農(nóng)業(yè)機(jī)械自動化控制系統(tǒng)中傳感技術(shù)應(yīng)用研究

費縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局 周銀章

自動化控制系統(tǒng)是基于機(jī)電技術(shù)、PLC控制程序、伺服控制系統(tǒng)、變頻控制系統(tǒng)、電機(jī)控制系統(tǒng)及液壓控制系統(tǒng)等相互整合，實現(xiàn)機(jī)械設(shè)備自動化運(yùn)行的系統(tǒng)體系。自動化概念的產(chǎn)生已經(jīng)有數(shù)十年歷史，在工業(yè)生產(chǎn)中得以廣泛應(yīng)用。近些年來，隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展水平不斷提升，自動化控制系統(tǒng)開始逐步應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械不同環(huán)節(jié)，尤其是以傳感技術(shù)為支撐，為自動化控制水平提升奠定良好基礎(chǔ)。

1 傳感技術(shù)及在農(nóng)業(yè)機(jī)械自動化控制系統(tǒng)中的應(yīng)用優(yōu)勢

1.1 傳感技術(shù)概念

傳感技術(shù)是以傳感器、信息處理和識別、數(shù)字技術(shù)等為支撐，從自然信源中獲取信息，對信息急性處理、變換和識別的現(xiàn)代科學(xué)與工程技術(shù)。傳感器的作用主要是通過氣體、光線、溫濕度及人體感知等形式，將周圍環(huán)境或特殊物質(zhì)的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并在數(shù)字顯示平臺上以數(shù)據(jù)形式顯示出來[1]?；趥鞲屑夹g(shù)原理，傳感器的功能與品質(zhì)，對傳感信號處理質(zhì)量有直接性影響。傳感技術(shù)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的高水平應(yīng)用，不僅是生產(chǎn)效率提升的關(guān)鍵，更是生產(chǎn)模式變革的重要驅(qū)動力量，是實現(xiàn)現(xiàn)代化發(fā)展的重要技術(shù)支撐。

1.2 傳感技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械中的應(yīng)用現(xiàn)狀

我國在傳感技術(shù)方面的研究與開發(fā)，起始于20世紀(jì)60年代，直至80年代才開始得以重視，因此就整體上而言，較之發(fā)達(dá)國家技術(shù)水平還有明顯差異，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用，起步更為滯后。近些年來，隨著相關(guān)技術(shù)研究不斷成熟，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平的不斷提升，使得傳感技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械方面的應(yīng)用實現(xiàn)突破性發(fā)展。以此衍生而來的農(nóng)業(yè)傳感技術(shù)也形成專門的技術(shù)形態(tài)，并在部分高校開始出現(xiàn)獨立的學(xué)科。農(nóng)業(yè)傳感技術(shù)具有較強(qiáng)的針對性，由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的復(fù)雜性、數(shù)據(jù)處理的精準(zhǔn)性要求較高，使得實際應(yīng)用中對傳感器的運(yùn)算能力、單片機(jī)的運(yùn)行能力、軟件處理速度和誤差應(yīng)用能力都有較高要求。就整體上而言，傳感技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械中的應(yīng)用還處于前期發(fā)展階段，整體研發(fā)和生產(chǎn)能力還有待提升，在農(nóng)業(yè)機(jī)械自動化控制系統(tǒng)中的作用還有待進(jìn)一步提升。

