智能農(nóng)機實施的關鍵技術分析

王升海

摘 要：農(nóng)業(yè)機械化生產(chǎn)在我國已基本實現(xiàn)了普及，且相關技術近年來得到了快速進步，農(nóng)機使用的結構也由中小型農(nóng)機逐漸向大型高效率農(nóng)機轉變，這在一定程度上為農(nóng)業(yè)機械向智能化發(fā)展創(chuàng)造了便利條件。通過分析智能農(nóng)機在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應用優(yōu)勢，說明了智能農(nóng)機實施過程所依托的關鍵技術，并對現(xiàn)階段智能農(nóng)機的應用情況進行了總結。

關鍵詞：智能農(nóng)機;關鍵技術;研究現(xiàn)狀

中圖分類號：S22??????? 文獻標識碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2020.09.012

0 引言

隨著社會科技整體的進步，很多行業(yè)的運營都從自動化開始向智能化轉型，農(nóng)業(yè)作為我國的主要產(chǎn)業(yè)之一，也逐漸向智慧農(nóng)業(yè)方向進步。農(nóng)業(yè)機械作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的實施者，傳統(tǒng)的農(nóng)機化作業(yè)自動化程度不高，對駕駛員的依賴很大，隨著自動化技術和智能化技術的普及，智能農(nóng)機的研究取得了顯著成效，很多技術已經(jīng)成型并開始應用于機械化生產(chǎn)中。近年來，國家重視農(nóng)業(yè)機械化和農(nóng)機裝備產(chǎn)業(yè)轉型升級，強調(diào)要加強物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、移動互聯(lián)網(wǎng)、智能控制、衛(wèi)星定位等先進技術在農(nóng)機裝備上的應用，智能農(nóng)機的發(fā)展既符合行業(yè)發(fā)展趨勢，也順應了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的實際需求，將能在未來的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中創(chuàng)造巨大的效益。

1 智能農(nóng)機的應用優(yōu)勢

智能農(nóng)機是多學科融合的產(chǎn)物，其以機械技術為主體，結合了計算機技術、網(wǎng)絡技術、通信技術、傳感器技術、監(jiān)測技術等眾多先進科技，其應用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有諸多的優(yōu)勢。

（1）提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的精細化程度。智能農(nóng)機由于通過計算機系統(tǒng)控制農(nóng)業(yè)機械進行作業(yè)，其在實際作業(yè)中有效避免了傳統(tǒng)人工駕駛和操作產(chǎn)生的失誤和誤差，使翻耕、播種、施肥、植保、收獲等各個生產(chǎn)過程都精確實施，有效保證了不同工序機具之間的配合度。

（2）減少了人力勞動的工作負擔。由于自動控制系統(tǒng)的引入，農(nóng)機作業(yè)過程基本不需要人工進行干預，農(nóng)民的工作多在農(nóng)機管理方面，這顯著改善了傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)勞作模式，且提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，智能農(nóng)機化技術將會使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的人力需求減少75%～90%。

（3）提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的安全性和農(nóng)機使用壽命。多種傳感器技術和監(jiān)測技術的應用使農(nóng)機具關鍵功能位置的運行狀態(tài)能夠實時被感知，方便將獲取的數(shù)據(jù)進行傳遞并由處理器適時調(diào)整，對于故障問題能實現(xiàn)及時警報，自主停機，有效減少農(nóng)機故障率和零部件損壞，并延長農(nóng)機具的使用壽命。

（4）減少農(nóng)機數(shù)量與作業(yè)次數(shù)。智能農(nóng)機將實現(xiàn)傳統(tǒng)農(nóng)機功能的進一步整合，使農(nóng)機在作業(yè)時能夠一次性完成更多的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)任務，這使農(nóng)民不需要購置過多的農(nóng)機就能完成全部的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，不僅提高了勞動生產(chǎn)效率，更降低了農(nóng)機購置和使用成本。

