第六章電動(dòng)拖拉機(jī)及無人駕駛拖拉機(jī)技術(shù)

第一節(jié)電動(dòng)拖拉機(jī)第二節(jié)無人駕駛拖拉機(jī)第一節(jié)

電動(dòng)拖拉機(jī)一、電動(dòng)拖拉機(jī)發(fā)展歷程

電動(dòng)拖拉機(jī)最早出現(xiàn)在20世紀(jì)初，縱觀100多年的發(fā)展歷史，電動(dòng)拖拉機(jī)的發(fā)展歷程可以劃分為三個(gè)階段。1、早期階段

早期發(fā)展階段是20世紀(jì)70年代以前，該階段電動(dòng)拖拉機(jī)的主要特點(diǎn)是：①

由于電池技術(shù)的限制，早期電動(dòng)拖拉機(jī)主要依靠電軌的方式提供能源，作業(yè)范圍受限；

②

受限于當(dāng)時(shí)農(nóng)機(jī)工業(yè)的總體水平，早期電動(dòng)拖拉機(jī)結(jié)構(gòu)較為簡單，多數(shù)采用手扶式結(jié)構(gòu)，部分采用輪式和履帶式結(jié)構(gòu)。2、中期階段

從20世紀(jì)70年代起至21世紀(jì)初，電動(dòng)拖拉機(jī)經(jīng)歷了中期發(fā)展階段，該階段的主要特點(diǎn)是：①

隨著蓄電池技術(shù)的發(fā)展，電動(dòng)拖拉機(jī)的供能方式由電軌形式轉(zhuǎn)化為車載電池，增加了電動(dòng)拖拉機(jī)的作業(yè)范圍和實(shí)用性；

②

受限于鉛酸電池能量密度和當(dāng)時(shí)電子控制技術(shù)水平，中期階段的電動(dòng)拖拉機(jī)功率較小，連續(xù)作業(yè)能力較弱，不具備農(nóng)田重負(fù)荷作業(yè)能力，主要從事割草、園藝等家庭輕型作業(yè)。3、現(xiàn)階段21世紀(jì)初至今，受能源形勢影響，新能源技術(shù)快速發(fā)展，電動(dòng)拖拉機(jī)發(fā)展呈現(xiàn)四條技術(shù)路線，分別是：①

繼續(xù)發(fā)展小型化的專用機(jī)型，使用先進(jìn)的集成電力電子技術(shù)，通過提高電動(dòng)拖拉機(jī)的輕便性和轉(zhuǎn)向靈敏性提高產(chǎn)品的性能；

②

利用增程式電驅(qū)技術(shù)，通過燃油發(fā)電機(jī)組或燃料電池等輔助能源增加電動(dòng)拖拉機(jī)的額定功率和續(xù)航里程，提高電動(dòng)拖拉機(jī)對(duì)大功率農(nóng)田作業(yè)的適應(yīng)性；并逐步降低混合度，向較大功率純電動(dòng)拖拉機(jī)發(fā)展；

③

利用新能源方面的前沿技術(shù)，由小型化的專用產(chǎn)品向一般用途電動(dòng)拖拉機(jī)發(fā)展，逐步增加整機(jī)的額定功率與續(xù)航時(shí)間；

④

利用智能算法、環(huán)境感知、導(dǎo)航定位和路徑規(guī)劃等技術(shù)，電動(dòng)拖拉機(jī)逐漸向智能化、無人化方向發(fā)展。二、電動(dòng)拖拉機(jī)的分類1、增程式電動(dòng)拖拉機(jī)增程式電動(dòng)拖拉機(jī)能源系統(tǒng)由增程器和蓄電池組構(gòu)成，增程器通常具有的形式為柴油發(fā)電增程器、燃料電池增程器等。2、純電動(dòng)拖拉機(jī)

從整機(jī)工作原理角度，純電動(dòng)拖拉機(jī)的結(jié)構(gòu)主要為機(jī)械分流的單電機(jī)電動(dòng)拖拉機(jī)和電力分流的雙電機(jī)電動(dòng)拖拉機(jī)。單電機(jī)式電動(dòng)拖拉機(jī)由機(jī)械裝置將驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械功率分別傳遞至驅(qū)動(dòng)輪和PTO。雙電機(jī)式電動(dòng)拖拉機(jī)的驅(qū)動(dòng)輪和PTO由獨(dú)立的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，可以根據(jù)工況需要獨(dú)立調(diào)速。3、其他類型電動(dòng)拖拉機(jī)

