嘉定區(qū)無人農(nóng)場的技術(shù)路線

馮敏康

（嘉定區(qū)農(nóng)機技術(shù)推廣站，上海市 201800）

1 無人駕駛農(nóng)業(yè)機械的技術(shù)路線

農(nóng)業(yè)機械進行無人化改裝的關(guān)鍵點就是如何將模擬信號轉(zhuǎn)化為農(nóng)業(yè)機械實際動作的方法。以下就是上海市嘉定區(qū)無人農(nóng)場中對農(nóng)業(yè)機械進行無人化改裝的技術(shù)路線。

1.1 拖拉機的換向控制

現(xiàn)有拖拉機的換向方式一般分為兩種：一種是撥桿撥到相應(yīng)方向位置時停止（久保田135 G拖拉機），另一種是前進、后退撥桿撥到相應(yīng)方向位置時會反彈回原位置（凱斯2254拖拉機）。

針對第一種換向方式的拖拉機，在改造時模擬其各個方向動作在操作時產(chǎn)生的電信號即可；針對第二種換向方式的拖拉機，在改造時模擬各個方向位置在操作時產(chǎn)生的電信號以及其在原位置的電信號即可。

1.2 拖拉機的換擋控制

進行換擋時需要按下相應(yīng)的換擋按鈕，改變其電信號進行加減擋。現(xiàn)有拖拉機的換擋方式一般分為兩種：一種是換擋按鍵可以一直加減到指定的高擋位或低擋位（久保田135 G拖拉機）；另一種是換擋按鍵到達區(qū)間最高擋位后，必須同時按下高擋位保護按鈕才可以再往更高擋位加或減（紐荷蘭1654拖拉機）。

針對第一種換擋方式，在改造時，模擬以下電信號：加擋或減擋按鍵按下時同組線路中的各個線路電信號變化、松開時同組線路中的各個線路電信號變化；針對第二種換擋方式，在改造時，模擬以下電信號：加擋或減擋按鍵按下時同組線路中的各個線路電信號變化、松開時同組線路中的各個線路電信號變化、高擋位保護按鈕按下按鈕相連的線路電信號變化、高擋位保護按鈕與加（或減）擋按鈕同時按下，其相連的各個線路電信號變化。

1.3 插秧機的秧臺控制電控改裝

秧臺抬升、下降位置的控制由原來的手動機械控制實現(xiàn)電動控制，通過加裝一款電機，不帶自鎖裝置，可以靈活地進行伸長與縮短，也是市面上使用比較多的標準驅(qū)動電機，使用預(yù)先測量、設(shè)計好的結(jié)構(gòu)件或者進行更換后的結(jié)構(gòu)件進行相連接，一端與電機首端進行相連接，另一端與秧臺連接的關(guān)鍵性結(jié)構(gòu)件相連接，而電機的尾端通過對應(yīng)的結(jié)構(gòu)件連接于車體的固定位置，從而通過電機伸長與縮短的長度，進行控制秧臺的抬升、下降，使得插秧機秧臺可以通過對應(yīng)的指令，達到自動控制的效果，實現(xiàn)自動控制。

1.4 插秧機的速度控制電控改裝

插秧機的速度控制，由原來的手動機械控制實現(xiàn)電動控制，通過加裝對應(yīng)的自鎖電機進行達到電控的效果，此種電機類型市面上使用標準電機也是比較多，使用預(yù)先測量、設(shè)計好的結(jié)構(gòu)件或者更換后的結(jié)構(gòu)件進行相連接，一端與電機首端進行連接，另一端與速度控制連接的關(guān)鍵性結(jié)構(gòu)件進行相連接，而電機的尾端通過對應(yīng)的結(jié)構(gòu)件連接于車體的固定位置，且結(jié)構(gòu)件首端位置含有滑槽，可以實現(xiàn)手自動一體，通過發(fā)送指令由對應(yīng)的電機的伸長與縮短進行控制速度的加速或者減速，從而實現(xiàn)插秧機速度的控制。

