褚爽,郭廣偉,楊振濤,王偉,張金梅

(中國一拖集團有限公司大拖裝配廠,河南洛陽 471004)

0 引言

我國是農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)在國民經(jīng)濟中占有重要的地位?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)是繼傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)之后又一新的發(fā)展階段，是以現(xiàn)代工業(yè)和科學技術(shù)為基礎(chǔ)，重視加強農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。隨著精準農(nóng)業(yè)推廣實施， 拖拉機自動控制項目已作為重點項目研發(fā)。國內(nèi)外都對自動轉(zhuǎn)向技術(shù)、自動駕駛進行了大量的研究。20世紀90年代，精準農(nóng)業(yè)在美國、加拿大等國實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，發(fā)展到現(xiàn)在自動轉(zhuǎn)向技術(shù)已應(yīng)用到施肥、播種、耕作、噴灑農(nóng)藥以及水分管理等農(nóng)業(yè)耕作的全部領(lǐng)域，自動駕駛技術(shù)也已經(jīng)實現(xiàn)，能夠應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。我國于1998年在北京順義建立了北方精準農(nóng)業(yè)示范區(qū)，在2000年精準農(nóng)業(yè)被列入國家863高技術(shù)計劃。

自動轉(zhuǎn)向(又可稱自動駕駛)技術(shù)作為無人駕駛技術(shù)的一部分(包含關(guān)系)已廣泛應(yīng)用于耙地、播種、施肥、噴藥和起壟等農(nóng)藝作業(yè)中，且已得到了用戶的普遍認可，自動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)總裝機量在逐年增加?，F(xiàn)主要分布在黑龍江和新疆地區(qū)，江蘇以及內(nèi)蒙古等地區(qū)的農(nóng)場和農(nóng)機合作社也開始進行自動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的安裝。國家已將自動轉(zhuǎn)向前裝農(nóng)機購置補貼提上議程。

前期進入中國的拖拉機自動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)均為國外品牌，國內(nèi)并沒有自主研發(fā)、自主知識產(chǎn)權(quán)的自動轉(zhuǎn)向產(chǎn)品，國內(nèi)廠商均采用代理的方式進行銷售。通過多年的發(fā)展和農(nóng)業(yè)部前裝補貼方案的實施，國內(nèi)更多的企業(yè)已開始進行自動轉(zhuǎn)向技術(shù)研究。與普通拖拉機整機比較，自動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)需要裝配設(shè)備太多，整機所余空間狹小，安裝難，管線布局難，系統(tǒng)要求安裝精度高，科技含量與技術(shù)含量較高。實現(xiàn)自動轉(zhuǎn)向功能，整機電氣系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)均需改動，設(shè)計準確標準高，產(chǎn)品質(zhì)量要求高，裝配難度系數(shù)高，裝配可能性、裝配質(zhì)量不易保證。

1 自動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)介紹

拖拉機自動轉(zhuǎn)向技術(shù)，是通過接收機接收衛(wèi)星定位和基準站位置信號，利用RTK(Real-time Kinematic)差分信號原理通過主控制器控制液壓轉(zhuǎn)向比例閥，進而實現(xiàn)對拖拉機轉(zhuǎn)向自動控制的技術(shù)，利用顯示屏進行人機交互和路徑規(guī)劃，并通過轉(zhuǎn)向角度傳感器反饋信號實現(xiàn)拖拉機轉(zhuǎn)向的閉環(huán)控制。自動駕駛系統(tǒng)組件包含：

便攜式基準站。實時計算拖拉機的位置；

智能駕駛控制器。計算北斗接收機和角度傳感器信號，并向電液比例閥實時發(fā)送指令；

電液比例閥。實時控制液壓油流量和流向，保證拖拉機始終按設(shè)定路線行駛；

角度傳感器。感應(yīng)車輛實時的轉(zhuǎn)向角度;

智能顯控終端。人機交互界面，設(shè)定作業(yè)模式、參數(shù)以及進行路徑規(guī)劃。

2 自動駕駛的組成部分及裝配方案

2.1 便攜式基準站

在拖拉機自動駕駛系統(tǒng)中，基準站的主要作用是放置在一個相對固定的位置作為流動站精準定位的參考點，需要通過GPS(Global Positioning System)、GLONASS(Global Navigation Satellite System)、BD(Bei Dou)系統(tǒng)定位并將差分數(shù)據(jù)通過電臺傳輸給流動站電臺，流動站電臺將收到的差分數(shù)據(jù)輸出給流動站，這樣流動站才能實現(xiàn)高精度定位。高精度定位是拖拉機實現(xiàn)高精度自動駕駛的前提，所以基準站和流動站電臺的穩(wěn)定工作是拖拉機自動駕駛的重要保障。

在中國，嚴復最早在《天演論》中“譯例言”講到了譯事三難：信、達、雅。雖然簡短三字，但卻道出了翻譯的要求與原則。之后各種翻譯思想，如信、達、切，形似，神似等均是對其延伸與發(fā)展。

2.2 智能駕駛控制器ECU(Electronic Control Unit)

