耕整地機(jī)具耕深自動(dòng)控制及電子測(cè)量技術(shù)

0 引言

隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式的轉(zhuǎn)型升級(jí)，農(nóng)機(jī)化生產(chǎn)已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主流模式，有效改善了傳統(tǒng)生產(chǎn)過(guò)程中的弊端，使生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量得到了顯著提升

。耕整地機(jī)具是我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中較早應(yīng)用的機(jī)械裝備，是用于農(nóng)田土壤翻耕、平整、起壟等工作的機(jī)械裝備的總稱(chēng)。近年來(lái)，隨著耕整地機(jī)械產(chǎn)品的不斷升級(jí)，其在耕整設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品幅寬、性能等方面都得到了快速升級(jí)，有效提升了土壤的細(xì)碎、翻動(dòng)、整平質(zhì)量，為農(nóng)業(yè)耕地的透氣蓄水、雜草處理等工作創(chuàng)造了有利條件

。但與此同時(shí)，耕整地機(jī)具的研發(fā)對(duì)于自動(dòng)控制和電氣技術(shù)的應(yīng)用明顯不足，與播種機(jī)、收獲機(jī)等設(shè)備相比，耕整地機(jī)具的自動(dòng)控制往往只局限于簡(jiǎn)單的液壓調(diào)控，這不利于耕整地作業(yè)質(zhì)量的提升

。本文從農(nóng)機(jī)自動(dòng)化的角度出發(fā)，介紹了耕整地機(jī)具耕深自動(dòng)控制與耕深測(cè)量技術(shù)。

長(zhǎng)白山的維管植物共計(jì)183科638屬2853種，分別占中國(guó)維管植物科、屬、種總數(shù)的61.1%、18.7%和9.2%；海棠山的維管植物共計(jì)130科472屬2504種，分別占中國(guó)維管植物科、屬、種總數(shù)的43.2%、13.8%和8.0%；百花山的維管植物共計(jì)130科456屬2604種，分別占中國(guó)維管植物科、屬、種總數(shù)的43.2%、13.3%和8.4%。

1 耕整地機(jī)械特征與作業(yè)需求

1.1 機(jī)械特征與種類(lèi)

我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中使用的耕整地機(jī)具產(chǎn)品種類(lèi)豐富，常用的耕整地機(jī)械包括鏵式犁、旋耕機(jī)、深松機(jī)、圓盤(pán)犁、圓盤(pán)耙、動(dòng)力耙、聯(lián)合整地機(jī)等，不同農(nóng)作物和不同的栽培模式需合理選擇耕整地機(jī)具的種類(lèi)才能確保生產(chǎn)的順利進(jìn)行?？傮w上講，耕整地的過(guò)程主要包括四大部分內(nèi)容，一是翻耕前處理，包括滅茬、雜草處理等環(huán)節(jié)；二是翻耕，通過(guò)犁刀、旋耕刀、深松鏟等將耕層土壤翻動(dòng)、疏松；三是整地，主要是將耕層土壤進(jìn)一步細(xì)碎，消滅過(guò)大的土塊，并使耕地表面更加平整；四是起壟及鎮(zhèn)壓，對(duì)于壟作耕地，利用起壟機(jī)起壟，并將隆起土壤按規(guī)范形狀壓實(shí)，對(duì)于平作農(nóng)田利用鎮(zhèn)壓輪、鎮(zhèn)壓板等將表層土壤壓實(shí)，形成上實(shí)下虛的耕層結(jié)構(gòu)。耕整地機(jī)具的作業(yè)大多需要與拖拉機(jī)進(jìn)行配套(圖1)，需將耕整地機(jī)具與拖拉機(jī)的后懸掛系統(tǒng)連接安裝后，由拖拉機(jī)控制耕整地的耕深和耕作模式，拖拉機(jī)出廠(chǎng)時(shí)的電液后懸掛控制模式能滿(mǎn)足耕整地過(guò)程的基本要求，但要進(jìn)一步提高耕整地機(jī)具作業(yè)的合理性，還應(yīng)從耕整地設(shè)備的功能和自動(dòng)控制出發(fā)，進(jìn)一步提高耕整地質(zhì)量。

