我国智能农业拖拉机关键技术研究进展

白学峰，常江雪，滕兆丽，鲁植雄

(1.江苏省农业机械试验鉴定站，江苏南京，210017;2.江苏经贸职业技术学院，江苏南京，210007;3.南京农业大学工学院，江苏南京，210031)

0 引言

据统计资料可知，2020年，全国农业机械总动力达1.056×109k W，较“十二五”末增长17%，拖拉机保有量达2 205万台，配套机具4 024万台，2021年全国农作物耕种收综合机械化率超过72%。发展的同时也要看到，58.8 k W 以上拖拉机仅占6.5%，远低于美国30.9%的比例(73.5 kW 以上拖拉机占比)，而且我国每台拖拉机负担的耕地面积为5.9 hm2，也远低于美国的36.7 hm2，我国拖拉机保有结构有待进一步优化。21世纪以来，欧美发达国家拖拉机在自动化、智能化、信息化上取得了较大的进步，拖拉机已成为智能耕作系统的关键装备，我国部分拖拉机产品在卫星导航、自动驾驶、智能操控等方面开展了较多的创新性研发项目，但是我国拖拉机产品在智能化、信息化方面与国外先进水平还存在一定的差距。在信息技术革命的大背景下，面临“碳达峰、碳中和”现实需求的情况下，智能拖拉机已经是拖拉机技术创新发展的热点，也将是智慧农业发展的关键载体，因此有必要，梳理智能农业拖拉机现状，分析关键技术研究进展，为相关生产企业提供参考。

1 智能农业拖拉机概述

1.1 政策背景

2015年，国务院印发《中国制造2025》，实施智能制造工程，推动重点领域关键共性技术研发，其中将农业装备列为研发重点，并明确发展新型高效拖拉机。2018年，《国务院关于加快推进农业机械化和农机装备产业转型升级的指导意见》提出智能农业机械发展多项措施，包括部署智能农业装备科研项目、加快智能农机标准制定、编制高端农机装备技术路线图等。2020年底，农业农村部联合多部门召开农机装备补短板工作推进会议，指出我国农业生产已进入机械化主导阶段，但还存在不少短板弱项，包括畜牧水产智能化绿色化装备、高端智能农机等，与国外差距较大。2021年，农业农村部发布《“十四五”全国农业机械化发展规划》，提出引领推动农机装备创新发展，针对拖拉机也提出了具体的举措，推进北斗自动导航、农机总线、高压共轨、自动换挡、新能源动力等技术在农机装备上的集成应用，推广北斗定位、5G 自动驾驶、远程监控、智能控制等技术在大型拖拉机上的应用，推动高端智能农机装备发展。可以发现，高端智能农机当前仍然是农业装备的关键短板，但这也是我国农业机械行业突破瓶颈，打破垄断的关键。因此，智能农业装备将是农业机械化发展的主攻方向[1]，高端智能拖拉机更是重点发展产品。

1.2 智能农业拖拉机概念

目前相关的标准、政策文件等暂时还没有关于智能农业装备或智能农业拖拉机的定义，但是关于智能农业装备或智能拖拉机的研究较多[2]。广义上来说，智能农业装备是能融合多种智能装备、先进技术等实现农业生产自动化作业的农业装备，狭义上来看，其是指融合信息传输、信息采集、卫星定位、智能控制算法、物联网等技术实现农业生产信息化、智能化、自动化作业的农业机械[3]。对于智能农业拖拉机来说，工业和信息化部修订发布《首台(套)重大技术装备推广应用指导目录》提出了智能拖拉机定义，明确了技术指标，包括自动驾驶精度、入线距离、结合垄、作业速度等，该定义倾向于认定能够实现自动导航的拖拉机为智能拖拉机。事实上，智能农业拖拉机是融合先进控制技术进而实现智能作业的拖拉机，具体来说就要基于卫星定位、自动驾驶、信息传输、智能控制算法等技术的基础上整合自动导航、自动换挡、发动机能量管理、电控液压悬挂等技术，实现拖拉机动力输出、牵引、液压功率输出、信息采集等关键功能的自动化作业的拖拉机。总体来看，智能农业拖拉机功能不一定全面，功率也不是越大越好，能够智能化、自动化实现特定作业需求的农用拖拉机都可以称之为智能农业拖拉机。

1.3 智能农业拖拉机关键特点分析

基于上述定义可以发现，智能农业拖拉机的关键特点主要是3个方面。一是智能信息采集，拖拉机作业所需的关键信息可基于速度、转速、温度、阻力、位置等传感器通过总线系统实现高效智能的采集传输;二是智能控制算法，该特点是智能农业拖拉机的核心，关键是能够基于先进控制算法融合人工决策经验输出准确控制指令;三是终端的自动化执行，也就是操作终端作业的各类执行机构，包括各类液压阀、电机、齿轮泵等能够根据控制指令自动操作，实现准确作业。

