一种无人驾驶履带拖拉机的系统架构设计研究

代 聪 ， 唐兴隆 ， 庞有伦 ， 张 涛 ， 潘 良 ， 杨清慧

（重庆市农业科学院农业机械研究所，重庆 400054）

0 前言

目前，我国在农业装备技术研发上的投入还比较少，尤其是针对西南丘陵地区山地农业技术装备方面投入的研究经费更是微不足道。随着我国社会经济的快速发展，智能农机装备被“中国制造2025”计划列为重点发展领域之一，智能化、信息化也是农业技术装备发展的重点趋势之一，特别是重庆市“十四五”规划更是把智能农业机械装备提高到新的发展高度。加大对智能农机无人驾驶的研究，可以解放农村劳动力，提高作业质量与作业效率，极大地促进农村的现代化发展。

智能农机装备是集农业机械、智能控制、信息获取、数据采集等于一体的现代农业技术装备，可以满足精细农业对农业技术装备的体系要求。精细农业将GPS、RS、GIS等技术相结合，针对不同的田间地块和不同的农作物，利用GPS来获取田间地块的边界坐标和无人驾驶农机装备的实时动态位置，利用RS技术采集田块的地理信息，利用GIS技术对获取的田块地理信息进行分析和处理[1-3]。

本文研究的一种无人驾驶轻型履带拖拉机的架构构思方案属于智能农机技术装备范畴，包括对现有轻型履带拖拉机进行自动化改装、搭建无人驾驶控制系统的硬件平台、设计针对轻型履带拖拉机自动控制程序的软件平台，最后对无人驾驶轻型履带拖拉机进行试验。根据以上构思，设计研究出一种基于无人驾驶系统的轻型履带拖拉机的架构方案。

1 执行机构系统自动化架构设计

目前，针对轻型履带拖拉机自动转向控制系统的研究有两个关键问题不可避免，即对执行机构和控制方法的选择。履带拖拉机自动转向控制系统执行机构主要有两种，一种是通过程控电机的动力来驱动电动方向盘，从而控制履带拖拉机自动转向的电控转向系统，它的优势是利用电机动力控制系统来驱动履带拖拉机的转向机构，并不需要对履带拖拉机底盘的转向结构进行根本改变。另一种是通过电机控制液压的转向执行机构，这种转向方法相比直接电机控制简化了中间的传递环节，并且具有更佳的所需功率及控制性能，但是需要对车辆原有的液压转向系统进行改造，添加电控液压阀，通过控制电控液压阀的状态来实现电控转向功能[4-7]。

本文研究的轻型履带拖拉机需要按照无人驾驶方案进行一定的结构改进，履带拖拉机传统的运动执行机构，即靠人工模式根据履带拖拉机行走工况，实时地控制脚踏油门、脚踏离合、脚踏刹车及手动操作方向盘转向模式的操作方式不满足无人驾驶需求，因此需要按照无人驾驶特性方案对履带拖拉机进行改造。目前，国内已经有部分学者对此问题进行了一定的研究，比如刘雪珂设计研究出一种采用电机控制液压的模式，执行机构在特定场合可以闭合电磁阀，能实现自动转向，而农机装备在电磁阀为闭合的条件下，系统保持原来的人工转向方法。

首先需要对履带拖拉机油门、离合及刹车进行机械部分的改造，满足电动控制油门、离合及刹车踩下时的深浅要求，再进行自动化控制方面的研究。本研究采取汽车工业上一种常用的自动化控制模式，即车身控制器接收车辆数据采集系统所采集的履带拖拉机周围的实时动态数据，车身控制器根据数据采集系统所反馈的履带拖拉机在田间作业时的各项动态实时参数来控制程控电机的运动，程控电机根据车身控制器指令输出合适力矩来控制履带拖拉机的油门、离合及刹车按照智能模式进行深浅控制。车辆数据采集系统硬件设备包括各种传感器、雷达系统等。针对履带拖拉机转向控制方法，本研究采取电动方向盘替换车辆原有方向盘的模式，即通过驱动电机控制电动方向盘转动目标角，来实现履带拖拉机的转向控制，具体为履带拖拉机的转向按照车身控制器发出的预定义转向角指令来控制电动方向盘的转向。自动控制及转向控制系统架构设计方案如图1所示。

图1 电控执行机构架构示意图

随着科技的进步，我国农用拖拉机转向执行机构，从采用全液压控制系统模式逐渐向电液控制模式过渡，电液控制技术快速发展，转向车轮与方向盘之间传统的机械结构模式已经逐渐被淘汰，利用电子信号控制电液比例阀来驱动液压执行机构的运动，最后实现农用拖拉机的转向操作。

2 控制系统总体架构设计

无人驾驶控制系统主要技术有GPS定位、预定义路径规划、路径跟踪控制算法及传感器技术等。把它们结合起来，用以实现无人驾驶履带拖拉机预定义功能，总体架构结构如图2所示。

图2 总体架构结构示意图

2.1 硬件系统

无人驾驶履带拖拉机硬件系统主要包含GPS系统、RS系统、GIS系统及数据采集设备等。GPS系统能够实现无人驾驶履带拖拉机在田间的实时定位，RS系统能够实现采集田间地形信息，GIS系统对获取的田块地理信息进行分析与处理。最终都通过人机接口把终端信息上传到计算机中的软件平台上。3S硬件系统示意图如图3所示。

