T/JSAMIA 014-2023 履带式收割机自动驾驶与半自主作业系统性能要求及测试方法

内容简介

本文件规定了履带式收割机自动驾驶与半自主作业系统的性能要求及测试方法
本文件适用于江苏省相关企事业单位生产的履带式联合收割机的自动导航驾驶与半自主作业系统
履带式收割机自动驾驶与半自主作业系统性能要求及测试方法1范围本文件规定了履带式收割机自动驾驶与半自主作业系统的性能要求及测试方法。本文件适用于江苏省相关企事业单位生产的履带式联合收割机的自动导航驾驶与半自主作业系统。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB5226.1机械电气安全机械电气设备第一部分：通用技术条件GB10396农林拖拉机和机械、草坪和园艺动力机械安全标志和危险图形总则GB/T4208-2017外壳防护等级（IP代码）GB/T4269.1农林拖拉机和机械、草坪和园艺动力机械操作者操纵机构和其他显示装置用符号第1部分：通用符号GB/T4269.2农林拖拉机和机械、草坪和园艺动力机械操作者操纵机构和其他显示装置用符号第2部分：农用拖拉机和机械用符号GB/T18655车辆、船和内燃机无线电骚扰特性用于保护车载接收机的限值和测量方法GB/T19056-2012汽车行驶记录仪GB/T19517国家电气设备安全技术规范GB/T21398农林机械电磁兼容性试验方法和验收规则JB/T7858全液压阀转向器摆线转阀式开心无反应型3术语、定义及缩略词3.1术语和定义下列术语和定义适用于本文件。3.1.1载波相位平滑伪距pseudo-distancesmoothingtechniquebycarrierphase利用载波平滑后得到的减轻整周模糊度问题和噪声水平的一种观测值伪距值。3.1.2实时动态测量Real-TimeKinematicSurveyGNSS相对定位技术的一种，主要通过基准站和流动站之间的实时数据链路和载波相对定位快速解算技术，实现高精度动态相对定位。3.1.3定位精度positioningaccuracy观测位置与真实位置之间符合度的标准偏差。3.1.4速度精度velocityaccuracy观测速度与真实速度之间符合度的标准偏差。3.1.5定向精度directionalaccuracy观测航向角与真实航向角之间符合度的标准偏差。3.1.6AB线ABLine预先设定的用于农机自动驾驶的参考基准线。3.1.7作业参考路径workingreferenceroute农机自动驾驶系统软件基于田块边界及农机作业宽度，自动生成的由AB线为主的作业路径。3.1.8横向偏移误差lateraldeviationerror主天线的定位参考点相对于作业参考路径的距离。以农机前进方向（通常为车头方向）为参考方向，当主天线参考点在作业参考路径右侧时，横向偏差为正值，反之为负。3.1.9航向偏移误差coursedeviationerror农机航向相对于作业参考路径航向的夹角。以农机前进方向（通常为车头方向）为参考方向，当农机航向指向作业参考路径右侧时，航向偏差为正值，反之为负。3.1.10上线距离onlinedistance农机在距离作业参考路径一定横向偏差和航向偏差的初始位置处，驾驶员启动自动驾驶系统，从当前位置行驶至参考路径上并进入稳定工作状态，农机的初始位置点到行驶至参考路径上的点的线段，在参考路径上的投影的长度。3.1.11行直线偏差linestraightnessdeviation农机处于直线作业状态时，主天线的定位参考点相对于作业参考路径的横向偏移距离，以其绝对值的统计值表示。3.1.12衔接行间距偏差linedistancedeviation相邻两行真实作业路径间的距离值与相邻两行作业参考路径间的距离差值，以其绝对值的统计值表示。3.1.13割茬高度偏差stubbleheightdeviation实际作业割茬高度与预定作业割茬高度之差，以其绝对值的统计值表示。