1.3 傳感技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械中的應(yīng)用優(yōu)勢

雖然傳感技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械中的應(yīng)用依然處于前期發(fā)展階段，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的促進(jìn)作用還較為有限，但是其應(yīng)用優(yōu)勢已經(jīng)明顯體現(xiàn)出來，成為我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)革新和生產(chǎn)模式變革不可缺少的技術(shù)支撐。首先來說，農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的實現(xiàn)離不開先進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)為支撐，先進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)的實現(xiàn)，則是以先進(jìn)的機(jī)械設(shè)備為實現(xiàn)載體的。傳感技術(shù)的應(yīng)用，為農(nóng)業(yè)機(jī)械自動化生產(chǎn)奠定良好基礎(chǔ)，是生產(chǎn)技術(shù)革新不可缺少的條件。其次是我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)在整體上還較為滯后，以傳感技術(shù)為基礎(chǔ)的農(nóng)業(yè)機(jī)械高速發(fā)展，能夠盡量縮減我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)與世界先進(jìn)水平的差距，是確保糧食生產(chǎn)穩(wěn)定和糧食安全的基本保障，是我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系變革的必然要求。再次是傳感技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械中的高水平應(yīng)用，能夠逐步提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，在我國農(nóng)業(yè)人口絕對數(shù)量不斷降低背景下，確保農(nóng)業(yè)產(chǎn)值在國民經(jīng)濟(jì)中的占比保持穩(wěn)定狀態(tài)，為國民經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化奠定良好基礎(chǔ)。

2 傳感技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械自動化控制系統(tǒng)中的應(yīng)用分類

2.1 視覺導(dǎo)航技術(shù)的應(yīng)用

視覺導(dǎo)航的基本原理是基于視覺圖像預(yù)處理、目標(biāo)提取、目標(biāo)跟蹤和數(shù)據(jù)處理技術(shù)，利用傳感器對周圍環(huán)境信息進(jìn)行處理的技術(shù)體系[2]。在農(nóng)業(yè)機(jī)械運(yùn)行中，將攝像頭安裝在車身特定位置，就能夠獲取周邊環(huán)境狀態(tài)，對機(jī)械設(shè)備運(yùn)行路線進(jìn)行規(guī)劃導(dǎo)航，指導(dǎo)機(jī)械設(shè)備在農(nóng)業(yè)行間作業(yè)，實現(xiàn)機(jī)械的自動化運(yùn)行。國外科學(xué)家研究出的農(nóng)業(yè)機(jī)器人，能夠?qū)崿F(xiàn)除草和播種作業(yè)，就是視覺導(dǎo)航的基本應(yīng)用形式。在我國相關(guān)研究中，也利用視覺傳感技術(shù)，對農(nóng)作物進(jìn)行全方位掃描分析，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械的自動化作業(yè)。視覺導(dǎo)航技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械自動化控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，對算法優(yōu)化和農(nóng)作物間隔、連續(xù)性等都有較高要求，在處理精度不足的情形下，容易出現(xiàn)圖像缺失現(xiàn)象，因此只能夠在特定作業(yè)場景下應(yīng)用。

2.2 全球衛(wèi)星定位技術(shù)的應(yīng)用

全球衛(wèi)星定位技術(shù)原是指GPS技術(shù)，在我國北斗系統(tǒng)運(yùn)行已經(jīng)較為完善的情形下，也成為全球衛(wèi)星定位技術(shù)的主要運(yùn)行基礎(chǔ)[3]。全球衛(wèi)星定位技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械自動化控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，主要是獲取作業(yè)地塊的精準(zhǔn)位置信息，在系統(tǒng)控制下自動開展作業(yè)活動?；谌蛐l(wèi)星定位技術(shù)，能夠有效降低農(nóng)業(yè)機(jī)械操作人員的工作強(qiáng)度，更好地提升作業(yè)效率，對提升農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化生產(chǎn)水平具有重要的促進(jìn)意義。但是全球衛(wèi)星定位技術(shù)對信號傳輸精度具有較高要求，僅適用于室外作業(yè)場景，在室內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中無法滿足應(yīng)用要求。

2.3 激光導(dǎo)航技術(shù)的應(yīng)用

激光導(dǎo)航技術(shù)是依托激光技術(shù)發(fā)展而出現(xiàn)的新興導(dǎo)航技術(shù)，在視線狀況不佳及野外勘測中具有較為廣泛的應(yīng)用。相對于視覺導(dǎo)航和全球衛(wèi)星定位技術(shù)而言，激光導(dǎo)航技術(shù)最為明顯的優(yōu)勢就是能夠適用于多種農(nóng)產(chǎn)作業(yè)場景，導(dǎo)航精度較高，能夠滿足農(nóng)業(yè)機(jī)械精細(xì)化運(yùn)行要求，在綠色農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有較為廣泛的應(yīng)用。在農(nóng)業(yè)機(jī)械自動化控制系統(tǒng)中，應(yīng)用激光導(dǎo)航技術(shù)，能夠確保機(jī)械設(shè)備在高精度下完成作業(yè)任務(wù)，更好地提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平，成為農(nóng)業(yè)機(jī)械化自動控制系統(tǒng)研究的重要方向。

