智能監(jiān)測技術(shù)在農(nóng)業(yè)機械化生產(chǎn)中的應(yīng)用及關(guān)鍵技術(shù)

譚增鑫

(黑龍江省農(nóng)業(yè)機械工程科學(xué)研究院,哈爾濱 150081)

0 引言

近年來,我國的農(nóng)業(yè)機械化生產(chǎn)模式日趨合理,所應(yīng)用的農(nóng)業(yè)機械產(chǎn)品在種類豐富程度,技術(shù)先進性、可靠性等方面進步明顯,很多國產(chǎn)機型不僅具備良好的機械性能,而且自動化程度顯著提升,機電一體化技術(shù)在農(nóng)業(yè)機械中得到了廣泛應(yīng)用。在實現(xiàn)農(nóng)業(yè)機械功能控制的同時,加強農(nóng)業(yè)機械工作狀態(tài)、工作性能、位姿準確性的監(jiān)測是農(nóng)業(yè)機械向精確化、精準化發(fā)展的關(guān)鍵。從國際農(nóng)機發(fā)展的趨勢來看,智能監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用于拖拉機、收獲機、播種機、谷物烘干機等農(nóng)機設(shè)備能更好保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的規(guī)范合理實施,并有利于獲得農(nóng)機使用和運轉(zhuǎn)過程的一系列數(shù)據(jù),對于預(yù)防農(nóng)機故障、優(yōu)化農(nóng)機結(jié)構(gòu)、提高整機性能具有積極的促進作用。

1 智能監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用價值

整體上看,我國的農(nóng)業(yè)機械技術(shù)在快速發(fā)展的同時,農(nóng)業(yè)機械整體的智能化程度仍相對偏低,農(nóng)業(yè)機械粗放型特征明顯,且生產(chǎn)過程的平均故障率偏高,一旦發(fā)生故障,故障的嚴重性和維修周期偏長,導(dǎo)致農(nóng)機實際利用率降低。智能監(jiān)測技術(shù)在農(nóng)業(yè)機械中的應(yīng)用,能充分利用衛(wèi)星定位、傳感器、遙感技術(shù)與數(shù)據(jù)處理等技術(shù)相結(jié)合,對農(nóng)業(yè)機械的作業(yè)位置、工作狀態(tài)、性能發(fā)揮等進行實時監(jiān)測,并獲取農(nóng)機作業(yè)的關(guān)鍵參數(shù),用于對農(nóng)業(yè)機械的優(yōu)化控制。

1.1 提高農(nóng)業(yè)機械作業(yè)精確性

智能監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用能實現(xiàn)控制系統(tǒng)對農(nóng)機動作執(zhí)行質(zhì)量的監(jiān)管,能掌握農(nóng)機的控制指令是否達到預(yù)期的控制目標。如監(jiān)測農(nóng)業(yè)機械的耕作深度、收獲速度、行駛線路、播種量、噴藥量、施肥量、灌溉量等,并進行作業(yè)質(zhì)量的計算及判斷,對作業(yè)質(zhì)量不佳的現(xiàn)象進行及時修正,有效提高作業(yè)的合理性,并減少生產(chǎn)過程的資源浪費與環(huán)境污染。同時,利用智能監(jiān)測技術(shù)與農(nóng)業(yè)處方圖技術(shù)相結(jié)合,能實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的機械化變量作業(yè),根據(jù)農(nóng)田不同區(qū)域的植株特征、土壤養(yǎng)分、病蟲害程度等精確實施變量灌溉、變量施肥、變量噴藥,促進機械化生產(chǎn)向合理化發(fā)展[1]。

