基于機電一體化技術的精準農業(yè)機械應用研究

李祝慶

(湖南化工職業(yè)技術學院,湖南 株洲 412300)

0 引言

隨著電子信息和相關行業(yè)的快速發(fā)展,機電一體化技術已經在各個行業(yè)得到了廣泛應用,極大地提高了我國制造業(yè)的生產率和標準化程度。近年來,基于國家相關政策的不斷支持,農業(yè)生產作業(yè)過程中也逐漸與機電一體化技術相融合,在傳統(tǒng)的農業(yè)機械產品上,通過電子技術、控制技術對其改進,簡化了農業(yè)生產的作業(yè)流程,提高了農業(yè)機械的作業(yè)效率,同時,使農業(yè)機械的自動化、標準化水平得到明顯提升,從而促進了農業(yè)機械化的高質量發(fā)展[1]。

1 機電一體化技術

1.1 概述

隨著半導體技術的發(fā)展,1960—1970年間逐漸形成了機電一體化技術(Mechatronics),該技術是機械工程、電子信息工程、軟件工程和控制工程等多學科交叉融合而成的一門新技術。這項技術的核心意義在于將電子信息技術與機械產品設計融為一體,以提升機械設計產品的自動化水平和工作效能,從而提高機械設備的實際運行性能。

1.2 技術特點

通過在傳統(tǒng)機械產品上增加電子控制和執(zhí)行元器件,實現(xiàn)對機械產品功能的靈活控制,使得原本單一功能的機械設計產品具備更廣泛的用途。在一個完整的機械技術產品中,機械結構仍然是其核心部件,機電一體化技術主要用于對原有機械結構的進一步精確控制和操作優(yōu)化。為實現(xiàn)農業(yè)機械裝備與機電一體化技術的有機結合,需對傳統(tǒng)農業(yè)機械結構進行改進,提高精準農業(yè)機械與微電子技術、控制系統(tǒng)等電子信息技術的適配性[2]。

2 機電一體化技術對精準農機的影響

多種電子信息技術相互交叉、滲透最終形成現(xiàn)代機電一體化技術。與傳統(tǒng)的農業(yè)機械結構相比,機電一體化技術利用其自身電子信息技術的優(yōu)勢,對機械結構上的關鍵部件實時監(jiān)測并控制,使其發(fā)揮出農業(yè)機械的最大作業(yè)性能,對未來農業(yè)機械的發(fā)展規(guī)律產生較大影響。

2.1 提高精準農機農作物生產能力

機電一體化技術與精準農業(yè)機械相融合,保證了農業(yè)機械在農業(yè)生產作業(yè)中對作業(yè)信息和參數(shù)的有效采集,機械控制能力也有所提高,提升了運行效率,進一步使得農業(yè)機械能夠更好地執(zhí)行生產計劃,間接提高農作物產量。

2.2 改善精準農機作業(yè)方式

機電一體化技術的應用能夠有效降低農業(yè)機械作業(yè)的復雜程度。相較于傳統(tǒng)農業(yè)機械,其機械結構運行和傳動較為復雜,對駕駛員技術要求較高。為了更好地滿足駕駛員的作業(yè)需求,精準農業(yè)機械通過機電一體化技術優(yōu)勢,利用傳感器和處理器的信息處理能力,自動運行設定的作業(yè)步驟,還可根據(jù)實際作業(yè)條件與設定模型相比對,簡化駕駛人員的處理時間,極大減輕了駕駛人員的勞動強度,降低農業(yè)機械操作難度,改善駕駛人員工作環(huán)境。

3 機電一體化技術在精準農機領域研究現(xiàn)狀

3.1 提升作業(yè)性能方面

利用機電一體化技術,對精準農業(yè)機械進行升級改造,主要是通過電子控制裝置帶動機械運動應用到農業(yè)機械中,以達到對農機精準控制的目的,提高農機作業(yè)效率和作業(yè)品質。以旱田、水田平整地作業(yè)為例,傳統(tǒng)的農業(yè)平整機械在工作時,受到惡劣地表條件的影響,需要多次作業(yè)才能使田塊地表相對平整。然而,結合姿態(tài)傳感器監(jiān)測技術、電控液壓技術和控制技術,在農用平整機具上安裝自動調平控制裝置,僅需單次作業(yè)即可達到符合農藝標準的地表平整度,實現(xiàn)高標準、高效率的田間作業(yè)。

通過衛(wèi)星定位技術、視覺識別技術以及自動駕駛技術等手段,實現(xiàn)了農業(yè)機械在復雜作業(yè)環(huán)境下的精準控制,極大地解放了勞動生產力,同時也提升了作業(yè)質量。以上海司南衛(wèi)星導航技術股份有限公司研發(fā)的基于電機方向盤的北斗高精度農機自動駕駛系統(tǒng)為例,AG360-GNSS農機自動導航駕駛系統(tǒng)綜合了GNSS北斗衛(wèi)星導航技術和電控液壓轉向技術,如圖1所示,能夠在車速3～8 km/h的作業(yè)條件下,確保拖拉機的橫向偏差不大于±3 cm。這一創(chuàng)新性系統(tǒng)充分體現(xiàn)了衛(wèi)星導航、電控技術的結合,為提高農業(yè)機械作業(yè)效率和質量提供了可行的解決方案[3]。

