摘要
2023年中央一号文件中提出要强化农业科技与装备支撑，加快先进农机的研发， 其中就包括了辅助驾驶系统的研制与集成应用。2024年中央一号文件中进一步提出 要大力实施农机装备补短板行动。通过制造智能农机装备，尤其是无人驾驶农机， 可以显著地提高农业生产的作业效率，解决用工难的困境，符合我国目前农业发展 需求。本文以无级变速拖拉机为依托，设计了完整的硬件平台，并设计出一套满足 拖拉机无人驾驶要求的全场景(机库-机耕道-农田)路径规划及路径跟踪算法，实 现无级变速拖拉机的全场景无人驾驶。本文的主要研究内容及工作如下: (1)本研究设计了无人驾驶硬件平台，通过加装电控方向盘、前轮转角传感器、 ADC (Analog-to-digital converter)采集器，设计一套转向控制系统，并搭建一套 CAN ( Controller Area Network )通信系统，构建了无人驾驶农机的CAN协议，实现 拖拉机的完全线控化，可通过CAN指令控制拖拉机的速度、动力、转向、液压阀等。 为无人驾驶拖拉机加装组合导航，得到拖拉机的姿态信息，并通过RTK (Real Time Kinematic)技术获得厘米级定位坐标，为后续路径跟踪提供实时定位坐标和航向。 (2)本研究生成了高精度地图并设计了全场景路径规划，通过无人机航测生成 农场高精度地图，为全场景路径规划提供基础。设计田内全覆盖路径规划算法，基 于高精度地图划分田块及田内障碍物，并采集其轮廓坐标，将轮廓坐标、机具和农 机数据输入田内路径规划算法，最终得到满足农机作业要求的田内作业轨迹点，并 附加机具操作信息。设计了机库田内转移路径规划算法，在机库内和机耕道上采集 相应坐标点，采用三次样条插值算法，规划出从机库泊车位到作业起点，以及作业 完成后返回机库泊车位的路径，实现了机库、机耕道、农田三大场景的路径衔接。 (3)本研究基于拖拉机运动学模型和预瞄跟随理论，构建了预瞄航向误差模型， 用以适应农机路径跟踪过程中的速度的变化，减小拖拉机行驶过程中的横向误差。 该模型可根据不同速度，动态调整前视距离，同时利用路径规划算法提供厘米级间 隔轨迹点，保证路径跟踪过程中路径点更新的准确性和实时性，进一步提高了跟踪 精度。最终通过算法实时修正前轮转角，实现拖拉机的横向控制。另外，加装于农 机上的机具装置会根据路径规划中附加的机具操作信息，在相应位置控制机具动作， 如在地头实现机具的抬升。本研究开展了实地实验，发现拖拉机在速度为4km/h和 6km/h下，田内直线路径的横向跟踪误差绝对值的均值分别为0.03m和0.06m，均方 根横向跟踪误差分别为0.04m和0.07m。在速度为4km/h和6km/h下，田内曲线路径 横向跟踪误差绝对值的均值分别为0.04m和0.07m,均方根横向跟踪误差分别为 0.06m和0.09m,实验结果表明，本研究采用的路径跟踪算法满足实际作业需求。
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