2 智能農(nóng)機關鍵技術

智能農(nóng)機技術主要是在傳統(tǒng)農(nóng)機基礎上加設環(huán)境感知系統(tǒng)、自身檢測系統(tǒng)、農(nóng)機控制系統(tǒng)、農(nóng)機功能實施系統(tǒng)，使農(nóng)機達到智能行駛、智能作業(yè)、智能故障檢測等多種技術要求，智能農(nóng)機功能系統(tǒng)如圖所示。

2.1 智能環(huán)境感知技術

智能農(nóng)機對環(huán)境的感知主要通過三方面來實現(xiàn)，分別為衛(wèi)星定位技術、雷達技術、視覺識別技術。其中衛(wèi)星定位技術主要用于農(nóng)業(yè)機械的導航使用，由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中環(huán)境因素復雜，很容易受到周圍環(huán)境的影響，導致衛(wèi)星定位存在一定的偏差，或是在精準作業(yè)過程中衛(wèi)星定位所能實現(xiàn)的誤差值不能滿足農(nóng)業(yè)作業(yè)導航需求時，可通過激光雷達、視覺識別等輔助技術實現(xiàn)對農(nóng)機行駛及方案實施的復合導航。近年來，視覺導航技術在智能農(nóng)機研究與應用中使用逐漸增多，其不僅能夠實現(xiàn)對農(nóng)機行駛、導航的輔助，還能夠用于識別目標作物、獲取農(nóng)田信息、躲避障礙物等。通過視覺技術與雷達技術相配合，能有效獲取機具與周圍環(huán)境的距離、行駛方向、行駛速度等關鍵信息，并保證使農(nóng)機的智能作業(yè)達到厘米精度。

2.2 工作狀態(tài)檢測技術

農(nóng)機的工作狀態(tài)獲取對保障農(nóng)機的正常作業(yè)具有重要意義，在智能農(nóng)機設計過程中，需要對各個關鍵部件的運行狀態(tài)實現(xiàn)實時的撐握，這就需要在農(nóng)業(yè)機械的關鍵作業(yè)位置布置多種功能的傳感器原件，用以檢測工作過程中部件溫度、壓力、振動、噪音、轉速等眾多數(shù)據(jù)。并將獲得的數(shù)據(jù)通過通信系統(tǒng)傳遞給控制器，由控制器進行數(shù)據(jù)分析后，判斷農(nóng)業(yè)機械的運行是否正?！，F(xiàn)階段應用較多的檢測傳感器包括光線傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器等。

2.3 智能農(nóng)機的控制技術

智能農(nóng)機的控制技術主要由中央控制器來完成，其多采用專用的計算機芯片，要求控制器具有良好的可靠性、擴展性與兼容性，能夠對環(huán)境感知和故障檢測所獲取的數(shù)據(jù)進行快速地分析與處理。并通過USB、DVI、以太網(wǎng)口等多種接口實現(xiàn)便捷的數(shù)據(jù)傳輸，為實現(xiàn)智能農(nóng)機數(shù)據(jù)處理的高效率，新形式的智能農(nóng)機很多采用雙控制器的設計，其主控制器用于處理和分析所獲得的數(shù)據(jù)，輔助控制器主要用于接收數(shù)據(jù)、程序調(diào)試和功能擴展，以實現(xiàn)系統(tǒng)控制的高性能要求。

2.4 農(nóng)機功能實施技術

現(xiàn)階段，智能農(nóng)機的主要功能研究在于智能駕駛、機具智能作業(yè)兩大方面，針對于智能駕駛主要包括電動助力轉向系統(tǒng)與環(huán)境感知技術相配合，很多農(nóng)機在傳統(tǒng)的機械控制方式上對結構進行一定的改進，即可通過控制電機實現(xiàn)對農(nóng)機行駛狀態(tài)的控制，也有很多研究機構致力于新的控制功能結構研究，逐漸簡化了傳統(tǒng)的人工駕駛結構，使機具只具備自動駕駛和遙控駕駛的兩大功能。對于機具智能作業(yè)方面而言，主要依靠機電一體化技術與智能控制技術相配合，在現(xiàn)階段成熟機型的基礎上增加眾多的檢測與輔助結構，能夠實現(xiàn)對耕地、播種、植保、收獲等作業(yè)過程的質(zhì)量監(jiān)測與機具狀態(tài)監(jiān)測，有效保證智能農(nóng)機功能的實施。