2.4 多傳感器融合技術(shù)應(yīng)用

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系中，高水平自動化控制的農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備投入使用面臨最大的問題在于新型設(shè)備運(yùn)行成本較高，單純采用單一型傳感技術(shù)，不僅投入與產(chǎn)出效益不符，生產(chǎn)作業(yè)精度也會受到明顯影響，因此多傳感器融合應(yīng)用，成為農(nóng)業(yè)機(jī)械自動化控制系統(tǒng)發(fā)展的主要解決方式[4]。在需要對農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和位置進(jìn)行精準(zhǔn)定位時，就可以將全球衛(wèi)星定位技術(shù)與激光導(dǎo)航技術(shù)結(jié)合，精準(zhǔn)收集作業(yè)現(xiàn)場信息，在減少生產(chǎn)作業(yè)誤差的同時，全面提升作業(yè)效率，為提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

3 傳感技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械自動化控制系統(tǒng)的具體應(yīng)用

3.1 在自動化插秧機(jī)中的應(yīng)用

插秧機(jī)自動化作業(yè)是提升秧苗插種效率的重要實現(xiàn)形式，原有的自動化插秧機(jī)在作業(yè)中無法保障插種的連續(xù)性，無法適應(yīng)復(fù)雜地形條件下的作業(yè)環(huán)境要求?；谶@兩方面不足，可以在自動化插秧機(jī)中采用如下傳感技術(shù)類型進(jìn)行改進(jìn)。一是在秧箱內(nèi)布置微動開關(guān)傳感器，在秧苗出現(xiàn)超重或數(shù)量不足時，傳感器就會連接警報器發(fā)出信號，由人工及時補(bǔ)充秧苗確保作業(yè)正常進(jìn)行。同時在作業(yè)過程中，還會出現(xiàn)漏插現(xiàn)象，當(dāng)前已經(jīng)有相關(guān)機(jī)構(gòu)嘗試?yán)霉饷艟w進(jìn)行檢測，對插秧結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，確保作業(yè)質(zhì)量。二是在插秧機(jī)底部位置加設(shè)位置傳感器，在機(jī)械體上增加液壓高度控制設(shè)施，以滿足機(jī)械設(shè)備在復(fù)雜條件下自動調(diào)整運(yùn)行高度，保證秧苗插種深度。

3.2 在農(nóng)業(yè)機(jī)械底盤中的應(yīng)用

農(nóng)業(yè)機(jī)械底盤位置布設(shè)不同類型和性能的傳感器，是傳感技術(shù)應(yīng)用的主要形式，在當(dāng)前農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備朝向大型化方向發(fā)展背景下，傳感技術(shù)的應(yīng)用，對生產(chǎn)作業(yè)質(zhì)量和作業(yè)效率具有重要影響。例如在大型拖拉機(jī)、犁耕機(jī)等機(jī)械設(shè)備底部的振動點布設(shè)水平傳感器、高度傳感器等，能夠及時檢測出車體運(yùn)行傾斜度，檢測出車輛運(yùn)行安全性能，并將信息及時傳遞至中臺管理系統(tǒng)，由操作人員及時對作業(yè)狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整[5]。同時，在機(jī)械設(shè)備底盤位置布設(shè)溫度傳感器、氣體傳感器等，還能夠及時檢測機(jī)械設(shè)備作業(yè)環(huán)境變化，確保機(jī)械在惡劣作業(yè)環(huán)境下，也能夠保持自動化作業(yè)的穩(wěn)定性，能夠準(zhǔn)確判定發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)變化情況，提前預(yù)判設(shè)備故障，減少自動化控制系統(tǒng)運(yùn)行不到位造成的作業(yè)質(zhì)量不佳及經(jīng)濟(jì)損失。在某型號農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備中，布置20多個不同類型的傳感器，確保設(shè)備能夠在多種生產(chǎn)場景下保持良好的自動化運(yùn)行狀態(tài)，為提升農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)效益起到積極的促進(jìn)作用。

