傳感器在谷物聯(lián)合收獲機(jī)中的應(yīng)用進(jìn)展及發(fā)展方向

冉軍輝 吳崇友

摘要：國(guó)外已將傳感器技術(shù)應(yīng)用于谷物聯(lián)合收獲機(jī)械關(guān)鍵部件運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)及自動(dòng)控制、自動(dòng)導(dǎo)航、喂入量監(jiān)測(cè)、損失率監(jiān)測(cè)以及自動(dòng)測(cè)產(chǎn)等各個(gè)環(huán)節(jié)，大大提高了機(jī)械的可靠性及工作效率。國(guó)內(nèi)為提高收獲機(jī)械自動(dòng)化及智能化水平，也開(kāi)始對(duì)傳感器技術(shù)的應(yīng)用做多方面的研究。對(duì)傳感器技術(shù)在國(guó)內(nèi)外谷物收獲機(jī)械中各個(gè)方面具體的應(yīng)用和研究現(xiàn)狀做了詳細(xì)分析、梳理和總結(jié)，并在此基礎(chǔ)上，提出了傳感器技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械中的發(fā)展方向和重點(diǎn)，以期為我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械智能化技術(shù)的研究和發(fā)展提供點(diǎn)滴參考。

關(guān)鍵詞：谷物聯(lián)合收獲機(jī);傳感器技術(shù);自動(dòng)控制;精準(zhǔn)農(nóng)業(yè);自動(dòng)導(dǎo)航

中圖分類(lèi)號(hào)： S225.3 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A ?文章編號(hào)：1002-1302（2019）22-0023-07

根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 7665—2005《傳感器通用術(shù)語(yǔ)》，傳感器的定義為能感受規(guī)定的被測(cè)量，并按照一定規(guī)律（數(shù)學(xué)函數(shù)法則）轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。聯(lián)合收割機(jī)作為一種復(fù)雜的農(nóng)業(yè)機(jī)械，通過(guò)傳感器技術(shù)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和智能化，從而提高作業(yè)效率和作業(yè)質(zhì)量，減少故障發(fā)生，國(guó)外已廣泛應(yīng)用，取得顯著成效[1-2]。例如，依靠高度自動(dòng)化的農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)，德國(guó)不到2%的農(nóng)業(yè)從業(yè)人員對(duì)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）的貢獻(xiàn)率超過(guò)7%，而中國(guó)農(nóng)業(yè)從業(yè)人員為70%，對(duì)GDP的貢獻(xiàn)率為10%左右。我國(guó)聯(lián)合收割機(jī)自動(dòng)化及智能化水平較低，且工況惡劣，工作時(shí)負(fù)荷波動(dòng)大，故障率高。與國(guó)外相比，我國(guó)稻麥聯(lián)合收割機(jī)自動(dòng)化程度落后30年以上。據(jù)農(nóng)業(yè)部調(diào)查統(tǒng)計(jì)，1999年我國(guó)聯(lián)合收割機(jī)平均無(wú)故障工作時(shí)間不足9 h;2000年跟蹤調(diào)查3家質(zhì)量較好的企業(yè)，無(wú)故障工作時(shí)間也僅為19.1 h[3]。此外，國(guó)內(nèi)聯(lián)合收獲機(jī)還普遍存在工作效率低、損失大等問(wèn)題，如大豆聯(lián)合收獲總損失率為9.8%～19.3%，油菜聯(lián)合收獲總損失率為12%～15%[4-5]。因此，通過(guò)智能化技術(shù)提升我國(guó)谷物聯(lián)合收割機(jī)的可靠性，減少收獲損失，提高作業(yè)質(zhì)量已成為當(dāng)務(wù)之急[6-7]。

1 傳感器技術(shù)在國(guó)內(nèi)外谷物聯(lián)合收割機(jī)中的應(yīng)用

20世紀(jì)70年代，蘇聯(lián)就將傳感器技術(shù)應(yīng)用于收獲損失率監(jiān)測(cè)。與此同時(shí)，美國(guó)、英國(guó)以及德國(guó)等也開(kāi)始研究傳感器在收獲機(jī)械中的應(yīng)用[7]。如今，傳感器技術(shù)在國(guó)外被廣泛地應(yīng)用于谷物流量監(jiān)測(cè)、速度自動(dòng)控制、安全報(bào)警系統(tǒng)、割臺(tái)高度自動(dòng)控制等環(huán)節(jié)中，圖1為安裝有各種傳感器的谷物聯(lián)合收割機(jī)。英國(guó)Massey Ferguson公司的收獲機(jī)械裝有自主研發(fā)的農(nóng)田之星系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)機(jī)器故障的自動(dòng)報(bào)警，降低了機(jī)器故障率，提高了工作效率[8-9]。圖2為約翰迪爾新研發(fā)的S700系列谷物聯(lián)合收割機(jī)檢測(cè)及控制系統(tǒng)顯示屏，該款產(chǎn)品應(yīng)用了更多的智能技術(shù)，該機(jī)可通過(guò)自動(dòng)校正技術(shù)完成作業(yè)邊界的自動(dòng)調(diào)整。此外，駕駛員可通過(guò)駕駛室的顯示屏實(shí)時(shí)觀測(cè)谷物收獲過(guò)程中的拋灑和清選效果。目前，我國(guó)傳感器在谷物收獲機(jī)械收獲過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及重要工作部件的自動(dòng)控制方面應(yīng)用很少，基本沒(méi)有商品化的產(chǎn)品，但國(guó)內(nèi)相關(guān)工作人員也在這些方面做了相應(yīng)研究。

