拖拉机自动驾驶监控系统软件设计

图 2 软件结构与功能框图 Fig． 2 Software structure and function diagram
参数设置包括 GPS 设 置、农 具 设 置、地 块 设 置 3 前进方向、跟踪误差及已完成作业量等信息的实时监 个独立的子窗口，采用自行设计的软键盘 （ 仅支持字 测。 母及数字） 输入。参数设置在系统启动后自动驾驶功 能启动前完成，各窗口具体参数内容如图 3 所示。
拖拉机是农业生 产 机 械 中 最 重 要 的 驱 动 力 ，是 实 施精准农业的根本动力［1］。提高拖拉机大 田 作 业 耕
作精度与效率 、减轻 驾 驶 员 工 作 负 荷 等 需 求 的 提 出 使
得开展拖拉机自动驾驶关键技术研究与应用推广已
具 有 可 行 性 和 必 要 性 ，同 时 也 是 农 业 装 备 机 械 化 、自
·89·
2015 年 7 月
农机化研究
第7 期ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
2 软件设计
2． 1 开发平台与技术 WinCE 作为一个开放的、可裁剪的、32 位嵌入式
实时窗口操作系 统 ，以 可 靠 性 好 、实 时 性 高 、内 核 体 积 小及微软强大的技术支持等优势广泛应用于各种智 能设备［8］。系 统 终 端 选 用 飞 凌 公 司 生 产 的 OK335xS 型触摸屏工业智能控制终端，支持 WinCE7． 0 操作系 统、ＲS232 串口通信、CAN2． 0 高速数据传输及 SD 卡
动化发展的必然趋势。 美国、日本、德 国 等 许 多 国 家 都 开 展 了 农 业 车 辆
自动导航系统的 研 究 ，并 已 有 成 熟 产 品 进 入 市 场 。 目 前，国 内 对 于 自 动 驾 驶 作 业 系 统 的 应 用 ，常 见 的 有 美 国天宝、拓普康等［2 － 3］。我国在农机自动驾驶系统研 究方面起步较晚 ，中 国 农 业 大 学 、华 南 农 业 大 学 、上 海 司南 、西安恒昇等科 研 机 构 或 公 司 已 经 取 得 了 一 定 的 成果并进行了一定 范 围 的 推 广 与 应 用 ，但 仍 有 待 进 一 步优化［4 － 7］。为此，基于实验室前期对拖拉机旱地播 种作业自动驾驶关键技术的研究，以 WinCE 嵌入式智 能终端为平台，采用 C + + 语言设计并开发了拖拉机 自动驾驶作业监控系统。
率 ，降 低 劳 动 强 度 具 有 重 要 意 义 。为 此 ，基 于 WinCE 嵌 入 式 智 能 终 端 、多 线 程 技 术 及 CAN 总 线 技 术 ，在 研 究 拖 拉
机 自 动 驾 驶 工 作 原 理 的 基 础 之 上 ，设 计 了 拖 拉 机 自 动 驾 驶 监 控 软 件 系 统 ，采 用 AB 直 线 路 径 规 划 方 法 ，能 实 时 接
图 5 多线程数据处理方案 Fig． 5 Multi thread data processing scheme
3 试验测试
3． 1 测试方法 将自动驾驶系统按照图 6 所示安装在天津拖拉机
厂生产的 TN654 拖拉机上，于 2014 年 4 月在新疆农 八师 122 团试验田内进行播种试验。考虑直线路径规 划方法和测量的方 便 ，为 了 使 测 试 结 果 充 分 反 映 拖 拉 机自动驾驶系统在田间的作业效果及其行走的直线 度 ，试验过程中取当 前 行 与 上 一 行 的 接 行 误 差 作 为 自 动驾驶系统衡量 指 标 。 为 保 证 划 行 器 划 线 的 效 果 ，试 验过程中可在划行 器 的 末 端 加 上 合 适 配 重 ，以 便 测 量 接行误差。测量示意图如图 7 所示。
路径规划与跟踪模块根据已规划垄行及当前拖拉 机 GPS 位置信息，动态实时显示拖拉机的工作位置、 作业路径及垄行跟 踪 偏 差 ，并 及 时 提 示 驾 驶 员 调 整 驾 驶策略以保障拖 拉 机 准 确 巡 航 。 此 外 ，路 径 回 放 功 能 还能够根据数据库已存储导航信息实现线下作业过 程再现与检查。系统通过 AB 直线垄行预规划的方法 决策拖拉机在田间 的 工 作 路 径 并 进 行 跟 踪 显 示 ，当 拖 拉机垄行跟踪偏差 大 于 作 业 要 求 时 ，系 统 需 重 新 规 划
1 拖拉机监控系统结构图 Fig． 1 Framework of tractor monitoring system
拖拉机启动、系 统 各 模 块 上 电 运 行 后，终 端 作 为 主控模块通过 CAN 总线向其它各 CAN 模块发送设备 状态检测命令 。 待系 统 自 检 无 误 后 ，用 户 即 可 通 过 终 端获取拖 拉 机 的 运 行 状 态 并 进 行 相 关 信 息 的 设 置。 终端与 GPS 接收机通过串口进行通信，获取拖拉机的 位姿信息，进行位置信息（ 经纬度） 转换、AB 直线导航 路径规划及目标路径决策。当自动驾驶功能启动时， 终端通过 CAN 总线向导航控制器发送目标路径直线 方程及拖拉机当前位姿信息。导航控制器采用纯跟 踪算法决算出拖拉机无限逼近目标路径应该执行的