1.2 作業(yè)功能需求

1.2.1 土壤翻耕細(xì)碎質(zhì)量

耕地土壤的有效細(xì)碎是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)播種的基礎(chǔ)保證，合理利用耕整地機(jī)具能夠在作業(yè)完成后使耕地土壤形成土壤細(xì)碎程度高、表面平整、上實(shí)下虛的土壤耕層結(jié)構(gòu)。要求耕整地機(jī)具作業(yè)過(guò)程需要對(duì)耕層土壤進(jìn)行有效的切割、翻轉(zhuǎn)，并將過(guò)大的土塊破碎，避免大土塊影響對(duì)播種過(guò)程的種子覆蓋質(zhì)量。

1.2.4 使用調(diào)整的便捷性

耕深的自動(dòng)控制技術(shù)主要通過(guò)控制系統(tǒng)結(jié)合傳感器的各項(xiàng)數(shù)據(jù)完成控制決策，其中速度傳感器安裝在拖拉機(jī)上，牽引力傳感器安裝于松土機(jī)構(gòu)工作部位的應(yīng)變片上，用于測(cè)量耕深的傾角傳感器安裝于耕整地機(jī)具的架體或主梁上，3種傳感器將測(cè)得的數(shù)據(jù)傳輸?shù)紼CU芯片，ECU將數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)值范圍進(jìn)行比較，若符合標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)參數(shù)，則不進(jìn)行自動(dòng)控制干預(yù)，若不符合耕深標(biāo)準(zhǔn)，則通過(guò)耕深控制裝置進(jìn)行調(diào)整

。

將拖拉機(jī)與耕整地機(jī)具配套安裝后，若能實(shí)現(xiàn)耕深根據(jù)作業(yè)方案自動(dòng)控制，則能有效提高作業(yè)的效率與便捷性?，F(xiàn)階段，大多數(shù)拖拉機(jī)對(duì)耕作狀態(tài)所配套的調(diào)節(jié)模式多具有一定的弊端和不合理性，例如，后懸掛的力調(diào)節(jié)可能造成局部區(qū)域的耕深不足問(wèn)題；位調(diào)節(jié)可能導(dǎo)致耕作過(guò)程負(fù)載過(guò)大，影響作業(yè)經(jīng)濟(jì)性和作業(yè)效率；浮動(dòng)調(diào)節(jié)也可能造成耕作深度不足問(wèn)題。因此，利用電氣控制技術(shù)，對(duì)耕整地作業(yè)過(guò)程的耕作深度進(jìn)行自動(dòng)化控制，結(jié)合拖拉機(jī)行駛速度、耕地土壤阻力、地形變化等因素智能調(diào)整耕作深度，既能保證大面積耕地的作業(yè)品質(zhì)，還能避免駕駛操作人員頻繁調(diào)整機(jī)具造成的人力負(fù)擔(dān)和工作效率下降問(wèn)題。

由于農(nóng)田耕地的環(huán)境復(fù)雜，在大面積的耕整地耕地過(guò)程中容易受到地勢(shì)起伏的影響出現(xiàn)翻耕整地深淺不一、土壤細(xì)碎程度不一等問(wèn)題，導(dǎo)致耕整地的整體質(zhì)量降低。因此，必須通過(guò)耕整地技術(shù)的提升改善翻耕作業(yè)過(guò)程的均勻性，使同一耕地不同區(qū)域的土壤在耕整后實(shí)現(xiàn)品質(zhì)的統(tǒng)一，避免出現(xiàn)局部區(qū)域翻耕質(zhì)量不佳影響農(nóng)業(yè)產(chǎn)量問(wèn)題。

1.2.2 耕作有效深度

隨著互聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展以及實(shí)際教學(xué)的新要求，微課平臺(tái)應(yīng)運(yùn)而生。在新課程改革下，微課顯然已經(jīng)成為推動(dòng)教學(xué)改革、打造高效課堂的重要工具與手段。一般而言，微課程通過(guò)描述一些知識(shí)點(diǎn)，重點(diǎn)出擊重難點(diǎn)，使學(xué)生能更好地掌握知識(shí)；另一方面，微課界面更具創(chuàng)新性和靈活性，這與傳統(tǒng)教學(xué)活動(dòng)形成了鮮明對(duì)比，微課能夠更有效地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。本文將結(jié)合具體高中數(shù)學(xué)教學(xué)中微課的應(yīng)用方法展開(kāi)如下探討。