3 智能農(nóng)機技術研究現(xiàn)狀

現(xiàn)階段我國的智能農(nóng)機研究基本上實現(xiàn)了信息技術與智能傳感檢測技術的良好匹配，這為我國農(nóng)機技術由自動化向智能化轉變奠定了基礎，但由于我國農(nóng)機使用條件限制，在現(xiàn)在的農(nóng)機生產(chǎn)中，大型農(nóng)機行進機械應用占比較少，在一定程度上阻礙和農(nóng)機行進技術的應用與試驗。目前，智能化技術只是部分的應用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)之中，例如，農(nóng)田信息的采集、農(nóng)業(yè)機械作業(yè)過程的定位等，在傳統(tǒng)農(nóng)機智能化功能方面，也基本上實現(xiàn)了對耕地、播種、灌溉、植保、收獲等環(huán)節(jié)的智能化控制，很多農(nóng)機具上安裝了行進的傳感器與智能化系統(tǒng)，使現(xiàn)階段農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的農(nóng)機具具備了智能化特點。

在此基礎上，我國智能農(nóng)機現(xiàn)階段仍存在一定的發(fā)展困境，首先是關鍵技術缺失，例如：數(shù)據(jù)精準采集、視覺目標算法、組合式導航匹配等技術的研究仍需加強。同時，由于智能農(nóng)機的研發(fā)，不僅僅需要傳統(tǒng)的農(nóng)機人員，還需要更多其它學科的專業(yè)人才加入，而現(xiàn)階段具備相關科研實力及合理人員結構的團隊仍比較少，導致智能農(nóng)機化的相關技術和總體發(fā)展速度相對緩慢。

3 結語

智能農(nóng)機技術作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力向更科學方向轉型的關鍵技術，應當受到農(nóng)機工作者和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營者的足夠重視。智能農(nóng)機的應用不僅能夠顯著提高勞動生產(chǎn)效率，也在根本上改變了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的運營形式，對于智能農(nóng)機而言，其要實現(xiàn)實質(zhì)性的發(fā)展，必須要依托于高度自動化的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式。這也要求我國政府和基層管理部門加快生產(chǎn)經(jīng)營模式改革，促進我國農(nóng)業(yè)向集約化和規(guī)?；l(fā)展，以保證智能農(nóng)機裝備在研究和應用的過程中具有更廣闊的空間。

參考文獻：

[1] 劉金龍， 陸祥， 陸康. 農(nóng)機智能化及發(fā)展趨勢[J]. 科技與創(chuàng)新， 2017， 59（7）：123-124.

[2] 董勝，袁朝輝，谷超，等.基于多學科技術融合的智能農(nóng)機控制平臺研究綜述[J].農(nóng)業(yè)工程學報， 2017（8）：1-11.

[3] 鄧進利. 智能農(nóng)機助力智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展[J]. 農(nóng)村新技術， 2017（12）：4-7.

[4] 朱衛(wèi)剛. 基于CAN總線的智能農(nóng)機控制系統(tǒng)框架與容錯控制研究[D].南京：東南大學，2018.

[5] 林乙蘅. 基于多源信息融合的智能農(nóng)機路徑規(guī)劃和路徑跟蹤研究[D].南京：東南大學，2018.

[6] 岳耀虎. 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機械中智能化技術的應用與研究[J]. 南方農(nóng)機， 2018， 49（5）：5.