3.1.14收割作业负荷harvestingload本标准中使用收割机各机构作业时转矩的绝对值或者相对值表示作业负荷大小，并用脱粒滚筒转轴处的转矩相对于最大转矩的百分比来表示。3.1.15皮带打滑率beltsliprate皮带轮传动的从动轮实际转速对于理论转速的相对值。脱粒滚筒转轴由皮带轮传动，在脱粒滚筒转矩超限的情况下会发生明显的皮带轮打滑，本标准采用皮带轮打滑率来间接反映收割机作业负荷状况。3.1.16遥控remotecontrol利用无线电装置或4G/5G通信，对农机动作进行远程控制，本标准涉及的系统组成主要包括遥控器（物理遥控器或者智能设备上的软件程序）、接收器和动作执行器，系统功能主要包括启停、急停、卸粮等。3.2缩略语下列缩略语适用于本文件。GNSS全球导航卫星系统（GlobalNavigationSatelliteSystem）RTK实时动态测量（Real-TimeKinematicSurvey）HST静液压无级变速器（HydroStaticTransmission）4系统组成4.1系统组成收割机自动驾驶系统的组成包括：履带转速传感器，车身姿态传感器，车载定位天线，车载接收机，控制器，显示器，电控转向执行器、电控离合装置。具体组成部件可因定位方式、转向机构形式的不同增加或者减少。收割机自主作业系统除以上组成添加部分包括：割台角度传感器，皮带轮转速传感器，电控割台升降装置，电控液压无极变速装置。具体组成可因差分模式、操控机构形式的不同而有所不同。4.1.1履带转速传感器用于测量收割机履带驱动轮的转速，从而计算左右履带的转速差。4.1.2车身姿态传感器用于实时精确测量车身的3D姿态信息，包括横滚角（绕向前的轴旋转）、俯仰角（绕向右的轴旋转）和航向角（绕向上的轴旋转）。4.1.3车载定位天线车载天线包括GNSS天线、电台天线或移动通讯天线。4.1.4车载接收机GNSS接收机内部集成GNSS定位板卡和差分信号接收模块，通过接收到的卫星信号和差分信号，计算处理得到车辆当前精确的位置信息。4.1.5割台角度传感器用于测量收割机割台过桥转轴的偏转角度。4.1.6皮带轮转速传感器用于测量收割机的脱粒滚筒等主要作业部位的传动皮带轮的转速，通过主从传动轮的转速差计算皮带打滑率。4.1.7控制器控制器功能应至少包括：角度信息采集、多源信息的融合处理、路径规划、导航控制决策、作业控制决策与显示屏的数据通讯、数据存储。4.1.8显示器显示器作为人机交互的控制面板，主要用于实现系统参数标定及设置、作业设置、实时数据监控、自动驾驶/自主作业的激活与取消等功能。4.1.9电控转向执行器转向执行器分为电控液压转向系统与电动方向盘系统两类。电动方向盘是用电机替代原方向盘带动农机转向实现自动驾驶，当不启用导航自动驾驶时，电动方向盘失力，兼容手动转向。电控液压转向系统是在传统手动液压转向系统的基础上，加装电比例换向液压阀及相应油管，形成电控液压转向系统，使整个转向系统集手动转向和自动转向功能于一体，适用于没有转向立轴的档杆操作式收割机。4.1.10电控离合装置在传统离合器的基础上，改装电动推杆、拉线或并联外接控制电路形成电控离合装置。自主作业时通过电控实现离合控制，当不启用自主作业时，则为人工手动模式。4.1.11电控割台升降装置在传统手动液压割台升降系统的基础上，改装电控液压阀及相应油管形成电控液压割台升降系统，或者加装电动推杆及其传动机构，使整个割台升降系统集手动和自动功能于一体。自主作业时通过电控实现割台的升降控制，当不启用自主作业时，则为人工手动模式。4.1.12电控液压无极变速装置在传统手动HST的基础上，改装电控液压装置或加装电控推杆机构，形成电控HST系统，使整个HST系统集手动和自动功能于一体。自主作业时通过电控实现无极变速，当不启用自主作业时，则为人工手动模式。