輪邊驅(qū)動(dòng)式電動(dòng)拖拉機(jī)主要是指將電機(jī)裝在單個(gè)車輪邊上實(shí)現(xiàn)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，在整體上取消主減速器和差速器。

履帶式電動(dòng)拖拉機(jī)的整機(jī)由驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)提供功率，可采用電池組或柴油發(fā)電機(jī)組供電，具有在傳統(tǒng)履帶拖拉機(jī)上快速改裝的特點(diǎn)。

手扶式電動(dòng)拖拉機(jī)可根據(jù)工況需要與單軸車身組成騎乘式電動(dòng)拖拉機(jī)。三、電動(dòng)拖拉機(jī)的控制技術(shù)1、能量管理技術(shù)能量管理對(duì)電動(dòng)拖拉機(jī)的性能影響較大，對(duì)于純電動(dòng)拖拉機(jī)，通過對(duì)蓄電池組充放電過程有效控制，可使放電過程滿足不同工況對(duì)電功率的需求，盡可能地提高電池的使用壽命。2、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制技術(shù)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制策略的主要目的為通過控制驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、PTO電動(dòng)機(jī)、變速器的工作狀態(tài)，改善電動(dòng)拖拉機(jī)在不同復(fù)雜工況下的作業(yè)性能。3、通信技術(shù)通信系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)整機(jī)控制框架內(nèi)各通信節(jié)點(diǎn)之間收發(fā)信息，通信協(xié)議通信系統(tǒng)執(zhí)行的內(nèi)在規(guī)則，其類型由通信總線決定。目前電動(dòng)拖拉機(jī)以CAN總線為主進(jìn)行通信。四、電動(dòng)拖拉機(jī)的仿真與測試技術(shù)1、電動(dòng)拖拉機(jī)仿真技術(shù)目前，進(jìn)行電動(dòng)拖拉機(jī)性能仿真時(shí)采用的軟件工具有MATLAB/Simulink、ADVISOR、AVLCRUISE、SimulationX、Carsim、RecurDyn。車輛仿真過程根據(jù)數(shù)據(jù)流方向分為后向仿真與前向仿真兩種。后向型仿真以工況載荷作為數(shù)據(jù)輸入，經(jīng)過整機(jī)仿真模型計(jì)算后與控制策略形成數(shù)據(jù)閉環(huán)，仿真過程較簡單。后向型仿真軟件有MATLAB/Simulink、ADVISOR。前向型仿真以駕駛員模型為輸入，與控制策略、整機(jī)仿真模型和工況形成數(shù)據(jù)閉環(huán)，更加接近車輛真實(shí)運(yùn)行狀態(tài)。前向型仿真軟件包含AVLCRUISE、Carsim等。MATLAB/Simulink是進(jìn)行物理系統(tǒng)仿真的通用平臺(tái)，需要根據(jù)仿真對(duì)象的數(shù)學(xué)模型搭建模塊化的仿真模型，適用范圍較廣，缺點(diǎn)為搭建整機(jī)仿真建模過程繁瑣，工作量大，適合對(duì)部件或控制策略進(jìn)行仿真。

ADVISOR是在Simulink環(huán)境下開發(fā)的半開源型整機(jī)仿真軟件，包含的傳動(dòng)系統(tǒng)模塊、發(fā)動(dòng)機(jī)模塊、熱效應(yīng)模塊、通信模塊等子模塊之間通過Workpace實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)交互。優(yōu)點(diǎn)為簡化了整機(jī)仿真建模過程，保留了對(duì)仿真對(duì)象數(shù)學(xué)模型的修改功能。缺點(diǎn)為該軟件2004年后更新緩慢，新型仿真技術(shù)和功能不足，難以對(duì)各子模塊之間的通訊關(guān)系直接定義，無法用于控制器硬件在環(huán)測試。AVLCRUISE是目前車輛研發(fā)領(lǐng)域常用的整機(jī)仿真軟件，具有多種仿真功能和數(shù)據(jù)流模式，開發(fā)過程較簡單，軟件更新速率較快，仿真精度較高，缺點(diǎn)是無法對(duì)各部件模塊的內(nèi)置數(shù)學(xué)模型修改。Cairsim主要用于車輛轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性、制動(dòng)性和平順性等動(dòng)態(tài)特性仿真的軟件，應(yīng)用較為廣泛，與其他常用性能仿真軟件具有數(shù)據(jù)接口，可以進(jìn)行聯(lián)合仿真。2、電動(dòng)拖拉機(jī)測試技術(shù)

