印 祥，安家豪，王艷鑫，王應(yīng)寬,2，金誠(chéng)謙,3※

（1. 山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，淄博 255000；2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100125； 3. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京 210000）

0 引言

隨著衛(wèi)星定位、自動(dòng)導(dǎo)航、機(jī)電液融合控制等技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的深入應(yīng)用，農(nóng)業(yè)機(jī)械的自動(dòng)化和智能化水平不斷提高。具備自動(dòng)導(dǎo)航和自動(dòng)駕駛的智能農(nóng)機(jī)裝備已經(jīng)開始應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，在保證田間作業(yè)質(zhì)量的同時(shí)減輕了工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度，代表著未來農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向[1-3]。

農(nóng)業(yè)機(jī)械在田間行駛的同時(shí)需要完成既定的作業(yè)任務(wù)，即實(shí)現(xiàn)行走底盤和作業(yè)機(jī)構(gòu)的一體化控制。在自動(dòng)駕駛作業(yè)過程中，需要以機(jī)具路徑跟蹤為研究對(duì)象進(jìn)行實(shí)時(shí)定位與導(dǎo)航控制[4-5]。黎永鍵等[6-10]以實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Real-Time Kinematic Global Navigation Satellite System, RTK-GNSS）和慣性測(cè)量單元（Inertial Measurement Unit, IMU）作為導(dǎo)航傳感器開發(fā)具備自動(dòng)行走與機(jī)具控制的拖拉機(jī)、高地隙施藥機(jī)、聯(lián)合收獲機(jī)、插秧機(jī)。

高地隙施藥機(jī)作為一種高效的田間管理農(nóng)業(yè)機(jī)械，主要用于液態(tài)農(nóng)藥和化肥的噴施。其自動(dòng)駕駛系統(tǒng)主要包括導(dǎo)航控制系統(tǒng)、遙控操作系統(tǒng)、行走控制系統(tǒng)和噴藥控制系統(tǒng)等4個(gè)子系統(tǒng)。在導(dǎo)航控制系統(tǒng)研究方面，許多研究人員針對(duì)輪式農(nóng)田車輛的路徑跟蹤建立了車輛運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型、導(dǎo)航誤差計(jì)算方法和跟蹤控制算法，設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)向控制器和導(dǎo)航控制器，在水平路面上的直線路徑跟蹤誤差小于5 cm，田間試驗(yàn)路徑跟蹤誤差均小于10 cm[11-15]。自動(dòng)駕駛高地隙施藥機(jī)的行走控制功能主要包括自動(dòng)轉(zhuǎn)向、速度自動(dòng)調(diào)節(jié)和油門自動(dòng)控制。楊洋等[16-18]采用多種型式的電機(jī)及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)替代原車方向盤，通過控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度和旋轉(zhuǎn)方向?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)向輪的角度偏轉(zhuǎn)。在噴藥控制方面，蔣煥煜等[19-21]采用基于機(jī)器行駛速度或作物空間變異的精量噴霧控制方法，調(diào)節(jié)電控流量閥的出口開度或脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation, PWM）噴頭的占空比以達(dá)到施藥量的自動(dòng)控制。

從以上分析可以看出，在農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)導(dǎo)航、電動(dòng)自動(dòng)轉(zhuǎn)向、精量施藥等方面已經(jīng)具備較為成熟的技術(shù)和產(chǎn)品，其中的各個(gè)產(chǎn)品均具備獨(dú)立的操作系統(tǒng)和通信協(xié)議。對(duì)于一個(gè)完整的自動(dòng)駕駛作業(yè)機(jī)組，要實(shí)現(xiàn)自主行走、精量作業(yè)等功能的集成控制，打破各個(gè)子系統(tǒng)間的軟硬件技術(shù)壁壘，就必須解決操控機(jī)構(gòu)自動(dòng)化及軟硬件標(biāo)準(zhǔn)化的問題。在高地隙施藥機(jī)的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)研究方面，需要考慮上述各個(gè)子系統(tǒng)的融合控制、自動(dòng)導(dǎo)航和遙控操作2種模式間的切換、各子系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交換以及整機(jī)性能的優(yōu)化。