3.3 電子式機(jī)油壓力傳感技術(shù)的應(yīng)用

電子式機(jī)油壓力傳感技術(shù)的應(yīng)用，是將視覺激光技術(shù)與聲吶技術(shù)等相結(jié)合，對農(nóng)業(yè)車輛運(yùn)行路線進(jìn)行優(yōu)化的技術(shù)。相對于傳統(tǒng)機(jī)械式壓力傳感器而言，具有無可動的機(jī)械裝置、運(yùn)行可靠性高、檢測精度高等方面優(yōu)勢，近些年來，隨著相關(guān)生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展，生產(chǎn)成本也得以有效控制，具有較高的推廣應(yīng)用價值[6]。將電子式機(jī)油壓力傳感技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械中，能夠在彎曲或復(fù)雜條件的壟地作業(yè)時，更好地采集作業(yè)現(xiàn)場信息，精準(zhǔn)掌握田間壟地的道路狀況，避免自動作業(yè)出現(xiàn)較大誤差而對后續(xù)耕作造成更大影響。我國在電子式機(jī)油壓力傳感技術(shù)方面的研究已經(jīng)較為豐富，但是在農(nóng)業(yè)機(jī)械自動化控制系統(tǒng)中的應(yīng)用水平還有待進(jìn)一步提升，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)自動化應(yīng)用能夠起到的促進(jìn)作用較為有限。

3.4 在水果生產(chǎn)管理中的應(yīng)用

水果產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益水平相對較高、生產(chǎn)作業(yè)中人力資源消耗量較大，因此在農(nóng)業(yè)機(jī)械自動化控制方面的需求更為明顯。當(dāng)前傳感技術(shù)在水果生產(chǎn)機(jī)械中的應(yīng)用主要包括如下形式：一是旋耕上肥等整機(jī)械設(shè)備，其運(yùn)行原理較為簡單，傳感技術(shù)應(yīng)用的主要作用是采集作業(yè)環(huán)境信息，對作業(yè)路線進(jìn)行優(yōu)化。二是氣動式剪修機(jī)設(shè)備，主要功能包括整形美容修枝、疏花、水果套袋、授粉等，當(dāng)前這方面的自動化作業(yè)設(shè)備生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)較為成熟，但是在實際應(yīng)用方面還有待提升，傳感技術(shù)應(yīng)用的主要方向在于對果樹和果品進(jìn)行篩選。三是自動化灌溉、噴灌設(shè)施，通過傳感技術(shù)與智能化控制系統(tǒng)的結(jié)合，控制灌溉水流量、勻稱度等。傳感技術(shù)在水果生產(chǎn)機(jī)械設(shè)備中的應(yīng)用，主要是利用距離傳感器、光線傳感器等，能夠?qū)崿F(xiàn)耕作和水果分揀包裝的自動化。

3.5 在聯(lián)合收割機(jī)中的應(yīng)用

傳感技術(shù)在聯(lián)合收割機(jī)自動化控制中的應(yīng)用，主要是通過傳感器采集地面信息、農(nóng)作物跟頸部信息，從而實現(xiàn)作物收割高度的自動識別，由系統(tǒng)自動控制收割環(huán)節(jié)的喂入深度。具備傳感功能的聯(lián)合收割機(jī)，能夠有效提升整體作業(yè)效率，減輕生產(chǎn)操作人員的工作壓力。但是由于聯(lián)合收割機(jī)作業(yè)場景較為復(fù)雜，所需要采集的外部信息也較為復(fù)雜，對傳感器性能和中臺數(shù)據(jù)處理能力具有較高要求[7]。因此在這方面研究中，還需要從整體上對自動化控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，確保系統(tǒng)能夠全面、高效地完成信息采集和處理流程，確保機(jī)械設(shè)備能夠在多種作業(yè)場景中保持運(yùn)行精度，有效提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作業(yè)效率。