控制器硬件在環(huán)測試(HardwareintheLoop,簡稱HIL)是在虛擬環(huán)境下測試控制器效果的方法。過程為將受控對(duì)象的部件或整機(jī)仿真模型載入HIL設(shè)備，根據(jù)整機(jī)通信協(xié)議進(jìn)行配置后與控制器形成通信閉環(huán)，啟動(dòng)運(yùn)行后，控制器根據(jù)HIL設(shè)備提供的控制變量發(fā)出信號(hào)，對(duì)仿真模型進(jìn)行控制。相比控制策略模型在環(huán)仿真，HIL測試可以實(shí)現(xiàn)對(duì)控制器硬件設(shè)計(jì)和軟件執(zhí)行過程測試、調(diào)試和標(biāo)定。目前常用的HIL設(shè)備為dSPACE和ETAS，二者在數(shù)據(jù)格式、軟件兼容性上存在一些差異。臺(tái)架試驗(yàn)技術(shù)對(duì)電動(dòng)拖拉機(jī)的部件匹配、總成測試、系統(tǒng)標(biāo)定和整機(jī)性能分析等具有重要作用。利用部件或總成臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果與整機(jī)之間的機(jī)電關(guān)系，可于產(chǎn)品開發(fā)中前期準(zhǔn)確預(yù)測整機(jī)性能，有效提高了設(shè)計(jì)開發(fā)過程的品質(zhì)與效率。

底盤試驗(yàn)和牽引試驗(yàn)是整機(jī)級(jí)的試驗(yàn)方法，用于測試拖拉機(jī)的牽引性能，加載位置分別為驅(qū)動(dòng)輪和牽引鉸接點(diǎn)，受電動(dòng)化影響較小，采用傳統(tǒng)拖拉機(jī)的底盤測功機(jī)和負(fù)荷車可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)拖拉機(jī)的底盤試驗(yàn)和牽引試驗(yàn)。五、其他新能源拖拉機(jī)1、氫氣燃料電池拖拉機(jī)利用氫氣等燃料和空氣中的氧在催化劑的作用下在燃料電池中經(jīng)電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的電能，并作為主要?jiǎng)恿υ打?qū)動(dòng)的拖拉機(jī)。2、氫-柴油雙燃料拖拉機(jī)該拖拉機(jī)扭矩和功率與柴油拖拉機(jī)一致，而二氧化碳和氮氧化物的排放大大降低。3、甲烷拖拉機(jī)NewHollandT6甲烷動(dòng)力拖拉機(jī)是紐荷蘭能源獨(dú)立農(nóng)場概念的關(guān)鍵元素，實(shí)現(xiàn)了真正的循環(huán)經(jīng)濟(jì)閉合，從農(nóng)場到能源生產(chǎn)再返回農(nóng)場，形成一個(gè)完整的二氧化碳天然循環(huán).4、混合動(dòng)力拖拉機(jī)STEYRKonzept油電混合動(dòng)力拖拉機(jī)由柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、動(dòng)力電池、輪轂電機(jī)、液壓泵、電動(dòng)PTO等組成，在混合動(dòng)力提升模式下能夠達(dá)到250kW的峰值功率，與某些特定的拖拉機(jī)作業(yè)中所使用的純柴油發(fā)動(dòng)機(jī)相比，可節(jié)省8％的燃油。第二節(jié)