图3 3S硬件系统示意图

2.2 避障路径规划研究

路径规划研究是无人驾驶的关键技术之一，路径规划的效果能直接决定无人驾驶履带拖拉机的作业效果。履带拖拉机在田间进行作业的时候，其作业路径为田块全区域覆盖路径，需要做到无人驾驶履带拖拉机在规避田间障碍物的同时实现作业时行走路径为最优。在对某一田块进行静态全局覆盖路径规划时，首先需要获取田块的边界及障碍物信息，再确定作业机具的作业路线、转弯方式和作业方向。农机装备作业时常见的几种作业方式为S形、口字形、回字形及对角形，确定作业方式以后，再对田块内部进行直线作业和转弯作业的区域划分，分为直线作业或者转弯作业模式。最后完成全局路径规划，并生成控制程序序列，将控制程序通过人机接口导入到上位机软件中。整体路径规划架构结构如图4所示。

图4 路径规划架构结构示意图

2.3 路径跟踪算法研究

路径跟踪算法同样是无人驾驶履带拖拉机的关键技术之一，控制算法的优劣直接决定了路径跟踪的效果。无人驾驶履带拖拉机在避障过程中需要按照指定的路径绕过田间障碍物，路径跟踪控制的目的就是实现无人驾驶履带拖拉机按照指定的期望路径行驶。在路径的跟踪控制过程中主要是控制车辆的驱动轮转角、油门开度、制动力等因素来达到实现车辆跟踪控制的目的，目前已有多种方法能够实现这种控制形式[8-9]。

履带拖拉机是通过GPS接收机和各种传感器获知实时位置坐标、速度及方向角等信息，通过对比预定义路径和当前位置信息，得到横向偏差及纵向角度偏差，并将偏差值作为路径跟踪控制算法的输入信息，输出履带拖拉机期望的转向角度，再反馈给电动方向盘控制执行机构进行转向调整，传感器实时反馈行驶信息，形成闭环控制，从而达到无人驾驶履带拖拉机的路径跟踪控制。路径跟踪控制原理如图5所示。

图5 路径跟踪控制原理示意图

无人驾驶履带拖拉机常采用的路径跟踪控制方法有PID控制、模糊控制、神经网络控制、纯追踪控制和模型预测控制等。近年来针对模型预测控制的研究比较热门，在路径的跟踪控制过程中，由于农机本身与周围环境存在大量的约束条件，导致常规的跟踪控制算法很难去处理这种复杂的约束条件。但是模型预测控制的优点正好可以处理这种复杂的情况，所以其在智能农机装备领域中的运用越来越广泛。路径跟踪控制算法类型图如图6所示。

图6 路径跟踪控制算法类型图

2.4 各种传感器及数据采集设备

无人驾驶履带拖拉机在正常工作的时候必须依靠各种类型传感器来采集设备运行时候的动态参数，包含角度传感器、图像传感器（摄像头）、超声波雷达传感器、多通道数据采集板卡等。多种传感器获取的实时数据反馈给车身控制器，并通过车身控制器把数据导入到上位机软件中[10-12]。

角度传感器的作用是实时感知车辆转向角度的变化情况，并向车身控制器发送高精度转向角信息。图像传感器主要是用于感知车辆行驶过程中周围的环境信息，为无人驾驶履带拖拉机提供及时可靠的决策数据依据。超声波雷达主要用于分析真实田块环境中的行人和障碍物，该传感器具有非常准确的测距精度。数据采集板卡主要用于无人驾驶履带拖拉机作业时采集设备运行时的各项动态参数，并将相应参数提供给车身控制器，供控制器自身决策使用，也为后期履带拖拉机的维护提供数据支撑。

3 软件平台总体架构设计

无人驾驶履带拖拉机系统在选择合适的硬件平台之后，基于项目的设计目标，需要利用高精度的卫星系统进行准确定位，设计控制系统软件来开发自动驾驶功能。系统需要具备LED显示功能模块，能够方便用户及时了解履带拖拉机行驶状态信息，包括各个传感器工作状态、运行参数等信息，软件系统还需具备数据保存功能，方便后期调阅历史数据。

目前常用的农机车辆导航控制系统的软件可分为以下三个部分：

1）基于GIS电子地图的导航地理信息子系统。

2）基于多线程的导航主控子系统。

3）基于GPRS的网络通信子系统。

依据常规功能设计架构，如图7所示。

图7 软件架构示意图

本系统可以实现信号处理功能、人机交互功能、导航线路设置功能以及路径跟踪控制功能等。

4 试验总体架构设计

无人驾驶履带拖拉机是一个非线性系统，在硬件及软件平台完成以后，需要对该无人驾驶履带拖拉机进行试验，验证所研究的对象是否满足预定要求。需要进行试验准备，确定试验方式，选择试验田块，分析试验结果。试验架构如图8所示。

图8 试验架构示意图

5 结束语

本研究在参考国内外无人驾驶农机装备研究的基础上，重点对无人驾驶履带拖拉机开发架构思路进行了一定的设计研究分析，分别从履带拖拉机执行机构改造架构、控制系统硬件架构、软件系统架构及试验验证上开展了研究。本文的研究思路对后期开发无人驾驶履带拖拉机有极大的指导意义。但是目前，丘陵山区存在农田作业环境复杂、田块大小不一等情况，无人驾驶履带拖拉机的研究与推广还有很长的路要走。