農(nóng)業(yè)機(jī)械智能化升級(jí)的研究

泰山智能制造產(chǎn)業(yè)研究院 趙文峰 吳乃剛 孫玉娟 郭紅玉 高飛 胡修慧

隨著工業(yè)化的發(fā)展，城鎮(zhèn)化程度的提升，農(nóng)村勞動(dòng)力急劇減少，智慧農(nóng)機(jī)的推行已經(jīng)勢(shì)在必行。智慧農(nóng)機(jī)是智慧農(nóng)業(yè)的重要內(nèi)容，是依托物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算以及現(xiàn)代信息技術(shù)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相融合的產(chǎn)物，是工業(yè)化和信息化結(jié)合的產(chǎn)物，我們可以通過(guò)對(duì)農(nóng)機(jī)裝備工作環(huán)境和工況的智能感知和數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的精準(zhǔn)化管理和可視化運(yùn)行。

我國(guó)素來(lái)重視“三農(nóng)”事業(yè)與農(nóng)村、農(nóng)業(yè)的可持續(xù)快速發(fā)展，裝備制造業(yè)是與農(nóng)業(yè)密切相關(guān)的行業(yè)，國(guó)家為農(nóng)機(jī)工業(yè)提供了持續(xù)走強(qiáng)的政策體系，并實(shí)施穩(wěn)定的財(cái)稅支持，為農(nóng)機(jī)裝備提速發(fā)展提供重要支撐。這一切使得我國(guó)農(nóng)機(jī)工業(yè)的綜合實(shí)力得以快速提升。農(nóng)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新的標(biāo)志性事件發(fā)生在1975 年，雜交水稻成功培育。智能的力量，給中國(guó)農(nóng)業(yè)裝上了加速器。人們可以利用衛(wèi)星遙感技術(shù)判斷殺蟲劑量，通過(guò)圖像識(shí)別輔助分揀水果，通過(guò)機(jī)械化自動(dòng)灌溉施肥等，而隨著人工智能技術(shù)的加持，農(nóng)業(yè)變得規(guī)?；?、智能化、集約化、精細(xì)化，越來(lái)越多的互聯(lián)網(wǎng)巨頭在為農(nóng)村市場(chǎng)賦能。

現(xiàn)有的智能農(nóng)機(jī)多集中在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、遠(yuǎn)程控制和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)上，本文主要闡述了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)各項(xiàng)參數(shù)的監(jiān)測(cè)與控制以及農(nóng)機(jī)的轉(zhuǎn)向。

1 智能農(nóng)機(jī)概述

智能農(nóng)機(jī)又稱為智慧農(nóng)機(jī)，所謂機(jī)械智能化，就是融數(shù)字化、信息化、自動(dòng)化和智能化于一體，賦予農(nóng)業(yè)勞動(dòng)的舒適性、體面性，同時(shí)也吸引著更多新生勞動(dòng)力從事農(nóng)業(yè)勞動(dòng)。它首先要滿足無(wú)人化或少人化、精準(zhǔn)、可變量操作、自行統(tǒng)計(jì)作業(yè)面積、自行監(jiān)測(cè)播種量或收獲量。

通過(guò)手機(jī)、計(jì)算機(jī)等信息終端向管理者推送實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息、報(bào)警信息，實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)信息化、智能化遠(yuǎn)程管理，充分發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的作用保證農(nóng)機(jī)在實(shí)際工作中的精細(xì)化管理，幫助農(nóng)戶提高效率、降低成本、增加收益。

2 智能農(nóng)機(jī)升級(jí)重點(diǎn)

很多人對(duì)智能化產(chǎn)業(yè)升級(jí)有一定的誤解和局限，絕大部分人的認(rèn)知還是建立在幾個(gè)“機(jī)器人”自主工作的所謂“無(wú)人工廠”上，其實(shí)這只是很表面的一種認(rèn)知，真正的智能化產(chǎn)業(yè)升級(jí)革命必須從制造工藝和自動(dòng)化技術(shù)兩方面來(lái)推進(jìn)。

（1）農(nóng)機(jī)企業(yè)制造工藝流程的優(yōu)化與再造，農(nóng)業(yè)機(jī)械的智能化產(chǎn)業(yè)升級(jí)的難點(diǎn)就在于，對(duì)整個(gè)產(chǎn)品生產(chǎn)流程的優(yōu)化與再造，需要結(jié)合當(dāng)前的技術(shù)先進(jìn)程度，同時(shí)也要參考企業(yè)實(shí)施的成本與周期等。當(dāng)前農(nóng)業(yè)機(jī)械行業(yè)除極個(gè)別產(chǎn)品外還處于低利潤(rùn)狀態(tài)，這就給農(nóng)業(yè)機(jī)械生產(chǎn)企業(yè)智能化升級(jí)帶來(lái)了很大的阻力。

