏遠見的養(yǎng)殖戶，則是反其道而行之。行情好時，一味擴大養(yǎng)殖規(guī)模，惜售產(chǎn)品；行情不好時，不惜血本全部拋售存欄，轉(zhuǎn)產(chǎn)轉(zhuǎn)業(yè)。從而造成了很大的經(jīng)濟損失。

θ—開溝阻力與垂直分力夾角；

h—開溝深度（m），開溝深度取0.05 m；

rd—開溝盤半徑（m），采用開溝盤半徑0.150 m；

η—動力傳遞效率，齒輪減速器傳遞取0.9；

根據(jù)上式公式計算得出電機輸出功率約為9.53 kW，因此選擇額定功率為10 kW 的三相交流變頻電機作為驅(qū)動電機。

3.2.2 電能匹配與續(xù)航能力設計 在確定電機選型后，考慮到整機的作業(yè)續(xù)航能力需合理匹配電池包。電池容量需滿足放電功率和續(xù)航時間的要求，電池容量與放電功率的關(guān)系如下［13］：

式中：k—放電倍率，取值1.5；

p0—整機電器消耗功率（kW），取值0.7 kW；

由上式計算可得80 V 電壓的電池容量大于72 A·h，考慮到作業(yè)需求以及整機內(nèi)部尺寸選擇電池包總?cè)萘繛?50 A·h，整機工作續(xù)航時間約可達 2.08 h。綜合各類電池性能，選擇了能量密度較高且穩(wěn)定性好的三元聚合物鋰電池［14］。動力電池組與驅(qū)動電機的主要技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

表1 動力電池組與驅(qū)動電機技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical parameters of power battery pack and drive

4 樣機試驗

4.1 試驗過程

試驗于2020 年10 月13 日在河北省辛集市馬莊鄉(xiāng)保高豐農(nóng)場進行。首先需要將作業(yè)區(qū)塊形狀大小錄入到導航系統(tǒng)中，采用的千尋基站定位信號經(jīng)差分后通過通信模塊發(fā)送給車載組合導航接收機，由此獲得整機的精準定位信息，使作業(yè)區(qū)塊形狀及面積和大小錄入到導航系統(tǒng)中。在輸入播種機作業(yè)幅寬以及相關(guān)作業(yè)參數(shù)后，工控機規(guī)劃出合理的作業(yè)路徑，作業(yè)路徑如圖6 所示。

圖6 無人駕駛作業(yè)路徑Fig.6 Driverless operation path

在完成路徑的規(guī)劃和作業(yè)參數(shù)的設置后，無人駕駛拖拉機位于路徑起始點開始工作，液壓懸掛將播種機放下，與此同時供電繼電器閉合，低壓電源為電控播種系統(tǒng)供電，整機開始播種作業(yè)，作業(yè)情況如圖7 所示。

圖7 播種作業(yè)情況Fig7. Sowing operation

4.2 試驗結(jié)果分析

（1）直線度試驗分析

直線度是用于評估直行作業(yè)精度的指標，這是評估基于導航信息的無人作業(yè)機械和系統(tǒng)的控制性能的重要指標［15］。因此，在規(guī)劃好路徑后無人駕駛拖拉機以5 km/h 的速度開始作業(yè)，以拖拉機作業(yè)起始點為基準，選取其中一個工作行程中的單一播種行作為測量對象，測量其到行駛邊界的距離以此為參照，并以相同方式每隔1 m 的距離作為測量點，測量50 m 的作業(yè)長度比較各測量點數(shù)據(jù)與參照數(shù)值的偏差作為作業(yè)橫向偏差。橫向偏差幅度與作業(yè)效果如圖8 所示，橫向的最大偏差為2.1 cm，平均偏差為0.1 cm，標準偏差為0.79 cm。結(jié)果表明基于導航控制系統(tǒng)的無人駕駛拖拉機具有較好的直線追蹤能力。

圖8 無人駕駛拖拉機橫向偏差Fig8. Unmanned tractor lateral deviation

（2）精準度試驗分析

考慮到“八密一稀”的作業(yè)要求，換行作業(yè)相鄰行程間鄰接行距應為11 cm，現(xiàn)測量了無人駕駛拖拉機播種作業(yè)時入行和出行時鄰近幅寬相鄰的行距，測得播種機入土作業(yè)與完成一行作業(yè)時，相鄰行程間鄰接行距最大行距為12.6 cm，最小行距為 9.6 cm，最大偏差為1.5 cm，平均偏差為0.48 cm，能夠滿足“八密一稀”的作業(yè)要求。

5 結(jié)論

（1）根據(jù)小麥密植播種和小麥玉米聯(lián)作農(nóng)藝要求，研發(fā)了無人駕駛小麥密植播種機系統(tǒng)。無人駕駛拖拉機采用組合導航系統(tǒng)和工控機以及整車控制器作為全車的控制系統(tǒng)，同時基于整機功耗和動力需求選配10 kW 三相交流變頻電機、150 A·h 三元鋰電池作為整機的動力系統(tǒng)組成。

（2）將組合導航系統(tǒng)測得的整機行駛速度作為輸入信號，通過排種器轉(zhuǎn)速n與整車行駛速度v之間的關(guān)系，計算出步進電機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)了電控播種作業(yè)。播種機開溝盤采用“八密一稀”的布置方式為小麥收獲后玉米播種提供良好的播種環(huán)境。

（3）經(jīng)試驗可以得到當整機以5 km/h 的速度作業(yè)時，整機的橫向最大偏差為2.1 cm，而平均偏差為0.1 cm，具有較好的直線行駛能力，換行作業(yè)相鄰行程間鄰接行距最大為12.6 cm，平均偏差為0.48 cm，能夠滿足換行作業(yè)時整機作業(yè)相鄰幅寬行間距11 cm 的作業(yè)需求。