【正文】        摘   要：随着我国农业拖拉机大规模应用以及高新技术与自动化控制技术的快速发展，自动驾驶拖拉机辅助装置的研究已成为近年来农机装备科学研究的重要方向。本文总结回顾了国内外拖拉机自动驾驶辅助系统的技术研究概况和主要成果，并系统总结和分析我国拖拉机应用特点和发展趋势的基础上，指出现阶段我国拖拉机要实现自动驾驶的技术发展瓶颈，并探讨了未来无人驾驶拖拉机的发展方向。研究结果表明，不改变拖拉机原有结构、普遍适用于现有拖拉机、拖拉机远程交互、拖拉机自动驾驶是我国现阶段拖拉机无人驾驶的可行性很高的发展方向。
        关键词：农用拖拉机；发展趋势；自动驾驶；无人驾驶；远程交互
        引   言
         随着农用拖拉机应用的日趋成熟和现代科技的发展，我国正处在补齐农机短板的关键期，拖拉机是农业生产必须的农业工程装备，广泛应用于翻耕、播种、植保、收割、运输等农业生产中，具有数量大、分布广的特征[1-4]。 目前，全国已有近3千万台大中小型拖拉机，几乎所有的都为手动驾驶型拖拉机。
        中央一号文件指出：要大力实施农机装备补短板行动。农业作业具有较强的时令性，农忙时节拖拉机作业需求量大，长时间的作业和恶劣的作业环境，对驾驶员身心造成一定伤害，同时也存在安全隐患。并存在拖拉机手收入不稳定和人手短缺导致拖拉机不能够完全发挥其经济价值。因此，研究无人驾驶拖拉机辅助驾驶系统就显得极为重要和迫切。
        当前，国内外研究的无人驾驶拖拉机，是一种全新的拖拉机产品，集成了无极变速、电动转向、导航定位等新技术，已基本实现自动驾驶功能，但并没有在国内得到大规模推广，究其原因由于国内的拖拉机消费者实际上是通过投资收益来评估其技术的适应能力，他们希望的是一种能够满足他们预期收益的产品，而非仅仅是“高科技、低收益”的产品[5]。
        本文探讨的拖拉机自动驾驶辅助系统,是在不改变现有拖拉机结构的基础上，直接安装辅助装置，实现人机交互远程控制和初步的自动驾驶功能，具有低成本的绝对优势。同时，拖拉机驾驶员脱离拖拉机车体，在舒适的环境中远程操控拖拉机，避免了拖拉机作业震动带来的身心伤害，能延长作业时长，间接提高作业效率。因此，本研究系统更符合当前广大拖拉机用户对自动驾驶拖拉机的需求，具有重要研究意义和推广应用前景。
        1.国外无人驾驶拖拉机发展现状
        国外无人驾驶拖拉机技术一直处于领先水平，以芬特、约翰迪尔、凯斯纽荷兰等为代表的拖拉机先进制造研发的企业，许多先进拖拉机都在大规模地融合自动化、智能化和信息化技术进行升级。同时，全球领先的拖拉机制造商也在积极推出他们各自的智能拖拉机和精准农业拖拉机等解决方案，例如凯斯万国的AFS系统和纽荷兰的PLM系统、约翰迪尔的AMS系统、克拉斯的EASY系统以及AGCO的FUSE系统等。
　　Qiu、Hongchu 来自美国的团队在拖拉机中安装了RTK-GPS（全球实时动态定位系统）、GDS（地磁方位传感器）、FOG（光纤陀螺仪）等尖端的设备，并构建了一个能够实现自主驾驶与导航操作的系统。Magnum型拖拉机是凯斯纽荷兰公司的初始设备，并且它已经在农业发展的展示中得到了应用。首先推出全球第一台大功率、无人无驾驶室的新型拖拉机，该拖拉机上搭建了最新型一代（AFS）自动导航系统，具备田间路径自动规划、自动田边转向和掉头、远程操控、设备远程监控等功能，能够显著降低路径重复、减少燃油消耗和种植机手投入，并大幅度地提高了田地的产量[7]。 Pawin Thanpattranon 及其团队，来自日本tsukuba大学，他们成功开发了一种能够让拖拉机进行自动驾驶的导航系统。这种系统能够让果园内的农作物进行全程无人驾驶，并且能够确保挂车的正确停放。此外，他们还将曲线路径的追踪误差限定在27.5cm[8]以内27.5cm[8]。 Xiong Zhe Han 等韩国大学的学者们对于如何处理水稻种植过程中的轮胎打滑及地面偏移的难题展开了深入的探索。他们依据预瞄追踪理论，创造出一种能够让拖拉机在农田里维持直线运行并实现地面偏移的自动化控制系统[9]。Corno Matteo 提出了一种基于超声波汽车传感器的葡萄园农业拖拉机(半)自主导航自适应定位系统[10]。Mara Tanelli 研究了与正确管理单离合器和双离合器换档有关的所有关键技术，并提出了一种能够在所有工况下提供良好换档性能的控制系统[11]。Katarzyna Pento?研究了一种低功率拖拉机的牵引力和牵引效率，该牵引力和牵引效率受土壤系数、垂直载荷、水平变形、土壤压实和土壤湿度的影响，并利用对包括神经网络，遗传算法和自适应网络模糊推理系统在内的软计算方法的性能进行了评估[12]。Oskar Ljungqvist 对于拖拉机的预估感知实现路径跟随控制器的设计，利用外装传感器探测拖拉机的运动姿态进行实时建模，实时调控拖 拉机的运动姿态并进行矫正[13]。
