農(nóng)業(yè)機(jī)械自動化技術(shù)研究

山東省濱州市農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)推廣站 吳莉麗

中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司濱州市分公司 薛 益

農(nóng)業(yè)技術(shù)自工業(yè)革命以來發(fā)生了翻天覆地的變化，其中農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)又是核心之一，而農(nóng)業(yè)機(jī)械中，自動化技術(shù)又是關(guān)鍵核心，因此關(guān)心糧食安全、關(guān)心農(nóng)業(yè)發(fā)展，就必須要關(guān)注農(nóng)業(yè)機(jī)械自動化技術(shù)的發(fā)展。本文簡要介紹農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展面臨的一些問題，對不斷發(fā)展的自動化技術(shù)進(jìn)行簡要梳理和研究。

1 引言

農(nóng)業(yè)領(lǐng)域機(jī)械的發(fā)展和發(fā)展趨勢往往受其他經(jīng)濟(jì)部門的技術(shù)發(fā)展所影響，例如應(yīng)用于軍事目的的空間無線電導(dǎo)航和全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)，同樣也為農(nóng)業(yè)機(jī)械的發(fā)展帶來巨大的變革。同樣，卡車、公共汽車和汽車行業(yè)也對農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展做出了重大貢獻(xiàn)，在越野設(shè)備部門部署微型控制器，該微控制器的采用控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(CAN)，實(shí)現(xiàn)多機(jī)功能的綜合控制的技術(shù)也應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)中。

2 農(nóng)業(yè)機(jī)械自動化技術(shù)

對于農(nóng)業(yè)機(jī)械，有幾個新興的技術(shù)將對自主操作至關(guān)重要。在某些情況下，基礎(chǔ)技術(shù)的研發(fā)，如實(shí)時運(yùn)動學(xué)(RTK) GPS網(wǎng)絡(luò)的加密，以生成虛擬參考站(VRS)校正數(shù)據(jù)，同時通過Wi-Fi進(jìn)行Internet連接，以支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸[1]。

下面是對許多聯(lián)合技術(shù)的現(xiàn)狀的簡要概述，這些技術(shù)對于未來完全自治的領(lǐng)域機(jī)器來說是必不可少的。

2.1 天基定位系統(tǒng)

傳感、通信和控制技術(shù)的進(jìn)步，再加上全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)和地理位置。地理信息系統(tǒng)(GIS)正在幫助農(nóng)業(yè)機(jī)器從簡單的機(jī)械發(fā)展成智能的工具。

中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）是中國自行研制的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可在全球范圍內(nèi)全天候、全天時為各類用戶提供高精度、高可靠定位、導(dǎo)航、授時服務(wù)，并具短報文通信能力，已經(jīng)初步具備區(qū)域?qū)Ш?、定位和授時能力，定位精度10米，測速精度0.2米/秒，授時精度10納秒。

2.2 車載通信

隨著農(nóng)用機(jī)械中引入微控制器，設(shè)備設(shè)計人員不久就意識到需要在控制器之間共享和管理信息。在卡車、公共汽車等汽車行業(yè)的引領(lǐng)下，設(shè)備設(shè)計師開始尋找總線配置和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以支持持續(xù)的機(jī)械開發(fā)。

FlexRay是一種分布式網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，是由汽車行業(yè)開發(fā)的，但很快就被集成到農(nóng)業(yè)車輛中。FlexRay提供的數(shù)據(jù)傳輸能力比較高。FlexRay的另一個重要方面是它使用了一個時間觸發(fā)協(xié)議，該協(xié)議允許數(shù)據(jù)在預(yù)定的時間框架內(nèi)傳輸和接收，這有助于消除在總線上發(fā)送多個消息時可能發(fā)生的錯誤。此外，F(xiàn)lexRay協(xié)議可以作為多站總線、星形網(wǎng)絡(luò)或混合網(wǎng)絡(luò)(同時使用多站和星形)運(yùn)行。這使得協(xié)議可以很容易地適應(yīng)現(xiàn)有的總線協(xié)議，同時在需要星型網(wǎng)絡(luò)的地方提供更高的可靠性。隨著汽車和農(nóng)業(yè)車輛在未來的發(fā)展，F(xiàn)lexRay必將成為下一個確保高效可靠的數(shù)據(jù)通信的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。

2.3 自動導(dǎo)航技術(shù)

