無(wú)人農(nóng)場(chǎng)的插秧機(jī)智能化無(wú)人化改造方法與實(shí)際應(yīng)用

游 政，許松林，陳慧娟

（1.江蘇北斗農(nóng)機(jī)科技有限公司，江蘇南京 210032；2.南京洛普科技有限公司，江蘇南京 210032）

0 引言

2022年，江蘇省出臺(tái)《“十四五”農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展規(guī)劃》《“十四五”數(shù)字農(nóng)業(yè)農(nóng)村發(fā)展規(guī)劃》，提出推進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化與信息化深度融合，加強(qiáng)北斗導(dǎo)航、自動(dòng)駕駛、無(wú)人機(jī)、農(nóng)機(jī)傳感器等技術(shù)在農(nóng)機(jī)裝備中的應(yīng)用，推動(dòng)傳統(tǒng)農(nóng)機(jī)裝備智能化改造。未來(lái)幾年，江蘇“無(wú)人化”農(nóng)場(chǎng)發(fā)展將進(jìn)入快車道[1]。為此，針對(duì)“無(wú)人化”的相關(guān)技術(shù)不斷涌現(xiàn)，以高精度北斗衛(wèi)星定位技術(shù)為基礎(chǔ)，農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)采集、加工、決策為核心，綜合利用智能控制、智能數(shù)據(jù)采集、地理信息等技術(shù)結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率提升為目的，達(dá)到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全流程（耕、種、管、收）的數(shù)字化、精準(zhǔn)化、智能化、無(wú)人化，最終實(shí)現(xiàn)構(gòu)建“綠色”“經(jīng)濟(jì)”“高效”“豐產(chǎn)”智慧無(wú)人農(nóng)場(chǎng)新模式。

無(wú)人農(nóng)場(chǎng)對(duì)農(nóng)機(jī)智能化無(wú)人化的改造需求。無(wú)人駕駛技術(shù)是集傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、機(jī)械控制技術(shù)以及定位技術(shù)等多個(gè)技術(shù)一體的綜合性技術(shù)。無(wú)人駕駛系統(tǒng)通過(guò)4G/5G網(wǎng)絡(luò)把作業(yè)信息上傳到云端服務(wù)器，操作人員可以在手持遙控器、遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)或者手機(jī)遙控app上根據(jù)接收到的作業(yè)信息下達(dá)相應(yīng)的指令，下達(dá)的指令通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和云端服務(wù)器，下傳給車載顯示屏，車載顯示屏通過(guò)控制器控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，從而達(dá)到車輛無(wú)人駕駛的目的[2]。結(jié)合無(wú)人農(nóng)建設(shè)過(guò)程中的整體設(shè)計(jì)要求，我們將農(nóng)機(jī)智能化無(wú)人化的改造需求分解，并列出了以下4個(gè)重要的問(wèn)題方向。

1 農(nóng)機(jī)底盤“無(wú)人化”改造

農(nóng)機(jī)底盤，指農(nóng)機(jī)機(jī)手操作層面所能控制的所有農(nóng)機(jī)部件的統(tǒng)稱，例如，點(diǎn)火部件，轉(zhuǎn)向部件，行駛操作部件，作業(yè)控制部件等都屬于“農(nóng)機(jī)底盤”的范疇。農(nóng)機(jī)底盤無(wú)人化改造的目的主要是通過(guò)在關(guān)鍵位置使用加裝部件或改造部件或電控介入部件等手段，使其能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)操作、自動(dòng)控制、自動(dòng)導(dǎo)航等功能。以無(wú)人駕駛插秧機(jī)為例，涉及的改造部件及改造目標(biāo)主要包括表1顯示的部分。

2 手動(dòng)與自動(dòng)操作兼容

插秧機(jī)因?yàn)樽詣?dòng)控制部件的引入，不可避免地會(huì)引入一系列農(nóng)機(jī)底盤自動(dòng)控制系統(tǒng)控制部件動(dòng)作流程與原有機(jī)手手動(dòng)控制部件動(dòng)作流程的變化，有一些變化甚至有可能會(huì)與原有部件動(dòng)作流程沖突，如何有效地消除自動(dòng)控制操作與手動(dòng)控制操作的沖突，是農(nóng)機(jī)底盤“無(wú)人化”改造的關(guān)鍵。在插秧機(jī)的改造過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)的比較突出的控制沖突主要表現(xiàn)在：

