無人駕駛拖拉機田間耕整地作業(yè)測試

周遵喜，林立杰

（上海市農業(yè)機械鑒定推廣站，上海市 201601）

0 引言

隨著物聯網、大數據、人工智能等新一代信息技術的快速發(fā)展，在實現水稻全程機械化的基礎上，發(fā)展無人化農機裝備、建設糧食生產無人農場是上海近幾年在智能農機領域出現的新需求和新嘗試。而在水稻無人農場多項作業(yè)環(huán)節(jié)中，農機無人駕駛技術則是最重要的技術之一，它可以應用到各類農機裝備上實現無人駕駛耕整地、播種或插秧、植保、收割等作業(yè)。

1 無人駕駛的原理與概念

目前，農機無人駕駛系統(tǒng)主要以高精度北斗衛(wèi)星定位技術為基礎，利用智能控制技術、智能路徑規(guī)劃技術、地理信息技術（GIS）等技術，以實現農機裝備自動規(guī)劃作業(yè)路徑、自動控制行走速度和轉向、自動調整三點懸掛等一系列自動化功能，并配有自動避障、自動停車等安全功能，遠程控制農機裝備下達操作指令作業(yè)，最終實現農機田間作業(yè)無人化。

無人駕駛系統(tǒng)的作用是使農機裝備按照優(yōu)化的作業(yè)路徑工作，減少重復作業(yè)區(qū)和遺漏作業(yè)區(qū)的面積，提高農機田間作業(yè)質量和降低操作人員勞動強度，使駕駛員從單調重復、高強度的勞動中解放出來，在未來5～10年甚至更長的時間里，當勞動力緊缺矛盾更加突出時，無人駕駛系統(tǒng)的優(yōu)勢會更加明顯。

目前，上海無人駕駛拖拉機主要是在現有的拖拉機上加裝無人駕駛系統(tǒng)進行電控化無人化改造，拖拉機上的無人駕駛系統(tǒng)主要由北斗接收天線、車載終端、驅動一體化電機、角度傳感器、無人控制器等部件組成，可實現的功能主要有作業(yè)過程無人化、云端車輛控制、作業(yè)路徑自動規(guī)劃等，最終由拖拉機懸掛農機具實現耕整地的無人化作業(yè)。

2 無人駕駛拖拉機田間耕整地作業(yè)測試

2.1 測試概況

測試時間與地點：2022年3月3～4日；上海市嘉定區(qū)外岡鎮(zhèn)高標準良田。

測試農機具：愛科麥賽福格森S1204-C拖拉機（加裝聯適導航無人駕駛系統(tǒng)），漢美1GKN-230型中間傳動式旋耕機，漢美1LYQ-1230驅動圓盤犁（工作幅寬2.7 m）。

旋耕田塊情況：長寬為320 m×46.4 m，面積1.48 hm2。

犁耕田塊情況：長寬為320 m×38.7 m，面積1.24 hm2。

2.2 測試內容

無人駕駛拖拉機犁耕和旋耕作業(yè)效率、作業(yè)質量、無人化率、作業(yè)故障等。

2.3 測試方法和儀器

使用秒表分段記錄無人駕駛拖拉機作業(yè)時直線行駛時間、轉彎行駛時間、故障時間等；使用皮尺測量無人駕駛拖拉機犁耕和旋耕作業(yè)面積和漏耕區(qū)域面積；使用鋼尺測量耕深。

2.4 測試結果

本次無人駕駛拖拉機犁耕和旋耕作業(yè)前田間實地定位打點時間、路徑規(guī)劃時間、無人駕駛系統(tǒng)調試時間均較短，不計入本次田間作業(yè)測試總時間內。

2.4.1 旋耕作業(yè)

無人化率方面：在實際無人駕駛拖拉機旋耕作業(yè)過程中，田塊四周需要留空不作業(yè)，測試時左側留空2.5 m，右側留空1 m，上方留空7 m，下方留空15.3 m。實際作業(yè)田塊尺寸為42.9 m×297.7 m，實際作業(yè)面積1.28 hm2，其他區(qū)域需要人工駕駛作業(yè)，無人化率為86%（圖1）。