1.2 有利于預(yù)防農(nóng)業(yè)機械的故障

智能監(jiān)測技術(shù)融合了自動控制領(lǐng)域的傳感器技術(shù),能利用多種傳感器進行農(nóng)機運行狀態(tài)的監(jiān)測,如利用溫度傳感器監(jiān)測變速箱溫度,當(dāng)溫度過高說明潤滑油不足或變質(zhì),或存在機械故障;或利用振動傳感器監(jiān)測發(fā)動機運轉(zhuǎn)狀態(tài),當(dāng)振動幅度過大或頻率異常,均表示發(fā)動機存在故障,需進行及時維修。在農(nóng)業(yè)機械的關(guān)鍵部件和易損部件處安裝相應(yīng)功能的傳感器,能及時準確獲取農(nóng)機工況信息,有效預(yù)防農(nóng)機故障,避免小故障擴大化,有利于降低故障損失,并提高農(nóng)機利用率[2]。

1.3 能改善駕駛和調(diào)整檢查的過程

智能監(jiān)測技術(shù)能將農(nóng)機行駛過程的各項數(shù)據(jù)信息及時反饋給農(nóng)機駕駛員,駕駛員在駕駛農(nóng)機過程通過數(shù)字屏幕獲取農(nóng)業(yè)機械行駛路線、行駛速度、牽引力狀態(tài)等信息,通過輔助駕駛改善駕駛操作體驗。同時,監(jiān)測功能所提供的位姿數(shù)據(jù)、農(nóng)機性能參數(shù)數(shù)據(jù)有效替代了傳統(tǒng)駕駛員對農(nóng)機檢查項目,對農(nóng)機的作業(yè)高度、角度、位置等調(diào)整也有明確的參數(shù)顯示,能有效提高調(diào)整檢查的效率與精確性。

1.4 能實現(xiàn)作業(yè)數(shù)據(jù)的記錄和利用

智能監(jiān)測技術(shù)能獲取大量的農(nóng)機化生產(chǎn)數(shù)據(jù)信息,這些數(shù)據(jù)通過系統(tǒng)自動記錄,與傳統(tǒng)的人工記錄相比,在數(shù)據(jù)豐富性、全面性、準確性等方面優(yōu)勢明顯。所獲取的數(shù)據(jù)信息具有很高的價值,能應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機械管理、適用性分析、農(nóng)機產(chǎn)品升級等方面,有利于農(nóng)業(yè)機械技術(shù)的發(fā)展[3]。

2 農(nóng)機智能監(jiān)測技術(shù)組成

2.1 衛(wèi)星定位技術(shù)

隨著農(nóng)機技術(shù)的快速升級,衛(wèi)星定位技術(shù)已經(jīng)與現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)機械實現(xiàn)了廣泛融合,能為農(nóng)業(yè)機械的作業(yè)提供位置、導(dǎo)航、監(jiān)測等多種功能。衛(wèi)星定位技術(shù)主要利用衛(wèi)星系統(tǒng)對地表的某一位置的農(nóng)業(yè)機械設(shè)備進行實時定位,能實現(xiàn)在任意時刻、任意位置都能利用4顆以上的衛(wèi)星進行精確定位,并利用導(dǎo)航技術(shù)使農(nóng)業(yè)機械沿著合理的路線行駛,尤其在我國自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(COMPASS)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)后為自主農(nóng)機產(chǎn)品提供全天候、高精度的衛(wèi)星服務(wù)。并結(jié)合差分基站降低田間行駛和作業(yè)的定位誤差,提高衛(wèi)星數(shù)據(jù)收發(fā)的效率,降低時間延遲,使農(nóng)業(yè)機械田間作業(yè)過程獲取良好的位置監(jiān)測數(shù)據(jù)。

2.2 傳感器技術(shù)