為提高田間施藥的作業(yè)效率和質(zhì)量、有效應(yīng)對(duì)勞動(dòng)人員農(nóng)藥中毒的潛在風(fēng)險(xiǎn)，本研究以高地隙施藥機(jī)自動(dòng)駕駛為研究對(duì)象，開展以自主行走與執(zhí)行機(jī)構(gòu)自動(dòng)控制為核心的多系統(tǒng)融合控制研究?；谧灾餮邪l(fā)的電動(dòng)自動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)、油門調(diào)節(jié)器和靜液壓傳動(dòng)（Hydro-Static Transmission, HST）調(diào)節(jié)器，建立適用于高地隙施藥機(jī)的自動(dòng)控制策略、傾斜補(bǔ)償方法、路徑規(guī)劃方法和噴霧控制方法，實(shí)現(xiàn)高地隙施藥機(jī)的自動(dòng)駕駛。

1 高地隙施藥自動(dòng)駕駛系統(tǒng)組成

自動(dòng)駕駛高地隙施藥系統(tǒng)以山東華盛中天機(jī)械集團(tuán)股份有限公司的3WP-500G噴桿噴霧機(jī)為平臺(tái)，由行走控制系統(tǒng)、噴霧控制系統(tǒng)、導(dǎo)航控制系統(tǒng)、遙控處理模塊、自動(dòng)駕駛地面站組成，如圖1所示。其中，噴桿噴霧機(jī)的性能參數(shù)如表1所示。導(dǎo)航控制系統(tǒng)和遙控處理模塊同時(shí)接收自動(dòng)駕駛地面站的操控信號(hào)，將控制指令發(fā)布至CAN總線，行走控制系統(tǒng)和噴霧控制系統(tǒng)接收并執(zhí)行CAN總線指令。

表1 華盛3WP-500G噴桿噴霧機(jī)主要技術(shù)指標(biāo) Table 1 Main technical index of Huasheng 3WP-500G sprayer

高地隙施藥機(jī)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)所使用的平臺(tái)具備全液壓助力轉(zhuǎn)向器、HST驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、拉線式的無(wú)級(jí)變速器、油門調(diào)節(jié)器和制動(dòng)裝置，其三段噴桿的升降和伸縮均采用電磁換向閥控制，液泵輸入軸通過電磁離合器與發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸聯(lián)接。噴霧控制系統(tǒng)采用寧波市力成農(nóng)用噴霧技術(shù)有限公司的三段式噴霧閥組，能夠根據(jù)行駛車速實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)流量閥的開口大小以保證施藥量的均勻一致，如圖2所示。

導(dǎo)航控制系統(tǒng)采用基于天寶定位板卡BD982和RTX差分服務(wù)的雙天線定位定向接收機(jī)和VectorNav的慣性測(cè)量單元VN100作為導(dǎo)航傳感器。導(dǎo)航控制器由山東理工大學(xué)自主研發(fā)[15]，用以接收位置和姿態(tài)信息、運(yùn)行數(shù)據(jù)處理和導(dǎo)航算法，并向行走控制系統(tǒng)和噴霧控制系統(tǒng)發(fā)送指令數(shù)據(jù)。

自動(dòng)駕駛地面站通過收發(fā)電臺(tái)與導(dǎo)航控制系統(tǒng)、遙控處理模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，其導(dǎo)航操控終端與導(dǎo)航控制系統(tǒng)遠(yuǎn)程連接，進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、路徑規(guī)劃、過程監(jiān)控等導(dǎo)航操作。遙控器與遙控接收機(jī)無(wú)線連接，接收機(jī)的輸出信號(hào)由信號(hào)預(yù)處理器負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)換并發(fā)布至CAN總線上。