無人駕駛拖拉機(jī)一、無人駕駛拖拉機(jī)定義無人駕駛拖拉機(jī)是一個(gè)智能系統(tǒng)高度集成化的智能化平臺(tái)，搭載全球定位系統(tǒng)、自動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、整車控制系統(tǒng)、環(huán)境識(shí)別系統(tǒng)、遠(yuǎn)程視頻傳輸系統(tǒng)、信息采集系統(tǒng)等，能夠?qū)崿F(xiàn)自主進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。無人駕駛拖拉機(jī)可以24小時(shí)不間斷工作，實(shí)現(xiàn)精細(xì)作業(yè)，提高土地利用率；同時(shí)不需要人工手動(dòng)駕駛，降低人工運(yùn)行費(fèi)用，解放了勞動(dòng)力的同時(shí)提高了生產(chǎn)效率。在大區(qū)域作業(yè)上，具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢。二、無人駕駛的分類三、無人駕駛拖拉機(jī)工作原理

無人駕駛就是讓拖拉機(jī)自己擁有環(huán)境感知、路徑規(guī)劃并自主實(shí)現(xiàn)車輛控制的技術(shù)，

也就是用電子技術(shù)控制拖拉機(jī)進(jìn)行的仿人駕駛或是自動(dòng)駕駛。傳感器是“眼睛”，能360度感知障礙物的遠(yuǎn)近深淺；車輛控制技術(shù)是“大腦”，能實(shí)時(shí)感知環(huán)境信息。1、拖拉機(jī)正常工作時(shí)：在拖拉機(jī)開始行駛時(shí)，導(dǎo)航系統(tǒng)測得動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)程控制模塊通過無線通訊與中央處理器連接。中央處理器將補(bǔ)償后的位置信息與電子地圖上已規(guī)劃好的路徑進(jìn)行對(duì)比，修正偏差值后，通過自動(dòng)轉(zhuǎn)向變速系統(tǒng)來控制無人駕駛拖拉機(jī)的行駛方向和速度。2、拖拉機(jī)工作在緊急情況時(shí)：拖拉機(jī)行進(jìn)中，前方出現(xiàn)的障礙物或行人與拖拉機(jī)的距離進(jìn)入危險(xiǎn)范圍時(shí)視為緊急情況。此時(shí)CPU發(fā)出指令，緊急制動(dòng)熄火，確保行車安全。3、系統(tǒng)對(duì)拖拉機(jī)的遠(yuǎn)程控制：遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)通過無線通訊與中央處理器連接，中央處理器接到指令后控制變速轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)完成相應(yīng)動(dòng)作。四、無人駕駛拖拉機(jī)智能系統(tǒng)1、智能感知系統(tǒng)

參考汽車自動(dòng)駕駛，無人駕駛拖拉機(jī)的智能感知分為機(jī)外感知和機(jī)內(nèi)感知。機(jī)外感知是指對(duì)作業(yè)環(huán)境和對(duì)象信息參數(shù)的感知，包括農(nóng)田土壤信息感知、地形感知和作業(yè)障礙感知等。機(jī)內(nèi)感知是指對(duì)拖拉機(jī)自身的工作參數(shù)及作業(yè)狀態(tài)參數(shù)的感知等。2、智能決策系統(tǒng)

決策是保證無人駕駛拖拉機(jī)高效、高精度及高品質(zhì)作業(yè)的關(guān)鍵，主要技術(shù)包括變量作業(yè)決策技術(shù)、路徑規(guī)劃決策技術(shù)等。

變量作業(yè)智能決策是指根據(jù)作業(yè)過程中的傳感器數(shù)據(jù)，結(jié)合專家系統(tǒng)、知識(shí)庫和數(shù)據(jù)庫里的信息，得出控制策略。

作業(yè)路徑規(guī)劃是指必須滿足相關(guān)農(nóng)藝規(guī)范的要求，實(shí)現(xiàn)作業(yè)區(qū)域內(nèi)不重、不漏前提下，對(duì)作業(yè)距離、時(shí)間、轉(zhuǎn)彎次數(shù)、能耗等參數(shù)優(yōu)化，尋找合理的行走路線，是無人駕駛拖拉機(jī)不可或缺的環(huán)節(jié)。3、智能執(zhí)行系統(tǒng)智能執(zhí)行系統(tǒng)就是相當(dāng)于人類的手和腳對(duì)拖拉機(jī)的運(yùn)行做出控制。無人駕駛是自動(dòng)駕駛發(fā)展的最高階段，由拖拉機(jī)完成所有駕駛操作。五、無人駕駛拖拉機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)1、DGPS導(dǎo)航DGPS(差分GPS)是在一個(gè)精確的已知位置上安裝監(jiān)測接收機(jī)，計(jì)算得到它能跟蹤的每顆GPS衛(wèi)星的距離誤差。該差值通常稱為PRC（偽距離修正值），將此數(shù)據(jù)傳送給用戶接收機(jī)作誤差修正，從而提高了定位精度。2、地形補(bǔ)償