（2）自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用與升級(jí)，生產(chǎn)企業(yè)一旦確定了新的生產(chǎn)工藝流程，就可以結(jié)合當(dāng)前的自動(dòng)化技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化技術(shù)改造，這也是一個(gè)需要平衡技術(shù)與成本的艱難過(guò)程，很多東西的自動(dòng)化改造并不需要建立在那些主流的、高大上的“機(jī)器人”應(yīng)用上，其實(shí)機(jī)器人的應(yīng)用只是自動(dòng)化生產(chǎn)應(yīng)用技術(shù)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，是很小的一個(gè)部分，而其它很多自動(dòng)化功能的實(shí)現(xiàn)是不需要借助“機(jī)器人”來(lái)實(shí)行的，例如我們可以通過(guò)“氣缸+ 運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌”來(lái)驅(qū)動(dòng)一個(gè)動(dòng)作，也可以通過(guò)“連桿+ 導(dǎo)軌+電機(jī)”的形式來(lái)驅(qū)動(dòng)一個(gè)動(dòng)作，或者通過(guò)“齒輪+ 電機(jī)+ 導(dǎo)軌”的形式來(lái)驅(qū)動(dòng)一個(gè)動(dòng)作，也可以通過(guò)“液壓+ 導(dǎo)軌”的形式來(lái)驅(qū)動(dòng)一個(gè)動(dòng)作，這些方式都可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化改造，而且相對(duì)“機(jī)器人”來(lái)說(shuō)，具有成本更低，可靠性更好，維護(hù)更方便，升級(jí)更簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于維護(hù)，這兩個(gè)特點(diǎn)對(duì)于現(xiàn)階段農(nóng)業(yè)機(jī)械智能化升級(jí)才是最重要的。

我們所討論的智能化升級(jí)改造，其實(shí)是對(duì)自動(dòng)化技術(shù)和信息化技術(shù)的一種深度融合的統(tǒng)稱，任何智能化產(chǎn)業(yè)升級(jí)都需要涵蓋自動(dòng)化和信息化兩個(gè)方面，如果脫離了這兩個(gè)方面的內(nèi)容來(lái)談企業(yè)智能化是很片面的。

雖然筆者現(xiàn)在也在主持公司的信息化改造和產(chǎn)業(yè)升級(jí)的工作，但是只能以一個(gè)類似“聯(lián)絡(luò)員”或者“勤務(wù)員”的角色來(lái)參與到這個(gè)工作中來(lái)。

下面筆者將舉例說(shuō)明，如何使用最簡(jiǎn)單同時(shí)可靠性強(qiáng)地完成農(nóng)業(yè)機(jī)械的智能化升級(jí)改造，希望能對(duì)相關(guān)工作人員有所幫助。

3 農(nóng)業(yè)機(jī)械智能化升級(jí)

任何設(shè)備的改進(jìn)都離不開(kāi)其他服務(wù)的對(duì)象，我們以收割機(jī)為例，無(wú)論何種型號(hào)，組成部分都是基本不變的，都是由駕駛室、傳送過(guò)橋、割臺(tái)、喂入裝置、驅(qū)動(dòng)裝置、傳動(dòng)系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)、切碎拋送等系統(tǒng)組成。

對(duì)設(shè)備運(yùn)行而言，最主要的就是操作的穩(wěn)定性和可靠性，以對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)各項(xiàng)運(yùn)行數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)以及轉(zhuǎn)向調(diào)控為例，闡述一下智能農(nóng)機(jī)的優(yōu)勢(shì)。

發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻液溫度會(huì)直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，而機(jī)油量又決定發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命，我們通過(guò)溫度傳感器和機(jī)油壓力傳感器將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)車載CPU 整合后發(fā)送至用戶手中，使用戶可以提前預(yù)判整機(jī)工作情況，同時(shí)，超過(guò)定量，收割機(jī)會(huì)自動(dòng)進(jìn)入低轉(zhuǎn)速保護(hù)狀態(tài)，必要時(shí)會(huì)自動(dòng)熄火。

表1 壓力傳感器參數(shù)測(cè)定

農(nóng)機(jī)用戶普遍要求智能化改造過(guò)程中元件價(jià)格低而且性能可靠，經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)，國(guó)產(chǎn)元器件在性能和穩(wěn)定性上已經(jīng)和進(jìn)口元件不相上下，這將有利于農(nóng)機(jī)的發(fā)展。收割機(jī)在工作時(shí)遇到的另一個(gè)大問(wèn)題就是轉(zhuǎn)向，以往都是駕駛員操作，我們現(xiàn)在需要通過(guò)添加穩(wěn)定可靠的轉(zhuǎn)向裝置，實(shí)現(xiàn)無(wú)人操作自動(dòng)轉(zhuǎn)向?，F(xiàn)階段市面上通用的轉(zhuǎn)向方式有液壓式和方向盤式。

