國外智慧農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)研發(fā)應(yīng)用淺析

石家莊市農(nóng)林科學研究院 石家莊市農(nóng)機安全監(jiān)理所 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)機試驗鑒定總站

□ 靳 青 林凱西 □ 楊 碩 □ 崔 敏

20世紀80年代，隨著衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)開始在農(nóng)田信息采集、農(nóng)機精準作業(yè)和生產(chǎn)管理等方面開始應(yīng)用，精準農(nóng)業(yè)技術(shù)在逐步在美國興起。目前，美國在谷物聯(lián)合收割機、噴霧機、播種機等農(nóng)業(yè)裝備上，已廣泛采用了GPS全球定位系統(tǒng)監(jiān)控作業(yè)。歐洲國家在整地、播種、收獲、運輸?shù)壬a(chǎn)環(huán)節(jié)，也裝備了GPS系統(tǒng)實現(xiàn)了精準作業(yè)。進入21世紀，基于GPS導(dǎo)航技術(shù)的農(nóng)業(yè)智能技術(shù)裝備在發(fā)達國家趨于成熟，變量作業(yè)裝備、自動導(dǎo)航農(nóng)機、高度智能化農(nóng)業(yè)機械逐步進入推廣應(yīng)用，引領(lǐng)著世界農(nóng)機制造業(yè)的發(fā)展方向。

一、精準作業(yè)控制技術(shù)

精準作業(yè)的關(guān)鍵在于控制技術(shù)方面，將各種電子監(jiān)視、控制裝置應(yīng)用于各類農(nóng)業(yè)裝備制造上的智能型農(nóng)業(yè)裝備，如整地、播種、施肥、施藥、收獲的環(huán)節(jié)的機械裝備，推動了精準作業(yè)的產(chǎn)生和發(fā)展，發(fā)達國家在這方面起步較早，產(chǎn)品已進入國際市場。

在歐美、日本等西方發(fā)達國家，基于通用總線技術(shù)，集成各類農(nóng)田信息采集的傳感器、定位裝置、實時在線測量設(shè)備以及人機交互終端設(shè)備等一體化的智能化拖拉機、帶有電子控制單元（ECU）和作業(yè)過程監(jiān)測傳感器的作業(yè)機械，成為目前農(nóng)業(yè)工程界應(yīng)用研究的熱點。在持續(xù)加大研發(fā)的推進下，一批基于通用總線CAN、符合LBS協(xié)議（DIN9684/ISO11783）的作業(yè)監(jiān)控終端設(shè)備、各類實時作業(yè)在線測量傳感器產(chǎn)品陸續(xù)進入推廣應(yīng)用，由于符合通用總線接口，用戶可以根據(jù)作業(yè)需要，自由選擇相應(yīng)帶有總線接口作業(yè)控制單元，根據(jù)需要任意組配作業(yè)控制系統(tǒng)。

以美國為例，比較典型的產(chǎn)品有：美國Ag Leader研發(fā)的Insight 系列作業(yè)監(jiān)控終端設(shè)備具有CAN總線接口，可與其他公司多種作業(yè)控制器配套實現(xiàn)作業(yè)系統(tǒng)控制。其中，EZ—Guide和EZ—Steer系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)智能導(dǎo)航和自動駕駛，但目前支持的拖拉機類型還只限于美國的主流產(chǎn)品。美國 Mid—Tech 研發(fā)的Legacy系列基于CAN總線技術(shù)的作業(yè)控制終端設(shè)備、TASC系列作業(yè)控制器，均具有標準總線接口，能夠以直線和曲線方式導(dǎo)航；作業(yè)控制和自動駕駛系統(tǒng)Field Pilot，可以根據(jù)需要配置成精準變量施肥、變量噴藥等作業(yè)控制系統(tǒng)，同時能夠?qū)崿F(xiàn)作業(yè)工程的智能導(dǎo)航和自動駕駛。

另外，Beeline Technologies研發(fā)的Beeline系統(tǒng)也實現(xiàn)了自動駕駛功能，在北美大型農(nóng)場應(yīng)用中獲得較好評價。德國的情況是，F(xiàn)ENDT拖拉機和CLAAS谷物聯(lián)合機上也應(yīng)用了控制局域網(wǎng)絡(luò)（CAN）總線系統(tǒng)。

二、土地精細平整控制技術(shù)

在土地精細平整控制技術(shù)裝備方面，應(yīng)用較多的是激光平地機。但是，傳統(tǒng)激光控制平地設(shè)備存在作業(yè)范圍有限、作業(yè)面高程難以統(tǒng)一、作業(yè)效率較低等問題，難以適應(yīng)村鎮(zhèn)土地整治工作的需求。

