浅谈大功率轮式拖拉机自动辅助驾驶的应用与常见故障分析

常向阳 罗静静 段松松 原志华

摘 要：国内自动辅助驾驶拖拉机是利用北斗导航和自动化技术，通过高精度导航终端与液压控制、传感技术和电子控制等结合，实现拖拉机的自动辅助驾驶，可应用于耕地、开沟、起垄、播种、喷洒、收割等多个作业场景，有效地提升了农田作业的作业效率和质量，降低了驾驶员劳动强度。

关键词：轮式拖拉机;自动辅助驾驶;常见故障分析

引言

近年来随着城镇化的发展，农村劳动人口不断减少，农村土地规模化、机械化、自动化作业将成为可能，因此在中国发展精准农业对未来我国农业的发展具有很重要的现实意义和价值。智能农机的发展，也是我国精准农业的又一次突破，自动辅助驾驶系统与智能农机管理等先进农机技术集成的应用，能够实现高精度作业、高效系统规划调度，有效降低人工劳动强度和管理费用，提升生产效率。

中国大功率轮式拖拉机采用北斗导航农机自动辅助驾驶系统，将北斗GNSS卫星高精度定位技术与车辆自动辅助驾驶技术相结合，通过精确测量车辆的位置、航向和姿态，自动控制车辆转向角度，引导车辆根据事先设定直线、圆周、或者任意路线行驶。

1 国内拖拉机自动辅助驾驶系统

目前国内拖拉机安装的自动辅助驾驶系统，可以在作业时有效地降低驾驶员的劳动强度，可用于耕地、开沟、起垄、播种、喷洒、收割等各种农田作业的全过程，尤其适用于对直线度及结合线要求较高的作业。国内自动驾驶实现策略主推两种：液压阀自动驾驶系统和电动方向盘自动转向控制系统。二者都是通过控制拖拉机转向系统实现路线控制，从而达到辅助自动驾驶的目的，作业精度均能达到±2.5cm，但是在具体方案策略及关重元件布置方式上存在较大的差异。作为自动辅助驾驶系统，二者都不能达到无人作业状态，驾驶员仍需要留在驾驶室内并观察拖拉机前方路况，随时准备接管整机避免发生危险。

1.1液压阀自动辅助驾驶系统

液压阀自动辅助驾驶系统主要元件有GNSS天线、差分基站、角度传感器、液压阀、自动驾驶控制器（ECU）、显示器、线路和管路组成。GNSS天线通常装配在驾驶室顶部，用以接收卫星信号，配合基准站位置或移动网络信号，利用RTK（Real-time Kinematic）差分信号原理，实现厘米级定位精度;角度传感器，通常安装在前桥左右转向节处，实时监测前轮转向角度信息并转换成电信号传送给自动驾驶控制器;自動驾驶控制器（ECU），则一般安装在驾驶室内，接收天线、角度传感器及显示器的信息，掌握拖拉机的位置、角度及参数设定等信息后进行综合判断，并向液压阀发送指令;液压阀通过并联至拖拉机原转向系统中，根据自动驾驶控制器发出的指令控制转向油的流量和流向，并驱动拖拉机前轮自动转向;显示器作为操作界面，一般安装在驾驶室内便于操作和观看的位置，显示器主界面会显示RTK信号、车速、作业面积、航向角、偏差、作业行等必要信息，可通过相应按钮对整机进行调试、设置及故障查询等，方便驾驶员调整作业模式和控制自动辅助驾驶状态。

1.2 电动方向盘自动转向控制系统

电动方向盘自动转向控制系统主要元件有GNSS天线、自动驾驶控制器（ECU）、电动方向盘、显示器及线路组成，也可选装角度传感器。与液压转向阀策略不同的是，该策略是用电动方向盘取代拖拉机原车方向盘安装在转向立柱上，通过与自动驾驶控制器（ECU）相配合，电机带动方向盘模拟人工驾驶执行转向策略，从而驱动拖拉机转向轮自动转向。电动方向盘方案无需改动转向油路，实现方式更为简便。

1.3装配方案

拖拉机自动辅助驾驶系统的装配目前分为前装和后装两种方案。前装指拖拉机出厂时已装好自动辅助驾驶系统，后装指拖拉机出厂销售后用户根据需要加装。前装属于主机厂批量生产装配，相比后装具有以下优势：

（1）定制化系统改造，对于液压阀式自动辅助驾驶结构，转向系统油路更加封闭，液压清洁度更高，有效避免后装频繁出现的液压阀卡阀现象和精度下降现象;