2 关键技术研究进展

根据上述定义，结合拖拉机的结构特点，文章总结出了智能农业拖拉机的关键技术，包括但不限于卫星定位、自动驾驶、发动机能量管理、自动换挡、电动拖拉机、智能操控终端、智能耕作系统等。文章在参考国内外研究论文、学术报告、展会通报等的基础上就上述技术研究进展进行分析。

2.1 卫星定位

卫星定位可以说是智能农业拖拉机的基础技术，但也是关键的技术，在卫星定位的基础上才可以进一步实现导航、自动驾驶、精准信息采集、精准作业等功能。美国于20世纪70年代就开始在农业生产上应用卫星定位技术，21世纪以来，全球导航卫星系统包括美国的GPS、中国北斗、俄罗斯GLONASS、欧洲Galileo均已成功应用于拖拉机卫星定位上，欧美拖拉机应用水平较为成熟，如今更多的是在终端优化、精度控制方面进行优化研究，中国近些年也在逐渐开发基于GPS尤其是北斗的卫星定位技术，也推出了较为成熟的应用终端，包括前装、后装两种，并继续在精度，应用场景及深度上进行研究。

2.1.1 北斗卫星定位

北斗卫星导航系统由中国自主建设，1994年开始逐渐建成了一号、二号系统，2020年北斗三号系统建成，开始面向全球提供服务。目前，在轨运行卫星共45颗，其中30颗北斗三号卫星。近些年，北斗在农业上的应用逐渐广泛，包括农业信息采集、作物监控、农业机械精准作业、无人植保等。截至2021年，在农业领域，基于北斗系统的农机自动驾驶系统超过4.5万台(套)，基于北斗的监管平台为40余万台(套)农业装备提供信息技术服务。随着北斗的推广，相关学者基于北斗在农业上的应用范围、定位精度、导航稳定性等方面做了有效地研究。

2017年，华南农业大学主持的国家重点研发计划“智能农机装备”重点专项“基于北斗的农机定位与导航技术装置研究”项目启动，主要开展基于北斗的精准定位技术、自动导航控制技术、多机协同作业导航技术、水田作业机械自主作业系统等研究。项目组根据北斗卫星导航系统的导航定位、路径规划与跟踪、电控转向、自动避障、主从导航、车载系统等具体技术开展试验研究，完成了北斗卫星定位的农机自动导航系统研发，有效地改善了我国农机导航精度不高、系统稳定性差、集成应用水平低等问题[4]。

相关的高校、企业、科研院所，包括南京农业大学、江苏大学、扬州大学等，针对北斗卫星导航系统在拖拉机上的应用进行了多项研究，包括辅助驾驶系统、自动驾驶系统、无人驾驶系统、拖拉机机具轨迹控制等，有效提升了北斗定位导航的精度，改善了北斗系统在拖拉机上应用的稳定性、可靠性[5-9]。

2.1.2 定位精度

定位精度是关键指标，非差分的卫星定位技术在软件算法的支撑下基本达到了亚米级，差分的卫星定位技术精度较高，基本上为±2.5 cm，RTK 差分基站主要有网络基站、移动基站、固定基站等方式。卫星导航技术较为成熟，但是受天气、周边环境、作业场景等影响，卫星定位的精度及稳定性还存在一定的难点。一些学者就定位的精度控制进行了较多研究，包括高精度差分技术组合导航技术以及拖拉机附带机具作业时的整体作业精度问题。魏浩然等[10]针对智能拖拉机导航系统长时间工况下定位精度低的问题，提出一种基于扩展卡尔曼滤波法(EKF)的BDS/DRS组合导航，试验表明，与传统的单独导航相比，该系统能够提高定位精度。郝思佳等[11]关注到拖拉机附带机具作业时的轨迹不一致问题，基于牵引式拖拉机—播种机曲线运动规律，建立了拖拉机—播种机二维三自由度运动学模型，实现拖拉机自动导航时对播种机作业点轨迹的推算，可以实现在不改装导航系统的基础上控制播种机按照预定轨迹实施作业。

2.1.3 卫星导航

卫星导航是基于卫星定位的扩展功能，在卫星导航技术的支撑下，拖拉机可以实现直线行走、田头转向、路径规划，进而满足辅助驾驶或自动驾驶功能。当前，卫星导航技术在拖拉机上应用较为成熟，主要研究方向在于导航的精度、信号的稳定性以及路径规划的合理有效性[12-13]。针对北斗卫星信号失锁导致的系统突然失控问题，张闻宇等[14]提出了一种基于自校准变结构Kalman滤波器的农机导航失锁续航方法，提高了车辆在失锁状态下的行驶距离。针对导航过程中的信号稳定性及适应性问题，王辉等[15]提出了一种预瞄追踪模型的农机导航路径跟踪控制方法，田间试验结果表明，控制精度较高，上线时间、上线距离及颠簸不平旱地路面直线路径跟踪误差满足导航作业要求。为提高路径跟踪精度，匡文龙等[16]设计了一种融合Lyapunov方法和反演滑模技术的轨迹跟踪控制律，设计了一套基于电机控制器、GPS 移动站、倾角传感器的轨迹跟踪控制系统。针对全覆盖路径规划问题，刘洋成等[17]提出了满足多机协同、动态路径规划、多算法结合以及优化机械转向路线的路径规划策略。