根據(jù)高地隙施藥機(jī)的行走操作機(jī)構(gòu)、噴霧閥組的動(dòng)作原理、自動(dòng)駕駛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能，本研究在設(shè)計(jì)自動(dòng)操控機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上制定了CAN總線通信控制協(xié)議，并針對(duì)高地隙施藥機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航需求提出基于傾斜補(bǔ)償?shù)亩ㄎ徽`差校正方法、適用于寬幅作業(yè)的路徑規(guī)劃方法以及相對(duì)安裝位置自動(dòng)標(biāo)定方法。

2 高地隙施藥機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高地隙施藥機(jī)的自動(dòng)控制包括行走控制和噴霧控制兩部分。在行走控制方面，因變速、油門、制動(dòng)等機(jī)構(gòu)均采用拉線式，在此以自動(dòng)油門裝置設(shè)計(jì)為例介紹其結(jié)構(gòu)和工作原理。自動(dòng)轉(zhuǎn)向裝置采用低成本的普通直流無(wú)刷電機(jī)，進(jìn)行轉(zhuǎn)向控制器設(shè)計(jì)。

2.1 自動(dòng)油門裝置

自動(dòng)油門裝置用于實(shí)時(shí)接收操作指令，根據(jù)指令數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)油門大小。薛金林等[22]針對(duì)拖拉機(jī)油門踏板的動(dòng)作過程設(shè)計(jì)了基于電動(dòng)推桿的油門調(diào)節(jié)裝置，用編碼器檢測(cè)并反饋油門開度。本研究中的高地隙施藥機(jī)采用拉線式油門通過操作手柄調(diào)節(jié)其大小，如圖3所示。

自動(dòng)油門裝置由油門電子控制單元（Electronic Control Unit, ECU）、WDD35D旋轉(zhuǎn)電位計(jì)、減速電機(jī)、拉線輪組成，主要工作部件的性能參數(shù)如表2所示。

表2 自動(dòng)油門裝置主要部件參數(shù) Table 2 Values of main components of automatic throttle mechanism

油門拉線的一端固定并繞在拉線輪上，拉線輪在減速電機(jī)帶動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)以改變油門大小。旋轉(zhuǎn)電位計(jì)的輸入軸隨拉線輪轉(zhuǎn)動(dòng)以測(cè)量拉線輪的旋轉(zhuǎn)位置。油門ECU以PIC18F258處理器為核心，由PCA82C250提供CAN總線物理接口，由4個(gè)CMOS功率管的通斷組合控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，其接線原理如圖4所示。

當(dāng)C0高電平、C1低電平時(shí)，S1和S4導(dǎo)通，減速電機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)C0低電平、C1高電平時(shí)，S2和S3導(dǎo)通，減速電機(jī)反轉(zhuǎn)。油門ECU通過A/D轉(zhuǎn)換端口A0實(shí)時(shí)讀取電位計(jì)反饋的數(shù)值，將此數(shù)值與CAN總線上的油門指令進(jìn)行比較，通過端口C0、C1的高底電平控制MOS管開關(guān)S1、S2、S3、S4的通斷，使減速電機(jī)帶動(dòng)拉線輪旋轉(zhuǎn)至期望位置。

自動(dòng)變速裝置通過拉線調(diào)節(jié)靜液壓傳動(dòng)（Hydro-Static Transmission，HST）轉(zhuǎn)臂的位置，而自動(dòng)制動(dòng)裝置通過拉線壓緊制動(dòng)器的定盤和動(dòng)盤。除拉線行程不同外，其結(jié)構(gòu)和工作過程均與自動(dòng)油門裝置相同。在實(shí)際安裝使用時(shí)，需根據(jù)拉線的極限位置確定拉線輪的旋轉(zhuǎn)角度范圍。

