淺談大功率輪式拖拉機自動輔助駕駛的應(yīng)用與常見故障分析

常向陽 羅靜靜 段松松 原志華

摘 要：國內(nèi)自動輔助駕駛拖拉機是利用北斗導(dǎo)航和自動化技術(shù)，通過高精度導(dǎo)航終端與液壓控制、傳感技術(shù)和電子控制等結(jié)合，實現(xiàn)拖拉機的自動輔助駕駛，可應(yīng)用于耕地、開溝、起壟、播種、噴灑、收割等多個作業(yè)場景，有效地提升了農(nóng)田作業(yè)的作業(yè)效率和質(zhì)量，降低了駕駛員勞動強度。

關(guān)鍵詞：輪式拖拉機;自動輔助駕駛;常見故障分析

引言

近年來隨著城鎮(zhèn)化的發(fā)展，農(nóng)村勞動人口不斷減少，農(nóng)村土地規(guī)?；C械化、自動化作業(yè)將成為可能，因此在中國發(fā)展精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)對未來我國農(nóng)業(yè)的發(fā)展具有很重要的現(xiàn)實意義和價值。智能農(nóng)機的發(fā)展，也是我國精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的又一次突破，自動輔助駕駛系統(tǒng)與智能農(nóng)機管理等先進農(nóng)機技術(shù)集成的應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度作業(yè)、高效系統(tǒng)規(guī)劃調(diào)度，有效降低人工勞動強度和管理費用，提升生產(chǎn)效率。

中國大功率輪式拖拉機采用北斗導(dǎo)航農(nóng)機自動輔助駕駛系統(tǒng)，將北斗GNSS衛(wèi)星高精度定位技術(shù)與車輛自動輔助駕駛技術(shù)相結(jié)合，通過精確測量車輛的位置、航向和姿態(tài)，自動控制車輛轉(zhuǎn)向角度，引導(dǎo)車輛根據(jù)事先設(shè)定直線、圓周、或者任意路線行駛。

1 國內(nèi)拖拉機自動輔助駕駛系統(tǒng)

目前國內(nèi)拖拉機安裝的自動輔助駕駛系統(tǒng)，可以在作業(yè)時有效地降低駕駛員的勞動強度，可用于耕地、開溝、起壟、播種、噴灑、收割等各種農(nóng)田作業(yè)的全過程，尤其適用于對直線度及結(jié)合線要求較高的作業(yè)。國內(nèi)自動駕駛實現(xiàn)策略主推兩種：液壓閥自動駕駛系統(tǒng)和電動方向盤自動轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)。二者都是通過控制拖拉機轉(zhuǎn)向系統(tǒng)實現(xiàn)路線控制，從而達到輔助自動駕駛的目的，作業(yè)精度均能達到±2.5cm，但是在具體方案策略及關(guān)重元件布置方式上存在較大的差異。作為自動輔助駕駛系統(tǒng)，二者都不能達到無人作業(yè)狀態(tài)，駕駛員仍需要留在駕駛室內(nèi)并觀察拖拉機前方路況，隨時準(zhǔn)備接管整機避免發(fā)生危險。

1.1液壓閥自動輔助駕駛系統(tǒng)

液壓閥自動輔助駕駛系統(tǒng)主要元件有GNSS天線、差分基站、角度傳感器、液壓閥、自動駕駛控制器（ECU）、顯示器、線路和管路組成。GNSS天線通常裝配在駕駛室頂部，用以接收衛(wèi)星信號，配合基準(zhǔn)站位置或移動網(wǎng)絡(luò)信號，利用RTK（Real-time Kinematic）差分信號原理，實現(xiàn)厘米級定位精度;角度傳感器，通常安裝在前橋左右轉(zhuǎn)向節(jié)處，實時監(jiān)測前輪轉(zhuǎn)向角度信息并轉(zhuǎn)換成電信號傳送給自動駕駛控制器;自動駕駛控制器（ECU），則一般安裝在駕駛室內(nèi)，接收天線、角度傳感器及顯示器的信息，掌握拖拉機的位置、角度及參數(shù)設(shè)定等信息后進行綜合判斷，并向液壓閥發(fā)送指令;液壓閥通過并聯(lián)至拖拉機原轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，根據(jù)自動駕駛控制器發(fā)出的指令控制轉(zhuǎn)向油的流量和流向，并驅(qū)動拖拉機前輪自動轉(zhuǎn)向;顯示器作為操作界面，一般安裝在駕駛室內(nèi)便于操作和觀看的位置，顯示器主界面會顯示RTK信號、車速、作業(yè)面積、航向角、偏差、作業(yè)行等必要信息，可通過相應(yīng)按鈕對整機進行調(diào)試、設(shè)置及故障查詢等，方便駕駛員調(diào)整作業(yè)模式和控制自動輔助駕駛狀態(tài)。

1.2 電動方向盤自動轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)

電動方向盤自動轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)主要元件有GNSS天線、自動駕駛控制器（ECU）、電動方向盤、顯示器及線路組成，也可選裝角度傳感器。與液壓轉(zhuǎn)向閥策略不同的是，該策略是用電動方向盤取代拖拉機原車方向盤安裝在轉(zhuǎn)向立柱上，通過與自動駕駛控制器（ECU）相配合，電機帶動方向盤模擬人工駕駛執(zhí)行轉(zhuǎn)向策略，從而驅(qū)動拖拉機轉(zhuǎn)向輪自動轉(zhuǎn)向。電動方向盤方案無需改動轉(zhuǎn)向油路，實現(xiàn)方式更為簡便。