1.1 谷物自動(dòng)測(cè)產(chǎn)

谷物自動(dòng)測(cè)產(chǎn)系統(tǒng)是精細(xì)農(nóng)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)之一，也是實(shí)施農(nóng)田精細(xì)管理的基礎(chǔ)。目前，美國(guó)90%以上的聯(lián)合收獲機(jī)都安裝有谷物流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[10]。測(cè)產(chǎn)方式主要有沖量式、光電容積式、γ射線(xiàn)式和稱(chēng)質(zhì)量式等[11-12]。美國(guó)Micro Track公司的Grain-Track系統(tǒng)、Ag Leader公司的PF advantage系統(tǒng)和CASE IH公司的AFS系統(tǒng)都是基于沖量式流量測(cè)量原理[13]。目前，市場(chǎng)上的產(chǎn)品在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中還是存在測(cè)量誤差較大、產(chǎn)量空間分辨率不高和通用性不強(qiáng)等問(wèn)題[14]。

國(guó)外對(duì)測(cè)產(chǎn)系統(tǒng)的研究主要有2個(gè)方面，一方面是對(duì)谷物流量傳感器結(jié)構(gòu)原理、信號(hào)處理方法及產(chǎn)量模型的研究;另一方面是對(duì)產(chǎn)量圖的誤差分析和時(shí)空變異性研究[15]。為提高測(cè)產(chǎn)精度，Reinke等利用離散元模型仿真手段，通過(guò)研究谷物聯(lián)合收割機(jī)工作特性、谷物物理特性及兩者之間相互作用機(jī)制，建立了谷物流量與其動(dòng)量、摩擦系數(shù)及密度等各參數(shù)之間的非線(xiàn)性模型，采用該模型在試驗(yàn)平臺(tái)上的最大測(cè)量誤差為4.02%，其測(cè)產(chǎn)精度不穩(wěn)定[16-17]。Shoji等建立了一種適合日本谷物聯(lián)合收割機(jī)的非線(xiàn)性谷物流量模型，經(jīng)測(cè)產(chǎn)試驗(yàn)，當(dāng)升運(yùn)器速度穩(wěn)定時(shí)，其相對(duì)均方根誤差是4.4%[18-19]。在國(guó)內(nèi)，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)首先對(duì)γ射線(xiàn)式和沖量式谷物流量傳感器技術(shù)進(jìn)行了研究，但仍處于試驗(yàn)階段[20]。為解決國(guó)外谷物測(cè)產(chǎn)系統(tǒng)存在的精度以及穩(wěn)定性等問(wèn)題，國(guó)內(nèi)也有人做了改進(jìn)研究。為解決沖量式谷物質(zhì)量流量傳感器測(cè)量精度易受收獲機(jī)基礎(chǔ)振動(dòng)的影響，周俊等提出了通過(guò)動(dòng)力消振原理增加彈性元件阻尼的方法，并針對(duì)阻尼處理前后的彈性元件，做了沖擊響應(yīng)試驗(yàn)[21];胡均萬(wàn)等設(shè)計(jì)了一種雙板沖量式谷物流量傳感器及其差分消振電路，其結(jié)構(gòu)如圖3所示[22]。

1.1.1 沖量式谷物流量傳感器結(jié)構(gòu)及特點(diǎn) 沖量式谷物流量傳感器的工作原理是基于電阻應(yīng)變式傳感器的，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。該傳感器安裝在聯(lián)合收割機(jī)升運(yùn)器出口處，當(dāng)谷物被升運(yùn)器刮板推出升運(yùn)器出口時(shí)，拋出的谷物撞擊在彈性受力板上，使其發(fā)生變形，使傳感器中的電阻應(yīng)變片輸出的電阻發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致傳感器轉(zhuǎn)換電路輸出電壓發(fā)生變化。具體為谷物流量越大，對(duì)彈性元件沖擊變形越大，使輸出電壓越大;谷物流量越小，對(duì)彈性元件的沖擊越小，輸出電壓也越小。通過(guò)標(biāo)定使輸出電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楣任镔|(zhì)量流量值來(lái)完成聯(lián)合收割機(jī)出糧口的谷物流量測(cè)量。該傳感器的優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟、成本較低、使用安全、應(yīng)用廣泛，但其敏感元件易受收割機(jī)振動(dòng)及外界噪聲、攪龍速度、谷物品種以及谷物含水量等的影響[23]。此外，其存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且安裝調(diào)試?yán)щy等缺點(diǎn)。