1）點(diǎn)火控制操作沖突。當(dāng)鑰匙實(shí)際位置與自動(dòng)控制模擬鑰匙位置不一致時(shí)，將發(fā)生點(diǎn)火控制沖突，該沖突會(huì)引入二義性問(wèn)題，例如鑰匙在ON擋而自動(dòng)控制模擬鑰匙在點(diǎn)火位置。必須合理的通過(guò)狀態(tài)定義來(lái)避免該二義性問(wèn)題，消除機(jī)手在操作無(wú)人農(nóng)機(jī)時(shí)的困惑。

2）換擋控制操作沖突。當(dāng)行駛擋位位置與自動(dòng)控制模擬的行駛擋位位置不一致時(shí)，將發(fā)生行駛擋位位置沖突，該沖突在引入二義性問(wèn)題的同時(shí)，還可能會(huì)導(dǎo)致機(jī)械安全保護(hù)裝置的沖突，例如行駛擋位推桿位于倒車擋時(shí)將會(huì)聯(lián)動(dòng)秧臺(tái)插植部抬升以保護(hù)秧臺(tái)，如果此時(shí)自動(dòng)控制模擬擋位位置在行駛，可能會(huì)造成機(jī)械保護(hù)裝置沖突，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)部件損毀。所以解決操作過(guò)程中的機(jī)械部件的聯(lián)動(dòng)及自動(dòng)控制沖突是保障改造后的無(wú)人農(nóng)機(jī)可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。

3）秧臺(tái)控制操作沖突。當(dāng)秧臺(tái)控制操作的擋位位置與自動(dòng)控制模擬的秧臺(tái)控制擋位位置不一致時(shí)，將發(fā)生秧臺(tái)擋位位置沖突，該沖突會(huì)引入二義性問(wèn)題，例如秧臺(tái)控制操作桿在停止位置時(shí)，自動(dòng)控制可能模擬操作秧臺(tái)在插值位置。秧臺(tái)控制操作沖突相較于換擋控制操作沖突危險(xiǎn)程度要低，但是如何消除該二義性問(wèn)題，需要對(duì)秧臺(tái)控制的狀態(tài)進(jìn)行合理的定義，以消除機(jī)手進(jìn)行無(wú)人駕駛操作時(shí)的困惑。

3 改造后的操作邏輯

改造后的操作邏輯不變這一需求相對(duì)于其他需求比較容易分析和理解。經(jīng)過(guò)無(wú)人化改造后的插秧機(jī)，必須與原車原有操作功能保持一致。例如，鑰匙點(diǎn)火的相應(yīng)位置必須保持原有功能，ON為上電，點(diǎn)火為點(diǎn)火，不得發(fā)生改變。擋位推桿的相應(yīng)位置也必須與原有功能一致，手動(dòng)操作推動(dòng)至插植擋時(shí)，農(nóng)機(jī)進(jìn)入插植擋位的低速行駛模式。秧臺(tái)控制推桿的相應(yīng)位置必須與原有功能保持一致，手動(dòng)操作推動(dòng)至抬升時(shí)，秧臺(tái)抬升，并在抬升至最高位置時(shí)自動(dòng)回退至保持位置。總之，經(jīng)過(guò)改造后的插秧機(jī)不能破壞或改變?cè)囅鄳?yīng)部件操作邏輯的功能定義。

4 人機(jī)交互系統(tǒng)

插秧機(jī)經(jīng)過(guò)改造后需要提供良好的人機(jī)交互操作系統(tǒng)，該操作系統(tǒng)分為2個(gè)主要界面部分：安裝人員操作系統(tǒng)，機(jī)手使用操作系統(tǒng)。

安裝人員操作系統(tǒng)，需要提供給安裝人員整套無(wú)人駕駛系統(tǒng)的相關(guān)系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)定功能，例如，核心配置參數(shù)設(shè)定，服務(wù)器通信參數(shù)設(shè)定，高精度位置服務(wù)參數(shù)設(shè)定，農(nóng)機(jī)尺寸參數(shù)設(shè)定等。該人機(jī)交互操作界面將降低系統(tǒng)的安裝與自動(dòng)控制系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定的難度，為農(nóng)機(jī)無(wú)人化改造實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用奠定基礎(chǔ)。

機(jī)手使用操作系統(tǒng)，需要提供給機(jī)手使用的無(wú)人駕駛系統(tǒng)操作界面，界面需要提供良好的人機(jī)交互體驗(yàn)，以及低難度學(xué)習(xí)曲線。核心功能包括：地塊標(biāo)記，路徑規(guī)劃，自動(dòng)導(dǎo)航，農(nóng)機(jī)遠(yuǎn)程操作，狀態(tài)通知等。

