農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)控制方法及關(guān)鍵技術(shù)研究

陳振鵬

摘 要：農(nóng)業(yè)機(jī)械的自動(dòng)化技術(shù)能顯著提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率，是農(nóng)業(yè)機(jī)械進(jìn)一步發(fā)展的必然途徑，根據(jù)現(xiàn)階段自動(dòng)控制技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中的應(yīng)用情況，對(duì)能促進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，總結(jié)了其主要優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用特點(diǎn)，并設(shè)計(jì)了農(nóng)機(jī)自動(dòng)控制的有效方法，有利于農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)的科學(xué)化發(fā)展。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)機(jī)械;自動(dòng)控制;方法;關(guān)鍵技術(shù)

中圖分類號(hào)：S2202??????? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2020.07.005

隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不斷變革，傳統(tǒng)的小規(guī)模生產(chǎn)模式已逐漸向大規(guī)模承包經(jīng)營(yíng)轉(zhuǎn)變，這促進(jìn)了大型先進(jìn)農(nóng)機(jī)設(shè)備的應(yīng)用。對(duì)于大面積連片耕地來(lái)說(shuō)，大型農(nóng)機(jī)具有高效、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)性好的特點(diǎn)，受到了生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)者的廣泛認(rèn)可。要進(jìn)一步提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，減輕人力勞動(dòng)的負(fù)擔(dān)，就需要不斷加強(qiáng)農(nóng)業(yè)機(jī)械的自動(dòng)化程度，使更多的先進(jìn)科學(xué)技術(shù)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)機(jī)械上來(lái)，農(nóng)業(yè)機(jī)械的自動(dòng)控制技術(shù)是高度自動(dòng)化的必然要求?，F(xiàn)階段，很多農(nóng)機(jī)產(chǎn)品都開(kāi)始應(yīng)用自動(dòng)控制技術(shù)，使耕作、播種、收獲等多種生產(chǎn)工序變得更加精確和便捷，也為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的優(yōu)化升級(jí)創(chuàng)造了更多的可能性。

1 自動(dòng)控制在農(nóng)機(jī)生產(chǎn)的應(yīng)用

近年來(lái)，自動(dòng)化技術(shù)與傳統(tǒng)機(jī)械技術(shù)的結(jié)合受到了各行各業(yè)的廣泛認(rèn)可，利用信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、定位技術(shù)等優(yōu)化農(nóng)業(yè)機(jī)械的控制過(guò)程，能夠顯著提高農(nóng)機(jī)產(chǎn)品的性能，幫助農(nóng)機(jī)產(chǎn)品向自動(dòng)控制方向轉(zhuǎn)變。在現(xiàn)階段的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中、拖拉機(jī)、播種機(jī)、植保機(jī)等傳統(tǒng)農(nóng)機(jī)具廣泛應(yīng)用了多種自動(dòng)化技術(shù)，例如對(duì)于播種過(guò)程的檢測(cè)、對(duì)于拖拉機(jī)行駛位置的定位、對(duì)于植保無(wú)人機(jī)的遠(yuǎn)程控制和自動(dòng)化施藥等。盡管只是部分實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制功能，但是自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用也獲得了農(nóng)機(jī)使用者的肯定與好評(píng)。如今很多農(nóng)機(jī)裝備作業(yè)符和國(guó)家政策要求，能夠獲得一定的作業(yè)補(bǔ)貼，為保證相關(guān)補(bǔ)貼發(fā)放的合理性，相關(guān)的農(nóng)機(jī)裝備了衛(wèi)星定位系統(tǒng)，結(jié)合地理信息系統(tǒng)能夠做到對(duì)農(nóng)機(jī)具的精準(zhǔn)定位和產(chǎn)量預(yù)估。同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)耕地土壤條件、地形地貌等信息的采集，有利于農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的整體部署與調(diào)整。

2 農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)控制技術(shù)

2.1 農(nóng)機(jī)的自動(dòng)駕駛技術(shù)

對(duì)于傳統(tǒng)農(nóng)機(jī)的自動(dòng)化控制首先要建立在自動(dòng)駕駛技術(shù)的基礎(chǔ)上，農(nóng)機(jī)的自動(dòng)駕駛技術(shù)比機(jī)動(dòng)車的自動(dòng)駕駛技術(shù)更為復(fù)雜。在目前的農(nóng)機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)上，要實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)的自動(dòng)駕駛技術(shù)，主要應(yīng)從以下三方面著手：一是改變傳統(tǒng)的駕駛系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)，使機(jī)械結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)控制需求;二是對(duì)行駛速度、轉(zhuǎn)向幅度、行駛路線等重要參數(shù)進(jìn)行精確的檢測(cè)，以保證自動(dòng)駕駛的精確性;三是具備完善的自動(dòng)駕駛程序，保證機(jī)具的行駛特點(diǎn)附合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際需求，自動(dòng)駕駛技術(shù)的實(shí)施可行流程如圖1所示。