        2.  无人驾驶拖拉机国内研究现状
　　与欧美日韩发达国家相比，国内无人驾驶拖拉机的研究还处于起步晚，还存在较大差距。但在国家的产业规划和鼓励政策推动下，发展非常迅速。其中以西北农林科技大学、华南农业大学、 中国农业大学等学校为代表的科研团队，开始对拖拉机无人驾驶技术研究。
　　2009年，罗锡文等华南农业大学的研究人员利用 RTK-DGPS 技术开发了一个适用于东方红 X-804 型拖拉机的自动导航控制系统，成功地实现了拖拉机的直线自动驾驶和跨行地头转向。在中国国际农业机械展览会上，罗锡文院士团队与雷沃重工联合R&D的无人驾驶拖拉机正式亮相，这款无人驾驶拖拉机能够自动进行精细的播种、施肥、起垄等操作[15]。韩科立等人设计了一个基于速度和转向角的双参数最优控制路径跟踪控制器，经过田间试验，该控制器的横向误差低于0.12m 。航向角偏差小于1.1°[16] 。2017年，张硕等研究了拖拉机的速度对导航系统的稳定性，设计了自动导航控制器，并在雷沃 TG1254 拖拉机上进行了导航测试，结果表明，该导航控制器能基本实现不同速度下拖拉机的直线路径跟踪[17]。孔令建等通过将玉米收获机由传统的换挡方式转变为自动换挡，并由液压缸来为换挡拔叉的拨动提供动力，实现了样机的自动换挡[18]。王诗东等对拖拉机辅助驾驶中的自动转向与路径追踪的方法，已经做了深入的研究。利用北斗导航卫星的高精度定位装置和运用PID 算法来操纵自动掉头转向，并通过改变论域的模糊算法来执行自动的路线追踪[19]。印祥团队还开发出一种使用无刷电机作为动力源的自动转向系统，该系统的核心部分包括角度传感器、转向控制器、无刷电机及其驱动器以及配套的传动机构[20]。郝帅红和他的团队利用 Q/CR01-2015 型山地拖拉机作为原型机，对其进行了升级，并构建了一个基础的操作系统，从而达到了对无人驾驶拖拉机的基础操作。[21]。
        3. 无人驾驶拖拉机在我国应用现状
　　国外的无人驾驶拖拉机研究较早，技术成熟，在智能农业、精准农业中得到广泛应用。当前，国外的无人驾驶拖拉机是与传统拖拉机不同的产品，集合了动力换挡、无极变速、整机信息化、GPS 导航定位等新兴技术，但鉴于成本高，且不符合当前我国的拖拉机应用定位，并没有在我国大面 积推广。
　　国内在拖拉机动力换挡、无极变速、整机信息化、GPS导航定位等方面也取得了诸多成果，无人驾驶拖拉机也已经应用在农业生产中，如今年新疆的无人驾驶拖拉机收割棉花。但当前的无人驾驶拖拉机绝大多数都是基于新型拖拉机或做过大规模电气改造的拖拉机，同样存在造价高、推广难的问题，想要大规模普及无人驾驶拖拉机还有很长的一段路要走。
　　根据国家统计局数据，截至 2019 年底我国拥有的大中型拖拉机数量为4438619 台，小型拖拉机17804249台，几乎所有的拖拉机都为手动驾驶型拖拉机。如果不改变原有拖拉机结构，通过加装辅助驾驶系统实现人机协同远程驾驶或者自动驾驶，将具有巨大的经济价值和应用前景。
        4. 拖拉机无人驾驶辅助系统未来发展趋势
　　从目前国内无人驾驶拖拉机发展形势来看，在我国政府的大力支持农机发展的背景下，农业现代化和机械化已经成为目前农业发展不可阻挡的趋势。随着新能源技术、智能识别技术、传感器技术、车联网技术、定位导航与通信技术等前沿技术的高速发展，拖拉机无人驾驶辅助系统行业将会大有可为。拖拉机无人驾驶辅助系统未来发展趋势主要体现在以下几个方面：
　　1） 拖拉机自动驾驶辅助系统，是在不改变拖拉机原有结构 的基础上，直接安装辅助驾驶系统，实现人机协同远程控制或自动控制拖 拉机作业。不用购置新的无人驾驶拖拉机产品，即可实现拖拉机的远程驾 驶或自动驾驶功能，更符合用户对无人驾驶拖拉机的需求心理。
　　2） 车载操控量执行机构的结构灵活可调，便于装卸和扩展，以便适应于 现有的拖拉机机型。
　　3） 驾驶员脱离拖拉机驾驶室，在舒适的环境中远程操控拖拉机，避免了 拖拉机作业振动带来的身心伤害，可极大地降低驾驶员的工作强度，提高 作业时长，间接提高作业效率。
　　4） 在作业环境相对简单的场景中，实现拖拉机自动驾驶功能， 自主跟随规划 好的路线作业，减少劳动人员的数量和工作压力，减少农业的生产成本，增强农业的生产效益和经济收益。
        5.   结语
　　综上所述，拖拉机自动驾驶辅助系统是在拖拉机自动驾驶应用的主流方向，有着广阔的发展空间。“十四五”期间， 国家加大了对无人驾驶拖拉机技术研发方面的财政 支持力度，必将促使我国驾驶拖拉机自动驾驶的研究进入一个快速发展的阶段。未来， 随着技术的不断进步，智能农机装备将会越来越多，农用拖拉机朝着无人化、智能化及信息化方向发展是重要趋势， 将助力农业生产效率的提升和农产品质量的改善。
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