由于耕整地機(jī)具需要與拖拉機(jī)配套使用，因此耕整地機(jī)具在與拖拉機(jī)的裝配和裝配后的使用及功能部件調(diào)整應(yīng)滿(mǎn)足便捷性要求，避免耕整地機(jī)具使用過(guò)程中由于調(diào)整或使用難度大影響工作效率，避免耕整地機(jī)具因功能不全或調(diào)整困難造成耕整地作業(yè)質(zhì)量下降。

2 耕深自動(dòng)控制的必要性

1.2.3 翻耕作業(yè)均勻性

3 耕深自動(dòng)控制關(guān)鍵技術(shù)

3.1 耕深自動(dòng)控制總體思路

現(xiàn)階段，最容易實(shí)現(xiàn)的耕深自動(dòng)控制就是在拖拉機(jī)原有的力調(diào)節(jié)、位調(diào)節(jié)功能基礎(chǔ)上進(jìn)行技術(shù)優(yōu)化，利用自動(dòng)控制技術(shù)將力調(diào)節(jié)與位調(diào)節(jié)的功能進(jìn)行整合，設(shè)計(jì)一種力位綜合控制方法。耕深自動(dòng)控制應(yīng)根據(jù)土壤狀況和耕地實(shí)際需求選擇一種主要的調(diào)節(jié)模式。例如，對(duì)于以平坦地勢(shì)為主的農(nóng)田，應(yīng)以位調(diào)節(jié)為主，力調(diào)節(jié)為輔；對(duì)于地勢(shì)不良的地區(qū)，為避免機(jī)械損傷，應(yīng)以力調(diào)節(jié)為主，位調(diào)節(jié)為輔。在實(shí)際作業(yè)過(guò)程中，針對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境設(shè)定相應(yīng)的控制方式和綜合干預(yù)的權(quán)重界限，利用PID 控制技術(shù)對(duì)獲得的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將其轉(zhuǎn)換成為與工作特性相關(guān)的控制規(guī)則，運(yùn)用模糊控制去除多余的或次要的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)控制過(guò)程的提速。利用控制步進(jìn)電機(jī)調(diào)整后懸掛系統(tǒng)對(duì)耕深的控制，當(dāng)實(shí)際耕深大于設(shè)定值，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，液壓力推動(dòng)耕整地機(jī)具提升，耕深降低；當(dāng)實(shí)際耕深小于設(shè)定值，步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，液壓缸收縮，耕整地機(jī)具下降，耕深增加

。

對(duì)于聯(lián)合整地機(jī)而言，其耕深的控制則更加復(fù)雜，可考慮通過(guò)兩種方式實(shí)現(xiàn)，一是將力調(diào)節(jié)、位調(diào)節(jié)、浮動(dòng)調(diào)節(jié)三種方式進(jìn)行整合，實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的綜合控制，以滿(mǎn)足耕地和整地環(huán)節(jié)同時(shí)實(shí)施對(duì)于耕深和模式的不同需求；二是對(duì)聯(lián)合整地機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)改良，將滅茬、耕地裝置的部分與拖拉機(jī)進(jìn)行剛性連接，而將后部的平整、鎮(zhèn)壓裝置設(shè)計(jì)成為可浮動(dòng)的結(jié)構(gòu)，以便于在充分保證耕作深度的同時(shí)實(shí)現(xiàn)地表的良好整平和壓實(shí)。

3.2 耕深自動(dòng)控制技術(shù)細(xì)節(jié)

耕深是耕整地機(jī)具作業(yè)的重要技術(shù)指標(biāo)，有效的耕深能夠?yàn)檗r(nóng)作物根系生長(zhǎng)創(chuàng)造有利條件。針對(duì)大部分農(nóng)田土壤的翻耕作業(yè)而言，常規(guī)的耕作深度通常為20～25 cm，對(duì)于深松作業(yè)而言，要求深度能夠打破犁底層，通常深度要大于25 cm，耕深在25～35 cm。要達(dá)到有效耕作深度，必須保證耕整地機(jī)具具有良好的入土能力，并能夠利用駕駛控制耕整地機(jī)具的耕作深度，應(yīng)保證耕整地機(jī)具耕作深度的合理性，過(guò)深耕作因機(jī)具負(fù)載增加耗費(fèi)大量的燃料資源，過(guò)淺耕作不利于作物根系生長(zhǎng)。

