无人驾驶拖拉机发展现状与趋势探讨*

代 聪 ，唐兴隆 ，张 涛 ，杨清慧

（重庆市农业科学院，重庆 401329）

0 引言

党的十八大以来，我国农业机械化快速发展，形成了向全程全面高质高效转型升级的良好态势，农机装备总量持续增长。拖拉机是农业生产中的基础机械设备之一，是实现各种农业机械化作业配套动力的基础。20 世纪90 年代，欧美提出精准农业概念，“农业机械的智能装备技术”是精准农业的重要组成部分之一，随着遥感技术、全球卫星定位技术、地理信息系统技术及智能控制技术的快速发展，农用拖拉机也朝着无人化方向发展，无人驾驶拖拉机已成为新时期新的研究方向[1-8]。习近平总书记指出，应加快推动农机装备向智能化、绿色化升级，助力实现国家“双碳”战略目标，促进农业生产力提高[1-4]。《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》指出，加快推动农业机械化又快又好全方位发展，促进农机作业水平逐步提高，农机总动力持续增长，农机企业做大做强，为保障关系国计民生的基础农产品有效供给、推进美丽乡村建设提供有力支撑。《“十四五”全国农业机械化发展规划》中指出，未来我国主要农作物生产实现全过程机械化，畜禽养殖、水产养殖机械化水平大幅跃升，设施种植、农产品初加工机械化促进农产品增值能力显著增强，“机械化+”信息化、智能化全面应用于农业机械化管理、作业监测与服务[9]，农业生产基本实现机械化全覆盖，机械化全程全面和高质量支撑农业农村现代化的格局基本形成。

《重庆市加快丘陵山地特色农机装备产业高质量发展工作方案》提出，鼓励在渝农机企业协同高校、科研院所构建产学研用共同体，积极组织参与科研项目和创新平台申报，打造出全国领先的智能农机创新平台。打造出符合重庆市情的山地农机制造体系，支持鼓励优秀农机企业做大做强，突出农机产品的应用水平，走出一条适应重庆的农机装备产业发展道路[3-6]。

农用拖拉机作为最核心的农业动力配套机械之一，只需更换不同作业机具即可完成不同的农业耕作模式。毋庸置疑，农业机械按照人工设置模式展开农业作业，既安全高效、节省人力，又能提高作业效率[10]。从工业发展角度来分析，拖拉机的技术发展水平在一定程度上体现了这个国家的工业发展水平，也决定了该国的农业机械化水平，因此发达国家都很重视农机工业的发展[11]。当前，乡村振兴战略正在向纵深推进，传统的机械化、半机械化、半智能化的农业耕作方式已不符合科技发展潮流。因此，农业作业机械朝着智能化、信息化、无人化等方向发展，一定会成为未来时代的主流。

1 国外无人驾驶拖拉机发展现状

1995 年，美国斯坦福大学的Michael O’Connor和Thomas Bell 利用4 个载波差分GPS（CDGPS）方法获得拖拉机的实时状态姿势信息，建立拖拉机的运动学模型，研究出一套自动驾驶系统，根据路径跟踪试验数据得出，定位精度在2.5 cm 以内[12]。德国克拉斯农机公司在国际博览会上推出了一款可自主规划作业路径的智能控制系统，拖拉机工作效率提升了30%以上。2006 年，法国雷诺公司设计出一种基于GPS 导航技术的动力底盘，满足动力底盘半自动化或全自动化驾驶[13]。2010 年，卡内基·梅隆大学和佛罗里达大学合作研发了一款基于机器视觉的无人驾驶拖拉机，可在线识别大豆种植情况。2012 年，欧洲Backman J 等借用扩展卡尔曼滤波器方法，将多个传感器数据信息相融合，采用激光雷达和惯性传感器对GPS 导航进行辅助，使用非线性模型预测控制方法（NMPC）实现了拖拉机的自主行驶。2016 年，早稻田大学研究出了一款拖拉机挂车自动导航系统，实现了拖拉机在农田中的自动行驶和对挂车的精准控制，曲线路径追踪误差可控制在27.5 cm 以内。韩国相关学者发现驾驶拖拉机在水田行走过程中，存在轮胎打滑和转向难的问题，对此进行了分析研究，根据预瞄追踪理论，开发出一种智能引导控制器，该控制器可以实现拖拉机在水田中直线行驶和自主转向[14-26]。

1.1 凯斯纽荷兰无人驾驶拖拉机

2016 第六届国际现代农业博览会上，凯斯纽荷兰推出一款无操控室新概念拖拉机，如图1 所示。车身极具科幻感，完全抛弃拖拉机传统设计模型，无驾驶室，引出无人驾驶拖拉机设计新思路。拖拉机的工作流程从农田边界信息录入系统开始，使用路径规划系统为拖拉机规划绘制有效的农田作业路径。等待路径绘制完成，用户只需将拖拉机驶出，即可开始执行预定任务，整个过程只需30 s。传感器判断出拖拉机行走的路径上有障碍物，主控界面将进行障碍物的模型展示并发出声音警告提示，同时操控界面上显示做出何种反应的提示：等待人为干预、人工或自动避障，或在判断障碍物为无危险的情况下，可继续进行农业作业[27-28]。

