浅谈农机自动驾驶导航系统的工作原理

浅谈农机自动驾驶导航系统的工作原理

邹朝妃耿梅

1、云南天地图信息技术股份有限公司云南省昆明市650101

2、云南圣周伟业空间科技有限公司云南省昆明市650101

摘要：随着精准农业概念的提出，计算机技术、导航系统技术等在农业机械装备上开始获得广泛的应用。农机自动驾驶导航系统已经成为现代农业的一个重要组成部分。越来越多的地区开始使用自动驾驶导航系统进行农业的起垄、播种、喷药、收获等，大大提高了工作效率，降低了农业生产成本，从根本上增加了经济效益。本文浅析自动驾驶导航系统的组成、工作原理、导航控制原理。

关键词：GNSS接收机、GNSS天线、导航控制器、、转角控制器、导航显示终端等。

一、自动驾驶导航系统工作原理

基于卫星导航定位的自动驾驶导航技术直接驱动拖拉机的转向系统，除田间掉头外，在农机作业时可以代替人工操作方向盘（人工控制油门），实现自动驾驶。自动驾驶导航的基本工作原理是：在导航显示终端（机载田间计算机）中，设定导航线，通过方向轮转角传感器、GNSS接收机、惯导系统获取拖拉机的实时位置和姿态，计算拖拉机与预设导航线的偏离距离和航向，然后通过导航控制器，驱动拖拉机的转向系即时修正拖拉机方向轮的行驶方向。自动驾驶导航系统在拖拉机的作业过程中，不断进行"测量-控制"动作，使得拖拉机的行走路线无限接近于期望和预设的作业路径。根据转向操控原理的不同，拖拉机自动驾驶导航可分为机械式自动驾驶导航和液压式自动驾驶导航两类，分别通过步进电动机和液压式驱动拖拉机的转向结构。

二、自动驾驶导航系统的组成

自动驾驶导航系统的基本组成部分包括差分信号源、GNSS天线、无线数传电台、GNSS接收机、转角传感器、导航控制器、转向控制器、导航显示终端及导航控制软件等。

1.差分信号源

差分信号是拖拉机自动驾驶导航的基础。差分信号中断后，拖拉机将无法保持厘米级的导航精度，只能停止作业，等待差分信号恢复。在有条件的区域，可以优先使用地基增强信号，并以星基增强信号作为热备份，以保障作业的连续性。差分信号播发途径包括：

①通过无线电台播发，拖拉机也配置一套无线数传电台。

②通过移动互联网播发，接收机通过内置的移动通信模块接入差分信号。

③通过卫星播发，接收机通过GNSS天线接收星基增强信号。

2.GNSS天线

GNSS天线安装于拖拉机车顶的中心位置，可以接收北斗双频或三频及GPS双频信号。GNSS天线可以同时接收以L1频率传输的星基增强信号。

3.无线数传电台

差分信号以无线电台播发时，拖拉机也配置使用同样频率的无线数传接收电台。

4.GNSS接收机

自动驾驶导航系统使用双频收机，利用差分信号，实时解算精确的三维坐标。拖拉机在连续移动过程中，GNSS接收机可以精确测得拖拉机的航向。当拖拉机停止作业或静止不动时，GNSS接收机测得的航向存在漂移。部分GNSS接收机内置MEMS陀螺仪，可以同时测量拖拉机的位置和姿态，进行地形补偿。

5.转角传感器

转角传感器用于实时检测方向轮的转向方向和转向角度。转角传感器常安装于拖拉机的两个方向轮之间。在实施过程中可利用微硅陀螺仪中设计的前轮转角测量系统，能够精确地产生输出正比于旋转速度的模拟直流电压。

6.导航控制器

导航控制器内置高灵敏度惯性测量传感器进行地形补偿，接收并处理转角传感器、GNSS接收机和导航路径信息，向步进电动机或液压阀等转向控制器输出控制信号。地形补偿是实现高精度定位的关键。拖拉机在行驶过程中，由于地形起伏，在模滚、俯仰及偏航等现象，需要通过导航控制器内置的惯性传感器进行补偿。