5技术要求5.1一般要求5.1.1系统应表面应光洁、应无明显划痕，刮伤、毛刺，及其它的机械损伤，各部分的涂镀层应光滑、色泽均匀，应无起泡、脱落、露底、锈蚀等缺陷。标识清晰无磨损。5.1.2系统各部件应装配良好、紧固、无松动和无干涉，无错装和无漏装现象，调节应方便自如，管路排列整齐，线束捆扎牢固、安全，控制器开关和按键的操作应方便、灵活和可靠。5.1.3铭牌应在控制器终端外表面的醒目位置，铭牌尺寸应与控制器终端结构尺寸相适宜，不可有边缘翘起、印字错误、印字模糊等现象。5.1.4传感器安装时应牢固，保证使用时不易松动，同时避免重物撞碰。5.1.5GNSS天线、电台天线应固定于车身顶部，移动通讯天线宜安装在驾驶室内部。5.1.6系统应配有具备一定通用性的固定安装装置。5.1.7面板的按键、接口等部位应有文字、图形等标志，标识耐久、醒目，标志应符合GB/T4269.1和GB/T4269.2的规定。5.1.8对操作人员有安全危险隐患的部件应有防护装置，并在其附件明显位置处粘贴符合GB10396规定的安全警示标志。5.1.9系统控制器和显示器受磁场或电场等不利因素影响时应能正常工作，其抗干扰能力应符合GB/T21398的规定，无线电骚扰特性限值应符合GB/T18655的规定。5.1.10系统液压元器件的清洁度应符合JB/T7858的规定。5.1.11系统应满足的工作环境温度为-20℃～75℃，产品应满足的存储环境温度-40℃～85℃。5.1.12系统应能适应农业机械电源供电，具有过载保护措施且满足在直流9V~36V的85%—100%范围变化时正常工作。5.1.13系统的抗震性能、瞬态抗扰性能都应符合GB/T19056-2012相关要求。5.1.14系统各部件的防水防尘能力应满足GB/T4208-2017的要求，相关要求见表1。表1各单元防尘防水等级名称　GNSS天线　GNSS接收机　角度传感器　姿态传感器　转速传感器　控制器　显示器　电控液压装置等级　IP67　IP67　IP67　IP67　IP67　IP67　IP54　IP675.2性能要求5.2.1导航定位性能a)载波相位平滑伪距法定位精度：水平误差≤0.8m，垂直误差≤1.5m。b)RTK定位精度：水平误差≤(10＋0.5×D)mm，垂直误差≤(20＋0.5×D)mm；D为基线长度，单位为千米（km）；此处D≤20km。c)速度精度：速度测量误差≤0.2m/s。d)定向精度：定向误差≤0.2°。5.2.2自动驾驶性能a)上线距离：收割机初始位置距离作业参考路径横向偏差≤±1m、航向偏差≤±45°，收割机上线距离小于5m或者小于3个车身。b)行直线精度：收割机自动导航驾驶系统的作业行直线度偏差≤2.5cm。根据《农机田间作业标准化》要求，百米弯曲度小于2.5cm。c)衔接行间距精度：收割机自动驾驶系统的作业行间距偏差≤2.5cm。5.2.3自主作业性能a)割茬高度控制精度：收割机自主作业系统收割作业后割茬高度偏差≤5.0cm。b)作业负荷控制精度：收割机自主作业系统收割作业时，通过调节作业速度控制脱粒滚筒等主要作业部位的传动皮带打滑率≤3%。c)遥控卸粮距离：收割机响应遥控卸粮指令，遥控距离≥1km。5.3安全要求5.3.1系统应符合GB19517的规定。5.3.2系统使用的电器元器件、电线导线、电器连线、控制装置安全设计应符合GB5226.1的规定。5.4可靠性要求系统平均故障间隔时间应不小于100h。6测试方法6.1一般要求测试方法6.1.1通用目测法和相关检测工具进行外观和结构检查，检验项目和检验标准应符合5.1.1~5.1.6的要求。6.1.2按照GB/T4269.1和GB/T4269.2中的规定进行系统按键、接口等部位的标志检查。6.1.3按照GB10396中的规定进行系统安全警示标志检查。6.1.4按照GB/T21398中的规定进行系统抗干扰能力检查；按照GB/T18655中的规定进行系统无线电骚扰特性限值检查。