2.2 自動(dòng)轉(zhuǎn)向裝置

自動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)根據(jù)轉(zhuǎn)向指令將導(dǎo)向輪旋轉(zhuǎn)至期望角度。楊洋等[16,23]采用直流電機(jī)帶動(dòng)全液壓助力轉(zhuǎn)向器的方式實(shí)現(xiàn)了高速插秧機(jī)等農(nóng)業(yè)機(jī)械的自動(dòng)轉(zhuǎn)向，針對(duì)電機(jī)工作原理、控制方式和通信協(xié)議開發(fā)了轉(zhuǎn)向控制器。其系統(tǒng)的工作性能、輸出扭矩和集成應(yīng)用受限于廠家提供的電機(jī)結(jié)構(gòu)和通信協(xié)議，無(wú)法滿足自動(dòng)駕駛高地隙施藥機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)向裝置兼容性的功能需求。

本文開發(fā)的自動(dòng)轉(zhuǎn)向裝置由轉(zhuǎn)向電機(jī)、轉(zhuǎn)向控制器、角度傳感器組成。轉(zhuǎn)向電機(jī)由12V、100W的直流無(wú)刷電機(jī)和速比為40的減速器組成，其輸出扭矩和轉(zhuǎn)速的額定值分別為10 N·m和80 r/min，如圖5所示。轉(zhuǎn)向電機(jī)為空心軸輸出，輸出軸的下端與液壓轉(zhuǎn)向器聯(lián)接，上端與方向盤聯(lián)接以便于觀察轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的動(dòng)作。角度傳感器用于測(cè)量轉(zhuǎn)向輪的偏轉(zhuǎn)角度，以模擬電壓形式反饋至轉(zhuǎn)向控制器。

轉(zhuǎn)向控制器由轉(zhuǎn)向控制模塊和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器組成，轉(zhuǎn)向控制模塊以PIC18F258為核心處理器，接收CAN總線上的轉(zhuǎn)向指令，讀取角度傳感器的測(cè)量值，控制減速電機(jī)帶動(dòng)全液壓轉(zhuǎn)向器動(dòng)作，使轉(zhuǎn)向輪旋轉(zhuǎn)至期望角度，其工作原理如圖6所示。

2.3 精量噴霧控制器

針對(duì)噴霧閥組中流量閥的執(zhí)行機(jī)構(gòu)及其特性，設(shè)計(jì)了如圖7所示的精量噴霧控制器，包括PIC18F258單片機(jī)及外圍電路、CAN總線物理芯片PCA82C250、L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。

精量噴霧控制器接收CAN總線上的速度信息和期望流量值，通過端口C0、C1、C2控制流量閥電機(jī)的動(dòng)作以調(diào)節(jié)其開口大小從而改變藥液流量。

2.4 CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)

自動(dòng)駕駛高地隙施藥機(jī)具備油門、車速、剎車、噴桿、液泵、精量噴霧、發(fā)動(dòng)機(jī)啟停等多個(gè)控制裝置的ECU，均需接收導(dǎo)航系統(tǒng)和遙控裝置的控制指令。為便于ECU間的數(shù)據(jù)傳輸，設(shè)計(jì)了圖8所示的CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)，具備不同ID的所有節(jié)點(diǎn)均可收發(fā)CAN總線信息。

人工遙控/自動(dòng)導(dǎo)航2種控制模式間的切換由遙控操作系統(tǒng)進(jìn)行決定，各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的ECU接收導(dǎo)航控制系統(tǒng)和遙控操作系統(tǒng)發(fā)布的CAN總線控制指令（油門、車速、轉(zhuǎn)向、剎車、噴桿伸縮與升降、液泵啟停、發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)/熄火等）并根據(jù)控制模式和節(jié)點(diǎn)ID選擇執(zhí)行相應(yīng)的CAN總線控制指令。