自動(dòng)駕駛技術(shù)需要人工進(jìn)行方案設(shè)計(jì)與決策，并幫助農(nóng)機(jī)駕駛到工作田間的指定位置，此時(shí)嵌入式控制器執(zhí)行作業(yè)決策，農(nóng)機(jī)開(kāi)始自動(dòng)化行駛，通過(guò)CAN 總線控制方向比例閥和油門比例閥開(kāi)啟適當(dāng)角度，并通過(guò)多種傳感器檢測(cè)機(jī)具的運(yùn)行狀態(tài)和行駛路線，將相關(guān)信息反饋給控制器，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)速度、方向等系統(tǒng)的控制。隨著功能的豐富，在控制自動(dòng)駕駛的同時(shí)，還能實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓系統(tǒng)、機(jī)具轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)控制，并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛與人工駕駛的自由切換。

2.2 機(jī)具功能的控制與監(jiān)測(cè)

在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛的基礎(chǔ)上，還要實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械特定功能的控制與執(zhí)行，例如機(jī)具或零部件位置的自動(dòng)調(diào)節(jié)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)、功能開(kāi)關(guān)的開(kāi)啟與關(guān)閉等。以精量播種機(jī)為例，要實(shí)現(xiàn)播種機(jī)的自動(dòng)控制要求，首先要滿足播種機(jī)動(dòng)力的自動(dòng)銜接與斷開(kāi)，在此基礎(chǔ)上，通過(guò)多種傳感器的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)播種機(jī)轉(zhuǎn)速、播種量、施肥量、剩余種子量等信息的實(shí)施監(jiān)測(cè)，并幫助系統(tǒng)判斷播種機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)是否正常。為實(shí)現(xiàn)信息傳遞的實(shí)時(shí)性，減少電路系統(tǒng)和信息傳遞的復(fù)雜性，控制系統(tǒng)與檢測(cè)系統(tǒng)之間采取藍(lán)牙數(shù)據(jù)連接的方式，利用無(wú)線傳輸技術(shù)提高傳輸效率。此外，為便捷的讀取機(jī)具相關(guān)信息，還必須具備合理的人機(jī)交互界面，方便使用者能夠?qū)崟r(shí)獲取播種量、株距、平均速度等相關(guān)信息，能夠及時(shí)對(duì)作業(yè)方案進(jìn)行調(diào)整。

2.3 機(jī)具故障自我診斷技術(shù)

農(nóng)業(yè)機(jī)械的故障自我診斷技術(shù)是保證自動(dòng)化設(shè)備長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)，現(xiàn)階段應(yīng)用比較廣泛的農(nóng)機(jī)自我診斷技術(shù)是對(duì)關(guān)鍵部位的振動(dòng)狀態(tài)檢測(cè)技術(shù)。當(dāng)農(nóng)業(yè)機(jī)械的運(yùn)轉(zhuǎn)裝置出現(xiàn)故障時(shí)，最直觀表現(xiàn)出的異常就是振動(dòng)狀態(tài)的變化，例如齒輪損壞、潤(rùn)滑不良等都能直觀的在振動(dòng)狀態(tài)上表現(xiàn)出來(lái)。除振動(dòng)監(jiān)測(cè)外還可通過(guò)監(jiān)測(cè)關(guān)鍵部件的應(yīng)力、應(yīng)變、壓力、溫度、轉(zhuǎn)速、流量以及農(nóng)機(jī)的速度、位置等參數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)機(jī)故障問(wèn)題的診斷與檢測(cè)， 參數(shù)數(shù)值超一定范圍， 則報(bào)警提示，并返回故障代碼（如圖2所示）。

異常信號(hào)的檢測(cè)與提取需要傳感器技術(shù)與通信技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)相配合，農(nóng)機(jī)具的很多自我診斷項(xiàng)目可參照機(jī)動(dòng)車相關(guān)技術(shù)（OBD）實(shí)施，但也應(yīng)根據(jù)農(nóng)機(jī)作業(yè)的自身特點(diǎn)增加適用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的診斷項(xiàng)目，以提高故障診斷的準(zhǔn)確性。根據(jù)農(nóng)業(yè)機(jī)械化生產(chǎn)的常見(jiàn)故障問(wèn)題特征，農(nóng)業(yè)機(jī)械的故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)可從以下幾方面考慮實(shí)施（如表所示）。