1.3裝配方案

拖拉機自動輔助駕駛系統(tǒng)的裝配目前分為前裝和后裝兩種方案。前裝指拖拉機出廠時已裝好自動輔助駕駛系統(tǒng)，后裝指拖拉機出廠銷售后用戶根據(jù)需要加裝。前裝屬于主機廠批量生產(chǎn)裝配，相比后裝具有以下優(yōu)勢：

（1）定制化系統(tǒng)改造，對于液壓閥式自動輔助駕駛結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)油路更加封閉，液壓清潔度更高，有效避免后裝頻繁出現(xiàn)的液壓閥卡閥現(xiàn)象和精度下降現(xiàn)象;

（2）前裝系統(tǒng)的液壓管路、電器線路、傳感器、顯示器等液壓及電子部件裝配一致性好，管線布置及裝配規(guī)范，出廠質(zhì)量有保障

（3）前裝整機出廠前會針對自動輔助駕駛系統(tǒng)進行嚴(yán)格的專項調(diào)試，用戶只需設(shè)置農(nóng)具參數(shù)信息及簡單調(diào)試即可使用，產(chǎn)品一致性強，可靠性好，故障率低于后裝，便于維修。

2自動駕駛系統(tǒng)常見故障分析

2.1顯示器、自動駕駛控制器（ECU）無法開機或重啟。

（1）檢查顯示器和ECU的保險是否熔斷，線纜接頭和蓄電池樁是否松動;

（2）檢查蓄電池是否虧電、老化或者容量下降;

（3）顯示器亮度是不是調(diào)到最暗。

2.2 長時間不能RTK（實時動態(tài)載波相位差分技術(shù)）固定解。

（1）檢查便攜式基準(zhǔn)站是否在工作狀態(tài)，基準(zhǔn)站架設(shè)要保持周圍空曠周圍無遮擋處;

（2）檢查基站線纜、電臺天線是否有損壞，接頭螺紋連接否可靠;

（3）系統(tǒng)是否受到干擾，如高壓線、視頻監(jiān)控、深松監(jiān)測、LED大燈、電風(fēng)扇、儀表盤、臨近頻段電臺都有可能成為干擾源;

（5）若使用網(wǎng)絡(luò)基站或CORS站，需要檢查網(wǎng)絡(luò)連接是否正常;

（6）RTK基站固件保持最新版本。

2.3無法自動駕駛或自動駕駛路徑不直。

關(guān)鍵部件的裝配及檢查：

（1）檢查拖拉機前橋的油缸底座及各連接桿球頭是否有松動現(xiàn)象;

（2）檢查角度傳感器是否損壞、安裝是否牢靠，中軸能否平順彈回;

（3）自動駕駛控制器是否水平安裝，固定螺釘是否有松動或共振現(xiàn)象;

（4）檢查轉(zhuǎn)向系統(tǒng)油路是否有漏油、堵塞或卡頓現(xiàn)象，重點排查轉(zhuǎn)向機油封是否存在漏油現(xiàn)象、轉(zhuǎn)向泵壓力是否合理、手動大方向是否輕盈;

（5）檢查拖拉機前束是否合理（<1cm），兩邊車輪角度誤差過大會直接影響直線度;

（6）蓄電池或發(fā)電機故障也會引起電壓不穩(wěn)，影響自動駕駛精度;

（7）檢查線路連接正確可靠，無松動、短路等問題;

（7）拖拉機前前后配重使用是否合理，排查作業(yè)地面換向，排除暗坑影響;

（8）電動方向盤結(jié)構(gòu)，需檢查打方向是否輕盈，確保電動方向盤安裝可靠，避免出現(xiàn)晃動影響控制精度。

自動駕駛參數(shù)設(shè)置檢查：

（1）檢查信號類型須為RTK，差分齡期<3s，定位精度誤差<3cm，差分齡期過大可能是信號微弱或受到干擾，精度誤差太大可能是基站周圍遮檔比較嚴(yán)重或車輛距離基站過遠所致;

（2）檢查車輛參數(shù)，包括ECU、天線安裝及位置參數(shù)設(shè)置是否正確，確保天線搜星及航向正常;

（3）WAS設(shè)置不合理，車輪向左、向右轉(zhuǎn)向20°時，左右WAS值要對稱，過大或過小都會對精度有著較大的影響，可按照使用說明對WAS進行校準(zhǔn)。

2.4交接行問題。

（1）農(nóng)具寬度參數(shù)是否設(shè)置正確，一般農(nóng)具寬度為農(nóng)具實際寬度加交接行寬度;

（2）檢查ECU安裝是否牢靠，有無共振;注意ECU開機后要進行初始校準(zhǔn)，要求在水平路面，拖拉機不移動的狀態(tài)下靜止1分鐘以上;

（3）橫滾側(cè)傾校準(zhǔn)。建立一個AB線后點擊自動駕駛使車輛行駛于AB線上，待精度誤差小于1cm后停車做好標(biāo)記，將車輛掉頭于AB線上繼續(xù)自動駕駛，行駛至標(biāo)記點后測量偏差值（偏差值應(yīng)<2cm）。

3結(jié)束語

拖拉機自動駕駛的研究與應(yīng)用有效地帶動了精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展，解決了傳統(tǒng)拖拉機作業(yè)精度低的問題，降低了駕駛員勞動強度，延長了有效作業(yè)時間，提升了作業(yè)質(zhì)量和效率。但在實際使用過程，國內(nèi)拖拉機自動輔助駕駛系統(tǒng)的市場仍處于起步階段，如何在全國大范圍的進行推廣應(yīng)用，除了要解決和適應(yīng)國內(nèi)各種復(fù)雜地域、地形及農(nóng)作物的差異化等客觀情況外，故障分析及排除也是影響推廣的重要因素，未來，隨著國家及各地方對精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)及智能制造的推廣，拖拉機自動輔助駕駛系統(tǒng)將會迎來更快的發(fā)展。

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