現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)用初探

楊克影

（山東省鄄城縣行政審批服務(wù)局，山東 菏澤 274600）

現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)機(jī)械的應(yīng)用在我國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮了巨大的作用，農(nóng)民通過合理使用農(nóng)業(yè)機(jī)械，使生產(chǎn)過程的效率和作業(yè)品質(zhì)都得到了明顯的提升，從事生產(chǎn)過程的人力勞動(dòng)強(qiáng)度顯著降低，使農(nóng)民進(jìn)一步對農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)生認(rèn)可，也說明了農(nóng)業(yè)機(jī)械化生產(chǎn)合理性與先進(jìn)性。從機(jī)械行業(yè)發(fā)展的角度來看，傳統(tǒng)的機(jī)械產(chǎn)品在機(jī)電一體化技術(shù)的支持下，自動(dòng)化程度得到了顯著的提升，農(nóng)機(jī)產(chǎn)品在設(shè)計(jì)和開發(fā)的過程中也能通過與機(jī)電一體化技術(shù)的融合來提高其使用性能，使農(nóng)機(jī)產(chǎn)品的作業(yè)過程更加簡單合理，為農(nóng)業(yè)機(jī)械化生產(chǎn)提供更多助力。

一、機(jī)電一體化技術(shù)特征

機(jī)電一體化技術(shù)是指集合微電子、機(jī)械、計(jì)算機(jī)、信息處理等多種技術(shù)，根據(jù)不同需求進(jìn)行定向改進(jìn)的新型現(xiàn)代技術(shù)。機(jī)電一體化技術(shù)在眾多行業(yè)和領(lǐng)域中均有顯著貢獻(xiàn)，例如，在化工部門可以通過預(yù)先報(bào)警系統(tǒng)降低誤差事故發(fā)生率；在電力部門可以通過提高電力輸送穩(wěn)定性降低能源損耗；在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域可以應(yīng)用傳感控制技術(shù)、編程技術(shù)等對農(nóng)業(yè)機(jī)械的功能進(jìn)行分配及控制，從而降低機(jī)械損耗，減少工作負(fù)擔(dān)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。在機(jī)電一體化系統(tǒng)中，多種技術(shù)相互補(bǔ)充，不斷發(fā)展，促使機(jī)電一體化技術(shù)逐漸完善。此外機(jī)電一體化技術(shù)具有人工智能的特征，可以在生產(chǎn)領(lǐng)域中通過微電子技術(shù)充分發(fā)揮傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)機(jī)械零件功能，助推農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備及系統(tǒng)的升級，優(yōu)化機(jī)械故障診斷、參數(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)及生產(chǎn)控制，隨著技術(shù)的進(jìn)步，機(jī)電一體化系統(tǒng)也會(huì)逐漸出現(xiàn)自動(dòng)診斷及修復(fù)功能，無需依靠人力而完成自動(dòng)化過程。

二、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)用

（一）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、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(dòng)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(dòng)總成幾個(gè)部分。

（二）智能導(dǎo)航技術(shù)的應(yīng)用

智能導(dǎo)航技術(shù)的實(shí)現(xiàn)離不開機(jī)電一體化技術(shù)的支持，通過在農(nóng)業(yè)機(jī)械中布置GPS終端，能夠?qū)⑥r(nóng)業(yè)機(jī)械的作業(yè)位置實(shí)時(shí)顯現(xiàn)，并通過衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)指導(dǎo)農(nóng)業(yè)機(jī)械進(jìn)行作業(yè)。現(xiàn)階段，智能導(dǎo)航技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械上的功能應(yīng)用主要包括兩方面的內(nèi)容，一是利用導(dǎo)航監(jiān)測和指導(dǎo)農(nóng)機(jī)駕駛員的駕駛路線與駕駛方式，例如在機(jī)械化耕整地作業(yè)中，導(dǎo)航技術(shù)可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)農(nóng)機(jī)行駛偏離路線或行駛速度異常等問題，使駕駛員及時(shí)調(diào)整行駛方案，避免耕整地質(zhì)量不佳或漏耕現(xiàn)象的出現(xiàn);二是利用導(dǎo)航指導(dǎo)智能農(nóng)機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化行駛和作業(yè)，導(dǎo)航為自動(dòng)行駛提供精確的坐標(biāo)和位置信息，為農(nóng)業(yè)機(jī)械的無人作業(yè)提供技術(shù)支持。

