傳感技術(shù)在農(nóng)業(yè)機械自動控制系統(tǒng)中的運用探討

趙亮

(寶雞職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電信息學(xué)院, 寶雞 721013)

0 引言

農(nóng)業(yè)機械化的發(fā)展將會逐漸實現(xiàn)機電一體化發(fā)展，而傳感器的使用是實現(xiàn)機電一體化的關(guān)鍵，它能夠?qū)崿F(xiàn)快速、精準的獲得農(nóng)業(yè)信息，從而實現(xiàn)農(nóng)業(yè)的機械化操作，同時也能夠更好體現(xiàn)農(nóng)業(yè)機械化的水平。在農(nóng)業(yè)機械化使用中，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)機械的檢測和信息處理，主要是通過傳感器技術(shù)進行實現(xiàn)。

1 農(nóng)業(yè)機械化中傳感器自動化控制技術(shù)

關(guān)于農(nóng)業(yè)自動化機械傳感器的使用，美國、日本、德國等國家對該項技術(shù)的研究比較成熟，取得了很大的成就，像美國這樣的發(fā)達國家，比我國使用農(nóng)業(yè)自動化要早，我國實現(xiàn)農(nóng)業(yè)自動化比較晚，目前還是處于理論和探索實踐時期。自動導(dǎo)航就是根據(jù)傳感器傳輸?shù)膶嵤y量數(shù)據(jù)，提供車輛的信息和位置，之后根據(jù)這些數(shù)據(jù)做出命令決策，是向前進，還是向后退，或是轉(zhuǎn)動等行為。在實際技術(shù)上的使用包括3個方面：測量車輛的位置和姿態(tài)并進行處理；控制車輛的轉(zhuǎn)向；控制導(dǎo)航?jīng)Q策的方法。農(nóng)業(yè)比較常用的車輛模型是多變量的系統(tǒng)形式，導(dǎo)航系統(tǒng)包括橫向的控制和縱向的控制，但是目前的農(nóng)業(yè)機械化作業(yè)速度還是很低，不需要市場變動。目前，傳感器使用的導(dǎo)航系統(tǒng)有一下幾種：

(1)視覺導(dǎo)航

視覺導(dǎo)航就是將攝像頭安裝在車身上，然后根據(jù)獲得的周圍環(huán)境情況進行導(dǎo)航。攝像機可以收集圖像資料，之后經(jīng)過處理可以指導(dǎo)機械進行農(nóng)業(yè)行間作業(yè)，同時也能對路徑進行設(shè)計，實現(xiàn)車輛的自動化。

德國建筑工程監(jiān)理會(KTBL)和農(nóng)業(yè)技術(shù)研制了一款旋耕化的機器人，它能實現(xiàn)除草和播種的作業(yè)，這種機器人是使用了地壟和傳感器技術(shù)，讓機械根據(jù)地壟進行自動化作業(yè)。Mansour H A[2]等研究提出，在田間可以移動的覺性控制機器人，這種機器人主要使用視覺圖片處理技術(shù)獲得透視線，在根據(jù)透視線了解導(dǎo)航軌跡，使用的統(tǒng)計學(xué)原理，對收集到的圖片進行Hough變化和分割處理，從而模擬導(dǎo)航路徑，歌且研究成果穩(wěn)定較好。

湖南省工程農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)研究中心也有人研究了全方位的視覺傳感器技術(shù)，它能夠?qū)ψ魑镞M行360度的分析掃描，并獲取圖像信息，根據(jù)這些信息對目標方向進行確定。這種機械原理包括的系統(tǒng)有計算機、全方位視覺傳感器、計算機軟件、人工標識、試驗車輛等，這種農(nóng)用系統(tǒng)車輛可以很好的實現(xiàn)自動化導(dǎo)航。另外，也有研究提出，使用圖像掃描技術(shù)中的SF算法可以提取導(dǎo)航基準線，但是SF算法對處理技術(shù)要求較高，同時也對農(nóng)作物之間的間隔和連續(xù)性有很高的要求，不然很容易出現(xiàn)圖像缺失情況，能夠在壟間作物中使用。

