王艳艳

(山西铁道职业技术学院，太原 030013)

0 引言

我国是世界农业生产大国，农业始终是我国的支柱产业与基础产业，近年来，随着城镇化和工业化的快速发展与推进，农村大量劳动力向城镇转移，导致农业生产人工成本日益升高，农业生产效益降低，因此，提高农业生产效率，减少农业生产成本是未来发展的重要方向与研究趋势[1]。随着信息技术和人工智能技术的发展，农业发展逐渐向精细农业和智能农业方向发展，其核心技术是人工智能技术、GPS技术、GIS技术和RS技术。无人驾驶拖拉机是近年来的研究热点之一，可以根据特定任务目标，与相关农机具配合使用完成播种、中耕、施肥、田间管理和收获等各项作业环节。

无人驾驶拖拉机具有许多优点，可以使农民缩短耕作时间，提高耕作效率，提高农民的经济效益。因此，应大力推广无人驾驶拖拉机，以充分发挥其在农业中的价值。其核心内容主要包括环境感知技术、路径规划技术、路径跟踪系统和控制策略等技术，在拖拉机进行田间工作时，环境感知技术可以通过特定技术获得拖拉机目前作业信息，基于相关作业信息和拖拉机自身运动参数对其进行路径规划，通过路径规划系统实时获得拖拉机位置信息，并进行路径实时修正，最终实现拖拉机按照指定路径行驶。

本研究通过介绍国内外无人驾驶拖拉机发展现状和关键技术，并分析了无人驾驶拖拉机在农业变革中的具体优势，最后，提出无人驾驶拖拉机在农业应用中的推广措施与方法。

1 国内外农业机械化的发展概况

1.1 国外发展概况

欧美国家在20世纪80年代开始进行无人驾驶拖拉机的研究。在1999年，RENAULTAgriculture 与法国 Cemagref 研究中心、Pascal大学共同合作，历时两年多成功研制了首台通过 GPS 操作的无人驾驶拖拉机。后期，相关农机企业纷纷开始对无人驾驶拖拉机的研制，如雷诺公司在21世纪初期研制出基于GPS 导航的具有较高自动化的拖拉机，首次可以完成拖拉机的自动驾驶。后期，相关人员成功研制一款激光拖拉机，通过安装激光计算机导航装置，测定其所在方位，误差≤25 cm。无人驾驶拖拉机产品日益更新，约翰迪尔、凯斯等公司在实现拖拉机自动驾驶的基础上，逐渐增加了无人驾驶拖拉机自动避障系统与技术，并且可以实现远程操控和勘查等功能，基本已经实现了全工况无人作业，但是目前尚未进行全面推广于商业化应用[2]。

1.2 国内发展概况

伴随着科技的进步，国家的飞速发展，计算机、全球卫星定位等技术，以及采集地理信息技术的发展，为了实现农业现代化，很多研究机构开始了研发无人驾驶拖拉机。2016年10月26日，中国第一台无人驾驶拖拉机东方红lf 954-c问世，如图1所示，主要技术参数如表1所示。与我国北斗高精度定位技术相结合，该拖拉机可用于植物栽培、强化、保护。无人驾驶拖拉机具有相当大的优势，例如节省时间、提高操作效率、增加营业收入、改变使用农业机械的方式，实现农业现代化，更大程度减轻农工劳动力和时间等成本。

图1 东方红lf 954-c无人驾驶拖拉机

后期，东风农机在2021年研制除DF1204-CVT无人驾驶拖拉机，其核心采用电控无级变速器进行整机控制，面对复杂的田间作业环境可以自动调节输出扭矩与功率匹配，提高田间工作效率。基本技术参数如表1所示。