（三）虛擬技術(shù)的應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)綜合了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、多媒體技術(shù)、圖像處理與模式識別、智能接口技術(shù)、傳感器技術(shù)。農(nóng)業(yè)機(jī)械中應(yīng)用到的虛擬技術(shù)一般以用戶的實(shí)際設(shè)計(jì)要求為基礎(chǔ)，對三維立體世界加以構(gòu)建。虛擬技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品的外形設(shè)計(jì)、農(nóng)業(yè)機(jī)械的模擬裝配、產(chǎn)品仿真、農(nóng)產(chǎn)品性能檢測均得到充分應(yīng)用。農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中存在的各種缺陷在應(yīng)用虛擬技術(shù)中得到解決，虛擬技術(shù)的應(yīng)用還提升了農(nóng)業(yè)機(jī)械性能，提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)值。今后，虛擬技術(shù)將在大規(guī)模的農(nóng)田、果園、茶園生產(chǎn)與采摘中提供重要幫助，虛擬化技術(shù)的應(yīng)用有助于提高農(nóng)田集約化生產(chǎn)經(jīng)營，助推智慧農(nóng)業(yè)快速發(fā)展。

（四）電子信息技術(shù)

近年來，電子信息技術(shù)也廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械中，如應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械過程監(jiān)控、自動(dòng)化診斷及交互通信中，可以實(shí)時(shí)反饋農(nóng)機(jī)工作狀態(tài)，以便精準(zhǔn)化控制設(shè)備運(yùn)行，確保生產(chǎn)環(huán)境的安全性，提高農(nóng)業(yè)信息化管理水平；應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，可以優(yōu)化資源配置，降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的環(huán)境污染對于生態(tài)環(huán)境的破壞性；應(yīng)用于常規(guī)農(nóng)業(yè)機(jī)械，使農(nóng)機(jī)裝備電子化、智能化，可以合理規(guī)劃田間作業(yè)。隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械智能化發(fā)展，電子信息技術(shù)的應(yīng)用，可以促使人機(jī)接口技術(shù)、交互界面逐漸向著更精準(zhǔn)化、科學(xué)化發(fā)展，如傳統(tǒng)的機(jī)械（拖拉機(jī)）儀表盤也逐漸被電子監(jiān)視儀表代替，極大地提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。