生態(tài)旅游促使了區(qū)域傳統(tǒng)旅游形式向自然、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)協(xié)同發(fā)展轉(zhuǎn)變，這種重生態(tài)性、親自然性和軟文化性的旅游模式日益受到廣大游客的青睞，已然成為一種全新的旅游選擇取向，成為當(dāng)代旅游市場(chǎng)中一個(gè)極為重要的增長(zhǎng)極。中俄界江地區(qū)是指沿黑龍江與烏蘇里江向兩側(cè)延伸，以當(dāng)壁鎮(zhèn)—龍王廟一線(xiàn)為分界，南北各屬中國(guó)與俄羅斯的總面積4 380 km2多的廣袤地帶。該區(qū)域在地理位置上位于我國(guó)疆土的最北端與最東端，同時(shí)與俄羅斯的三大州和兩大區(qū)接壤，地理位置極為重要。全面分析界江地區(qū)豐富的生態(tài)旅游資源及其分布表征是其發(fā)展生態(tài)旅游的先決條件。

耕深自動(dòng)控制的技術(shù)流程設(shè)計(jì)如圖2所示，主要通過(guò)在傳統(tǒng)的耕整地機(jī)具上增設(shè)耕深測(cè)量裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)耕作深度的實(shí)時(shí)評(píng)估和測(cè)量，并結(jié)合牽引阻力傳感器、速度傳感器等將耕作深度、耕作阻力、行駛速度等關(guān)鍵數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵侠瓩C(jī)駕駛室上增設(shè)的ECU芯片，通過(guò)ECU芯片選擇適合的耕深調(diào)整模式，并同時(shí)生成新的作業(yè)方案。一方面?zhèn)鬏數(shù)今{駛室通知駕駛員改變駕駛速度等邏輯，另一方面通過(guò)電控開(kāi)關(guān)控制液壓系統(tǒng)調(diào)整耕作深度，使耕深始終保持在合理范圍。

使用的方法主要有2種：（1）等值線(xiàn)追蹤法，被美國(guó)NOAA采用，具體原理為：由數(shù)字高程模型DEM（TIN或GRID），再通過(guò)等值線(xiàn)跟蹤法提取潮汐基準(zhǔn)面所對(duì)應(yīng)的等值線(xiàn)；（2）二值法，將DEM分割成水陸二值圖像，通過(guò)圖像處理方法提取海岸線(xiàn)。分析對(duì)比優(yōu)缺點(diǎn)，選取最適合海岸線(xiàn)的提取方法[1]。

4 耕深測(cè)量技術(shù)設(shè)計(jì)

耕深的測(cè)量對(duì)于耕深自動(dòng)控制意義重大，現(xiàn)階段，耕深的自動(dòng)測(cè)量主要通過(guò)傳感器技術(shù)結(jié)合處理器芯片的姿態(tài)分析來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)在耕整地機(jī)具的主梁或機(jī)架上安裝傾角傳感器(圖3)，用以判斷耕整地機(jī)具的作業(yè)傾斜角度，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)合傾角能夠快速計(jì)算出耕整機(jī)具大體的耕深范圍，然后通過(guò)幾何關(guān)系驗(yàn)證與誤差修正等方式進(jìn)行測(cè)量精度的修正，實(shí)現(xiàn)耕深測(cè)量精度的提升

。

耕深檢測(cè)所使用的傳感器應(yīng)選擇抗干擾性強(qiáng)、穩(wěn)定性好的傾角傳感器，并具備適應(yīng)農(nóng)田復(fù)雜生產(chǎn)環(huán)境的能力，能夠滿(mǎn)足耕整地機(jī)具可能出現(xiàn)的作業(yè)角度變化范圍，從而有效降低測(cè)量過(guò)程中的誤差，傾角傳感器除安裝在主梁或機(jī)架位置外，還考慮安裝于拖拉機(jī)與耕整地機(jī)具的連接位置，或布置多個(gè)傳感器形成組網(wǎng)測(cè)量，以提高測(cè)量精度。