1.1.2 γ射線(xiàn)式谷物流量傳感器基本結(jié)構(gòu)及特點(diǎn) γ射線(xiàn)傳感器由γ射線(xiàn)源和射線(xiàn)檢測(cè)裝置構(gòu)成（圖5）。其基本原理是γ射線(xiàn)射到某種物質(zhì)時(shí)輻射強(qiáng)度會(huì)減弱，且服從指數(shù)衰減規(guī)律，衰減公式如下：

式中：I0為原射線(xiàn)輻射強(qiáng)度;I為遇到障礙物后的輻射強(qiáng)度;v為射線(xiàn)對(duì)應(yīng)某一種障礙物的消弱系數(shù);m為輻射場(chǎng)單位面積上遇到某一障礙物的質(zhì)量。即遇到的阻擋越多，其衰減也越快。將γ射線(xiàn)傳感器安裝在谷物升運(yùn)器出口，當(dāng)谷物流量大時(shí)，γ射線(xiàn)被顯著減弱，射線(xiàn)檢測(cè)器接受到的輻射強(qiáng)度就小;當(dāng)谷物流量較小時(shí)，γ射線(xiàn)被減弱的程度小，射線(xiàn)檢測(cè)器接受到的輻射強(qiáng)度就大，進(jìn)而利用這一規(guī)律來(lái)檢測(cè)谷物流量。r射線(xiàn)谷物流量傳感器。γ射線(xiàn)谷物流量傳感器優(yōu)點(diǎn)為測(cè)量精度高，但其制造成本高，射線(xiàn)對(duì)人體健康有潛在影響，因此目前沒(méi)有被普遍應(yīng)用。

1.1.3 光電容積式谷物流量傳感器基本結(jié)構(gòu)及特點(diǎn) 光電容積式谷物流量傳感器由光柵接收器及發(fā)射器組成，被安裝在谷物提升器上。提升器上升時(shí)，刮板上的谷物會(huì)斷續(xù)遮擋發(fā)射器發(fā)射的光束，光柵接收器將與谷物厚度有關(guān)的斷續(xù)光束轉(zhuǎn)化為明暗相間的脈沖信號(hào)，將此信號(hào)處理后便可得到谷物體積流量，再經(jīng)換算得到谷物產(chǎn)量[24]。其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

該傳感器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低等，但其測(cè)量精度受谷物密度、 谷物含水率、收割機(jī)傾斜度、探頭易受粉塵污染等因素的影響，須要經(jīng)常清洗和標(biāo)定，性能不穩(wěn)定。

1.1.4 稱(chēng)質(zhì)量式谷物流量傳感器基本結(jié)構(gòu)及特點(diǎn) 該傳感器的測(cè)量方法為直接測(cè)量法，即升運(yùn)器刮板上的谷物被輸送到安裝有測(cè)質(zhì)量傳感器的輸送帶上，稱(chēng)質(zhì)量傳感器可實(shí)時(shí)測(cè)量谷物質(zhì)量，然后將檢測(cè)到的信號(hào)傳輸給計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，再結(jié)合測(cè)量裝置中谷物流動(dòng)時(shí)間得到谷物流量。該測(cè)量方法由于是直接測(cè)量，所受干擾因素較少。該傳感器的缺點(diǎn)是運(yùn)行不穩(wěn)定，數(shù)據(jù)波動(dòng)較大[25]。稱(chēng)質(zhì)量式谷物流量傳感器結(jié)構(gòu)如圖7所示。

1.2 籽粒損失檢測(cè)

損失率是聯(lián)合收割機(jī)的一個(gè)重要工作性能指標(biāo)，也是聯(lián)合收割機(jī)工作參數(shù)調(diào)整的重要依據(jù)。20世紀(jì)70年代初，蘇聯(lián)、美國(guó)、德國(guó)、英國(guó)等國(guó)家已經(jīng)開(kāi)始研究各種谷物損失監(jiān)視器。約翰迪爾公司生產(chǎn)的JD1075型聯(lián)合收割機(jī)損失監(jiān)測(cè)器可檢測(cè)單位時(shí)間內(nèi)的谷物損失，該監(jiān)視系統(tǒng)由逐稿器損失傳感器、清糧篩損失傳感器和谷物損失監(jiān)視儀等構(gòu)成[26]。此外，約翰迪爾公司生產(chǎn)的JD9660STS型聯(lián)合收獲機(jī)、凱斯公司生產(chǎn)的Case2366IH型聯(lián)合收獲機(jī)均已配備籽粒損失檢測(cè)傳感器，用來(lái)監(jiān)測(cè)聯(lián)合收獲機(jī)收獲中籽粒損失實(shí)況。國(guó)外主要針對(duì)小麥聯(lián)合收割機(jī)收獲時(shí)清選造成的損失進(jìn)行監(jiān)測(cè)[27]。