(2)GPS導(dǎo)航

GPS系統(tǒng)可以說話是我國各領(lǐng)域使用比較普遍的技術(shù)，它是由24顆衛(wèi)星組成的一個較大的網(wǎng)路系統(tǒng)，可以對全球任何位置進行實時定位，同時也能進行全天候的檢測。GPS技術(shù)包括：DGPS(差分定位技術(shù))、實時動態(tài)技術(shù)定位(RTK-GPS)。如果是在室內(nèi)環(huán)境中進行農(nóng)業(yè)實施，會阻擋GPS信號，造成機械作業(yè)不穩(wěn)定性，所以只是使用GPS定位技術(shù)，實現(xiàn)的精度比較低，它需要與其他的導(dǎo)航技術(shù)相結(jié)合使用，才能提高精度。

(3)激光導(dǎo)航

激光導(dǎo)航在自動化駕駛農(nóng)業(yè)機械中使用比較多，它的優(yōu)勢就是測量的精度比較高。Liang S[4]等研究提出，將激光傳感器使用到農(nóng)業(yè)機械中，可以根據(jù)感應(yīng)到的不同距離，獲得工作區(qū)域的信息，從而實現(xiàn)自動化的導(dǎo)航。在西北農(nóng)林科技術(shù)大學(xué)有人提出使用激光掃描儀到農(nóng)業(yè)機械化中，利用激光掃描儀可以獲取果林的信息，從而實現(xiàn)果園農(nóng)業(yè)機械自動化控制。在試車驗證中，激光傳感器具有很好的可靠性和實用性，它能夠快速的得到農(nóng)業(yè)準確的信息和位置，但是沒有考慮到機械的動力學(xué)和復(fù)雜路況因素。

(4)多傳感器融合

因為農(nóng)業(yè)環(huán)境是多種多樣的，所以只是使用傳感器技術(shù)進行作業(yè)已經(jīng)滿足不了目前農(nóng)業(yè)機械的需求。將多種傳感器技術(shù)相融合，建立一個多個傳感器結(jié)合的系統(tǒng)，可以是展現(xiàn)更好的、更精確的定位。日本北海道農(nóng)業(yè)研究中心也研究了多種傳感器結(jié)合的技術(shù)，他們和時間設(shè)計了一個在卡爾曼濾波器基礎(chǔ)上實現(xiàn)自動化機械導(dǎo)航的系統(tǒng)，從而完成了多種傳感器技術(shù)結(jié)合的目的。在這個研究中，是由GPS技術(shù)提供導(dǎo)航數(shù)據(jù)，之后使用角速度進行數(shù)據(jù)計算和糾正，從而實現(xiàn)車輛在田間作業(yè)的功能。余國雄[5]等研究，將光纖陀螺儀和GPS等技術(shù)相結(jié)合，由光纖陀螺儀獲取和矯正車輛導(dǎo)航信息，工作速度控制在0.7m/s下，該研究的誤差非常小。

2 農(nóng)業(yè)機機械自動化的傳感器技術(shù)的運用

2.1 傳感器自動化機械插秧機的使用

(1)補苗預(yù)告

在乘坐式的插秧機中，想要保證秧苗插種的連續(xù)性，首先要控制秧箱上的秧苗數(shù)量，這時可以利用自動化補苗預(yù)告技術(shù)。比如：圖1中的補苗預(yù)告裝置圖。在這個秧箱板上安裝了一個微動式的開關(guān)傳感器。而圖1中的左圖是如果秧苗比較重，這時就會壓住傳感器，這時警報燈連接的線路機會被切斷，燈則不會發(fā)亮。而右圖則是將秧苗減少一些，這個傳感器就會發(fā)揮作用，與警報燈相連接，從而發(fā)出補苗的信號。