傳感器技術(shù)是農(nóng)業(yè)機械感知外部生產(chǎn)環(huán)境及內(nèi)部機械運轉(zhuǎn)狀態(tài)的關(guān)鍵技術(shù),利用傳感器技術(shù)能實現(xiàn)對農(nóng)機作業(yè)環(huán)境、農(nóng)機工況、重要部件運行數(shù)據(jù)等的實施監(jiān)測,能針對某一固定的物理量實現(xiàn)精準測量,并將獲得的農(nóng)機相關(guān)數(shù)據(jù)以電信號的形式進行傳輸。用于農(nóng)機智能監(jiān)測的傳感器種類繁多,總體上看在農(nóng)機中應(yīng)用較多的傳感器種類包括轉(zhuǎn)速傳感器、扭矩傳感器、位置傳感器、角度傳感器、計數(shù)傳感器、稱重傳感器等。將功能各異的傳感器與農(nóng)業(yè)機械的結(jié)構(gòu)原理相結(jié)合進行應(yīng)用,能實時且精確的獲取農(nóng)業(yè)機械的內(nèi)外部數(shù)據(jù)信息,實現(xiàn)對農(nóng)機作業(yè)質(zhì)量及作業(yè)狀態(tài)的精準管控[4]。

2.3 數(shù)據(jù)處理技術(shù)

隨著農(nóng)機自動化程度的持續(xù)提升,衛(wèi)星定位、傳感器、視覺設(shè)備等大量應(yīng)用于農(nóng)機產(chǎn)品之中,使農(nóng)業(yè)機械具備了典型的數(shù)字化控制特征,為保證控制過程的準確性與高效性,必須要合理應(yīng)用數(shù)據(jù)處理技術(shù)。一方面,大量實時獲取的數(shù)據(jù)種類繁多且形式各異,如何在數(shù)據(jù)采集、存儲、檢索等過程中使雜亂無章的數(shù)據(jù)成為高價值、可利用的數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)處理技術(shù)主要解決的問題;另一方面,數(shù)據(jù)處理的效率與質(zhì)量對于農(nóng)機性能將產(chǎn)生直接影響,數(shù)據(jù)處理通常需要經(jīng)過采集→轉(zhuǎn)換→分組→計算→判斷→存儲等一系列過程,如何在最短的時間內(nèi)處理最高效的數(shù)據(jù),進而實現(xiàn)對農(nóng)機化生產(chǎn)過程的高效率控制與決策是農(nóng)機信息化發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。

2.4 遠程管控平臺技術(shù)

針對農(nóng)機監(jiān)管過程和監(jiān)管數(shù)據(jù)的管理是農(nóng)業(yè)機械化生產(chǎn)合理開展的重要保證。遠程管控平臺是人機交互的重要窗口,其主要借助無線通訊技術(shù)、5G網(wǎng)絡(luò)、局域網(wǎng)傳輸實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸,并能利用LAN、WLAN、WAN等網(wǎng)絡(luò)方式,或通過有線網(wǎng)絡(luò)傳輸實現(xiàn)在遠距離對農(nóng)機智能監(jiān)測數(shù)據(jù)的獲取與利用。通過信息技術(shù)遠程獲取農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的實時數(shù)據(jù)及歷史數(shù)據(jù)信息,并輔助決策農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方案及后續(xù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)流程的實施。同時,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營都能通過遠程管控平臺對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程實施管理,并及時了解生產(chǎn)進度、農(nóng)機狀態(tài)等信息,有針對性的進行方案調(diào)整,促進生產(chǎn)實施最優(yōu)化[5]。

3 關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用形式

3.1 農(nóng)機的行駛監(jiān)測

在現(xiàn)代化的農(nóng)機產(chǎn)品中,廣泛應(yīng)用了智慧導(dǎo)航系統(tǒng)輔助農(nóng)機進行作業(yè),尤其以先進的大馬力拖拉機為代表,其利用衛(wèi)星定位技術(shù)監(jiān)測農(nóng)機行駛的路線、精確位置、速度。圖1所示為北斗麥普農(nóng)機自動駕駛系統(tǒng)監(jiān)測與人機交互界面,該系統(tǒng)主要包括車載GPS接收機及天線、液壓控制器、顯示屏、差分基站等硬件及檢測控制軟件系統(tǒng),將其應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機械作業(yè)監(jiān)測,能完成對農(nóng)機行駛路線的導(dǎo)航和行駛準確性的監(jiān)測,有效提高作業(yè)精度和作業(yè)質(zhì)量。

圖1 北斗麥普農(nóng)機自動駕駛系統(tǒng)