6.1.5按照JB/T7858中的规定进行系统液压元器件的清洁度检查。6.1.6按照GB/T2423.1中的规定进行系统温度下限测试检查；按照GB/T2423.2中的规定进行系统温度上限测试检查。6.1.7在正常供电且智能终端正常工作情况下，将供电电源在9V~36VDC的85%~100%范围变化，检查智能终端能否正常工作；采用目测法检测智能终端在过载情况下过载保护措施是否正常工作。6.1.8按照GB/T19056-2012中的规定进行系统的抗震性能、瞬态抗扰性能检查。6.1.9按照GB/T4208-2017中的规定进行系统各部件的防水防尘能力检查。6.2性能要求测试方法6.2.1载波相位平滑伪距法定位精度测量使用实际卫星信号进行测试。通过馈线将接收机与天线连接在已知观测点上，待接收机得到单点平滑定位结果后开始记录输出的坐标，数据采样间隔不大于30s，记录数据不少于100个，则单点平滑定位的水平精度和垂直精度分别为：　　（1）　　（2）式中：、——单点平滑定位的水平精度、垂直精度，单位为米（m）；、、——已知点在站心地平坐标系下的北、东、高坐标，单位为米（m）；、、——被测设备第i个定位结果在站心地平坐标系下的北、东、高坐标，单位为米（m）；——获得的单点平滑定位坐标的序号；——获得的单点平滑定位坐标的个数。6.2.2RTK定位精度测量使用实际卫星信号进行测试。选取长度不大于20km的基线进行测试，确保有效GNSS卫星数不少于8颗，设置卫星截止高度角不大于10°，将流动站接收机置于多个已知坐标的点位上进行观测。每个观测点间距离至少10m，每5min切换一次观测点，切换后即刻采集不少于100个RTK定位结果，共进行10组观测，参考式（1）（2）计算RTK定位精度。6.2.3速度精度测量使用模拟卫星信号进行测试。用GNSS模拟器模拟卫星导航信号和用户运动轨迹，输出射频仿真信号。被测接收机接收射频仿真信号，按1Hz的更新率输出速度数据，以模拟器仿真的速度作为标准，计算速度误差及其分布。依次用模拟器仿真不同的用户运动轨迹：每条轨迹的仿真时间不小于5min，各条轨迹的最大速度、最大加速度取值见表2。表2速度精度测试用户运动轨迹参数速度V（m/s）　最大加速度（m/s2）5　160　10100　206.2.4定向精度测量使用实际卫星信号进行测试。将两个被测接收机及天线（两个接收机选用同一型号的测量型天线）架设在室外观测点上，基线长度R已知（1~5m），观测四个时段，每个时段的观测时间应不少于30min，设置卫星截止高度角不大于15°，采样间隔不大于10s，记录从接收机输出的双天线方位角。按式（3）计算定向精度：　　（3）式中：——方位角精度，单位为度；——已知基线长，单位为m；、——被测设备第i个定向结果、已知观测点的方位角，单位为度；——定向结果序号；——定向结果个数。6.2.5上线距离测量　收割机初始位置在距离作业参考路径横向偏差≥1m、航向偏差≥45°处（或横向偏差≤-1m、航向偏差≤-45°处），驾驶员启动自动驾驶系统上线，共进行三次实验，三次实验中收割机行驶速度分别为1.5km/h、3km/h和5km/h。每次实验均需测量并统计收割机的上线距离，该距离应该小于5m或小于3个纵向车身长度。6.2.6行直线精度测量如图1所示：在待测试收割机上安装第三方高精度测量型天线和接收机，天线安装位置位于收割机纵向中心线上，安装高度应贴近地面。利用第三方高精度测量型接收机记录A点和B点坐标，并以该AB线为基准线设定收割机按照不小于300m的长直线自动驾驶作业。利用第三方高精度测量型接收机，分别在0.5m/s和2.5m/s的作业速度下等间距记录实时RTK轨迹点，计算轨迹点到AB线的距离。利用式（4）计算各速度下的自动驾驶系统作业轨迹与AB线距离的标准差，该标准差为行直线精度，两种作业速度下的行直线精度均应不大于2.5cm。　　