目前谷物損失監(jiān)測(cè)主要采用壓電傳感器，針對(duì)現(xiàn)有傳感器測(cè)量損失率精度不穩(wěn)定等問(wèn)題，國(guó)外學(xué)者做了相關(guān)研究。Diekhans利用作物傳感器敏感元件，通過(guò)谷物撞擊敏感材料，使敏感材料產(chǎn)生振動(dòng)，再由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)分析傳感器傳輸?shù)恼駝?dòng)信號(hào)來(lái)檢測(cè)谷物損失[28]。KEE公司研發(fā)了一種利用薄金屬板和壓電陶瓷做成的傳感器，由于該傳感器易受振動(dòng)影響，因此其測(cè)量精度不穩(wěn)定[29]。此外，TeeJet公司的LH765谷物收獲機(jī)收獲損失監(jiān)測(cè)器中采用Walker傳感器，其具有很強(qiáng)的抗干擾能力[30]。Bernhardt等利用安裝在谷物不同脫粒位置的稱(chēng)質(zhì)量傳感器測(cè)量谷物質(zhì)量，利用這些傳感器監(jiān)測(cè)的信息間接得到谷物在不同脫粒位置的損失情況，可避免直接測(cè)量損失量的不足，提高了監(jiān)測(cè)精度[31]。

國(guó)內(nèi)科研人員對(duì)籽粒損失監(jiān)測(cè)技術(shù)也進(jìn)行了研究。李耀明等設(shè)計(jì)了一套籽粒損失監(jiān)測(cè)傳感器標(biāo)定試驗(yàn)臺(tái)，室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果表明，針對(duì)含水率不同的小麥樣品籽粒損失監(jiān)測(cè)傳感器的測(cè)量誤差可以限制在4.8%以?xún)?nèi);根據(jù)標(biāo)定結(jié)果確定了傳感器在監(jiān)測(cè)夾帶損失時(shí)的安裝位置，且田間試驗(yàn)結(jié)果表明夾帶損失最大監(jiān)測(cè)誤差為3.40%[32]。周利明等針對(duì)國(guó)外谷物損失監(jiān)測(cè)傳感器限于敏感材料而不能大幅提高所測(cè)撞擊頻率的上限從而影響精度、傳感器無(wú)法獲知籽粒損失空間分布狀況等問(wèn)題，采用聚偏氟乙烯（PVDF）壓電薄膜作為傳感器敏感材料，設(shè)計(jì)了陣列式PVDF傳感器及相應(yīng)的信號(hào)處理電路，傳感器單元結(jié)構(gòu)如圖8所示，利用該傳感器可以得到籽粒損失的空間分布信息[33]。

梁振偉等通過(guò)對(duì)傳感器不同敏感元件的模態(tài)分析發(fā)現(xiàn)，籽粒損失監(jiān)測(cè)傳感器性能與其敏感元件的振動(dòng)特性有密切關(guān)系[34]。李耀明針對(duì)聯(lián)合收割機(jī)在收獲高產(chǎn)水稻時(shí)籽粒夾帶損失率偏高，籽粒夾帶損失實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)難度大的問(wèn)題，提出了一種對(duì)縱軸流聯(lián)合收割機(jī)籽粒夾帶損失進(jìn)行實(shí)時(shí)間接監(jiān)測(cè)的新方法，他們建立了具體的數(shù)學(xué)模型，研制了籽粒損失監(jiān)測(cè)傳感器，該系統(tǒng)最大測(cè)量相對(duì)誤差為3.03%[35]。目前，用于谷物損失監(jiān)測(cè)的幾種典型傳感器的主要優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。

1.3 割臺(tái)高度自動(dòng)控制

為滿(mǎn)足收割機(jī)在各種29情況下均能保持收割高度的一致性，必須使收割機(jī)割刀與地表距離保持一致。從20世紀(jì)70年代開(kāi)始，世界上一些大型跨國(guó)公司就開(kāi)始割臺(tái)自動(dòng)控制的研究。割臺(tái)自動(dòng)控制系統(tǒng)就是在原有的割臺(tái)液壓系統(tǒng)中增加傳感器、電磁閥門(mén)以及電氣控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，日本井關(guān)公司的NX3000聯(lián)合收割機(jī)上就安裝有割臺(tái)高度自動(dòng)控制裝置。加拿大麥賽福格公司的MF860、美國(guó)約翰迪爾的 JD-1075H、紐荷蘭的TD-70、德國(guó)卡拉斯公司的D-85、日本太郎生產(chǎn)的3100CT等均有割臺(tái)高度自動(dòng)控制系統(tǒng)[36]。