4 傳感技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械自動化控制系統(tǒng)中應(yīng)用趨勢

4.1 精密集成化發(fā)展

農(nóng)業(yè)機(jī)械自動化控制已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展的主要方向，整體上而言，當(dāng)前農(nóng)業(yè)傳感器技術(shù)在農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)中的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益已經(jīng)較好地體現(xiàn)出來，對我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展起到積極的促進(jìn)作用。但是相對于工業(yè)產(chǎn)業(yè)傳感技術(shù)而言，農(nóng)業(yè)傳感技術(shù)水平相對較為滯后，設(shè)備體積較大、運(yùn)行精密度和運(yùn)算效率都有待進(jìn)一步提升。在與農(nóng)業(yè)機(jī)械自動化控制系統(tǒng)結(jié)合安裝時，還需要對機(jī)械現(xiàn)有布局重新調(diào)整。同時，農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備運(yùn)行環(huán)境較為復(fù)雜，對傳感器場景適用能力也具有較高要求。因此在當(dāng)前研究中，需要以精密集成化為主要方向，在有效控制生產(chǎn)成本基礎(chǔ)上，對設(shè)計和生產(chǎn)方案進(jìn)行優(yōu)化，推動傳感器向小型化、精密化、集成化、多功能方向發(fā)展，能夠盡量拓展同一傳感器在不同機(jī)械設(shè)備中的應(yīng)用水平，確保作業(yè)效率和作業(yè)成本達(dá)到均衡狀態(tài)，切實提升自動化控制水平。

4.2 人工智能化發(fā)展

人工智能化是有效提升自動化控制系統(tǒng)運(yùn)行水平的技術(shù)支撐，在農(nóng)業(yè)機(jī)械傳感系統(tǒng)設(shè)計中，結(jié)合人工智能技術(shù)的應(yīng)用，能夠確保自動化控制更好的優(yōu)化。但是由于人工智能技術(shù)方面的研究還不夠完善，針對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的人工智能技術(shù)研究相對較為滯后，農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)環(huán)境建模需要考慮的因素較為復(fù)雜，因此智能化水平相對較低，僅是以應(yīng)用于部分高效益的經(jīng)濟(jì)作物生產(chǎn)中，在農(nóng)業(yè)機(jī)械自動化控制系統(tǒng)中優(yōu)化作用還無法充分體現(xiàn)出來。在人工智能技術(shù)不斷發(fā)展中，需要深入把握農(nóng)業(yè)機(jī)械自動化控制系統(tǒng)運(yùn)行要求，開發(fā)遠(yuǎn)程智能采集傳導(dǎo)技術(shù)、農(nóng)業(yè)機(jī)械場景智能分析技術(shù)、農(nóng)作物生長參數(shù)分析技術(shù)等，為模型構(gòu)建和預(yù)測提供精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)參考。只有在人工智能技術(shù)的全面支撐下，才能夠?qū)崿F(xiàn)真正意義上的自動化控制，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化生產(chǎn)目標(biāo)。

5 結(jié)語

農(nóng)業(yè)機(jī)械自動化控制系統(tǒng)的高速發(fā)展，離不開傳感技術(shù)的全方面支撐，更是未來農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化生產(chǎn)模式變革的重要實現(xiàn)形式。當(dāng)前傳感技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械自動化控制中的應(yīng)用還僅限于某些經(jīng)濟(jì)效益較高的方面，在未來發(fā)展中，必須要基于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的整體情況，對相關(guān)技術(shù)應(yīng)用功能進(jìn)行全面整合優(yōu)化，推動農(nóng)業(yè)機(jī)械自動化控制水平不斷提升，為我國農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展奠定堅實基礎(chǔ)。