3 農(nóng)機(jī)自動(dòng)控制的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)途徑

3.1 控制系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

不同的農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備具有不同的特點(diǎn)和工作條件要求，因此農(nóng)業(yè)機(jī)械的自動(dòng)控制實(shí)施要采用總體技術(shù)設(shè)計(jì)與模塊化設(shè)計(jì)相配合的方式實(shí)施。控制系統(tǒng)的功能包括農(nóng)機(jī)設(shè)備公共系統(tǒng)的自動(dòng)控制和專用機(jī)械功能的自動(dòng)化控制。公共系統(tǒng)包括自動(dòng)駕駛、動(dòng)力系統(tǒng)檢測(cè)、路徑導(dǎo)航、故障檢測(cè)、遠(yuǎn)程通信等;專用機(jī)械功能的自動(dòng)化控制應(yīng)針對(duì)農(nóng)機(jī)作業(yè)工序展開(kāi)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，以播種機(jī)為例吸盤(pán)取種、種子輸送、排種、覆土鎮(zhèn)壓等各個(gè)工序展開(kāi)控制系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)，以滿足全程自動(dòng)化控制需求。

3.2 控制系統(tǒng)的硬件選擇與設(shè)計(jì)

（1）控制器的設(shè)計(jì)。對(duì)于現(xiàn)階段的自動(dòng)控制技術(shù)而言，多采用單片機(jī)作為控制器的核心，為保證自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)速度、溫度、振動(dòng)、故障等信號(hào)具有高效的處理判斷能力，應(yīng)采用具有高穩(wěn)定性、抗干擾能力強(qiáng)、運(yùn)算速度快的單片機(jī)作為主控制器，常用單片機(jī)品牌包括Atmel、ST、ARM以及國(guó)產(chǎn)宏晶STC單片機(jī)等。

（2）電路設(shè)計(jì)與功能實(shí)現(xiàn)。為保證控制器功能的實(shí)現(xiàn)，電路設(shè)計(jì)要將脈沖輸入口、數(shù)據(jù)交流口、復(fù)位電路、時(shí)鐘信號(hào)的輸入等位置進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)與連接，并同時(shí)完成程序功能設(shè)計(jì)，將初始參數(shù)、判定功能逐步實(shí)現(xiàn)，以保證對(duì)正常駕駛和工作的監(jiān)控，以及對(duì)超速、故障、潤(rùn)滑油缺失、排種或植保功能失效等問(wèn)題的判定。

（3）通信技術(shù)及方式設(shè)計(jì)。農(nóng)機(jī)自動(dòng)化作業(yè)過(guò)程中，需要獲取并實(shí)時(shí)傳輸大量的數(shù)據(jù)，單純采用傳統(tǒng)的有線傳輸，易導(dǎo)致排線復(fù)雜，錯(cuò)誤率較高，而通過(guò)傳統(tǒng)傳輸與藍(lán)牙傳輸技術(shù)相配合的方式，不僅能便捷的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，更能降低數(shù)據(jù)通訊的成本和資源消耗。

4 結(jié)論

農(nóng)機(jī)的自動(dòng)控制技術(shù)能有效提高操作和駕駛的合理性，不僅有效提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率，且有效避免農(nóng)機(jī)故障和事故的發(fā)生。隨著控制器和傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展，農(nóng)業(yè)機(jī)械向自動(dòng)化轉(zhuǎn)變?cè)诩夹g(shù)方面變得更為簡(jiǎn)單，但自動(dòng)控制技術(shù)能否合理的應(yīng)用到農(nóng)機(jī)裝備上，需要科學(xué)的程序設(shè)計(jì)與合理的技術(shù)途徑作保證。相信在不久的將來(lái)，自動(dòng)化農(nóng)機(jī)將會(huì)廣泛引用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中，并顯著提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率和質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉強(qiáng). 自動(dòng)控制技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械中的應(yīng)用[J]. 農(nóng)機(jī)使用與維修， 2017（3）：1-2.

[2] 唐勇偉. 基于ARM-Linux的農(nóng)機(jī)自動(dòng)駕駛控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[D].青島：青島理工大學(xué)，2016.

[3] 朱鵬飛. 氣吸式無(wú)級(jí)調(diào)控小麥精播機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的研制[D]. 泰安：山東農(nóng)業(yè)大學(xué)， 2013.