3 導(dǎo)航控制方法

3.1 定位誤差校正

自動(dòng)駕駛高地隙施藥機(jī)為自走式農(nóng)業(yè)機(jī)械，整機(jī)質(zhì)量1 300 kg，輪胎寬度12 mm。與拖拉機(jī)、聯(lián)合收獲機(jī)相比，其質(zhì)量較小、胎面較窄，受田間地面起伏的影響極易發(fā)生傾斜。底盤最小離地間隙為1 100 mm，GNSS天線固定位置的離地高度為2.46 m，在左右傾斜（即橫滾角）1°時(shí)天線偏離誤差達(dá)40 mm，在作業(yè)過程中需要實(shí)時(shí)感知車體的傾斜角度以進(jìn)行定位測(cè)量誤差校正，如圖9所示。

He等[24]基于三維姿態(tài)傳感器測(cè)量插秧機(jī)的空間姿態(tài)，并根據(jù)RTK定位系統(tǒng)測(cè)量得到的位置數(shù)據(jù)計(jì)算插秧機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置，以消除機(jī)體傾斜引起的定位誤差。其在計(jì)算過程中，需要精確測(cè)量天線與機(jī)體、機(jī)體與插秧部的相對(duì)位置。而對(duì)于不同機(jī)型，實(shí)際相對(duì)測(cè)量精度難以保證。在直線導(dǎo)航過程中，在一定傾斜范圍內(nèi)機(jī)體的橫滾角對(duì)橫向偏差影響最大、對(duì)航向角的影響可忽略，而俯仰角對(duì)橫向偏差和航向角測(cè)量的影響可以忽略。因此，本研究在考慮橫滾角的前提下，只需測(cè)量天線中心位置與機(jī)具中心的相對(duì)距離，便于導(dǎo)航系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)的快速安裝使用。

定位天線和定向天線分別安裝于機(jī)器的左右兩側(cè)，以垂直于地面的天線所在平面、車體中心線、地面三者的交點(diǎn)位置作為機(jī)器的實(shí)際位置，則在車體橫向平面內(nèi)定位天線與重心O的橫向距離ε為：

其中，

根據(jù)Δδ的值可以判斷點(diǎn)AL相對(duì)于車體中心線的位置。當(dāng)AL位于車體中心線的左側(cè)和右側(cè)時(shí)，矢量ALO的方向角ΨA分別如式（3）和（4）所示。

式中ΨV為RTK-GNSS車體航向角，以UTM平面坐標(biāo)系的正北為基準(zhǔn)。點(diǎn)O的平面坐標(biāo)（EO，NO）由AL坐標(biāo)（EA，NA）按式（5）計(jì)算。

3.2 作業(yè)路徑規(guī)劃

自動(dòng)駕駛高地隙施藥機(jī)在自動(dòng)導(dǎo)航模式下，能夠按照路徑規(guī)劃完成直線自動(dòng)行駛、地頭自動(dòng)調(diào)頭、自動(dòng)上線等基本動(dòng)作。在水平路面上的最小轉(zhuǎn)彎半徑R是3.5 m，噴幅W是12 m，按照矩形地頭轉(zhuǎn)彎方式進(jìn)行路徑規(guī)劃，如圖10所示。

當(dāng)機(jī)器到達(dá)點(diǎn)A后開始執(zhí)行地頭調(diào)頭過程，以最小轉(zhuǎn)彎半徑轉(zhuǎn)彎至點(diǎn)B后沿直線行駛至點(diǎn)C，然后以最小轉(zhuǎn)彎半徑到達(dá)點(diǎn)D，接著沿下一作業(yè)路徑繼續(xù)直線作業(yè)。在自動(dòng)導(dǎo)航過程中機(jī)器一直處于行駛狀態(tài)，因?qū)Ш秸`差和位置測(cè)量采樣間隔的存在，機(jī)器不可能經(jīng)過點(diǎn)A。因此，需要綜合考慮以上因素判斷機(jī)器是否到達(dá)地頭。在采樣頻率足夠大、導(dǎo)航精度較高的情況下，機(jī)器以較小的橫向偏差經(jīng)過點(diǎn)A，按公式（6）計(jì)算當(dāng)前位置測(cè)量點(diǎn)E與點(diǎn)A的距離d。