3.2 播種機播量監(jiān)測

隨著高速精量播種機技術(shù)普及,精量播種機中應(yīng)用的電控監(jiān)測技術(shù)也越來越多,主要的監(jiān)測類型集中于播種量監(jiān)測,并對工況異常進行及時精確預(yù)警。目前來看,歐美國家的播種機監(jiān)測技術(shù)與電氣化程度發(fā)展較好,例如,美國研究的快速測量播種機排種間距的光電傳感器系統(tǒng)、德國DLG農(nóng)業(yè)中心相繼研究并推廣的播種機光電監(jiān)測系統(tǒng)、日本的Inoti IK研制的電子控制的氣力式精密播種機等,對于引領(lǐng)播種機的電氣化發(fā)展具有積極引導(dǎo)作用。我國近年來的播種機技術(shù)發(fā)展迅速,播種機的配套電子設(shè)備日漸豐富,如圖2所示為我國保定聯(lián)宇公司生產(chǎn)的LY系列播種機智能電子監(jiān)測系統(tǒng),能在合理設(shè)置株距、行距、周長、肥料技術(shù)等參數(shù)的基礎(chǔ)上對播種粒數(shù)、單行粒數(shù)、播種面積、肥料重量等進行監(jiān)測,高效且精確的獲取播種信息,提高對播種的監(jiān)管并降低故障率。

圖2 LY系列播種機智能電子監(jiān)測系統(tǒng)

3.3 植保機噴霧量監(jiān)測

農(nóng)藥噴施量直接影響農(nóng)業(yè)產(chǎn)量和食品安全,不合理的農(nóng)藥噴施還會影響生產(chǎn)人員人身健康或造成農(nóng)田周邊的環(huán)境污染。優(yōu)化農(nóng)藥噴施技術(shù)是植保機械領(lǐng)域的重點研究和開發(fā)任務(wù),變量噴藥與精確噴施已成為植保機械的發(fā)展趨勢。噴霧量監(jiān)測是實現(xiàn)植保機械噴霧量控制的關(guān)鍵,因此,在現(xiàn)代化的精量噴藥設(shè)備上,常利用流量監(jiān)測傳感器配合藥液箱稱重傳感器監(jiān)測實時噴霧量和單位面積噴霧量。以便利用獲取的數(shù)據(jù)調(diào)整和控制管路中的壓力和PWM脈寬調(diào)制變量噴頭等關(guān)鍵工作參數(shù),實現(xiàn)精確變量噴施。

3.4 谷物烘干溫度及含水率監(jiān)測

大型谷物烘干設(shè)備的自動化程度很高,在糧食烘干的過程中,必須對烘干機各個區(qū)域的熱風(fēng)溫度、谷物濕度、谷物溫度進行分別測量,以實現(xiàn)最合理的谷物烘干質(zhì)量。如圖3所示為中聯(lián)谷王DC220橫流式谷物烘干機,其配套有進口高精度在線谷物水分儀,先進的高精度溫濕度測控傳感器,能實現(xiàn)對谷物烘干過程的全程監(jiān)控,具有良好的穩(wěn)定性及可靠性。

圖3 中聯(lián)谷王DC220橫流式谷物烘干機

4 結(jié)語

綜上所述,智能監(jiān)測技術(shù)在農(nóng)業(yè)機械化生產(chǎn)中能發(fā)揮重要的作用,不僅能提高農(nóng)業(yè)機械的作業(yè)精度和準確性,而且在作業(yè)可靠性、自動化等方面具有良好的促進作用。從我國農(nóng)機產(chǎn)業(yè)發(fā)展來看,相對于其他行業(yè)在電氣化方面的進步相對較慢,先進的衛(wèi)星定位、傳感器等技術(shù)應(yīng)用相對不足,未來應(yīng)持續(xù)加強農(nóng)業(yè)機械技術(shù)與智能監(jiān)測技術(shù)的融合,促進農(nóng)業(yè)機械向自動化和智能化發(fā)展,為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的高效率實施提供助力。