此控制器需要與GNSS測量天線、轉(zhuǎn)向控制單元(液壓或者方向盤)、拖拉機前輪轉(zhuǎn)向測量單元及智能顯控終端等配合連接使用，方能實現(xiàn)自動轉(zhuǎn)向或者自動駕駛。控制器安裝要求嚴苛，必須是水平或者垂直放置，否則會影響正常使用，所以需要設(shè)計控制器專用支架。

裝配方案一：垂直放置，將控制器裝配在整機座椅后面的后壁板上，如圖1(a)所示。

裝配方案二：水平放置，將控制器裝配在整機右操縱臺上，如圖1(b)所示。

一般會優(yōu)選裝配方案一,節(jié)省駕駛室內(nèi)部空間。

2.3 電液比例閥

應(yīng)用集成液壓閥模塊將自動轉(zhuǎn)向的液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)并聯(lián)到原有拖拉機液壓系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中。在原有的轉(zhuǎn)向油路中安裝自動轉(zhuǎn)向的集成液壓閥，實現(xiàn)拖拉機的自動轉(zhuǎn)向。開啟自動駕駛時，控制器發(fā)出命令，電磁換向閥實現(xiàn)油路方向切換控制，達到控制轉(zhuǎn)向的效果，比例閥實現(xiàn)油路流量控制，達到控制轉(zhuǎn)向速度的效果。液壓油經(jīng)過比例閥和電磁閥，進入轉(zhuǎn)向油缸，油缸活塞在油壓的作用下移動實現(xiàn)拖拉機目標角度的轉(zhuǎn)向。

裝配方案一：利用支架將閥塊固定在油箱上方，消聲器和發(fā)動機之間。

裝配方案二：將閥塊直接安裝在駕駛室下圍板上。

裝配方案三: 利用支架將閥塊裝配在前機罩內(nèi)部。

3種裝配方案均可, 閥體本身具備一定的防水防泥功能，一般比較常用的方案為裝配方案一(見圖2)。

圖2 電液比例閥裝配方案一

2.4 智能顯控終端(顯示屏)

智能顯控終端是主要針對精準農(nóng)業(yè)和工程機械智能化開發(fā)的一款智能顯控終端，具備工業(yè)應(yīng)用的基本特性：堅固，防摔、防塵、防雨水設(shè)計。智能顯控終端基于Windows 10操作系統(tǒng)，能搭載目前市場上存在的主流工程控制及農(nóng)業(yè)控制軟件，20.32 cm(8英寸)電容式高亮觸摸顯示屏的采用以及IP67標準的設(shè)計，滿足了用戶在強光照射、多灰塵、需戴手套操作等環(huán)境下的操控和顯示需求。產(chǎn)品支持CAN總線、串口、USB、網(wǎng)絡(luò)接口、CVBS(Composite Video Broadcast Signal)等多種接口，支持WiFi、3G/4G及以太網(wǎng)等多種通信，以最大限度地滿足各種傳感器和數(shù)據(jù)的接入和傳輸要求。顯示器安裝在駕駛室內(nèi)部。

裝配方案一：用專用的固定支架安裝在駕駛室門扶手上。

裝配方案二：安裝在駕駛室內(nèi)右側(cè)立柱上。

顯示屏的安裝需要根據(jù)駕駛室內(nèi)部的實際情況，以方便觀看與操作為主。

2.5 角度傳感器

角度傳感器是將實際中角度的變化信號轉(zhuǎn)換成電信號的一種傳感器，自動轉(zhuǎn)向控制的工作精度直接由它決定。不同廠家的角度傳感器有不同的安裝方式，目前的裝配方案是把角度傳感器裝配在前橋上，后續(xù)會研發(fā)將角度傳感器裝在前橋內(nèi)部形成合件。工作時，安裝在傳感器支座上的角度傳感器同轉(zhuǎn)向節(jié)立軸一起轉(zhuǎn)動，從而使轉(zhuǎn)軸和傳感器之間產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動。

3 實施效果

提出的自動轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)是一種拖拉機的輔助作業(yè)系統(tǒng)，有效提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效益和質(zhì)量，降低了駕駛員長期疲勞作業(yè)的勞動強度，提升農(nóng)機產(chǎn)業(yè)的質(zhì)量和效益。文中所述的所有裝配方案都在實際生產(chǎn)中試制過，經(jīng)過多次的實際驗證后，推出上述比較常見的裝配方案。裝配后的樣機，已經(jīng)通過相應(yīng)的實驗，能夠?qū)崿F(xiàn)自動轉(zhuǎn)向的功能，并且能夠批量生產(chǎn)，推向市場。也能夠在自動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過再增加其他組件的方式，實現(xiàn)拖拉機無人駕駛。

4 結(jié)束語

《中國制造2025》將農(nóng)機裝備產(chǎn)業(yè)列入10大重點發(fā)展領(lǐng)域，為我國農(nóng)機裝備業(yè)發(fā)展帶來了新的契機。未來，我國農(nóng)機企業(yè)要繼續(xù)提高戰(zhàn)略性大型農(nóng)機具等高端裝備的自主創(chuàng)新能力。隨著中國城鎮(zhèn)化和土地流轉(zhuǎn)的進行，土地耕作規(guī)?；?、機械化、自動化作業(yè)成為可能，為農(nóng)機自動駕駛推廣提供了更大的市場空間。

參考文獻:

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