式中η為機(jī)器當(dāng)前位置E的平面坐標(biāo)；ηA為點(diǎn)A的平面位置坐標(biāo)。當(dāng)距離d小于設(shè)定值時(shí)，即判斷為到達(dá)地頭。在導(dǎo)航精度較差的情況下，因橫向偏差較大，距離d不會(huì)小于設(shè)定值，采用如下方法計(jì)算夾角α：

若α>90°，即判斷機(jī)器到達(dá)地頭。

在實(shí)際作業(yè)過程，因作業(yè)地塊土質(zhì)差異和機(jī)器自重變化，其最小轉(zhuǎn)彎半徑有所不同。為保證地頭調(diào)頭時(shí)路徑跟蹤的準(zhǔn)確性、調(diào)頭后上線的快速精準(zhǔn)，在作業(yè)過程中實(shí)時(shí)測(cè)量最小轉(zhuǎn)彎半徑R。

在機(jī)器到達(dá)點(diǎn)B后，根據(jù)半徑R的大小由公式（9）和（10）分別計(jì)算點(diǎn)B和點(diǎn)C的平面坐標(biāo)（EB，NB）和（EC，NC），以生成導(dǎo)航路徑并使機(jī)器沿路徑BC自動(dòng)行駛。

矢量的方向角ΨAB和ΨAC由公式（12）計(jì)算。

3.3 關(guān)鍵參數(shù)自動(dòng)標(biāo)定

因機(jī)體結(jié)構(gòu)尺寸不同、安裝過程存在一定的隨機(jī)性，導(dǎo)航傳感器在自動(dòng)駕駛高地隙施藥機(jī)上的固定位置有所差異，需要事先對(duì)與導(dǎo)航控制相關(guān)的多個(gè)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，主要包括航向、姿態(tài)、轉(zhuǎn)向角度極限位置、直線行駛前輪角度等。其中，航向的準(zhǔn)確測(cè)量受定位天線和定向天線安裝位置的影響，且需要在機(jī)器行駛過程中進(jìn)行標(biāo)定。

如圖11所示，航向自動(dòng)標(biāo)定過程中，機(jī)器從η0開始以固定的轉(zhuǎn)向角前進(jìn)，同時(shí)記錄RTK-GNSS測(cè)量的位置序列和航向序列，計(jì)算行駛距離d0：

當(dāng)d0大于行駛距離設(shè)定值時(shí)，航向角變化值ΔΨ為：

式中Ψ和Ψ0分別為機(jī)器在η和η0時(shí)的航向角，(°)。若ΔΨ小于航向角變化設(shè)定值1.5°，則認(rèn)為機(jī)器直線行駛，此時(shí)機(jī)器實(shí)際航向角ΨV由公式（15）計(jì)算。

其中（E0，N0）和（E，N）分別為位置η0和η的UTM平面坐標(biāo)。在位置η時(shí)的航向測(cè)量值為Ψm，測(cè)量航向偏差為

則在標(biāo)定后的航向角為

同時(shí)，記錄位置η處的角度傳感器的測(cè)量值φ0，即為機(jī)器直線行駛時(shí)的前輪角度。在自動(dòng)轉(zhuǎn)向過程中，轉(zhuǎn)向控制器以φ0值為直線行駛基準(zhǔn)，根據(jù)轉(zhuǎn)向指令計(jì)算前輪的目標(biāo)角度。

4 田間試驗(yàn)

為了測(cè)試人工遙控和自動(dòng)導(dǎo)航2種操作模式下的系統(tǒng)穩(wěn)定性和路徑跟蹤精度，于2020年9月在山東省淄博市山東理工大學(xué)生態(tài)無(wú)人農(nóng)場(chǎng)進(jìn)行田間試驗(yàn)。

4.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)地塊的前茬作物是青貯玉米，行距60 cm，青貯收獲后的留茬高度20～25 cm，如圖12所示。