2.2 自动驾驶

不一定智能农业拖拉机都要具备自动驾驶功能，但是具备自动驾驶功能的拖拉机将实现更多智能作业或智能控制，可实现拖拉机操作的半无人化或无人化，降低驾驶员的劳动强度，为无人农场或智慧农场提供装备支撑。自动驾驶系统的关键环节主要是位置信号的获取、周边环境的感知、路径的智能规划以及转向系统的精准控制，具体技术除前节介绍的卫星定位及导航外，还包括环境感知、自动避障、转向系统控制等[18-20]。

2.2.1 环境感知技术

农业装备上常用的环境感知方式有基于机器视觉环境感知、基于激光雷达环境感知和GNSS三种[21]。

基于机器视觉环境感知技术也就是图像识别技术，当前田间作业中的视觉识别研究经验较为丰富，基本能够满足大部分作业环境的识别判断，但如何在地头或者田块间识别边界或自动调头还是难点[22]。针对农田地头边界线检测问题，王侨等[23]提出了一种基于机器视觉技术的方法，主要有3个步骤，一是依据农田内外像素灰度的跳变特征来判断地头;二是基于稳健回归法线性拟合跳变特征点获取地头边界的主体延伸方位线;三是判断接近于田内像素的灰度分布特征的方位线为边界线，试验结果表明，该方法地头识别准确率达96%。

激光雷达感知是基于GNSS 自动驾驶的技术补充，其优势在于可感知周边环境，识别障碍，该技术在果园作业中应用较多。为提高环境感知的精度，杨舜禾[24]设计了激光雷达与GPS相结合的环境感知方案，可对各传感器获取的偏差值进行加权组合，以此提高导航系统的适应性。孙磊[25]提出了一套基于GPS导航、激光雷达导航及模糊控制算法的葡萄行间自动导航控制方法，通过履带拖拉机导航平台验证了该组合导航方式可行性。

2.2.2 自动避障技术

自动避障是实现自动驾驶的关键技术，如何在判断障碍之后有效规避并快速修正行驶路径是自动避障技术的核心。刘宇峰等[26]提出了依据障碍物位置和尺寸信息的单障碍物避障算法，以及依据安全行驶区域大小，参考左右双向避障策略的双/多障碍物避障算法，试验表明该两种方法在路径累计误差控制、规划路径跟踪稳定性上有一定的优势。奚小波等[27]提出了一种采用三阶Bezier曲线优化法计算连续平滑路径的避障方法，试验结果表明，该方法在不平整犁耕地中具有较好的鲁棒性和适应性。

2.2.3 转向控制

转向控制系统是自动驾驶的关键组成部分，其转向角度控制的准确性直接决定了自动驾驶的精度及可靠性。拖拉机自动转向控制主要分两种，一种是电机控制，直接通过电机控制方向盘转动实现转向，该方式通用性好，适宜后装系统。另一种是电液控制，也就是在原有全液压转向系统的基础上加装电控系统，通过方向盘与电磁阀的联动实现转向，精度较高，主要应用于前装系统。

韩创世[28]设计了一种并联转向控制阀组的拖拉机自动转向结构，并基于优化的纯追踪路径跟踪算法开展了验证试验，结果表明，自动导航试验直线路径跟踪误差不超过5 cm，满足导航要求。刘雪珂[29]设计了一套电液驱动的转向系统，拖拉机行驶速度在4 km/h时，直线跟踪的横向偏差最大为2.8 cm，自动转向控制精度为2.5 cm。针对自动驾驶拖拉机转向角检测的问题，张智刚等[30]基于最小二乘原理的转向轮角零位偏差估计方法，采用WYH-3 型无触点角度传感器，提出了转向角的标定和检测方法，就偏差的绝对值极值、均值、标准差等进行了试验验证。

2.3 发动机智能管理

对于采用发动机作为动力的拖拉机来说，发动机管理直接关系到整机的智能水平，主要表现在3个方面。一方面，发动机本就一个关键部件，如何实现发动机的智能精准控制，也关系到整机的性能;另一方面，发动机需要与相关的执行机构实现联动控制，可通过控制油门或转速的增减实现稳定、精准地作业;其次，无论智能化水平如何，随着排放要求的提升，如何整合先进控制算法或减排装置满足排放规定将是发动机最基本的要求。