液壓式的原理是通過(guò)電磁液壓閥接收指令直接作用在轉(zhuǎn)向油路上，使收割機(jī)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向控制，它擁有是精度高、對(duì)農(nóng)機(jī)的車況要求不高等優(yōu)點(diǎn)。但是安裝時(shí)需要改變?cè)囉吐?，稍顯繁瑣。方向盤式是利用電磁方向盤替換掉原有的方向盤從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向控制，優(yōu)點(diǎn)是不需要改裝原車油路、安裝便捷，缺點(diǎn)是控制精度會(huì)隨著原設(shè)備轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的磨損而變低。

現(xiàn)在市場(chǎng)上的大多數(shù)轉(zhuǎn)向檢測(cè)應(yīng)用的都是轉(zhuǎn)向角度傳感器,角度傳感器,即,是用來(lái)檢測(cè)角度的。它的身體中有一個(gè)孔，可以配合樂(lè)高的軸。當(dāng)連結(jié)到RCX 上時(shí)，軸每轉(zhuǎn)過(guò)1/16 圈，角度傳感器就會(huì)計(jì)數(shù)一次。盡管機(jī)械結(jié)構(gòu)各不相同，但都是利用電位計(jì)原理通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)的傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛轉(zhuǎn)向角度的測(cè)量。這種類型的角度傳感器安裝后需要大片的場(chǎng)地進(jìn)行對(duì)中校準(zhǔn)。

圖1 角度檢測(cè)電路

磁敏感角度傳感器采用高性能集成磁敏感元件，利用磁信號(hào)感應(yīng)非接觸的特點(diǎn)，配合微處理器進(jìn)行智能化信號(hào)處理制成的新一代角度傳感器。UZZ9000 和磁阻傳感器KMZ41 構(gòu)成的角度檢測(cè)電路，UZZ9000 為線性電壓輸出式角度傳感器調(diào)理電路，輸出電壓與被測(cè)角度型號(hào)成正比。其中磁阻式傳感器KMZ41 內(nèi)部有兩個(gè)磁阻構(gòu)成、位置正交的獨(dú)立的電橋，這樣的構(gòu)造穩(wěn)定性強(qiáng)，經(jīng)過(guò)多次實(shí)踐，非常適合農(nóng)業(yè)機(jī)械在大田作業(yè)時(shí)比較差的環(huán)境。

圖2 KMZ41 內(nèi)部結(jié)構(gòu)

4 農(nóng)機(jī)智能化遇到的問(wèn)題

我國(guó)現(xiàn)在是農(nóng)機(jī)第一生產(chǎn)和使用大國(guó)，但是與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我們?cè)谵r(nóng)機(jī)智能化發(fā)展的研發(fā)能力、制造水平、產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率等方面都有較大差距。核心技術(shù)的缺乏、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不合理、制造技術(shù)能力低、農(nóng)藝農(nóng)機(jī)融合與全程機(jī)械化配置性差等多種問(wèn)題一直困擾著我們。

尤其是農(nóng)機(jī)智能化使用可靠性和耐用度不足是當(dāng)前最亟須解決的問(wèn)題。筆者認(rèn)為，農(nóng)機(jī)裝備智能化的提升，離不開(kāi)數(shù)字化、復(fù)合式、高性能智能化提升，但是就現(xiàn)在農(nóng)業(yè)的基本情況而言，尤其是欠發(fā)達(dá)地區(qū)，剛開(kāi)始進(jìn)行農(nóng)機(jī)改造的地區(qū)，基礎(chǔ)的智能化改造更加迫切，先通過(guò)穩(wěn)定可靠的傳感器添加，讓農(nóng)機(jī)的效率得到明顯提升，讓農(nóng)民看到先進(jìn)生產(chǎn)力提升帶來(lái)的顯著效益，提高農(nóng)民自主要求智能化升級(jí)改造的欲望，從根本上促進(jìn)農(nóng)機(jī)智能化升級(jí)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)數(shù)字革命，達(dá)到智慧農(nóng)業(yè)的階段。

雖然問(wèn)題重重，但是我們應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，不管人們對(duì)制造業(yè)產(chǎn)業(yè)升級(jí)報(bào)以何種態(tài)度，智能化升級(jí)這個(gè)方向一定是不會(huì)偏離的，這是制造業(yè)唯一的出路，當(dāng)然會(huì)存在很多困難，作為時(shí)代的踐行者，我們唯一能做的就是迎難而上，以不問(wèn)收獲的態(tài)度去踐行。