（五）計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)的應(yīng)用

機(jī)電一體化技術(shù)應(yīng)用在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中有很多體現(xiàn)，如計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械的研發(fā)設(shè)計(jì)過程中。計(jì)算機(jī)技術(shù)的出現(xiàn)，使得相關(guān)工作得到了進(jìn)一步完善，只有更好應(yīng)用相關(guān)先進(jìn)技術(shù)，不斷進(jìn)行創(chuàng)造，才能改善農(nóng)業(yè)機(jī)電一體化技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)更好發(fā)展。計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)融合了多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，使得網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)等相關(guān)內(nèi)容能夠在其中發(fā)揮更好優(yōu)勢，突破傳統(tǒng)的發(fā)展瓶頸。結(jié)合現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)電設(shè)備應(yīng)用實(shí)際情況，增加了相關(guān)性能。因此，農(nóng)業(yè)機(jī)電一體化技術(shù)進(jìn)一步推動(dòng)了農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展，使得農(nóng)業(yè)能夠獲得更多經(jīng)濟(jì)收益。計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)（CAD）融合了網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等，被應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械研發(fā)過程中。借助該技術(shù)，研發(fā)人員能夠利用三維圖形系統(tǒng)模擬并分析農(nóng)機(jī)常用機(jī)構(gòu)和農(nóng)機(jī)空間的運(yùn)動(dòng)狀況和受力情況、農(nóng)業(yè)物料在機(jī)械上的移動(dòng)軌跡和移動(dòng)情況，還能夠借助傳動(dòng)設(shè)計(jì)模塊和數(shù)據(jù)庫技術(shù)，以構(gòu)建犁體曲面數(shù)學(xué)模型的方式，進(jìn)行聯(lián)臺(tái)收割機(jī)的整體設(shè)計(jì)。避免了繁瑣復(fù)雜的計(jì)算，提高了農(nóng)業(yè)機(jī)械的設(shè)計(jì)質(zhì)量和創(chuàng)新水平，縮短了農(nóng)業(yè)機(jī)械的研發(fā)周期，推動(dòng)了農(nóng)業(yè)機(jī)械使用率、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平的提高。

（六）傳感器監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用

傳感器是機(jī)電一體化技術(shù)常用的檢測元件，通過傳感器的應(yīng)用能夠有效獲得農(nóng)業(yè)機(jī)械和周邊環(huán)境的信息，從現(xiàn)階段的農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品來看，其逐漸向著復(fù)雜化和大型化發(fā)展，機(jī)械產(chǎn)品中應(yīng)用較多的機(jī)械結(jié)構(gòu)、液壓裝置和電控組件，這些部位的工作狀態(tài)和相關(guān)的參數(shù)監(jiān)測需要不同功能的傳感器來實(shí)施，從而保證農(nóng)業(yè)機(jī)械工作的各項(xiàng)狀態(tài)能夠被實(shí)時(shí)獲取，并供控制系統(tǒng)進(jìn)行分析。農(nóng)機(jī)產(chǎn)品中常用的傳感器包括溫度傳感器、速度傳感器、計(jì)量傳感器、重力傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、扭力傳感器等，傳感器技術(shù)的應(yīng)用使駕駛員對農(nóng)機(jī)內(nèi)部工作狀態(tài)和外部環(huán)境狀態(tài)有了更直觀的了解，便于及時(shí)調(diào)整機(jī)具的作業(yè)方案，或通過機(jī)電自動(dòng)控制來預(yù)防故障問題的發(fā)生，顯著提高農(nóng)機(jī)作業(yè)的可靠性。

（七）農(nóng)業(yè)機(jī)械無損檢測

近幾年，在農(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(dòng)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(dòng)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(dòng)工作，實(shí)現(xiàn)作物在三維空間層面的精準(zhǔn)定位。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(dòng)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。

三、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)電一體化技術(shù)的建議

（一）因地制宜，發(fā)展農(nóng)業(yè)機(jī)械機(jī)電一體化技術(shù)

我國地形多樣，西部以山地、高原和盆地為主，東部以平原和丘陵為主，各地區(qū)適用農(nóng)機(jī)設(shè)備各不同。山地農(nóng)機(jī)設(shè)備多以輕便的小型農(nóng)機(jī)為主；平原地區(qū)因?yàn)榈貏萜教?，農(nóng)作物成片種植，使用大型農(nóng)機(jī)設(shè)備為主；丘陵地區(qū)也有適用于它自己的農(nóng)機(jī)設(shè)備。因?yàn)榈匦蔚亩鄻有孕纬闪宋覈r(nóng)機(jī)設(shè)備的多樣性，經(jīng)濟(jì)條件較好的地區(qū)，對農(nóng)業(yè)機(jī)械投入較高，農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平發(fā)展較快；經(jīng)濟(jì)發(fā)展欠缺的西部，對農(nóng)業(yè)機(jī)械投入少，農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平低，東西部農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平差異大，這就要求國家在資金和政策上給與扶持，根據(jù)不同的區(qū)域研發(fā)、推廣、發(fā)展適用于本地區(qū)的農(nóng)業(yè)機(jī)電一體化設(shè)備。