圖1 AG360-GNSS農機自動導航駕駛系統(tǒng)組成示意圖

通過利用傳感器技術和機械電子控制技術等手段,對精準農業(yè)機械的施肥和噴藥裝置進行改造。借助傳感器模塊實時監(jiān)測田間各地塊的地質和作物狀況,以精確控制農機具的施肥和噴藥量。同時,將執(zhí)行模塊與農機具的行駛速度相耦合,進一步提高中耕植保過程的作業(yè)質量。例如高速精量播種機,如圖2所示,在播種機作業(yè)過程中,種子和肥料經過多次碾壓,被均勻地播種在土壤中,有效減少了種子和肥料的浪費[4]。

圖2 約翰迪爾1590型高速精量播種機

3.2 提高操作便捷性和作業(yè)可靠性方面

融入機電一體化技術到農業(yè)機械中,能顯著提高農業(yè)機械操作的可靠性。首先,在農業(yè)機械和農機具的關鍵部件上安裝多個傳感器,保證駕駛員實時掌握農業(yè)機械作業(yè)狀態(tài)。在農業(yè)機械的作業(yè)過程中,一旦出現(xiàn)機械故障或某些異常狀態(tài),傳感器能夠實時獲取各部件的數(shù)據(jù)信息。這些詳細的狀態(tài)和數(shù)據(jù)信息可以在農業(yè)駕駛室內或其他顯示終端上顯示,提醒農業(yè)機械操作人員關注異常狀態(tài),并及時解決各類事故隱患。例如,隨著現(xiàn)代新型拖拉機在農機具上的廣泛應用,現(xiàn)代化的拖拉機駕駛室裝配有機械作業(yè)實時狀態(tài)顯示設備,能夠隨時幫助駕駛人員掌握機械當前的工作狀態(tài),如圖3所示,Valtra G系列拖拉機可視化操作系統(tǒng)。

圖3 Valtra G系列拖拉機可視化操作系統(tǒng)

通過在農業(yè)機械上安裝攝像頭、傳感器、稱重器等裝置,駕駛員可以使用手機、電腦等工具隨時查看農業(yè)機械和農機具關鍵工作部件的實時作業(yè)情況,極大提高了農業(yè)機械駕駛人員的操作便利性和作業(yè)可靠性。以上海交通大學與世達爾現(xiàn)代農機公司合作研制的基于Android的農機導航管理系統(tǒng)為例,該系統(tǒng)可以對農業(yè)機械的運行參數(shù)、田間地理位置等進行實時顯示,還可對導航和運行狀況進行實時分析[5]。

在農機上應用輔助控制系統(tǒng),能協(xié)助駕駛員正確操作農業(yè)機械,防止操作不當、超速、超載等情況發(fā)生,降低作業(yè)時對機械本身造成的損傷[6]。輔助控制系統(tǒng)是指利用安裝在拖拉機、聯(lián)合收割機等農業(yè)機械上的傳感器,收集運行數(shù)據(jù),并結合預設算法對這些數(shù)據(jù)進行實時處理,從而提供輔助駕駛提示[7]。在司機操作不當?shù)那闆r下,該系統(tǒng)能夠通過發(fā)出聲音、燈光等警告,提醒司機及時采取正確的操作。這一輔助控制系統(tǒng)的引入有助于提升駕駛員操作的方便性和安全性,同時減少在操作中對農業(yè)機械造成不必要的損壞。

4 展望

一是需要對農機進行持續(xù)的結構優(yōu)化。設計時應考慮當?shù)剞r業(yè)發(fā)展情況和作業(yè)條件,對農業(yè)機械進行調整和改進。使農機更好地適應當?shù)氐沫h(huán)境條件,提高其綜合性能和適用性,滿足當?shù)剞r業(yè)的發(fā)展需求,縮小不同地區(qū)農業(yè)機械化發(fā)展水平的差距[8-9]。

二是提高農機的智能程度并降低故障率。農業(yè)機械作為農業(yè)生產的關鍵支持,機械故障會直接造成糧食產量下降,對農業(yè)生產造成重大損失。隨著科學技術的發(fā)展,機電一體化技術已經在農機裝備上得到了廣泛的應用,該技術可實現(xiàn)農業(yè)機械故障的實時預警,降低農業(yè)機械的故障率,從而增加農業(yè)機械的生產率,延長農業(yè)機械的使用壽命,以更好地支持農業(yè)生產[10]。

三是提高農機具的整體性能,使其操作更加簡單。機電一體化技術是一種將電子信息技術與機電設備結合起來的自動化控制系統(tǒng),它利用計算機技術、傳感器技術、微處理機、集成電路以及微機電系統(tǒng)等先進的電子信息技術,來實現(xiàn)對農業(yè)機械的控制和管理[11]。與傳統(tǒng)的農業(yè)機械相比,該系統(tǒng)具有結構簡單、功能強大、集成化程度高等特點,能夠將農業(yè)機械的各個環(huán)節(jié)進行有效整合,在一定程度上解決傳統(tǒng)農業(yè)機械存在的問題。電子信息技術在機電一體化系統(tǒng)中的應用,有效提高農業(yè)機械的綜合性能,給農業(yè)機械的運行和后期維護帶來了積極影響。

5 結語

本文主要針對基于機電一體化的精準農業(yè)技術裝備進行了詳細的調查研究,列舉了大量的應用案例,并分析其各項性能參數(shù)及主要工作原理。同時,結合我國農業(yè)生產的整體發(fā)展趨勢,對機電一體化技術在精準農業(yè)機械領域的應用進行展望,為精準農業(yè)機械領域的機電一體化發(fā)展提供了一定的參考。