1.2 约翰迪尔无人驾驶拖拉机

2022 年1 月，在美国举办的CES 2022 展会上，约翰迪尔发布了一款可实现量产的无人驾驶拖拉机，如图2 所示。该无人驾驶设备拥有完全的自主知识产权，在借鉴机器人和汽车自动驾驶技术的基础之上，整合8R 拖拉机技术，开创性地使用6 个高清智能摄像机，结合先进的图像识别技术，用来感知拖拉机周围的环境信息，自主决策判断、自主导航。当用户给出一条路线和一个坐标时，它就可以自己找到通向农田的道路，然后在没有指示的情况下进行农田作业，并在行进中避开障碍物，用户也可以通过智能手机应用程序下达作业指令，实现全工况无人作业[29-30]。

图2 约翰迪尔无人驾驶拖拉机

2 国内无人驾驶拖拉机发展现状

近年来，中国农业大学、西北农林科技大学、华南农业大学等科研单位对无人驾驶拖拉机相关技术进行了研究，并取得了一系列可喜可贺的研究成果[31]。

2005 年，毛恩荣团队在铁牛654 型拖拉机的基础上，设计出一套拖拉机智能驾驶辅助控制系统。2017年，张硕团队研究了拖拉机的行走速度与导航系统之间所存在的关系，开发出一款自动导航控制器，并在雷沃拖拉机上进行了导航试验，试验数据结果显示，该控制器能实现不同行走速度下拖拉机的直线路径跟踪控制。2022年，吴才聪团队联合北京农业机械推广站成功研发出一款无人驾驶拖拉机，该无人驾驶拖拉机结合北斗高精定位、总线控制、环境感知、全场景路径规划和高精地图等技术，不仅能实现自主规划路线、自主掉头、自动升降机具，还具有作业监测、轨迹查询等功能。该无人驾驶拖拉机采取电控无级变速模式，具有作业精准、平稳、节油、高效等特点[32-40]。

西北农林科技大学科研团队以三菱2501D 型拖拉机为原型，开发出了一款自适应转向控制系统，拖拉机成功进行了直线与曲线行驶的自动追踪控制试验。2010 年，陈军团队以福田欧豹4040 型拖拉机为原型，在此基础上进行电控化改造，首次采用激光扫描仪的方式，实时感知拖拉机在果园行走时周围的环境信息，实现在果园内的自动导航控制，但是该无人驾驶拖拉机仅能实现直线作业路径导航。2012 年，陈军团队采用二次曲线拟合方法规划出拖拉机在果园内的曲线导航路径，研究出综合路况模式路径导航控制器。2022 年，西安合众思壮导航技术有限公司与西北农林科技大学共同建设的“北斗无人驾驶实验室”挂牌成立，采取产学研用模式，拟在无人驾驶拖拉机自主控制导航、路径规划、环境感知及数据通信等多方面展开合作，以攻克无人驾驶拖拉机所面临的技术难题[41-42]。

2012 年，福田雷沃重工在中国国际农业机械展览会上正式发布了一款无人驾驶拖拉机，该拖拉机所搭载的“农业机械导航及自动作业系统”由华南农业大学罗锡文院士与福田雷沃重工合作研发而成。“农业机械导航及自动作业系统”采用欧美自动导航技术，结合国内农业具体情况，充分借鉴国外发达国家农业机械的研究方法，整机结构采取三维设计方法，集电控液压自动转向、作业机具自动升降、油门开度自动调节、紧急停车等多项智能化功能为一体。该无人驾驶拖拉机可将直线追踪导航精度控制在5 cm 以内，自动对行精度控制在10 cm 以内，转向偏角精度控制在1°以内，满足了拖拉机自动化控制需求，实现了播种、施肥、喷药等精细化作业，极大地提高了农业作业效率及标准化作业水平[43-45]。雷沃重工无人驾驶拖拉机如图3所示。

图3 雷沃重工无人驾驶拖拉机

3 无人驾驶拖拉机发展中存在的问题

近年来，无人农场、农机小镇在各地四处开花，农机深松作业监测、农业无人机植保、农机无人驾驶、收获产量监测、农机管理信息系统等智能化装备在农业生产中大量应用，智能化、无人化将是未来我国农机化发展的方向。但是目前国内针对无人化农机的研究依旧不足，相关核心技术难题待突破，仍有一些问题亟待解决[46]。

3.1 多传感器数据融合技术

无人驾驶拖拉机主要是通过各种传感器获取农机周围的环境信息并进行感知，感知信息不仅包括农机自身状态信息，如农机行走速度、轮偏角、车辆航向角等；而且还包括农田环境信息，如农田障碍物、农田边界信息等。各个独立的传感器所采集的数据只经过简单的数据分析处理，如何将各传感器采集的数据进行整体性融合分析，是现阶段面临的技术难题之一。目前，虽然数据融合技术发展取得了一些值得肯定的成就，但是现在所存在的数据处理方法差异较大，不能形成一套行之有效的基础理论体系及融合算法，大多是针对各自行业的特定需求展开的具体研究，不能形成通用的技术标准[12,46-47]。开展对多传感器数据融合技术的研究，提出完整的数据融合理论，可为无人驾驶拖拉机的环境感知判断提供更可靠的理论基础。