在農(nóng)業(yè)車輛自動導(dǎo)引的成功開發(fā)和應(yīng)用后，下一個合乎邏輯的步驟是自動轉(zhuǎn)向?qū)Ш?。?chuàng)建一個控制系統(tǒng)來自動在頭地區(qū)域轉(zhuǎn)彎，改技術(shù)的準(zhǔn)確度一般取決于幾個因素，包括頭地寬度，設(shè)備寬度，拖拉機(jī)動力，和期望的轉(zhuǎn)彎類型[5]。

2.4 收割機(jī)械的自動化

許多生產(chǎn)者利用礦車自動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)來提高田間效率。依靠GPS導(dǎo)航，人們已經(jīng)開發(fā)出了一些系統(tǒng)，這些系統(tǒng)可以在收割玉米的同時感應(yīng)到玉米頭部的秸稈，從而提高自動轉(zhuǎn)向能力。提高糧食質(zhì)量和減少糧食損失是生產(chǎn)者提高整體收獲效率的另一種方法。

3 未來農(nóng)業(yè)機(jī)械自動化趨勢

3.1 機(jī)器將承擔(dān)更多的責(zé)任

也許完全自治的領(lǐng)域機(jī)器發(fā)展的主要障礙之一是責(zé)任，而更重要的是誰將承擔(dān)或分擔(dān)責(zé)任。在可預(yù)見的未來，由于設(shè)備的尺寸和相應(yīng)的功率水平，拖拉機(jī)的司機(jī)實(shí)際上在很大程度上被降級為保姆。簡而言之，技術(shù)繼續(xù)從操作人員手中奪走大部分控制責(zé)任，最好的例子也許就包括自動制導(dǎo)和轉(zhuǎn)彎。

3.2 單獨(dú)的機(jī)器人控制架構(gòu)

移動機(jī)器人控制體系結(jié)構(gòu)的大部分初步工作是在航天和人工智能研究實(shí)驗室進(jìn)行的，以完成軍事任務(wù)和空間探索。一個基于行為的控制方法提供了一個自主的移動機(jī)器人，智能處理復(fù)雜的世界問題使用簡單的行為。反應(yīng)性行為是反應(yīng)性控制體系結(jié)構(gòu)的一部分，在這個體系結(jié)構(gòu)中，行為對刺激做出反應(yīng)，并發(fā)展出控制行為。協(xié)商行為是為完成給定任務(wù)而執(zhí)行的預(yù)先定義的控制步驟，將這些行為與農(nóng)業(yè)機(jī)器人的實(shí)際行動聯(lián)系起來，對于理解機(jī)器人的能力至關(guān)重要。

3.3 多機(jī)器人控制體系結(jié)構(gòu)

協(xié)調(diào)多個自主機(jī)器人完成分配的任務(wù)是一個工程挑戰(zhàn)。當(dāng)多個機(jī)器人共同完成一項任務(wù)時，最重要的問題是需要解決的機(jī)器人間通信問題。機(jī)器人之間的通信是一個非常關(guān)鍵的問題，因為隨著機(jī)器人增多，它們之間通信的復(fù)雜程度也隨之增加。在某些情況下，良好的通信水平可以顯著提高機(jī)器人性能。

迄今為止，多智能體機(jī)器人系統(tǒng)的大部分研究工作都是在農(nóng)業(yè)以外的領(lǐng)域進(jìn)行的。很少有專門關(guān)注農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的MRS的建筑規(guī)范的研究工作。因此，有必要了解、探索和研究MRS的控制方法，將多個機(jī)器人部署到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，采用MRS來提高生產(chǎn)效率[5]。

4 展望

目前，農(nóng)業(yè)機(jī)械自動化技術(shù)仍在進(jìn)一步發(fā)展中，在其它機(jī)械工程、自動化、計算機(jī)等領(lǐng)域的新技術(shù)會源源不斷地被人們應(yīng)用到農(nóng)業(yè)機(jī)械中。比如通信技術(shù)中，隨著IPv6技術(shù)的普及，農(nóng)業(yè)機(jī)械的通信技術(shù)應(yīng)用也會更加廣泛，任何零部件都有可能成為某個通信單元。隨著語音識別技術(shù)、圖像識別技術(shù)，以及大數(shù)據(jù)處理技術(shù)的發(fā)展，農(nóng)業(yè)機(jī)械對作物的識別能力也會進(jìn)一步提升，從而提高智能水平，讓人力在田間地頭得到進(jìn)一步的解放。