（2）前装系统的液压管路、电器线路、传感器、显示器等液压及电子部件装配一致性好，管线布置及装配规范，出厂质量有保障

（3）前装整机出厂前会针对自动辅助驾驶系统进行严格的专项调试，用户只需设置农具参数信息及简单调试即可使用，产品一致性强，可靠性好，故障率低于后装，便于维修。

2自动驾驶系统常见故障分析

2.1显示器、自动驾驶控制器（ECU）无法开机或重启。

（1）检查显示器和ECU的保险是否熔断，线缆接头和蓄电池桩是否松动;

（2）检查蓄电池是否亏电、老化或者容量下降;

（3）显示器亮度是不是调到最暗。

2.2 长时间不能RTK（实时动态载波相位差分技术）固定解。

（1）检查便携式基准站是否在工作状态，基准站架设要保持周围空旷周围无遮挡处;

（2）检查基站线缆、电台天线是否有损坏，接头螺纹连接否可靠;

（3）系统是否受到干扰，如高压线、视频监控、深松监测、LED大灯、电风扇、仪表盘、临近频段电台都有可能成为干扰源;

（5）若使用网络基站或CORS站，需要检查网络连接是否正常;

（6）RTK基站固件保持最新版本。

2.3无法自动驾驶或自动驾驶路径不直。

关键部件的装配及检查：

（1）检查拖拉机前桥的油缸底座及各连接杆球头是否有松动现象;

（2）检查角度传感器是否损坏、安装是否牢靠，中轴能否平顺弹回;

（3）自动驾驶控制器是否水平安装，固定螺钉是否有松动或共振现象;

（4）检查转向系统油路是否有漏油、堵塞或卡顿现象，重点排查转向机油封是否存在漏油现象、转向泵压力是否合理、手动大方向是否轻盈;

（5）检查拖拉机前束是否合理（<1cm），两边车轮角度误差过大会直接影响直线度;

（6）蓄电池或发电机故障也会引起电压不稳，影响自动驾驶精度;

（7）检查线路连接正确可靠，无松动、短路等问题;

（7）拖拉机前前后配重使用是否合理，排查作业地面换向，排除暗坑影响;

（8）电动方向盘结构，需检查打方向是否轻盈，确保电动方向盘安装可靠，避免出现晃动影响控制精度。

自动驾驶参数设置检查：

（1）检查信号类型须为RTK，差分龄期<3s，定位精度误差<3cm，差分龄期过大可能是信号微弱或受到干擾，精度误差太大可能是基站周围遮档比较严重或车辆距离基站过远所致;

（2）检查车辆参数，包括ECU、天线安装及位置参数设置是否正确，确保天线搜星及航向正常;

（3）WAS设置不合理，车轮向左、向右转向20°时，左右WAS值要对称，过大或过小都会对精度有着较大的影响，可按照使用说明对WAS进行校准。

2.4交接行问题。

（1）农具宽度参数是否设置正确，一般农具宽度为农具实际宽度加交接行宽度;

（2）检查ECU安装是否牢靠，有无共振;注意ECU开机后要进行初始校准，要求在水平路面，拖拉机不移动的状态下静止1分钟以上;

（3）横滚侧倾校准。建立一个AB线后点击自动驾驶使车辆行驶于AB线上，待精度误差小于1cm后停车做好标记，将车辆掉头于AB线上继续自动驾驶，行驶至标记点后测量偏差值（偏差值应<2cm）。

3结束语

拖拉机自动驾驶的研究与应用有效地带动了精准农业的发展，解决了传统拖拉机作业精度低的问题，降低了驾驶员劳动强度，延长了有效作业时间，提升了作业质量和效率。但在实际使用过程，国内拖拉机自动辅助驾驶系统的市场仍处于起步阶段，如何在全国大范围的进行推广应用，除了要解决和适应国内各种复杂地域、地形及农作物的差异化等客观情况外，故障分析及排除也是影响推广的重要因素，未来，随着国家及各地方对精准农业及智能制造的推广，拖拉机自动辅助驾驶系统将会迎来更快的发展。

参考文献：

[1]褚爽，郭广伟，杨振涛，王伟，张金梅一种拖拉机自动转向系统的装配方案[J].汽车零部件，2018，3：64-66

[2]张媛媛，张双狮，张家凡拖拉机自动转向控制系统的一种改造方案[J].武汉轻工业大学学报，2015，34（4）：31-34