為適應(yīng)高精度的需要，系統(tǒng)采用了地形補(bǔ)償技術(shù)，通過姿態(tài)糾偏模塊所采集到的拖拉機(jī)的上坡、下坡、偏航、傾斜等狀態(tài)信息，補(bǔ)償不同地形對(duì)拖拉機(jī)行進(jìn)產(chǎn)生的影響，減小拖拉機(jī)實(shí)際行駛軌跡和預(yù)定規(guī)劃路徑之間的偏差。3、路徑規(guī)劃如何實(shí)現(xiàn)高效的路徑規(guī)劃，使得有效的降低耕地的次數(shù)，節(jié)省能耗，避免漏掉耕地的問題。目前較為可行的方案是：將目標(biāo)耕地的邊界參數(shù)作為輸入?yún)?shù)，根據(jù)耕地農(nóng)具的幅寬（耕作一下能覆蓋到土地的寬度），將耕地的寬度平均劃分（不足幅寬的按照幅寬算），在從頭到尾作業(yè)一次發(fā)送調(diào)頭信號(hào)時(shí)，通過程序控制無人機(jī)向相鄰附近移動(dòng)一個(gè)幅寬的距離后掉頭。此時(shí)可以避免重復(fù)耕作和漏耕。4、自動(dòng)轉(zhuǎn)向自動(dòng)轉(zhuǎn)向是拖拉機(jī)實(shí)現(xiàn)無人駕駛的關(guān)鍵技術(shù)之一，涉及自動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向控制方法等。關(guān)于田間作業(yè)，從田頭到田尾作業(yè)一次，如何精確控制無人機(jī)具，遇到田頭（田?。r(shí)，能精確的提升耕地機(jī)具并且掉頭后落下機(jī)具？軟件方面耕作田地長度一定，將其作為基數(shù)參數(shù)，以田地的一頭為零點(diǎn)（參考點(diǎn)），通過修正后的GPS精確定位無人機(jī)位置，計(jì)算與零點(diǎn)之間的距離，從而求得此運(yùn)行距離與基數(shù)參數(shù)的差，當(dāng)差為0時(shí)表明參數(shù)從頭到尾部耕作一次，此時(shí)輸出控制信號(hào)；硬件方面通過控制器抬升機(jī)具，改變無人機(jī)的方向，接著落下機(jī)具，當(dāng)差為機(jī)身的長度或?yàn)?或?yàn)槟硞€(gè)值時(shí)（以實(shí)際操作為準(zhǔn)），表明從頭到尾部耕作一次，此時(shí)輸出控制信號(hào)，通過控制系統(tǒng)對(duì)自動(dòng)操縱機(jī)構(gòu)抬升機(jī)具，并根據(jù)對(duì)拖拉機(jī)的載運(yùn)負(fù)荷和加速器的調(diào)控，自動(dòng)改變拖拉機(jī)傳動(dòng)系的速度、擋次、轉(zhuǎn)彎，從而改變無人機(jī)的行駛方向，自動(dòng)進(jìn)入下一行后根據(jù)計(jì)算與零點(diǎn)之間的距離，落下機(jī)具。5、路障避免關(guān)于無人駕駛拖拉機(jī)的避障問題，利用基于GIS的自動(dòng)導(dǎo)航越界、陷車預(yù)警技術(shù)，對(duì)于一些固定的、靜態(tài)的障礙物可以通過路徑離線規(guī)劃在一定程度上進(jìn)行解決。另外，還有許多不可預(yù)見的、移動(dòng)的障礙物，以及一些特別的靜態(tài)障礙物，都需要