農(nóng)機(jī)智能化無(wú)人化改造方法包括：

1）點(diǎn)火控制改造。目標(biāo)插秧機(jī)的鑰匙部件主要控制著主12 V供電線路與目標(biāo)功能線路的選通功能，鑰匙部件實(shí)現(xiàn)的功能如圖1。

圖1 原車鑰匙部件示意圖

點(diǎn)火控制的改造使用整體介入的方法，將原車線路使用常閉型繼電器接入，鑰匙部件可通過(guò)底盤控制器進(jìn)行選路，當(dāng)控制器未上電或未正常介入時(shí)，鑰匙操作與原有操作的流程一致。當(dāng)控制器介入后，鑰匙部件的操作將接入至底盤控制器，由底盤控制器判斷鑰匙位置，并進(jìn)行相應(yīng)的繼電器吸合模擬鑰匙擋位。為解決點(diǎn)火控制操作沖突，無(wú)人駕駛系統(tǒng)會(huì)對(duì)點(diǎn)火鑰匙位置進(jìn)行檢測(cè)，只有鑰匙在ON擋位置時(shí)才能開啟自動(dòng)無(wú)人駕駛模式，并在開啟自動(dòng)無(wú)人駕駛模式后通過(guò)繼電器斷開鑰匙與原車線路連接的方式，接管鑰匙的選通功能，使得整個(gè)鑰匙的位置與車輛的實(shí)際狀態(tài)相匹配，改造后的功能結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 改造后的點(diǎn)火線路示意圖

5 行走控制改造

行走控制改造涉及目標(biāo)插秧機(jī)主要部件有：轉(zhuǎn)向控制，油門控制，換擋控制。

轉(zhuǎn)向控制通過(guò)在方向盤轉(zhuǎn)向柱上加裝伺服電機(jī)，通過(guò)伺服電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)向的控制。伺服電機(jī)具有轉(zhuǎn)動(dòng)精度高，速度快的優(yōu)點(diǎn)。并且伺服電機(jī)還支持位置，速度和力矩的閉環(huán)控制模式，非常適合于對(duì)轉(zhuǎn)向進(jìn)行精確自動(dòng)控制的場(chǎng)景，改造的具體形式如圖3所示。

圖3 用于轉(zhuǎn)向控制的伺服電機(jī)示意

油門控制采用加裝電動(dòng)推桿與活動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，該結(jié)構(gòu)在自動(dòng)駕駛狀態(tài)時(shí)通過(guò)伸縮動(dòng)作模擬油門的踩與抬，并在自動(dòng)駕駛狀態(tài)解除后自動(dòng)縮回，結(jié)合活動(dòng)機(jī)構(gòu)的自由行程，實(shí)現(xiàn)避免對(duì)正常油門踩抬行程的干擾，最終實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制與人力控制油門的兼容性改造。具體結(jié)構(gòu)形式如圖4所示。

圖4 油門控制結(jié)構(gòu)示意

換擋控制采用的方法是，脫開原車控制桿與變速機(jī)構(gòu)的剛性連接，并在原有控制桿處增加位移傳感器，在變速機(jī)構(gòu)關(guān)鍵動(dòng)作處加裝電動(dòng)推桿。通過(guò)位于換擋機(jī)構(gòu)的位移傳感器與推桿動(dòng)作機(jī)構(gòu)的位置傳感器聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制與自動(dòng)控制互不干涉，且都能控制換擋的目的（圖5）。

圖5 換擋控制結(jié)構(gòu)

6 作業(yè)控制改造

作業(yè)控制類似于換擋控制，但是作業(yè)控制有2個(gè)明顯的區(qū)別。首先，需要解決作業(yè)擋位與行走的匹配，其次，需要在提升至最高位置后自動(dòng)回退至“中立”擋位。為解決這2個(gè)問(wèn)題，我們加裝了2個(gè)絕對(duì)位置傳感器，以及在秧臺(tái)最高位置增加一個(gè)限位開關(guān)。并且通過(guò)其中1號(hào)位置傳感器增加了一組絕對(duì)位置定義，L1、L2、L3、L4，分表代表“上升”“中立” “下降”“插植”。當(dāng)位置傳感器檢測(cè)到L1位置時(shí)控制推桿使插植部上升，檢測(cè)到L2位置時(shí)控制推桿使插植部固定在一定的高度上，檢測(cè)到L3位置時(shí)控制推桿使插植部下降，檢測(cè)到L4位置時(shí)控制推桿使插植部聯(lián)動(dòng)插秧動(dòng)作。2號(hào)位置傳感器與插植升降手柄綁定，并同時(shí)與1號(hào)位置傳感器的L1、L2、L3、L4位置進(jìn)行綁定。最終實(shí)現(xiàn)在手動(dòng)控制時(shí)讀取2號(hào)位置傳感器位置進(jìn)行推桿同步控制實(shí)現(xiàn)手動(dòng)秧臺(tái)升降控制；在自動(dòng)控制時(shí)，通過(guò)控制推桿位移至L1、L2、L3、L4位置實(shí)現(xiàn)秧臺(tái)的升降控制，且通過(guò)最高位置的限位開關(guān)進(jìn)行限位控制保證當(dāng)秧臺(tái)到達(dá)最高位置后，控制推桿回退至L2“中立”擋位（圖6）。

