農(nóng)業(yè)機(jī)械機(jī)電一體化技術(shù)的運(yùn)用研究①

徐嘉琦

(佳木斯大學(xué),黑龍江 佳木斯 154007)

0 引 言

作為農(nóng)業(yè)大國的我國，農(nóng)業(yè)是第一產(chǎn)業(yè)。促進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、信息化、智能化發(fā)展，是我國整體經(jīng)濟(jì)快速平穩(wěn)發(fā)展的關(guān)鍵。而通過推進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械與機(jī)電一體化技術(shù)融合，可以為我國農(nóng)業(yè)發(fā)展提供良好的環(huán)境，促使大規(guī)模機(jī)械化成為可能?；诖?，根據(jù)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展情況，對農(nóng)業(yè)機(jī)械與機(jī)電一體化技術(shù)的融合發(fā)展運(yùn)用進(jìn)行適當(dāng)分析具有至關(guān)重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 農(nóng)業(yè)機(jī)械機(jī)電一體化的內(nèi)涵

農(nóng)業(yè)機(jī)械機(jī)電一體化主要是以機(jī)械、計(jì)算機(jī)、微電子技術(shù)為主的多學(xué)科知識相互結(jié)合形成的技術(shù)產(chǎn)品，具有自動報(bào)警、自動監(jiān)視、自動診斷、自動維護(hù)等功能，可以有效提升產(chǎn)品可靠性、安全性[1]。特別是在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備遇到超壓、短路、過流系統(tǒng)故障時(shí)，可以自動啟動保護(hù)裝置，降低機(jī)電故障對農(nóng)機(jī)駕駛員、農(nóng)機(jī)的危害。

2 農(nóng)業(yè)機(jī)械機(jī)電一體化技術(shù)的運(yùn)用意義

2.1 改善操作性能

數(shù)控技術(shù)、程序控制技術(shù)是機(jī)電一體化在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備中主要應(yīng)用表現(xiàn)。從近幾年農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備生產(chǎn)應(yīng)用歷程來看，零部件故障發(fā)生概率較高。而通過農(nóng)業(yè)機(jī)械機(jī)電一體化技術(shù)的運(yùn)用，可以簡化農(nóng)業(yè)機(jī)械零部件。并在操作系統(tǒng)支持下，借助人工智能一體化管理，促使農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備各部件在整個(gè)作業(yè)階段均保持良好的工作狀態(tài)。

2.2 提升工作效率

在機(jī)電一體化技術(shù)發(fā)展帶動下，農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備信息收集整理效率得到了穩(wěn)步提升，為我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展提供了良好支撐。特別是在以機(jī)電一體化為基石的農(nóng)業(yè)信息共享機(jī)制中，農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備管理者可以第一時(shí)間獲取農(nóng)機(jī)駕駛員位置信息及操作過程信息，據(jù)此判定農(nóng)作物生長情況，為下一步農(nóng)業(yè)機(jī)械化操作方案制定提供依據(jù)[2]。

2.3 減少系統(tǒng)故障

在當(dāng)前農(nóng)業(yè)機(jī)械化生產(chǎn)作業(yè)開展階段，機(jī)械設(shè)備的安全性受關(guān)注程度日益提升。以往農(nóng)業(yè)機(jī)械化生產(chǎn)作業(yè)中某一機(jī)械設(shè)備部件故障將對整個(gè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成不利影響。而通過農(nóng)業(yè)機(jī)械機(jī)電一體化技術(shù)的運(yùn)用，可以借助機(jī)電一體化自動預(yù)警、診斷功能，在機(jī)械設(shè)備出現(xiàn)故障的第一時(shí)間進(jìn)行出現(xiàn)，減少農(nóng)業(yè)機(jī)械系統(tǒng)故障出現(xiàn)概率，提升農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備整體安全性能。

3 農(nóng)業(yè)機(jī)械機(jī)電一體化技術(shù)的運(yùn)用現(xiàn)狀

3.1 農(nóng)業(yè)機(jī)械CAD設(shè)計(jì)