為了解決傳統(tǒng)激光控制平地設(shè)備存在的作業(yè)范圍有限、鏟運效率低、易受天氣影響等局 限性，GNSS高效土地精細平整技術(shù)逐步發(fā)展起來，這是在應(yīng)用過程中逐步發(fā)展起來的一項先進土地精細平整技術(shù)，美國等發(fā)達國家在這方面進行了深入研究，并研發(fā)了相關(guān)作業(yè)裝備，得到了廣泛推廣應(yīng)用。如：美國天寶（Trimble）公司、日本拓普康（Topcon）公司、德國徠卡（Leica）公司等著名GNSS平地設(shè)備生產(chǎn)商，推出了基于GPS控制技術(shù)的整套平地控制系統(tǒng)及其配套作業(yè)裝備，相關(guān)技術(shù)裝備不斷更新,產(chǎn)品系列化不斷完善。

在實際推廣應(yīng)用方面，國外大部分農(nóng)機產(chǎn)品普遍采用了機電一體化、智能化控制等新技術(shù)，采用全球衛(wèi)星定位監(jiān)測技術(shù)，實時精確獲取農(nóng)田平整土地位置和高程數(shù)據(jù)，借助車載控制終端軟件系統(tǒng)，生成平整地塊三維地形圖，規(guī)劃出最優(yōu)作業(yè)路徑，輔助農(nóng)機設(shè)備進行土地精細平整，大幅度提高了作業(yè)效率，呈現(xiàn)出大型化、集成化、智能化、綠色化的發(fā)展趨勢。

三、智能化播種控制技術(shù)

在發(fā)達國家智能化播種控制技術(shù)設(shè)備方面，精密播種機上廣泛采用了各種監(jiān)測裝置，能把整個播種軌跡基本顯示出來，重播、漏播、株距、播種面積、播種速度、播種量和行數(shù)等參數(shù)，播種機在作業(yè)中實現(xiàn)了智能化檢測。如：美國John Deere的變量撒肥機、Case的Flexi Soil變量施肥播種機，德國AMAZONE 變量施肥機，法國AMASAT變量離心撒播機等。當播種機不能夠正常播種時，雙向報警功能會及時通知機手，故障發(fā)生的位置和故障性質(zhì)，便于機手停車檢查排除故障，智能化最大限度地避免了漏種發(fā)生，提高了播種機的作業(yè)質(zhì)量。

舉例說明。美國公司最具有典型性，Cyclo—500型氣壓式播種機上就裝配了電子監(jiān)控系統(tǒng)；Micro—trak公司播種監(jiān)控系統(tǒng)Whirlwind，可用于氣力播種機或傳統(tǒng)播種機，能監(jiān)測多達256個播種或施肥管，系統(tǒng)包含LCD顯示屏和聽覺、視覺雙報警功能，每個傳感器模塊可以連接多達16個傳感器。另外，日本的Inoti I.K研制了電子控制的氣力式精密播種機；澳大利亞A.E.E公司為氣力播種機設(shè)計了一種監(jiān)視器。目前，國外已在開發(fā)新型監(jiān)測系統(tǒng)，以適應(yīng)更多機型和復(fù)雜的工作環(huán)境。

四、作業(yè)工況監(jiān)測技術(shù)

在歐美發(fā)達國家，由于傳統(tǒng)農(nóng)機裝備制造技術(shù)領(lǐng)先，在智能檢測技術(shù)研究應(yīng)用方面起步較早，各種電子監(jiān)視、控制裝置已應(yīng)用于復(fù)雜農(nóng)業(yè)機械上，農(nóng)業(yè)裝備廣泛融合了現(xiàn)代微電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、儀器與控制技術(shù)，正加速向智能化、機電一體化方向發(fā)展。隨著精準農(nóng)業(yè)技術(shù)裝備的推廣應(yīng)用，基于農(nóng)機裝備作業(yè)工況監(jiān)測的傳感器及監(jiān)控裝置、作業(yè)過程自動化控制技術(shù)，在產(chǎn)品研發(fā)中得到充分應(yīng)用。

舉例說明。不管是美國迪爾、凱斯紐荷蘭、愛科，還是德國的克拉斯，這些歐美國家的跨國農(nóng)機制造商生產(chǎn)的聯(lián)合收割機，以及日本的久保田、洋馬生產(chǎn)的半喂入水稻聯(lián)合收割機，都已普遍應(yīng)用了作業(yè)工況監(jiān)測技術(shù)，產(chǎn)品主要工作部件，如轉(zhuǎn)速、莖桿切割高度、籽粒損失量、糧箱填充量、排草堵塞、發(fā)動機負荷大小等工況均配有信息檢測顯示裝置，未來研發(fā)方向都瞄準了農(nóng)機監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)系統(tǒng)。實際上，在近年來這些公司推出的部分產(chǎn)品中，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已逐步應(yīng)用到農(nóng)機作業(yè)監(jiān)控領(lǐng)域，如迪爾推出的JDLink、克拉斯推出的Ag Telematics等系統(tǒng)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已初見端倪。Θ