（4）式中：——行直线精度，单位为cm；——自动驾驶系统实际行驶轨迹点到AB线的距离，单位为cm；——自动驾驶系统实际行驶轨迹点到AB线的距离的平均值，单位为cm；——所记录的轨迹点个数，N≥50。图1行直线精度检测示意图6.2.7衔接行间距精度测量如图2所示：在待测试收割机上安装第三方高精度测量型天线和接收机，利用第三方高精度测量型接收机记录A点和B点坐标，并以该AB线为基准设定多行不小于300m的平行直线段作业路径。分别设定收割机以0.5m/s和2.5m/s的速度自动驾驶作业且至少完成2次掉头作业，利用第三方高精度测量型接收机等间距记录实时RTK轨迹点。在第一行的轨迹线中记录轨迹点，在第二行的轨迹线中记录对应轨迹点，从而计算轨迹线1和轨迹线2的相对距离。利用式（5）计算各速度下的自动驾驶系统作业轨迹线1和轨迹线2的相对距离的标准差，该标准差为衔接行间距精度，两种作业速度下的衔接行间距精度均应不大于2.5cm。　　（5）式中：——衔接行间距精度，单位为cm；——自动驾驶系统轨迹线1和轨迹线2的相对距离，单位为cm；——自动驾驶系统轨迹线1和轨迹线2的相对距离的平均值，单位为cm；——所记录的轨迹点个数，N≥50。图2衔接行间距精度检测示意图6.2.8割茬高度控制精度测量如图3所示：开启收割机割茬高度控制系统，选择土地坚实平整、作物无倒伏的田块，设定收割机沿AB线直线自动驾驶同时进行收割作业，收割长度不小于300m。收割作业完成后，利用卷尺等测量工具等间距记录割茬高度，利用式（6）计算割茬高度的标准差，该标准差为割茬高度控制精度,割茬高度控制精度应不大于5cm。　　（6）式中：——割茬高度控制精度，单位为cm；——自主作业的割茬高度，单位为cm；——自主作业的割茬高度的平均值，单位为cm；——所记录的割茬高度数据的个数，N≥50。图3割茬高度控制精度检测示意图6.2.9作业负荷控制精度测量如图4所示：以脱粒滚筒为主要负荷测控对象为例，在收割机脱粒滚筒转轴皮带轮的主动轮和从动轮处分别安装第三方高精度转速测量仪。实时测量主动轮转速，通过皮带轮理论传动比计算从动轮实时理论转速；通过实时测量从动轮实际转速和理论转速的比值，计算得出脱粒滚筒转轴处的皮带打滑率。开启收割机作业负荷控制系统，设定收割机沿AB线直线自动驾驶同时进行收割作业，收割长度不小于300m。作业工程中等时间间隔记录皮带打滑率，利用式（7）计算皮带打滑率的标准差，该标准差为作业负荷控制误差,作业负荷控制误差应不大于3%。　　（7）式中：——作业负荷控制误差，为百分制；——自主作业的脱粒滚筒转轴皮带打滑率，为百分制；——自主作业的脱粒滚筒转轴皮带打滑率的平均值，为百分制；——所记录的脱粒滚筒转轴皮带打滑率数据的个数，N≥50。图4作业负荷控制精度检测示意图6.2.10遥控卸粮距离测量设定遥控试验距离大于1km，使用遥控器输入收割机卸粮动作指令，目测记录农机动作完成情况，重复3次到5次验证。6.3安全检验按照GB19517进行检验。6.4可靠性评价6.4.1故障按照严重程度可分为以下四类：a)致命故障：导致系统功能丧失的故障，如电路板烧毁、终端系统完全失灵；b)严重故障：在正常作业条件下，系统出现的需要4h以上才能排除的故障；c)一般故障：在正常作业条件下，系统出现的需要0.5h～4h能排除的故障；d)轻微故障：在正常作业条件下，系统功能出现故障，能在0.5h内排除且不需要调整、更换系统器件便可修复的，可不按故障计。6.4.2可靠性评价应符合下列要求：a)试验时系统如果发生致命故障，可靠性试验为不合格；b)平均故障间隔时间：采取定时截尾试验方法，在正常作业条件（或模拟试验）下记录式样的工作情况、故障情况和修复情况等，考核计算式样平均故障间隔时间（MTBF）按式（8）计算：　　（8）式中：　　平均故障间隔时间，单位为小时（h）；　试样工作时间，单位为小时（h）；　试验期间系统发生的严重故障、一般故障次数，轻微故障不计。