割臺(tái)高度自動(dòng)控制中的傳感器有接觸點(diǎn)式和非接觸點(diǎn)式2種，國(guó)外主要應(yīng)用接觸點(diǎn)式傳感器。圖9為加拿大麥賽福格公司研發(fā)的MF860聯(lián)合收割機(jī)磁吸式高度傳感器機(jī)構(gòu)。套有彈性仿形板的傳感軸安裝在割臺(tái)下面，割臺(tái)工作時(shí)仿形板始終與田地接觸，隨地面起伏而起落，傳感軸隨之左右擺動(dòng)，在調(diào)節(jié)拉桿作用下，使扇形傳感鐵板左右擺動(dòng)，控制傳感開(kāi)關(guān)的開(kāi)合?；竟ぷ鬟^(guò)程：割臺(tái)在平地狀態(tài)下穩(wěn)定工作，遇到田地不平時(shí)，與地面接觸的傳感器開(kāi)始工作，傳感開(kāi)關(guān)接通控制電路，進(jìn)一步控制液壓系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)割臺(tái)高度，使割臺(tái)保持在一定高度穩(wěn)定工作。圖10是約翰迪爾公司的 JD-1075H聯(lián)合收割機(jī)觸點(diǎn)式割臺(tái)高度傳感機(jī)構(gòu)。割臺(tái)下面安裝有4片仿形傳感托板，田地高低不平時(shí)，托板上下擺動(dòng)帶動(dòng)傳感軸轉(zhuǎn)過(guò)一定角度，帶動(dòng)安裝在傳感軸左側(cè)的電路傳感盒內(nèi)的轉(zhuǎn)柄轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度，且接通相應(yīng)的電極使割臺(tái)液壓電磁閥動(dòng)作，最終實(shí)現(xiàn)割臺(tái)高度調(diào)節(jié)。該機(jī)構(gòu)可以直接顯示割臺(tái)高度[37]。

針對(duì)觸點(diǎn)式割臺(tái)高度自動(dòng)控制傳感器存在傳感機(jī)構(gòu)易磨損、使用壽命低、可靠性不高等問(wèn)題，研究人員正在探索新的解決辦法。國(guó)外在此方面的研究不多，Richard在其論文中提到了應(yīng)用超聲波測(cè)距感器對(duì)割臺(tái)高度實(shí)現(xiàn)控制的思想，國(guó)內(nèi)研究人員做了一些研究工作。楊術(shù)明等設(shè)計(jì)了一套基于超聲波傳感器的割臺(tái)高度控制系統(tǒng)，以單片機(jī)為控制中心，通過(guò)液晶顯示模塊LCM1602顯示割臺(tái)高度，可實(shí)現(xiàn)工作過(guò)程中全程監(jiān)控割臺(tái)高度變化情況[38]。王熙等設(shè)計(jì)了一種基于霍爾集成電路的無(wú)觸點(diǎn)式割臺(tái)高度自動(dòng)控制傳感器，該傳感器具有體積小、防潮濕、不怕灰塵及油污等優(yōu)點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)如圖11所示[39]。

1.4 故障診斷

目前，國(guó)外聯(lián)合收割機(jī)均實(shí)現(xiàn)了對(duì)關(guān)鍵部件的工況自動(dòng)檢測(cè)、故障診斷等自動(dòng)化[40]。例如，德國(guó)芬特公司的C型聯(lián)合收獲機(jī)上安裝有一套完善的故障報(bào)警系統(tǒng)，可全面診斷聯(lián)合收割機(jī)故障[41]。久保田公司研發(fā)的PRO208半喂入聯(lián)合收割機(jī)中均裝有自動(dòng)控制裝置和自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)， 可對(duì)輸送螺旋桿處的堵塞、集裝箱谷物的裝入量、水溫、發(fā)動(dòng)機(jī)油溫、燃油油位、計(jì)時(shí)表、部件轉(zhuǎn)速等進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)[42]。約翰迪爾、凱斯、紐荷蘭、Fendt、CLASS等公司生產(chǎn)的聯(lián)合收割機(jī)上也都裝有故障診斷與自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，可對(duì)收割機(jī)關(guān)鍵部件的轉(zhuǎn)速、振動(dòng)、扭矩及溫度等參數(shù)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，再經(jīng)過(guò)各種故障診斷方法分析出主要工作部件的負(fù)荷狀況，若負(fù)荷超過(guò)預(yù)定值，則系統(tǒng)開(kāi)始報(bào)警并顯示故障發(fā)生位置[43]。而國(guó)內(nèi)受限于聯(lián)合收割機(jī)本身的發(fā)展，使農(nóng)業(yè)機(jī)械故障診斷及自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)處在研究階段，沒(méi)有成熟的產(chǎn)品。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在此方面的研究主要是對(duì)新理論、新方法的探索。Chen等對(duì)收割機(jī)主要工作部件的監(jiān)測(cè)和故障診斷做了研究，他們將自組織映射以及多層前饋網(wǎng)絡(luò)方法應(yīng)用在收割機(jī)故障診斷中。經(jīng)試驗(yàn)，此方法可較好地預(yù)警聯(lián)合收割機(jī)的堵塞故障[44]。Guo等利用超聲波傳感器設(shè)計(jì)了一套安全報(bào)警系統(tǒng)，用來(lái)檢測(cè)機(jī)器周?chē)苿?dòng)的物體。該系統(tǒng)利用2個(gè)超聲波傳感器檢測(cè)移動(dòng)目標(biāo)與傳感器之間的距離，再用位置檢測(cè)算法得到移動(dòng)物體離機(jī)器的相對(duì)位置，并當(dāng)目標(biāo)接近機(jī)械到達(dá)一定范圍時(shí)，報(bào)警裝置自動(dòng)開(kāi)啟，及時(shí)提醒機(jī)器操作者可能存在的危險(xiǎn)[45]。陳進(jìn)等在故障監(jiān)測(cè)及診斷方法方面做了大量研究，研發(fā)的設(shè)備可通過(guò)對(duì)聯(lián)合收割機(jī)關(guān)鍵部件轉(zhuǎn)速信號(hào)的瞬時(shí)變化趨勢(shì)及波動(dòng)范圍進(jìn)行分析后判斷出收割機(jī)工作狀態(tài)，并采用控制器局域網(wǎng)絡(luò)（CAN）通信技術(shù)將部件工作參數(shù)及診斷結(jié)果顯示在屏幕上，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)故障診斷及報(bào)警[46]。