2.3.1 排放监控

发动机的排放控制主要有机内净化和机外净化，机内净化主要是通过进气系统、燃油喷射系统、燃烧方式、废气循环等方式来实现，机外净化是通过增加外置部件来消减排放，主要是氧化催化器(DOC)、颗粒氧化催化剂(POC)、柴油颗粒捕集器(DPF)、选择性催化还原法(SCR)。当前，国内非道路发动机生产企业基本具备了国Ⅳ升级技术路线，部分拖拉机企业也开始了配套测试，部分企业已经做好了切换的准备。不同的企业由于技术的积累及结构特点，升级的技术路线不尽相同，但基本上都是在上述机内净化的基础上配置不同的机外后处理净化技术。相关学者在后处理上开展了较多研究，主要是在后处理路线、催化剂稳定性、处理设备的可靠性等，有效地支撑了排放升级。

针对集成式后处理对农用柴油机性能及排放的影响问题，胡杰等[31]设计了一套加装柴油氧化催化器、催化型柴油机颗粒过滤器、尿素选择性催化还原装置的集成式后处理系统试验台架，试验表明，后处理装置对发动机经济性和动力性无明显影响，CO、HC、NOX、PN 和PM 等排放均大幅下降，多数指标均低于非道路国Ⅳ排放法规限值。李振宁[32]提出了一种DOC+DPF+SCR 的复合式后处理系统，在建模仿真的基础上优化了DOC、DPF和SCR 控制策略，并实施了台架验证试验，满足非道路四阶段排放标准。针对HC 尾管喷射对DOC 的影响问题，黄志宏[33]设计了碳氢尾管喷射技术的DOC模型，分析了排气温度与HC转化率、HC浓度与DOC 出口温度、HC 喷射与DOC 出口NO2生成率等之间的关系。

2.3.2 油门控制

针对一些智能化功能，比如说自动驾驶、自动换挡、巡航系统等，通过发动机油门的控制，进而实现发动机转速的变化、行驶速度的变化或挡位的切换等，才能够实现最终的智能化操控，也就是能够直接读取发动机的关键参数，并能够实现对发动机油门或者转速的自动控制，实现其他执行机构与发动机的联合控制，才能实现更多的智能化功能，才是更为智能的拖拉机。国内研发的辅助驾驶拖拉机或自动驾驶拖拉机基本上能够实现对发动机油门的联合操控。赵春江等[34]针对现有农机功率匹配度不高、燃油经济性差的问题，采用CAN 总线技术设计了一套集合拖拉机工况采集、负载检测、油门控制、变量泵排量调节、作业负载调节、通信等功能模块的拖拉机定速巡航控制系统，试验结果表明，协同控制策略下的速度控制绝对误差较低，可在满足速度控制精度的前提下，减小燃油消耗。

2.4 自动换挡

换挡方式是拖拉机的重要技术特点，自动换挡是智能农业拖拉机的核心技术。国外先进拖拉机产品基本上都具备了在动力换挡、无级变速等的基础上实现根据作业工况及设定的换挡逻辑进行自动换挡的技术。自动换挡的核心在于控制策略与液压控制技术，控制策略国内研究较多，但是液压控制技术与国外还有较大差距。液压控制技术是动力换挡、无级变速的核心技术，具体的技术包括电控液压阀、高性能液压泵、液压传动等，虽然机械传动也能够实现无级变速，但是基于机械液压传动的变速箱可靠性、稳定性更好，如今国外先进拖拉机企业均是采用该种方式。

2.4.1 动力换挡

动力换挡是自动换挡的基础，只有实现了动力换挡才能在拖拉机作业过程中实现基于工况的自动不停车换挡。动力换挡的关键技术主要有换挡规律、离合器控制、信息传输、电子控制等。当前，国内拖拉机产品基本上具备了部分动力换挡技术，国外已经具备了成熟的全动力换挡技术，已成功应用多年。国内虽没有较为成熟的全动力换挡技术，但是基本具备了动力高低挡、动力换向等半动力换挡功能，学者就动力换挡的控制策略、液压技术等进行了较多研究。

曹青梅[35]就拖拉机动力换挡规律进行了研究，构造了二次变频自适应卡尔曼滤波算法的随机载荷特征值计算方法，设计了基于多判断参数及模糊算法的自适应换挡规律修正策略，优化换挡的准确性。柯美聪[36]基于泰山1804拖拉机设计了一套动力换挡变速箱电控系统，提出“两快一慢”离合器控制策略，优化了液压缸位移信息传感方式，改善了换挡冲击度及换挡时间。针对动力换挡变速的换挡品质及故障问题，尹永芳[37]依据ISO 11783协议标准设计了拖拉机整车CAN 通讯网络，以及多点变速器节点与应用层数据帧，通过建模仿真获得换挡最佳重叠时间，提出利用支持向量机多类分类方法进行故障模式识别，提高了故障识别的准确率。