CAD(計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì))是一項(xiàng)將網(wǎng)絡(luò)通信、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、數(shù)據(jù)庫等知識有機(jī)融合的綜合性技術(shù)，利用CAD技術(shù)，可以對農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行修改、設(shè)計(jì)優(yōu)化、輸出效果調(diào)整等操作，提高農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備研發(fā)效率[3]。相較于以往過程較為繁瑣的作圖法而言，CAD可以幫助農(nóng)業(yè)機(jī)械研發(fā)者從運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)視角進(jìn)行剖析，了解農(nóng)業(yè)物料在給定軌跡、空間運(yùn)動、平面運(yùn)動中多作用力，充分適應(yīng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)對農(nóng)業(yè)機(jī)械的需求。以基于CAD的犁設(shè)計(jì)為例，眾所周知，犁是一種耕地用農(nóng)具，由一根橫梁端部的厚重刃組成，大多系在牽引他的機(jī)動車上，用于破碎土塊并耕出溝槽，為播種做好準(zhǔn)備，根據(jù)覆土犁特點(diǎn)，設(shè)計(jì)人員可以選擇恰當(dāng)?shù)腃AD軟件，結(jié)合犁地、覆土、壅土、開溝、中耕除草需求及配套耕地整地機(jī)械特點(diǎn)，從犁尖端、犁體曲面、犁柱、安裝座、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)等方面，進(jìn)行逐一編輯。即利用CREAFORM三維掃描儀+Geomagic Design X的方案，通過HandySCAN 3D BLACK Elite激光掃描儀，將犁臂掃描，根據(jù)掃描數(shù)據(jù)開展逆向設(shè)計(jì)，獲得完整的CAD數(shù)據(jù)模型，具體如圖1所示：

圖1 犁CAD數(shù)據(jù)模型

如圖1所示，HandySCAN 3D BLACK Elite可以精確測量(精度為0.025m)并提供可追蹤高分辨率結(jié)果。以動態(tài)參考為特點(diǎn)，在測量期間移動掃描件、部件，獲得0.020+0.040mm/m(0.0008in+0.0005in/ft)的體積精度。同時(shí)以十一條激光十字線為依據(jù)，每秒進(jìn)行1300000次測量，并自動生成網(wǎng)格，實(shí)現(xiàn)2.0min內(nèi)從安裝、掃描、存檔的快速工作流[4]。

3.2 農(nóng)業(yè)機(jī)械電子調(diào)配

從全世界范圍內(nèi)出發(fā)，電子信息技術(shù)與農(nóng)業(yè)機(jī)械融合程度日益加深，加速了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)高效性、現(xiàn)代化、集約化、節(jié)能性、環(huán)保性發(fā)展，也引發(fā)了農(nóng)業(yè)機(jī)械的創(chuàng)新發(fā)展。特別是在農(nóng)業(yè)機(jī)械過程監(jiān)視、控制、通信、診斷技術(shù)性能不斷提高進(jìn)程中，農(nóng)藥、化肥等無機(jī)化學(xué)資源消耗量顯著下降，為環(huán)境友好型農(nóng)業(yè)建設(shè)提供了充足支持。以植保噴藥機(jī)為例，農(nóng)田植保是防控治理病蟲草害的主要手段，也是農(nóng)作物生長期間田間管理的重點(diǎn)模塊。作業(yè)安全性、作業(yè)速度、單位面積施藥量、作業(yè)效率等均對植保機(jī)械設(shè)備應(yīng)用具有嚴(yán)格要求，我國以往所采用的農(nóng)業(yè)植保機(jī)械多配備大容量藥箱(500.0L以上)、高地隙底盤，雖然可以在駕駛員的操作下完成一般噴藥植保需求，但是機(jī)械整體質(zhì)量維護(hù)資金損耗率較高，噴灑均一，極易出現(xiàn)農(nóng)藥、化肥過量施用問題，且在田間行駛期間極易對農(nóng)田土壤、作物造成破壞，基于此，可以利用電機(jī)控制與變量技術(shù)，研制具有電子調(diào)配施藥、轉(zhuǎn)向、驅(qū)動的小規(guī)模植保機(jī)械。具體機(jī)械機(jī)電一體化系統(tǒng)包括精量噴藥系統(tǒng)、高地隙行走系統(tǒng)兩個(gè)功能模塊，前者包括液泵、噴頭、噴桿、藥箱、精量電子控制器幾個(gè)部分；后者則包括高地隙底盤、行走控制裝置、轉(zhuǎn)向總成、驅(qū)動總成幾個(gè)部分。具體遙控裝置組成如圖2所示：