1.5 植保機的智能噴霧控制

北斗智能噴霧控制系統(tǒng)，是一套機電液一體化的流量控制系統(tǒng)，利用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位及速度等信息，結(jié)合壓力傳感器、流量計等傳感器信息，通過控制器自動化、智能化的方式控制開關(guān)閥、比例閥等，進一步實現(xiàn)打藥機精確、精準流量控制。

系統(tǒng)可以根據(jù)實際作業(yè)范圍設(shè)置藥量進行作業(yè)，能夠精確控制噴口的開合，自動調(diào)節(jié)藥液噴灑，實現(xiàn)打藥作業(yè)范圍內(nèi)打藥均勻的效果。系統(tǒng)還支持信息化回傳，能夠?qū)崟r上傳作業(yè)信息，控制中心可實時監(jiān)控作業(yè)位置、打藥量、作業(yè)面積以及作業(yè)質(zhì)量等。

1.6 收割機HST手動改電控

HST手改電指的是將機械操作，改為電動操作，操控起來方便省力。原車的變速手柄控制方式是人手操作變速桿，引起變速連桿動作，實現(xiàn)后退、停車、前進以及速度變化。手動改電控后，變速手柄和變速連桿之間增加了角度傳感器和帶有模擬反饋的推桿電機。手改電后的控制方法是人手操作機械手柄，手柄帶動角度傳感器做動作，會相應(yīng)地產(chǎn)生一個角度變化，變化量輸入到驅(qū)動控制器，驅(qū)動控制器根據(jù)該角度變化量，驅(qū)動推桿電機產(chǎn)生相應(yīng)動作，推桿電機帶動變速連桿動作，這樣就實現(xiàn)了變速功能。

1.7 收割機離合裝置電控改裝

原車離合裝置由驅(qū)動皮帶輪、從動皮帶輪、傳動皮帶、張緊輪組成，離合裝置結(jié)合時，拉動手柄，通過拉線傳動帶動張緊輪將驅(qū)動皮帶輪和從動皮帶輪之間的皮帶拉緊，增大摩擦，使從動皮帶輪跟隨驅(qū)動皮帶輪轉(zhuǎn)動，帶動脫谷滾筒或割臺的工作機構(gòu)運轉(zhuǎn)，離合分離時松開拉線，皮帶松開，從而切斷工作裝置的動力來源。

原車純機械離合裝置通過加裝執(zhí)行電機、拉線和安裝結(jié)構(gòu)件，使其能夠?qū)崿F(xiàn)驅(qū)動器控制，將原車的純機械結(jié)構(gòu)改為電控，便于無人駕駛系統(tǒng)控制，當(dāng)控制離合結(jié)合時，執(zhí)行電機運轉(zhuǎn)將拉線拉緊，帶動原車離合機構(gòu)的張緊輪收緊，就能實現(xiàn)機械離合的電動控制，且當(dāng)電控機構(gòu)不工作時，不影響原車手動操作。

1.8 收割機遙控卸糧

相比于拖拉機遙控功能，收割機的遙控還增加了遙控卸糧功能，當(dāng)糧桶滿時，可在手機端查看糧倉狀態(tài)，此時通過遙控駕駛將車輛駕駛到卸糧點，通過遙控調(diào)整糧桶位置，讓其對準運糧車，點擊卸糧按鈕即可開始卸糧，卸糧結(jié)束后斷開卸糧離合，操作糧桶回位，再通過手機APP控制車輛行駛到需要作業(yè)的位置，點擊開始作業(yè)即可繼續(xù)作業(yè)。

該功能真正實現(xiàn)了收割機作業(yè)過程中不需要人操作車輛，將人從惡劣的作業(yè)環(huán)境中解放出來，大大降低了人的勞動強度，甚至可以一個人控制多臺車輛作業(yè)。

2 無人農(nóng)場的相關(guān)數(shù)據(jù)