2.4.2 无级变速

无级变速是拖拉机变速技术的高级形式，能够自动的根据作业工况、行驶速度、发动机油门等参数调整变速箱传动比。无级变速实现的方式很多，包括链齿轮传动、锥齿轮传动、静液压传动、机械液压双流传动等方式，当前国外在拖拉机上主要采用机械液压双流传动的方式，主要是能够实现大扭矩传输，且控制的灵敏度及可靠性较高，但是对电控技术及液压部件的要求较高。国内相关企业、学者针对拖拉机无级变速技术做了大量的研究，主要是针对链传动及机械液压传动模式。

程准[38]针对机械液压无级变速进行了较为全面的研究，包括效率特性、优化设计方法、变速控制算法等，提出了一种改进的多参数变量泵半经验效率模型，分析了调速特性模型，就变速控制策略进行了仿真对比分析。宋悦[39]设计了一种单排多区段液压功率分流无级变速箱，并对该变速箱的优化设计理论和换段控制策略进行传动方案、传动参数、变速箱结构、换段动力学模型构建等进行研究。针对链式金属带功率分流无级变速箱带载换段时容易产生冲击甚至引起动力中断问题，王光明等[40]构建了链式金属带功率分流无级变速箱换段液压系统的动力学模型，以及变速箱及拖拉机整机换段动力学模型，给出了换段品质评价指标，并对换段品质影响因素进行了仿真研究。

2.4.3 其他换挡方式

针对传统变速箱拖拉机自动换挡的问题，殷国栋等[41]设计了一种可精确控制的无人驾驶拖拉机自动换挡通用装置，其主要是在驾驶室座椅位置处安装了电驱动的换挡装置，该方式没有改变原有的变速箱结构，而是通过控制系统控制换挡机构实现自动换挡功能，该方式能够实现挡位的自动切换，但是还仍需要人力操控离合器。

2.5 电动拖拉机

同样，智能拖拉机不一定全都是电驱动模式，但是在全球减碳，以及非道路车辆排放要求逐渐严厉的趋势下，电动拖拉机不仅动力性更好，而且更加环保，且可以实现更多的智能控制。如今，无论是国外还是国内，电动拖拉机都是研究的热点，更多的研究技术主要是驱动方式、蓄电池管理技术、续航能力、先进作业模式等。当前，多数学者都是在研究面向大棚或果园的小功率纯电动拖拉机，样机较多，也有了一定的投产产品，也有小部分企业在研发中大功率面向大田的纯电动拖拉机，续航能力、蓄电池管理策略、制作成本等难题有待突破。

2.5.1 驱动方式

综合来看，电动拖拉机的驱动方式主要有增程式驱动、组合式驱动、轮边驱动等方式。增程式电动拖拉机中的发动机不直接驱动传动系统，而是为蓄电池充电，蓄电池驱动传动系统行走;组合式驱动是指通过电机与变速箱或减速机构的结合驱动传动系统的形式，具体又可以分为电机变速箱组合式驱动、电机减速机构组合式驱动，电机减速机构组合式根据布置的位置又可以分为前轴单电机驱动结构、前后轴双电机驱动结构、前轴或后轴双电驱动结构等形式;轮边驱动方式是指将电机布置于轮边，直接驱动车轮行走。

当前，针对增程式电动拖拉机的研究不多，刘孟楠等[42]提出了一种增程式电动拖拉机结构，基于CRUISE建立了仿真平台，并对基于东方红500拖拉机改造的电动拖拉机旋耕机组进行了仿真分析，结果表明燃油消耗下降了34.4%。徐立友等[43]提出了一种用于增程式四轮驱动电动拖拉机的基于模糊逻辑的转矩分配策略，仿真结果表明，该策略可有效地将拖拉机滑转率控制在合理范围内。王丽绵等[44]提出了一种增程式电动拖拉机控制策略，基于预测控制模型确立了启动控制方法，以及低油耗拖动转速。

轮边驱动结构复杂，技术难度大，研究不多，针对轮边驱动方案，周华栋等[45]设计了一套轮边驱动结构，研究了前、后轮垂向载荷转移随挂钩阻力矩变化的关系，提出以车轮垂向载荷为转矩分配依据。

组合式驱动结构研究较多。针对传统拖拉机电动化改造问题，吴花军[46]提出了一种电机变速箱组合式驱动结构的电动拖拉机，基于Simulink及Cruise设计了仿真模型，验证了设计方案的可行性，该结构是以蓄电池及电机系统替代了发动机，但没有取消变速箱，改造方便。