圖6 作業(yè)控制結(jié)構(gòu)

7 無(wú)人駕駛系統(tǒng)

無(wú)人駕駛系統(tǒng)設(shè)計(jì)了易用的人機(jī)交互界面，其中包含面向安裝人員的機(jī)上PAD交互主機(jī)，以及面向最終用戶使用的手機(jī)遠(yuǎn)程控制APP。

安裝人員的機(jī)上PAD人機(jī)交互程序通過(guò)直觀的用戶界面及操作指導(dǎo)，方便的指導(dǎo)安裝人員進(jìn)行控制器的核心參數(shù)標(biāo)定，降低了安裝人員的技術(shù)要求，提高系統(tǒng)的安裝可靠性，部分界面圖7所示。

圖7 機(jī)上PAD人機(jī)交互系統(tǒng)示意圖

機(jī)手使用的手動(dòng)遠(yuǎn)程控制APP的設(shè)計(jì)核心思想在于直觀，操作簡(jiǎn)單，將更多技術(shù)細(xì)節(jié)隱藏，設(shè)計(jì)時(shí)我們將路徑規(guī)劃，地塊標(biāo)定都用更直觀的圖形化操作展示出來(lái)，并不斷與機(jī)手溝通做進(jìn)一步的UI優(yōu)化，最終實(shí)現(xiàn)了不錯(cuò)的無(wú)人農(nóng)機(jī)人機(jī)交互效果（圖8，圖9）。

圖8 手機(jī)APP無(wú)人農(nóng)場(chǎng)作業(yè)地塊展示

圖9 手機(jī)APP無(wú)人農(nóng)機(jī)遠(yuǎn)程控制展示

8 安全保障

農(nóng)機(jī)底盤“無(wú)人化”改造，從車身結(jié)構(gòu)部件與電氣部件上對(duì)原有車輛進(jìn)行了不同程度的改造，對(duì)原車車況及電氣化改造后的安全性考慮至關(guān)重要。改造安全保障主要從3個(gè)方面進(jìn)行了設(shè)計(jì)考慮。首先，所有改造后的電動(dòng)推桿，位置傳感器，位移傳感器等各類用電設(shè)備的默認(rèn)上電狀態(tài)均以原車線路選中為最高優(yōu)先級(jí)，所有用電設(shè)備全部從控制盒集中取電，任何控制盒后端的用電設(shè)備發(fā)生電氣損壞時(shí)均會(huì)有控制盒保險(xiǎn)絲進(jìn)行隔離，保證原車的用電安全。其次，所有加裝的電動(dòng)推桿的最小最大行程設(shè)計(jì)上必須保證在被改造部件的最大行程之內(nèi)，即所有動(dòng)作推桿在物理行程上均不會(huì)超過(guò)改造部件的最大行程限值。最后，在全車電控系統(tǒng)上加裝急停按鈕，當(dāng)發(fā)生遠(yuǎn)程不可控故障時(shí)，可通過(guò)車上急停按鈕緊急關(guān)停系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)改造后的安全保障設(shè)計(jì)能最大程度上保障經(jīng)過(guò)“無(wú)人化”改造后的農(nóng)機(jī)依然安全可靠。

9 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)無(wú)人化改造后的插秧機(jī)，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境完成功能設(shè)計(jì)與驗(yàn)證后，我們繼續(xù)進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)六個(gè)月的實(shí)地測(cè)試。反復(fù)優(yōu)化后，最終成功運(yùn)用到了公司承建的“無(wú)人農(nóng)場(chǎng)”項(xiàng)目中，并在項(xiàng)目中性能表現(xiàn)優(yōu)異，運(yùn)行可靠穩(wěn)定，獲得了客戶的一致好評(píng)。