表1 DF1204-CVT无人驾驶拖拉机基本技术参数

2 无人驾驶拖拉机的关键技术

2.1 导航DGPS技术

导航DGPS技术是在无人驾驶拖拉机的指定位置安装GPS信号接收器，并通过无人驾驶拖拉机工作状态计算出GPS卫星的误差。这种误差被叫做PRC(伪距离校正值)，数据终端把数据传输到农户的接收器上，方便对误差进行改正，来达到提高定位精度的目的[3]。

2.2 定位系统技术

无人驾驶拖拉机定位系统技术可以通过北斗卫星的信号确定地面位置。拖拉机上的摄像机传回的画面显示在监视器上，操作人员通过观看屏幕就可以进行远程导航与操控。拖拉机上的车载计算机存储田间的数字化地图，然后通过定位系统自动导行，直到完成所有的任务。系统能精确测定拖拉机的位置，误差≤ 3 cm，因此，无人驾驶拖拉机在耕地、喷洒农药和收割庄稼时所行驶的路线不会重叠。

2.3 信息控制系统

无人驾驶拖拉机搭载的信息和控制系统包括自动转向系统、整车控制系统、雷达及视觉测量系统、远程视频传输系统、监测系统及远程遥控系统等。能够对地形和周围的农作物进行全面地毯式扫描，从而计算出合适的行驶路线和作业流程。包括车辆导航控制和机具作业控制两部分。车辆导航控制主要包括横向偏差控制、发动机启停控制、纵向速度控制、制动控制和传动比控制等。新一代无人驾驶拖拉机普遍采用了线控底盘，只需要制定控制策略，就可以通过CAN总线进行实时精确控制。机具作业控制主要包括两个方面，一是悬挂装置的控制，提起和降下农机具；二是机具内部机构的控制，以智能电控播种机为例，将播种机接入CAN网络，就可以对播种机的株距、播种单体的启停和施肥量等精准的控制[4]。

2.4 路径规划技术

实现农机的自主控制后，远程操控农机的作业路径，在不同的区域设定相应速度。因此，要提前测绘农田地图，根据农田边界和障碍物分布，规划农机作业的最优路径。

3 无人驾驶拖拉机在农业生产中的应用优势

3.1 提高作业精度

相关研究表明，优秀的农业操控人员进行田间作业时的精度可以控制在±10 cm左右，但经过长时间劳作后，作业精度会大大降低，而基于北斗的自动导航技术的农机，作业精度可以达到±2.5 cm，并且稳定性高，可以有效的避免重播和漏播，提高土地利用率。另一方面，根据自动导航过程中存储的路径数据，保证拖拉机在不同作业期定位到固定的作业路径。

3.2 提高作业效率

无人驾驶可以使驾驶员从单调重复、高强度的劳动中解放出来，可以延长作业时间，提高机车的使用率。驾驶员只需将农机开到田里，然后便可以离开农机，利用手机进行农机的远程启动，做好作业监管工作即可。

3.3 降低作业成本

由于无人驾驶的作业速度更为平稳，动力控制性能较优越，且路径规划方案最优，减少了不必要的行驶路程，因此可有效降低油耗，降低环境污染。另外，还可以降低重播率，减少种肥消耗，减少对土壤的不必要压实，提高农业生产效益，增加农户收入。

4 结论与展望

无人驾驶拖拉机技术的导航和定位、自动转向、轨道跟踪、路线规划和自动变速、主动制动、避障、地形补偿等几项关键技术的进一步熟化研究及创新研究仍是无人驾驶拖拉机近几年的研究热点，通过融合新技术、新方法等，提高无人驾驶拖拉机的作业质量、作业速度及作业效率，可以减少农业生产中的人力投入，降低拖拉机驾驶人员的劳动强度，并且可以实现拖拉机夜间作业和复杂环境作业的可行性与可靠性，提高农业生产的安全性。本研究基于无人驾驶拖拉机的应用优势，系统分析了无人驾驶拖拉机国内外应用现状与核心技术，研究结果以期为最终实现将理论研究应用并服务于实际生产打下坚实基础。