丹尼爾·平克：男人和女人的時(shí)間類(lèi)型不同，尤其是在前半生。男人屬于黑夜，女人屬于晨曦。然而，這些性別差異在50歲左右開(kāi)始消失。

除合理設(shè)計(jì)和選用傳感器等硬件外，還需重視耕深檢測(cè)的軟件邏輯，并將耕深檢測(cè)的相關(guān)數(shù)據(jù)與拖拉機(jī)駕駛室的顯示屏相連接，實(shí)現(xiàn)耕作速度、耕作深度、牽引力狀態(tài)等耕作數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示。并充分考慮拖拉機(jī)與配套耕整地機(jī)具可能出現(xiàn)的變化情況，能夠通過(guò)軟件系統(tǒng)實(shí)時(shí)更改配套耕整地機(jī)具的幅寬、機(jī)型種類(lèi)等信息，使系統(tǒng)能夠根據(jù)犁耕、旋耕、重耙、聯(lián)合整地等不同機(jī)型自動(dòng)選擇適合的調(diào)整模式。

此外，耕深測(cè)量過(guò)程中的軟件和硬件均需具有一定的可拓展能力。一方面可以通過(guò)軟件技術(shù)的提升優(yōu)化耕深測(cè)量的運(yùn)算邏輯和精確性；另一方面可以隨著硬件技術(shù)的升級(jí)，更換更先進(jìn)的傾角傳感器或增加新的傳感器種類(lèi)，這也需要硬件系統(tǒng)接口預(yù)留及接口種類(lèi)的豐富性。

第四，開(kāi)磷擁有布局良好的產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)。開(kāi)磷已初步形成礦業(yè)與磷化工、磷化工與煤化工、磷化工與氟硅碘化工、主業(yè)與輔業(yè)相互配套和耦合共生的良好發(fā)展態(tài)勢(shì)?；十a(chǎn)品已形成從基礎(chǔ)性肥料、功能性肥料到高端全水溶肥料的產(chǎn)品體系；煤化工發(fā)展已經(jīng)形成從合成氨、甲醇到二氧化碳、油漆涂料、液化甲烷氣、甲醇汽油等煤的精細(xì)化工產(chǎn)品體系；精細(xì)磷化工、氟硅化工、碘化工、電池新材料、光固化材料、水性聚氨脂等一批高端精細(xì)化工產(chǎn)業(yè)也正在快速成長(zhǎng)，目前已經(jīng)形成從貴州到江蘇、內(nèi)蒙古、湖南、江西的綠色化工產(chǎn)業(yè)布局。

5 結(jié)語(yǔ)

耕整地機(jī)具是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中重要機(jī)型種類(lèi)，其與電氣控制技術(shù)結(jié)合能有效提升耕整地的作業(yè)質(zhì)量。耕作深度控制作為有效改善耕作質(zhì)量的重要手段，應(yīng)當(dāng)成為未來(lái)耕整地技術(shù)研究的主要方向之一，能夠?yàn)槲磥?lái)的農(nóng)機(jī)智能化作業(yè)創(chuàng)造有利條件。

[1] 何新如,孟祥雨,趙麗萍.耕整地機(jī)械發(fā)展現(xiàn)狀分析[J].山東農(nóng)機(jī)化,2014(6):24-25.

[2] 王超安,王傳明.我國(guó)耕整地機(jī)械發(fā)展現(xiàn)狀及未來(lái)趨勢(shì)分析[J].農(nóng)機(jī)市場(chǎng),2012(8):27-29.

[3] 萬(wàn)騰,王文靜,楊皓天,等.拖拉機(jī)電液懸掛的控制方式及技術(shù)實(shí)施途徑設(shè)計(jì)[J].拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車(chē),2020,47(1):4-6+11.

[4] 王淼,伍志丹,黃鶯.電力控制系統(tǒng)在拖拉機(jī)耕深控制中的應(yīng)用研究[J].農(nóng)機(jī)化研究,2020,42(2):265-268.

[5] 楊少奇,張磊,張含思,等.懸掛式深松機(jī)耕深自動(dòng)測(cè)量及控制方法的研究[J].農(nóng)業(yè)與技術(shù),2019,39(24):56-58.

[6] 杜新武,楊緒龍,龐靖,等.懸掛式旋耕機(jī)耕深監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2019,50(8):43-51.