2.5.2 蓄电池技术

蓄电池的管理关系到续航水平，更是关系到整机的安全性能，蓄电池管理的关键技术主要是蓄电池性能监控、充放电管理策略等，一些学者也提出了采用复合电源或退役锂电池的方式来提高蓄电池的工作效率及经济性。针对管理策略中的动态功率分配问题，刘孟楠[47]利用小波变换分析构造双通道正交滤波器组的方法，设计了一种功率分配控制算法，推导了超级电容荷电状态估算模型，并在此基础上设计了满足整体控制功能需求的电动拖拉机总体控制策略。针对复合电源问题，刘静等[48]提出了一种以超级电容作为辅助电源的复合电源电动拖拉机，并设计了能量管理模糊控制策略，用以满足田间复杂作业工况需求，试验表明，连续作业时间延长约9.17倍，电池寿命得到延长。徐立友等[49]提出了一种燃料电池/蓄电池混合动力电动拖拉机模糊控制能量管理策略，相较开关控制方法，该策略等效氢气消耗量降低12.84%。针对电动拖拉机制造成本高的问题，赵延鹏等[50]提出了一种基于作业工况和退役锂离子电池的电动拖拉机电源系统优化方法，综合成本为新电池的37%。

2.6 整机稳定性控制

整机的稳定性控制主要有两个方面，分别是坡地行走的整机稳定性、机具振动控制。坡地行走的整机稳定性控制主要有手动调平技术、电液调平技术、自动调平技术。夏长高等[51]实施的国家重点研发项目——丘陵山地拖拉机关键技术研究与整机开发，针对丘陵山地拖拉机坡地作业的整机稳定性、通过性等作业要求，研制了具有车身姿态自动调整功能的前后转向驱动桥以及履带行走机构。机具振动控制主要是通过机具上下振动的幅度实现整机振动水平的降低，20世纪末博世力士乐公司的电控液压悬挂系统已具备该项功能，其后国内一些学者也进行了研究试验。尹修杰等[52]提出一种拖拉机悬挂机组动压反馈装置，用以减少液压系统的压力冲击，提高拖拉机作业机组的操作平顺性。

2.7 智能操控终端

智能操控终端也就是智能农业拖拉机的控制终端，其可以实时采集传感系统或执行机构的工作信息并实时显示，并基于内置的控制算法或基于云联网控制的决策集输出控制指令，或是驾驶员根据实时信息进行判断决策，进一步操控终端输出作业指令。智能操控的关键技术在于信息传输、控制算法、人机交互界面等。

2.7.1 信息传输

传统的信息传输较为简单，仅仅是采集显示发动机、蓄电池、作业指示灯、整机故障情况等相关参数，包括发动机冷却液温度、发动机润滑油温度、发动机转速、蓄电池电压、作业灯开关情况，整机故障情况等，但是智能农业拖拉机嵌入了更多的传感器信息，如何实现高效、准确的信息传输显示并输出控制指令成了关键技术。如今为了提高信息传输的效率与准确度，同时统一传输协议，国内学者基本上都在基于国际协议研发总线控制技术。

针对拖拉机的故障诊断问题，姜世腾等[53]根据SAE1939协议设计了一套整机故障诊断系统，并就传输报文结构、传输方式、诊断测量进行了研究。许猛[54]基于ISO 11783标准协议，设计了电动转向系统和电动拖拉机连接部分的CAN 总线报文传输协议，同时设计了AD 采集程序、CAN 通讯程序、串口通讯程序等。阚辉玉等[55]针对拖拉机电控单元之间实时信息共享的需求，设计了包含整机控制器、发动机控制器、变速箱控制器、电控提升控制器、精准作业控制器以及仪表等节点的整机CAN 总线通信网络，基于SAE J1939 协议和ISO 11783 协议制定了拖拉机CAN 网络通信协议，并通过了试验验证。

2.7.2 智能控制算法

操控终端集成了显示与操控，在操控方面，其涵盖了拖拉机智能作业功能的智能控制算法。智能控制算法之所以智能是因为其能够基于一些控制方式纳入人工决策经验整合成能够反映人工决策水平的控制指令，具体的控制算法有传统的PID 控制算法，或者是模糊控制、神经网络控制，或者是自适应调节PID 或模糊PID 等控制算法，国内学者就上述智能控制算法进行了大量的研究，应用范围较广，包括电控液压悬挂控制、自动导航路径跟踪、转向系统控制、动力换挡等方面，也有了较为成熟的产品。

2.7.3 人机交互界面

人机交互界面，主要功能在于实现信息显示与作业操控。国外先进拖拉机企业的人机交互系统较为成熟，可以实现多种信息的显示存储，还可以实现大多数拖拉机功能的操控，国内学者研究不多，拖拉机产品技术水平较低，相关的企业也推出了一些仪表系统或者是基于导航的显示界面，但是跟国外的整体式操控终端还有较大差距。姜子刚等[56]设计了一种拖拉机用组合式智能仪表，其可以实现多种功能的显示，包括发动机各种信息及故障，内置了电源模块、CAN 通信模块、信号采集及处理模块、电机驱动模块、LED 灯驱动模块和蜂鸣器报警模块，还可以实现柴油机尾气后处理系统的实时监测以及基于北斗的定位信息等。李启海等[57]开发了一种新型的拖拉机智能仪表显示终端，其可以显示整机关键数据，同时配置了CAN 通信模块，还可以和发动机CAN 数据总线进行CAN 通信，实现更多发动机信息的显示。胡夕勇等[58]开发了一种拖拉机智能控制装置，其融合了CAN 总线传输技术及电控液压悬挂控制功能。