1.5 行走速度自動(dòng)控制

聯(lián)合收割機(jī)行走速度直接影響喂入量以及脫粒滾筒負(fù)荷，關(guān)系到整機(jī)作業(yè)質(zhì)量和效率，很有必要對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)控制[47]。目前，我國(guó)對(duì)行走速度自動(dòng)控制還沒(méi)有進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用環(huán)節(jié)，國(guó)外對(duì)行走速度自動(dòng)控制主要有機(jī)-液和電-液2種形式。圖12為機(jī)-液速度自動(dòng)控制原理圖。利用傳感器測(cè)量?jī)A斜輸送器鏈條的浮動(dòng)量，若浮動(dòng)量超過(guò)設(shè)定值，則拉絲拉動(dòng)液流分配閥，行走機(jī)構(gòu)變速器的油缸動(dòng)作，變速器傳動(dòng)比改變，從而調(diào)整行駛速度。圖13為電-液式速度自動(dòng)控制原理圖。脫粒滾筒中谷物厚度的變化使傳感器隨輸送器左右擺動(dòng)，谷物厚度超過(guò)設(shè)定值時(shí)觸點(diǎn)a接通，使電磁閥左線(xiàn)圈閉合，壓力油進(jìn)入油缸下腔驅(qū)動(dòng)行走無(wú)級(jí)變速器變速，使速度降低;喂入量小于標(biāo)定值時(shí)b點(diǎn)接通，電磁閥右線(xiàn)圈閉合，油缸上腔進(jìn)油，使傳動(dòng)比增大，從而提高行走速度[48]。

以上2種速度自動(dòng)控制方式結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、控制精度不高，操作也不方便。久保田ZX3000半喂入聯(lián)合收割機(jī)上安裝的傳感器可直接測(cè)量滾筒扭矩，通過(guò)扭矩信息間接判斷喂入量，然后使電機(jī)改變行走變速器中的油泵傾斜角度，來(lái)完成行走速度的調(diào)節(jié)，保證收割機(jī)負(fù)荷穩(wěn)定[49]。德國(guó)研發(fā)出了一種利用喂入量信號(hào)可同時(shí)控制滾筒轉(zhuǎn)速和機(jī)器前進(jìn)速度的聯(lián)合收割機(jī)。它使收獲效率提高20%，并顯著減小了脫粒損失[50]。我國(guó)也對(duì)聯(lián)合收割機(jī)行走速度自動(dòng)控制進(jìn)行了研究。林偉通過(guò)綜合分析傳感器監(jiān)測(cè)到的喂入量和機(jī)器行走速度的參數(shù)，利用單片機(jī)發(fā)出相關(guān)控制指令來(lái)調(diào)節(jié)速度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了通過(guò)控制行走速度調(diào)節(jié)喂入量[51]。秦云研究了收割機(jī)負(fù)荷-車(chē)速串級(jí)自適應(yīng)控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)具有較強(qiáng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力[52]。王新等為了實(shí)現(xiàn)聯(lián)合收割機(jī)作業(yè)速度的合理控制，通過(guò)魯棒優(yōu)化設(shè)計(jì)理論，建立了以收獲損失、收獲質(zhì)量和機(jī)械能效利用率為控制目標(biāo)的收割機(jī)作業(yè)速度的最優(yōu)控制模型[53]。