3.2 路径跟踪技术

自动导航技术是无人驾驶拖拉机实现精准农业的重要组成部分之一，路径跟踪与自动转向控制是实现自主导航的核心，包括目标路径信息与拖拉机的位姿信息分析，通过路径跟踪控制算法分析驱动轮理想转向角，基于自动转向控制器控制方法，使驱动轮按照理想转向角进行转向，控制拖拉机按照最优作业路径行走。但是拖拉机在农田行走时会面临各种环境因素干扰，且拖拉机行走会受到农田路况的影响，很难建立符合实际的运动模型，而且针对载体所处环境特性进行的稳定性方面的研究也略显薄微[48]。因此，对路径跟踪控制技术的研究是未来无人驾驶拖拉机的研究重点。

3.3 路径规划决策技术

路径规划是否准确合理，将直接决定拖拉机在农田的作业效果。国内对丘陵山区小地块全局路径规划的研究略显不足，大多是针对区域性的规则地块进行研究，未推出一种高效的、通用的全局路径规划算法。现阶段针对无人驾驶局部路径规划所采用的比较广泛的方法有最短切法、圆弧避障法、五次多项式函数法等，基本上都未考虑到拖拉机存在最小转弯半径和作业地块的影响，且存在避障策略过于单一的问题，只是针对静态障碍物进行分析，缺乏针对不同障碍物应采取不同避障策略的研究方法，未形成系统性的局部路径规划算法[49-53]。开展路径规划研究，可形成较为完整的农机路径作业方式，对无人驾驶拖拉机作业效率的提高起着决定性作用。

3.4 自动控制技术

自动控制技术主要包括自动转向、驱动和制动三个子系统，自动控制系统需要具备平稳性、精准性和高效性特征。目前，从硬件角度来看，GPS 接收机及其内部芯片技术高度依赖进口，国内拥有自主产权的产品品种少，国内导航系统一般借用外国核心零部件，在此基础上组装成产品，产品也缺乏系统性的售后服务支持。从软件角度分析，目前国内缺乏对无人驾驶拖拉机控制数据通信的研究，国内无人驾驶拖拉机大多采用线束形式进行数据传输，未采用CAN 通信方法，存在数据延时的问题[54-64]。参考无人驾驶汽车整车控制系统，建立无人驾驶拖拉机的整车控制系统也将成为日后研究的热点。

4 无人驾驶拖拉机未来发展趋势

从目前国内无人驾驶拖拉机发展形势来看，在国家大力支持农业发展的背景下，农业现代化和机械化已经成为当下农业发展不可阻挡的趋势。随着新能源技术、智能识别技术、传感器技术、车联网技术、定位导航与通信技术等前沿技术的高速发展，无人驾驶拖拉机行业将会发生翻天覆地的变化，且不可逆转。无人驾驶拖拉机未来发展趋势主要体现在以下几个方面：

1）农业农村部等多部委多次提出将“环保型农用动力”列为重点发展主机产品，未来采用新能源动力模式的无人驾驶拖拉机将得到更大力度的政策支持，具有巨大的产业化发展优势。

2）各种传感器数据同步、融合处理方法进一步深化，有一套完整的数据融合基础理论体系，开展针对稳定性及准确性的数据融合算法研究，无人驾驶拖拉机在图像处理、智能预警等方面的技术水平将得到极大的提高。

3）定位导航技术进一步发展，导航精度、稳定性方面的技术趋于成熟，攻克驾驶路径跟踪与控制算法方面所面临的难题，全局路径与局部路径规划提出新的算法策略，算法兼容性取得新的突破。无人驾驶拖拉机可依据农田环境因素，自主完成分析、避障、路径规划、警示提醒，不再需要人为干预。

4）信息化程度得到提高，随着我国“数字化”阶段的到来，大数据和物联网技术已成为拖拉机信息化关键技术，将成为未来拖拉机技术发展的新亮点和新方向，未来用一部手机即可操控一台或多台无人驾驶拖拉机进行农田作业。无人驾驶拖拉机如有故障，故障信息也会及时上传到手机上，并及时预警。

5）无驾驶室化将成为现实，未来的无人驾驶拖拉机各项技术趋于成熟，不再需要人工的干预，整机设计将会更富有动态的外观线条，驾驶室被完全摒弃。

5 结语

综上所述，无人驾驶拖拉机是未来农业机械发展的主流方向，有着广阔的发展空间。“十四五”期间，国家加大了对无人驾驶拖拉机技术研发方面的财政支持力度，必将促使我国无人驾驶拖拉机的研究进入一个快速发展的阶段。未来，随着技术的不断进步，智能农机装备将会越来越多，农用拖拉机朝着无人化、智能化及信息化方向发展是重要趋势，将助力农业生产效率的提升和农产品质量的改善。