使用這種機械進行農(nóng)業(yè)操作，在實際應(yīng)用中有機械的各種原因，會出現(xiàn)漏插情況。目前開始有研究將光敏晶體使用到檢測控制裝置系統(tǒng)中了。

(2)車輪升降調(diào)節(jié)裝置

為了實現(xiàn)農(nóng)業(yè)自動化機械能夠在凹凸不平的田地間工作，同時也能保證插秧的深度性，這些需要對機械體和插秧裝置進行合理調(diào)整。將秧船傳感器使用到該裝置中，如圖2所示。

(1：傳感器；2：微動開關(guān)；3：警報燈；4：秧箱)

(1：發(fā)動機；2：張緊輪；3：油缸；4：秧箱；5：車輪；6：硬低層)

在機體下沉的情況，秧船會與機體保持相對上升的情況，這時在張緊輪上安裝的秧船也會逐漸上升，同時利用皮帶輪張緊裝置，驅(qū)動油缸和油泵，帶動插秧裝置上升，避免插秧出現(xiàn)較深的情況。在機體逐漸上升的過程中，秧船會逐漸下降，與上述情況是相反的?？刂茝埦o輪系統(tǒng)可以使用液壓指控式的轉(zhuǎn)換閥代替。

2.2 自動化傳感器技術(shù)在果樹中的使用

(1)水果收獲機

為了能夠?qū)⑹焱傅墓麑嵵谐霈F(xiàn)的雜物實現(xiàn)高效清除，同時也能夠分析處沒有成熟的果實，這里有研究研制了一個分選機，如圖3所示。

(1：光源；2：收光回路；3：氣缸；4：合格品；5：土塊、未成熟的果實；6：定位傳輸帶)

圖3 顏色選果機

這種機械是使用光電晶體管和光電管作為元件，根據(jù)不同光的發(fā)射強度來分析或是的成熟度，同時利用氣缸作用，將沒有成熟的果實排出。

各種果實成熟度不一樣，顏色也是不一樣的，那么光的反射情況也會不一樣，而且發(fā)射率也有差異，這里可以對反光強度差異進行分析，同獲得不同的控制命令，實現(xiàn)控制清除任務(wù)。在實際使用中如圖4所示。

(1：光導(dǎo)纖維束；2：光電晶體管；3：光學(xué)濾色器；4：燈；5：西紅柿；6：輸送帶)

圖4 顏色選果機的傳感器設(shè)備

想要減少照射光的影響，可以使用電鹵燈，這時可以增加觀察面積，使用光導(dǎo)纖維，可以實現(xiàn)只能通過紅光或是綠光濾色器進行光強度檢測，這時可以使用黑色吸光的材料進行耕作。

2.3 半喂入聯(lián)合收割機的自動化農(nóng)作物機械

自動控制喂入深度：想要實現(xiàn)各種收割機可以在不同的條件下都有良好的工作情況，這里可以對喂入深度進行自動控制。見圖5。它是將傳感器安裝在輸送鏈結(jié)合扶禾器等部件上，從而實現(xiàn)對莖稈作物的連續(xù)檢測。喂入深度傳感器的示意圖，如圖6所示。

(1：扶禾支架；2：穗頭傳感器；3：喂入裝置；4：反饋式喂入深度電位器；5：喂入深度控制缸；6：電磁閥；9：控制位置調(diào)節(jié)制度盤)

圖5 喂入深度自動化控制圖

它是在傳感器與作物相接觸，使用喂入傳輸裝置和油缸進行上下動作的控制，從而控制喂入的深度。

3 總結(jié)

目前，關(guān)于農(nóng)業(yè)自動化控制系統(tǒng)中使用的傳感器技術(shù)比較多，傳感器的使用多是跟其他技術(shù)相結(jié)合使用來提高農(nóng)業(yè)機械化效率。傳感器在農(nóng)業(yè)機械中的使用，需要根據(jù)農(nóng)作物的不同進行設(shè)計，這樣滿足農(nóng)業(yè)收入和耕種需求。