1.6 方向自動(dòng)控制

自動(dòng)導(dǎo)航已成為農(nóng)機(jī)發(fā)展的必然趨勢(shì)，也是實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)[54-55]。目前，日本半喂入水稻聯(lián)合收割機(jī)有些安裝了一種簡(jiǎn)易的方向自動(dòng)控制系統(tǒng)。他們?cè)诜趾唐鞑糠衷O(shè)置桿式作物檢測(cè)傳感器，用于檢測(cè)作物行。傳感器底部的微動(dòng)開(kāi)關(guān)通過(guò)控制機(jī)構(gòu)，將測(cè)得的連續(xù)信號(hào)傳遞給轉(zhuǎn)向離合器的電磁閥，使之自動(dòng)修正方向。當(dāng)須要臨時(shí)轉(zhuǎn)彎時(shí)，可通過(guò)操縱手動(dòng)轉(zhuǎn)向離合器控制桿實(shí)現(xiàn)。德國(guó)CLAAS公司的LEXION600系列聯(lián)合收割機(jī)上安裝有GPS PILOT自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，可沿著規(guī)劃的路徑自動(dòng)行駛[56]。國(guó)外相關(guān)導(dǎo)航產(chǎn)品主要有美國(guó)Trimble公司的Autopilot系統(tǒng)、John Deer的Auto Trac系統(tǒng)、日本的拓普康導(dǎo)航系統(tǒng)以及加拿大Heimisphere的導(dǎo)航系統(tǒng)等，國(guó)內(nèi)的Auto Guide系統(tǒng)也有較好的性能[57]。圖14為我國(guó)研發(fā)的基于北斗衛(wèi)星的自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)在駕駛室中的顯示界面，該系統(tǒng)導(dǎo)航精度也較高。

自動(dòng)導(dǎo)航是由一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)完成的，它包括機(jī)械、電子、算法等眾多學(xué)科。國(guó)內(nèi)外對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)導(dǎo)航的研究主要是圍繞全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）展開(kāi)的，主要研究定位方法、農(nóng)機(jī)模型與導(dǎo)航路徑控制方法等[58]。由于普通的全球定位系統(tǒng)（GPS）定位精度為10 m左右，達(dá)不到農(nóng)機(jī)定位要求，因此農(nóng)機(jī)導(dǎo)航目前普遍應(yīng)用精度可達(dá)厘米級(jí)的載波相位差分技術(shù)（RTK）-GPS系統(tǒng)[59]。Gan-Mor等研發(fā)了一套基于RTK-GPS的導(dǎo)航系統(tǒng)，該系統(tǒng)可為GPS提供穩(wěn)定的基準(zhǔn)站，利用無(wú)線(xiàn)電通信的方法實(shí)時(shí)傳送修正數(shù)據(jù)，然后以此來(lái)修正測(cè)量結(jié)果，最終減小定位誤差[60]。2013年北海道大學(xué)研發(fā)了RTK-GPS與慣性測(cè)量元件（IMU）結(jié)合使用的自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)，該系統(tǒng)可補(bǔ)償由車(chē)輛姿勢(shì)導(dǎo)致的定位誤差[61]。羅錫文等根據(jù)RTK-DGPS的定位數(shù)據(jù)，開(kāi)發(fā)了基于PID算法的自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)，當(dāng)機(jī)器速度在 0.8 m/s 時(shí)，作業(yè)行的誤差在 0.15 m 內(nèi)[62]。由于GNSS具有須要預(yù)先規(guī)劃路線(xiàn)、時(shí)間延遲、易受外界干擾、成本高等缺點(diǎn)，人們也開(kāi)始研究其他導(dǎo)航方法，例如應(yīng)用激光識(shí)別技術(shù)、視覺(jué)識(shí)別技術(shù)等實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航。Shen等研究了一種基于激光作物行傳感器的農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)，它由1個(gè)激光位移傳感器和1個(gè)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的六面偏振鏡組成，該系統(tǒng)可由激光傳感器直接檢測(cè)作物行信息，然后計(jì)算機(jī)分析得出作物行具體位置信息，作業(yè)速度為0.5～1.5 m/s 時(shí)，該系統(tǒng)可精確地跟蹤作物行，作業(yè)速度為 1.0 m/s 時(shí)，最大均方差為22.6 mm[63]。對(duì)作物進(jìn)行識(shí)別分析，將其與地面區(qū)分開(kāi)，是實(shí)現(xiàn)定位的重要前提。Weiss等利用三維激光雷達(dá)傳感器技術(shù)研發(fā)出了一套導(dǎo)航系統(tǒng)，該系統(tǒng)識(shí)別作物后可自動(dòng)繪制田間作物分布圖，指導(dǎo)機(jī)器定位;試驗(yàn)結(jié)果表明，利用低分辨率的FX6激光雷達(dá)傳感器就可實(shí)現(xiàn)高精度定位[64]。

2 總結(jié)