試驗(yàn)區(qū)域?yàn)?0 m×30 m，在人工遙控和自動(dòng)導(dǎo)航2種模式下的直線行駛和地頭轉(zhuǎn)彎分別重復(fù)3次，用車體上安裝的VectorNav VN-100型IMU測(cè)得田間行駛時(shí)的橫滾角范圍是-3.5°～+3.5°。

4.2 試驗(yàn)方法

自動(dòng)駕駛高地隙施藥機(jī)的作業(yè)幅寬是12 m，作業(yè)路徑為直線，采用矩形地頭轉(zhuǎn)彎方式。人工遙控和自動(dòng)導(dǎo)航時(shí)的測(cè)試速度均為3.6 km/h。

如圖13所示，用RTK-GNSS測(cè)量作業(yè)區(qū)域中A0、B0兩點(diǎn)的坐標(biāo)（588 536.219，4 073 823.937）、（588 587.175，4 073 817.858），用拉直的軟繩標(biāo)記出基準(zhǔn)行A0B0及相鄰行A1B1為人工遙控操作提供參考。為避免標(biāo)記路線與實(shí)際行駛路徑重合不便于人工操作，設(shè)置50 cm的左側(cè)偏移量使目標(biāo)路徑與規(guī)劃路徑橫向偏移50 cm。自動(dòng)駕駛高地隙施藥機(jī)從點(diǎn)A0開始啟動(dòng)作業(yè)，行駛路線為A0→B0、B1→A1，到達(dá)邊界時(shí)進(jìn)行地頭轉(zhuǎn)彎后進(jìn)入鄰接行繼續(xù)作業(yè)。在人工遙控模式下，操作人員跟隨機(jī)器移動(dòng)的同時(shí)使用遙控器控制機(jī)器的動(dòng)作使其沿軟繩標(biāo)記出的直線作業(yè)行前進(jìn)，用RTK-GNSS記錄行駛路徑并計(jì)算橫向偏差和航向偏差。在自動(dòng)導(dǎo)航模式下，導(dǎo)航控制器向機(jī)器各ECU發(fā)送指令實(shí)現(xiàn)路徑自動(dòng)跟蹤等動(dòng)作，自動(dòng)完成地頭轉(zhuǎn)彎并進(jìn)入下一直線作業(yè)行。

4.3 結(jié)果與分析

圖14 為人工遙控和自動(dòng)導(dǎo)航2種模式下的實(shí)際行駛路徑與規(guī)劃路徑對(duì)比。在人工遙控模式下，由人工操作遙控器使自動(dòng)駕駛高地隙施藥機(jī)從點(diǎn)C0（588 541.066，4 073 824.061）出發(fā)沿目標(biāo)路徑A0B0和A1B1。在自動(dòng)導(dǎo)航模式下，自動(dòng)駕駛高地隙施藥機(jī)從點(diǎn)C0（588 540.798，4 073 824.147）出發(fā)，其初始橫向偏移和航向偏角分別為14 cm和4.4°，上線距離是2.2 m，橫向偏差和航向偏角收斂至平均值的距離是3.3 m。

在地頭轉(zhuǎn)彎控制方面，人工遙控模式下的轉(zhuǎn)彎過程存在一定的隨機(jī)性，在積累一定的作業(yè)經(jīng)驗(yàn)后操作人員能夠保證轉(zhuǎn)彎后的準(zhǔn)確快速上線。而自動(dòng)導(dǎo)航模式下的轉(zhuǎn)彎過程較為穩(wěn)定，能夠根據(jù)轉(zhuǎn)彎方式自動(dòng)完成調(diào)頭并準(zhǔn)確快速上線。人工遙控和自動(dòng)導(dǎo)航下的直線路徑跟蹤誤差如表3所示。