7.机械式转向操控装置

转向操控装置主要包括电动机驱动和被压驱动两类，分别实现机械式辅助驾驶导航与液压式自动驾驶导航。

①步进电动机

步进电动机利用电磁学原理，将电能转换为机械能。其工作原理是将电脉冲信号转变为角位移或线位移，开环控制步进电动机元件。角位移与脉冲数成正比，转速与脉冲频率成正比，转向与各相绕组的通电方式有关。当步进驱动器接收到一个脉冲信号时，它就驱动步进电动机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“布距角”它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。驱动器是为步进电动机分时供电的多相时序控制器，将直流电变成分时供电的多相时序控制电流，用这种电流为步进电动机供电。驱动电源和步进电动机时一个有机的整体，步进电动机的运动性能是电动机及其驱动电源二者的综合表现。

②变频信号源

变频信号源是一个频率从数十赫兹到几万赫兹的连续可调的脉冲信号发生器。脉冲分配器是由门电路和双稳态触发器组成的逻辑电路，它根据指令把脉冲信号按一定的逻辑关系加到放大器上，使步进电动机按一定的运行方式运转。功率放大电路用放大后的信号去驱动步进电动机。在实际应用中，将步进电动机套件固定在方向盘的下方，由导航控制器驱动步进电动机，替代手工转动方向盘。

③摩擦轮

摩擦轮传动是指利用两个或两个以上互相压紧的轮子间的摩擦力传递动力和运动的机械传动。摩擦轮传动可分为定传动比传动和变传动比传动两类。传动比基本固定的定传动比摩擦轮传动，又分为圆柱平摩擦轮传动、圆柱槽摩擦轮传动和圆锥摩擦轮传动三种形式。前两种形式用于两平行轴之间的传动，后一种形式用于两交叉轴之间的传动。工作时，摩擦轮之间必须有足够的压紧力，以免产生打滑现象，损坏摩擦轮，影响正常传动。摩擦轮传动结构简单，传动平稳，传动比调节方便，过载时能产生打滑而避免损坏装置，但传动比不准确、效率低、磨损大，必须使用压紧装置，而且通常轴上受力大，所以主要用于传递动力不大或需要无级调速的情况。

8.液压式转向操作控制装置

液压阀是液压式自动驾驶导航的核心组件。使拖拉机实现自动导航，达到通过电信号控制拖拉机转向的目的。

9.导航显示终端

导航显示终端由计算单元、显控屏幕、I/O接口等硬件组成。部分显示终端与卫星接收机，光靶及管道系统集成在一起。

10.导航控制原理

拖拉机在自动驾驶过程中，通过车载传感器实时获取拖拉机各项参数，将车辆的实际位置和航向信息与预定义的路径比较，计算横向偏差；导航控制器以横向偏差和航向偏差信号作为输入，通过内置的控制算法计算出预期前轮转角并输入到下机位置；下机位置控制拖拉机前轮转向追踪期望前轮角，以减小横向偏差和航向偏差，从而实现自动导航。

三、结束语

随着自动驾驶导航的不断发展，技术越来越成熟，自动驾驶导航系统的使用，提高了土地的利用率和农资的利用率，①减少重叠和遗漏，合理利用土地。②加快作业的速度和进行夜间作业，可以有效延长作业时间和提高作业效率。③降低驾驶技术要求，减轻驾驶员劳动强度，有效提高田间作业的舒适度。④按既定的规划作业，可以有效提高作业质量和改善作物生长环境。⑤促进农机农艺融合，实现人工驾驶难以实现的作业方式。⑥提升农机智能化控制水平，充分发挥高精度卫星导航定位应用优势。

参考文献

[1]吴才聪，苑严伟，韩云霞，北斗在农业生产过程中的应用.北京：电子工业出版社，2016.

[2]吴才聪，美国精准农业技术概况及北斗应用思考，卫星应用，2015.

作者简介：邹朝妃，女，出生于1989年6月。大理永平人。大学本科毕业，从事地理信息行业相关工作。职称：助理工程师。