存储。以该终端为硬件平台，以 VS2008 MFC 智能设 备项目集成开发环境为软件平台，基于 WinCE 所支持 的多线程技术实现高实时性拖拉机自动驾驶精准作 业监控系统。 2． 2 软件结构与功能
拖拉机自动驾驶监控系统软件结构与功能如图 2 所示 。 采用模块化设 计 并 实 现 系 统 各 个 功 能 ，其 主 体 模块 包 括 参 数 设 置、数 据 监 测、路 径 规 划 与 跟 踪 显 示 等。
6） 若 H（ j） ＜ H（ j － 1） 且 H（ j） ＜ H（ j + 1） ，继续以 当前直线 F（ j） 为导航路径，转至过程 4） ；
7） 当拖拉机垄行跟踪偏差大于作业要求时，重新 规划路径，转至过程 1） 。 2． 3 多线程设计
WinCE 多线程 处 理 技 术 是 系 统 实 现 在 线 大 量 数 据实时采集与处理 的 重 要 保 障 ，基 于 该 技 术 设 计 并 实 现的自动驾驶监控系统数据处理流程如图 5 所示。系 统在线运行时，通过 CAN 接收和发送子线程与下位机 通信，通过串口通信子线程采集 GPS 信息。垄行规划 及跟踪子线程负责 动 态 实 时 决 策 和 路 径 生 成 ，图 形 绘 制子线程 负 责 显 示 拖 拉 机 的 工 作 位 置 及 当 前 路 径。 数据库子 线 程 负 责 保 存 相 应 数 据 信 息，主 线 程 负 责 GPS 平面坐标转换、用户信息交互及相关监测信息显 示。主线程通过线程同步与互斥机制保证各子线程 间协 同、快 速 有 效 地 完 成 相 应 功 能，避 免 线 程 间 发 生 访问冲突。
1 系统架构与原理
转角和转向，并将该信息通过 CAN 总线发送给转角控
拖拉机自动驾驶作业监控系统（ 如图 1 所示） 主 要由 GPS 接收机、智能监控终端、农具控制模块、导航
制器。转角控制器根据目标转角控制步进电机的转 动进而驱动方向盘 ，通 过 控 制 电 磁 阀 通 断 电 实 现 自 动 驾驶和人工驾驶切换。转角传感器通过转角控制器
图 3 参数设置界面 Fig． 3 Parameters setting interface
数据监测模块位 于 系 统 主 界 面 左 侧 ，其 设 计 界 面 如图 4 所示。数据监测模块实现 GPS 经纬度、车速、
图 4 软件主界面 Fig． 4 Main interface of software
2015 年 7 月
农机化研究
第7 期
拖拉机自动驾驶监控系统软件设计
薛 龙，马 蓉
（ 石河子大学 机械电气工程学院，新疆 石河子 832000）
摘 要： 随 着 农 业 装 备 机 械 化 、自 动 化 水 平 的 提 高 ，推 广 和 应 用 拖 拉 机 自 动 驾 驶 技 术 ，对 提 高 大 田 耕 作 精 度 与 效
此次试验播种作业行驶速度 3． 5km / h 左右，共计 11 行，每行长度约 150m，每个接行数据测量点不低于 50 个，剔除每个接行测量点粗大数据后取其绝对平均 值，试验数据如表 1 所示。田间测 试 结 果 表 明： 该 自
·91·
2015 年 7 月
农机化研究
第7 期
动驾驶监控系统在 TN654 拖拉机上运行稳定、可靠、 数据交互实时性高； 接行相对测量误差的绝对平均值 为 9． 7cm，最大相对测量误差不超过 12cm，基本满足 播种要求。
关键词： 拖拉机； 自动驾驶； 监控终端； W i n C E ； 软件设计
中图分类号： S126； S219
文献标识码： A
文章编号： 1003 － 188X（ 2015） 07 － 0089 － 04
DOI:10.13427/ki.njyi.2015.07.020
0 引言
控制器、转角控制器、执行机构（ 步进电机） 、电磁换向 阀和前轮转角传感器组成。
图 6 自动驾驶系统安装示意图 Fig． 6 Installation sketch of automatic driving system
图 7 试验测量示意图 Fig． 7 Sketch of test measurement
3． 2 测试结果 拖拉机自动驾驶监控系统参数设置完成后系统启
动，沿行驶方向分别获取 A、B 点位置（ A、B 两点距离 尽量在 50m 以上） ，形成直线 AB； 以此直线按作业幅 宽规划出该地块的 导 航 直 线 系 ，之 后 拖 拉 机 按 此 路 径 进行田间自动驾驶播种作业。监控终端运行界面如 图 8 所示。
拖拉机自动驾 驶 监 控 系 统 采 用 模 块 化 设 计 ，基 于 嵌入式 WinCE 多线程处理机制和 CAN 总线技术实现 了大量信息的实时监测与处理。田间试验测试结果 表明： 该监控系统通信可靠、运行稳定； 路径规划算法 设计合理，系统作业精度基本满足需求。
收 、显 示 和 保 存 导 航 信 息 和 控 制 拖 拉 机 运 行 状 态 。 试 验 测 试 结 果 表 明 ： 该 系 统 运 行 稳 定 、通 信 可 靠 、系 统 实 时 性