2.8 智能耕作系统

如今，随着农业现代化的推进，智能农业装备或者智能农业拖拉机已经不满足于仅实现封闭的自我智能控制，而应该纳入智慧农业系统，成为智慧农业采集信息、终端操作、精准作业的载体[59]。可以说，基于智能拖拉机或其他智能农业装备的智能耕作系统将是精准农业的发展方向。国外一些先进企业均推出了智能耕作系统，系统中拖拉机就是关键的载体，也是核心的执行终端。国内一些研究部门也基于导航系统及信息传输技术开发了智慧农业决策系统或智慧农业监控终端，可以通过拖拉机及其他农业机械或田间信息采集传感器实现对农业机械的运行监控及信息的采集与显示，帮助经营者实现智能决策。现在来看，除作业终端也就是智能农业装备以外，关键的技术主要还是远程信息传输技术及监控中心的决策系统。

2.8.1 信息通讯

远程通讯的主要方式主要有4G、5G、Lo Ra、NBIOT、Wi-Fi、蓝牙、ZigBee、6LoWPAN 等方式。其中4G、5G 属于广域网，主要满足远程信息通讯需求，可以实现异地信息的采集与监控;LoRa、Wi-Fi、蓝牙等技术属于局域网或低功耗广域网，主要是实现传感器信息近距离的通讯，可满足农场区域内的信息采集[60]。石新龙等[61]设计了一种基于LoRa无线通信技术的智慧农业环境监测系统，试验结果表明，LoRa无线技术更适用于少量数据的远距离传输，2 km 范围内的可靠性较高。针对异构无线网络融合问题，丁永辉[62]基于蓝牙、ZigBee、Wi-Fi、LoRa网络设计并搭建了异构无线网关，实现了不同网络架构之间的数据交互、监控终端驱动、环境温湿度解耦控制及监控节点远程访问等功能。张涛等[63]设计了一种基于LoRa与5G 结合的低成本智慧农业物联网系统，系统利用LoRa实现组网内传感器的互联互通，搭建了LoRa基站与5G 基站的连接系统，管理人员可以通过移动智能终端或PC，实时监控农业生产情况。

2.8.2 决策系统

决策系统的关键还是基于实时信息、历史数据及内置的决策逻辑自动或人工的实现对终端的操控。卢智鹏[64]设计了一种基于WEB的农业智慧管理控制系统，其开发了用户管理平台，可实现用户管理、远程控制、参数设置、数据浏览、趋势分析等功能，其中参数设置模块，专家可根据经验设置参数范围，系统自动远程控制调节环境因素调节设备。管孝锋[65]开发了一套智慧农业云平台，其智能中枢系统可完成农业物联网海量数据的存储、分析、应用等功能，可通过标准化接口耦联多种农业智能仪器设备，实现农业环境数据、病虫害监测数据等实时采集，支持农业生产数据统计分析及辅助决策。

3 国内外主要智能农业拖拉机应用情况

3.1 丘陵山地拖拉机

2016年江苏大学、农业农村部南京农业机械化研究所等单位联合启动了国家重点研发项目“丘陵山地拖拉机关键技术研究与整机开发”，课题组就动力传动与驱动系统控制、车身自调平、机具悬挂装置坡地自适应、自主作业、整机多系统集成智能控制等技术进行了研究。现已基本完成了丘陵山地拖拉机用高扭矩储备柴油机、静液压无级变速传动箱、车身姿态自调整转向驱动桥、坡地自适应电控液压悬挂系统等关键部件的开发，并发布了样机[66]。

3.2 电动智能拖拉机

2019年，第十届江苏国际农业机械展览会上展出了一款国内自主研发的纯电动智能驾驶拖拉机(FISON01)。该电动拖拉机机身小、能远程操控、可连续工作6 h，尤其适用于设施农业耕整地、播种等作业;已具备4G、5G 通信控制技术，可满足远程控制需求，保障车辆安全。该项目计划针对不同作业流程或作物研发智能挂载机具，丰富作业功能，同时可进一步纳入信息采集系统，服务于农业生产大数据系统[67]。