由表3中可知，人工遙控模式下直線路徑跟蹤的橫向偏差和航向偏角的最大值分別為20.81 cm和7.86°，RMS誤差最大值分別為7.47 cm和2.66°。橫向偏差在0附近波動(dòng)，平均值為0.02和0.90 cm，表明操作人員能夠感知到較大偏離并及時(shí)操控機(jī)器做出響應(yīng)，同時(shí)表明自動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)執(zhí)行人工遙控操作指令將轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)至目標(biāo)角度，轉(zhuǎn)向響應(yīng)特性和準(zhǔn)確度均滿足作業(yè)要求。自動(dòng)導(dǎo)航模式下直線路徑跟蹤的橫向偏差和航向偏角的最大值分別為8.84 cm和2.48°，直線作業(yè)路徑的RMS誤差最大值分別為4.66 cm和1.08°。由人工遙控和自動(dòng)導(dǎo)航兩種模式下的數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，自動(dòng)導(dǎo)航模式下路徑跟蹤的RMS誤差值均小于人工遙控模式下的誤差值，具備較高的路徑跟蹤精度。同文獻(xiàn)[7]所研制的噴桿噴霧機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)在旱田條件下的試驗(yàn)結(jié)果相比，其最大橫向偏差和最大RMS誤差均較小，能夠滿足噴霧作業(yè)要求。因此，在自動(dòng)導(dǎo)航模式下所研制的高地隙施藥機(jī)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)具備快速收斂性且保持較高的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度。而人工遙控模式下，需要操作人員兼顧橫向偏差和航向偏角的同時(shí)自行確定前輪轉(zhuǎn)向角的大小，且航向偏角較小時(shí)肉眼難以感知導(dǎo)致誤差過大且不穩(wěn)定。

表3 人工遙控和自動(dòng)導(dǎo)航模式下的路徑跟蹤誤差 Table 3 Path tracking errors under manual remote control and autonomous navigation

5 結(jié) 論

為提高施藥作業(yè)機(jī)械的自動(dòng)化和智能化程度，避免操作人員現(xiàn)場(chǎng)農(nóng)藥中毒等潛在風(fēng)險(xiǎn)，本文以高地隙施藥機(jī)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了操縱機(jī)械關(guān)鍵部件和自動(dòng)導(dǎo)航控制方法，并對(duì)高地隙施藥機(jī)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的田間作業(yè)性能進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，主要結(jié)論如下：

1）設(shè)計(jì)了用于油門調(diào)節(jié)、車速調(diào)節(jié)、自動(dòng)轉(zhuǎn)向、發(fā)動(dòng)機(jī)啟停、噴桿伸縮、液泵啟停的自動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制ECU和CAN總線通信控制系統(tǒng)，能夠接收人工遙控系統(tǒng)和自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)的控制指令，實(shí)現(xiàn)了作業(yè)模式的實(shí)時(shí)切換；

2）通過分析定位誤差來源，提出了傾斜誤差補(bǔ)償方法，根據(jù)天線安裝位置和車體橫滾角度實(shí)時(shí)解算機(jī)器的實(shí)際位置，能夠有效應(yīng)對(duì)田間地面起伏不平的作業(yè)狀態(tài)；

3）通過實(shí)時(shí)記錄轉(zhuǎn)彎過程計(jì)算最小轉(zhuǎn)彎半徑，進(jìn)行地頭轉(zhuǎn)彎過程中的直線路徑規(guī)劃，提高了地頭導(dǎo)航的準(zhǔn)確度，同時(shí)減小鄰接行的上線距離；

4）田間試驗(yàn)表明，作業(yè)速度為3.6 km/h時(shí)，人工遙控和自動(dòng)導(dǎo)航均能使機(jī)器沿作業(yè)路徑行駛；在有參考標(biāo)記的情況下，人工遙控和自動(dòng)導(dǎo)航的最大橫向偏差為20.81和8.84 cm，平均值為0.90和3.16 cm，均方根誤差最大為7.47和4.66 cm，表明高地隙施藥機(jī)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)具備較高的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度。