無人駕駛農業車輛技術的研究與應用

譚元杰，李宏鵬，王艷花，羅小全

（北京盛恒天寶科技有限公司，北京 100000）

隨著計算機技術、全球衛星定位系統[1]，智能控制[2]的發展，越來越多的技術被用于農業生產。智能化[3]、信息化[4]是農業機械發展的趨勢[5]。農業車輛的自動導航和無人駕駛是當前的熱門研究課題[6]，對實現精準農業、智能農業具有重要的意義。

在我國，車輛自動導航技術日益成熟，但無人駕駛技術還處在起步階段，需要更進一步地研究[7]。

1 系統組成及原理

無人駕駛技術是一種可以實現自主行駛的智能作業系統。無人駕駛技術通過整合傳統農業信息，集成地理信息系統、全球定位系統、傳感器技術和決策支持系統，使農業車輛不僅具備前進、后退、加速、減速、制動以及轉彎等常規的車輛駕駛功能，還具有路徑規劃、車輛控制等類人行為的人工智能。

無人駕駛系統是一個復雜的動態系統[8]，由相互聯系、相互作用的傳感系統、決策系統和執行系統和遠程遙控組成。

無人駕駛系統通過4G/5G 網絡把作業信息上傳到云端服務器，操作人員可以在手持遙控器、遠程監控平臺或者手機遙控app 上根據接收到的作業信息下達相應的指令，下達的指令通過無線網絡和云端服務器，下傳給車載顯示屏，車載顯示屏通過控制器控制執行機構執行相應的動作，從而達到車輛無人駕駛的目的。

車載顯示器、手持遙控器、遠程監控平臺和手機遙控app都和云端服務器雙向通信，協同工作。用戶可以根據自身需要，選擇一種或多種遠程遙控方式。當一個設備下達了指令，作業數據發生改變時，其他設備上的數據也會隨之修改。

2 系統架構

無人駕駛系統由車輛控制、路徑規劃、軌跡跟蹤、地形補償、遠程遙控、遠程監控、緊急停車等幾大部分組成。

2.1 車輛控制

車輛控制系統應具備前進、后退、加速、減速、制動等常規的車輛行駛功能。該系統由控制器接收各傳感器的反饋信號，結合控制策略，控制轉向機構和動力電機的運轉，改變拖拉機的行駛速度和行駛方向，實現車輛的加速、勻速、減速、制動、前進后退等一系列動作。

系統通過獲取發動機內置傳感器和外部傳感器的信息，實時監測行車狀態，反饋給控制器，控制器控制執行機構，實現車輛控制變速換向的閉環控制。

2.2 路徑規劃

無人駕駛系統具有作業區域的路徑規劃功能，可以根據地塊邊界規劃出合理的作業路徑。路徑規劃支持多種路徑指導模式，如平行線指導、曲線指導、自適應曲線、中心點環繞指導等模式。

規劃的路徑需滿足車輛轉向的要求[9]，轉彎半徑不小于車輛的最小轉彎半徑，同時要考慮不同農田作業對車輛行駛路徑的不同要求。路徑規劃系統具有數據存儲功能，支持地圖的顯示、縮放功能。GNSS 衛星定位系統獲取的車輛位置信息在地圖中實時顯示。

2.3 軌跡跟蹤

軌跡跟蹤以高精度全球衛星定位系統（GNSS） 為核心技術，通過轉向控制裝置和軌跡跟蹤控制算法自動修正方向盤，使車輛沿預定作業路徑自動跟蹤行走。

軌跡跟蹤系統分為液壓導航和方向盤導航[10]。液壓導航系統精度高，穩定性好；方向盤導航安裝便捷，不需要改變車輛原有的液壓系統。

軌跡跟蹤技術是通過接收機接收衛星定位和基準站位置信號，利用RTK 差分信號原理獲得車輛的精確位置，將補償后的位置信息與之前在電子地圖上已規劃好的路徑進行對比，得到偏差值，將偏差值處理后，通過車輛控制技術來控制無人駕駛車輛的行駛速度和方向，進而實現對農業車輛的軌跡跟蹤。利用顯示屏進行人機交互和路徑規劃，并通過轉向角度傳感器反饋信號實現車輛軌跡跟蹤的閉環控制。

軌跡跟蹤實時控制原理：根據作業需求系統自動進行路徑規劃。通過車輛上安裝的GNSS 衛星接收機，獲取車輛位置信息，計算出橫向偏差d，以及車輛與目標線夾角α。智能控制單元計算生成發動機和方向盤的動作量，通過執行機構的動作，實現作業線準確跟蹤。（見圖2）。

2.4 地形補償

地形補償技術可以提高車輛在有坡度或者崎嶇的地面上行走的直線精度，提高方向盤導航和液壓導航系統的準確性和效率，減少作業中的重疊或遺漏。地形補償技術的原理是利用陀螺儀和加速度計補償車輛的側傾、俯仰和偏航，使車輛在崎嶇地形上也能獲取準確的位置信息。無論車輛處于何種坡度，地形補償技術都會計算GPS 天線位置與車輛中心點在地面上的實際位置之間的差異，從而保證導航精度的準確性（見圖 3）。

2.5 遠程控制

無人駕駛系統通過4G/5G 網絡把車輛信息和作業信息傳給云端服務器，操作人員根據接收到的信息做出相應的動作，手持遙控器、遠程監控平臺或者手機遙控app 下達的命令通過無線網絡下傳給車載顯示屏，車載顯示屏通過控制器控制執行機構執行相應的動作，從而達到遠程控制的目的。傳感系統使控制形成了閉環精準控制。

2.6 遠程監控平臺

遠程監控平臺基于北斗衛星定位、網絡GIS、衛星遙感和移動通信等技術，面向農機服務組織與農機主管部門，可以幫助用戶高效工作，具有農機定位、監控、調度、管理和統計等功能。

系統結合C/S 開發模式，由客戶端和服務器組成，客戶端主要負責工作數據繪制與查看，服務器主要負責數據存儲與記錄，系統易維護、易操作，有良好的可移植性和用戶體驗。農機作業過程中的信息會自動發送到服務器，用戶可以在客戶端的系統管理平臺上查看車輛工作狀態、作業軌跡、作業時間、已作業面積、工作效率等信息。

遠程監控平臺的主要功能有：遠程遙控，用戶車輛信息管理，車輛位置追蹤，顯示車輛是否處于工作狀態；車輛工作軌跡和歷史軌跡；作業質量監控和分析等。當農機上安裝有攝像頭時，可以采集周圍的圖像信息并上傳到管理平臺。

2.7 緊急停車

無人駕駛系統上具有最高級別的控制權限的緊急停車功能，可以實現快速停車，避免車輛撞上水井、樹木、行人等障礙物。當車輛前方出現障礙物或行人，且與車輛的距離進入危險范圍時，應當使用緊急制動，確保行車安全。

3 總結及展望

綜上所述，該無人駕駛農業車輛控制系統把車輛控制、路徑規劃、軌跡跟蹤、地形補償、遠程遙控、遠程監控、緊急停車等幾項關鍵技術有機地結合起來，借助傳感器和執行機構，實現農業車輛的無人駕駛。為進一步研究農業車輛的無人駕駛技術奠定了基礎。

該無人系統的信息傳輸以4G/5G 技術為基礎，隨著5G 技術的發展，無人駕駛車輛可以在遠程環境感知、信息交互和協同控制等關鍵技術上取得突破，讓無人駕駛在面對復雜作業環境時響應更精準、更快速，作業更安全。