3.3 5G+氢燃料电动拖拉机

2020年6月，国家农机装备创新中心发布了国内首台5G+氢燃料电动拖拉机ET504-H，该拖拉机由中国一拖、中联重机、清华大学等联合研发。该拖拉机主要有3个特点，一是纯电驱动，行走系统采用永磁同步电机，提升与转向也由独立电机驱动;二是氢燃料与锂电池混合驱动，适应性强;三是采用了5G 移动通信技术，控制系统可实时感知运行状态及周边环境，也可与无人农场系统实现有效兼容[68]。

3.4 无人驾驶拖拉机

2016年，中国国际农业机械展览会上，中国一拖发布首台无人驾驶拖拉机，该拖拉机配置了国Ⅲ发动机、动力换向变速箱、电控液压悬挂系统，其信息和控制系统功能较为齐全，包括自动转向、整车控制、雷达及视觉测量、远程视频传输以及远程遥控等系统。2021年，一拖又推出了LF2204大功率无人驾驶拖拉机，定位精度达±2.5 cm，同时配置了毫米雷达波感知系统、远程遥控系统、自动路径规划等功能[69-70]。

3.5 智能自动驾驶拖拉机

2021年10月，雷沃在2021年中国国际农业机械展览会上发布了P7000大功率智能拖拉机。该拖拉机集成了无级变速、整机智能控制、电控液压悬挂等技术。该无级变速箱配置了电控离合器技术，实现了全作业区段的无级调速以及自动变速、自动四驱、自动差速锁、自动PTO 等功能;导航系统可实现作业田块内的自动控制，跟踪精度可达±2.5 cm;配置了远程信息管理系统，作业数据可实时上传至数据平台，管理人员可通过手机等终端在线监控及远程故障诊断[71]。

4 发展趋势分析

综上可以发现，拖拉机的智能化关键在于整合电控技术、信息传输技术、人工智能算法等实现自动化的操控或作业。综合国外先进智能拖拉机的现状，以及农业现代化对农业装备的发展需求来看，智能拖拉机将是农业生产信息采集的智能化终端、智慧农业信息交换的载体，具体来看，智能农业拖拉机应该朝着精准作业载体、无人驾驶、联网云控制、智能终端等方向发展。

4.1 精准作业载体

精准作业是智能农业装备的根本目的，对于拖拉机来说，其是多项作业的牵引装备，也是信息采集及操控指令的执行末端，因此智能农业拖拉机将是精准作业系统的关键环节，是精准作业的载体，包括耕整地、播种、植保等。

4.2 无人驾驶

在农业劳动力短缺的压力下，随着卫星导航、自动换挡技术的进步以及远程通讯技术在拖拉机上的渗入，无人驾驶拖拉机将是无人农场、智慧农场的关键装备。拖拉机与人的关系也不一定完全是排斥的，但随着技术的升级，人员操控的工作量一定是逐渐减少，甚至是在特定场合下真正地实现无人驾驶[72]。

4.3 联网云控制

现有的智能拖拉机多数是短距离的遥控，或只是在驾驶员设定作业范围或规划路径的基础上在卫星定位的指导下实现自动驾驶，部分科研部门也开发了基于4G、5G通信技术的远程控制。随着通信技术的进一步推进，以及农业物联网技术的发展和农业大数据云平台的成熟，决策中心可通过拖拉机实现农业数据的远程采集以及基于云数据实现对拖拉机的远程操控[73-74]。

4.4 智能终端

智能拖拉机将成为一个智能的终端，其可能呈现2个特点，一是作业具体化，也就是说该类智能拖拉机功能不一定齐全，可能就是满足某一类作业的一个作业终端，比如基于拖拉机改造的自走式智能旋耕机、播种机、施肥机、信息采集终端等;二是功能模块化，也就是说智能拖拉机由模块化结构组成，可通过不同的模块组合实现不同的作业功能。总的来说，智能拖拉机有可能不再是一个多功能的传统拖拉机，而是演变成一个智慧农业系统中的一个智能作业终端，只是其具备智能化实现拖拉机部分功能的能力。一些学者已经就果园、设施农业大棚用的作业机器人进行了较多研究，其基本上就是一个模块化的作业智能终端，或者是作业机器人[75-76]。

5 结论

综上可知，智慧农业装备将是发展趋势，尤其是智能农业拖拉机。智能信息采集、智能控制算法、终端的自动化执行等技术是智能拖拉机的关键特点;国内智能拖拉机研究较多，但是在智能操控终端、远程联网控制、控制的精度与可靠性上与国外先进水平的差距仍然较大;无人驾驶、联网云控制、精准作业载体、智能终端等将是智能农业拖拉机的发展趋势。国内企业或相关的研究机构可以借助信息通信技术的发展优势，借鉴国外发达国家先进拖拉机生产企业的成功经验，加强智能农业拖拉机关键技术研究，包括自动换挡、自动驾驶、智能操控终端、精准耕作系统等，加快研发适用于中国国情的智能农业拖拉机，助力智慧农业发展。