圖1 無人駕駛拖拉機旋耕作業(yè)無人作業(yè)區(qū)域

作業(yè)效率方面：無人駕駛拖拉機旋耕作業(yè)全程用時7 215 s，全程作業(yè)效率為6 373.33 m2/h，剔除故障時間1 243 s，有效作業(yè)效率為7 706.67 m2/h，與常規(guī)人工駕駛拖拉機旋耕作業(yè)6 666.67～10 000 m2/h基本持平，直線平均行走速度1.2 m/s也與人工駕駛速度基本一致（表1）。

表1 無人駕駛拖拉機旋耕作業(yè)時間分布表

表2 無人駕駛拖拉機犁耕作業(yè)時間分布表

作業(yè)故障方面：目前無人駕駛技術成熟度還不夠高，受田塊干濕環(huán)境影響，出現陷車、信號不穩(wěn)定導致作業(yè)中斷，需要人工進行調試解決，故障時間1 243 s，本次作業(yè)測試故障時間占全程用時比例高達17.21%。

作業(yè)質量方面：經多處測量，田間旋耕平均深度為13.4 cm，未發(fā)現漏耕和重耕情形。

2.4.2 犁耕作業(yè)

無人化率方面：在實際無人駕駛拖拉機犁耕作業(yè)過程中，田塊四周需要留空不作業(yè)，測試時左側留空2 m，右側留空1 m，上方留空7 m，下方留空12.5 m。實際作業(yè)田塊尺寸為35.7 m×300.5 m，實際作業(yè)面積1.07 hm2，其他區(qū)域需要人工駕駛作業(yè)，無人化率為86.6%（圖2）。

圖2 無人駕駛拖拉機犁耕作業(yè)無人作業(yè)區(qū)域

作業(yè)效率方面：無人駕駛拖拉機犁耕作業(yè)全程用時4 225 s，全程作業(yè)效率為9 066.67 m2/h，剔除故障時間240 s，有效作業(yè)效率為9 426.67 m2/h，與常規(guī)人工駕駛拖拉機犁耕作業(yè)6 666.67～10 000 m2/h基本持平，直線平均行走速度1.2 m/s，也與人工駕駛速度基本一致。

作業(yè)故障方面：經過無人駕駛拖拉機旋耕作業(yè)后，相關技術人員進行系統(tǒng)調整，疊加作業(yè)田塊作業(yè)環(huán)境較好，故障時間下降至240 s，本次作業(yè)測試故障時間占全程用時比例為5.64%。

作業(yè)質量方面：經多處測量，田間犁耕平均深度為20.1 cm，未發(fā)現漏耕和重耕情形。

3 結論

目前，該套無人駕駛系統(tǒng)應用到拖拉機上犁耕和旋耕作業(yè)已基本成熟，單一田塊全程無人駕駛作業(yè)面積可達85%以上，其作業(yè)效率與人工駕駛作業(yè)差別不大，作業(yè)質量基本滿足上海水稻生產耕整地要求，但無人駕駛拖拉機今后在本市糧食生產無人農場建設中仍然需要進一步試驗示范，相關企業(yè)還需做好技術優(yōu)化改進和培訓工作。

加強無人駕駛系統(tǒng)與本市主流品牌的多種型號拖拉機組合情況下的作業(yè)測試，尤其是懸掛不同農機具在不同土壤環(huán)境下的實地作業(yè)測試，以便于更好地對無人駕駛系統(tǒng)進一步優(yōu)化改進，使無人駕駛系統(tǒng)在水稻田實際機械作業(yè)中更加成熟，相關優(yōu)勢更加明顯。

目前，拖拉機的無人駕駛系統(tǒng)操控仍僅限企業(yè)研發(fā)人員，且專業(yè)性要求極高，傳統(tǒng)的農機操作人員一時難以單獨操作，急需無人駕駛系統(tǒng)標準化、系列化后加大培訓力度，否則會在一定程度上制約無人駕駛拖拉機耕整地的進一步示范推廣。