圖2 小規(guī)模高地隙植保機(jī)械電子遙控裝置組成

如圖2所示，小規(guī)模高地隙植保機(jī)械電子遙控裝置主要是通過人工操作向小規(guī)模農(nóng)業(yè)植保機(jī)械發(fā)送控制信號，如噴灑、前進(jìn)/后退、速度、轉(zhuǎn)向等；接收器是核心模塊，包括處理單元、信號接收機(jī)(電子遙控信號)、串口幾個(gè)部分，可以在接收電子遙控器發(fā)送控制信號后，經(jīng)串口將控制指令輸出至精量控制器、行走控制裝置(左前驅(qū)動總成、右前驅(qū)動總成、左后驅(qū)動總成、右后驅(qū)動總成、前轉(zhuǎn)向總成、后轉(zhuǎn)向總成)，兩者均以蓄電池作為動力源[5]。其中行走系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要承擔(dān)行走驅(qū)動任務(wù)，包括四個(gè)驅(qū)動總成、兩個(gè)轉(zhuǎn)向總成、底盤、行走控制裝置幾個(gè)部分，分別負(fù)責(zé)提供行走驅(qū)動力、實(shí)現(xiàn)車輪同步轉(zhuǎn)動、維持后橋穩(wěn)定、控制行走。在行走控制系統(tǒng)運(yùn)行過程中，可以通過接收機(jī)、Arduino Due開發(fā)板、TTL串口控制，具體過程如圖3所示：

圖3 行走控制系統(tǒng)控制流程

如圖3所示，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)總成、轉(zhuǎn)向電機(jī)及驅(qū)動器、轉(zhuǎn)向控制單元為轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)，控制單元為驅(qū)動控制系統(tǒng)重要部分，直接控制左前驅(qū)動總成、左后驅(qū)動總成、右前驅(qū)動總成、右后驅(qū)動總成[6]。

3.3 農(nóng)業(yè)機(jī)械無損檢測

在近幾年農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展進(jìn)程中，計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制技術(shù)、微電子技術(shù)、傳感技術(shù)、液壓技術(shù)建立了緊密的聯(lián)系，形成了完善的計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)體系，可以直接對農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備圖像進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)系統(tǒng)的無損檢測，并將其引入農(nóng)業(yè)自動化收獲機(jī)械研制體系中，在GPS差分技術(shù)、傳感器技術(shù)、超聲波技術(shù)的支持下，實(shí)現(xiàn)高精度、集群導(dǎo)航作業(yè)。計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)最初應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量檢測及品質(zhì)等級劃分中，可以根據(jù)農(nóng)產(chǎn)品顏色、外表面形態(tài)等基本物理特征，預(yù)先設(shè)定級別劃分標(biāo)準(zhǔn)，并通過農(nóng)產(chǎn)品圖像處理，控制執(zhí)行結(jié)構(gòu)自動分級，降低人力、時(shí)間成本。由于農(nóng)作物的機(jī)械化生產(chǎn)是一個(gè)漫長而復(fù)雜的過程，在現(xiàn)代精細(xì)農(nóng)業(yè)中需要及時(shí)了解作物生長情況以及生長環(huán)境基本條件，因此，為滿足長期穩(wěn)定監(jiān)測要求，可以作物收獲機(jī)械為載體，利用單目視覺、雙目視覺或者多目視覺技術(shù)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜多變作業(yè)環(huán)境中作物位置的精確定位，避免作物生長位置、形狀、顏色、方向的多樣隨機(jī)性對人員造成的大量識別、移動工作，實(shí)現(xiàn)作物在三維空間層面的精準(zhǔn)定位[7]。有條件的情況下，還可以根據(jù)機(jī)械化集體作業(yè)規(guī)模，通過基于機(jī)器視覺技術(shù)的自動導(dǎo)航系統(tǒng)，將藥劑噴灑、播種等過程轉(zhuǎn)為三維空間立體化，同時(shí)滿足農(nóng)業(yè)機(jī)械化生產(chǎn)對于數(shù)量、質(zhì)量的需求。