自無人農(nóng)場項目建設(shè)以來，嘉定區(qū)農(nóng)機技術(shù)推廣站進行了針對無人農(nóng)機耕、種、管、收的數(shù)據(jù)測試，并與人工作業(yè)進行了比較。由于拖拉機的改裝涉及動力換擋和動力變向，而動力換擋和動力換向兼具的拖拉機不適用于嘉定的水田，所以在拖拉機的改裝方面存在有局限性，使得無人拖拉機的工作質(zhì)量與人工有所差異，故無法獲得準確數(shù)據(jù)。

2.1 無人插秧機的作業(yè)數(shù)據(jù)

無人插秧機試驗的機具為洋馬VP8D水稻插秧機，試驗田塊為外岡的高水平良田，適用性較為廣泛。其次，該田塊情況良好、軟硬程度適中，適合無人駕駛技術(shù)試驗的開展，提升試驗數(shù)據(jù)準確性。試驗數(shù)據(jù)如表1、表2所示。

由試驗數(shù)據(jù)（表1、表2）計算可知：無人駕駛的作業(yè)效率為0.46 hm2/h，人工駕駛的作業(yè)效率為0.53 hm2/h。

表1 無人駕駛插秧機作業(yè)數(shù)據(jù)（單位：km/h）

表2 人工駕駛插秧機作業(yè)數(shù)據(jù)（單位：km/h）

2.2 農(nóng)業(yè)無人機的作業(yè)數(shù)據(jù)

無人植保作業(yè)選擇以丸山自走式噴桿噴霧機與農(nóng)業(yè)無人機作對比。由表3、表4可見，經(jīng)計算自走式噴桿噴霧機在大田中平均每畝作業(yè)時間均為1.6 min，農(nóng)業(yè)無人機平均每畝作業(yè)時間均為1.24 min。作業(yè)效率上農(nóng)業(yè)無人機是自走式噴桿噴霧機的1.2倍左右。但隨著單塊田塊情況變化，自走式在小田塊、不規(guī)則田塊、魚塘田中效率將遠低于農(nóng)業(yè)無人機。

表3 農(nóng)業(yè)無人機作業(yè)數(shù)據(jù)

表4 自走式噴桿噴霧機作業(yè)數(shù)據(jù)

2.3 無人收割機的作業(yè)數(shù)據(jù)

無人收割試驗的機具為洋馬YH6118水稻收割機，試驗數(shù)據(jù)如所示。由試驗數(shù)據(jù)（表5）計算可知：無人駕駛的作業(yè)效率為0.37 hm2/h，人工駕駛的作業(yè)效率為0.424 hm2/h。

表5 無人駕駛收割機作業(yè)情況表（0.29 hm2無人駕駛+0.12 hm2人工駕駛）

3 結(jié)語

1）無人插秧和無人收割的工作效率會略低于人工駕駛，但是采用無人駕駛可大幅度降低人工成本。目前，嘉定區(qū)高水平設(shè)施良田機械插秧作業(yè)效率約為5.53～6.67 hm2/天，用工平均成本為13.75元/667m2。無人農(nóng)場采用智能駕駛系統(tǒng)，作業(yè)效率約為5.13～6.46 hm2/天，且由于無需擺秧工，平均成本降至7.2～9元/667m2。經(jīng)試驗對照，相同作業(yè)條件下，無人駕駛較人工駕駛可以節(jié)約一個人工，平均成本大幅降低。

2）田塊條件良好情況下，農(nóng)業(yè)無人機與自走式植保車作業(yè)速度無明顯差異，但在田塊條件復(fù)雜情況下，無人機不受地域條件約束，作業(yè)效率高、作業(yè)效果良好。

同時，數(shù)字化無人農(nóng)場的應(yīng)用改變了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對勞動力的強依賴性，重新定義農(nóng)業(yè)人才的新標準，管理、技術(shù)復(fù)合型人才已然成為嘉定區(qū)都市型農(nóng)業(yè)人才的培養(yǎng)方向，找到了“誰來種地、如何種地”的答案。