（二）完善農(nóng)機(jī)設(shè)備功能性及適應(yīng)性

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，實(shí)際作業(yè)往往會(huì)受到地理、環(huán)境等因素的影響，繼而直接影響到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率及質(zhì)量，而機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)用可以滿足不同農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者可以根據(jù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求，通過自動(dòng)控制、校檢、補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)靈活調(diào)節(jié)及操作機(jī)械設(shè)備，使農(nóng)機(jī)設(shè)備在多種環(huán)境狀態(tài)下均能順利運(yùn)行。此外隨著機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用功能也越來越豐富，如自動(dòng)控制、信息自動(dòng)校檢、自動(dòng)取暖等，功能多樣性及操作方便性可以促使農(nóng)業(yè)機(jī)械生產(chǎn)效率更高、耗能更低，擴(kuò)大了農(nóng)業(yè)機(jī)械適用范圍，繼而推動(dòng)農(nóng)業(yè)整體水平的提高。

（三）提高農(nóng)業(yè)機(jī)械可靠性

提高農(nóng)業(yè)機(jī)械可靠性，確保使用的安全非常重要。現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展越來越趨向機(jī)械化，如果機(jī)械設(shè)備出現(xiàn)了問題，那么就會(huì)給生產(chǎn)發(fā)展帶來不利影響，還會(huì)給操作人員帶來人身危險(xiǎn)。為降低機(jī)械設(shè)備出現(xiàn)故障的可能性，要對機(jī)械設(shè)備進(jìn)行保養(yǎng)，定期檢查。電子元件應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械生產(chǎn)工藝中，將農(nóng)業(yè)機(jī)械各部位進(jìn)行模塊化，減少了部件和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的磨損，也提升了設(shè)備的靈敏性和可靠性，降低了農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)生故障的可能性，延長了農(nóng)業(yè)機(jī)械的使用壽命。電子監(jiān)控和電子報(bào)警技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械中的應(yīng)用，使農(nóng)業(yè)機(jī)械具備了自動(dòng)監(jiān)控和自動(dòng)防護(hù)的功能，在檢測到故障后能夠自動(dòng)根據(jù)情況選擇合適的保護(hù)措施進(jìn)行自我防護(hù)，避免農(nóng)業(yè)機(jī)械損害程度的加深，也避免了對機(jī)械使用者造成危害，保證了農(nóng)業(yè)機(jī)械的使用安全。

（四）提高機(jī)電技術(shù)參與生產(chǎn)的能力

機(jī)電一體化技術(shù)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)領(lǐng)域上的應(yīng)用與發(fā)展，使得傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)流程中添加了信息處理和機(jī)構(gòu)自動(dòng)控制的功能，可以明顯的提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的工作效率、穩(wěn)定性、可靠性，并且有效地提高了設(shè)備的利用率。機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)用，改善了設(shè)備的精度，使得設(shè)備可以精準(zhǔn)的控制每一步操作，實(shí)現(xiàn)了人工難以實(shí)現(xiàn)的工序與動(dòng)作，更高的穩(wěn)定性，帶來的是更低的失誤率，實(shí)現(xiàn)了一種穩(wěn)定的生產(chǎn)模式，有效地提升了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性。

四、結(jié)語

機(jī)電一體化技術(shù)已在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域得到大量推廣與應(yīng)用，其技術(shù)方面也趨于成熟化，合理科學(xué)應(yīng)用相關(guān)技術(shù)，完善機(jī)械設(shè)備性能，可更好輔助農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，保證每個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)質(zhì)量，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，對快速實(shí)現(xiàn)我國農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化、帶動(dòng)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的增長具有十分重要的意義。