4 農(nóng)業(yè)機(jī)械機(jī)電一體化技術(shù)的運(yùn)用趨勢

4.1 柔性智能化

在未來發(fā)展進(jìn)程中，農(nóng)業(yè)機(jī)械機(jī)電一體化技術(shù)將呈現(xiàn)出即可獨(dú)立工作又可為總體服務(wù)的自律分配系統(tǒng)化，即柔性化。這種情況下，即使子系統(tǒng)出現(xiàn)故障，控制終端也可以游刃有余地處理各種突發(fā)風(fēng)險(xiǎn)因子，不會對整體工作造成不利影響。進(jìn)而保障農(nóng)業(yè)機(jī)械利用效率，推動現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展。

4.2 微型信息化

在科技飛速發(fā)展進(jìn)程中，納米技術(shù)、蝕刻技術(shù)也得到了穩(wěn)步的發(fā)展，微型機(jī)電技術(shù)質(zhì)量出現(xiàn)了顯著提升，機(jī)械元件小型化、簡易化特征愈加突出。通過將微型傳感器、執(zhí)行元件、處理器整合，可以形成微型信息自律元件，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械機(jī)電一體化穩(wěn)步發(fā)展，獲得最佳農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式。

4.3 激光一體化

由于農(nóng)業(yè)機(jī)械已實(shí)現(xiàn)自動化，在未來融合以往機(jī)電一體化技術(shù)的前提下，激光技術(shù)、計(jì)算機(jī)信息技術(shù)將充分整合，為農(nóng)業(yè)機(jī)械結(jié)構(gòu)組成優(yōu)化提供最佳運(yùn)行機(jī)制。進(jìn)而從動力系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、信息處理系統(tǒng)等多個(gè)環(huán)節(jié)入手，全面推進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)水平升級。

5 結(jié) 語

綜上所述，從當(dāng)前我國農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展水平來看，我國農(nóng)業(yè)機(jī)械化生產(chǎn)與國外發(fā)達(dá)國家仍然具有一定差距，農(nóng)業(yè)機(jī)械機(jī)電一體化技術(shù)研究深度不足是主要原因。因此，各地應(yīng)加強(qiáng)對農(nóng)業(yè)機(jī)械機(jī)電一體化技術(shù)的研究，完善電子信息技術(shù)、電子傳感器、微型計(jì)算機(jī)技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械化生產(chǎn)中的應(yīng)用體系，為農(nóng)業(yè)機(jī)械現(xiàn)代化發(fā)展提供充足驅(qū)動力。

在經(jīng)濟(jì)未來發(fā)展進(jìn)程中，農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)效率將對現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展產(chǎn)生越來越突出的影響。因此，各地應(yīng)借助社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展契機(jī)，將機(jī)電一體化技術(shù)應(yīng)用到拖拉機(jī)、播種機(jī)等常見機(jī)械設(shè)備中，全面優(yōu)化農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備性能，為我國經(jīng)濟(jì)水平的提升奠定基礎(chǔ)。