歐美國(guó)家、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家智能農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)已經(jīng)基本成熟，應(yīng)用成效顯著，帶動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)械向精準(zhǔn)、高效方向發(fā)展。國(guó)內(nèi)農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化及智能化程度普遍較低，國(guó)產(chǎn)谷物收割機(jī)大都沒(méi)有配備關(guān)鍵部件智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及自動(dòng)控制設(shè)備，但在收割機(jī)收獲損失監(jiān)測(cè)、自動(dòng)測(cè)產(chǎn)及喂入量自動(dòng)控制等方面正進(jìn)行大量研究。智能谷物聯(lián)合收割機(jī)優(yōu)勢(shì)顯著，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）擁有強(qiáng)大的功能。智能谷物聯(lián)合收割機(jī)由于安裝了喂入量自動(dòng)控制系統(tǒng)、測(cè)產(chǎn)系統(tǒng)、谷物損失監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、自動(dòng)導(dǎo)航控制系統(tǒng)等一系列智能化設(shè)備，不僅作業(yè)效率高、質(zhì)量高，而且利用自動(dòng)測(cè)產(chǎn)等技術(shù)得到的產(chǎn)量信息為下一輪作物播種、變量施肥以及藥物噴灑等提供重要依據(jù)，使農(nóng)田管理更科學(xué)、高效。

（2）勞動(dòng)強(qiáng)度低、作業(yè)效率高。智能谷物聯(lián)合收割機(jī)根據(jù)作業(yè)的具體環(huán)境對(duì)工作參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)和控制，降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了作業(yè)效率。

（3）安全、可靠。先進(jìn)的故障診斷系統(tǒng)可及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的故障并使其得到快速解決，監(jiān)視系統(tǒng)可根據(jù)作業(yè)環(huán)境及作業(yè)對(duì)象的變化進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)工作參數(shù)，使機(jī)器始終處于最佳的工作狀態(tài)，因此機(jī)械故障率和事故率大大降低，為高效作業(yè)提供了保障。

（4）節(jié)能、環(huán)保。智能聯(lián)合收獲機(jī)通過(guò)撥禾輪轉(zhuǎn)速自動(dòng)調(diào)節(jié)、喂入量自動(dòng)控制以及割臺(tái)高度自動(dòng)控制等技術(shù)使其始終保持在最佳的工作狀態(tài)，效率高，節(jié)能減排效果顯著。

（5）通用性強(qiáng)。通過(guò)收割機(jī)部件的模塊化設(shè)計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)接口，可以根據(jù)不同作物種類(lèi)以及不同收獲方式選擇工作部件，構(gòu)建不同功能的收割機(jī)。通過(guò)智能化技術(shù)，方便調(diào)節(jié)工作參數(shù)，滿(mǎn)足不同作物收獲的需要，從而實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用，提高機(jī)具利用率。

3 發(fā)展趨勢(shì)

3.1 參數(shù)自動(dòng)檢測(cè)與調(diào)節(jié)

我國(guó)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)剛剛起步，智能測(cè)產(chǎn)、谷物收獲損失實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、喂入量自動(dòng)控制以及割臺(tái)高度自動(dòng)控制等系統(tǒng)的市場(chǎng)潛力巨大，是國(guó)內(nèi)研究的主要方向。由于我國(guó)是一個(gè)多山的國(guó)家，很多地塊高低不平，因此今后也應(yīng)在割臺(tái)仿形控制技術(shù)以及清選風(fēng)機(jī)智能調(diào)速、篩片開(kāi)度自動(dòng)調(diào)節(jié)技術(shù)等方面加強(qiáng)研究。

3.2 自動(dòng)導(dǎo)航

利用導(dǎo)航技術(shù)可減少重復(fù)作業(yè)區(qū)，提高農(nóng)業(yè)機(jī)械的田間作業(yè)質(zhì)量和效率，降低駕駛員勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和農(nóng)機(jī)物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)。因此自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)將成為聯(lián)合收割機(jī)必備的普遍應(yīng)用的重要技術(shù)。

3.3 傳感器本身

為了適應(yīng)農(nóng)機(jī)復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境，傳感器技術(shù)也將全面發(fā)展。首先，為了滿(mǎn)足農(nóng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間、遠(yuǎn)距離作業(yè)，開(kāi)發(fā)基于壓電效應(yīng)、熱電效應(yīng)、光電動(dòng)勢(shì)效應(yīng)構(gòu)成的無(wú)源傳感器顯得格外重要;其次，為了適應(yīng)農(nóng)機(jī)復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境，傳感器將向著微型化、集成化、高精度方向發(fā)展。

3.4 我國(guó)谷物聯(lián)合收割機(jī)智能化發(fā)展

優(yōu)質(zhì)高效、智能舒適將是聯(lián)合收割機(jī)的總體發(fā)展目標(biāo)，以傳感器技術(shù)為基礎(chǔ)的智能化技術(shù)是其核心與關(guān)鍵，建議統(tǒng)籌布局，重點(diǎn)研發(fā)，促進(jìn)聯(lián)合收獲機(jī)技術(shù)升級(jí)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

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