原创《无人驾驶水稻直播机技术原理》
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世达尔现代农机有限公司 丁天岭
传统的插秧需要机械播种、育苗、移栽、插秧等等工序, 设备投入大,比较耗费人力物力.在上海及周边地区的调查结果显示,成本约为 150 元每亩； 而精量化穴直播机只需要催芽和播种程序, 大量减少机械和人工成本, 相比于育插秧技术成本仅约 30 元每亩,并且精量化直播机没有移苗后伤根和返青的情况, 加快了生育进程； 且行距标准、 株距清晰, 在上海和周边地区增产增效明显. 针对南方水田的复杂环境和上海世达尔水稻精良穴播种机的成功推广, 上海世达尔现代农机有限公司与上海交通大学合力共同开发了全新的智能化机型 （无人驾驶机头和可自动调节播量的精量化直播机） .作为上海科技兴农重点项目, 历经三年, 已经做出了六台试验机, 并送至上海各区县自主作业, 并取得良好效果.
机头高精度自动驾驶是基础
自动驾驶功能是通过改造机头并辅助各种电器和软件来实现的,包括信息采集系统、 导航控制系统、 执行机构, 并开发人机交互软件用以方便人的操控.
信息采集系统主要用来收集机器的状态信息, 包括北斗导航组件所采集的数据、 角度传感器、 姿态传感器等, 主要用来采集机器的状态信息. 其中我们所采用的北斗导航组件由移动站和基站组成, 它的定位精度可达2. 5cm , 航向角精度可达 0. 1 度,数据传输频率为 10 赫兹；角度传感器安装在轮胎主轴上, 反映轮胎的实时倾角； 姿态传感器反映机身前进时的横滚角和俯仰角,因为农机在水田中行走时,车身的俯仰角和横滚角变化大,所以需要相关的数据, 使算法更准确, 行走更接近理想路径.
导航控制系统则主要是由算法和电器组成的智能控制系统, 相当于人的大脑, 北斗导航的定位数据、机器的倾斜情况、轮胎目前的转角等信息通过无线电、 电台、 蓝牙等方式最终传递给控制系统, 然后控制系统经过特制算法会作出下一步的行动指令, 并将这些指令传递给执行机构. 而机器在地里的位置和状态必然受地块等多方面的影响而呈现出不稳定的行走路径,运用基于模糊控制的算法等手段来及时的发现并调整机器的状态并保证行走的路径就成了重中之重, 所以控制系统在整个无人驾驶模块里是非常重要的一个组成部分.
执行机构主要由电器元件组成 （油门处的推杆、 方向盘处的电机等） 并和机头部分的机械机构连接在一起, 执行机构会根据控制系统的指令做出动作, 来调整机头部分的速度、行进方向、 播种部分的升降、 播种器播量的调节.
作业与远程管理方面. 通过系统之间的相互作用, 在用户规划的路径上, 机器不断调整自身状态, 最后完成符合用户要求的自主作业.
路径的规划是用户通过人机交互来实现的,是基于 An-dr oi d 平 台 开 发 的 一 款 管 理 软件, 其包括导航参数设置、 导航实时监控、 农机路径规划、 历史作业数据管理等功能, 用户可以在 Andr oi d 平台上直观的看到农机在农田中的行走轨迹、 运动状态等, 采集作业数据, 查看历史数据, 并且可以自己进行规划路径等操作.
可控精量化播种机部分是关键
首先介绍下排种器的结构.播种器的设计初衷是播量可调,并且必须是播量精量化的穴播,播量的调节主要是靠播种轮部分实现的,需要调节播量时, 型孔凸轮会随拨叉移动, 用以调整播种型孔大小,从而调节播量；而型孔轮上型孔的大小和型孔之间的间距是非常重要的, 只有控制好这两点才能在精量化穴播的基础上又能实现播量调节的功能, 我们经过计算和大量的平台实验, 最终确定了上述型孔轮的具体尺寸, 使播种量从 2 粒到 15 粒左右的范围内可调, 基本满足不同情况下的播种要求,并且经过实验播种, 得到了用户的肯定.
可调节播量式排种器相比固定型孔式排种器有许多优点：能满足不同地区、不同气候、 不同地块情况对排种量的需求, 并且直播机的稻种都会上药粉, 时间久了药粉就会在播种型孔内堆积, 可调式的排种机构, 凸型轮来回移动的时候能推动药粉,让其自由脱落, 不必人为的打扫等等优点.
这里详细介绍一下播量调节机构. 导轨组件中的螺杆转动时, 会通过螺纹带动滑块来回移动, 而滑块带动轴, 轴再带动型孔凸轮, 从而达到播量调节的目的. 由于所有排种器都由同一根轴带动调节,所以轴比较长, 故而在轴的其他地方加了几处支撑机构, 支撑机构中跟轴连接的是基座轴承, 它具备万向转动功能, 即使轴同心度不高, 也可以自如的在其中间左右移动.
自动化调节系统是核心
前面的机构实现了播量的可调, 那么自动化的达成靠的就是电机加传感器的结构还有合适的控制算法, 导轨组件中的螺杆通过联轴器和电机连接, 这样就把调节播量的机械运动交给了电机, 而滑块处安装了一个位移传感器, 位移传感器会把排种轮的位置信号传输给控制系统,控制系统会根据输入的播量需求和当前的播量比对, 然后发出信号给电机,电机带有编码器,根据控制系统的要求会正传或反转, 带动播量调节机构进行播量的调节, 从而达到自动化控制播量的目的.
本文介绍了智能化水稻穴直播机实现无人驾驶和自动化控制播量的整体原理和大致的结构, 为了实现上述功能, 我们对直播机的机头和播种器部分进行了大量的改进和试验, 保证了自动化控制和精良化播种的实施,并且通过导航定位传感器、 角度传感器等组件得到路径算法所需要的数据, 最终实现了机头和播种部分的自动化控制,并且具备路径规划、 作业信息管理、 播量自动化控制等功能.本机型制作了六台样机在多个地方进行整机试验, 路径表现和播种效果都取得了较好的反响.
驾驶论文参考资料：
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